遠(yuǎn)程軟件無線電開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李 丞,盧燕飛,賴 威,王凱冬,段勝貴

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

軟件無線電(software defined radio,SDR)是一種使用軟件來實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)，它在不改變硬件的情況下,通過軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)不同功能。基于軟件無線電的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)因其系統(tǒng)靈活性好、功能易擴(kuò)展、可搭建完整通信系統(tǒng)、學(xué)生能感受真實(shí)無線信號(hào)等優(yōu)勢(shì),已被眾多高校作為設(shè)計(jì)型、綜合型通信實(shí)驗(yàn)的首選[1-3]。很多高校都采用與之相配的開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒4-5],即學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn),很好地滿足了學(xué)生因基礎(chǔ)知識(shí)、能力、設(shè)計(jì)方案等不同帶來的差異性需求,并促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)力的培養(yǎng)。

北京交通大學(xué)通信工程專業(yè)國家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室基于軟件無線電平臺(tái),進(jìn)行了3年開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶剿鳌９膭?lì)學(xué)生在教師指導(dǎo)下,根據(jù)專業(yè)興趣和職業(yè)規(guī)劃進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展提供更加廣闊的空間,開放模式受到學(xué)生的高度評(píng)價(jià)。然而,在開放實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中也暴露出一些不足:(1)由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和設(shè)備有限,能夠容納的學(xué)生有限,造成實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)段一機(jī)難求,而非開放時(shí)段設(shè)備空閑的現(xiàn)象,這情況打擊了學(xué)生的積極性,也限制了平臺(tái)更廣泛的開放；(2)由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資緊缺,在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間學(xué)生難以同步地得到教師指導(dǎo)和答疑；(3)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、教材等傳統(tǒng)參考資料往往沒有或僅有有限的靜態(tài)截圖作為實(shí)驗(yàn)效果參考,這很難將動(dòng)態(tài)、真實(shí)的通信信號(hào)特性體現(xiàn)出來,無法及時(shí)、有效提供參考,激勵(lì)學(xué)生進(jìn)階。

為此，實(shí)驗(yàn)室基于“互聯(lián)網(wǎng)共享理念”,采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可面向全校學(xué)生全天候開放,學(xué)生通過校園網(wǎng)可隨時(shí)訪問實(shí)驗(yàn)室的軟件無線電設(shè)備,進(jìn)行遠(yuǎn)程編程與調(diào)試、資料下載和技術(shù)交流。該平臺(tái)是集實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)一體化的綜合開放平臺(tái)。

1 遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括軟件LabVIEW[6-7]和通用外設(shè)(universal software radio peripheral,USRP)。設(shè)備連接如圖1所示:(1)通過以太網(wǎng)口連接交換路由設(shè)備,實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng);(2)采用(USB轉(zhuǎn)千兆以太網(wǎng))擴(kuò)展網(wǎng)口連接USRP,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;(3)分別通過USB口連接有線攝像頭,及使用實(shí)驗(yàn)室WiFi的網(wǎng)絡(luò)攝像頭,這兩種方式獲取USRP設(shè)備當(dāng)前連接狀態(tài)的視頻。

圖1 遠(yuǎn)程平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及接入方式

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程化的總體思路是,學(xué)生從教學(xué)樓的無線網(wǎng)絡(luò)(遠(yuǎn)程路徑1)或?qū)W生宿舍有線網(wǎng)絡(luò)(遠(yuǎn)程路徑2)兩種方式接入實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò),一對(duì)一訪問實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī),及與其連接的待開放硬件(USRP),遠(yuǎn)程使用開放的軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源。

為保證平臺(tái)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行,先后解決了網(wǎng)絡(luò)、功能、用戶、連接等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)SDR平臺(tái)大規(guī)模遠(yuǎn)程開放的難題。

1.1 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)

由于網(wǎng)絡(luò)地址資源寶貴,實(shí)驗(yàn)室通常使用路由器建立局域網(wǎng),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2右側(cè)所示。局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(dynamic host configuration protocol,DHCP),自動(dòng)獲取內(nèi)網(wǎng)IP地址(見圖2,當(dāng)前使用192.168.1.X的內(nèi)網(wǎng)IP網(wǎng)段),接入3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的校園網(wǎng),實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

