5G业务融合虚拟仿真实验课程设计与实现

胡圣波 雷涛 贡庆 王永容 施燕峰

摘  要  5G业务融合是通信工程专业移动通信与网络优化课程的重要内容。采用虚拟现实技术开发5G业务融合实验课程可降低实验成本，易于运行维护。课程引入高清视频切片、手机切片、海量物联网切片和任务关键性物联网切片等要素，搭建无人机、无人车等多元应用场景，以5G基站、核心网云、AAU、GPS等5G移動通信系统为主要内容，接入OTN、EPON和NGN软交换等设备，学生既能学习以5G为核心的移动通信技术，又能加深对移动通信应用场景的理解，熟悉多业务接入的5G移动通信融合背景，从而有助于学习移动通信与网络优化课程，加强对相关产业和行业发展的认识，提升工程实践能力、创新能力和社会竞争能力。

关键词  5G;移动通信与网络优化;虚拟现实;虚拟仿真

实验;5G业务融合

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0142-04

0  引言

移动通信与网络优化课程是通信工程专业重要核心课程之一。与电路、信号系统、电子电路等电工电子基础课程相对稳定不一样，移动通信与网络优化课程必须反映移动通信技术的最新发展，必须不断更新知识内容和实验手段。特别地，在5G时代的今天和新工科背景下，如何低成本、低消耗、无安全隐患地让学生掌握以5G移动通信网络为核心的移动通信承载网的规划、设计、建设、优化、应用等全过程，培养学生自主学习、探究式学习和创新创业能力，无疑是地方普通高校通信工程专业人才培养必须面对的严峻挑战。

近年来，虚拟现实（Virtual Reality，VR）等新一代信息技术迅猛发展，而VR技术因其具有的沉浸性、交互性、多感知性、自主性等特征，在教育领域的应用越来越得到重视[1-2]。其中，应用VR技术开发虚拟仿真实验课程，在解决因成本、消耗、安全隐患等问题而无法开展的课程实验方面发挥了重要作用，同样受到国内高校的普遍关注。如针对化工实验本身潜在较大安全隐患，陶弈芹等[3]认为：借助虚拟仿真技术将化工生产过程转移到虚拟仿真实验室进行，成为不少高校解决教学中“看多动少”难题的优先选择。刘焕卫等[4]采用虚拟仿真技术开展制冷压缩机拆装实验课程改革，有效地解决了实验设备台套数不足问题，提高学生动手实践能力和解决复杂工程问题的能力。而针对采用物理实物设备开展移动通信与网络优化课程实验成本高、难以维护等的问题，设计开发虚拟仿真实验同样引起重视。如李婷等[5]设计了5G基站工程实施仿真实验项目，郑云等[6]则提出移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理思路。

综上，虚拟仿真实验在实现低成本、低消耗、无安全隐患课程实验方面作用越发明显，也越发重要。本文从5G的eMBB、mMTC、uRLLC三个业务应用场景出发[7]，采用Unity 3D和Visual Studio等工具，设计、实现5G业务融合虚拟仿真实验课程。课程采用虚拟仿真的方式，引入高清视频切片、手机切片、海量物联网切片和任务关键性物联网切片等要素，搭建无人机、无人车等多元应用场景，通过课程综合设计，以5G基站、核心网云、AAU、GPS等5G移动通信系统为主要内容，接入OTN、EPON和NGN软交换等设备，让学生既能学习以5G为核心的移动通信技术，又能加深对移动通信应用场景的理解，熟悉多业务接入的5G移动通信融合背景，从而加强对相关产业和行业发展的认识，提升工程实践能力、创新能力和社会竞争能力。

1  设计思想

本课程支持移动通信场景选择、数据规划、设备安装、数据配置、测试验证、项目提交的项目实施过程。课程内容包含的设备模块有5G基站设备、5G核心网云设备、OTN光传输网络设备、手机终端等，支持系统搭建完成后进行VR查看，同时支持调试后的业务验证、告警处理及协议分析。课程立足于通信工程等专业教学需求，学生可完整掌握移动通信项目的实施全过程，从而更加熟练地掌握移动通信理论和方法。

