實況-虛擬-構造聯合仿真的光纖通信實驗教學探討

戴精科， 趙 鵬， 楊文可， 郭文普

（火箭軍工程大學作戰保障學院，西安 710025）

0 引言

隨著人工智能、大數據、5G 移動通信和物聯網等新興技術的廣泛應用，具有大容量、遠距離傳輸優勢的光纖通信技術在各類民用和軍用通信網中的作用越來越大，對人才培養和課程教學質量提出了更高要求。光纖通信是一門理論與實踐結合十分緊密的專業課程，實驗教學對學生掌握主要原理和基本概念、培養儀器儀表和設備裝備操作技能、提升系統分析和運用能力起到了不可替代的作用，因此各高校都非常重視光纖通信課程的實驗教學［1-3］。

目前光纖通信實驗教學方法大體可分為3 種基本類型：實驗箱或儀器設備等基于硬件的實驗、專用或通用軟件仿真實驗以及軟硬件結合實驗。許海峰等［1-2］利用光纖通信實驗箱開展了光器件性能測試、光纖熔接和光信號傳輸等實驗；李永倩等［3］利用斬波器等硬件設計了光纖損耗譜測量系統，開展光纖損耗特性測量實驗；黃艷華等［4］構建全真式實訓平臺開展項目式實驗教學。畢美華等［5-8］將OptiSystem 軟件應用于光纖通信實驗教學；劉林等［9-11］基于LabView 軟件開發了虛擬實驗仿真系統；李茜等［12］利用Matlab的可視化用戶界面，由教師輔導學生共同完成實驗教學仿真平臺的設計。耿濤等［13］設計了基于開放式的視頻光纖實驗系統，從產品開發角度訓練學生硬件和軟件設計研發能力；呂菲等［14］利用多門專業課程的實驗器件進行硬件模塊組合和程序編寫調試，設計了波分復用光纖傳輸實驗方案。

上述純硬件實驗的優勢是學生直接接觸真實光纖通信器件與設備，提高了動手操作能力，不足是硬件封裝性強、擴展性差，多以驗證性實驗為主，綜合性和創新性相對較缺乏［6］。純軟件實驗的優勢是學生對原理的理解更加透徹，同時增強了實驗設計的靈活性和綜合性，但不足是與真實設備仍然存在差距，缺乏實體硬件的客觀感受，降低了處理突發故障的能力［4］。混合型實驗發揮硬軟平臺各自優勢，鍛煉了學生多方面的能力，但這類實驗難度較大，往往需要很多學時才能保證教學質量。如何在實驗學時和建設經費有限的條件下，探索教學效果好且難度適中的教學模式是當前光纖通信實驗教學值得研究的問題。本文提出一種基于實況-虛擬-構造（Live-Virtual-Construction，LVC）聯合仿真的光纖通信實驗教學模式。

1 LVC聯合仿真實驗教學模式

LVC是近年來軍事訓練領域一項重點發展的聯合仿真技術［15-17］，其中L（Live simulation）指實裝演練，是真實的人員操作真實裝備開展的演練行動；V（Virtual simulation）指虛擬仿真，是真實的人員操作模擬裝備進行的訓練活動，C（Construction simulation）指構造仿真，是計算機模擬人員操作虛擬裝備的純數字仿真。LVC通過三域深度融合形成體系閉環，能夠提高訓練質量、增強科目多樣性、降低裝備損耗和維護成本，是實戰化條件下裝備體系對抗訓練的一種有效手段［18］。受該技術思想啟發，光纖通信實驗教學嘗試引入LVC聯合仿真方法，以期達到以戰領教、為戰抓教的目的。

新的實驗教學模式分為4 個主要步驟，如圖1 所示。①通過理論學習掌握光纖通信系統的基本原理和重要概念，構建完整知識體系，為LVC 聯合仿真實驗奠定扎實的理論基礎；②根據各個知識模塊特點和現有軟硬件條件，選擇合適方式進行仿真實驗，其中實裝演練（L）主要采用實驗箱、測量儀器儀表、光端機和光纜線路等硬件平臺實現；虛擬仿真（V）采用模擬器或虛擬現實（Virtual Reality，VR）系統進行裝備模擬操作；構造仿真（C）主要采用各類軟件平臺進行數字仿真，這樣既能驗證理論學習中的重要結論，又能加深學生對重要概念和方法的理解掌握；③在LVC領域設計相同或類似的實驗科目，設置相同（相仿）條件（參數），進行雙域或三域聯合仿真，多角度觀察實驗現象、對比實驗結果，分析錯誤（故障）原因，幫助學生從不同維度掌握知識點；④對實驗科目進行考核，在傳統的分項實驗考核基礎上增加聯合仿真項目考核，對學生在LVC各域的系統構造、參數選擇、實驗過程、結果分析等方面進行綜合評價。

