面向復雜工程問題的移動通信綜合實驗項目設計

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.151

摘 要 為了提高通信工程專業學生的復雜工程問題解決能力，對專業的實驗項目內容進行研究，設計具有復雜工程問題特征和符合時代需求的綜合性實驗項目，實驗項目在內容設置上力求逐級遞進和相互補充。實驗項目包括三種類型，每種類型都符合復雜工程問題特征，能使學生從總體上掌握移動通信技術的原理和系統架構，同時提高學生復雜工程問題解決能力。教學調查和目標達成度計算表明，綜合實驗項目達成對學生解決復雜工程問題能力培養的目的。

關鍵詞 復雜工程問題；通信工程；移動通信；綜合實驗項

目；MATLAB仿真；虛擬現實仿真軟件

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-0-04

0 引言

自從2016年6月正式加入國際工程教育學歷資格互認的《華盛頓協議》以來，我國高校工程教育始終堅持工程教育認證理念，持續深化教育教學改革，提升專業建設水平和人才培養質量，這對提升我國在國際上的競爭力具有重大意義[1]。

培養學生解決復雜工程問題的能力，既是工程教育認證的重要標準，也是高校培養高素質工程人才的關鍵內容[2]。2017年11月修訂的工程教育認證標準中對復雜工程問題主要特征的定義如下：

1）必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；

2）涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；

3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現創造性；

4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的；

5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中；

6）問題相關各方利益不完全一致；

7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

在上述這些特征中，特征1描述的是復雜工程問題的本質，是必須具備的特征；特征2～7描述的是復雜工程問題的表現形式，可以具備其中部分或全部[2]。

培養學生解決復雜工程問題的能力必須通過一系列相關的教學活動來實現[3]，關鍵因素之一是選擇或設計具有復雜工程問題特征的綜合性教學項目[4]。

由于移動通信技術發展極其迅速，通信工程專業的綜合實驗教學與工程實際結合越來越緊密，為了達到工程教育認證標準和新工科要求，綜合實驗項目如何設計一直以來都是教學研究的熱點[5-8]。

1 綜合實驗項目設計

河北大學的移動通信實驗是大三通信工程專業的綜合實踐課。基于實驗室現有的軟件和硬件支持，在設計移動通信實驗時，為了最好地達到學習目標，實驗內容在設置上力求逐級遞進，由簡單到復雜、由一般到特殊[9]，不僅考慮學生對移動通信新技術的理解和對新移動通信標準架構的掌握，也充分考慮學生解決復雜工程問題能力的培養。移動通信綜合實驗主要由MATLAB仿真類、虛擬現實仿真軟件類和實際電信設備操作類三類實驗組成。每種類型都設計了符合復雜工程問題特征的工程實驗項目，各類項目滿足的復雜工程特征如表1所示，綜合實驗項目基本包含了復雜工程的所有特征。

三類項目都是有關移動通信的系統級工程實驗，MATLAB仿真類實驗是從信息處理的角度實現移動通信系統端到端的設計，虛擬現實仿真軟件類實驗是從工程應用角度設計移動通信系統，實際電信設備操作類實驗是部署一個實際的接入網過程，三者相輔相成，相互補充和擴展。

MATLAB仿真類實驗主要分析移動通信的主要模塊的處理過程，設計一個點對點的移動通信仿真系統，結合MATLAB的圖形仿真功能，學生需要考慮實際移動通信系統中的各種關鍵模塊在工程上的解決方法、關鍵技術和信息處理過程；虛擬現實仿真軟件類實驗可以讓學生通過直觀的方式了解通信網絡，包括網絡部署、網絡運維和無線網絡優化等部分，從整體網絡架構上理解移動通信的工程應用系統；實際電信設備操作類實驗是對公網的設備而言的，需要有基本的硬件設備支持，實驗室配置了4G基站、核心網和RRU等現代網絡通信設備，學生通過對基站設備進行開站和管理操作，掌握通信工程中實際問題的解決方法。

1.1 MATLAB仿真類實驗項目

實驗項目在設計時充分考慮復雜工程問題的特征，學生需要綜合考慮通信專業的理論知識和移動通信的工程實際，設計有效的移動通信系統仿真方案。設計實驗項目不是僅靠知道某幾個理論就能完成的，其涵蓋了通信的很多方面，符合特征1的要求。實驗中需要分析新的業務需求及其在通信環境中的實際問題，設計工程解決方案，搭建系統仿真模型，實現數據發送、傳輸和接收過程。新的通信場景需要學生創造性地建模設計，實驗中涉及的因素可能并沒有在標準中定義，符合特征3和特征5的要求。該項目包含移動通信系統的整個過程，綜合性很高，符合特征7的要求。

