基于沙盤模擬的無線自組網教學方式探討

馬驍+楊秋菊

[摘 要]分布式無線自組織網絡是一種沒有預定基礎設施支撐的、可重構的多跳無線自組織網絡。根據“無線自組網”教學中網絡結構多變、網絡協議難以理解等特點，結合教學過程中遇到的學生因不理解、學不懂等因素導致的學習主動性和積極性下降等實際情況，應該將ERP沙盤模擬教學方法引入無線自組網課堂教學中，通過引導學生模擬網絡行為，加強課堂互動、啟發學生自主演進網絡協議，從而解決自組網教學中的多個難題，這樣能有效改善教學效果，提高學生的學習興趣。

[關鍵詞]沙盤模擬；分布式無線自組網；教學方法

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）07-0114-03

一、引言

分布式無線自組織網絡（簡稱無線自組網）是一種沒有預定基礎設施支撐的、可重構的多跳無線自組織網絡。[1]經過數十年的發展，無線自組網經歷了從軍用向民用、從基礎研究向商業化應用的革命性轉變。目前，無線自組網已發展成為新一代無線通信網絡中不可或缺的重要組成部分，可廣泛地應用于軍事國防、近域互聯、智慧無線城市、寬帶無線校園等領域的建設中[2]，為物聯網、泛在網的蓬勃發展提供了堅實的基礎和重要的技術載體。

雖然無線自組網具有廣泛的應用前景，但是由于該網絡本身具備的靈活性和分布式特性導致了網絡狀態呈現出復雜性和不確定性。此外，與蜂窩網、WiFi網等常見的無線網絡相比，無線自組網準組織[3] [4]尚未對涉及的協議進行統一的標準化，這些原因導致無線自組網的教學，尤其是針對網絡協議的講授變得十分困難。

目前，針對無線自組網的輔助科學工具主要可分為三大類，即網絡仿真軟件系統、試驗驗證平臺以及實驗測試評估儀器。其中試驗驗證平臺和實驗測試評估儀器通常體積較大，不適用于課堂教學演示。而對網絡仿真軟件，國際上主流的網絡仿真軟件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。這類仿真軟件雖然有可視化的界面以及協議運行過程中的輔助動畫顯示，但還僅限于協議開發者對與協議正確性和有效性的驗證，不適用于課堂教學。因為這類仿真軟件通常仿真時間較長，協議開發的周期也較長，無法在課堂上實現。

此外，這類仿真軟件雖然能夠模擬網絡的形態及協議的工作過程，但依然較為抽象，在幫助學生理解無線自組網方面功能十分有限。因此，有必要探索一種課堂上可操作的形象的教學方法，幫助學生理解無線自組網網絡形態和協議工作機理。

二、ERP沙盤模擬課程簡介

沙盤最早出現于軍事訓練中，早期沙盤由于制作相對復雜，并沒有得到廣泛的應用。后來，隨著電子計算機的不斷發展，出現了以計算機軟件代替真實沙盤的模擬沙盤新技術。這一技術不但為指揮作戰提供了新的手段，而且促進了模擬沙盤向各行各業的推廣。[5]特別是企業資源規劃（Enterprise Resource Planning）沙盤（簡稱ERP沙盤）的引入，為現代企業經營與管理技術的發展和相關人才的培養提供了有效的工具。[6]

瑞典皇家工學院的克拉斯梅蘭（Klas Mella）于20世紀70年代末首次將ERP沙盤引入教學活動中。[7]此后，ERP沙盤作為一種體驗式互動教學方法，在諸多領域的教學中，尤其是在一些較為復雜和抽象的學科中得到了廣泛的應用。[8]

三、ERP沙盤模擬無線自組網教學的主要內容

通過ERP沙盤教學，主要是以學生自己為主體模擬無線節點，讓學生實際參與和體驗無線網絡協議制定的必要性和重要性。這一方面能提高學生的學習興趣，另一方面也能使學生了解無線網絡在傳輸時的特性與存在的問題。在無線自組網協議中，以多址協議和路由協議最為復雜和抽象，本文下面將主要說明ERP沙盤模擬在這兩種協議教學中的應用。

