陳美娟，朱曉榮，何愛龍

無線通信技術迅猛發(fā)展,專業(yè)實驗室建設也必須與時俱進。原有的實驗項目在教學中發(fā)揮了重要作用,但是仍需要改進以反映技術的進步[1]；另外,隨著學生創(chuàng)新能力的增強,對專業(yè)實驗的需求日益增加,但是部分專業(yè)實驗項目的實施方法缺乏科學性。因此,隨著移動4G網絡的商用,南京郵電大學建設了TD-LTE移動通信實驗網絡,基于該設備,實驗室設計了虛實結合的實驗項目,同時對部分實驗項目采用了新穎的實施方法。

1 國內外實驗室建設研究現(xiàn)狀概述

長沙學院電子信息與電氣工程系基于現(xiàn)網設備建設了TD-LTE移動通信實驗室[2],目標是培訓學生對于LTE現(xiàn)網設備的安裝、開通能力和現(xiàn)場維護能力,重點是對設備的熟練使用。蘭州交通大學電子與信息工程學院建設了基于TD-LTE的移動通信實驗室,將該實驗室定位為網絡規(guī)劃平臺、性能優(yōu)化平臺、算法設計平臺、仿真平臺、開發(fā)測試平臺和協(xié)議標準研究平臺[3],重點是基于真實設備本端做實驗和測試等。該學校也建設了面向鐵路應用的TD-LTE實驗室,實現(xiàn)了鐵路調度通信、無線視頻監(jiān)控和旅客信息展示,也可以模擬鐵路沿線的無線路測和網絡優(yōu)化,主要側重于TD-LTE網絡的應用[4]。哈爾濱工程大學通信工程系建設了WCDAMA 3.5G實驗室,學生可以進行LTE業(yè)務配置、路由器配置等實驗,實驗室同時也作為企業(yè)的培訓基地[5],提高了設備的使用率。

文獻[6]針對北京郵電大學電子信息類專業(yè)特點,設計了遠程虛擬實驗平臺,涉及了模擬電子測量、數(shù)字電子測量、微波實驗和天線測試等。從調查問卷和學生成績來看,整個實驗水平和實驗效率都得到了提升。文獻[7]針對網絡工程專業(yè)學生,開發(fā)了基于B/S架構的遠程實驗室系統(tǒng),實現(xiàn)學生遠程對交換機和路由器等的數(shù)據(jù)配置。該系統(tǒng)只要學生在規(guī)定時間內通過校園網,即可登錄到該實驗系統(tǒng)進行網絡實驗訓練。

文獻[8]針對自動控制的遠程實驗室,介紹了其靈活性和配置架構。用戶客戶端采用Web界面接入實驗室；實驗室中可控的設備包括工業(yè)網絡路由器和可編程邏輯控制器。該文獻給出了一種B/S架構的虛實結合實驗平臺。文獻[9]提出了一種遠程實驗室模型,基于該模型,用戶可以在物理實驗室做實驗的同時使用在線實驗室做虛擬實驗。對各種用戶角色進行建模,并設計了用戶和遠端實驗室的交互過程。文獻[10]給出了遠程操作的實驗室內設備控制連接圖和客戶端的圖形用戶界面。通過該系統(tǒng),用戶可以控制實驗的組件、預約實驗,通過控制攝像頭觀察設備的實時運行狀態(tài)。該文獻對基于B/S架構的虛實結合實驗室設計和建設具有重要的參考價值。文獻[11]提出了虛擬現(xiàn)實在實驗室建設中的應用。

從以上國內外相關文獻可以看出,建設先進的移動通信系統(tǒng)實驗室是通信類專業(yè)院校的特點,而基于互聯(lián)網的在線實驗室是提高實驗效率和設備利用率的有效途徑,虛實結合實驗更能讓學生在深刻掌握理論知識的同時對物理設備有感性的認識。以上關于LTE實驗室的建設方案不具有在線實驗的功能,而國外的在線實驗室大多提供自動控制類實驗,并沒有涉及先進的移動通信網絡技術。因此,本文提出一種虛實結合的LTE實驗室建設方案,在此基礎上對實驗教學內容進行了設計,并對實驗教學方法提出了改進措施。

