无线通信信号衰减虚拟仿真实验平台

张立明，唐海涛，张仲明，魏晓辉，王 健

(1.吉林大学 计算机科学与技术学院,吉林 长春 130012;2.吉林大学 物联网虚拟仿真实验教学中心,吉林 长春 130012)

虚拟实验室的概念最早由美国的William Wolf教授于1989年提出,基于网络技术的虚拟仿真实验解决了传统实验教学受时间地点约束的普遍问题[1]。虚拟仿真实验主要运用虚拟现实技术、视频和多媒体技术、网络通信技术[2]等，实现不受时间和地点约束的远程访问和可视化实验教学。不在同一地点的学生也可以在同一时间进入同一个虚拟实验室，共享学习相同的虚拟实验课程，同时虚拟仿真实验课程还具有可简单重复再现的特性。虚拟仿真实验更有利于教学资源和内容的高度共享、上课时间地点和授课对象的开放，有效弥补了传统实验课程共享和开放性不足的问题，为高校优质实验教学资源的开放和共享奠定了坚实基础[3-4]。

随着计算机、互联网技术的高速发展和国家对教育信息化的高度重视，教育部在加强建设国家级实验教学示范中心的基础上，积极组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[5]。2013年8月，高等教育司根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高[2012]4号)和《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》，颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函[2013]94号])，启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[6]。按照分批建设的原则，2013～2015年每年批准了100个国家级虚拟仿真实验教学中心，吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心是2014年被批准的100所国家级虚拟仿真实验教学中心之一,在网络实验教学方面也取得了较好的教学效果[7-8]。依据“虚实结合、共享开放、能虚不实”的原则，虚拟仿真实验教学中心在结合已有实验设备基础上，开发了无线通信信号衰减虚拟仿真实验平台。

1 传统实验教学问题分析

实验教学在高校人才培养中具有创新性特殊意义,在高等教育发展中起着重要作用，时代发展也迫切要求高校加强实验教学[9-10]，而在高校大部分硬件类实验平台及实践教学中普遍存在以下3个方面问题。

1)教学资源不足，购置和维护成本高。

实验教学中硬件设备一般价格都较为昂贵，在有限的经费支持下，只能选择分批购买代表性的实验设备。在实验教学过程中，因受设备价格昂贵、数量少等因素影响，实验教学只能分时段对部分学生开放使用，限制了学生的独立操作学习时间，一定程度上影响了实践教学效果。学生使用操作不当或重复操作也会造成硬件类设备不同程度的受损，一方面设备维护需要二次经费开支和人力资源投入，另一方面，还可能因未能及时修复而影响实验课程的顺利进行。

2)教学内容受限。

信息技术的高速发展，硬件设备更新日新月异，而学校现有的硬件设备更新淘汰速度较慢，限制了实验教学内容，已逐渐不能满足教学内容对硬件设备更新的需求。现有的硬件类实验设备多为十年以前购置，设备陈旧、功能单一且运行速度慢，已远远落后于当前的功能复杂高速的微电子设备，不能满足实验教学时学生对先进技术掌握和创新的需求。

3)缺乏创新性和扩展性。

在整个实验教学过程中，教学互动性不强，学生仅按照实验指导书就可以完成大部分实验项目，没有更深入探究实验课学习的目的，不利于激发学生创新思维，提高学生的实践能力。传统的硬件类设备实验教学多数以验证性实验为主，学生通常以修到学分为目的，对于实验过程和原理思考较少，导致未能达到实验课的教学目标。由于硬件类设备陈旧、功能简单且固定，不利于学生的创新思维的发挥，限制了实验教学的扩展性。

2 无线通信信号衰减虚拟仿真实验

2.1 无线通信信号简介

无线通信是利用电磁波信号在空气或者真空自由空间中以光速传播特点，进行数据信息传输的一种通信方式。无线通信技术可以实现近距离无线连接和全球范围远距离无线连接信息通信网络，与有线网络通信不同，无线通信的信息传播介质是无线电磁波而不是有线网络的介质网线。