首先，學生在實驗項目中需要根據所學通信專業知識，分析如何建立有效的、符合工程要求的無線傳輸信道，分析實際移動通信環境的主要影響因素，不同通信業務場景下信道衰減的情況不同，要根據仿真的環境設置，建立與通信場景相符的信道模型。其次，學生需要針對實際工程問題設計發送和接收的實現方案，主要需要考慮的通信場景要求的問題有：系統傳輸的數據量的大??；系統帶寬如何；基站的覆蓋面積是多大；怎么滿足移動通信的低時延；如何解決傳輸中的數據錯誤；基站如何實現用戶的資源調度；每個用戶的調度資源在物理時頻柵格上如何分布；碼間的干擾如何解決。

MATLAB仿真類實驗項目要求學生以團隊的形式合作完成，大家共同研究制定解決方案。實驗項目方案設計要有理有據，每個小組都可以調研、開發和定義有新應用需求的通信業務場景，并設計對應的滿足工程要求的移動通信仿真系統，實現方案不需要局限于現有的移動通信協議標準。圖1是某組學生設計的通信系統模型，用于對小區中心用戶進行數據下發。

1.2 虛擬現實仿真軟件類實驗項目

由于移動通信技術發展快速，用虛擬現實技術構建的實驗項目最大的優點就是能突破時空的限制，構造虛擬環境，使實踐訓練及時跟上移動通信技術的發展，在降低實驗教學成本的同時增強學生的學習動機[10-12]。

虛擬實驗的案例均來自實際工程問題，包含虛擬的城市環境、虛擬的機房布局操作、虛擬接口連接操作、通信網絡搭建和通信過程中控制信令傳輸過程等部分。虛擬現實仿真軟件類實驗項目是在實驗工坊提供的虛擬現實仿真實驗的基礎上，結合培養學生解決復雜工程問題能力的需求，重新設計和整合5G網絡的實驗內容。在實驗項目中，學生需要進行網絡建設的需求分析、無線環境分析、無線網絡規模估計、地形勘察和無線網絡設計等方面的工作，需要運用計算機網絡、交換技術、移動通信、高頻技術、電磁波等各方面的工作原理，才能完成實驗項目，屬于復雜工程問題，符合特征1的要求。

實驗項目包含虛擬5G網絡部署和虛擬無線網絡優化兩部分。虛擬現實仿真軟件類實驗中的網絡部署是根據某種通信場景的虛擬現實和具體的電信設備規劃要求，在虛擬環境中進行網絡部署操作，實驗包括：通信場景的需求分析、容量計算、站點勘察等過程；用鏈路預算、通信場景需求等計算系統容量；設計合理的基站規劃和合適的基站位置，滿足網絡的覆蓋、容量和質量要求。最終要滿足特定現實通信場景的峰值速率、流量密度、連接密度、可靠性、延時和移動性等具體的通信需求。在網絡規劃中還要考慮覆蓋區域的無線電波傳輸環境、建網成本、經濟效益等方面相互制約的因素，符合特征2和6的要求。

無線網絡優化實驗要求學生站在系統工程師的立場進行，按照系統質量標準和覆蓋管理標準，有針對性地提升網絡質量和用戶感受，需要學生具有系統觀和大局觀去解決實際問題。無線網絡優化需要對無線網絡進行性能測試，通過網絡數據采集、數據分析、參數計算分析等操作，設計網絡優化排查方案，尋找影響網絡質量的原因，根據參數的修改、網絡結構調整、設備配置的調整和采取其他的手段，解決移動通信網絡中的覆蓋、切換和干擾等問題。可以通過天線下傾角、天線方向角、天線掛高、天線位置、站點位置的調整，新增站點和無線參數調整等方法，解決實際的工程問題。但是往往在無線網絡優化時，各種已知的解決途徑都不能解決網絡的質量問題，這就需要學生主動積極地創新排查手段，達到解決實際工程問題的目的，符合特征4的要求。

