5G業務融合虛擬仿真實驗課程設計與實現

胡圣波 雷濤 貢慶 王永容 施燕峰

摘? 要? 5G業務融合是通信工程專業移動通信與網絡優化課程的重要內容。采用虛擬現實技術開發5G業務融合實驗課程可降低實驗成本，易于運行維護。課程引入高清視頻切片、手機切片、海量物聯網切片和任務關鍵性物聯網切片等要素，搭建無人機、無人車等多元應用場景，以5G基站、核心網云、AAU、GPS等5G移動通信系統為主要內容，接入OTN、EPON和NGN軟交換等設備，學生既能學習以5G為核心的移動通信技術，又能加深對移動通信應用場景的理解，熟悉多業務接入的5G移動通信融合背景，從而有助于學習移動通信與網絡優化課程，加強對相關產業和行業發展的認識，提升工程實踐能力、創新能力和社會競爭能力。

關鍵詞? 5G;移動通信與網絡優化;虛擬現實;虛擬仿真

實驗;5G業務融合

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0142-04

0? 引言

移動通信與網絡優化課程是通信工程專業重要核心課程之一。與電路、信號系統、電子電路等電工電子基礎課程相對穩定不一樣，移動通信與網絡優化課程必須反映移動通信技術的最新發展，必須不斷更新知識內容和實驗手段。特別地，在5G時代的今天和新工科背景下，如何低成本、低消耗、無安全隱患地讓學生掌握以5G移動通信網絡為核心的移動通信承載網的規劃、設計、建設、優化、應用等全過程，培養學生自主學習、探究式學習和創新創業能力，無疑是地方普通高校通信工程專業人才培養必須面對的嚴峻挑戰。

近年來，虛擬現實（Virtual Reality，VR）等新一代信息技術迅猛發展，而VR技術因其具有的沉浸性、交互性、多感知性、自主性等特征，在教育領域的應用越來越得到重視[1-2]。其中，應用VR技術開發虛擬仿真實驗課程，在解決因成本、消耗、安全隱患等問題而無法開展的課程實驗方面發揮了重要作用，同樣受到國內高校的普遍關注。如針對化工實驗本身潛在較大安全隱患，陶弈芹等[3]認為：借助虛擬仿真技術將化工生產過程轉移到虛擬仿真實驗室進行，成為不少高校解決教學中“看多動少”難題的優先選擇。劉煥衛等[4]采用虛擬仿真技術開展制冷壓縮機拆裝實驗課程改革，有效地解決了實驗設備臺套數不足問題，提高學生動手實踐能力和解決復雜工程問題的能力。而針對采用物理實物設備開展移動通信與網絡優化課程實驗成本高、難以維護等的問題，設計開發虛擬仿真實驗同樣引起重視。如李婷等[5]設計了5G基站工程實施仿真實驗項目，鄭云等[6]則提出移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設與管理思路。

綜上，虛擬仿真實驗在實現低成本、低消耗、無安全隱患課程實驗方面作用越發明顯，也越發重要。本文從5G的eMBB、mMTC、uRLLC三個業務應用場景出發[7]，采用Unity 3D和Visual Studio等工具，設計、實現5G業務融合虛擬仿真實驗課程。課程采用虛擬仿真的方式，引入高清視頻切片、手機切片、海量物聯網切片和任務關鍵性物聯網切片等要素，搭建無人機、無人車等多元應用場景，通過課程綜合設計，以5G基站、核心網云、AAU、GPS等5G移動通信系統為主要內容，接入OTN、EPON和NGN軟交換等設備，讓學生既能學習以5G為核心的移動通信技術，又能加深對移動通信應用場景的理解，熟悉多業務接入的5G移動通信融合背景，從而加強對相關產業和行業發展的認識，提升工程實踐能力、創新能力和社會競爭能力。

1? 設計思想

本課程支持移動通信場景選擇、數據規劃、設備安裝、數據配置、測試驗證、項目提交的項目實施過程。課程內容包含的設備模塊有5G基站設備、5G核心網云設備、OTN光傳輸網絡設備、手機終端等，支持系統搭建完成后進行VR查看，同時支持調試后的業務驗證、告警處理及協議分析。課程立足于通信工程等專業教學需求，學生可完整掌握移動通信項目的實施全過程，從而更加熟練地掌握移動通信理論和方法。

課程具有將理論知識與現實設備融合，化抽象為具體，加深學生對理論知識的認識與理解等特點，全面覆蓋通信網絡中的設備，構建通信大網，幫助學生形成通信網絡體系，以綜合培養學生在5G承載網技術及應用實踐能力，培養學生掌握最新的移動通信技術。

