通信網絡類課程虛擬仿真實驗研究與實踐

李曉艷　雷斌　華翔　陳蕾

摘 要 在實驗室環(huán)境下具體實現各種通信網絡，并定量評估網絡性能是各高校通信工程專業(yè)實驗教改的重要方向。針對當前通信網絡類課程在實驗教學中存在的問題，梳理通信網絡類課程的相關知識點，設計應用性和工程性很強的虛擬仿真實驗項目，使學生掌握通信網絡的建模方法和仿真技能，理解網絡中各層的設計機制、算法和協(xié)議。

關鍵詞 通信網絡 網絡性能分析 實驗教學 虛擬仿真

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.09.016

Abstract To realize various communication networks and evaluate network performance under the laboratory environment is an important reformation aspect of communication engineering major. According to the problems existed in courses of current communication & network experiments， hackle the related knowledge points of communication & network courses and design virtual experiment projects with great practicality and engineering. Through the experiment teaching， students can master the modeling and simulation method of communication network； comprehend the network protocols， algorithm.

Keywords communication network； experimental teaching； network performance analysis； virtual simulation

0 引言

目前通信工程專業(yè)開展的相關通信網絡課程主要有：通信原理、無線通信技術、數據通信與計算機網絡、通信網技術、信息論等。[1-3]目前的教學中，各門課程獨立講授，并依賴課程所設實驗來驗證所學課程知識，實驗內容不系統(tǒng)，學生普遍存在理論與實踐聯(lián)系不起來的現象。

由于缺乏相關課程之間內在聯(lián)系的梳理，使得學生在應對網絡系統(tǒng)設計與分析等綜合性問題時，往往不能將所學的多門課程的知識聯(lián)系起來解決實際問題。針對這種情況，將通信網絡類課程相關聯(lián)的知識進行梳理融合，設計相應的虛擬仿真實驗項目來對實際問題進行建模分析，使學生在完成實驗的過程中對整個通信網絡的搭建和性能分析有一個全面的認識。

1 通信網絡類課程的教學現狀

目前通信工程專業(yè)在相關通信網絡類課程設置上存在如下一些問題：

（1）移動通信技術的知識難于理論教學。移動通信作為通信領域發(fā)展最為快速的技術，LTE已經進行商用，各種高速數據傳輸網也正在進行如火如荼的建設，5G技術也已經提出。[4]而目前的培養(yǎng)大綱中沒有設置相應的課程或實驗課程與之對應，學生對新一代移動通信系統(tǒng)并未進行系統(tǒng)的學習，然而作為通信領域最重要的發(fā)展方向之一，如何將其進行系統(tǒng)的教學已經對當前的理論教學提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

（2）缺少定量評估網絡性能的實驗課程。目前通信工程專業(yè)開展的相關通信網絡課程主要有：通信原理、無線通信技術、數據通信與計算機網絡、信息論等。在當前的授課模式中，各門課程獨立進行理論授課，并配以一定學時的實踐教學對理論進行驗證；而相關課程之間的內在聯(lián)系卻未有得到很好的展示，這導致學生對這類課程認知和理解不到位。如果在網絡課程教學的環(huán)節(jié)中開設相應的網絡仿真實驗課程，在實驗中搭建各種虛擬網絡并對網絡的性能（如網絡的吞吐量、時延等）進行定量評估。以虛擬技術搭建仿真平臺，將通信網絡類課程的知識融合于一體，在實驗過程中加深學生對于網絡的體系和網絡各層協(xié)議的理解，以此提升學生的實踐能力。

（3）通信網絡系統(tǒng)仿真知識難于理論教學。通信網絡系統(tǒng)仿真的教學內容覆蓋面較廣，在原理性課程中，有大量的概念定義和公式；在網絡課程中，系統(tǒng)的體系架構和網絡協(xié)議較為繁瑣。在移動通信的理論中，也涉及到了大量復雜的公式和定義，例如同頻干擾、信令接口等。這些理論性特別強的知識以及復雜的數學公式如果采用傳統(tǒng)的板書式教學，不僅會耗費大量教學課時，教師講授也比較困難，學生學起來很費力。若采用實驗手段，將理論融入到實際實驗操作中，并通過學生自己測試所設計網絡性能，激發(fā)學生的主觀能動性，達到較好的授課效果。

