5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗項目設計與管理

李 婷， 鄭勁松， 林 薇

(福州理工學院 計算與信息科學學院， 福建 福州 350506)

0 引言

高校信息化建設是貫徹落實全國教育大會精神和《中國教育現(xiàn)代化2035》的重要組成部分。在信息化條件下，知識的獲取和傳授方式、教和學關系等均發(fā)生了革命性的變化，需要不斷深化信息技術與教育教學深度融合[1]。虛擬仿真實驗在推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平等方面起到了積極作用。虛擬仿真實驗利用虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)字媒體、數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了實驗設備和實驗項目的數(shù)字化、虛擬化和可視化，是一種開放式網(wǎng)絡化的實驗教學手段[2～4]。

與傳統(tǒng)的實驗教學相比，虛擬仿真實驗不受場地、設備、自然環(huán)境等因素的影響，具有網(wǎng)絡資源共享性、交互操作性、透明性、用戶自主性、可擴展性以及安全性等特點，學生在實驗操作過程中能夠有很強的臨場感和沉浸感[5～8]。虛擬仿真實驗將硬件實驗虛擬化，不僅能夠保證學生在操作過程中的安全性，還提高了實驗教學的效率，且在實驗內(nèi)容上更加靈活、易更新、易擴展，易于結合其它在線學習，開展混合實驗教學。

在移動通信網(wǎng)絡建設的實驗中，為完成網(wǎng)絡建設并驗證實驗結果，需要用到大型的網(wǎng)絡設備和輔助設備與材料，價格昂貴、實驗準備時間長、操作過程要求高。加上移動通信發(fā)展快，網(wǎng)絡技術和設備不斷升級，2020年更是全面進入5G商用階段，為實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)，5G移動通信技術成為移動通信教學的重點內(nèi)容，學校購置5G網(wǎng)絡設備需要大量的資金和場地投入。此外，原有的移動通信實驗室雖然配備了與運營商網(wǎng)絡一致的3G和4G整套設備，但實際實驗中，拆裝設備需專人操作，數(shù)據(jù)配置上傳需排隊進行且每人耗時不少于20分鐘，實驗結果驗證更是存在輻射強度大、不能大量進行的問題。采用虛擬仿真實驗能夠適應技術發(fā)展、解決實驗設備投入過多、實驗過程要求高耗時長等問題，同時提高實驗教學信息化程度。

1 5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗概況

移動通信5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗教學課程包含一系列虛擬仿真實驗教學項目，涵蓋了5G網(wǎng)絡基站從站點選址、勘察，到方案設計、工程預算、工程實施與驗收全流程。將工程實際問題進行模擬，從工程師視角引導學生完成整個站點建設項目。從方案設計開始，網(wǎng)絡架構以拓撲圖形式呈現(xiàn)在實驗界面，可令學生深刻掌握5G網(wǎng)絡架構。

移動通信5G網(wǎng)絡虛擬仿真系統(tǒng)實驗課程主要面向通信工程、電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的大三或大四學生，單項實驗教學時長為4學時，其中5G基站工程實施仿真實驗項目包括設計圖解讀、通信設備及器材選取、機房配套安裝規(guī)范和5G基站各網(wǎng)元設備安裝、連接和配置。5G基站工程實施虛擬仿真實驗的目的是通過實驗項目的訓練，使學生掌握5G網(wǎng)絡拓撲結構的配置，掌握基站機房的布局，掌握基站設備的安裝方法、安裝步驟和安裝注意事項，理解并掌握5G無線側網(wǎng)元設備的工作原理和基本配置過程，并最終通過工程驗收。利用虛擬仿真技術探究5G移動通信基站建設的運行流程，為從事實際工作建立基礎。

該實驗項目采用以學生為主體的TBL教學法、案例互動式的CBL教學法、以及理論與實踐、虛實結合的教學方法。學生在了解4G全網(wǎng)設備與網(wǎng)絡架構的基礎上，完成5G實驗項目。首先由教師帶領學生認識5G全網(wǎng)設備實物，并講述5G無線網(wǎng)絡規(guī)劃、各個網(wǎng)元的基本原理和設計圖紙讀圖方法，然后以學生為主體進行TBL教學，讓學生分組討論工程實施步驟、網(wǎng)元及設備選取、IP規(guī)劃和業(yè)務配置，使學生產(chǎn)生濃厚的興趣，激發(fā)學生的自主學習的積極性。在進行虛擬仿真實驗的過程中采用案例互動式CBL教學法，給出一個虛擬城市(虛擬化的3D模型)的5G電話業(yè)務需求以及測試分析報告，讓學生自己找出問題，編制網(wǎng)絡規(guī)劃報表。完成前期規(guī)劃后利用虛擬仿真實驗平臺，進行實踐操作，包括設備選型、連接、數(shù)據(jù)配置、網(wǎng)絡測試、優(yōu)化等。通過虛擬方法，讓學生體會到真實的安裝過程。

