移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理

郑 云， 吴 怡

(福建师范大学光电与信息工程学院，福州350117)

0 引言

随着现代移动通信技术飞速发展，无线传感器网络(WSN)、物联网(IoT)、软件定义无线电(SDR)、软件定义网络(SDCN)等新技术不断涌现，太赫兹、毫米波通信、可见光通信和量子通信等成为未来通信学科的发展方向，因此面向通信类专业实践教学平台建设刻不容缓。通信实践教学作为高等学校专业人才培养的重要部分，是促进实践教学进一步信息化、网络化的手段之一，是培养本专业学生快速掌握进入社会工作技能的基本要求，是通信类专业教学过程中以实验论证理论并丰富创新理论的重要环节，是激发学生探索欲望，培养学生科学思维、创新精神和实践能力的必要途径。随着我国高校实验教学示范中心建设工作的不断深入，虚拟仿真实验中心的建设逐渐引起高校实验教学研究者的重视。

1 移动通信虚拟仿真实验教学中心建设

移动通信领域是当今信息产业中的重点及热点研究与应用领域，通信技术的发展日新月异，仅20多年时间，移动通信系统从第1代发展到第4代移动通信，未来2年第5代移动通信系统也将开始商用。如何让高校培养的学生能够紧跟通信技术的前沿，迅速掌握技术要点，毕业后尽快达到工作岗位要求，一直是高校在人才培养的一个难题。因此开展移动通信虚拟仿真实验教学，具有以下建设必要性。

(1)信息通信系统对学生可及、可控和开放。信息通信系统内部信号的传送是抽象，看不见、摸不着、封闭、瞬时，随机的。随着虚拟仿真实验的技术发展，信息通信类专业实验平台的建设，将信号和流程开放出来，变得直观、可及、可控。真实的信息通信运营网络至少都是数千亿元以上的投入，我校的大型设备只有单套，与大规模学生实验教学的需求存在矛盾。借助虚拟仿真实验教学模式，既解决了场地和时间问题，提高设备利用率，又可以同时支持更大的并发量，最终真正支撑学生实验学习的需求。

(2)改变学生学习模式，全天候学习。利用虚拟仿真实验平台［1-5］，可以使学生从排队进入实验室做实验的模式，转换到利用互联网全天候自主开展实验的模式。传统实验平台限制了实验资源的使用，学生只能在规定的时间内开展实验，很多综合性拓展性的实验项目缺少足够的时间开展设计，一般只能整个教学班“齐步走”，难以满足学生自主学习和个性化培养的要求。而借助虚拟仿真实验平台，可实现学生自主选择学习进度、学习时间和学习内容，还可重复学习，灵活度高，实现高效率学习。

(3)缓解通信系统大型实体设备更新压力。信息通信技术更新速度很快，实体设备的更新费用和升级周期不可避免地存在很大压力，虚拟仿真实验方式在更新和扩展升级方面的建设成本、实现难度、更新周期、实现手段，以及新信息通信技术的快速引入等诸多方面都具有显著的优势。

(4)满足现代远程教育实验课程教学需要。通过采用虚拟仿真实验的模式，开设独立的虚拟实验网络课程或虚拟实验操作环节［6-9］，解决了现代远程教育试点中始终困扰各高校的实验教学难题。虚拟实验使远程的学生不必集中到真实的实验室进行实物实验，通过网络在虚拟仿真平台上就可以进行实验操作练习。虚拟实验教学新模式提升了实验教学的重要性，使远程教育尤其是工科教学真正拥有了实验教学环节，有力地提高了学生的实验操作能力。

(5)应用于实习实践。由于信息通信技术迅猛发展以及信息行业的特殊性，行业接收学生实习实训的动力发生了根本性变化，校外实习多是参观性的，绝大多数企业从自身利益出发，通过实习实训来发现可招聘的毕业生，但是，多数学生毕业去向往往是难以提前确定，导致企业对接受学生实习实训不积极，加上实习实训客观存在时间不长、接纳能力、岗位差异、学生考研留学、交通、住宿和安全等多种因素制约，校外实习实训效果在整体上并不尽如人意。将部分实习实训学生放在实验中心，反而更可能达到实践效果，在技术和工程能力培养上，可动手条件更好(企业现场大型系统几乎不可能让学生随意动手训练操作)，深入的技术性实践和创新性训练在实验中心更容易实现。

2 移动通信虚拟仿真实验教学中心特色

虚拟仿真实验教学中心应充分体现虚实结合、互相补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能［10-16］。虚拟仿真实验教学中心重点开展资源、平台、队伍和制度等方面的建设，形成持续服务实验教学，保证优质实验教学资源开放共享。

2.1 可及、可控、环保、开放共享的虚拟仿真实验平台

信息通信系统本身具有封闭性、瞬时性、随机性、不可及、抽象等特点，实物通信设备构成的实验系统也不能直观反映通信设备内部的工作过程。借助虚拟仿真实验，展示通信内部工作过程和原理，使学习内容看得见、摸得着，达到可及、可控的学习效果。同时，虚拟仿真实验避免了通信系统中无线射频信号的实际发送，避免了基站等设备带来的辐射问题，可形成绿色环保的实验环境。此外，借助虚拟仿真实验系统与实物相关联和映射，运用虚拟化技术、现场辅助和音视频辅助等多种手段，将先进的LTE通信系统实验平台开放和远程共享，既提高了这些资源的社会效益，适当有偿使用也降低了其他院校相应的实验教学成本。

