TD-LTE基站安装虚拟仿真实验设计与管理

郑 云, 吴 怡

(福建师范大学 光电与信息工程学院, 福建 福州 350117)

在线网络学习是一种非常重要的学习方式[1],其应用之一即为虚拟仿真实验。虚拟仿真实验是基于虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术构建的开放式网络化实验教学手段,实现了教学实验室的实验设备和实验项目的数字化和虚拟化[2-4]。从2013年教育部启动虚拟仿真实验教学中心的建设工作到2016年4月,全国已建设完成300个国家级虚拟仿真实验教学中心。

相比于传统的实验教学,虚拟仿真实验不受场地、器件等因素的影响,安全、经济、直观、形象,学生实验时亦有临场感和沉浸感[5-8]。在实验内容的设计上,虚拟仿真实验更加灵活、易更新、易扩展,与慕课、微课、移动学习等在线学习方式的有效结合,可开展混合实验教学[9-12]。

在传统的移动通信实验教学中,实验设备价格昂贵,实验中设备及网络工作过程抽象、封闭、不可及,并且实验设备很难支持多人同时实验,而学生也不可能去安装、调试、维护运营商正在运行的网络。为了促进实验教学的信息化和网络化,实施以学生为主体的教学模式,为学生的个性化学习提供条件,福建省移动通信系统虚拟仿真实验教学中心与大唐移动通信设备有限公司、中国电信福建分公司以及中邮科通信技术股份有限公司等企业密切合作,发挥通信与网络工程系专业教师的科研优势,开发了具有鲜明行业特色的移动通信TD-LTE系统虚拟仿真实验教学课程。

1 TD-LTE系统虚拟仿真实验的内容

移动通信TD-LTE系统虚拟仿真实验教学课程包含一系列虚拟仿真实验教学项目,主要有移动通信TD-LTE系统的规划设计、基站建设、基站开通、系统路测和系统优化,通过在线虚拟仿真实验教学,使学生掌握移动通信系统从规划、建设到优化的全过程。

移动通信TD-LTE虚拟仿真系统实验课程主要面向通信工程、信息工程、电子信息工程、网络工程等专业的大三或大四学生,其中移动通信TD-LTE基站建设虚拟仿真实验教学时长为3学时,实验内容包括认识通信设备及器材、学习基站设备安装规范和基站设备安装操作。移动通信TD-LTE基站建设虚拟仿真实验的目的是通过实验项目的训练,使学生了解移动通信TD-LTE的基站的建设过程,掌握企业级商用机房的布局,掌握基站设备的安装方法、安装步骤和安装注意事项,为从事通信系统工程技术、系统维护、网络管理等实际工作建立基础,培养实际工作能力。

该实验项目采用引导式、互动式、探究式以及虚实结合的教学方法。首先,学生在实验室认识通信设备实物,学习通信设备基本工作原理；然后,通过虚拟仿真方式构造出一套逼真的移动现网商用级通信机房,引导学生学习掌握企业商用机房的建设要求、设备布局；最后,通过互动教学方式,采用虚拟设备的人机交互操作方法,对企业级通信设备及其安装过程进行仿真,以虚拟技术再现设备安装过程的重要环节。

设备安装前可通过仿真实验界面学习主要设备的安装规范,然后开始交互式操作实验。操作中采用探究式学习方法,让学生在进行机房建设、设备安装之前，根据建设规范选择合适的设备、辅材、工具(选择错误时会得到提示),然后一步步完成主设备安装、室外设备安装、天线安装、GPS天线安装、防雷箱安装,以及设备之间的线缆走线。通过虚拟方法,让学生体会到真实的安装过程。

2 实验项目设计

2.1 实验项目的主要内容

移动通信TD-LTE基站安装虚拟仿真实验项目由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台采用虚拟仿真实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境；虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能,包括实验前的预习、实验的开课管理、实验库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的评价考核、实验成绩统计查询等功能,为实验教学环境提供服务。

该实验项目的设计目标是利用虚拟仿真技术建设和安装一个移动基站站点,涵盖移动通信技术、工程的知识点,将知识点生动、准确地传达给学生。学生能够进行建设和安装移动基站的操作。实验项目内容的设计如图1所示。

