通信网络类课程虚拟仿真实验研究与实践

摘 要 在实验室环境下具体实现各种通信网络，并定量评估网络性能是各高校通信工程专业实验教改的重要方向。针对当前通信网络类课程在实验教学中存在的问题，梳理通信网络类课程的相关知识点，设计应用性和工程性很强的虚拟仿真实验项目，使学生掌握通信网络的建模方法和仿真技能，理解网络中各层的设计机制、算法和协议。

关键词 通信网络 网络性能分析 实验教学 虚拟仿真

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.09.016

Abstract To realize various communication networks and evaluate network performance under the laboratory environment is an important reformation aspect of communication engineering major. According to the problems existed in courses of current communication & network experimen♋ts， hackle the related knowledge points of communication ฆ& network courses and design virtual experiment projects with great practicality and engineering. Through the experiment teaching， students can master the modeling and simulation method of communication network； comprehend the network protocols， algorithm.

Keywords communication network； experimental teaching； network performance analysis； virtual simulation

0 引言

目前通信工程专业开展的相关通信网络课程主要有：通信原理、无线通信技术、数据通信与计算机网络、通信网技术、信息论等。[1-3]目前的教学中，各门课程独立讲授，并依赖课程所设实验来验证所学课程知识，实验内容不系统，学生普遍存在理论与实践联系不起来的现象。

由于缺乏相关课程之间内在联系的梳理，使得学生在应对网络系统设计与分析等综合性问题时，往往不能将所学的多门课程的知识联系起来解决实际问题。针对这种情况，将通信网络类课程相关联的知识进行梳理融合，设计相应的虚拟仿真实验项目来对实际问题进行建模分析，使学生在完成实验的过程中对整个通信网络的搭建和性能分析有一个全面的认识。

1 通信网络类课程的教学现状

目前通信工程专业在相关通信网络类课程设置上存在如下一些问题：

（1）移动通信技术的知识难于理论教学。移动通信作为通信领域发展最为快速的技术，LTE已经进行商用，各种高速数据传输网也正在进行如火如荼的建设，5G技术也已经提出。[4]而目前的培养大纲中没有设置相应的课程或实验课程与之对应，学生对新一代移动通信系统并未进行系统的学习，然而作为通信领域最重要的发展方向之一，如何将其进行系统的教学已经对当前的理论教学提出了新的要求和挑战。

（2）缺少定量评估网络性能的实验课程。目前通信工程专业开展的相关通信网络课程主要有：通信原理、无线通信技术、数据通信与计算机网络、信息论等。在当前的授课模式中，各门课程独立进行理论授课，并配以一定学时的实践教学对理论进行验证；而相关课程之间的内在联系却未有得到很好的展示，这导致学生对这类课程认知和理解不到位。如果在网络课程教W的环节中开设相应的网络仿真实验课程，在实验中搭建各种虚拟网络并对网络的性能（如网络的吞吐量、时延等）进行定量评估。以虚拟技术搭建仿真平台，将通信网络类课程的知识融合于一体，在实验过程中加深学生对于网络的体系和网络各层协议的理解，以此提升学生的实践能力。

（3）通信网络系统仿真知识难于理论教学。通信网络系统仿真的教学内容覆盖面较广，在原理性课程中，有大量的概°念定义和公式；在网络课程中，系统的体系架构和网络协议较为繁琐。在移动通信的理论中，也涉及到了大量复杂的公式和定义，例如同频干扰、信令接口等。这些理论性特别强的知识以及复杂的数学公式如果采用传统的板书式教学，不仅会耗费大量教学课时，教师讲授也比较困难，学生学起来很费力。若采用实验手段，将理论融入到实อ际实验操作中，并通过学生自己测试所设计网络性能，激发学生的主观能动性，达到较好的授课效果。

2 虚拟仿真实验教学的可行性

（1）完备的基础知识结构是网络定量分析的基础。目前已开设的基础课程体系保证了通信基础知识的完整性。通信原理的核心是通过信号波形设计和信道纠错编码来实现信息有效而可靠传输。数据通信与计算机网络课程主要介绍计算机网络体系结构和网络各个层次的协议及其工作原理。通信网技术课程介绍通信网络的基本原理，图论/随机过程/排队论等数学基础、拓扑设计等内容。通过以上课程的学习，学生可以掌握关于通信网络完备的基础知识体系结构，为网络进行定量分析打下坚实的知识基础。

（2）搭建虚拟通信系统能应对不断更新的网络技术。通信网络是一个大型的复유杂系统，且其技术更新快速，搭建实际的通信网络环境进行教学，虽然学生可以对网络的构建有直观的认知，但是通信设备通常造价昂贵，搭建实物平台的成本很高，而且移动通信理论更新速度快，普通高校无法从资金层面对搭建新型通信系统提供持续性的支持。引入虚拟仿真技术手段可以灵活地进行各种网络系统和协议的模拟，以较少的教学投入情况下，获得对网络和协议等技术的深刻认知。 （3）优秀的仿真软件为虚拟仿真实验的实施奠定了软件基础。NS-2是一个面向对象的开源网络仿真工具，可以利用已有的模块对各类网络拓扑、网络协议和网络场景（有线网和无线网、局域网和广域网）仿真。[5-6]如果已有模块并不能完整地搭建所需网络，可利用已有模块提供的编程接口，开发所学模块。例如可对系统本身提供的协议模块进行改进，以便于测试新协议的性能。在仿真完成之后，NS2可以直接对仿真中得到的数据进行可视化显示，学生运用所学的理论知识分析数据曲线，能够判定所设计网络是否正确或是否达到预期的设计目标。