2 虛實結合TD-LTE實驗網絡建設方案

虛實結合TD-LTE實驗網絡采用中興通訊系列設備,網絡結構如圖1所示。圖中iEPC采用ZXTS-eTC500,綜合實現(xiàn)EPC的所有功能；eNodeB中的BBU(base band unit,基帶處理單元)采用ZXSDR B8200,RRU(radio remote unit,遠端射頻單元)采用R8968 S1800。MiFi(Mobile WiFi)為LTE/WiFi雙模上網終端；TE1是具有WiFi功能的電腦,并且具有通過校園網連接到Internet網絡的功能；TE2是連接到實驗室局域網的電腦；TE3是遠程終端,可以通過Internet訪問到TE1類的終端；LTE網絡的網管服務器和FTP服務器安裝在同一臺電腦上；圖中連接到LTE網絡以及Internet網絡上的交換機是三層交換機,連接電腦的可以是二層交換機。實驗室中的電腦均可以通過Internet網絡訪問遠程的LTE虛擬仿真平臺。

圖1 虛實結合TD-LTE實驗網絡結構

B8200配備了CC(control and clock board,控制與時鐘板)、一塊BP(baseband processing,基帶處理)和其他單板等。BBU與EPC之間采用以太網電接口連接,將CC單板上的ETH0接口通過網線連接至以太網交換機ZXTR10 3950,速率為100/1 000 Mb/s自適應。BP單板用于實現(xiàn)基帶處理,一塊單板可以支持一個8天線小區(qū),小區(qū)帶寬為20 MHz。BBU與RRU之間采用光纖接口連接,將BP單板上TX0/RX0接口通過一對光纖連接至RRU設備。

R8968 S1800是中興通信緊湊型射頻遠端單元,提供 8個通道 (8×12W),支持 MIMO＆BF(beam forming,波束成形),支持多頻段 (1.9G/2.0G/2.6G)。實驗室中的RRU使用了兩個通道,分別經過衰減器ATS100-40-3-1.3連接至兩根小型天線TQL-1800A。

eTC500提供完整的 EPC功能,包括 MME、SGW、PGW和HSS,為小型實驗LTE網絡提供小型化、單機框的解決方案。eTC500對外連接eNodeB和PDN(packet date network,分組數(shù)據(jù)網絡),機框中包括了 PPBX0、PPBB0等單板。PPBB0主要完成EPC系統(tǒng)的控制、維護和網管協(xié)議處理等功能,后面板有兩個接口通過網線連接至以ZXR10 3950智能路由交換機3950,實現(xiàn)與eNodeB(BBU)的連接。PPBX0提供網管服務器功能,提供EPC的日常維護和管理功能,后面板有一個接口通過網線連接至以太網交換機3950,實現(xiàn)與網管服務器平臺的連接。

實驗網絡中的業(yè)務服務器是一臺FTP(filetransfer protocol,文件傳輸協(xié)議)服務器。采用一臺lenovo ThinkPad筆記本電腦做為綜合服務器平臺,其中安裝了eNodeB網管平臺服務器端軟件和FTP服務器端軟件FileZilla server,也安裝了eNodeB網管平臺客戶端軟件和FileZilla的客戶端軟件。這臺筆記本電腦通過網線連接至三層交換機ZXR103950,因而可以對TD-LTE網絡的無線接入網與核心網EPC進行訪問。

兩個三層交換機互連,實現(xiàn)了學生用電腦與(圖中TE2類型終端)TD-LTE網管平臺的互聯(lián),進行相關的上機操作實驗。圖1中的TE1類型終端是筆記本電腦,TE1通過TD-LTE數(shù)據(jù)終端MiFi使用TD-LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務。TE1類型的終端安裝了遠程控制軟件teamviewer,因此,通過遠程終端TE3可以操作TE1,實現(xiàn)了LTE實驗室資源的遠程共享。實驗室中的電腦均可以在線使用遠程的LTE虛擬實驗室,做到了物理環(huán)境和虛擬環(huán)境相結合。

3 實驗教學內容

TD-LTE移動通信實驗室目前為移動通信相關課程提供專業(yè)實驗環(huán)境與平臺,是全校相關專業(yè)本科生認識實習和生產實習的基地,承擔了通信工程專業(yè)學生的課程設計,是本科生和研究生的科研平臺。

