虛擬仿真技術在高等職業教育LTE課程教學中的應用實踐研究

李海濤　賴敏　董莉

摘要：隨著三大運營商LTE的大規模部署和應用，國內各職業院校通信專業紛紛開設LTE課程。然而LTE設備在規模教學中存在種種不便。在高職院校中，虛擬仿真技術和實體設備配合使用，不僅提高了教學效率、質量，豐富了教學形式、內容，也使學生能夠在接近實際的工作場景中得到訓練。文章介紹了虛擬仿真技術在高等職業教育LTE課程教學中的一些研究和實踐。

關鍵詞：虛擬仿真；LTE；職業教育

1.研究的背景

工信部于2013年12月4日正式向三大運營商發放首批TD-LTE牌照，2014年2月27日向中國電信和中國聯通發放FDD-LTE牌照。我國通信行業進入4G時代。

三大運營商2016年12月公布了運營數據，中國移動4G用戶數達到5.35億戶，中國聯通1.046億戶，中國電信1.22億戶，中國4G用戶總數超過了5.5億。我國4G用戶數已突破7億大關。

隨著LTE網絡的發展，電信行業對LTE建設、維護、優化人才的需求一直增加。面對發展得4G，國內各高等職業院校紛紛開設LTE課程。

2.教學中為什么會增加虛擬仿真技術

職業教育以“培養生產、建設、服務和管理第一線高素質技能型專門人才”為目標，在真實的崗位環境學習和練習是職教學生掌握技能的最佳途徑。

由于LTE技術商用不久，實際設備價格高昂，并且需要專業人員維護；通常一般院校配備的eNodeB，EPC、承載網設備種類和數量都比較少，網絡不成規模，跟真正的電信網絡實際環境存在很大的差距。一般教學內容以無線網絡為主，無法滿足4G全網建設的教學要求，難以開展大型網絡的規劃、安裝、配置、測試等內容的實驗實訓，用真實設備安裝調試、參數設置的教學中，系統只允許一個操作賬戶加載數據，不能多人同時操作，教學效率比較低；而且真實設備規模很小，難以支持按照不同人口、規模的城市，對應不同網絡的規模、類型，對LTE網絡的無線網接入網、核心網、承載網進行網絡拓撲設計、容量規劃、機房配置、設備配置、數據配置、業務驗證等實驗實習教學內容，更無法進行多城市大規模復雜網絡的教學活動。虛擬仿真教學打破時空限制，具有靈活性。

4G移動通信理論知識繁雜、枯燥，學生往往缺乏學習興趣。模擬仿真系統呈現的場景貼近實際網絡和設備，內容和種類豐富，知識內容和實際操作相結合，具有直觀的形象，學習、實驗進程畫面精美，猶如網絡游戲，還可以進行組隊競賽，可以生成學習成績分數，容易激起學生的學習興趣。

3.虛擬仿真技術在LTE課程教學中的探索和實踐

職業教育強調貼近企業，貼近實際工作場景，LTE網絡的建設不僅涉及無線網絡，也涉及核心網、承載網，包括無線接入、交換、IP網絡、傳輸、光纖通信等內容。

在教學實踐中，人們在已有的LTE實驗室真實設備以外，按照虛實結合、能實不虛的原則，建設了LTE全網仿真實驗室，其中實際設備主要有NodeB包括RRU，BBU，天饋，核心網EPC包括統一移動接入控制網元（MME設備）、用戶數據網元（HSS設備）、融合分組網關網元（PGW，sGW設備）、服務器等設備。另外還有各網元之間的光纖及傳輸設備等承載網部分。虛擬仿真系統主要由軟件、終端及服務器等組成。

真實設備教學的時候，由于機房場地限制，設備已經安裝好，硬件安裝教學時，只能讓學生觀看，無法進行設備硬件安裝的操作；由于安全原因，也無法進行天饋的安裝操作；由于實際設備只能由一個賬戶設置、加載數據，因此不能讓學生同時進行數據調試和配置練習，教學效率低；另外，整個系統跨多個機房，學生不容易掌握整個網絡結構。而實際運行的網絡規模很大，結構復雜，有各種不同的構型和組合，實際設備并不能一一反映。

因此，需要虛擬仿真系統的補充，虛擬仿真系統可以提供各種設備的硬件結構安裝、天饋、線纜的安裝連接，能夠供所有學生同時進行數據配置和調試；能夠在實驗室每個學生同時進行網絡測試，能提供近乎真實的省級復雜網絡，按照城市規模、用戶數量、業務模型、設備規模反映各種不同結構和規模的網絡。

通過真實設備和虛擬仿真技術結合，整個教學系統包含LTE網絡建設、維護的全部環節和主要設備，以LTE建設、維護各個階段的內容為主線，劃為5個學習情境：網絡拓撲規劃、容量規劃、設備配置、數據配置、業務調測；每個學習情境包含若干個學習任務，以任務為導向，學習相應的知識點和技能點，在教學實踐中，充分利用真實設備和虛擬仿真系統，虛實結合，揚長避短。擺脫通信設備實操環境制約，快速掌握設備的組網、硬件結構、軟硬件工程安裝、開通調試等過程。通過建立一個以高仿真商用設備機房為背景的虛擬4G網絡，即包含無線接入、核心網、承載網，TD，FDD混合組網，省級規模自成體系的LTE仿真網絡，可以進行無線接入網、核心網、承載網的拓撲設計、容量規劃、設備選型、硬件配置、線纜連接、數據配置、開通調試、故障排查、實現業務驗證，涵蓋4G全網規劃、建設、維護各階段。

虛擬仿真技術的使用改變以往專業學習以縱向知識為主線，各個專業課程之間銜接不緊密，橫向知識難以融會貫通的弊病。例如：移動網絡的學習只涉及移動網絡的理論和實訓，光纖通信只涉及光纖通信理論和實訓，交換機技術只涉及交換機理論和實訓。

把不同專業知識按照工程項目串聯起來，以工程為主線，實現知識縱向、橫向銜接，把無線接入、核心網、IP網、光傳輸網知識在LTE建設中有機地關聯起來，以工程應用為目的，訓練學生的LTE網絡全局思維，建立全網全通的概念。

讓學生在學校就能掌握行業領先的全網全套移動通信技術。同時，促進教師融會貫通，移動、交換、傳輸知識，全面掌握LTE網絡全網拓撲規劃、容量規劃、設備配置、數據配置、業務驗證等專業技能，提高綜合能力。

通過一個多學期的教學實踐，不僅順利完成了LTE課程的教學任務，學生得到了接近實際電信網絡的訓練，取得了較好的學習效果，而且部分優秀學生在省級職業技能競賽中取得了優異的成績。

4.結語

虛擬仿真系統是當前職業教育改革的重要方向。教育部指出職業教育要“大力推動仿真、多媒體課件等數字化教學資源開發”“要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗”；并提出“遴選和開發1500套虛擬仿真實訓實驗系統”“創新仿真實訓資源應用模式，提高使用效益”。

虛擬仿真用于4G移動通信教學可以實現實際設備難以完成的教學內容，減小設備采購和維護成本，多人同時使用提高教學效率，避免危險性實踐內容，另外也可以提高學生的學習興趣，豐富教學形式和內容。

虛擬仿真系統的使用要以實際設備為基礎，實際設備上的操作技能和虛擬系統的學習互相補充，虛實結合，能實不虛，才能多快好省地達到職業教育工學結合的教學目的。