虚实结合TD-LTE实验网络建设

陈美娟，朱晓荣，何爱龙

无线通信技术迅猛发展,专业实验室建设也必须与时俱进。原有的实验项目在教学中发挥了重要作用,但是仍需要改进以反映技术的进步[1]；另外,随着学生创新能力的增强,对专业实验的需求日益增加,但是部分专业实验项目的实施方法缺乏科学性。因此,随着移动4G网络的商用,南京邮电大学建设了TD-LTE移动通信实验网络,基于该设备,实验室设计了虚实结合的实验项目,同时对部分实验项目采用了新颖的实施方法。

1 国内外实验室建设研究现状概述

长沙学院电子信息与电气工程系基于现网设备建设了TD-LTE移动通信实验室[2],目标是培训学生对于LTE现网设备的安装、开通能力和现场维护能力,重点是对设备的熟练使用。兰州交通大学电子与信息工程学院建设了基于TD-LTE的移动通信实验室,将该实验室定位为网络规划平台、性能优化平台、算法设计平台、仿真平台、开发测试平台和协议标准研究平台[3],重点是基于真实设备本端做实验和测试等。该学校也建设了面向铁路应用的TD-LTE实验室,实现了铁路调度通信、无线视频监控和旅客信息展示,也可以模拟铁路沿线的无线路测和网络优化,主要侧重于TD-LTE网络的应用[4]。哈尔滨工程大学通信工程系建设了WCDAMA 3.5G实验室,学生可以进行LTE业务配置、路由器配置等实验,实验室同时也作为企业的培训基地[5],提高了设备的使用率。

文献[6]针对北京邮电大学电子信息类专业特点,设计了远程虚拟实验平台,涉及了模拟电子测量、数字电子测量、微波实验和天线测试等。从调查问卷和学生成绩来看,整个实验水平和实验效率都得到了提升。文献[7]针对网络工程专业学生,开发了基于B/S架构的远程实验室系统,实现学生远程对交换机和路由器等的数据配置。该系统只要学生在规定时间内通过校园网,即可登录到该实验系统进行网络实验训练。

文献[8]针对自动控制的远程实验室,介绍了其灵活性和配置架构。用户客户端采用Web界面接入实验室；实验室中可控的设备包括工业网络路由器和可编程逻辑控制器。该文献给出了一种B/S架构的虚实结合实验平台。文献[9]提出了一种远程实验室模型,基于该模型,用户可以在物理实验室做实验的同时使用在线实验室做虚拟实验。对各种用户角色进行建模,并设计了用户和远端实验室的交互过程。文献[10]给出了远程操作的实验室内设备控制连接图和客户端的图形用户界面。通过该系统,用户可以控制实验的组件、预约实验,通过控制摄像头观察设备的实时运行状态。该文献对基于B/S架构的虚实结合实验室设计和建设具有重要的参考价值。文献[11]提出了虚拟现实在实验室建设中的应用。

从以上国内外相关文献可以看出,建设先进的移动通信系统实验室是通信类专业院校的特点,而基于互联网的在线实验室是提高实验效率和设备利用率的有效途径,虚实结合实验更能让学生在深刻掌握理论知识的同时对物理设备有感性的认识。以上关于LTE实验室的建设方案不具有在线实验的功能,而国外的在线实验室大多提供自动控制类实验,并没有涉及先进的移动通信网络技术。因此,本文提出一种虚实结合的LTE实验室建设方案,在此基础上对实验教学内容进行了设计,并对实验教学方法提出了改进措施。

2 虚实结合TD-LTE实验网络建设方案

虚实结合TD-LTE实验网络采用中兴通讯系列设备,网络结构如图1所示。图中iEPC采用ZXTS-eTC500,综合实现EPC的所有功能；eNodeB中的BBU(base band unit,基带处理单元)采用ZXSDR B8200,RRU(radio remote unit,远端射频单元)采用R8968 S1800。MiFi(Mobile WiFi)为LTE/WiFi双模上网终端；TE1是具有WiFi功能的电脑,并且具有通过校园网连接到Internet网络的功能；TE2是连接到实验室局域网的电脑；TE3是远程终端,可以通过Internet访问到TE1类的终端；LTE网络的网管服务器和FTP服务器安装在同一台电脑上；图中连接到LTE网络以及Internet网络上的交换机是三层交换机,连接电脑的可以是二层交换机。实验室中的电脑均可以通过Internet网络访问远程的LTE虚拟仿真平台。