仿真平臺視頻播放功能將為學生在整個實驗過程中實時地提供理論支撐和技術支持，本項目的視頻播放內(nèi)容包括5G無線側配置操作業(yè)務的錄像和機房主設備安裝、AAU安裝、天饋安裝、GPS安裝、設備電源安裝，以及設備間線纜連接的錄屏操作。增強學生的感性認識，激發(fā)學生學習興趣和學習動機提高教學效果方面，取得實效。

2 5G基站工程實施虛擬仿真實驗項目設計

2.1 實驗項目的主要內(nèi)容

5G基站工程實施虛擬仿真實驗項目由5G網(wǎng)絡實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬仿真實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；虛擬實驗教學管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括實驗前的預習、實驗的開課管理、實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的評價考核、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學環(huán)境提供服務。

該實驗項目的設計目標是利用虛擬仿真技術建設一個5G移動基站站點，涵蓋移動通信技術無線側相關的工程知識點，將知識點生動、準確地傳達給學生。學生能夠進行建設和安裝移動基站的操作。實驗項目內(nèi)容的設計如圖1所示。

實驗準備：將5G基站建設工程實施的整個過程拆分和細化，并按照順序演示，搭配相應的文字說明，能夠將移動通信技術、工程的知識點和行業(yè)標準準確地傳達給學生。

圖1 實驗項目設計

實驗設計：教學內(nèi)容中拆分的細節(jié)都可反復、自由操作和練習，如有錯誤會得到提示。

實踐考核：檢驗學生的學習成果，在無任何提示的情況下，在該系統(tǒng)內(nèi)完成一個移動基站站點的建設和開通，包括網(wǎng)絡拓撲結構配置、各個網(wǎng)元安裝連接正確、信號測試通過。有操作過程記錄和考點操作記錄，通過對記錄和考點操作的統(tǒng)計給出實驗成績。

2.2 實驗項目設計思路

1)5G網(wǎng)絡無線側相關硬件認知

首先在移動通信實驗室對實際的無線網(wǎng)絡相關設備、天饋系統(tǒng)和電源連接等進行觀摩，再結合虛擬仿真實驗系統(tǒng)對實驗中涉及的網(wǎng)元設備、天饋系統(tǒng)材料、電線電源安裝進行360°全方位的展示，并搭配文字說明可通過點擊主界面上的某個實物圖片獲得該部件的詳細說明資料。

2)動態(tài)演示系統(tǒng)搭建過程

首先配置總體網(wǎng)絡環(huán)境，然后在機房外景(一般為鐵塔或樓頂)和空置機房內(nèi)景中，依照設備選型、放置、信號線與電源線的連接將正確的設備和相關輔材模型放置在指定位置并保證線路暢通，最終完成一個5G機房的搭建過程。演示以動畫形式開展，并配有聲音和文字解說。

3)5G機房及無線側安裝實驗過程

在安裝過程中，系統(tǒng)自動按照安裝規(guī)范判斷操作者選擇的設備、輔材、工具以及連接是否正確，若出現(xiàn)錯誤則給出問題點的提示信息，只有當前錯誤修正后才能繼續(xù)下一步操作。

4)實驗結果驗證

在完成所有設備和輔材的安裝、連接和配置后，保存實驗過程記錄和安裝結果，學生端和教師端均可通過網(wǎng)絡模擬運行判斷本次實驗成功與否。若無線網(wǎng)絡不可用，則教師端還可通過過程數(shù)據(jù)找出實驗中隱藏的問題。

3 實驗方法與實驗過程

本實驗主要是針對網(wǎng)絡架構和拓撲設計、設備安裝與信號線連接以及電源選擇與電源線連接三項內(nèi)容展開仿真實驗。

首先實驗根據(jù)實驗任務描述，進行網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃，主要培養(yǎng)學生對5G無線側網(wǎng)絡架構和拓撲設計，根據(jù)預算容量選擇合適的5G設備，配置相應的參數(shù)并進行測試。此部分主要理清網(wǎng)絡拓撲、各設備的IP配置和連接關系。