图1 实验项目设计

实验准备:将移动基站站点建设的整个过程拆分和细化,并按照顺序演示,搭配相应的文字说明,能够将移动通信技术、工程的知识点和行业标准准确地传达给学生。

实验设计:教学内容中拆分的细节都可反复、自由操作和练习,如有错误会得到提示。

实践考核:检验学生的学习成果,在无任何提示的情况下,在该系统内完成一个移动基站站点的建设和开通,有操作过程记录和考点操作记录,通过对记录和考点操作的统计给出实验成绩。

2.2 实验项目设计

(1) 设备及辅材认知。将实验中涉及的设备、辅材、工具单独建模,分别能够进行360°全方位的展示,并搭配文字说明。所有模型在该模块的主界面中平铺显示,平铺显示的效果应该是图片加名称,点击某个图片进入该对应模型的具体展示。

(2) 系统搭建教学演示。该模块是演示一个通信机房从无到有的搭建过程。要求首先建立一个空置的机房内景和机房外景模型,在空置机房内景和外景中,依次将需要建立的设备和相关辅材模型逐个安置在机房内外指定的区域和位置,完成一个通信机房从无到有的搭建,搭建过程伴随文字解说。

(3) 基站安装教学演示。要求按照《移动通信机房建设和设备安装规范》中关于BBU、RRU、天线、GPS天线、防雷箱的安装步骤和规范,演示基站安装到机柜内、基站安装到室外以及安装天线、安装GPS天线、防雷箱走线等详细步骤。演示的细节甚至包括螺钉、线缆的安装和位置要求。完成一个通信基站从无到有的搭建,搭建过程伴随有文字解说。

(4) 基站安装实验及考核。在虚拟安装过程中,按照安装规范选择合适的设备、辅材及工具。安装错误时出现提示,学生经过思考、理解,正确选择后才能进行后续的安装过程,完成后提交实验结果以备考核。

3 实验方法与实验过程

本实验项目分为3部分内容,分别为认识通信设备及器材、学习基站设备的安装规范、基站设备的选择与安装操作。

实验内容一:认识通信设备及器材。认识基站安装所需要的主要设备和辅助器材。系统提供了40种器件模型,学生可以在器材库中选择器件,了解器件的外观与特征。

实验内容二:学习基站设备的安装规范。在安装实验前,学生先学习基站设备的安装规范。系统提供基站设备的安装规范,显示设备的安装信息。系统提供的安装规范包括:主设备BBU安装规范、主设备RRU安装规范、主设备天线安装规范、主设备GPS安装规范和主设备防雷箱安装规范。

实验内容三:基站设备的选择与安装操作。

(1) 主设备BBU的安装。在机房内景中,根据提示选择设备及器件并完成主设备BBU的安装。根据系统的要求,通过以下操作步骤完成安装:打开机柜门→装入BBU设备→将电源板卡装入BBU插槽→将NEFF采板卡装入BBU插槽→将单通道光传输板卡装入BBU插槽→将多通道光传输板卡装入BBU插槽→将散热板装入BBU插槽→关闭机柜门。

(2) 主设备RRU的安装。在机房外景中,根据提示选择相应的设备和器件完成主设备RRU的安装。该实验通过4个操作步骤完成安装:安装RRU挂件→安装多通道RRU设备→拧上RRU螺钉→安装8通道天线。

(3) GPS天线的安装。在机房外景中,根据提示选择相应的设备及器件,通过7个操作步骤完成主设备GPS天线的安装:安装GPS挂件→安装GPS天线→将铜轴电缆接到GPS上→用刀子将缆线剥开→装上GPS接地套件→用胶布缠好接头→在线缆的正确位置安装防雷器。

(4) 主设备BBU与RRU的连接。在机房内景中,根据提示选择相应的设备及器件,完成主设备BBU与RRU之间的通信连线。该实验通过6个操作步骤完成安装:在机房主设备上安装光模块→安装RRU光缆→安装板状天线上跳线→安装网线→连接主设备直流电源线。