图1 虚实结合TD-LTE实验网络结构

B8200配备了CC(control and clock board,控制与时钟板)、一块BP(baseband processing,基带处理)和其他单板等。BBU与EPC之间采用以太网电接口连接,将CC单板上的ETH0接口通过网线连接至以太网交换机ZXTR10 3950,速率为100/1 000 Mb/s自适应。BP单板用于实现基带处理,一块单板可以支持一个8天线小区,小区带宽为20 MHz。BBU与RRU之间采用光纤接口连接,将BP单板上TX0/RX0接口通过一对光纤连接至RRU设备。

R8968 S1800是中兴通信紧凑型射频远端单元,提供 8个通道 (8×12W),支持 MIMO＆BF(beam forming,波束成形),支持多频段 (1.9G/2.0G/2.6G)。实验室中的RRU使用了两个通道,分别经过衰减器ATS100-40-3-1.3连接至两根小型天线TQL-1800A。

eTC500提供完整的 EPC功能,包括 MME、SGW、PGW和HSS,为小型实验LTE网络提供小型化、单机框的解决方案。eTC500对外连接eNodeB和PDN(packet date network,分组数据网络),机框中包括了 PPBX0、PPBB0等单板。PPBB0主要完成EPC系统的控制、维护和网管协议处理等功能,后面板有两个接口通过网线连接至以ZXR10 3950智能路由交换机3950,实现与eNodeB(BBU)的连接。PPBX0提供网管服务器功能,提供EPC的日常维护和管理功能,后面板有一个接口通过网线连接至以太网交换机3950,实现与网管服务器平台的连接。

实验网络中的业务服务器是一台FTP(filetransfer protocol,文件传输协议)服务器。采用一台lenovo ThinkPad笔记本电脑做为综合服务器平台,其中安装了eNodeB网管平台服务器端软件和FTP服务器端软件FileZilla server,也安装了eNodeB网管平台客户端软件和FileZilla的客户端软件。这台笔记本电脑通过网线连接至三层交换机ZXR103950,因而可以对TD-LTE网络的无线接入网与核心网EPC进行访问。

两个三层交换机互连,实现了学生用电脑与(图中TE2类型终端)TD-LTE网管平台的互联,进行相关的上机操作实验。图1中的TE1类型终端是笔记本电脑,TE1通过TD-LTE数据终端MiFi使用TD-LTE的数据业务。TE1类型的终端安装了远程控制软件teamviewer,因此,通过远程终端TE3可以操作TE1,实现了LTE实验室资源的远程共享。实验室中的电脑均可以在线使用远程的LTE虚拟实验室,做到了物理环境和虚拟环境相结合。

3 实验教学内容

TD-LTE移动通信实验室目前为移动通信相关课程提供专业实验环境与平台,是全校相关专业本科生认识实习和生产实习的基地,承担了通信工程专业学生的课程设计,是本科生和研究生的科研平台。

实践项目可以分为3大类：第一类是本地基于TD-LTE设备的实践项目；第二类是远程基于TDLTE的实践项目；第三类是本地在线虚拟TD-LTE实践项目。第一类实验项目需要在实验室进行,学生使用的终端为图1中的TE1和TE2类型,提供的实验项目如表1所示。第二类实验不需要在实验室进行,实验者通过网络远程做实验。这类实验项目需要在TE1类终端中安装远程控制软件,远程终端通过网络操作TE1类终端,从而进行表1中的全部实验。第三类实验是基于中兴通信IUV-LTE仿真平台的实验,不限于在实验室进行,能够登陆Internet的终端均可做该类实验,该类实验项目设计如表2所示。

4 实验教学方法

根据上述实验项目在教学实施过程中存在的问题,实验室对部分实验教学方法进行了改进。

表1 TD-LTE实验项目——基于TD-LTE设备

表2 LTE虚拟仿真实验项目

表2 (续表)

4.1 TD-LTE实验网络结构认知实验实施方法

认知型实验常规做法是老师现场介绍,学生听。这种方法的优点是师生及时互动,缺点就是当有大批学生来认知时,老师要不断重复讲解同样的内容,劳动强度大,影响教学效果。针对这个缺点,在TD-LTE实验网络结构认知实验中采用了音频教学的方法,即老师事先录制讲解内容,实验时进行播放。

改进后方法的优点有：1)减轻了老师劳动强度,老师不必再重复介绍相同的内容；2)讲解内容更详细全面,因为是事先录制,老师可以对介绍内容做充分的准备。3)老师讲解声音更清楚,老师可以对语音进行训练,得到较好的语音效果,而音响设备可以根据需要调节；4)可以暂停播放进行互动。这种方法已使用在大二学生的认识实习中,效果很好,实验质量和效率均得到了提高。

远程做这项实验时,需要制作多媒体课件,将网络的拓扑结构图 (PPT文件或图片)与老师的讲解结合起来,制作为多媒体课件,使学生通过远程也能够了解这个TD-LTE实验室的网络结构。