课程具有将理论知识与现实设备融合，化抽象为具体，加深学生对理论知识的认识与理解等特点，全面覆盖通信网络中的设备，构建通信大网，帮助学生形成通信网络体系，以综合培养学生在5G承载网技术及应用实践能力，培养学生掌握最新的移动通信技术。

2  技术实现

在Windows Server和SQL Server环境下，采用Unity 3D和Visual Studio等开发工具，运用C/S网络架构，完成本实验课程开发，课程系统如图1所示。

课程内容包括5G移动通信网络、移动承载网络、光传输技术等知识点，各知识点组成的网络架构如图2所示。课程系统包括五个知识模块。

2.1  Massive MIMO

Massive MIMO知识模块由射频收发单元阵列、射频分配网络和多天线阵列组成。其中，射频收发单元阵列包含多个发射单元和接收单元。发射单元获得基带输入并提供射频发送输出，射频发送输出将通过射频分配网络分配到天线阵列，接收单元执行与发射单元操作相反的工作;射频分配网络则将输出信号分配到相应天线路径和天线单元，并将天线的输入信号分配到相反的方向;而多天线阵列可包括各种实现和配置，如极化、空间分离等。

2.2  扇区

扇区就是这个基站有几个方向的天线。一般有全向基站，可以理解为信号360°发射，就是一个扇区。定向基站，信号向某个方向发射，周围360°方向根据需要覆盖，一般分为三个扇区;个别情况下，会有两个或大于三个的扇区。现有基站扇区划分一般来说正北方向为一扇区，顺时针120°方向为二扇区，240°方向为三扇区。根据实际情况也可增加扇区和调整扇区覆盖角度。

2.3  SCTP协议

串流控制传输协议（Stream Control Transmi-ssion Protocol，SCTP）是一个面向连接的流传输协议，可以在两个端点之间提供稳定、有序的数据传递服务。SCTP协议提供的服务包括：确认用户数据的无错误和无复制传输;数据分段以符合发现路径最大传输单元的大小;在多数据流中用户信息的有序发送，带有一个选项，用户信息可以按到达顺序发送;选择性地将多个用户信息绑定到单个SCTP包;通过關联的一个终端或两个终端多重宿主支持来为网络故障规定容度。

2.4  5G网络切片

5G网络切片，就是将5G网络切出多张虚拟网络，从而支持更多业务。针对不同的应用场景，网络被切成图3所示的四片。

2.4.1  高清视频切片  原来网络中数字单元（DU）和部分核心网功能被虚拟化后，加上存储服务器，统一放入边缘云，而部分被虚拟化的核心网功能放入核心云。

2.4.2  手机切片  原网络无线接入部分的数字单元（DU）被虚拟化后，放入边缘云，而原网络的核心网功能，包括IMS，被虚拟化后放入核心云。

2.4.3  海量物联网切片  由于大部分传感器都是静止不动的，并不需要移动性管理，在这一切片里，核心云的任务相对轻松简单。

2.4.4  任务关键性物联网切片  由于对时延要求很高，为了最小化端到端时延，原网络的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云。

2.5  LTE FDD传播模型

LTE FDD无线传播模型主要有奥村模型和哈塔模型。哈塔模型主要适用在2G范围。根据不同的使用频率范围，又将哈塔传播模型分为奧村-哈塔传播模型和Cost231-哈塔传播模型。前者适用的频率范围为150～150 MHz，后者适用的频率范围扩展到2 GHz。

3  实验过程和实验方法

本课程依托贵州师范大学通信工程实验室现有软硬件实验资源，采取虚实结合的教学手段，采用引导式、互动式、探究式教学方法，辅助学生开展融合通信网络的认知、规划、设计、部署、测试等实践训练，大力推进实验教学改革。

3.1  实验课程

本实验课时为4课时，采取1+3模式开展实验教学，即1课时的自主学习+3课时的实践操作。在软件中设置实验原理及相关设备简介模块，学生做实验前通过自主学习、教师答疑的方式开展理论学习，并录制部分教学视频供学生参考以弥补远程教学之不足。实践操作部分分为三个层次开展：首先，要求学生完成指定的基本网络拓扑结构;其次，引导学生在基本网络结构基础上进行拓展，设计复杂网络;最后，较为优秀的学生通过讨论、探究等方式开展创新设计，自行设计新的网络结构与功能业务。同时，针对三个层次制定不同的考核标准，给予多元化的考核评价。

