虚实结合的光通信网络实验教学改革与实践

孙铁刚, 李志军, 刘 丹

(吉林大学 通信工程学院, 长春 130012)

0 引 言

在高速光接入与光传输技术的规模化应用背景下, 通信领域对既掌握扎实的通信基本理论, 又具备通信工程实践能力的应用型创新人才的需求旺盛。培养符合通信行业发展需求的高素质专业人才, 提高在理论和应用之间起桥梁和纽带作用的实验教学质量势在必行, 各高校也在积极探索提高光通信人才培养质量的实验教学改革方案[1-3]。吴建伟等[4]和卢燕飞等[5]提出建设以真实电信网络为参照的具有产学结合特色的通信工程实验教学体系, 杜云刚等[6]和武一等[7]运用OptiSystem光通信仿真软件设计了光纤通信系统仿真实验, 孔维敬等[8]以光纤熔接机为原型开发了光缆接续虚拟仿真实验。为顺应疫情防控常态化下信息化教学改革与新工科建设发展需求, 结合学科专业实验教学的特点, 人们在推进构建虚实结合的实验教学课程上得到了广泛共识[9-12]。

笔者立足于光通信方向的多层次实验教学需求, 从硬件、 软件两个维度建设了光通信实验教学体系。针对全真式光通信网络实验教学面临的诸多问题, 设计开发了无源光网络虚拟仿真实验, 探索建立了虚实结合的无源光网络实训教学模式。

1 光通信网络实验教学现状

1.1 现有光通信实验教学体系

我院通信工程专业入选2019年度首批国家级一流本科专业, 其三大特色专业方向分别为计算机应用与网络、 通信与信息处理和光通信。围绕光通信方向从基础性、 综合性到设计性的多层次实验教学需求, 实验教学团队从硬件、 软件两个维度逐步推进光通信实验教学体系的建设, 整体架构如图1所示。

图1 光通信实验教学体系架构

在光通信实验硬件建设方面, 统筹分析激光原理、 信息光学处理、 光通信原理、 光纤传感技术、 光通信综合实验、 生产实习等教学环节的实验需求, 从实验室条件建设项目、 产学合作协同育人项目、 教学及科研项目等渠道积极筹措实验室建设资金, 陆续配置了激光原理实验系统、 信息光学实验系统、 光通信原理实验箱、 光纤传感系统、 光通信专业仪器仪表和光通信网络实训系统, 有效保障了基础性、 综合性的光通信实验教学项目运行。由于光通信实验硬件建设具有经费投入高、 时间周期长、 维护更新难度大等缺点, 而光通信仿真软件在光通信模型构建及特性分析方面具有强大功能, 因此光通信仿真软件被应用于各类空间光学系统、 光纤通信系统、 光纤光栅传感器、 模式干涉传感器、 光子晶体光纤传感器、 多通道薄膜滤波器等设计分析工作中, 从而有力支撑了开放性创新实验、 毕业设计、 大学生创新创业竞赛等教学环节中综合性、 创新性的光通信实验教学活动。

1.2 全真式光通信网络实验教学面临的问题

为引导学生认知商用光通信网络设备, 掌握实用的光通信网络工程应用技能, 黄艳华等[13]和倪林等[14]构建了全真式光纤接入网实训平台, 孙铁刚等[15]搭建了涵盖光同步传送网(SDH: Synchronous Digital Hierarchy)、 分组传送网(PTN: Packet Transport Network)、 无源光网络(PON： Passive Optical Network)的全真式光通信网络实训平台。光通信网络实训教学应用表明, 商用光通信网络设备的引入突破了传统箱式实验设备的局限, 但仍存在如下问题。

1) 商用电信级光通信网络设备昂贵, 实验室配置台套数少, 单一设备不支持多人并发操作, 因此, 难以满足面向教学班规模的多人实训教学需求, 全程动手操作配置的学生比例低。

2) 光通信网络内部通信信号处理过程看不见、 摸不着, 通信业务开通配置过程复杂综合, 因此, 学生难以快速全面掌握通信业务开通的完整流程和配置方法。

3) 光通信网络具有低损耗、 宽带宽等优异传输特性, 诸如宽带接入应用场景的空间跨度大, 而实验室场地大小有限, 局端到用户端的各类设备集中堆放在实验台上, 因此, 学生难以建立实验室实训场景和通信工程应用场景之间的匹配映射关系。

2 无源光网络虚拟仿真实验设计

2.1 虚拟仿真实验规划设计

无源光网络虚拟仿真实验设计前期即以商用无源光网络设备为原型, 建立高逼真度的三维立体仿真模型, 不同于光通信仿真软件中的抽象化仿真模块, 从设备认知层面营造和实验室实训环境类似的虚拟仿真实验环境。无源光网络虚拟仿真实验平台中建立宽带远程接入服务器(BRAS: Broadband Remote Access Server)、 媒体网关控制器(MGC: Media Gateway Controller)、 光线路终端(OLT: Optical Line Terminal)、 单模光纤(SMF： Single Mode Fiber)、 光分路器(POS： Passive Optical Splitter)、 企业网关(MSG: Multi-Service Gateway)、 用户电话机(Phone)和用户计算机(PC: Personal Computer)等设备三维立体仿真模型, 其中光线路终端的虚拟仿真模型如图2所示。