實踐項目可以分為3大類：第一類是本地基于TD-LTE設備的實踐項目；第二類是遠程基于TDLTE的實踐項目；第三類是本地在線虛擬TD-LTE實踐項目。第一類實驗項目需要在實驗室進行,學生使用的終端為圖1中的TE1和TE2類型,提供的實驗項目如表1所示。第二類實驗不需要在實驗室進行,實驗者通過網絡遠程做實驗。這類實驗項目需要在TE1類終端中安裝遠程控制軟件,遠程終端通過網絡操作TE1類終端,從而進行表1中的全部實驗。第三類實驗是基于中興通信IUV-LTE仿真平臺的實驗,不限于在實驗室進行,能夠登陸Internet的終端均可做該類實驗,該類實驗項目設計如表2所示。

4 實驗教學方法

根據(jù)上述實驗項目在教學實施過程中存在的問題,實驗室對部分實驗教學方法進行了改進。

表1 TD-LTE實驗項目——基于TD-LTE設備

表2 LTE虛擬仿真實驗項目

表2 (續(xù)表)

4.1 TD-LTE實驗網絡結構認知實驗實施方法

認知型實驗常規(guī)做法是老師現(xiàn)場介紹,學生聽。這種方法的優(yōu)點是師生及時互動,缺點就是當有大批學生來認知時,老師要不斷重復講解同樣的內容,勞動強度大,影響教學效果。針對這個缺點,在TD-LTE實驗網絡結構認知實驗中采用了音頻教學的方法,即老師事先錄制講解內容,實驗時進行播放。

改進后方法的優(yōu)點有：1)減輕了老師勞動強度,老師不必再重復介紹相同的內容；2)講解內容更詳細全面,因為是事先錄制,老師可以對介紹內容做充分的準備。3)老師講解聲音更清楚,老師可以對語音進行訓練,得到較好的語音效果,而音響設備可以根據(jù)需要調節(jié)；4)可以暫停播放進行互動。這種方法已使用在大二學生的認識實習中,效果很好,實驗質量和效率均得到了提高。

遠程做這項實驗時,需要制作多媒體課件,將網絡的拓撲結構圖 (PPT文件或圖片)與老師的講解結合起來,制作為多媒體課件,使學生通過遠程也能夠了解這個TD-LTE實驗室的網絡結構。

4.2 TD-LTE實驗網絡硬件認知實驗實施方法

對實驗設備的認知實驗,通常是老師將學生帶領到機房進行講解。這種方法的優(yōu)點是學生對設備直觀認識效果好；缺點是因為學生人數(shù)多以及(或者)設備運行噪音大,影響了聽覺效果。針對存在的缺點,我們采取了虛實結合的硬件認識法,首先是學生通過視頻了解設備,然后有需要的同學可進入機房進行直觀認知。

視頻教學有3種實施方法。1)視頻教學效果最好的方法,是將設備的圖片文件、設備運行時拍攝的視頻文件和老師講解的音頻文件合成為一個視頻文件。因為需要視頻制作技術,因此有難度[12]。2)易實現(xiàn)的視頻教學方法,將圖片和視頻插入到PPT文件中,老師講解這個PPT文件即可。3)最省事的方法,在錄制設備運行的過程中老師同時進行講解,因此錄制好的就是多媒體文件。這種方法的缺點是如果設備是在工作的,就會有噪音。

4.3 TD-LTE網管平臺操作實驗實施方法

操作類實驗常規(guī)做法是老師對基本的操作過程進行演示,然后學生在自己的電腦上進行更廣泛的操作練習。這種方法的缺點是：老師講過的操作過程,學生在操作時還是存在問題,于是老師得將同樣的問題解釋多遍。為了提高簡單操作類實驗的質量,我們采用了視頻實驗教學的方法。與4.2節(jié)不同的是,現(xiàn)在是把老師在網管平臺的操作過程和講解內容錄制成視頻。實現(xiàn)的方法是采用 “錄屏軟件”[13-14],例如Camtasia Studio、KK錄像機、屏幕錄像專家等,這些軟件提供了電腦屏幕和語音錄制功能,操作簡單。老師首先播放這個視頻,期間可以互動。這些視頻文件復制到學生的電腦中,后期當學生在TE2類終端上操作有問題時可以自行播放該視頻。這樣可以大大節(jié)省老師逐一輔導學生的時間,提高了實驗質量。

