5G网络建设虚拟仿真实验项目设计与管理

李 婷， 郑劲松， 林 薇

(福州理工学院 计算与信息科学学院， 福建 福州 350506)

0 引言

高校信息化建设是贯彻落实全国教育大会精神和《中国教育现代化2035》的重要组成部分。在信息化条件下，知识的获取和传授方式、教和学关系等均发生了革命性的变化，需要不断深化信息技术与教育教学深度融合[1]。虚拟仿真实验在推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平等方面起到了积极作用。虚拟仿真实验利用虚拟现实、人机交互、数字媒体、数据库和互联网技术实现了实验设备和实验项目的数字化、虚拟化和可视化，是一种开放式网络化的实验教学手段[2～4]。

与传统的实验教学相比，虚拟仿真实验不受场地、设备、自然环境等因素的影响，具有网络资源共享性、交互操作性、透明性、用户自主性、可扩展性以及安全性等特点，学生在实验操作过程中能够有很强的临场感和沉浸感[5～8]。虚拟仿真实验将硬件实验虚拟化，不仅能够保证学生在操作过程中的安全性，还提高了实验教学的效率，且在实验内容上更加灵活、易更新、易扩展，易于结合其它在线学习，开展混合实验教学。

在移动通信网络建设的实验中，为完成网络建设并验证实验结果，需要用到大型的网络设备和辅助设备与材料，价格昂贵、实验准备时间长、操作过程要求高。加上移动通信发展快，网络技术和设备不断升级，2020年更是全面进入5G商用阶段，为实现应用型人才培养，5G移动通信技术成为移动通信教学的重点内容，学校购置5G网络设备需要大量的资金和场地投入。此外，原有的移动通信实验室虽然配备了与运营商网络一致的3G和4G整套设备，但实际实验中，拆装设备需专人操作，数据配置上传需排队进行且每人耗时不少于20分钟，实验结果验证更是存在辐射强度大、不能大量进行的问题。采用虚拟仿真实验能够适应技术发展、解决实验设备投入过多、实验过程要求高耗时长等问题，同时提高实验教学信息化程度。

1 5G网络建设虚拟仿真实验概况

移动通信5G网络建设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，涵盖了5G网络基站从站点选址、勘察，到方案设计、工程预算、工程实施与验收全流程。将工程实际问题进行模拟，从工程师视角引导学生完成整个站点建设项目。从方案设计开始，网络架构以拓扑图形式呈现在实验界面，可令学生深刻掌握5G网络架构。

移动通信5G网络虚拟仿真系统实验课程主要面向通信工程、电子信息工程、物联网工程等专业的大三或大四学生，单项实验教学时长为4学时，其中5G基站工程实施仿真实验项目包括设计图解读、通信设备及器材选取、机房配套安装规范和5G基站各网元设备安装、连接和配置。5G基站工程实施虚拟仿真实验的目的是通过实验项目的训练，使学生掌握5G网络拓扑结构的配置，掌握基站机房的布局，掌握基站设备的安装方法、安装步骤和安装注意事项，理解并掌握5G无线侧网元设备的工作原理和基本配置过程，并最终通过工程验收。利用虚拟仿真技术探究5G移动通信基站建设的运行流程，为从事实际工作建立基础。

该实验项目采用以学生为主体的TBL教学法、案例互动式的CBL教学法、以及理论与实践、虚实结合的教学方法。学生在了解4G全网设备与网络架构的基础上，完成5G实验项目。首先由教师带领学生认识5G全网设备实物，并讲述5G无线网络规划、各个网元的基本原理和设计图纸读图方法，然后以学生为主体进行TBL教学，让学生分组讨论工程实施步骤、网元及设备选取、IP规划和业务配置，使学生产生浓厚的兴趣，激发学生的自主学习的积极性。在进行虚拟仿真实验的过程中采用案例互动式CBL教学法，给出一个虚拟城市(虚拟化的3D模型)的5G电话业务需求以及测试分析报告，让学生自己找出问题，编制网络规划报表。完成前期规划后利用虚拟仿真实验平台，进行实践操作，包括设备选型、连接、数据配置、网络测试、优化等。通过虚拟方法，让学生体会到真实的安装过程。

仿真平台视频播放功能将为学生在整个实验过程中实时地提供理论支撑和技术支持，本项目的视频播放内容包括5G无线侧配置操作业务的录像和机房主设备安装、AAU安装、天馈安装、GPS安装、设备电源安装，以及设备间线缆连接的录屏操作。增强学生的感性认识，激发学生学习兴趣和学习动机提高教学效果方面，取得实效。

2 5G基站工程实施虚拟仿真实验项目设计

2.1 实验项目的主要内容

5G基站工程实施虚拟仿真实验项目由5G网络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一个5G移动基站站点，涵盖移动通信技术无线侧相关的工程知识点，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。

