基于LTE环境模拟平台的移动通信系统仿真实训

南京工程学院通信工程学院 江苏南京 211167

通信系统仿真实训是通信工程专业本科生的一门实践性教学必修课。其目的在于通过通信系统的设计与仿真，使学生熟练掌握通信系统的理论、设计方法，提高其运用所学知识独立分析问题、解决问题的综合能力[1]。通信系统仿真实训是南京工程学院通信工程专业实践教学改革中的一门重要课程，该实训分为3个模块：移动通信系统仿真、数据通信网络仿真、卫星通信系统仿真。各模块依据CDIO(C：Conceive—构思，D：Design—设计，I：Implement—实现，O：Operate—运作)工程教育模式[2]，融入现代通信行业所需的工程实践能力、岗位技能素养与系统工程分析能力，培养学生解决复杂系统工程问题的能力[3]。

本文以移动通信系统仿真实训为例进行分析。移动通信是通信工程专业的核心课程。移动通信具有发展迅速、工程性强等特征。目前第四代移动通信(4G)已在全球大规模商用，第五代移动通信(5G)的技术研究和标准化工作也已接近尾声[4,5]。移动通信系统设备的认知和实训是通信工程专业重要的学习内容，传统的教学方式很难使学生对移动通信系统设备有很好地理解和认知。结合现网设备进行实训操作，能促使学生从实践中理解理论知识，积累实际工作经验，以适应通信技术的发展。

1 移动通信系统仿真实训平台

通信工程专业移动通信系统仿真实训采用华为LTE环境模拟软件LTEStar，该软件结合了华为物理设备eNodeB 6.0(LTE无线基站)操作平台和虚拟仿真技术。软件可模拟实现主体设备eNodeB 6.0的全部功能，还内置了EPC(4G核心网)以及UE(移动终端)的必要功能模块。

软件采用3D图像仿真技术模拟出机框、单板、天馈和线缆等设备链接场景，通过人机交互，使学员能够在模拟环境下完成基站硬件安装、VoLTE通话、短消息收发、在线视频、文件下载、UE终端测试、小区覆盖检测等实验内容，弥补学生远离设备现场的缺憾；另外，软件可产生仿真业务数据虚拟业务场景，使学生能够更加真实地了解到网络业务的本质。软件继承了真实设备的操作维护平台，登录平台后，学生可以像操作真实设备一样对模拟基站进行数据配置、状态查询、告警检测、信令跟踪、业务查询等操作。

2 移动通信系统仿真实训项目设计

2.1 实训目标

移动通信系统实训的教学目标是让学生了解4G相关的基础知识和原理，掌握4G的网络架构，掌握中小型区域移动通信网络的规划与设计流程，熟悉现网中实际运行的设备，完成移动网络中相关基站的配置以及故障排除。通过实训，使学生能对移动通信网络有宏观的认识，并能激发学生对5G网络和技术的学习兴趣。移动通信系统实训采用华为LTE 4G环境模拟系统，主要分为5个实训模块，各模块与实训目标紧密结合，具体如图1所示。

图1 移动通信实训目标与模块设计

2.2 实训组织方式

移动通信实训的每个项目由学生组团完成，学生组团后有充分的任务分工和细化自由[6,7]。每个团队由3～4名学生组成，成员包括：团队负责人、网络规划工程师、设备配置及测试工程师。团队负责人召集小组成员开展需求分析、规划与设计、网络配置与测试，并负责网络的总体方案设计，方案的成本核算、优缺点，安排成员撰写技术方案相关文档。

2.3 实训项目设计

为了保证实训的工作量和效果，针对每个学生团队设计不同的项目，每个项目的组网需求不同。下面以其中一个项目的组网需求为例说明。

硬件安装需求：某运营商需要新建LTETDD基站2个，每个基站内含一个BBU及一个RRU，每个RRU下对应一个小区，进行BBU硬件设备单板及天馈安装工作，天馈中需要安装RRU、板状天线、GPS、馈线、避雷器。

数据配置需求：需要对安装好的基站进行数据配置，数据配置按照全局数据、传输数据、无线数据依次配置。

网络结构设计要求：完成网络拓扑设计、线路连接设计、IP地址规划。

通信需求：最终实现两个小区间互相通信。

3 移动通信系统仿真实训结果

根据项目的组网需求，设计出的网络拓扑如图2所示。4G LTE移动通信网构架中，MME(Mobility Management Entity，移动管理实体)负责非接入层信令的加密和完整性保护、接入层安全性控制、空闲状态移动性控制、切换、漫游等。SGW(Serving GateWay，服务网关)负责分组数据路由及转发、移动性及切换支持。PGW(PDN GateWay，PDN网关)负责分组数据过滤、UE的IP地址分配、上下行计费及限速。HSS(Home Subscriber Server，归属签约用户服务器)用于存储用户数据、鉴权数据等。PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元)是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点[8,9]。

图2 网络拓扑图

设备线路连接与天馈线连接分别如图3和图4所示。

图3 设备线路连接示意图

图4 天馈连接示意图

核心网IP参数设置如图5所示，具体参数为eNodeB-0：172.28.4.4，端口号：16448；MME：172.28.4.5，端口号：16705；eNodeB-1：172.28.4.7，端口号：16448；MME：172.28.4.8，端口号：16750，S-GW：172.28.4.6。

图5 核心网参数示意图

测试模块包括通话测试、网页测试、视频测试、下载测试和小区信号覆盖验证，测试结果如图6～10所示。

图6 通话业务测试结果

图7 上网业务测试结果

图8 下载业务测试结果

图9 视频业务测试结果

图10 小区信号覆盖测试结果

4 结语

在移动通信技术飞速发展的同时，运营商及其上、下游企业对精通4G甚至5G的通信技术人才的需求也不断增加。采用LTE环境模拟系统开展移动通信系统实训教学，一方面节约了高校的实验室建设成本，另一方面为每名学生打造了更加独立、灵活的实验空间。通过基于移动通信仿真实训项目训练，能够促使学生深入理解移动通信网络的布局与关键技术，为其毕业后从事移动通信系统设备的研制、开发、生产、维护和工程项目打下扎实的理论与实践基础。