無線網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中MATLAB和OPNET協(xié)同仿真策略研究

魯凌云+王移芝+陳婭婷

摘 要：無線網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中占據(jù)著重要位置。為了有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)無線網(wǎng)絡(luò)的性能及相關(guān)概念，提出使用Matlab和OPNET協(xié)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(wǎng)融合仿真環(huán)境的設(shè)計過程，最后說明教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗；OPNET；協(xié)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(xué)在我國都被看做以教師為主體的“傳道、授業(yè)、解惑”過程。薪火相傳，不知其盡也，但在信息多元化的今天，學(xué)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(xué)過程中，教師應(yīng)注意遵循教學(xué)規(guī)律，大膽探索，勇于實踐，調(diào)動一切現(xiàn)代教學(xué)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(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，進(jìn)而使學(xué)生能夠應(yīng)用知識解決問題，提高創(chuàng)新和實踐能力。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的重要專業(yè)課，存在內(nèi)容多、學(xué)時少、學(xué)科進(jìn)步快等矛盾。近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展以及Internet應(yīng)用、PDA（personal data assistant）等移動智能終端應(yīng)用的日益增長，無線網(wǎng)絡(luò)的地位在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)過程中越來越重要[1]。為使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源得到合理利用，當(dāng)前用戶使用無線局域網(wǎng)接入Internet與服務(wù)器通信成為主要趨勢（如圖1所示），因此，教學(xué)中加強對無線網(wǎng)絡(luò)算法的研究尤為重要。我們在教學(xué)過程中采用Matlab和OPNET兩種通信仿真軟件相結(jié)合的方式，對無線網(wǎng)絡(luò)的算法及模型進(jìn)行模擬，這種“協(xié)同仿真”環(huán)境更加接近實際情況，獲得的數(shù)據(jù)具有一定的可靠性，也令學(xué)生更容易將抽象的理論轉(zhuǎn)變成具體形象的知識。

2 多網(wǎng)融合仿真環(huán)境的設(shè)計

OPNET仿真軟件本身對物理層仿真的能力較弱，在本教學(xué)設(shè)計方案中，30人的班級分為6組，教師可讓學(xué)生利用Matlab對無線網(wǎng)絡(luò)的物理層算法進(jìn)行仿真[2]。例如，一個4根發(fā)射天線和4根接收天線的經(jīng)典迫零解碼算法的性能仿真結(jié)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(shè)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(huán)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(shè)備與Internet互連。在三網(wǎng)融合的教學(xué)過程中，教師可以參考3GPP文檔30.03的建議，將系統(tǒng)級仿真場景分為Marco、Mirco和Pico 3種[4-5]。教師在教學(xué)過程中，可以把3種場景的仿真參數(shù)提供給學(xué)生，見表1。

2.1 Macro仿真場景

在實際教學(xué)過程中，一組學(xué)生設(shè)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(rèn)小區(qū)半徑為1km。4個移動端在仿真區(qū)域內(nèi)，學(xué)生可以通過手工隨機(jī)放置。仿真參數(shù)見表1。

2.2 Micro仿真場景

在實際教學(xué)過程中，一組學(xué)生設(shè)計的Micro仿真場景如圖5所示。仿真場景模擬曼哈頓街區(qū)模型，街區(qū)面積0.8 km2，建筑物規(guī)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(shù)見表1。

2.3 Pico仿真場景

在實際教學(xué)過程中，一組學(xué)生設(shè)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(shù)見表1。

3 移動模型的協(xié)同仿真結(jié)果

在實際教學(xué)中，我們在無線網(wǎng)絡(luò)模型的物理層引入Matlab外部運算模塊，在仿真環(huán)境中安裝Matlab編譯器運行的MCR環(huán)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(dǎo)學(xué)生為其設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境變量，指導(dǎo)學(xué)生研究OPNET中無線系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的多管道模型，其中，每個管道模型階段都由C/C++語言實現(xiàn)，負(fù)責(zé)不同的計算任務(wù)，也可以根據(jù)用戶需求修改。大學(xué)三年級的計算機(jī)專業(yè)學(xué)生已經(jīng)對C/C++語言比較熟悉，根據(jù)實驗指導(dǎo)書，每組學(xué)生基本可以獨立完成。一個管道模型的實例如圖7所示。

學(xué)生要調(diào)用Matlab仿真的算法函數(shù)，需要修改OPNET中的Pipeline管道模型。例如，一組學(xué)生對應(yīng)的Matlab生成的函數(shù)為“MIMO_4x4_BER”，那么對應(yīng)修改OPNET的“wrls_ber.ps.c”管道模型文件，需要設(shè)置的管道函數(shù)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(dǎo)學(xué)生實驗時，建議采用“根進(jìn)程—子進(jìn)程”的開放式結(jié)構(gòu)，能夠允許用戶靈活地選擇和配置移動模式。

為學(xué)生布置的實驗任務(wù)是在3km/h的條件下Macro環(huán)境、Mirco環(huán)境和Pico環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)吞吐量的性能情況。學(xué)生根據(jù)管道設(shè)置模型導(dǎo)入的Matlab算法，即可得網(wǎng)絡(luò)吞吐量（縱軸）隨系統(tǒng)負(fù)載（橫軸）的變化趨勢。例如，如圖8所示，吞吐量基本上隨負(fù)載線性變化，這說明無線網(wǎng)絡(luò)中多用戶在Macro步行環(huán)境中能夠很好地將負(fù)載轉(zhuǎn)化為吞吐量進(jìn)行傳輸；值得注意的是當(dāng)負(fù)載增加到1 000 Kbps時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量出現(xiàn)了低于負(fù)載的情況。這時候，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析此現(xiàn)象，將“網(wǎng)絡(luò)擁塞”的概念和解決擁塞的技術(shù)引入，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的。

在學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識的過程中，教師的教學(xué)方法起主要引導(dǎo)作用，要求教師“教學(xué)任務(wù)明了，實驗引導(dǎo)精當(dāng)，方法選擇得當(dāng)，手段運用先進(jìn)，課堂互動有序”。

4 效果評價與分析

實際的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，我們嘗試采用Matlab和OPNET協(xié)同仿真的策略學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識，通過實驗引導(dǎo)來激發(fā)學(xué)生探究問題的能力。由于學(xué)生的認(rèn)識是從感性到理性的發(fā)展，是經(jīng)過他們自己的比較、分析、綜合、抽象、概括等思維活動而實現(xiàn)的。在教學(xué)過程中，教師要把講授的知識轉(zhuǎn)化成學(xué)生的智慧和能力，要始終尊重學(xué)生的主體地位，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。以北京交通大學(xué)2016年秋計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)生教學(xué)評價為例，53%的計算機(jī)專業(yè)大三學(xué)生獲得優(yōu)秀，證明這種教學(xué)方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：宋文婷）