（一）基于ERP沙盤模擬的多址協議教學設計

多址協議主要解決多個用戶共享同一信道的問題。與集中式網絡不同，分布式網絡的多址技術主要以隨機多址技術為主，由于存在多跳無線鏈路，所以在教學中除了講授隨機多址技術的原理及工作機制外，更重要的是要求學生理解和掌握包括暴露終端、隱藏終端和兩跳外資源復用等無線分布式網絡獨特的性質。下面針對ERP沙盤模擬在多址技術輔助教學中的應用進行闡述。

1.整體思路

通過ERP沙盤模擬教學，讓學生模擬無線自組網節點，體驗無線自組網網絡建立過程及多址協議的工作機制和必要性。根據模擬通信過程中遇到的問題，引導學生對產生的問題進行分析和改進。通過學生親身體驗和主動發現問題，提高學生的學習興趣，讓學生加深對多址協議的理解，掌握多址協議設計和改進的精髓，了解協議運行過程中可能遇到的問題及分析思路與解決方法，為后續對協議進行理解分析奠定良好的基礎。

2.多址協議模擬場景設定

在多址協議的教學中，重點和難點是信道接入、暴露終端、隱藏終端和兩跳外復用問題。為更好地模擬這些問題，需要合理的設計網絡拓撲結構，從而在學生易于模擬的同時，盡可能的暴露出多址協議的缺陷。為達到這一目的，本文設計的模擬場景如圖1所示。圖1中方框和圓分別代表自組網中正常傳輸節點和碰撞節點，均由學生模擬扮演。每個學生配備兩種道具：一個是申請傳輸標志，表示有消息要傳輸，此時該學生表示占用信道；另一個是長短不同的模擬消息，當學生申請占用信道后即開始傳輸消息。

3.模擬流程及主要內容

將學生分為兩組，一組模擬正常傳輸節點，一組模擬干擾碰撞節點（這里需要給學生說明兩種節點本質上都是自組網的正常節點，只是在研究多址協議時從功能上進行了區分，并且角色可以互換）。

首先令兩個模擬傳輸節點的學生和一個模擬干擾節點的學生進行傳輸模擬，使用ALOHA協議，每個學生隨機進行發送，即想發送時直接舉起申請傳輸標志，并立刻開始傳輸消息。教師作為傳輸成功判決者，如果在整個傳輸過程中干擾節點的學生沒有舉起傳輸標志，則判定傳輸成功，否則判定失敗，并記錄傳輸時延。

然后逐漸增加傳輸學生和干擾學生的數量，但依然采用隨機發送。此時可以讓學生發現碰撞的情況明顯增加，當傳輸或干擾學生達到一定數量后，所有節點幾乎都無法完成傳輸。記錄隨學生數量增加時傳輸成功率的變化情況。

解釋純ALOHA協議在用戶數量增加時性能顯著下降這一現象，引導學生發現性能下降的根本原因，并提出改進思路，在模擬網絡中實驗學生自主提出的改進策略，并將學生的改進策略逐漸引導向CSMA協議。

增加三跳鏈路，通過指揮學生進行傳輸，制造隱藏終端和暴露終端的出現。引入RTS和CTS機制，在重復上述傳輸過程，解釋隱藏終端和暴露終端問題是如何通過RTS＼CTS機制解決的。介紹WiFi的競爭原理，啟發學生尋找增加占用信道概率的算法，并在模擬網絡中進行實驗。

（二）基于ERP沙盤模擬的路由協議教學設計

為加深學生對無線自組網分布式、無中心、自組織等特點的理解，在路由協議的教學中，除了介紹基本的泛洪、最短路徑和最短鏈路長度等路由算法外，還需要著重給學生講解節點遲入網、節點移動和規模等的變化對路由算法的影響。

1.整體思路

通過引入ERP沙盤模擬教學，讓學生體會無線自組網靈活的網絡結構和組網方式，掌握多跳路由的設計目標和注意事項，分析網絡規模和協議開銷的關系，解釋遲入網策略的必要性。通過學生親身體驗，提高學生的學習興趣，加深學生對知識的理解。

