基于軟件無線電的移動通信實驗平臺建設(shè)與實驗教學改革

郭曉菲 李世寶

摘要：針對移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展及實驗教學的滯后，本文指出目前高校移動通信實驗存在的問題。在充分利用現(xiàn)有實驗資源的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個基于軟件無線電的移動通信實驗平臺，將真實的空口信號引入實驗中，引導學生積極主動的學習，從而培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；移動通信；空口信號

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）45-0277-02

移動通信課程是電子通信類專業(yè)的一門重要專業(yè)課，從某種意義上來說它是一門實踐性很強的學科，而移動通信實驗是移動通信教學的重要組成部分。目前雖然各大高校的通信專業(yè)都開設(shè)了移動通信課程，但實驗教學的組織實施一直都存在問題[1]。傳統(tǒng)的驗證性實驗只能加強學生對理論知識的理解認知能力，無法培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。因此，如何利用有限的實驗課時，引導學生將理論知識應(yīng)用到具體的系統(tǒng)中解決實際問題，是移動通信實驗教學改革的一個重要的研究立足點。

一、移動通信實驗教學的現(xiàn)狀及存在的問題

目前，各高校移動通信實驗主要有虛擬仿真、實驗箱、大型設(shè)備三種方式，虛擬仿真主要采用Matlab、System View等軟件仿真，這種方法可以對理論知識有一個透徹的理解，但缺乏真實性，較少涉及應(yīng)用的環(huán)境和對象，和產(chǎn)業(yè)界的要求相去較遠。個別高校采用真實的移動通信的大型商業(yè)設(shè)備來進行實驗，可實現(xiàn)手機等真實信號的隨意接入，實驗效果較好，但費用很高[2，3]。而大部分高校目前的移動通信實驗還是采用實驗箱的方式，這種實驗方式存在以下問題：（1）信號源缺乏真實性：由于實驗采用函數(shù)信號發(fā)生器作為信源，這種信號源是非常理想的，沒有任何噪聲，這和真實的空口信號差別非常大，用這種信號源來做實驗，學生會感覺信號源不夠直觀，缺乏真實性，不能激發(fā)學生的學習興趣。（2）實驗內(nèi)容枯燥、脫離實際：目前移動通信實驗局限于模塊化的實驗箱來完成，一般都是一些驗證性的實驗，比如：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、直接序列擴頻通信實驗等。實驗中很多信號處理過程都被集成在模塊中，學生無法觀察移動通信網(wǎng)絡(luò)中信號的傳輸和處理過程，做完實驗后學生對于實際的移動通信系統(tǒng)還是缺乏感性認識，沒有形成系統(tǒng)的概念[3]。

二、移動通信實驗平臺的建設(shè)

本文提出將軟件無線電開發(fā)平臺GNU Radio和通用軟件無線電外設(shè)USRP（Universal Software Radio Peripheral）組成的軟件無線電系統(tǒng)作為移動通信實驗平臺，學生在電腦終端上就可以進行無線通信系統(tǒng)的設(shè)計。這種軟硬件結(jié)合的新方法能夠快速實現(xiàn)系統(tǒng)原型，將特性復雜、仿真困難的實際無線信道納入系統(tǒng)仿真模型中。

一個典型的移動通信系統(tǒng)是由固網(wǎng)設(shè)備、交換網(wǎng)絡(luò)、無線基站和移動終端四部分組成的，通常把無線基站和移動終端之間的接口稱之為空中接口。實驗平臺就是要利用USRP的射頻前端把空口信號引入實驗中，這樣學生通過GNU Radio和USRP組成的軟件無線電平臺可實現(xiàn)空口信號的收發(fā)和信號的協(xié)議解析，完成真實的移動網(wǎng)絡(luò)信號的測試分析，并進行無線通信系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)建通信“系統(tǒng)”的概念。

在GNU Radio和USRP組成的移動通信實驗平臺中，GNU Radio負責基帶信號的處理，USRP的結(jié)構(gòu)中主要包括負責數(shù)字中頻處理的FPGA（Field Programmable Gate Array）、負責模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換的ADC與DAC器件和負責射頻信號處理的射頻子板，它能夠兼容當前無線通信的多種協(xié)議標準，可支持自定義協(xié)議和多標準融合的系統(tǒng)建模和測試。移動通信實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先在電腦終端上搭建GNU Radio軟件平臺，將天線、射頻子板、基帶子板、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器有機結(jié)合成一個可配置的整體，完成整個開發(fā)環(huán)境的搭建，然后利用基于USRP的外設(shè)，完成信號發(fā)送端和接收端的初始化配置，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)接口的PC端和USRP的正常通信。