圖2 NAT端口映射原理

然而,因局域網(wǎng)中僅路由器具有獨(dú)立外網(wǎng)IP,而內(nèi)部與USRP相連的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)獲取的內(nèi)網(wǎng)IP地址不固定,無法從外網(wǎng)唯一找到其中的某一臺(tái),就無法面向外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的一對(duì)一遠(yuǎn)程開放。為解決此難題,采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(network address translation,NAT)方法,對(duì)圖2中路由器進(jìn)行NAT配置,分別給局域網(wǎng)的每臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)配置唯一的外部端口號(hào)。表1給出了30臺(tái)遠(yuǎn)程被控計(jì)算機(jī)的設(shè)置范例,為PC配置唯一外部端口號(hào),并將內(nèi)部端口設(shè)為3389(遠(yuǎn)程桌面服務(wù)端口)。這樣,客戶端計(jì)算機(jī)通過在校園網(wǎng)內(nèi)的獨(dú)立IP地址,尋址到路由器；再通過端口號(hào),找到局域網(wǎng)內(nèi)與之唯一對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制、文件傳輸、遠(yuǎn)程使用與其連接的硬件資源等,從而遠(yuǎn)程完成編程、調(diào)試、分析等實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

表1 遠(yuǎn)程被控計(jì)算機(jī)路由端口設(shè)置

1.2 提供動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)效果參考

無線信號(hào)具有隨機(jī)性,通常是時(shí)變的。為避免片面的截圖式參考效果,及有效刻畫動(dòng)態(tài)真實(shí)的無線信號(hào)，該平臺(tái)采用LabVIEW的Web發(fā)布功能,將包含實(shí)時(shí)輸出參數(shù)、信號(hào)波形圖等動(dòng)態(tài)時(shí)變的實(shí)驗(yàn)效果發(fā)布在網(wǎng)頁上,見圖3，及時(shí)給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的肯定與參考,能夠有效保持學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,進(jìn)而保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)自主化的可行性。

圖3 遠(yuǎn)程查看實(shí)驗(yàn)效果

1.3 單用戶與多用戶相結(jié)合的模式

平臺(tái)力求實(shí)用、可靠,對(duì)擴(kuò)大開放規(guī)模、保證服務(wù)質(zhì)量之間進(jìn)行分析與權(quán)衡后，最終設(shè)定的平臺(tái)登錄、遠(yuǎn)程編程與調(diào)試、實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證等功能和用戶類型見表2。實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)計(jì)算機(jī)同一時(shí)間僅供單個(gè)用戶遠(yuǎn)程編程和調(diào)試,可以通過增加開放計(jì)算機(jī)數(shù)量,擴(kuò)大遠(yuǎn)程開放規(guī)模。

表2 平臺(tái)各功能對(duì)應(yīng)的用戶類型

2 遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的功能

大規(guī)模遠(yuǎn)程軟件無線電開放平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)SDR實(shí)驗(yàn)全過程的開放,功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖4,包括登錄平臺(tái)、下載資料、遠(yuǎn)程編程、運(yùn)行調(diào)試、效果驗(yàn)證、意見與交流共6大功能。

(1) 登錄平臺(tái)。平臺(tái)客戶端為封裝后的exe應(yīng)用程序,在實(shí)驗(yàn)室主頁下載后,雙擊打開使用。

在登錄界面輸入授權(quán)的用戶名和密碼,進(jìn)入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能界面(見圖5),開始遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

(2) 下載資料。在功能界面的資料下載功能區(qū),學(xué)生通過[點(diǎn)擊下載]按鈕,進(jìn)入網(wǎng)頁下載實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板、實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間安排、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放時(shí)間等參考資料。

(3) 遠(yuǎn)程編程。遠(yuǎn)程編程是該平臺(tái)的核心功能。學(xué)生通過點(diǎn)擊遠(yuǎn)程編程按鈕,進(jìn)行遠(yuǎn)程控制流程,輸入[實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)外部IP地址:計(jì)算機(jī)的外部端口號(hào)]→[被控制計(jì)算機(jī)的密碼],進(jìn)入被控計(jì)算機(jī)界面,開始遠(yuǎn)程使用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的LabVIEW軟件,編寫實(shí)驗(yàn)程序。

學(xué)生也可將本地PC已完成的程序,通過遠(yuǎn)程傳送功能,傳到實(shí)驗(yàn)室被控計(jì)算機(jī),繼續(xù)運(yùn)行與調(diào)試。

(4) 運(yùn)行調(diào)試。在遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)的程序編寫后,先將語法錯(cuò)誤一一解決；然后在程序前面板輸入(查找到的)與被控計(jì)算機(jī)相連接USRP的IP地址等信息,進(jìn)行遠(yuǎn)程的程序運(yùn)行與調(diào)試。

圖4 遠(yuǎn)程平臺(tái)各功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能界面

調(diào)試中,如果懷疑實(shí)驗(yàn)室USRP連接故障，可通過掃描界面的二維碼,用手機(jī)查看；或點(diǎn)擊[視頻監(jiān)控]按鈕,從網(wǎng)頁查看當(dāng)下連接硬件前面板狀態(tài)的實(shí)時(shí)視頻，查看USRP的電源線、網(wǎng)線等接線狀態(tài),前面板A-F指示燈的亮閃狀態(tài)，確認(rèn)是否為USRP連接不穩(wěn)、設(shè)備故障的問題。如確有問題,可撥打電話,請(qǐng)值班教師幫助恢復(fù)連接,以便繼續(xù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試。