電源設備包括配電箱、開關電源，電源線包括地線、設備電源線和防雷線的操作。此部分主要為設備的正常運行提供能源和保護。

設備安裝和信號線連接是實驗內(nèi)容的重點和主體部分，包括設備選型、設備連接、連接線選擇等，實驗過程如下

1)天饋安裝

工程實施首先進行天饋安裝，此處以樓頂機房為例進行說明。進入工程實施界面后，在主界面右側選擇與設計方案圖紙一致的天線設備(此處為美化方柱)，并按照圖紙所定位置拖至樓頂即可，效果如圖2所示。隨后將AAU拖入美化方柱所在位置，并放置GPS、室外接地排，完成天饋安裝。

圖2 天饋安裝界面

2)進入機房

在主界面中單擊最上方的“視角切換”按鈕，切換置“室內(nèi)全景視角”可看到機房的完整界面，如圖3所示，依據(jù)設計圖紙，依次從工具箱中選擇開關電源、機柜、空調(diào)、蓄電池、交流配電箱、防雷保護器、饋線口、室內(nèi)接地排和走線架，完成設備擺放，效果如圖3所示。走線架在擺放時應位于機柜上方。

圖3 機房室內(nèi)全景界面

3)機柜內(nèi)部網(wǎng)元的安裝

切換視角，開始機柜安裝。單擊機柜，打開柜門，從工具箱中依次將柜內(nèi)接地排、ODF、SPN、BBU、配電盒拖放到機柜的黃色框中，設備指示圖中會出現(xiàn)相應的設備圖標，操作結果如圖4所示。

將設備拖動到機柜外，即可刪除該設備，此刪除操作適用于任何模型。

圖4 機柜內(nèi)部網(wǎng)元的安裝

4)數(shù)據(jù)鏈路連接

(1)BBU和AAU的連接，在室外全景視角中雙擊天線打開AAU界面，工具箱出現(xiàn)線纜，選擇“光纖LC-LC”，點擊AAU的10GE口，如圖5所示，通過點擊窗口左上角網(wǎng)元拓撲圖中的BBU，直接進入BBU設備界面，選擇“BP5G”板塊的10GE口，單擊完成線路連接。設置成功后，界面左上角拓撲圖的AAU和BBU之間就會顯示連線，如圖6所示。重復此步驟，完成所有AAU與BBU的連接。

(2)BBU與SPN連接，在BBU界面，選擇“光纖LC-LC”，與SPN相連應該選“SW5G”板塊，選擇其中一個25GE端口。在左上角拓撲圖中點擊SPN，進入SPN界面，選擇對應的25G的端口，點擊“4×25G”其中任意一個端口即可完成連接，網(wǎng)絡拓撲中BBU與SPN的連線也隨之出現(xiàn)。

圖5 AAU設備示意圖

圖6 BBU設備示意圖

5)業(yè)務鏈路連接

(1)SPN與ODF連接，SPN與ODF連接，即數(shù)據(jù)向上連接到匯聚機房，此時應采用速度/帶寬更高的端口，選擇50G端口，光纖選擇“光纖LC-FC”。在拓撲圖點擊ODF，將光纖的另一端接入ODF，效果如圖7所示。

圖7 SPN與ODF連接

(2) GPS與SPN連接，用1/2饋線將GPS與SPN連接，SPN接口中只有一個可連接饋線的端口，按上述步驟即可完成此步操作。

6)設備供電線路連接

首先應完成所有設備的接地(包括室外、室內(nèi)和柜內(nèi)接地)，然后再進行其它線路連接。用“AC電纜35mm2”從交流配電箱(AC)將市電引入開關電源(DC)，開關電源用“DC電纜25mm2”連接到機柜的配電盒(DCDU)，由配電盒將直流電供給AAU和BBU，連接時要注意與設備所需的電流大小相對應。SPN供電由DC直接提供，蓄電池也直接連接在DC上，形成UPS。供電線路的連接如圖8粗線所示。

圖8 網(wǎng)元拓撲和供電線路示意圖

7)工程驗收

工程實施完成后，可直接點擊工程驗收，界面中會出現(xiàn)一臺測試儀，點擊“開始測試”即可進行工程驗收。若連接無誤，則會顯示測試通過。如圖9所示。

圖9 工程驗收界面

由于5G網(wǎng)絡正式商用不久，網(wǎng)絡優(yōu)化方面的工程實踐還需要積累。

基站建設全部完成后，可點擊菜單中的“系統(tǒng)評分”獲得本次操作的各項指標及評分，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)評分示意圖