2.2 覆盖通信全过程的虚拟仿真实验

经过数年的建设，移动通信虚拟仿真实验教学中心已经具备从通信基础到通信原理及最新通信技术应用并覆盖通信全过程的虚拟仿真实验平台。虚拟仿真实验中心在建设中，重点考虑了全程化覆盖:从底层的信号处理到通信原理，从网络的接入到传输，从业务接口到信令接口，从通信设备安装、配置、调试、测试、优化的全程虚拟仿真实验。从而实现了移动通信网络的虚拟仿真全程覆盖，虚实结合，继续保持了实验中心在国内高校的移动通信系统的特色优势。

2.3 特色鲜明的行业结合机制

学校以融入信息通信产业、指导人才培养和协同创新为目标，紧紧依托电子信息产业，联合中国电信、中兴、大唐移动、福建星网锐捷、福建邮科等省内外信息通信龙头企业以及政府机构、科研院所、学术行业组织、地方及产业园区等涵盖信息通信产业链的单位组建了行业特色鲜明的产业协作联合，不断地为实验中心持续发展输入优良的外部资源。

2.4 提供了全方位的网上实验教学过程管理

开放式网上实验教学平台实现了各类实验的统筹安排，包括:实验安排与选课、实验前的相关知识辅助学习与测试、实验平台跳转、实验过程的智能答疑与指导、虚拟实验结果自动批改、实验报告在线填写与管理、实验教学效果评估与分析等。系统采集学生在实验过程中的各类行为数据，为实验者提供个性化、针对性更强的知识学习指导和评估报告，并通过数据分析更丰富、详实、客观地展示学生在实验教学各环节的参与情况，从而为科学地开展实验教学评估及教学改革提供了数据支持，并大大减轻实验管理员负担。

3 移动通信虚拟仿真实验中心架构

移动通信虚拟仿真实验中心主要包括两大平台:实验运行管理平台和移动通信虚拟仿真实验平台。

(1)实验运行管理平台。实验运行管理平台主要包括:实验教务、实验教学、实验前理论知识学习、实验过程智能指导、实验结果自动批改、虚拟实验仿真教学资源管理、师生互动交流、实验教学效果评估等部分。

(2)移动通信虚拟仿真实验平台。该实验平台涉及通信学科的多门课程、多个通信知识模块。目前正在逐步建设移动通信系统虚拟仿真平台，其包含移动通信系统从通信设备安装调试、通信系统设备配置及基站开通、至通信系统网络优化等各个环节，通过该仿真平台的训练，可以让学生很好地掌握移动通信系统从设备安装、配置、基站开通、优化、测试等全过程。后续将在此虚拟仿真实验平台的基础上，配合“通信原理”“数字通信原理”“通信电子线路”等相关课程，建立通信系统原理虚拟仿真平台以及通信原理基础虚拟仿真平台等，从通信的基础课程到原理课程至实践性操作性课程，贯穿整个移动通信系统的基础、原理、应用全过程，可极好地训练学生的实践动手能力。

4 LTE移动通信虚拟仿真系统平台

LTE通信设备昂贵且复杂，电信级商业设备一般不支持学员的多用户操作，而且设备的使用成本和维护成本都较高。LTE虚拟仿真实验系统，通过虚拟仿真的纯软件方式，解决了该问题，使得学生能够更好掌握通信基本原理，熟悉LTE设备的工作原理，增强学生对LTE传输设备的数据配置和通信操作，解决实际LTE设备不支持教学班规模的多用户同时操作和实践带来的教学问题。

(1)系统实验体系。系统通过软件仿真，实现了对LTE移动通信系统的关键网元设备的仿真，以及业务环境模拟。学生可通过本系统，创建虚拟的网元设备，并进行必要的配置，实现对设备开通、业务验证、设备排障等过程学习，更直观地学习到LTE设备的工作原理和相关应用知识。流程结构如图1所示。

图1 LTE虚拟仿真实验体系

(2)实验目标。实验主要通过LTE移动通信虚拟仿真实验系统，搭建LTE网络，进行基本的网元连接，数据配置以及设备开通，可在不同的覆盖和应用场景下，进行4G业务的验证，使学生掌握LTE的网络结构、主要网元、重要接口功能，建立移动4G系统概念，提升工程应用能力。通过本实验，学生可掌握LTE的网络拓扑结构，e-NodeB的数据配置和LTE设备开通的关键过程，并学会分析和排查LTE网络故障。

此实验所支撑的课程有“移动通信综合实训”“专业综合实训”以及“毕业实习”等。

(3)实验内容。此实验一共有12个实验项目，具体如表1所示。

实验项目1-5作为实验基础，介绍了整个系统设计的网元和关键部件，学员通过实验掌握其特性、功能以及操作方式;