3 虚拟仿真实验框架设计与规划

3.1 梳理通信网络类课程内容，设计分类的仿真实验

通信网络虚拟实验则是在梳理通信网络类课程的相关知识点基础上构建的仿真实验，旨在以实验教学为载体，对整个通信网络系统的搭建和性能有一个系统的认识。[7]图1反映了本课题所设计的虚拟仿真实验与课程之间的相互支撑关系。

（1）网络平台类实验。任一复杂无线网络均可等效为若干简单通信系统的集合，均需要用到以上两门课程的基本知识。利用通信原理和无线通信技术课程这两门课程的基础知识，结合现代通信技术发展，梳理整合教学内容，设计网络平台类实验；即在仿真软件中灵活搭建目前主流的移动通信系统（3G、4G）或区域网络系统（无线个域网 WPAN、无线局域网 WLAN）。

（2）研究类实验。通信网技术、数据通信与计算机网络课程讨论的是具体网络中各个结构层面的机制、算法和协议。利用以上课程的知识，设计研究类实验，在研究网络各层协议的基础上，评估网络平台类实验中搭建的网络系统的各种性能：网络节点相关（节点连通度、数据包转发率、平均拥塞时间等），传输路径相关（传输带宽、上行链路误码率、传输时延、时延抖动等），整体网络相关（误帧率、信道误码率、吞吐量等）。

（3）设计类实验。在前两类实验的基础上进行第三类实验――设计类实验。该类实验由任课教师指定专题或由学生自己拟定题目，通过发挥学生的创造性，自主设计新的通信网络、通信协议，或是对现有网络进行改进，并在仿真平台上验证创新设计的网络与协议效果，并利用所学知识，分析所得结果的正确性。

3.2 仿真基本模块的构建

虽然NS2可以模拟大部分的网络场景，但是其提供的可用模型并不能被直接用于本课题所设计的网络，因此需要构建一些基本的模块。[8-9]学生在实验设计时，可根据设计的网络选择基本模块并在模块上改进后再采用。图2展示了所设计的模块与实验项目之间的关系。

（1）信道传输模型建模。信道模型（主要是无线信道模型）是对整个通信信道的数学描述，按照研究对象的不同，信道可分为调制信道和编码信道。其中调制信道可用于描述各种调制制度不同的抗干扰能力，是最为常用的信道模型之一，在建模时常分为路径损耗模型和信道衰落模型。

路径损耗模型建模的信道长度较长，可达数千米以内。由于多径效应的影响，研究对象关注的是预测在不同天气状况、不同地理位置条件下的无线信号衰减情况，建立的信道模型称为传播型预测模型。

信道衰落模型影响的范围较小，辐射半径在几个波长以内，描述为瑞利分布（Rayleigh）或莱斯（Ricean）分布。

（2）网络拓扑建模。无线网络拓扑描述的对象是网络中节点的移动性和网络连通度。根据节点移动性与否，网络的拓扑结构可分为静态网络拓扑和动态网络拓扑两种。网络模型及其参数的设置对所获得的仿真结果具有非常重要的影响，不同的网络模型具有不同的数据传递率，平均端到端时延，吞吐量、路由开销等，因为不同网络建模的研究角度不同。

当网络中节点均固定或节点的移动非常缓慢时，此时可认为网络的拓扑结构是静态网络拓扑。在此条件下建模工作将集中于网络拓扑指标，如节点度分布、网络直径和介数等。

当网络中运动节点的数量较多、移动速度较快时，网络的拓扑结构应转而分析节点的移动模型。移动模型可分为两类：轨迹跟踪模型和人工合成模型。

（3）通信业务建模。LTE标准组织3GPP根据对业务质量要求的不同定义了4种基本的业务类型，包括：会话类业务、流媒体业务、交互类业务和背景类业务。

会话类业务来自电路域的实时呼叫，由于实时通话业务的特殊性要求，系统对待呼叫不需要采取排队处理，立即处理呼叫业务。由于呼叫业务具有独立性，因为当前的呼叫到达并不会对之后的呼叫到达情况产生影响，因而采用（下转第92页）（上接第33页）短相关（SDR）模型来描述其流量。

由于流媒体业务、交互类业务和背景类业务实时性要求不强，因而采用分组传输的方式，并在传输的过程中加以ARQ重传机制、拥塞控制机制等。这类业务网络流量采用长相关（LRD）模型来描述。

4 结语

无线通信网络技术的发展日新月异，为适应这种发展趋势，紧跟技术发展的前沿，通过精心设计网络类虚拟仿真实验项目，力争在实验内容上反映通信网络及仿真领域的最新技术成果，保证在教学内容上紧跟先进技术。其次，仿真实验项目均以灵活的设计性实验为主，学生自主选择模块并搭建不同网络系统，充分调动学生的自主学习性。通过虚拟仿真实验教改的实施，将通信网络类课程的原理验证性实验逐步转变为综合性、设计性实验。通过实验教学模式的转变，提高学生分析问题和综合设计的能力，最终培养适应社会发展的无线通信技术综合型人才。

参考文献

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