虛擬現實仿真軟件類實驗項目中包含多個子實驗項目，學生可以合作設計方案，組內協商分工完成每個子項目。在通信網絡規劃實驗中，要求學生從電信運營商網絡設計人員的角度進行思考，將自己置于一個實際的復雜工程問題的現場，根據要求進行網絡方案的設計，完成5G網絡規劃設計，并分別針對每個機房闡述自己的規劃思路。通過實驗，培養學生滿足市場需求、客戶需求、競爭要求和成本要求等復雜工程系統設計的能力，使學生認識復雜工程問題中非技術因素的重要性。

在實驗中，學生需要通過查資料自學無線網絡優化的有關知識，了解移動網絡系統的優化方法和流程、通信網絡路測的目標和方法，學習無線網絡優化路測設備的連接，掌握如何通過使用路測工具抓取覆蓋信息、業務下載速率、業務的信令日志，學習如何分析網絡覆蓋情況、干擾情況和切換不成功情況，并對各類問題導致業務失敗的原因進行分析，自學各項優化指標要求和優化常用方法。

1.3 實際電信設備操作類實驗項目

實際電信設備操作類實驗可以幫助學生接觸現網商用設備，解決MATLAB仿真實驗和虛擬仿真實驗的弊端[13]。學校通過開展校企合作和產學研項目，和企業共同建立人才培養基地。實驗室引進4G基站和核心網等電信設備，建成4G商用系統，為培養學生解決復雜工程問題的能力奠定物質基礎，是對MATLAB仿真、虛擬仿真軟件的有力補充[13]。通過定期派專業教師到企業培訓實習和企業專家進課堂的方式，強化教師的工程知識[14]。

實驗項目包含無線接入網絡工程的全過程，實現的是一個完整的無線站點機房建設，包括無線站點的規劃、機房物理部署、無線網元和無線站點的相關參數配置等部分。通過實驗，學生可以掌握無線接入網絡的部署過程。該實驗項目屬于一項復雜工程問題，實驗中，學生需要考慮無線接入網絡技術、射頻要求和無線傳播環境等條件，綜合鏈路預算、通信場景需求等各方面的因素，計算基站參數配置和系統參數配置。實驗符合特征1。

首先，完成無線站點4G機房建設工程的實踐任務，需要學生學習和操作電信設備，實現通信系統工程安裝，主要包括：學習基站和核心網設備的硬件組成，根據基站和核心網設備對板卡地址分配原則，規范操作安裝各自的板卡；完成天饋系統的安裝，包括調節下傾角、掛高等過程；根據施工布線標準和系統網絡結構完成接口線纜的連線。在實踐操作中，不是僅依靠移動通信知識就能完成，還要充分考慮電信設備的環境要求、操作規程、質量要求和維護等方面的事項，符合特征6的要求。

其次，完成基站的工程參數配置，實現基站開通。學生需要學習使用基站設備維護管理軟件，通過加載分發版本和分發數據配置激活硬件設備，使基站正常工作。主要的工作是配置系統網元各節點的數據，實現網元的選擇和切換，包括網元管理、IP配置、SCTP鏈路配置、路由配置、小區規劃和系統無線參數配置等。參數配置要符合實際設備的性能和工作類型，符合特征7的要求。

最后，如果網絡中存在故障而導致用戶無法正常接入時，學生需要學會如何通過系統分析調試快速有效地進行故障定位和排查。通過分析系統告警、Ping、業務檢測等手段，根據4G網絡故障檢測的排查過程，依次對天線端的物理接口、無線空口、基站物理接口、基站與核心網鏈路、核心網等進行排查，找出引起網絡故障的原因。實驗要求學生根據專業所學的理論知識，在已有的系統資源條件下搭建合理的測試環境，解決通信網絡工程問題，符合特征3的要求。

在電信設備操作類實驗項目中，嚴格按照產品說明書和安裝規范要求完成設備安裝過程，依據所學知識解決網絡中的工程問題，學生需要自學電信設備的硬件構成、軟件調試和系統配置等知識，最終實現4G終端正常接入實驗室網絡。

2 綜合實驗項目運行和評價情況

通信工程專業的綜合實驗一般安排一個月的時間完成，在實驗進行的周期內，實驗室全天開放，開放期間至少有一名指導教師在場，可以隨時對學生進行指導和答疑。實驗項目是以項目小組的形式完成的，每組5～6人，互相協助，可以培養學生的職業素養和社會能力，對學生個人成長與發展具有重要意義。首先，指導教師帶領學生了解實驗室，熟悉實驗室的軟件和硬件，發放實驗要求，學生組建團隊、分解任務。其次，在實驗進行期間，每周由指導教師組織團隊進行一周工作進展交流活動，聽取每位學生的報告并點評指導，鼓勵學生創新性的實驗探索。團隊的工作交流活動有利于鍛煉學生的溝通交流能力，保障實驗各項目的正常進行。項目團隊合作完成一類實驗項目的任務后，由指導教室檢查，合格后進入下一類實驗的工作任務。