4.2 TD-LTE实验网络硬件认知实验实施方法

对实验设备的认知实验,通常是老师将学生带领到机房进行讲解。这种方法的优点是学生对设备直观认识效果好；缺点是因为学生人数多以及(或者)设备运行噪音大,影响了听觉效果。针对存在的缺点,我们采取了虚实结合的硬件认识法,首先是学生通过视频了解设备,然后有需要的同学可进入机房进行直观认知。

视频教学有3种实施方法。1)视频教学效果最好的方法,是将设备的图片文件、设备运行时拍摄的视频文件和老师讲解的音频文件合成为一个视频文件。因为需要视频制作技术,因此有难度[12]。2)易实现的视频教学方法,将图片和视频插入到PPT文件中,老师讲解这个PPT文件即可。3)最省事的方法,在录制设备运行的过程中老师同时进行讲解,因此录制好的就是多媒体文件。这种方法的缺点是如果设备是在工作的,就会有噪音。

4.3 TD-LTE网管平台操作实验实施方法

操作类实验常规做法是老师对基本的操作过程进行演示,然后学生在自己的电脑上进行更广泛的操作练习。这种方法的缺点是：老师讲过的操作过程,学生在操作时还是存在问题,于是老师得将同样的问题解释多遍。为了提高简单操作类实验的质量,我们采用了视频实验教学的方法。与4.2节不同的是,现在是把老师在网管平台的操作过程和讲解内容录制成视频。实现的方法是采用 “录屏软件”[13-14],例如Camtasia Studio、KK录像机、屏幕录像专家等,这些软件提供了电脑屏幕和语音录制功能,操作简单。老师首先播放这个视频,期间可以互动。这些视频文件复制到学生的电脑中,后期当学生在TE2类终端上操作有问题时可以自行播放该视频。这样可以大大节省老师逐一辅导学生的时间,提高了实验质量。

4.4 TD-LTE信令流程分析

这项实验学生在TE2类终端上操作,可以在无线接入网网管客户端和核心网客户端进行信令跟踪。无线接入网网管客户端ZXSDR OMMB可以进行的信令跟踪任务包括：UE级小区信令、小区信令、IMS(IP multimedia subsystem,IP多媒体子系统)信令、TMSI(temporary mobile subscriber Identity,临时移动用户识别码)信令。核心网EPC本地维护终端可以进行的信令跟踪任务包括：Diameter(直径)链路信令跟踪、用户信令跟踪和SCTP(stream control transmission protocol,流控制传输协议)信令跟踪。可以跟踪：1)MiFi终端开/关机流程,分析TD-LTE的双向鉴权过程和信令加密过程,分析不同接口上传递的消息；2)用户使用FTP业务的信令流程,分析不同接口上传递的消息。

4.5 TD-LTE数据业务性能分析

这个实验学生使用TE1终端,也就是具有无线上网功能的电脑,并且需要安装FTP客户端软件FileZilla[15]。MiFi是已插入 TD-LTE实验网络USIM卡的数据终端,它是支持802.11n和TDLTE的双模数据卡。开启MiFi数据卡以后,学生电脑搜索无线网络MiFi并连接,然后在电脑上执行FTP上传和下载操作,通过多个文件的操作,计算LTE上/下行的速率与文件大小之间的关系。进一步分析连接到同一个MiFi网络上的TE1终端数量对网络性能的影响,以及连接到同一个MiFi上终端的业务总量对网络性能的影响。这项实验需要在FTP服务器上将学生使用的FTP用户名权限设置为可读、可写。

5 实验效果分析

TD-LTE实验室开始提供的实验项目大多是认知类型的,包括实验室网络拓扑结构、TD-LTE网络设备认知；对系统的操作方面主要是对网管平台的认知、登录网管平台查询设备中配置的数据；应用类是FTP业务的速率观察等。升级为虚实结合实验室后,实验内容更丰富。一方面,通过LTE仿真实验平台,学生可以进行LTE网络所有设备和IP承载网络设备的硬件设备配置、数据配置,并且可以对自己配置的数据进行验证。另一方面,用户通过互联网,也可以远程访问实验室,完成和实验室现场一样的操作。

仿真实验从上学期开设到现在,先后承担了本科生的生产实习、课程设计和研究生的实验课程。生产实习为期2周,第1周主要是理论学习,第2周是上机操作,是连续学习。课程设计为期2周,学生每天有半天在实验室的上机操作时间；课程设计开设在大四阶段,学生虽然结束了其他课程,但是因为考研复习和找工作等原因,不能保证他们在其他时间来做实验。研究生的实验课程历时4周,总共8课时；本实验课程为研一学生开设,他们有其他课程还有研究课题,因此做实验的时间主要在上课的8个课时。