2? 技術實現

在Windows Server和SQL Server環境下，采用Unity 3D和Visual Studio等開發工具，運用C/S網絡架構，完成本實驗課程開發，課程系統如圖1所示。

課程內容包括5G移動通信網絡、移動承載網絡、光傳輸技術等知識點，各知識點組成的網絡架構如圖2所示。課程系統包括五個知識模塊。

2.1? Massive MIMO

Massive MIMO知識模塊由射頻收發單元陣列、射頻分配網絡和多天線陣列組成。其中，射頻收發單元陣列包含多個發射單元和接收單元。發射單元獲得基帶輸入并提供射頻發送輸出，射頻發送輸出將通過射頻分配網絡分配到天線陣列，接收單元執行與發射單元操作相反的工作;射頻分配網絡則將輸出信號分配到相應天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號分配到相反的方向;而多天線陣列可包括各種實現和配置，如極化、空間分離等。

2.2? 扇區

扇區就是這個基站有幾個方向的天線。一般有全向基站，可以理解為信號360°發射，就是一個扇區。定向基站，信號向某個方向發射，周圍360°方向根據需要覆蓋，一般分為三個扇區;個別情況下，會有兩個或大于三個的扇區。現有基站扇區劃分一般來說正北方向為一扇區，順時針120°方向為二扇區，240°方向為三扇區。根據實際情況也可增加扇區和調整扇區覆蓋角度。

2.3? SCTP協議

串流控制傳輸協議（Stream Control Transmi-ssion Protocol，SCTP）是一個面向連接的流傳輸協議，可以在兩個端點之間提供穩定、有序的數據傳遞服務。SCTP協議提供的服務包括：確認用戶數據的無錯誤和無復制傳輸;數據分段以符合發現路徑最大傳輸單元的大小;在多數據流中用戶信息的有序發送，帶有一個選項，用戶信息可以按到達順序發送;選擇性地將多個用戶信息綁定到單個SCTP包;通過關聯的一個終端或兩個終端多重宿主支持來為網絡故障規定容度。

2.4? 5G網絡切片

5G網絡切片，就是將5G網絡切出多張虛擬網絡，從而支持更多業務。針對不同的應用場景，網絡被切成圖3所示的四片。

2.4.1? 高清視頻切片? 原來網絡中數字單元（DU）和部分核心網功能被虛擬化后，加上存儲服務器，統一放入邊緣云，而部分被虛擬化的核心網功能放入核心云。

2.4.2? 手機切片? 原網絡無線接入部分的數字單元（DU）被虛擬化后，放入邊緣云，而原網絡的核心網功能，包括IMS，被虛擬化后放入核心云。

2.4.3? 海量物聯網切片? 由于大部分傳感器都是靜止不動的，并不需要移動性管理，在這一切片里，核心云的任務相對輕松簡單。

2.4.4? 任務關鍵性物聯網切片? 由于對時延要求很高，為了最小化端到端時延，原網絡的核心網功能和相關服務器均下沉到邊緣云。

2.5? LTE FDD傳播模型

LTE FDD無線傳播模型主要有奧村模型和哈塔模型。哈塔模型主要適用在2G范圍。根據不同的使用頻率范圍，又將哈塔傳播模型分為奧村-哈塔傳播模型和Cost231-哈塔傳播模型。前者適用的頻率范圍為150～150 MHz，后者適用的頻率范圍擴展到2 GHz。

3? 實驗過程和實驗方法

本課程依托貴州師范大學通信工程實驗室現有軟硬件實驗資源，采取虛實結合的教學手段，采用引導式、互動式、探究式教學方法，輔助學生開展融合通信網絡的認知、規劃、設計、部署、測試等實踐訓練，大力推進實驗教學改革。

3.1? 實驗課程

本實驗課時為4課時，采取1+3模式開展實驗教學，即1課時的自主學習+3課時的實踐操作。在軟件中設置實驗原理及相關設備簡介模塊，學生做實驗前通過自主學習、教師答疑的方式開展理論學習，并錄制部分教學視頻供學生參考以彌補遠程教學之不足。實踐操作部分分為三個層次開展：首先，要求學生完成指定的基本網絡拓撲結構;其次，引導學生在基本網絡結構基礎上進行拓展，設計復雜網絡;最后，較為優秀的學生通過討論、探究等方式開展創新設計，自行設計新的網絡結構與功能業務。同時，針對三個層次制定不同的考核標準，給予多元化的考核評價。