本課程的成績由實踐設計論文和10分鐘實驗總結視頻兩部分組成，綜合評定成績=實踐設計論文成績×?.?+實驗總結視頻成績×?.?。實踐設計論文考查學生根據各項實驗任務要求，對所有實驗所涉及的知識原理運用、對操作過程的掌握、解決復雜工程問題的能力、在實驗項目中的收獲，以及文字和語言表達能力。10分鐘實驗總結視頻占60%，每組學生根據實際實驗操作情況自行制作，包含三類實驗的具體操作過程，需要根據錄制時間進行編排，最后提交的視頻要能代表自己組的實驗態度、實驗表現和解決實際工程問題的能力，能呈現出最終的實驗結果、小組總結等內容。

小組視頻成績總分根據視頻制作情況給出，小組中每個成員的視頻分數=視頻總分×系數，系數由小組根據成員的實際付出情況自行評定，商議完的結果報給教師。例如，如果小組的視頻分數為90分，某一位成員的系數為0.8，那么該學生的視頻分數為90×0.8=72分。通過這種方式，鍛煉各個小組的合作、協調和溝通能力。

在課程評定時對各個組員的成績滿意度進行統計，考查各個小組的團隊合作能力達成度：

課程的各項指標達成度根據公式（1）進行計算，根據對移動通信工程專業168人的實驗項目掌握情況調查和達成度計算得到結果如表2所示。學生問卷調查的結果說明，移動通信綜合實驗項目基本達成了培養學生解決復雜工程問題能力的目標。

3 結束語

通信工程專業的綜合實驗一直秉承工程認證的持續改進理念，不斷探索研究滿足培養本科生解決復雜工程問題能力的綜合實驗內容，通過不斷實踐，設置從系統理論到系統實踐的MATLAB仿真類實驗項目、虛擬現實仿真軟件類項目和實際電信設備操作類項目，使學生從總體上掌握移動通信技術實現原理、系統架構、工程運維等工程知識，提高學生解決復雜工程問題的能力和創新能力。課程實驗的持續改進要立足產學研項目，結合企業實際需求，進行符合時代需要的內容建設，這樣才能進一步提升高校學生的工程實踐能力和對復雜工程問題的解決能力。

4 參考文獻

[1] 羅正祥.工程教育專業認證及其對高校實踐教學的影響

[J].實驗室研究與探索，2008（6）：1-3.

[2] 中國工程教育專業認證協會關于發布《工程教育認證標

準》團體標準的通告[A/OL].（2022-07-15）[2024-02-08].https：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/xwdt/tzgg56/630626/index.html.

[3] 蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能

力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30，84.

[4] 林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于《華盛頓協

議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：

17-26，38.

[5] 許麗艷，王英，于海生.移動通信鏈式實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2009，28（1）：131-132，144.

[6] 陳萬通，馮青，王續喬，等.基于CDS的4G移動通信實驗教學系統構建[J].教育教學論壇，2020（14）：385-387.

[7] 李勇.移動通信系統虛擬仿真實驗教學平臺的創建[J].

吉林工程技術師范學院學報，2021，37（3）：93-95，98.

[8] 王浩.移動通信實驗室建設探索與研究[J].數字技術與應用，2019，37（7）：30-31.

[9] 張健，王梅.有效學習的含義、理念及實現路徑[J].教育探索，2017（4）：1-4.

[10] 樊星男，尹一帆，呂文淵，等.虛擬現實技術在應用型

本科實踐教學中的應用模式探索[J].中國現代教育裝備，2021（17）：28-31.

[11] 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.

[12] 周曉紅.移動通信虛擬仿真實驗在教學中的應用[J].無線互聯科技，2017（17）：3-4.

[13] 李振松，李學華，王亞飛.面向解決復雜工程問題能力

培養的移動通信實訓方案[J].實驗室研究與探索，

2017，36（7）：235-238.

[14] 楊毅剛，王偉楠，孟斌.以提升解決“復雜工程問題”能力為目標的工程教育培養模式改進研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.

作者簡介：王竹毅，講師；王強軍，博士，副教授。