無線網絡實驗教學中MATLAB和OPNET協同仿真策略研究

魯凌云+王移芝+陳婭婷

摘 要：無線網絡的內容在計算機網絡課程中占據著重要位置。為了有效地幫助學生學習無線網絡的性能及相關概念，提出使用Matlab和OPNET協同仿真策略講授“抽象、難懂和枯燥”的通信原理，具體闡述多網融合仿真環境的設計過程，最后說明教學效果。

關鍵詞：計算機網絡實驗；OPNET；協同仿真

文章編號：1672-5913（2017）07-0061-04

中圖分類號：G642

1 背 景

古往今來，教學在我國都被看做以教師為主體的“傳道、授業、解惑”過程。薪火相傳，不知其盡也，但在信息多元化的今天，學生不再是被教師耳提面命“必須聽我的”“只能照我的做”的被動接受知識的“容器”。教學過程中，教師應注意遵循教學規律，大膽探索，勇于實踐，調動一切現代教學手段，努力把看似枯燥的理論知識講得生動活潑，以獨到的見解和道理征服人，千方百計地培養學生的學習興趣和好奇心，進而使學生能夠應用知識解決問題，提高創新和實踐能力。

計算機網絡是一門計算機專業學生的重要專業課，存在內容多、學時少、學科進步快等矛盾。近年來，隨著無線通信技術的發展以及Internet應用、PDA（personal data assistant）等移動智能終端應用的日益增長，無線網絡的地位在計算機網絡的教學過程中越來越重要[1]。為使計算機網絡資源得到合理利用，當前用戶使用無線局域網接入Internet與服務器通信成為主要趨勢（如圖1所示），因此，教學中加強對無線網絡算法的研究尤為重要。我們在教學過程中采用Matlab和OPNET兩種通信仿真軟件相結合的方式，對無線網絡的算法及模型進行模擬，這種“協同仿真”環境更加接近實際情況，獲得的數據具有一定的可靠性，也令學生更容易將抽象的理論轉變成具體形象的知識。

2 多網融合仿真環境的設計

OPNET仿真軟件本身對物理層仿真的能力較弱，在本教學設計方案中，30人的班級分為6組，教師可讓學生利用Matlab對無線網絡的物理層算法進行仿真[2]。例如，一個4根發射天線和4根接收天線的經典迫零解碼算法的性能仿真結果，如圖2所示。其中，橫軸為信噪比SNR（dB），縱軸為解碼誤比特率BER[3]。在OPNET仿真中，需要將實際中支持多天線的基站設定為等效的多個基站，如圖3所示。

圖中顯示了一個4×4 的多用戶仿真配置環境，可以看到左圖中顯示的邏輯基站等價于4個實體基站，它們和4個移動終端組成一個4×4的空間信道，然后通過無線接入設備與Internet互連。在三網融合的教學過程中，教師可以參考3GPP文檔30.03的建議，將系統級仿真場景分為Marco、Mirco和Pico 3種[4-5]。教師在教學過程中，可以把3種場景的仿真參數提供給學生，見表1。

2.1 Macro仿真場景

在實際教學過程中，一組學生設計的Macro仿真場景如圖4所示，仿真場景為正六邊形蜂窩形，基站位于蜂窩中心，默認小區半徑為1km。4個移動端在仿真區域內，學生可以通過手工隨機放置。仿真參數見表1。

2.2 Micro仿真場景

在實際教學過程中，一組學生設計的Micro仿真場景如圖5所示。仿真場景模擬曼哈頓街區模型，街區面積0.8 km2，建筑物規格為200 m×200 m，街道寬度為30 m。基站天線高度為15～20 m，低于平均屋頂高度，與終端天線的高度差為10 m。仿真參數見表1。

2.3 Pico仿真場景

在實際教學過程中，一組學生設計的Pico仿真場景如圖6所示。仿真場景是辦公樓模型，共有3層，每層的面積為5 000 km2，層高3 m，房間的尺寸為10 m×10 m，走廊的尺寸為100 m×5 m。仿真參數見表1。

3 移動模型的協同仿真結果

在實際教學中，我們在無線網絡模型的物理層引入Matlab外部運算模塊，在仿真環境中安裝Matlab編譯器運行的MCR環境，在同一目錄下運行MCR安裝程序“MCRInstaller.exe”。完成MCR安裝后，教師可以指導學生為其設置系統環境變量，指導學生研究OPNET中無線系統發射機和接收機的多管道模型，其中，每個管道模型階段都由C/C++語言實現，負責不同的計算任務，也可以根據用戶需求修改。大學三年級的計算機專業學生已經對C/C++語言比較熟悉，根據實驗指導書，每組學生基本可以獨立完成。一個管道模型的實例如圖7所示。

學生要調用Matlab仿真的算法函數，需要修改OPNET中的Pipeline管道模型。例如，一組學生對應的Matlab生成的函數為“MIMO_4x4_BER”，那么對應修改OPNET的“wrls_ber.ps.c”管道模型文件，需要設置的管道函數為“modulation_table = op_tbl_modulation_get（"MIMO_4x4_BER"）”。由于需要兼顧Marco、Mirco和Pico 3種移動模式，因此在指導學生實驗時，建議采用“根進程—子進程”的開放式結構，能夠允許用戶靈活地選擇和配置移動模式。

為學生布置的實驗任務是在3km/h的條件下Macro環境、Mirco環境和Pico環境中網絡吞吐量的性能情況。學生根據管道設置模型導入的Matlab算法，即可得網絡吞吐量（縱軸）隨系統負載（橫軸）的變化趨勢。例如，如圖8所示，吞吐量基本上隨負載線性變化，這說明無線網絡中多用戶在Macro步行環境中能夠很好地將負載轉化為吞吐量進行傳輸；值得注意的是當負載增加到1 000 Kbps時，網絡吞吐量出現了低于負載的情況。這時候，教師可以引導學生分析此現象，將“網絡擁塞”的概念和解決擁塞的技術引入，從而達到激發學生自主學習的目的。

在學生學習這部分知識的過程中，教師的教學方法起主要引導作用，要求教師“教學任務明了，實驗引導精當，方法選擇得當，手段運用先進，課堂互動有序”。

4 效果評價與分析

實際的計算機網絡教學中，我們嘗試采用Matlab和OPNET協同仿真的策略學習網絡知識，通過實驗引導來激發學生探究問題的能力。由于學生的認識是從感性到理性的發展，是經過他們自己的比較、分析、綜合、抽象、概括等思維活動而實現的。在教學過程中，教師要把講授的知識轉化成學生的智慧和能力，要始終尊重學生的主體地位，充分調動學生的學習主動性。以北京交通大學2016年秋計算機網絡課程的學生教學評價為例，53%的計算機專業大三學生獲得優秀，證明這種教學方法的有效性。

參考文獻：

[1] 謝希仁. 計算機網絡[M]. 4版. 北京： 電子工業出版社， 2004： 1-5.

[2] 陳敏. OPNET網絡仿真[M]. 北京： 清華大學出版社， 2004： 10-30.

[3] 張志涌， 楊祖櫻. MATLAB教程[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2006： 20-60.

[4] Zhang Y. Wimax network planning and optimization[M]. Boston： Auerbach Publications， 2009： 25-50.

[5] 孫強， 王玨， 徐晨. 通信網絡仿真課程教學改革探討[J]. 科技創新導報， 2015（29）： 229-230.

（編輯：宋文婷）