三、優(yōu)化并調(diào)整實驗教學內(nèi)容

傳統(tǒng)實驗內(nèi)容較單一、枯燥，學生缺乏興趣，加入真實的移動網(wǎng)絡(luò)信號后，必然要對傳統(tǒng)實驗內(nèi)容進行優(yōu)化調(diào)整，豐富傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，提高學生對實驗的興趣。根據(jù)實驗內(nèi)容改革的要求，再結(jié)合實驗課時的具體情況，在GNU Radio和USRP組成的實驗教學平臺上，將《移動通信》的實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實驗、研究性實驗、綜合性實驗、開放性實驗等四類。（1）基礎(chǔ)性實驗：基礎(chǔ)實驗部分主要是讓學生通過實驗來熟悉系統(tǒng)的環(huán)境配置及使用方法，通過實驗來驗證移動通信系統(tǒng)的基本功能，對基礎(chǔ)理論加以理解鞏固。例如：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實驗，該實驗主要讓學生了解移動通信系統(tǒng)中MSK、GMSK調(diào)制、解調(diào)原理及特性，實驗中利用USRP獲取真實的手機信號作為信源，就有了噪聲的干擾，學生能體會到實驗環(huán)境的真實性。（2）研究性實驗：研究性實驗主要是在基礎(chǔ)類實驗的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。設(shè)計性實驗以學生自主設(shè)計、獨立實驗為主，實驗?zāi)繕溯^為單一明確，保證在規(guī)定的實驗課時內(nèi)完成，在了解系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，教師只起到輔助性的指導作用。例如：噪聲信道模擬實驗、多徑衰落信道模擬實驗。實驗中利用USRP獲取真實的手機信號作為信源，將基帶信號進行一定的處理，觀察噪聲對信號的干擾。（3）綜合性實驗：綜合性實驗是以基礎(chǔ)類實驗為主線，由若干簡單實驗組成。通過綜合性實驗，使學生能夠獲得全面的訓練，提高學生對所學相關(guān)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，進一步提高學生獨立解決實際問題的能力。例如：GSM通信系統(tǒng)實驗，該實驗利用兩臺USRP設(shè)備完成GSM信號的收發(fā)，學生自己設(shè)計實驗方案，搭建GSM數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，這樣可以讓學生建立一個GSM通信系統(tǒng)的概念，并觀察GSM系統(tǒng)各部分信號波形。（4）開放性實驗：開放性實驗內(nèi)容中可加入一些移動通信的前沿知識，例如：學生可基于軟件無線電平臺設(shè)計實現(xiàn)一個協(xié)作式的MIMO系統(tǒng)，或者毫米波蜂窩通信系統(tǒng)，這樣就可以進行下一代通信系統(tǒng)的設(shè)計和研究。由于開放性實驗難度高、工作量大，不必局限在規(guī)定的實驗課時內(nèi)，可以作為通信專業(yè)的課程設(shè)計來要求，也可作為學生參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃及各種科技競賽的題目，這類實驗可以培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和探索創(chuàng)新的能力。

四、結(jié)語

本文針對目前移動通信實驗教學中存在的問題，提出將開源軟件無線電開發(fā)工具GNU Radio和通用軟件無線電外設(shè)USRP組成的軟件無線電系統(tǒng)作為移動通信實驗平臺，這種軟硬件結(jié)合的新方法能夠?qū)⒄鎸嵉囊苿泳W(wǎng)絡(luò)信號引入實驗中，這樣能夠提高學生對實驗的興趣，并能快速實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的原型驗證，實驗中通過與真實移動信號的交互，讓學生構(gòu)建通信“系統(tǒng)”的概念，解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題。

參考文獻：

[1]王志鵬，李婧，侯晨霞.軟硬件相結(jié)合的移動通信原理實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（9）：62-64.

[2]何偉剛，吳其琦，黃亞群.仿真技術(shù)應(yīng)用于移動通信實驗教學的創(chuàng)新實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（10）：132-135.

[3]徐川，徐銘澤，唐紅.基于虛擬現(xiàn)實的移動通信實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（3）：94-97.