4.4 TD-LTE信令流程分析

這項實驗學生在TE2類終端上操作,可以在無線接入網網管客戶端和核心網客戶端進行信令跟蹤。無線接入網網管客戶端ZXSDR OMMB可以進行的信令跟蹤任務包括：UE級小區(qū)信令、小區(qū)信令、IMS(IP multimedia subsystem,IP多媒體子系統(tǒng))信令、TMSI(temporary mobile subscriber Identity,臨時移動用戶識別碼)信令。核心網EPC本地維護終端可以進行的信令跟蹤任務包括：Diameter(直徑)鏈路信令跟蹤、用戶信令跟蹤和SCTP(stream control transmission protocol,流控制傳輸協(xié)議)信令跟蹤?？梢愿櫍?)MiFi終端開/關機流程,分析TD-LTE的雙向鑒權過程和信令加密過程,分析不同接口上傳遞的消息；2)用戶使用FTP業(yè)務的信令流程,分析不同接口上傳遞的消息。

4.5 TD-LTE數(shù)據(jù)業(yè)務性能分析

這個實驗學生使用TE1終端,也就是具有無線上網功能的電腦,并且需要安裝FTP客戶端軟件FileZilla[15]。MiFi是已插入 TD-LTE實驗網絡USIM卡的數(shù)據(jù)終端,它是支持802.11n和TDLTE的雙模數(shù)據(jù)卡。開啟MiFi數(shù)據(jù)卡以后,學生電腦搜索無線網絡MiFi并連接,然后在電腦上執(zhí)行FTP上傳和下載操作,通過多個文件的操作,計算LTE上/下行的速率與文件大小之間的關系。進一步分析連接到同一個MiFi網絡上的TE1終端數(shù)量對網絡性能的影響,以及連接到同一個MiFi上終端的業(yè)務總量對網絡性能的影響。這項實驗需要在FTP服務器上將學生使用的FTP用戶名權限設置為可讀、可寫。

5 實驗效果分析

TD-LTE實驗室開始提供的實驗項目大多是認知類型的,包括實驗室網絡拓撲結構、TD-LTE網絡設備認知；對系統(tǒng)的操作方面主要是對網管平臺的認知、登錄網管平臺查詢設備中配置的數(shù)據(jù)；應用類是FTP業(yè)務的速率觀察等。升級為虛實結合實驗室后,實驗內容更豐富。一方面,通過LTE仿真實驗平臺,學生可以進行LTE網絡所有設備和IP承載網絡設備的硬件設備配置、數(shù)據(jù)配置,并且可以對自己配置的數(shù)據(jù)進行驗證。另一方面,用戶通過互聯(lián)網,也可以遠程訪問實驗室,完成和實驗室現(xiàn)場一樣的操作。

仿真實驗從上學期開設到現(xiàn)在,先后承擔了本科生的生產實習、課程設計和研究生的實驗課程。生產實習為期2周,第1周主要是理論學習,第2周是上機操作,是連續(xù)學習。課程設計為期2周,學生每天有半天在實驗室的上機操作時間；課程設計開設在大四階段,學生雖然結束了其他課程,但是因為考研復習和找工作等原因,不能保證他們在其他時間來做實驗。研究生的實驗課程歷時4周,總共8課時；本實驗課程為研一學生開設,他們有其他課程還有研究課題,因此做實驗的時間主要在上課的8個課時。

圖2是年對以上3類學生在7個方面做的調查分析,依次是：是否對仿真實驗感興趣；是否有助于理解LTE網絡工作原理；是否有助于理解OTN(optical transport network,光傳輸網絡)工作原理；是否有助于理解路由技術；實驗中與同學的合作/交流程度是否頻繁；與真實實驗相比仿真實驗的效率是否很高；與真實實驗相比是否更愿意選擇仿真實驗。

圖2 仿真實驗調查分析

從數(shù)據(jù)分析結果可以看出,生產實習的同學對仿真實驗非常感興趣,對他們學習路由技術非常有幫助,在實驗中他們的交流非常多,實驗效率很高,但是其認為該系統(tǒng)對理解LTE的工作原理幫助不是非常大,更愿意做真實實驗。課程設計的同學各方面的評價比較均衡,大部分同學對仿真實驗非常感興趣,認為非常有幫助和有一定幫助的各占一半,同學之間的交流比較多,實驗效率相對較高,認為仿真實驗和真實實驗均可以接受。對于研究生實驗課程的同學來說,有較多的人對仿真實驗非常感興趣,認為該實驗有助于理解LTE系統(tǒng),不認為該實驗對理解OTN和路由技術非常有幫助,實驗中他們的交流較多,但是認為自己做該實驗的效率很低,大多數(shù)沒有非常強烈的愿望選擇做該實驗。