本课程可通过理论授课的形式或在线资源共享学习的形式，教导学生进行通信课程的虚拟仿真实验，通过规划—安装—调试—验证的过程，使学生了解5G业务融合虚拟仿真实验课程的理论基础，掌握通信课程的拓扑形式、组网构成及业务的实现。学生在学习虚拟仿真通信课程过程中，将所学知识与实际更好地结合，更好地进行融合通信课程方面的学习。

实施过程如图4所示，描述如下：

1）学生通过自主学习、教师授课、教师答疑等方式学习基础原理知识，包括5G移动通信技术、传输技术、软交换技术等;

2）指导学生搭建综合通信网络，分析工程建设需求与设计规划;

3）学生按照实际课程进程，按照数据规划—场景选择—设备安装—设备调试—验证告警—课程提交，可以在仿真过程中了解课程实施的整体过程。

3.2  实验方法

5G业务融合虚拟仿真实验是从课程的角度出发，学生可以通过软件模拟课程实施的整个过程，如图5所示。实验实施的整体流程是：数据规划—场景选择—设备安装—单板安装—设备连线—集中网管—参数配置—设备告警—结果验证—系统协议—实验报告。学生在虚拟仿真通信课程的整个过程中，对于通信网络中的相关知识（包括网络规划、数据配置、系统优化）可以有进一步的深刻理解。

其中，场景规划提供学校所造大学城、城市中心、城市小区、郊区野外、乡村野外等五个实验主场景;设备安装的设备则包括5G核心网云、5G基站、OTN、手机等，其中5G核心网云、OTN安装在大学城的中心机房，5G基站、手机安装在城市中心的楼顶机房，无人机、无人车则安装在城市中心的场景中等。

4  结语

自2019年开始建设5G业务融合虚拟仿真实验项目以来，通过引入虚拟仿真技术，贵州师范大学全面推动新工科背景下利用信息化条件开展学生自主学习、探究式学习、协作学习等移动通信与网络优化实验教学改革。通过5G业务融合虚拟仿真实验课程，通信工程专业大部分学生能较好地掌握以5G移动通信网络为核心的移动通信承载网的规划、设计、建设、优化、应用等全过程，学习专业兴趣更浓，考研率、各类科技竞赛获奖率明显提升，不少学生先后到中兴通讯、中国移动、中国电信等知名电信设备提供商、运营商就业。可见，运用虚拟仿真技术，应是地方普通高校通信工程专业人才培养、提高学生实践和创新能力的重要选择。■

参考文献

[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.金课背景下化工与制药类虚拟仿真实验教学项目现状分析[J].中国教育技术装备，2020（16）：123-126.

[4] 刘焕卫，赵海波.虚拟仿真实验在制冷压缩机拆装教学改革中的应用[J].中国教育技术装备，2020（8）：127-128，131.

[5] 李婷，郑劲松，林薇.5G网络建设虚拟仿真实验项目设计与管理[J].电气电子教学学报，2020，43（2）：177-182.

[6] 郑云，吴怡.移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理[J].实验室研究与探索，2019，38（3）：127-131.

[7] 胡圣波，朱满琴，杨露露，等.未来无线通信与大数据、人工智能[J].贵州师范大学学报（自然科学版），2020，38（6）：1-10，132.

*项目来源：教育部新工科研究与实践项目“面向新一代信息技术的跨类专业联合培养改革实践”（项目编号：0919001）。

作者：胡圣波，贵州师范大学，教授，研究方向为航天测控通信、无线电通信与组网、天基物联网;雷涛，贵州师范大学，副教授，研究方向为微波与通信、新型电磁材料;贡庆，贵州师范大学，讲师，研究方向为天基簇飞行雷达;王永容，贵州师范大学，讲师，研究方向为航天测控通信;施燕峰，贵州师范大学，讲师，研究方式为微波与通信（550025）。