虚拟仿真实验在“移动通信”课程组网技术教学中的应用

卫萌菡 魏明露 左亿

摘   要：在“移动通信”课程的教学过程中，因为实验硬件条件受限，所以面向学生开设组网实验非常困难。文章根据实验室现有的通信设备，结合虚拟仿真实验平台进行组网教学设计，并以LTE单站组网实验为例进行了分析。结果表明：该教学方法将理论和实践有机结合，使学生不仅理解了抽象的概念和复杂的网络结构，而且熟悉了通信设备的配置方法。能够提高学生的学习热情，锻炼动手能力，从而极大地提高了实验课程的教学效果。

关键词：实验教学;虚拟仿真;移动通信组网

近年来，移动通信网络技术蓬勃发展，急需大量的通信人才。如何让学生在掌握移动通信基础理论的基础上，紧跟通信技术的发展步伐，熟悉实际网络设备及其使用方法，能够更好地理论联系实际，是亟待解决的难题。四川师范大学物理与电子工程学院面向通信工程和电子信息工程专业学生开设了“移动通信”课程，其中，移动网络组网是该课程的重要内容之一。由于“移动通信”的基本理论抽象，组网设计较为复杂，单靠教师课堂讲授来指导学生，效果不直观。传统的实验教学大多采用实验箱的方式进行[1]，学生通过实验能够熟悉调制解调等技术，却很难建立网络组网的概念。因此，四川师范大学物理与电子工程学院购置商用设备，面向学生开设组网实验，并逐步开设虚拟组网的内容，采用虚实结合的方法培养学生的动手操作能力和设计分析能力。

1    移动通信实验教学现状分析

传统的移动通信实验采用实验箱进行教学，优点是设备价格较低，学生通过观察波形可以较好地理解移动通信原理和网络结构[2]，缺点是缺乏对通信实体的认识。采用实物组网克服了传统移动通信实验过程中采用实验箱导致学生无法建立通信网络整体观的缺陷。然而，实物组网需要涉及大量设备，通信设备价格高昂，尽管实验室购置了华为LTE基站、核心网以及其他交换传输等设备，但是因为是商用设备，数量无法满足同时多人次的组网实验，学生只能排队等待，逐一上传数据，进行设备配置。因为连线复杂，完成从硬件架设和连接，配置设备数据，进而完成组网的实验流程较长[3-4]。

采用仿真软件，学生在前期掌握了网络结构以及各部分设备的基础知识之后，可以较快地进行组网和设备配置练习，加深了对通信网络的认识。采用仿真软件进行虚拟组网，不会受到设备高昂的约束，学生可以选用各种通信设备进行自由组网练习[5-7]。通过在“移动通信”课程中开展网络虚拟仿真教学，仿真实验与实际操作虚实结合、相互补充、优化配置，全面提升了学生的自主学习能力、解决复杂问题的能力和协同合作能力。

2    虚拟组网实验平台介绍

目前采用的实验平台是由深圳讯方技术股份有限公司开发的软件系统，采用客户端/服务端模式（Client/Server，C/S）架构，架构如图1所示。所有客户端（学生端）必须登录服务端（教师端）才能进入系统，且在服务端控制学生终端连接数量。实验流程大致如下：（1）进行设备组网搭建仿真环境。（2）进行使用人机对话语言（Man-Machine Language，MML）语言仿真业务配置。（3）故障告警和仿真验证，具体实验流程如图2所示。

仿真软件系统模拟了真实设备的结构，在进行设备组网时，学生面对真实的操作维护台、设备和建站环境。MML业务配置界面完全模拟真实业务数据配置场景，且配置内容和真实配置内容保持一致，学生可以很方便地查看和处理告警，保证业务互通。

3    LTE单站组网实验教学实例分析

长期演进（Long-Term Evolution，LTE）系统以OFDMA多址接入和多天线为主要技术基础，提供更低时延、更高用户传输速率、增加容量和网络覆盖、优化网络结构。整个LTE网络由核心网和接入网组成，核心网由许多逻辑节点组成，包括分组数据网关（PDN GateWay，PGW）、服务网关（Serving GateWay，SGW）、移动管理实体（Mobile Management，MME）等。在无线接入网结构层面，为了降低用户面延迟，LTE取消了无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）只含有eNodeB。

该次实验的授课对象是四川师范大学物理与电子工程学院2015级电子信息工程专业的学生，通过前期的学习，学生对通信原理、移动通信原理与系统相关专业知识有了一定的了解。

