新一代宽带无线通信全网部署与优化虚拟仿真国家级一流课程

沈建华、陈美娟南京邮电大学上线时间:2017年
  • 所属专业类:电子信息类
  • 对应专业:通信工程
  • 课程类型:专业基础课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:无线通信原理,移动通信系统,通信技术综合实验,专业课程设计,毕业设计

本项目由校企合作联合开发,具有完全自主知识产权。系统设计参照现网真实宽带无线通信网络环境,实验界面和实验操作完全再现实际工程场景。本项目可根据不同类型和不同层次实验教学要求,完成从无线通信网络的总体设计、容量计算、站点规划,到具体的设备选型、接口配置、线缆连接、参数设置,直至全网数据配置及联调、故障查找等功能。系统预置丰富的帮助文档及告警信息,可对学生具体实验操作进行指导,判断是否正确并给出评价。

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    3.9
    • 实验内容

      3.7
    • 操作系统

      3.7
    • 支持服务

      3.7

    共享应用每日0点更新

    • 浏览量 53347
    • 实验人次 63186
    • 实验人数 4789
    • 实验平均用时 90'
    • 实验完成率 81%
    • 实验通过率 按人次 70.1%按人数 97.6%
    按人次按人数
    • 优秀 26.38%
    • 达标 43.76%
    • 不达标 29.86%

    实验系统浏览器要求

    教学支持热线

    热线电话

    团队成员

    实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

    1. 总体目标

    信息通信技术具有技术高度密集、对实践性要求高和更新换代迅速等特点,传统的实验实践教学主要依赖于校内专业教学实验室、科研实验室以及校外实践教育基地所开展。随着包括新一代宽带无线通信等新兴通信与信息技术的不断发展,采用传统实验实践教学模式开展教学日益受到局限,如传统的通信与信息实验及综合创新技能培养中存在一些真实实验不具备或难以完成的教学功能,以及存在专用大型贵重仪器测试分析等高成本、高消耗、不可逆、存在安全隐患的操作等。引入虚拟仿真技术手段可以更好地推动信息化条件下学生自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法的改革,提高教学能力,丰富教学内容,拓展实践领域,降低成本和风险,全面提高学生创新意识和实践能力。本实验的总体目标是依托学校建设的通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心,以构建高度仿真的虚拟宽带无线通信实验环境和实验对象,给学生提供绿色、可靠、安全和经济的实验项目,让学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果。

    2. 具体目的

    1)实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。对于通信与信息网络领域的许多实验项目而言,无论校内的实验室及企业实践基地的真实系统及网络,都受到用户规模和业务类型的限制,不可能完全再现真实的网络和业务环境。例如对于包括3G/4G等宽带无线通信环境而言,依赖硬件设备的实验环境与真实通信网络中规模巨大的用户数量以及变化频繁的业务需求等相比,存在很大的区别,使用传统硬件设备,即使是诸如南京邮电大学建设的企业级硬件实验室也无法完全再现真实网络及业务,必须依赖虚拟仿真技术加以补充;

    2)针对高成本、高消耗、以及对环境存在污染等情况时,提供可靠、安全和经济的实验项目。例如针对宽带无线通信系统及网络的业务配置及测试,需要使用大型贵重的矢量信号源、网络分析仪、数据分析系统、大型服务器等,不仅所需的硬件成本较高,同时也存在实验附件(如专用测试电缆、附件、连接器等)的损耗及环境问题。引入虚拟仿真手段不仅可以有效解决此类实验项目成本高、消耗高和存在环境污染等缺点,同时也能拓展实验内容,实现硬件制造中受技术手段和加工工艺所不能实现的实验内容;

    3)开发现阶段技术条件不具备或无法实现的实验教学功能。信息通信技术的高速发展,使得传统的实验教学设备、系统和仪器的发展不能完全适应现阶段实验实践教学的需要。例如对于3G4G5GWiFiBluetoothZigBeeNB IoT等复杂异构宽带无线通信环境而言,现阶段尚不具备现成的实验实践平台及资源,而人才培养及教学实践中已经有明确的需求,这也催生了只有依靠虚拟仿真技术才能开展相关的教学活动。

    4)解决通信信息类专业学生到企业工程训练难的重要途径。信息通信行业的严格保障性要求,以及信息安全要求高、设备贵、更新快等特点,使得学生到企业真实网络环境中开展真刀真枪的工程训练难。为有效解决学生工程训练难的问题,南京邮电大学依托与信息通信产业的密切联合,除已经建设的一个具有国内领先水平的完整的全程全网信息通信实验平台外,系统地整合学校信息化实验教学资源,以培养学生综合设计和创新能力为出发点,联合建设开发了虚拟仿真教学资源,构建了较为完整的宽带无线通信虚拟仿真实验环境,使学生全面学习和掌握包括宽带无线通信全网的通信原理及知识的基础上,通过不同类型、不同层次、不同要求的虚拟仿真实验项目,完成网络拓扑、网络规划、工程部署、数据配置、业务调试等移动通信网络和承载网络通信技术,掌握通信全网故障排查思路和网络优化的基本素质与能力。