实验准备：将5G基站建设工程实施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。

图1 实验项目设计

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，包括网络拓扑结构配置、各个网元安装连接正确、信号测试通过。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 实验项目设计思路

1)5G网络无线侧相关硬件认知

首先在移动通信实验室对实际的无线网络相关设备、天馈系统和电源连接等进行观摩，再结合虚拟仿真实验系统对实验中涉及的网元设备、天馈系统材料、电线电源安装进行360°全方位的展示，并搭配文字说明可通过点击主界面上的某个实物图片获得该部件的详细说明资料。

2)动态演示系统搭建过程

首先配置总体网络环境，然后在机房外景(一般为铁塔或楼顶)和空置机房内景中，依照设备选型、放置、信号线与电源线的连接将正确的设备和相关辅材模型放置在指定位置并保证线路畅通，最终完成一个5G机房的搭建过程。演示以动画形式开展，并配有声音和文字解说。

3)5G机房及无线侧安装实验过程

在安装过程中，系统自动按照安装规范判断操作者选择的设备、辅材、工具以及连接是否正确，若出现错误则给出问题点的提示信息，只有当前错误修正后才能继续下一步操作。

4)实验结果验证

在完成所有设备和辅材的安装、连接和配置后，保存实验过程记录和安装结果，学生端和教师端均可通过网络模拟运行判断本次实验成功与否。若无线网络不可用，则教师端还可通过过程数据找出实验中隐藏的问题。

3 实验方法与实验过程

本实验主要是针对网络架构和拓扑设计、设备安装与信号线连接以及电源选择与电源线连接三项内容展开仿真实验。

首先实验根据实验任务描述，进行网络拓扑规划，主要培养学生对5G无线侧网络架构和拓扑设计，根据预算容量选择合适的5G设备，配置相应的参数并进行测试。此部分主要理清网络拓扑、各设备的IP配置和连接关系。

电源设备包括配电箱、开关电源，电源线包括地线、设备电源线和防雷线的操作。此部分主要为设备的正常运行提供能源和保护。

设备安装和信号线连接是实验内容的重点和主体部分，包括设备选型、设备连接、连接线选择等，实验过程如下

1)天馈安装

工程实施首先进行天馈安装，此处以楼顶机房为例进行说明。进入工程实施界面后，在主界面右侧选择与设计方案图纸一致的天线设备(此处为美化方柱)，并按照图纸所定位置拖至楼顶即可，效果如图2所示。随后将AAU拖入美化方柱所在位置，并放置GPS、室外接地排，完成天馈安装。

图2 天馈安装界面

2)进入机房

在主界面中单击最上方的“视角切换”按钮，切换置“室内全景视角”可看到机房的完整界面，如图3所示，依据设计图纸，依次从工具箱中选择开关电源、机柜、空调、蓄电池、交流配电箱、防雷保护器、馈线口、室内接地排和走线架，完成设备摆放，效果如图3所示。走线架在摆放时应位于机柜上方。

图3 机房室内全景界面

3)机柜内部网元的安装

切换视角，开始机柜安装。单击机柜，打开柜门，从工具箱中依次将柜内接地排、ODF、SPN、BBU、配电盒拖放到机柜的黄色框中，设备指示图中会出现相应的设备图标，操作结果如图4所示。

将设备拖动到机柜外，即可删除该设备，此删除操作适用于任何模型。

图4 机柜内部网元的安装

4)数据链路连接

(1)BBU和AAU的连接，在室外全景视角中双击天线打开AAU界面，工具箱出现线缆，选择“光纤LC-LC”，点击AAU的10GE口，如图5所示，通过点击窗口左上角网元拓扑图中的BBU，直接进入BBU设备界面，选择“BP5G”板块的10GE口，单击完成线路连接。设置成功后，界面左上角拓扑图的AAU和BBU之间就会显示连线，如图6所示。重复此步骤，完成所有AAU与BBU的连接。

(2)BBU与SPN连接，在BBU界面，选择“光纤LC-LC”，与SPN相连应该选“SW5G”板块，选择其中一个25GE端口。在左上角拓扑图中点击SPN，进入SPN界面，选择对应的25G的端口，点击“4×25G”其中任意一个端口即可完成连接，网络拓扑中BBU与SPN的连线也随之出现。

图5 AAU设备示意图

图6 BBU设备示意图

5)业务链路连接

(1)SPN与ODF连接，SPN与ODF连接，即数据向上连接到汇聚机房，此时应采用速度/带宽更高的端口，选择50G端口，光纤选择“光纤LC-FC”。在拓扑图点击ODF，将光纤的另一端接入ODF，效果如图7所示。