2 虛擬仿真實驗教學的可行性

（1）完備的基礎知識結構是網絡定量分析的基礎。目前已開設的基礎課程體系保證了通信基礎知識的完整性。通信原理的核心是通過信號波形設計和信道糾錯編碼來實現信息有效而可靠傳輸。數據通信與計算機網絡課程主要介紹計算機網絡體系結構和網絡各個層次的協(xié)議及其工作原理。通信網技術課程介紹通信網絡的基本原理，圖論/隨機過程/排隊論等數學基礎、拓撲設計等內容。通過以上課程的學習，學生可以掌握關于通信網絡完備的基礎知識體系結構，為網絡進行定量分析打下堅實的知識基礎。

（2）搭建虛擬通信系統(tǒng)能應對不斷更新的網絡技術。通信網絡是一個大型的復雜系統(tǒng)，且其技術更新快速，搭建實際的通信網絡環(huán)境進行教學，雖然學生可以對網絡的構建有直觀的認知，但是通信設備通常造價昂貴，搭建實物平臺的成本很高，而且移動通信理論更新速度快，普通高校無法從資金層面對搭建新型通信系統(tǒng)提供持續(xù)性的支持。引入虛擬仿真技術手段可以靈活地進行各種網絡系統(tǒng)和協(xié)議的模擬，以較少的教學投入情況下，獲得對網絡和協(xié)議等技術的深刻認知。endprint

（3）優(yōu)秀的仿真軟件為虛擬仿真實驗的實施奠定了軟件基礎。NS-2是一個面向對象的開源網絡仿真工具，可以利用已有的模塊對各類網絡拓撲、網絡協(xié)議和網絡場景（有線網和無線網、局域網和廣域網）仿真。[5-6]如果已有模塊并不能完整地搭建所需網絡，可利用已有模塊提供的編程接口，開發(fā)所學模塊。例如可對系統(tǒng)本身提供的協(xié)議模塊進行改進，以便于測試新協(xié)議的性能。在仿真完成之后，NS2可以直接對仿真中得到的數據進行可視化顯示，學生運用所學的理論知識分析數據曲線，能夠判定所設計網絡是否正確或是否達到預期的設計目標。

3 虛擬仿真實驗框架設計與規(guī)劃

3.1 梳理通信網絡類課程內容，設計分類的仿真實驗

通信網絡虛擬實驗則是在梳理通信網絡類課程的相關知識點基礎上構建的仿真實驗，旨在以實驗教學為載體，對整個通信網絡系統(tǒng)的搭建和性能有一個系統(tǒng)的認識。[7]圖1反映了本課題所設計的虛擬仿真實驗與課程之間的相互支撐關系。

（1）網絡平臺類實驗。任一復雜無線網絡均可等效為若干簡單通信系統(tǒng)的集合，均需要用到以上兩門課程的基本知識。利用通信原理和無線通信技術課程這兩門課程的基礎知識，結合現代通信技術發(fā)展，梳理整合教學內容，設計網絡平臺類實驗；即在仿真軟件中靈活搭建目前主流的移動通信系統(tǒng)（3G、4G）或區(qū)域網絡系統(tǒng)（無線個域網 WPAN、無線局域網 WLAN）。

（2）研究類實驗。通信網技術、數據通信與計算機網絡課程討論的是具體網絡中各個結構層面的機制、算法和協(xié)議。利用以上課程的知識，設計研究類實驗，在研究網絡各層協(xié)議的基礎上，評估網絡平臺類實驗中搭建的網絡系統(tǒng)的各種性能：網絡節(jié)點相關（節(jié)點連通度、數據包轉發(fā)率、平均擁塞時間等），傳輸路徑相關（傳輸帶寬、上行鏈路誤碼率、傳輸時延、時延抖動等），整體網絡相關（誤幀率、信道誤碼率、吞吐量等）。