图2 光线路终端的仿真模型

面向教学班规模的实验室实训教学无法保证每个学生的参与度, 而通过虚拟仿真实验形式可满足每个学生的全程参与需求。虚拟仿真实验中将复杂综合的通信业务开通过程流程化, 分解细化为网络拓扑设计搭建、 业务开通软件配置和业务开通测试验证等交互性操作实验步骤, 通信业务开通流程如图3所示。

图3 通信业务开通流程 图4 宽带接入应用实训场景

物联网、 云计算、 人工智能等新兴业务的迅猛发展对接入网络提出了更高的要求, 无源光网络系统因其大带宽、 低延时、 高可靠等优点而成为解决电信网络“最后一公里”瓶颈问题的最有效解决方案。实验室实训场景难以匹配映射大空间跨度的宽带接入应用场景, 虚拟仿真实验构建了端局机房、 室外光交接箱和写字楼内办公室典型工程应用场景, 宽带接入应用实训场景如图4所示。

2.2 网络拓扑设计搭建

某写字楼内办公室的通信需求主要为宽带上网和固定办公电话, 按照光纤到办公室(FTTO: Fiber To The Office)模式建设光纤接入网络, 采用一级分光方式, 规划设计如图5所示的2D网络拓扑图。在虚拟宽带接入应用实训场景中, 分别选择和端局机房、 室外光交接箱、 写字楼内办公室场景匹配的无源光网络设备, 连接各设备之间的物理端口, 完成3D网络拓扑搭建。

图5 通信业务开通网络拓扑

2.3 业务开通软件配置

进入如图6所示的企业网关管理界面, 软件配置内容如下： 1) 创建并设置数据子接口及其对应虚拟局域网(VLAN: Virtual Local Area Network), 数据子接口选择桥模式； 2) 创建并设置语音子接口及其对应VLAN, 语音子接口选择路由模式, 配置语音子接口的IP地址； 3) 语音协议选择H.248, 指定MGC的IP地址。

图6 企业网关的管理界面 图7 光线路终端的管理界面

进入如图7所示的光线路终端管理界面, 软件配置内容如下： 1) 分别创建承载数据业务和语音业务的VLAN； 2) 企业网关注册到光线路终端； 3) PON 1/1接口透传承载数据业务和语音业务的VLAN； 4) 承载数据业务的VLAN通过GE 1/1接口传输到BRAS； 5) 承载语音业务的VLAN通过GE 1/2接口传输到MGC。

配置媒体网关控制器的IP地址, 与企业网关语音子接口的IP地址设置在同一网段。

2.4 业务开通测试验证

用户计算机通过PPPoE(Point-to-Point Protocol over Ethernet)拨号上网测试数据业务开通情况, BRAS给验证通过的用户计算机分配IP地址, 用户计算机即可访问外部网络。通过固定办公电话之间相互通话测试语音业务开通情况, MGC给注册成功的两部电话分配号码, 两部电话即可相互拨打电话。

3 虚实结合的无源光网络实训教学实践

整个无源光网络实训教学过程分为“基础认知”、 “实训练习”和“实训考核”3个阶段, 考虑到实验室实训和虚拟仿真实训各有优势, 实验教学团队设计了如图8所示的虚实结合的实训教学模式。

图8 虚实结合的实训教学模式

基础认知阶段。全体学生首先到实验室现场观摩商用光通信网络设备, 建立对设备的整体感性认识。其次, 每个学生在虚拟仿真实验平台上对设备真三维立体模型进行旋转、 移动、 缩放等操作, 阅读设备对应的简介文字描述, 全面掌握设备的接口类型数量、 功能作用等细节。

实训练习阶段。学生首先在虚拟仿真实验平台上根据界面提示自主学习网络拓扑设计搭建、 业务开通软件配置、 业务开通测试验证等交互操作方法, 熟悉业务开通配置的完整流程。其次, 全体学生分组到实验室进行现场实训, 分工合作完成实验室场景下业务开通的实训任务, 提高现场故障分析排除的工程实践能力和团队合作能力。

实训考核阶段。学生在虚拟工程应用场景下完成业务开通实训任务, 软件自动记录学生实训全程数据并根据交互操作情况给出对应评分。面向过程的实训效果检验评价机制既能引导学生认知自我的实训收获与存在不足, 又能辅助教师在下一轮的教学实践中有的放矢地予以优化。

4 结 语

光通信实验教学体系满足了从基础性、 综合性到创新性的多层次实验教学需求, 无源光网络虚拟仿真实验的开发有效解决了全真式光通信网络实训教学面临的诸多问题。实验室实训和虚拟仿真实训优势互补, 虚实结合的实训教学模式有效提高了光通信网络实训教学质量, 教学满意度高。