從分析結果可以看出,基本相同的實驗內容,不同的學生的收獲不同?？傮w來看,集中實驗比分散實驗的效果要好,課時多的情況下學生的收獲更多。因此,該分析結果也指出了今后工作的改進方向,對于生產實習來說,真實實驗和仿真實驗相結合的效果最好,因為時間充裕；對于課程設計來說,一份比較詳細的實驗指導書比較好,因為他們需要高效和靈活地利用時間；對于研究生實驗課程來說,應該集中安排實驗時間,提高實驗效率。

6 結束語

在無線通信技術迅速發(fā)展的今天,人們對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求出現(xiàn)了爆炸式增長。為配合學生學習和實踐4G的TD-LTE技術,我們采用中興通信設備和IUV LTE仿真軟件建設了TD-LTE虛實結合實驗室,設計了多種類型的真實實驗和仿真實驗。在課時允許的情況下,學生可以同時進行真實實驗和仿真實驗。實驗室下一階段建設的重點在虛實結合實驗方面,思想是使得實驗室中更多的物理設備能夠通過遠程來控制,增強遠程實驗的真實感和為實驗者提供更多的操作設備的機會。

[1]陳美娟,張穎,楊國民.《交換技術》課程研究性實踐教學探索[J].實驗科學與技術,2014,12(5)：180-184.

[2]劉光燦,萬家波,陳威兵,等.基于現(xiàn)網設備的TDˉLTE 4G移動通信實驗教學系統(tǒng)構建[J].實驗技術與管理,2015,32(10)：74-79.

[3]許瓊,周冬梅.新一代無線移動通信網絡實驗室總體框架設計——基于TD-LTE技術的應用[J].科技管理研究,2015,334(12)：95-100.

[4]謝健驪,李翠然.面向鐵路應用的TD-LTE實驗室建設探討[J].實驗室科學,2015,18(6)：79-81.

[5]王鋼,倪潔.3G實驗教學示范中心建設的研究與實踐——哈工大通信工程系建設WCDAMA3.5G實驗室項目成果展示[J].網絡與信息工程,2016(1)：44-45.

[6]趙同剛,申仲艦.電子信息類虛擬遠程實驗室建設的探索——以北京郵電大學為例[J].中國遠程教育,2015(11)：51-58.

[7]容振邦,趙鐵柱,徐沛.基于J2EE的銳捷網絡工程遠程實驗室設計[J].實驗科學與技術,2016,14(1)：58-62.

[8]KALUZ M,GARCAZUBA J,FIKAR M,et al.A Flexible and configurable architecture for automatic control remote laboratories[J].IEEE Transactions on Learning Technologies,2015,8(3)：299-310.

[9]FELIPE L,RIVERA Z,MARIA M,et al.Models of remote laboratories and collaborative roles for learning environments[C]//2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation(REV),UNED.Madrid,Spain： IEEE Xplore, 2016(2)：423-429.

[10]TENGM,NEDICZ,NAFALSKI A.Students'perception of remote laboratories-case study：NetLab[C]//2016 IEEE Global Engineering Education Conference(EDUCON) .Abu Dhabi： IEEE Xplore,2016(4)：568-575.

[11]CALLAGHA M J.EGUILUZ G.Opportunities and challenges in virtual reality for remote and virtual laboratories[C]//2015 12th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation(REV).Bangkok,Thailand： IEEE Xplore,2015(2)： 235-237.

[12]龍飛.會聲會影X5從入門到精通[M].北京：清華大學出版社,2012.

[13]郭永剛,于曉荷,孫昱.利用PPT與Camtasia Studio開發(fā)錄屏型微課[J].信息與電腦,2015(22)：171-172.

[14]傅蘭芳.錄屏軟件Camtasia Studio進階技能[J].中學物理,2015,33(18)：70-72.

[15]陳慧民.應用開源軟件FileZilla Server架設FTP服務器[J].中國網絡教育,2011(7)：76-77.