(5) 效果驗(yàn)證。在調(diào)試成功的實(shí)驗(yàn)前面板,可觀察已完成實(shí)驗(yàn)的效果。在該平臺(tái)效果驗(yàn)證部分,點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的按鈕,獲取權(quán)限,進(jìn)入正發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)效果參考界面,見圖3,對(duì)比自己所做結(jié)果,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和優(yōu)化。至此,整個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)過程已完成。

(6) 意見與交流。為不斷完善遠(yuǎn)程開放平臺(tái)功能,切實(shí)滿足學(xué)生需求,該平臺(tái)設(shè)置了意見與交流欄。學(xué)生可針對(duì)教學(xué)方式與質(zhì)量、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能與效果等與教師交流,互相促進(jìn),共同提高,并可逐步形成網(wǎng)上社區(qū)。

綜上,以擁有40臺(tái)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室為例,構(gòu)建集6大功能的遠(yuǎn)程開放平臺(tái),其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可參考圖4。其中,30臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)置為NAT端口映射,提供遠(yuǎn)程編程服務(wù)。在另外9臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)9的完整版程序,并將其前面板發(fā)布在網(wǎng)頁上,經(jīng)加密保護(hù),提供效果參考。

3 基于遠(yuǎn)程開放的教學(xué)模式探索與應(yīng)用情況

基于該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái),已逐步形成以“開放性問題、開放源代碼、開放實(shí)驗(yàn)室”為核心的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。2016年秋季學(xué)期,遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向大三100多名學(xué)生試用,學(xué)生積極使用,效果良好,并為平臺(tái)的完善獻(xiàn)言獻(xiàn)策。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況,逐步形成了基于遠(yuǎn)程開放的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，進(jìn)行了如下探索:

(1) 構(gòu)建基于開放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐體系,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維,提升創(chuàng)新能力。平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等提供統(tǒng)一化教學(xué)服務(wù)(見圖6)。

① 設(shè)題:關(guān)注創(chuàng)新思維培養(yǎng),設(shè)立開放性設(shè)計(jì)型實(shí)踐題目。

② 自主實(shí)驗(yàn):鼓勵(lì)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)、計(jì)算機(jī)等資源,隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)新與實(shí)踐。

③ 答疑指導(dǎo):整合教師、助教、學(xué)長力量,提供現(xiàn)場(chǎng)與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的啟發(fā)式答疑。

④ 考核:細(xì)化能力指標(biāo)點(diǎn),形成形式多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化的考核制度。

圖6 基于遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

(2) 構(gòu)建開放源代碼的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),促進(jìn)學(xué)生建立完整的通信系統(tǒng)觀念,對(duì)接行業(yè)發(fā)展,培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生以既有代碼為基礎(chǔ),自由組隊(duì)、分工合作完成一個(gè)較為復(fù)雜通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),提高了實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn),有助于學(xué)生建立完整的通信系統(tǒng)概念和提升解決復(fù)雜工程問題的能力。采用開放源代碼符合通信信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體趨勢(shì),能夠很好地對(duì)接產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)依托國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),加強(qiáng)校企合作,提升實(shí)驗(yàn)教師工程素養(yǎng),打造高水平的開放實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室先后與中興通訊、美國國家儀器(NI)等知名企業(yè)密切交流合作,汲取工程背景實(shí)踐題目。建設(shè)了集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信等方向常駐實(shí)驗(yàn)師為主體的教師隊(duì)伍，積極參加企業(yè)、安全等培訓(xùn),提升教師工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。遠(yuǎn)程平臺(tái)大大提高設(shè)備利用率,為面向?qū)W校、甚至社會(huì)開放共享提供了有效方式。

基于遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)模式,有助學(xué)生從重復(fù)式、驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn),向探索式、研究式實(shí)踐轉(zhuǎn)變,能有效激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí),提升解決復(fù)雜工程問題的能力。在我校通信專業(yè)OBE[8-10]認(rèn)證評(píng)審過程中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到專家的贊揚(yáng)。

4 結(jié)語

信息化和網(wǎng)絡(luò)化已成為實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢(shì),越來越多的高校陸續(xù)開展實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè),打造基于信息化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11-12]。通過整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,將巨資購置的硬件和軟件在網(wǎng)絡(luò)上面向全校、全社會(huì)開放,不僅緩解了集中實(shí)驗(yàn)期的實(shí)驗(yàn)教室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足,提高了設(shè)備使用率,還在培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑻嵘瞬排囵B(yǎng)水平上更上一層樓。該遠(yuǎn)程平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)USRP設(shè)備大規(guī)模遠(yuǎn)程開放給學(xué)生使用，成果同樣適用于其他遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程科研、遠(yuǎn)程測(cè)控、函授實(shí)驗(yàn)等。

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