（3）設計類實驗。在前兩類實驗的基礎上進行第三類實驗——設計類實驗。該類實驗由任課教師指定專題或由學生自己擬定題目，通過發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，自主設計新的通信網絡、通信協(xié)議，或是對現有網絡進行改進，并在仿真平臺上驗證創(chuàng)新設計的網絡與協(xié)議效果，并利用所學知識，分析所得結果的正確性。

3.2 仿真基本模塊的構建

雖然NS2可以模擬大部分的網絡場景，但是其提供的可用模型并不能被直接用于本課題所設計的網絡，因此需要構建一些基本的模塊。[8-9]學生在實驗設計時，可根據設計的網絡選擇基本模塊并在模塊上改進后再采用。圖2展示了所設計的模塊與實驗項目之間的關系。

（1）信道傳輸模型建模。信道模型（主要是無線信道模型）是對整個通信信道的數學描述，按照研究對象的不同，信道可分為調制信道和編碼信道。其中調制信道可用于描述各種調制制度不同的抗干擾能力，是最為常用的信道模型之一，在建模時常分為路徑損耗模型和信道衰落模型。

路徑損耗模型建模的信道長度較長，可達數千米以內。由于多徑效應的影響，研究對象關注的是預測在不同天氣狀況、不同地理位置條件下的無線信號衰減情況，建立的信道模型稱為傳播型預測模型。

信道衰落模型影響的范圍較小，輻射半徑在幾個波長以內，描述為瑞利分布（Rayleigh）或萊斯（Ricean）分布。

（2）網絡拓撲建模。無線網絡拓撲描述的對象是網絡中節(jié)點的移動性和網絡連通度。根據節(jié)點移動性與否，網絡的拓撲結構可分為靜態(tài)網絡拓撲和動態(tài)網絡拓撲兩種。網絡模型及其參數的設置對所獲得的仿真結果具有非常重要的影響，不同的網絡模型具有不同的數據傳遞率，平均端到端時延，吞吐量、路由開銷等，因為不同網絡建模的研究角度不同。

當網絡中節(jié)點均固定或節(jié)點的移動非常緩慢時，此時可認為網絡的拓撲結構是靜態(tài)網絡拓撲。在此條件下建模工作將集中于網絡拓撲指標，如節(jié)點度分布、網絡直徑和介數等。

當網絡中運動節(jié)點的數量較多、移動速度較快時，網絡的拓撲結構應轉而分析節(jié)點的移動模型。移動模型可分為兩類：軌跡跟蹤模型和人工合成模型。

（3）通信業(yè)務建模。LTE標準組織3GPP根據對業(yè)務質量要求的不同定義了4種基本的業(yè)務類型，包括：會話類業(yè)務、流媒體業(yè)務、交互類業(yè)務和背景類業(yè)務。

會話類業(yè)務來自電路域的實時呼叫，由于實時通話業(yè)務的特殊性要求，系統(tǒng)對待呼叫不需要采取排隊處理，立即處理呼叫業(yè)務。由于呼叫業(yè)務具有獨立性，因為當前的呼叫到達并不會對之后的呼叫到達情況產生影響，因而采用（下轉第92頁）（上接第33頁）短相關（SDR）模型來描述其流量。

由于流媒體業(yè)務、交互類業(yè)務和背景類業(yè)務實時性要求不強，因而采用分組傳輸的方式，并在傳輸的過程中加以ARQ重傳機制、擁塞控制機制等。這類業(yè)務網絡流量采用長相關（LRD）模型來描述。

4 結語

無線通信網絡技術的發(fā)展日新月異，為適應這種發(fā)展趨勢，緊跟技術發(fā)展的前沿，通過精心設計網絡類虛擬仿真實驗項目，力爭在實驗內容上反映通信網絡及仿真領域的最新技術成果，保證在教學內容上緊跟先進技術。其次，仿真實驗項目均以靈活的設計性實驗為主，學生自主選擇模塊并搭建不同網絡系統(tǒng)，充分調動學生的自主學習性。通過虛擬仿真實驗教改的實施，將通信網絡類課程的原理驗證性實驗逐步轉變?yōu)榫C合性、設計性實驗。通過實驗教學模式的轉變，提高學生分析問題和綜合設計的能力，最終培養(yǎng)適應社會發(fā)展的無線通信技術綜合型人才。

參考文獻

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