在无线传播过程中电磁信号的强弱并不是一成不变的，电磁波在空气中的传输过程中具有折射、散射及吸收等特点。这些特征使得电磁波随着传播空间的扩大、传播距离的增加其信号强度逐渐衰减，当电磁波传播到更大的空间和更远的距离时,电波能量便越发散,信号强度扩散衰减程度也越大。而影响信号衰减程度有多种原因，如发射端的传输功率、接收端的接收功率和信号传播距离等，本实验针对这些因素对无线信号衰减现象进行虚拟仿真。

2.2 无线通信信号传输原理

影响无线信号传输的一个最重要参数就是发射功率，发射功率越高，发射端和接收端之间信号传播距离和空间越大[11]。同时，电磁波单位距离信号强度的损耗也受传输介质的影响。为了保证无线通信的正常信息传送，一方面要保证发射功率在一个非常大且可接受的范围内，同时也要尽量降低通信信道干扰程度。

因此，无线信号损耗预测模型在无线通信技术中具有重要作用，用来预测发射端在一组给定的参数情况下接收端的信号强度。本虚拟仿真实验依据无线传输中各种参数与其信号强度衰减程度的关系，选用无线路径损耗预测公式作为信号传播衰减预测模型[12]，即：

(1)

式中,Pr(d)为接收功率，Pt为发送功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为电磁波载波波长，d为发送端和接收端之间的距离，L为一个经验参数，范围为6～15。

路径损耗模型是衡量电磁波信号传输时衰减的尺度，无线信号损耗预测公式中波长λ可用式λ=C/f计算。其中，C是电磁波在空气介质中的传播速度，接近光速；f是电磁波载波的频率，数值可根据需求来设定。而本虚拟仿真实验以无线路径损耗公式为传播预测模型，通过改变公式中参数的不同设置，得出接收端相应的接收功率。

2.3 无线通信信号衰减虚拟仿真实验

实验程序流程如图1所示，开发平台为Eclipse,开发语言为JAVA，软件以Applet形式运行，通过浏览器访问，需要JRE1.5及以上运行环境。

图1 信号衰减虚拟仿真实验流程图

学生选择所学虚拟实验课程和选择座位并申请虚拟实验资源如图2和图3所示。

图2 虚拟实验选择界面

无线通信信号衰减虚拟仿真平台如图4所示。在演示平台左上面板中实时演示了发射端基站和接收端基站的位置及此时的传输信号的强度。在右侧参数设置面板中可以设置与发送端和接收端相关的参数取值，主要包括传输距离、发送功率、载波频率、发送增益和接收增益5个参数设置。这些设置由滑动条来操作，其可选择数值范围已固定，控制不同滑动条的位置可以对相应参数进行设置。左下侧控制面板左边显示距离、发送功率等5个相关参数数值。根据无线信号传播路径损耗模型预测的接收端接收到的电磁信号强度数值，进行实时显示在此面板右侧。

图3 学生申请虚拟实验资源界面

在虚拟仿真平台上，在右侧参数设置面板中，设置距离为782m，载波频率选择为2GHz，发送功率选择79W,发送增益选择9倍和接收增益选择7倍。此时在虚拟仿真平台左侧演示面板中显示了此实验对应的距离、载波频率、发送功率和发送接收增益等信息。并且此实验对应的接收端信号强度为-29.35dBm。

在上述实验基础上，可多次分别改变距离、载波频率、发送功率、发送增益和接收增益等参数，进而通过多组仿真实验进一步理解损耗预测公式。在分析多组仿真实验结果基础上，得到与损耗预测公式一致信号衰减理论。如果想获得较大的接收信号强度，则可以通过增加发送功率、载波频率、发送增益和接收增益来实现；反之，如果想获得较小的接收信号强度，则可以通过增加传送距离来实现。

图4 信号衰减虚拟仿真实验运行图

3 结束语

将虚拟仿真技术引入无线通信信号衰减实验教学中，丰富了实践教学资源、提高了教学资源的共享性和开放性、降低了实验教学成本，改进了传统教学模式不足，显著提高了教学质量和教学效果。无线通信信号衰减虚拟仿真实验使学生有更逼真的操作环境，使学生由传统教学模型下的被动学习转变为虚拟仿真实验下的主动学习，继而激发学生的学习兴趣，进而提高学生的实验能力和创新能力，教学效果明显得到进一步提高。