圖1 LVC聯合仿真教學模式主要步驟

2 LVC聯合仿真實驗教學實施

理論學習期間，教師有意識地將前后知識點相互聯系，幫助學生建立完整的光纖通信知識體系架構，因為一次實驗往往要用到多個重要知識點。LVC 聯合仿真涉及大量原理和參數，需要用到多個章節的理論知識，只有將各知識點融會貫通才能更好地開展實驗。另外，還應重點講解LVC聯合仿真中用到的重要參數和方法，加深學生理解，在仿真中能準確設置和使用。例如，光纖通信系統設計實驗需要使用光源平均發射功率、接收機靈敏度、光纖損耗系數和色散系數等知識點，還需要根據理論公式計算損耗受限和色散受限中繼距離等。

基于我校現有軟硬件實驗條件，LVC 分項仿真中的實裝演練（L）包括“JH-5002C”型光纖實驗箱、野戰光纜、光纖熔接機、光時域反射儀、光功率計等儀器儀表以及“準同步數字體系”（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）光端機、“同步數字體系”（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光端機和無線光傳輸收發信機等設備，如圖2 所示，開設光器件與設備性能測試、光纜接續、PDH 光端機點對點業務傳輸、SDH光傳輸組網配置、無線光傳輸等多項實驗。虛擬仿真（V）采用基于VR 技術的虛擬光網絡仿真系統，開設“軟件定義分組傳送網（Software Defined Packet Transport Network，SPTN）網絡設計與規劃”“SDH網絡設計與規劃”“PTN網絡設計與規劃”等交互式實驗項目。如圖3 所示，學生可在VR系統中完成SDH、PTN和SPTN設備的組件認知、拆分組裝、拓撲規劃、部署連線、網管配置和故障修復等工作。構造仿真（C）采用OptiSystem軟件實現，目前已設計“光纖傳輸特性仿真”“激光器性能仿真”“光接收機設計仿真”“光時分復用系統仿真”“光波分復用系統仿真”等實驗項目，學生選用元件庫中各類光器件、光纖以及觀測儀器搭建部分或完整的光纖通信系統，根據需要設置相應的參數并仿真得到時域波形、眼圖、頻譜波形等信號特征和P-I曲線、Q值、誤碼率等系統性能。

圖3 基于VR的虛擬光網絡仿真系統

在LVC 聯合仿真階段，根據必要性和可行性在LVC的兩域或三域中設計聯合仿真項目，如表1 所示。以表中第1 項“LC”聯合仿真為例，首先利用萬用表和光功率計測量實驗箱中1 550 nm 激光器在不同偏置電流下的輸出光功率并記錄，如表2 所示；然后在OptiSystem軟件中搭建如圖4 所示的激光器測量電路，設置與實際測量范圍相近的偏置電流參數，仿真得到P-I曲線如圖5 所示。可以看出，仿真與測量結果基本吻合，說明軟件仿真設計和操作測量都比較準確。在“LVC”三域仿真中，學生基于虛擬光網絡系統模擬SDH設備的分解拆裝、系統配置和網絡規劃，熟練掌握后再操作對應的真實設備（華為OSN1500），同時還可在OptiSystem上搭建光時分復用系統，設置標準的SDH傳輸速率，觀察2.5、10 和40 Gb／s下的光脈沖波形。當然，由于現有軟硬件平臺是過去傳統教學模式下逐步建設完成的，目前還不能達到所有實驗項目的LVC聯合仿真，但隨著后續教學和科研項目的推進，聯合仿真將得到進一步拓展和深入。

表1 LVC聯合仿真實驗

表2 萬用表和光功率計測得的激光器輸入輸出信號

課程考核由形成性考核和終結性考核（閉卷考試）組成，其中形成性考核成績主要通過分項實驗報告和聯合仿真實驗報告給出，不僅考察學生對知識、技能的掌握程度，還對學生實驗設計和結果分析能力進行評判。另外，為使學生更好綜合運用知識分析和設計光纖通信系統，形成性考核還包括一次大作業：預先設置數個實際場景并確定系統主要需求，如通信容量和通信距離等；學生組成學習小組，通過分工協作方式查找各類實際光器件和光纖產品的參數，選擇合適設備和光纜組成系統；每組撰寫自己的設計方案并通過LVC聯合仿真的方式迭代驗證和修正，最后在課堂上進行匯報并回答問題；教師和其他組學生共同對當前設計方案進行討論并提問，達到取長補短、共同提高的效果。

3 結語

本文提出了一種基于LVC 聯合仿真的光纖通信實驗教學模式，通過設計實裝、虛擬和構造三域的聯合仿真，幫助學生在理論空間、真實物理空間和虛擬空間3 個層面理解知識和培養能力。經過兩個進度的教學實踐，學生在新教學模式下知識理解更為透徹，設備操作更為熟練，軟件掌握更為合理，達到了從概念中理解仿真和實裝，從仿真和實裝中發掘概念的預期效果。從考核結果來看，實驗報告和大作業質量明顯提升，筆試平均成績相較于過去提高了4.8 分以上，充分說明該教學模式在提升教學質量上的有效性。但學生也反映，目前聯合仿真項目有些參數和環境設置還不能做到完全一致，仿真結果也有一定差異，這是現有實驗條件和設計能力不足導致的，在后續教學和科研工作中將加大聯合仿真項目的設計和建設力度，擴大實驗項目范圍，進一步提升教學水平層次。另外，該教學模式經過適當修改也可應用于其他崗位任職類專業課程，如衛星通信系統和移動通信系統等。