    (1)实验原理:

    本实验涉及新一代宽带无线通信全网部署与优化,包括LTE无线通信网络、IP承载网络和光传输网络的通信原理和典型应用,关键知识点包括:

    1LTE无线通信网络部分:无线网络的容量估算和覆盖估算方法;EPC核心网各网元的容量规划方法;LTE网络IP地址规划;LTE无线机房的物理设备配置、数据规划和无线数据配置;EPC核心网机房物理网元的配置、各网元的数据规划和数据配置;LTE网络业务进行方法。

    2)光传输网络(OTN)部分: OTN网络的拓扑规划;OTN设备部署;OTN业务调试;

    3)分组传送网(PTN)部分:承载网容量计算;全网IP地址规划;VLAN规划;PTN设备部署;路由调试方法;

    4)网络综合测试与优化: IP承载网与光传输网对接;无线接入网和核心网的对接;业务联合调试;网络性能优化方法。

    知识点:
    0
    暂无内容
    (2)核心要素仿真设计:
    暂无内容
    (1)学生交互性操作步骤:
    共15 步
    (2)交互性步骤详细说明:
    暂无内容

    本项目依托通信与信息网络国家级虚拟仿真实验中心,大力推进实验教学改革,实行包括系统化、个性化、多元化等多种实验教学方法,提升大学生实践创新能力。实验实践教学中始终秉承学校人才培养的目标定位,坚持知识、能力、素质协调发展,学习、实践、创新相互促进的实验实践教学理念,一贯把实践和应用能力、研究和创新能力的培养放在重要位置;坚持以学生为中心,以培养目标为导向,努力实现人才培养目标与社会需求的有机结合。

    1)系统化实验教学方法

    为使虚拟仿真实验教学更好地用于启迪学生的科学思维和创新意识,我们积极开展实验技术研究,合理规划、精心设计实验项目和实验方案,系统地提高实验效果。例如,针对无线通信这一方向,我们《无线通信原理》、《移动通信系统》、《课程设计》等多门课程有机整合,建设一个既有基础理论,又有应用研究,加上实现技术三位一体的虚拟仿真实验教学体系,在实践性环节,通过本项目的实施,使得学生可以在传统硬件实验系统直观感知基础上,通过不同类型的虚拟仿真实验,从虚拟系统和网络配置、虚拟业务实现、虚拟故障查找、虚拟网络优化、虚拟网络设计规划等不同环节和层次的虚拟仿真实验内容,从而较为全面和系统地掌握宽带通信系统原理及网络应用,为后续课程的学习和继续深造打下良好的理论和实践基础。针对全体通信工程专业学生开设《通信技术综合实验》(必修实验课),使得选择非无线通信专业方向的学生也初步地掌握以较为完整的无线通信完整过程的实验教学内容,帮助学生对多门知识融会贯通,同时又使学生借助虚拟仿真实验手段了解和熟悉实际的信息通信系统及设备,锻炼实践能力。

    2)个性化实验教学方法

    为充分体现以生为本、因材施教,实验中心以实验教学为主线,改进实验教学方法,建立以学生为中心的实验教学模式,形成以自主式、合作式、研究式为主的学习方式。与多层次的实验教学体系相对应,自主式学习主要对应体系中的第一层(基础层),教学内容为基础和专业基础的实验知识和实践技能;合作式学习主要对应体系中的第二层(综合层),培养学生系统设计思想,通过相互合作,完成跨平台的科技作品,提高处理复杂问题的能力;研究式学习主要对应体系中的第三层(研究与创新层),通过学生参加科研项目和创新竞赛等,培养学生的创新意识与创新思维。

    为保证个性化培养的有效实施,本虚拟仿真项目可以提供多个不同层次的模块供学生自主选择,为学生创造自主学习的空间。例如,最低层次的认知环节学生可以在虚拟仿真实验环境中了解网络结构、设备外形、接口连接等基础知识;第二个层次中学生可以在虚拟仿真环境中学习和掌握特定业务的配置与实现,并通过训练初步具备查找、定位和解决当前网络中故障点的能力。在此基础上,可以以特定用户间业务需求及当前网络资源使用情况为基础,训练学生计算分析能力,可以设计给出网络规划及优化方案。不同类型的虚拟仿真内容设计使得每个学生在每个环节都可以根据自己的兴趣选择实验模块,通过不同的通道达到培养目标要求。

