基于软件无线电的移动通信实验平台建设与实验教学改革

郭晓菲 李世宝

摘要：针对移动通信技术的飞速发展及实验教学的滞后，本文指出目前高校移动通信实验存在的问题。在充分利用现有实验资源的基础上，构建一个基于软件无线电的移动通信实验平台，将真实的空口信号引入实验中，引导学生积极主动的学习，从而培养学生发现问题和解决问题的能力。

关键词：软件无线电；移动通信；空口信号

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）45-0277-02

移动通信课程是电子通信类专业的一门重要专业课，从某种意义上来说它是一门实践性很强的学科，而移动通信实验是移动通信教学的重要组成部分。目前虽然各大高校的通信专业都开设了移动通信课程，但实验教学的组织实施一直都存在问题[1]。传统的验证性实验只能加强学生对理论知识的理解认知能力，无法培养学生分析问题和解决问题的能力。因此，如何利用有限的实验课时，引导学生将理论知识应用到具体的系统中解决实际问题，是移动通信实验教学改革的一个重要的研究立足点。

一、移动通信实验教学的现状及存在的问题

目前，各高校移动通信实验主要有虛拟仿真、实验箱、大型设备三种方式，虚拟仿真主要采用Matlab、System View等软件仿真，这种方法可以对理论知识有一个透彻的理解，但缺乏真实性，较少涉及应用的环境和对象，和产业界的要求相去较远。个别高校采用真实的移动通信的大型商业设备来进行实验，可实现手机等真实信号的随意接入，实验效果较好，但费用很高[2，3]。而大部分高校目前的移动通信实验还是采用实验箱的方式，这种实验方式存在以下问题：（1）信号源缺乏真实性：由于实验采用函数信号发生器作为信源，这种信号源是非常理想的，没有任何噪声，这和真实的空口信号差别非常大，用这种信号源来做实验，学生会感觉信号源不够直观，缺乏真实性，不能激发学生的学习兴趣。（2）实验内容枯燥、脱离实际：目前移动通信实验局限于模块化的实验箱来完成，一般都是一些验证性的实验，比如：数字调制与解调技术、直接序列扩频通信实验等。实验中很多信号处理过程都被集成在模块中，学生无法观察移动通信网络中信号的传输和处理过程，做完实验后学生对于实际的移动通信系统还是缺乏感性认识，没有形成系统的概念[3]。

二、移动通信实验平台的建设

本文提出将软件无线电开发平台GNU Radio和通用软件无线电外设USRP（Universal Software Radio Peripheral）组成的软件无线电系统作为移动通信实验平台，学生在电脑终端上就可以进行无线通信系统的设计。这种软硬件结合的新方法能够快速实现系统原型，将特性复杂、仿真困难的实际无线信道纳入系统仿真模型中。

一个典型的移动通信系统是由固网设备、交换网络、无线基站和移动终端四部分组成的，通常把无线基站和移动终端之间的接口称之为空中接口。实验平台就是要利用USRP的射频前端把空口信号引入实验中，这样学生通过GNU Radio和USRP组成的软件无线电平台可实现空口信号的收发和信号的协议解析，完成真实的移动网络信号的测试分析，并进行无线通信系统的设计构建通信“系统”的概念。

在GNU Radio和USRP组成的移动通信实验平台中，GNU Radio负责基带信号的处理，USRP的结构中主要包括负责数字中频处理的FPGA（Field Programmable Gate Array）、负责模/数与数/模转换的ADC与DAC器件和负责射频信号处理的射频子板，它能够兼容当前无线通信的多种协议标准，可支持自定义协议和多标准融合的系统建模和测试。移动通信实验平台的硬件结构如图1所示。

首先在电脑终端上搭建GNU Radio软件平台，将天线、射频子板、基带子板、数据处理服务器有机结合成一个可配置的整体，完成整个开发环境的搭建，然后利用基于USRP的外设，完成信号发送端和接收端的初始化配置，实现基于以太网接口的PC端和USRP的正常通信。

三、优化并调整实验教学内容

传统实验内容较单一、枯燥，学生缺乏兴趣，加入真实的移动网络信号后，必然要对传统实验内容进行优化调整，丰富传统实验内容，提高学生对实验的兴趣。根据实验内容改革的要求，再结合实验课时的具体情况，在GNU Radio和USRP组成的实验教学平台上，将《移动通信》的实验内容分为基础性实验、研究性实验、综合性实验、开放性实验等四类。（1）基础性实验：基础实验部分主要是让学生通过实验来熟悉系统的环境配置及使用方法，通过实验来验证移动通信系统的基本功能，对基础理论加以理解巩固。例如：数字调制与解调技术实验，该实验主要让学生了解移动通信系统中MSK、GMSK调制、解调原理及特性，实验中利用USRP获取真实的手机信号作为信源，就有了噪声的干扰，学生能体会到实验环境的真实性。（2）研究性实验：研究性实验主要是在基础类实验的基础上进行设计。设计性实验以学生自主设计、独立实验为主，实验目标较为单一明确，保证在规定的实验课时内完成，在了解系统的基础上发现问题、解决问题，教师只起到辅助性的指导作用。例如：噪声信道模拟实验、多径衰落信道模拟实验。实验中利用USRP获取真实的手机信号作为信源，将基带信号进行一定的处理，观察噪声对信号的干扰。（3）综合性实验：综合性实验是以基础类实验为主线，由若干简单实验组成。通过综合性实验，使学生能够获得全面的训练，提高学生对所学相关专业知识的综合应用能力，进一步提高学生独立解决实际问题的能力。例如：GSM通信系统实验，该实验利用两台USRP设备完成GSM信号的收发，学生自己设计实验方案，搭建GSM数据通信系统，这样可以让学生建立一个GSM通信系统的概念，并观察GSM系统各部分信号波形。（4）开放性实验：开放性实验内容中可加入一些移动通信的前沿知识，例如：学生可基于软件无线电平台设计实现一个协作式的MIMO系统，或者毫米波蜂窝通信系统，这样就可以进行下一代通信系统的设计和研究。由于开放性实验难度高、工作量大，不必局限在规定的实验课时内，可以作为通信专业的课程设计来要求，也可作为学生参加大学生创新创业训练计划及各种科技竞赛的题目，这类实验可以培养学生综合运用知识的能力和探索创新的能力。

四、结语

本文针对目前移动通信实验教学中存在的问题，提出将开源软件无线电开发工具GNU Radio和通用软件无线电外设USRP组成的软件无线电系统作为移动通信实验平台，这种软硬件结合的新方法能够将真实的移动网络信号引入实验中，这样能够提高学生对实验的兴趣，并能快速实现无线通信系统的原型验证，实验中通过与真实移动信号的交互，让学生构建通信“系统”的概念，解决传统实验教学中存在的问题。

参考文献：

[1]王志鹏，李婧，侯晨霞.软硬件相结合的移动通信原理实验系统设计[J].实验技术与管理，2014，31（9）：62-64.

[2]何伟刚，吴其琦，黄亚群.仿真技术应用于移动通信实验教学的创新实践[J].实验技术与管理，2014，31（10）：132-135.

[3]徐川，徐铭泽，唐红.基于虚拟现实的移动通信实验系统设计[J].实验技术与管理，2012，29（3）：94-97.