图7 SPN与ODF连接

(2) GPS与SPN连接，用1/2馈线将GPS与SPN连接，SPN接口中只有一个可连接馈线的端口，按上述步骤即可完成此步操作。

6)设备供电线路连接

首先应完成所有设备的接地(包括室外、室内和柜内接地)，然后再进行其它线路连接。用“AC电缆35mm2”从交流配电箱(AC)将市电引入开关电源(DC)，开关电源用“DC电缆25mm2”连接到机柜的配电盒(DCDU)，由配电盒将直流电供给AAU和BBU，连接时要注意与设备所需的电流大小相对应。SPN供电由DC直接提供，蓄电池也直接连接在DC上，形成UPS。供电线路的连接如图8粗线所示。

图8 网元拓扑和供电线路示意图

7)工程验收

工程实施完成后，可直接点击工程验收，界面中会出现一台测试仪，点击“开始测试”即可进行工程验收。若连接无误，则会显示测试通过。如图9所示。

图9 工程验收界面

由于5G网络正式商用不久，网络优化方面的工程实践还需要积累。

基站建设全部完成后，可点击菜单中的“系统评分”获得本次操作的各项指标及评分，如图10所示。

图10 系统评分示意图

4 实验教学项目研发技术和架构

5G网络建设虚拟仿真实验依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台和5G全网规划与部署仿真系统的支撑，采用C/S架构，后台服务运行在服务器端，用户通过客户端连接服务器进行相关实训仿真操作。同时平台提供面向用户智能指导，使用户能够在无教师指导的情况下开展实验，从而提高实验项目的开放服务能力。

实验教学项目和仿真实验管理平台开发的主要技术和工具如表1所示。

表1 项目和平台的开发技术和工具

实验教学项目的技术架构如图11所示。

图11 实验教学项目的技术架构

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。

5 虚拟仿真实验项目的管理

根据虚拟仿真实验中心的发展理念，遵循“能实不虚、虚实结合、服务三多”的原则来建设5G网络建设虚拟仿真实验项目及相应的开放实验平台。为了将在线虚拟仿真实验优势充分发挥出来，采取以下管理措施：

(1)教学管理。坚持实体实验教学依旧是实验教学体系建设的重点，5G网络建设虚拟仿真实验作为实体实验教学在空间和时间上的延伸：在移动通信实验室详细了解移动机房真实环境，完成虚拟仿真项目熟悉外景和网络建设工程全过程。面向学生实践能力培养，融合课堂与课下教学，实现随时随地自主学习与个性化学习，学生实践能力提升成效显著；吸纳学生参与项目库建设、平台使用效果评价、平台开发与改进，多方位支撑学生中心教学理念的落地。

(2)开放管理。充分考虑不同学生接入实验教学项目的需求，建立硬件虚拟、软件仿真、云平台支撑，确保稳定、安全的实验教学功能与特性丰富的信息通信虚拟实验教学平台开放运行模式。以低成本实现对实体实验室的扩展与补充，系统具有较高的可用性、可扩展性、安全性和灵活性。合作开发虚拟中心技术平台中的核心功能部件，包括路由交换互连引擎、虚拟互连网实验室引擎的第三方设备支持扩展、Activity(教学活动)库等，以及利用私有云技术构建虚拟仿真实验教学底层平台。提供24小时在线实验，达到多学校、多学生、多地方共享教学资源。

(3)评价管理。将虚拟仿真实验教学纳入物联网专业群各专业培养方案和相关课程，制定仿真实验教学效果评价和改进机制。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。引入优质企业资源参与中心建设，强化中心建设的工程应用内涵与特色；依托校企协同、教学与科研协同、教学研究与教学实践协同，建立一支教学与研究、开发与管理并举的虚拟仿真实验教学与管理队伍。

6 结语

本实验项目的开设，实现了课程实践与工程实际的同步，也解决了移动通信网络实验用真实的设备操作带来的成本过高，设备易损，台套数太少，实验时间过长等问题。采用“虚实结合”的方法，以精确对实体设备进行简短的讲解和操作，加上学生动手利用虚拟的环境进行实践，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5G网络架构、数据配置及其基站设备、辅材的认知与掌握。通过对机房内外设备的模拟安装和开通实验，学生易于掌握基站建设与开通移动基站站点的过程。该实验项目已取得了良好的教学效果：学生对5G网络建设有了全方位了解，在第四届“经世IUV杯”5G移动通信应用竞赛中斩获全国二等奖；学生的工程实践能力显著提升，用人单位普遍反馈学生能快速投入工程设计、网络建设、系统管理等工作岗位。在5G网络建设仿真实验项目基础上，还需要进一步开发移动通信系统规划设计、网络优化、核心网规划与设计等项目，仿真管理平台也需不断更新，为国家、社会培养更多的高素质应用型人才。