基于MATLAB和VR工具的“移动通信网络”课程的实验教学设计

熊 磊,赵红霞

(江西科技学院,江西 南昌 330098)

0 引言

随着信息系统在许多领域迅速发展,这种变化的一个很好的例子就是工业4.0革命,从1G空白、2G跟随、3G突破、4G到5G领先,随着通信网络的发展,将人和人连接起来[1]。不管是简单的语音,还是后来的短信以及接下来的移动通信网络中数据所开发出来的各种各样的业务,给人们的生活带来了极大的便捷。我国通信抓住移动网络的发展机遇,在未来30年内伴随着通信和各种技术的碰触和创新,给世界带来万物万联的结果[1]。

基于此通信时代的背景,为使“移动通信网络”课程实验内容更加生动形象,运用虚拟现实(Virtual Reality, VR)工具与MATLAB仿真软件在实验项目环节中融合,使学生在实操中具有身临其境的体验感[2]。结合实验教学,教师围绕设计进行理论教学,促进学生从理性认识到感性认识再到理性认识的飞跃。

1 “移动通信网络”课程实验教学

1.1 实验内容

“移动通信网络”课程的目标之一为认知通信网络的架构。基站能够利用无线电波感知周边的环境、物体的形状和运动;核心网主要负责呼叫的接续、计费、移动性管理。基于此课程目标,教师在教学实验中发布车联网V2V仿真测试实验项目卡。此实验旨在通过搭建车联网移动通信系统的实验平台,探索车辆网移动中技术原理和实际应用[3-4]。学生们通过调试参数,将观察的车辆运行的方式、网络信号的强度、数据传输速率等通信指标记录下来并分析实验结果,了解移动通信的基本原理和技术。

此实验项目涉及车联网诸多方面因素。其中,车联网的无线资源分配是一个重要的原因,主要挑战是如何在移动的不同车辆之间分配可用的无线资源,根据车辆运行的速度、通信的数据、频谱资源的分配等信息来满足通信需求,达到优化网络性能。

1.2 实验工具

“移动通信网络”实验基础仿真软件为MATLAB,可通过MATLAB仿真对车联网络中的通信数据,网络的切换、移动等场景进行分析。MATLAB软件将通信中的科学计算进行简化,弱化不必要的证明和推导,强化如何应用知识解决问题。学生可通过MATLAB计算车辆运行中数据参数、信道的延时等信息并进行调试,从而为车联网分配无线资源。运用MATLAB将课程的理论知识应用到生活中的场景模型中,实践“做中学”的理念,从而提升教学效果[5]。

在实验教学中,学生对仿真的结果通常表示为运行成功即可,不明白参数调参过程中对应的车联网车辆运行的变化。基于此,因人工智能在新时代展现出前所未有的生命力且持续赋能教育变革,通过三维动画VR工具结合MATLAB的参数计算,给学生在虚构的车辆网场景中施加视觉感受[6]。此二者结合让“移动通信网络”课程中枯燥乏味的理论知识以生动有趣的方式在实验环节中呈现,促使学生们理解抽象通信传输的概念,同时培养学生思考和探究能力,激发学生对“移动通信网络”的好奇心。

2 实验教学案例设计方案

2.1 系统模型

由于移动性、快速部署等优势,车联网在移动通信中得到了广泛的应用。在讲解网络移动切换章节时,车辆网的研究重点之一为车辆运行中道路安全,如防碰撞功能。实验教学环节设计车联网通信作为一个实验项目,其系统模型如图1所示。

图1 车联网移动通信实验项目系统模型

车联网移动通信实验项目系统模型如图1所示。假设在任意时间t时刻,在十字路口单车道,两辆车的速度分别为vA和vB,为了保证交通流畅以及安全行驶,就要求车和车行驶之间要留有安全距离[1]。假设车与车之间的安全距离为Dsafe,对于防碰撞,要求后一辆车对于前一辆车的安全速度为:

(1)

其中,τ为时间间隙常量,则后一辆车的理想速度Videa为:

Videa(t)=min[Vsafe(t),Vmax,Vn(t)+Δt]

(2)

其中,Vsafe为最佳安全速度,Vmax为车辆限制的最大速度,Vn(t)+Δt为下一时刻的车速。则最佳位置为:dn(t+Δt)=dn(t)+Vn(t)·Δt。

2.2 利用MATLAB+VR工具搭建车联网通信系统

仿真对象选择车辆网模块,运用MATLAB软件的Simulink建立系统模型。结合实验项目卡中已知的车速、车道控制、天线信号及信号灯相关条件,使用MATLAB编写程序进行调试。在实验环节中,理论和实践相结合,教师边讲解网络通信概念,边让学生编程,通过MATLAB仿真的图片让学生掌握MATLAB工具的应用,同时在V-Realm Builder 2.0中编辑虚拟环境,根据MATLAB仿真计算所得到的参数实时展示车联网移动的3D模拟场景[7-8]。

图2(a)为MATLAB仿真车辆网中误报概率和检测概率,分析车辆在运行过程中速度和安全距离。结合3种情况,将得到的参数在V-Realm Builder 2.0中进行车辆展现。车辆控制的3D界面如图2(b)所示,根据实验已知车辆运行的轨迹和运行速度及通信网络传输数据等参数,调整参数进行安全距离判断,根据网络拥塞道路的情况[9-10],车辆之间在传输信息过程中是否能够可靠地传输。教师在课堂上向学生提问并设计小组讨论,结合实验仿真结果进行校验判断。

图2 车辆运行仿真

2.3 实验教学案例分析

学生需要在虚拟通信仿真环境中判断车辆运行结果和通信的质量,通过观察车辆运行的轨迹和不同资源分配情况进行分析。在实践环节中,学生能够熟练运用理论知识对不同情况进行总结,通过评分标准在成果展评中进行量化评估。同时,教师组织小组讨论,共同解决仿真环节当中出现的失败问题来提高学生团结合作意识和沟通协调能力。结果展示,基于MATLAB和VR工具在实验仿真设计中,两者的结合实现了在线控制实时展示的效果,学生根据动态的展示界面加深对“移动通信网络”的知识的理解和掌握。实操的过程既锻炼了学生的动手实践能力,也提升了学生的兴趣,提高了教学效果。

3 结语

在实验教学环节中,教师使用VR工具和MATLAB软件仿真,根据课程内容和教学目标使得授课知识具有针对性和紧密性。在实验环节中,学生根据已知的数据参数,结合系统模型,根据理论知识探讨不同移动通信场景中车辆运行通信的性能。合理配置相应的参数如:车速、信号的发射功率、距离等,结合3D图形直观显示车辆运行中存在的问题。在实验环节中,教师采用引导式和启发式的教学手段,组织学生小组讨论,必要时提供理论辅导和提示,帮助学生快速分析各种场景下车辆运行的不同结果。结合学生反馈的数据和问题归纳以及课中学生参与讨论、互评、成果展评中的情况,学生基本能够深刻理解课程知识点内容,能够对生活通信场景的一般现象进行评估。相比于纯理论实验的课程,学生互动的积极性得到了显著的提高。在设计型实验教学中,以实验能力为导向的虚拟通信基础仿真,结合生活中应用的场景,鼓励学生对自己的实验结果进行总结反思,锻炼学生的设计和数据分析能力,为之后就业夯实了基础。