实验6-9分步骤进行基站开通的数据准备。先进行网元规划，数据配置;

实验10执行小区激活，并通过启动流程图观察和分析基站启动过程;

小区激活后，通常意味着基站成功开通，可以对外提供服务，通过实验11-12进行必要的业务验证，以及告警分析，得出最终的实验结论。

(4)仿真实验与效果。如图2所示，连接传输设备、室内基带处理单元BBU、射频拉远单元RRU以及GPS天线等设备，建造一个LTE基站的雏形。通过LTE移动通信虚拟仿真实验系统，搭建 LTE网络，进行基本的网元连接，数据配置以及设备开通，在虚拟仿真实验过程中，让学生体验LTE基站开通的基本流程，从实验中对LTE基本原理以及设备类型等有大致的了解，对以后的专业领域进一步学习打下坚实基础，更有益于将来从事专业领域工作。

表1 实验项目列表

图2 设备连接

如图3所示，对室内基带主设备BBU进行板卡设置，根据实际设备中的型号进行相应的仿真板卡选择。如实际板卡配置为BPOG，则在仿真的时候就不能选择BPOH。此外，板卡放置的位置实际设备与仿真过程中也应一致。

如图4所示，在进行板卡配置结束后，需要进行网元布配，设置每个小区的连接方式和接口号。当一切准备完毕后，开始连接基站，进行复位操作，通过解决过程中出现的故障，保证基站的顺利开通。后期需继续进行系统更新和检查等。

图3 板卡配置

图4 网元布配

5 移动通信管理模式与后续设想

中心依靠校园网络及教学信息化平台、信息化设备和有效的管理体系等，有序地开展实验研究。

5.1 校园网络及教学信息化平台管理

中心自主开发的虚拟实验平台主要包括虚拟实验中心门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。平台用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员、校领导、系统管理员等角色。

此外，平台将自动收集实验前辅助学习、实验过程指导、答疑、实验成绩的相关数据;通过调查问卷收集学生对实验系统、实验设计、学习效果等方面的评价与反馈信息，进行统计与分析，用图表直观展示分析结果，以便于进一步改善虚拟实验平台的功能，提高虚拟实验的教学质量。

5.2 加强信息化设备设施

中心拥有支撑虚拟现实领域高水平研究的实验设备和软件系统，包括高性能计算机，多通道立体投影显示系统，沉浸式三维立体虚拟仿真实验室系统，万兆网络系统，各种虚拟现实人机交互设备，数据采集与建模设施、有线和无线自组织网络。

5.3 完善管理体系

校、学院和中心实行3级管理制，实验示范中心实行中心主任负责制，设光、机和电、通信实验室专管人员;学院依据学科专业建设规划、人才培养方案、实践教学大纲等要求，具体实施基地的建设与管理工作。

建立完整的课程教学、管理档案和各项管理制度包括:“中心工作人员岗位责任规范”“固定资产的管理办法”“仪器设备出借和丢失赔偿管理办法”“元器件领用管理办法”“学生实验守则”“实验室安全规则”“开放实验项目管理制度”“大型贵重仪器设备管理办法”等仪器设备管理制度。

面向全院所有本科专业和院外校内的部分理工科专业;实验室对学生开放的实验项目，对学生课外活动提供设备和场所支持。建立和完善仪器设备维修室，设立专职维修技术人员，学校每年下拨专项经费作为实验材料费和维修费。

5.4 改进优化

虽然很多教学资源在中心已经做到全网覆盖共享，但还将进一步提高技术和服务水平，做到更好的资源共享。

(1)优化平台。现有教学平台功能已经非常强大，但随着科学技术的不断发展难免会有和技术发展相不匹配的地方，在使用的过程中，将不断根据需求优化平台使之更好为教师、学生及社会服务。

(2)丰富资源。中心虽然已有较丰富的虚拟仿真实验教学资源，但知识是无限的。我们应本着服务行业、服务教育事业的态度，将更多的实验和教学内容虚拟化，丰富相关的虚拟仿真实验资源。

(3)共享技术。不同的专业往往知识是不同的，但将实验进行虚拟化的方向和方法是相同的。中心应发挥技术优势，帮助校内外兄弟单位乃至全社会有虚拟化需求的行业和领域，产学研相结合为服务社会发挥应有的贡献。

6 结语

移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设弥补了实验实践教学的缺陷，使各类实验得以统筹安排，有效地促进了实验教学的信息化、共享化和现代化。作为理论教学的补充手段之一，可帮助学生加深理论知识，培养其科学思维、创新精神和实践能力，有利于提升相关专业的实验教学质量。移动通信虚拟仿真实验教学中心正在不断壮大，2018年移动通信TD-LTE基站建设虚拟仿真实验项目［17］已获批成为首批国家级虚拟仿真实验教学项目。为更好地服务于学生，为国家和社会培养更多专业技术型人才，目前中心还需不断优化已有的虚拟仿真实验项目，丰富中心的虚拟实验教学资源，持续完善整个中心平台的建设。