3.1  實物讲解

实验的第一步，老师会根据实验室现有的华为XCN9000L核心网以及DBS3900eNodeB基站进行实物讲解，熟悉通信实体的组成和连接方式。教师对设备的机柜、机框、单板等部分进行实物介绍，并伴随多媒体的直观演示对它们在网络中的位置以及其硬件逻辑结构进行简单分析。例如，学生可以通过现场观察实物获知eNodeB的基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）的主要单板主控传输板（Universal Main Processing &Transmission unit，UMPT）、基带处理板（LTE BaseBand Processing unit，LBBP）的外观、功能、规格以及接口信息。讲解过程中，教师和学生之间可以良好地互动，老师引导学生将抽象逻辑图中显示的各个部件位置和其在实物中的位置进行一一对照，并通过提问的方式了解学生的掌握情况，进行补救教学，确保绝大部分学生理解设备的构成、连接方式以及配置方法。实际网络的网络连接和设备如图3所示。

3.2  虚拟组网练习

学生在熟悉实验室通信网络设备的性能和配置方法基础上，使用虚拟仿真软件进行组网练习，这里的实例为单站模式下网络的连接配置。通过此次实验，让学生熟悉通信网组网方法，硬件逻辑结构、物理板位和网络参数。组网过程如下。

3.2.1  参数设置

进行网络规划和基站概预算。需要根据不同的通信环境和场景，设置名称、IP、掩码以及S1端口号等数据，完成正式组网前的设计分析。

3.2.2  设备组网

学生启动软件，进入单站配置场景，并根据组网要求进行硬件配置和网络设置。进行设备组网的具体流程如下：首先，学生直接从库里拖选需要的设备图标到配置场景中;其次，选中该模块进行相关属性设置;再次，将设备连接组网;最后，完成设备组网，界面如图4所示。

3.2.3  数据配置

在软件系统中切换到MML界面进行数据配置，配置的方法和过程与进行实物组网时完全一致，包括修改基站参数、添加运营商、运营商跟踪区域信息、按照基站场景中配置进行相应单板配置、增加RRUCHAIN链环、修改RRUCHAIN环链、增加RRU、增加ETHport、设置ETHPORT端口属性、增加DEVIP、增加IPRT、增加VLANMAP、增加S1SIGIP、增加MME、增加S1SERVIP、增加SGW、增加OMCH网管通道、增加扇区、创建小区营运商信息、激活小区、修改PDSCH配置、增加GPS等23项功能。数据配置界面如图5所示，学生操作情况如图6所示。

3.3  教学总结

本实验将实验设备和虚拟仿真平台相结合，面向大三学生开设LTE虚拟组网实验，教学过程包括结合实物对照讲解、多媒体演示以及采用LTE虚拟组网仿真软件进行组网练习。

在学生的技能操作过程中，教师对学生进行巡回指导，解答学生的问题，规范学生的操作，鼓励学生在实验过程中查阅书本资料并上网搜索相关文献进行学习，同时，通过仿真软件的帮助进行软件学习。

整个实验过程分为3个步骤：（1）课前预习相关理论完成预习报告。（2）实验过程中认真听讲仔细实验。（3）课后完善报告并进行总结。要求学生尽量独立思考，培养其解决问题的能力。同时，在确实遇到困难的时候，引导学生进行小组合作学习讨论，培养学生协作能力。

通过实验报告和课后调查发现，学生普遍反映这样的教学方式，将理论和实践有机结合，便于他们去理解抽象的概念和复杂的网络结构。通过实验，学生熟悉了通信设备的配置方法，锻炼了动手能力。

4    结语

本文探讨了在移动通信组网教学过程中引入虚拟仿真软件进行教学辅助的可行性和有效性，通过LTE网络的组网实验实例展示可以看到，这一改进克服了通信设备价格昂贵，无法大规模开展实验的困难。同时，通过开展组网实验帮助学生理解理论知识，熟悉了实际通信网络的连接方式和设备配置方法，锻炼了工程实践能力，提高了分析解决问题的能力，为日后从事相关工作打下基础。

[参考文献]

[1]啜钢.移动通信原理与系统[M].3版.北京：北京邮电大学出版社，2005.

[2]周晓红.移动通信虚拟仿真实验在教学中的应用[J].无线互联科技，2017（17）：3-4.

[3]郑云，吴怡.移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理[J].实验室研究与探索，2019（3）：127-131.

[4]武一，周亚同，张雯，等.通信工程虚拟仿真实验教学中心构建及管理[J].实验技术与管理，2017（5）：218-222.

[5]陈英，王路露，张竹娴，等.应用型本科院校通信工程专业虚拟仿真实验室的建设[J].长沙大学学报，2018（5）：113-115.

[6]刘光灿，万家波，陈威兵，等.基于现网设备的TD-LTE 4G移动通信实验教学系统构建[J].实验技术與管理，2015（10）：74-79.

[7]刘亚丰，苏莉，吴元喜，等.虚拟仿真实验教案设计及实践[J].实验室研究与探索，2017（3）：185-188.