本課程可通過理論授課的形式或在線資源共享學習的形式，教導學生進行通信課程的虛擬仿真實驗，通過規劃—安裝—調試—驗證的過程，使學生了解5G業務融合虛擬仿真實驗課程的理論基礎，掌握通信課程的拓撲形式、組網構成及業務的實現。學生在學習虛擬仿真通信課程過程中，將所學知識與實際更好地結合，更好地進行融合通信課程方面的學習。

實施過程如圖4所示，描述如下：

1）學生通過自主學習、教師授課、教師答疑等方式學習基礎原理知識，包括5G移動通信技術、傳輸技術、軟交換技術等;

2）指導學生搭建綜合通信網絡，分析工程建設需求與設計規劃;

3）學生按照實際課程進程，按照數據規劃—場景選擇—設備安裝—設備調試—驗證告警—課程提交，可以在仿真過程中了解課程實施的整體過程。

3.2? 實驗方法

5G業務融合虛擬仿真實驗是從課程的角度出發，學生可以通過軟件模擬課程實施的整個過程，如圖5所示。實驗實施的整體流程是：數據規劃—場景選擇—設備安裝—單板安裝—設備連線—集中網管—參數配置—設備告警—結果驗證—系統協議—實驗報告。學生在虛擬仿真通信課程的整個過程中，對于通信網絡中的相關知識（包括網絡規劃、數據配置、系統優化）可以有進一步的深刻理解。

其中，場景規劃提供學校所造大學城、城市中心、城市小區、郊區野外、鄉村野外等五個實驗主場景;設備安裝的設備則包括5G核心網云、5G基站、OTN、手機等，其中5G核心網云、OTN安裝在大學城的中心機房，5G基站、手機安裝在城市中心的樓頂機房，無人機、無人車則安裝在城市中心的場景中等。

4? 結語

自2019年開始建設5G業務融合虛擬仿真實驗項目以來，通過引入虛擬仿真技術，貴州師范大學全面推動新工科背景下利用信息化條件開展學生自主學習、探究式學習、協作學習等移動通信與網絡優化實驗教學改革。通過5G業務融合虛擬仿真實驗課程，通信工程專業大部分學生能較好地掌握以5G移動通信網絡為核心的移動通信承載網的規劃、設計、建設、優化、應用等全過程，學習專業興趣更濃，考研率、各類科技競賽獲獎率明顯提升，不少學生先后到中興通訊、中國移動、中國電信等知名電信設備提供商、運營商就業。可見，運用虛擬仿真技術，應是地方普通高校通信工程專業人才培養、提高學生實踐和創新能力的重要選擇。■

參考文獻

[1] Allcoat D， Muhlenen A V. Learning in virtualreality： Effects on performance， emotion and?engagement[J].Research in Learning Technology，2018（11）：26.

[2] Kavanagh S， Luxton-Reilly A， Wuensche B， et al.?A Systematic Review of Virtual Reality in Edu-cation[J].Themes in Science and Technology Edu-cation，2017，10（2）：85-119.

[3] 陶奕芹，胡永斌.金課背景下化工與制藥類虛擬仿真實驗教學項目現狀分析[J].中國教育技術裝備，2020（16）：123-126.

[4] 劉煥衛，趙海波.虛擬仿真實驗在制冷壓縮機拆裝教學改革中的應用[J].中國教育技術裝備，2020（8）：127-128，131.

[5] 李婷，鄭勁松，林薇.5G網絡建設虛擬仿真實驗項目設計與管理[J].電氣電子教學學報，2020，43（2）：177-182.

[6] 鄭云，吳怡.移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設與管理[J].實驗室研究與探索，2019，38（3）：127-131.

[7] 胡圣波，朱滿琴，楊露露，等.未來無線通信與大數據、人工智能[J].貴州師范大學學報（自然科學版），2020，38（6）：1-10，132.

*項目來源：教育部新工科研究與實踐項目“面向新一代信息技術的跨類專業聯合培養改革實踐”（項目編號：0919001）。

作者：胡圣波，貴州師范大學，教授，研究方向為航天測控通信、無線電通信與組網、天基物聯網;雷濤，貴州師范大學，副教授，研究方向為微波與通信、新型電磁材料;貢慶，貴州師范大學，講師，研究方向為天基簇飛行雷達;王永容，貴州師范大學，講師，研究方向為航天測控通信;施燕峰，貴州師范大學，講師，研究方式為微波與通信（550025）。