图2是年对以上3类学生在7个方面做的调查分析,依次是：是否对仿真实验感兴趣；是否有助于理解LTE网络工作原理；是否有助于理解OTN(optical transport network,光传输网络)工作原理；是否有助于理解路由技术；实验中与同学的合作/交流程度是否频繁；与真实实验相比仿真实验的效率是否很高；与真实实验相比是否更愿意选择仿真实验。

图2 仿真实验调查分析

从数据分析结果可以看出,生产实习的同学对仿真实验非常感兴趣,对他们学习路由技术非常有帮助,在实验中他们的交流非常多,实验效率很高,但是其认为该系统对理解LTE的工作原理帮助不是非常大,更愿意做真实实验。课程设计的同学各方面的评价比较均衡,大部分同学对仿真实验非常感兴趣,认为非常有帮助和有一定帮助的各占一半,同学之间的交流比较多,实验效率相对较高,认为仿真实验和真实实验均可以接受。对于研究生实验课程的同学来说,有较多的人对仿真实验非常感兴趣,认为该实验有助于理解LTE系统,不认为该实验对理解OTN和路由技术非常有帮助,实验中他们的交流较多,但是认为自己做该实验的效率很低,大多数没有非常强烈的愿望选择做该实验。

从分析结果可以看出,基本相同的实验内容,不同的学生的收获不同。总体来看,集中实验比分散实验的效果要好,课时多的情况下学生的收获更多。因此,该分析结果也指出了今后工作的改进方向,对于生产实习来说,真实实验和仿真实验相结合的效果最好,因为时间充裕；对于课程设计来说,一份比较详细的实验指导书比较好,因为他们需要高效和灵活地利用时间；对于研究生实验课程来说,应该集中安排实验时间,提高实验效率。

6 结束语

在无线通信技术迅速发展的今天,人们对数据业务的需求出现了爆炸式增长。为配合学生学习和实践4G的TD-LTE技术,我们采用中兴通信设备和IUV LTE仿真软件建设了TD-LTE虚实结合实验室,设计了多种类型的真实实验和仿真实验。在课时允许的情况下,学生可以同时进行真实实验和仿真实验。实验室下一阶段建设的重点在虚实结合实验方面,思想是使得实验室中更多的物理设备能够通过远程来控制,增强远程实验的真实感和为实验者提供更多的操作设备的机会。

[1]陈美娟,张颖,杨国民.《交换技术》课程研究性实践教学探索[J].实验科学与技术,2014,12(5)：180-184.

[2]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].实验技术与管理,2015,32(10)：74-79.

[3]许琼,周冬梅.新一代无线移动通信网络实验室总体框架设计——基于TD-LTE技术的应用[J].科技管理研究,2015,334(12)：95-100.

[4]谢健骊,李翠然.面向铁路应用的TD-LTE实验室建设探讨[J].实验室科学,2015,18(6)：79-81.

[5]王钢,倪洁.3G实验教学示范中心建设的研究与实践——哈工大通信工程系建设WCDAMA3.5G实验室项目成果展示[J].网络与信息工程,2016(1)：44-45.

[6]赵同刚,申仲舰.电子信息类虚拟远程实验室建设的探索——以北京邮电大学为例[J].中国远程教育,2015(11)：51-58.

[7]容振邦,赵铁柱,徐沛.基于J2EE的锐捷网络工程远程实验室设计[J].实验科学与技术,2016,14(1)：58-62.

[8]KALUZ M,GARCAZUBA J,FIKAR M,et al.A Flexible and configurable architecture for automatic control remote laboratories[J].IEEE Transactions on Learning Technologies,2015,8(3)：299-310.

[9]FELIPE L,RIVERA Z,MARIA M,et al.Models of remote laboratories and collaborative roles for learning environments[C]//2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation(REV),UNED.Madrid,Spain： IEEE Xplore, 2016(2)：423-429.

[10]TENGM,NEDICZ,NAFALSKI A.Students'perception of remote laboratories-case study：NetLab[C]//2016 IEEE Global Engineering Education Conference(EDUCON) .Abu Dhabi： IEEE Xplore,2016(4)：568-575.

[11]CALLAGHA M J.EGUILUZ G.Opportunities and challenges in virtual reality for remote and virtual laboratories[C]//2015 12th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation(REV).Bangkok,Thailand： IEEE Xplore,2015(2)： 235-237.

[12]龙飞.会声会影X5从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2012.

[13]郭永刚,于晓荷,孙昱.利用PPT与Camtasia Studio开发录屏型微课[J].信息与电脑,2015(22)：171-172.

[14]傅兰芳.录屏软件Camtasia Studio进阶技能[J].中学物理,2015,33(18)：70-72.

[15]陈慧民.应用开源软件FileZilla Server架设FTP服务器[J].中国网络教育,2011(7)：76-77.