4 實驗教學項目研發(fā)技術和架構

5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺和5G全網(wǎng)規(guī)劃與部署仿真系統(tǒng)的支撐，采用C/S架構，后臺服務運行在服務器端，用戶通過客戶端連接服務器進行相關實訓仿真操作。同時平臺提供面向用戶智能指導，使用戶能夠在無教師指導的情況下開展實驗，從而提高實驗項目的開放服務能力。

實驗教學項目和仿真實驗管理平臺開發(fā)的主要技術和工具如表1所示。

表1 項目和平臺的開發(fā)技術和工具

實驗教學項目的技術架構如圖11所示。

圖11 實驗教學項目的技術架構

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺基于計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術，采用面向服務的軟件架構開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動評價和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性和可擴展性。

5 虛擬仿真實驗項目的管理

根據(jù)虛擬仿真實驗中心的發(fā)展理念，遵循“能實不虛、虛實結合、服務三多”的原則來建設5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗項目及相應的開放實驗平臺。為了將在線虛擬仿真實驗優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，采取以下管理措施：

(1)教學管理。堅持實體實驗教學依舊是實驗教學體系建設的重點，5G網(wǎng)絡建設虛擬仿真實驗作為實體實驗教學在空間和時間上的延伸：在移動通信實驗室詳細了解移動機房真實環(huán)境，完成虛擬仿真項目熟悉外景和網(wǎng)絡建設工程全過程。面向學生實踐能力培養(yǎng)，融合課堂與課下教學，實現(xiàn)隨時隨地自主學習與個性化學習，學生實踐能力提升成效顯著；吸納學生參與項目庫建設、平臺使用效果評價、平臺開發(fā)與改進，多方位支撐學生中心教學理念的落地。

(2)開放管理。充分考慮不同學生接入實驗教學項目的需求，建立硬件虛擬、軟件仿真、云平臺支撐，確保穩(wěn)定、安全的實驗教學功能與特性豐富的信息通信虛擬實驗教學平臺開放運行模式。以低成本實現(xiàn)對實體實驗室的擴展與補充，系統(tǒng)具有較高的可用性、可擴展性、安全性和靈活性。合作開發(fā)虛擬中心技術平臺中的核心功能部件，包括路由交換互連引擎、虛擬互連網(wǎng)實驗室引擎的第三方設備支持擴展、Activity(教學活動)庫等，以及利用私有云技術構建虛擬仿真實驗教學底層平臺。提供24小時在線實驗，達到多學校、多學生、多地方共享教學資源。

(3)評價管理。將虛擬仿真實驗教學納入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群各專業(yè)培養(yǎng)方案和相關課程，制定仿真實驗教學效果評價和改進機制。探索建立高校間相關實驗教學項目成績互認、學分轉換機制。引入優(yōu)質(zhì)企業(yè)資源參與中心建設，強化中心建設的工程應用內(nèi)涵與特色；依托校企協(xié)同、教學與科研協(xié)同、教學研究與教學實踐協(xié)同，建立一支教學與研究、開發(fā)與管理并舉的虛擬仿真實驗教學與管理隊伍。

6 結語

本實驗項目的開設，實現(xiàn)了課程實踐與工程實際的同步，也解決了移動通信網(wǎng)絡實驗用真實的設備操作帶來的成本過高，設備易損，臺套數(shù)太少，實驗時間過長等問題。采用“虛實結合”的方法，以精確對實體設備進行簡短的講解和操作，加上學生動手利用虛擬的環(huán)境進行實踐，使學生生動而真實地學習到企業(yè)級機房的布局情況，加深對5G網(wǎng)絡架構、數(shù)據(jù)配置及其基站設備、輔材的認知與掌握。通過對機房內(nèi)外設備的模擬安裝和開通實驗，學生易于掌握基站建設與開通移動基站站點的過程。該實驗項目已取得了良好的教學效果：學生對5G網(wǎng)絡建設有了全方位了解，在第四屆“經(jīng)世IUV杯”5G移動通信應用競賽中斬獲全國二等獎；學生的工程實踐能力顯著提升，用人單位普遍反饋學生能快速投入工程設計、網(wǎng)絡建設、系統(tǒng)管理等工作崗位。在5G網(wǎng)絡建設仿真實驗項目基礎上，還需要進一步開發(fā)移動通信系統(tǒng)規(guī)劃設計、網(wǎng)絡優(yōu)化、核心網(wǎng)規(guī)劃與設計等項目，仿真管理平臺也需不斷更新，為國家、社會培養(yǎng)更多的高素質(zhì)應用型人才。