    3)多元化实验教学与考核方法

    为全面提升学生实践创新能力,实验中心采用先进的实验教学手段和现代技术,融合多种方式辅助实验教学,实现教学方法多元化;同时,实验中心对考核方法进行改革,通过建立多元化的实验考核方法,统筹考核实验过程与实验结果,激发学生实验兴趣,提高实验能力。本虚拟仿真实验项目除了支持实验教学外,还是课外科技活动重要的基础和平台,通过教授大讲坛、组建科协等学生创新团体、举办科技节、实施大学生科技创新训练计划、组织参加各级各类科技竞赛、参加教师科研项目等形式,调动学生参加创新活动的积极性,不断培养学生的实践和研究能力。实验中心充分利用教师的专业优势和信息化手段,采用现代化的实验技术,将一些先前只能进行演示性实验的大型设备,通过网络同屏演示、客户端远程登陆服务器等多种技术手段,使得学生可以在自己的计算机上动手完成实验,提高了实验效果。

    实验中心积极采取各种措施激发学生实验兴趣,提高实验动手能力,针对各类实验的特点,统筹考核实验过程与实验结果,建立了多元化实验考核方法。例如,基础实验和设计实验分别记分。基础实验按实验秩序、预习和回答问题、基本操作、实验记录规范性和实验处理正确性、报告等项目考核;综合设计实验按工程项目的资料收集、系统设计方案、功能模块的划分与调试、程序编写和调试、仿真结果与最终实物等考核。再如,实验期末考试采取笔试、口试和现场操作相结合的综合考核方法,实行网络答题、现场提问、现场解决问题。另外,通过 “team work”作业,要求学生自行组合共同完成课题,培养学生的团队协作精神。

    对于操作过程中实验结果的要求:

    1)宽带无线通信网络:要求独立规划LTE网络;在实训模式下,达到手机能够注册网络、能够正常使用FTPHTTP业务、能够进行切换和漫游。

    2IP承载网络:要求独立规划IP承载网络;在工程模式下,达到涉及到的城市OTN网络光路检测成功和PTN网络路由畅通。

    3)联合调试与优化:要求独立规划LTE核心网与承载网对接数据、独立规划无线接入网与承载网的对接数据;在工程模式下,达到手机能够切换和漫游、业务速率满足要求。

    这些实验结果要求被分解为8个阶段性的结果要求,依次体现在前文的实验步骤中,小结如下:

    1阶段要求为:业务调试时,在实验模式下,能够实现:手机可以上网。结果如“图10c)注册成功”所示。

    2阶段要求为:业务调试时,在实验模式下,能够实现:手机可以使用FTPHTTP业务。结果如“图10dFTP业务成功”和“图10dHTTP业务成功”所示。

    3阶段要求为:业务调试时,在实验模式下,能够实现: 手机可以在不同小区间切换; 手机可以在不同城市的无线通信网络网络间漫游。结果如“图 12实验模式切换成功”和“图 13实验模式漫游成功”所示。

    4阶段要求为:业务调试时,承载网在工程模式下,能够实现: 光路检测成功; 承载网所有RTPTN的所有地址,能够Ping通。结果如“图18光路检测”和“图19  路由检测”所示。

    5阶段要求为:业务调试时,在工程模式下,无线通信核心网络和承载网的联合调试,能够实现:无线通信核心网的业务IP地址与承载网所有RTPTN的所有地址,能够Ping通。结果如“图 20千湖A站点PTN1与千湖市LTE核心网对接成功”所示。

    6阶段要求为:业务调试时,在工程模式下,无线接入网和承载网的联合调试,能够实现: 无线通信站点的IP地址,与承载网所有RTPTN的所有地址,能够Ping通。 无线通信站点的IP地址,与无线通信核心网的业务IP地址,能够Ping通。结果如“图 21万绿市A站点BBU与万绿市LTE核心网机房S1_MME接口路由通”所示。

    7阶段要求为:业务调试,在工程模式下,能够实现: 手机可以在不同小区间切换; 手机可以在不同城市的无线通信网络间漫游。结果如“图22a)工程模式下切换成功”和“图22b)工程模式下漫游成功”

    8阶段要求为:通过仿真场景参数的设置、无线参数配置的优化,能够实现:. 终端数据业务的上行速率达到规定要求;  终端数据业务的下行速率达到规定要求。对影响网络性能的主要因素进行讨论。结果如“图 25aFTP业务正常”和“图 24aFTP业务失败”所示。

    对于实验报告的要求

    报告结构严谨,文字通顺,用语符合技术规范,图表清楚,书写格式规范,不与别人雷同。每个阶段性结果的获得,都有相关的理论知识点支撑,要求在报告中写出对这些知识点的理解以及这些知识点在无线通信网络中的具体应用

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