2.網絡協議模擬場景設定

與多址相比，網絡層路由協議的難點是網絡規模、節點個數和拓撲結構的不確定性，要實現網絡全方位的模擬，需要尋找一種規模和拓撲都容易變化的網絡結構，還要能夠模擬分簇和組移動等自組網特有的網絡特點。對比多種不同的拓撲結構后，如圖2所示的小世界網絡模型可以在很大程度上滿足上述要求。

3.模擬流程及主要內容

安排學生按照P=0的小世界模型設計相對連接關系，每個學生除模擬多址協議時使用的道具外還需要準備一個記錄路由表的小冊子和用來模擬路由信息廣播的便箋紙。首先解釋泛洪路由的工作機制，讓較少的學生模擬開機，模擬泛洪路由實現信息的傳遞，教師負責記錄路由時間和開銷。逐漸增加入網學生的數量，仍然使用泛洪路由算法，引導學生發現網絡整體吞吐量迅速下降，幾乎沒有數據能夠正確傳輸。

啟發學生發現問題，分析引發這一問題的原因，進一步提出從泛洪路由向主動式路由的改進。解釋主動式路由算法的路由維護和更新策略，指導學生進行路由表的更新和路由信息的廣播。以此加深學生對路由信息迭代算法的認識和理解。與泛洪路由算法相比，主動式路由在尋址時間、路由效率和網絡吞吐量等方面均有更好的性能。

進一步增加進入網絡學生的數量，并將部分學生的連接關系改為P>0，這時會發現，網絡資源幾乎都被遲入網信息和路由維護開銷占據，業務信息反而無法被有效的傳輸。此時，啟發學生對主動式路由算法的思考，提出降低路由維護開銷的策略，引導學生發現被動式路由算法，并對被動式路由算法進行模擬。最終向學生講授將主動和被動路由相結合的區域路由算法。

4.思考與總結

為保證教學活動達到良好的效果，在進行ERP沙盤模擬教學之前，應先就相應的知識對學生進行適當的講解。在教學過程中，教師應當作為整個網絡和規則的隱形管理者，負責組織學生按照網絡節點的方式進行模擬工作，在必要的時候引導和啟發學生進行相應的思考。

在無線自組網教學中，合理的引入ERP沙盤模擬，能夠有效幫助學生理解無線自組網的組成形態及協議的工作機制。在模擬網絡運行的過程中，教師可以將協議的演進過程融進網絡模擬的變化中，引導學生自主發現協議中存在的問題，并啟發學生對算法進行改進。通過學生親身體驗，加強學生的主動學習能力，加深學生對知識的理解和記憶，這同時也能提高學生的學習興趣。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Ramanathan R， Redi J. A brief overview of ad hoc networks： challenges and directions[J].IEEE communications Magazine，2002，40（5）：20-22.

[2] Corson，M.S.， Laroia， R.Junyi Li， Park，V.，Richardson，T.，and Tsirtsis，G.，“Toward proximity-aware internetworking ”[J].IEEE Wireless Communications，vol.17，no.6，pp.26-33，Dec2010.

[3] Lidong Zhou，Haas Z.J.，“Securing ad hoc networks”[J].IEEE Network，vol.13，no.6，pp.24-30，Nov / Dec 1999.

[4] Stefaan Seys and Bart Preneel，“ARM： anonymous routing protocol for mobile ad hoc networks”[J].International Journal of Wireless and Mobile Computing， vol.3，no.4，pp145-155，2009.

[5] 宋玉濤，馬麗瑩.ERP沙盤模擬課程功能及存在問題探討[J].實驗科學與技術，2008（5）：116-118.

[6] 張前.ERP沙盤模擬對抗中的市場博弈[J].實驗室研究與探索，2014（8）：258-261.

[7] 王瀅，徐鳳，周喆.ERP沙盤實踐課程的定位、目標和教學設計解析[J].實驗技術與管理，2013（4）：120-123.

[8] 陳朝暉.ERP沙盤模擬對抗教學方式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（1）：173.

[責任編輯：陳 明]