(5) 天线的安装。用馈线将天线与主设备RRU连接,接好RRU的连接线,通过8个操作步骤完成安装:将7/8馈线安装到天线的相应位置→用热风枪吹热缩管使其收缩→将7/8馈线安装到RRU相应位置→用热风枪吹热缩管使其收缩→在RRU中安装光模块→接上光缆→接上板状天线上跳线→安装RRU接地线。

(6) 防雷箱的安装。通过3个操作步骤完成防雷箱的安装:安装防雷箱直流电源缆线→安装RRU电源线→安装RRU接地电缆。

实验操作中部分仿真效果图如2和图3所示。

图2 天线的安装

图3 防雷箱的安装

4 实验教学项目设计架构

移动通信TD-LTE基站系统安装虚拟仿真实验的开放运行，依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑,保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目,并通过平台提供的面向用户的智能指导,帮助用户实现自主实验,提高实验项目的开放服务能力。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台基于计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术,采用面向服务的软件架构开发,集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动评价和教学管理于一体,具有良好自主性、交互性和可扩展性。

支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为5层(见图4),每一层都为其上层提供服务,直至完成具体模拟实验教学环境的构建。

图4 系统总体构架

(1) 数据层。移动通信TD-LTE基站系统安装虚拟仿真实验涉及多种类型虚拟实验组件及数据,这里分别设置虚拟实验的规则库、基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、实验数据、用户信息等,用来实现对数据的存放和管理。

(2) 支撑层。支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架,是实验项目正常开放运行的基础,负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等子系统。

(3) 通用服务层。通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台软件,提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件,以便用户能够快速在虚拟实验环境下完成虚拟仿真实验。通用服务包括:实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评估、互动交流、项目开放与共享等,同时提供相应集成接口工具,以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。

(4) 仿真层。仿真层主要针对该实验项目进行器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、通用仿真器设计,为上层提供实验结果数据的格式化输出。

(5) 应用层。基于底层的服务,最终实现移动通信TD-LTE基站系统安装虚拟仿真实验教学与开放共享。应用层具有良好的扩展性,可根据教学需要,利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的器材模型设计各种典型实验,开展实验教学应用。

5 TD-LTE基站建设虚拟仿真实验管理

根据虚拟仿真实验室的发展理念,遵循“虚实互补、能实不虚,以虚促实”的原则来建设移动通信TD-LTE基站系统。为了发挥在线虚拟仿真实验的特殊性能,将采取如下管理措施:

(1) 教学方式管理。移动通信TD-LTE基站安装虚拟仿真实验采用虚实结合的方式。利用实验室现有的设备了解设备的构造和工作原理,再通过虚拟的360°机房内景、基站外景,学习企业级的机房建设及基站设备的安装过程。实验教学中注重学生的反馈信息,提倡学生探究式学习和自主、合作完成实验项目。线上答疑机制方便学生及时讨论实验内容。

(2) 开放运行管理。建立稳定、安全的开放运行模式,充分考虑不同学生接入实验教学项目的需求,搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目运行平台。将已开发的虚拟仿真实验项目共享给国内其他高校使用,也可以提供给有需要的企业用于岗前培训。可提供24小时在线实验,支持多个学生同时在线并发访问和请求。

(3) 评价体系管理。将此虚拟仿真实验教学纳入相关专业培养方案和教学课程,制定教学效果评价办法并持续改进评价机制。鼓励探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效激励机制,探索建立高校间相关实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

6 结语

本实验项目弥补了移动通信课程教学无法开设基站设备安装实验的缺陷,通过3D建模的企业级机房实景,使学生生动而真实地学习到企业级机房的布局情况,加深对通信设备的认知与掌握。通过学习设备安装规范以及进行模拟安装实验,学生易于掌握建设与开通移动基站站点的过程。经过虚拟实验训练的学生具备了更强的工程实践能力,更能适应企业的工程技术、网络管理、系统维护等工作岗位需求。此虚拟仿真实验还需要增加移动通信系统规划设计、路测、优化等内容,平台也需持续更新,为国家和社会培养更多的专业技术型人才。