通信网络类课程虚拟仿真实验研究与实践.docx

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1、通信网络类课程虚拟仿真实验研究与实践 摘 要 在试验室环境下详细实现各种通信网络，并定量评估网络性能是各高校通信工程专业试验教改的重要方向。针对当前通信网络类课程在试验教学中存在的问题，梳理通信网络类课程的相关学问点，设计应用性和工程性很强的虚拟仿真试验项目，使学生驾驭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 试验教学 虚拟仿真 中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2022.09.016 Abstract To realize various communication networks

2、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 experiments， hackle the related knowledge points of communication & network courses

3、 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； netwo

4、rk 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，并依靠课程所设试验来验证所学课程学问，试验内容不系统，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学问联系起来解决实际问题。针对这种状况，将通信网络类课程相关联的学问进行梳理融合，设计相应的虚拟仿真试验项目来对实际问题进行建模分析，使学生在完

5、成试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相识。 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： 移动通信技术的学问难于理论教学。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而目前的培育大纲中没有设置相应的课程或试验课程与之对应，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。 缺少定量评估网络性能的试验课程。目前通信工程专业开展的相关通信网络课程主要有：通信

6、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，并配以肯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。假如在网络课程教學的环节中开设相应的网络仿真试验课程，在试验中搭建各种虚拟网络并对网络的性能进行定量评估。以虚拟技术搭建仿真平台，将通信网络类课程的学问融合于一体，在试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实力。 通信网络系统仿真学问难于理论教学。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

7、体系架构和网络协议较为繁琐。在移动通信的理论中，也涉及到了大量困难的公式和定义，例犹如频干扰、信令接口等。这些理论性特殊强的学问以及困难的数学公式假如采纳传统的板书式教学，不仅会耗费大量教学课时，老师讲授也比较困难，学生学起来很费劲。若采纳试验手段，将理论融入到实际试验操作中，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 虚拟仿真试验教学的可行性 完备的基础学问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学问的完整性。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牢靠传输。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

8、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，学生可以驾驭关于通信网络完备的基础学问体系结构，为网络进行定量分析打下坚实的学问基础。 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困难系统，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，一般高校无法从资金层面对搭建新型通信系统供应持续性的支持。引入虚拟仿真技术手段可以敏捷地进行各种网络系统和协议的模拟，以较少的教学投

9、入状况下，获得对网络和协议等技术的深刻认知。 优秀的仿真软件为虚拟仿真试验的实施奠定了软件基础。NS-2是一个面对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仿真。5-6假如已有模块并不能完整地搭建所需网络，可利用已有模块供应的编程接口，开发所学模块。例如可对系统本身供应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可以干脆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学问分析数据曲线，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 虚拟仿真试验框架设计与规划 3.1 梳理通信网络类课程内容，设计分类的仿真试验 通信网络虚拟试

10、验则是在梳理通信网络类课程的相关学问点基础上构建的仿真试验，旨在以试验教学为载体，对整个通信网络系统的搭建和性能有一个系统的相识。7图1反映了本课题所设计的虚拟仿真试验与课程之间的相互支撑关系。 网络平台类试验。任一困难无线网络均可等效为若干简洁通信系统的集合，均须要用到以上两门课程的基本学问。利用通信原理和无线通信技术课程这两门课程的基础学问，结合现代通信技术发展，梳理整合教学内容，设计网络平台类试验；即在仿真软件中敏捷搭建目前主流的移动通信系统或区域网络系统。 探讨类试验。通信网技术、数据通信与计算机网络课程探讨的是详细网络中各个结构层面的机制、算法和协议。利用以上课程的学问，设计探讨类试

11、验，在探讨网络各层协议的基础上，评估网络平台类试验中搭建的网络系统的各种性能：网络节点相关，传输路径相关，整体网络相关。 设计类试验。在前两类试验的基础上进行第三类试验设计类试验。该类试验由任课老师指定专题或由学生自己拟定题目，通过发挥学生的创建性，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，并利用所学学问，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，但是其供应的可用模型并不能被干脆用于本课题所设计的网络，因此须要构建一些基本的模块。8-9学生在试验设计时，可依据设计的网络选择基本模块并在模块上

12、改进后再采纳。图2展示了所设计的模块与试验项目之间的关系。 信道传输模型建模。信道模型是对整个通信信道的数学描述，根据探讨对象的不同，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实力，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，探讨对象关注的是预料在不同天气状况、不同地理位置条件下的无线信号衰减状况，建立的信道模型称为传播型预料模型。 信道衰落模型影响的范围较小，辐射半径在几个波长以内，描述为瑞利分布或莱斯分布。 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

13、和网络连通度。依据节点移动性与否，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特别重要的影响，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探讨角度不同。 当网络中节点均固定或节点的移动特别缓慢时，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。 通信业务建模。LTE标准组织3GPP依据对业务质量要求的不

14、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别性要求，系统对待呼叫不须要实行排队处理，马上处理呼叫业务。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状况产生影响，因而采纳短相关模型来描述其流量。 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，因而采纳分组传输的方式，并在传输的过程中加以ARQ重传机制、拥塞限制机制等。这类业务网络流量采纳长相关模型来描述。 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，通过细心设计网络类虚拟仿真试验项目，力争

15、在试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，仿真试验项目均以敏捷的设计性试验为主，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。通过虚拟仿真试验教改的实施，将通信网络类课程的原理验证性试验逐步转变为综合性、设计性试验。通过试验教学模式的转变，提高学生分析问题和综合设计的实力，最终培育适应社会发展的无线通信技术综合型人才。 参考文献 1 樊昌信，曹丽娜.通信原理.M.北京：国防工业出版社，2022. 2 杨槐.无线通信技术M.重庆：重庆高校出版社，2022. 3 李建东，盛敏.通信网络基础M.北京：高等教化出版社，2004. 4 彭宏，应

16、颂翔，徐志江，孟利民.高校4G移动通信创新试验平台的建设与应用J.试验室探讨与探究，2022.34：105-109. 5 方路平，刘世华.NS2网络模拟基础与应用M.北京：国防工业出版社，2022. 6 李海雁.基于NS2的無线网络路由试验设计J.电子设计工程，2022.20：108-111. 7 李莉，赵蓉，项东.信原理综合试验教学改革的实践J.试验室探讨与探究，2022.32：179-181. 8 姜斌，包建荣，许晓荣.无线通信试验类课程创新模式探究与实践J.试验室探讨与探究，2022.33：250-254. 9 傅韬，黄本雄.无线网络系统建模综述J.计算机科学，2022.37：40-55. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页