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开源软件在移动通信课程中的应用
【摘 要】 移动通信课程教学内容更新快,系统性强.借助开源网络仿真软件建模,可使学生对网络有更直观的认知,加深对抽象理论的理解.本文以Vienna LTE Simulators 仿真软件为例,探讨如何使用软件建立无线网络系统模型、配置无线信道、模拟资源调度过程,有效辅助移动通信课程的理论教学.
【关键词】 移动通信 开源软件 无线网络仿真 Vienna LTE Simulators
一、背景
自20 世纪90 年代中期以来,蜂窝移动通信一直处于爆发式增长过程中,已经走过四个时代,给我们的生活带来了巨大的变化[1].随着智能手机、平板电脑等设备的普及,随时随地接入互联网的需求日益高涨,这继续激励着移动通信行业的深入发展,向第五代（5G）迈进.移动通信课程作为通信、电子信息类专业的一门重要的专业必修课程,具有很强的系统性和综合性[2].并且由于通信技术日新月异的革新,教学内容更新非常快.
目前的移动通信课程主要是以课堂讲授为主,因为要建立与工程实际相一致的实验网络平台需要大量的经费投入,对一般高校而言并不现实.并且,购买QualNet、OPNET 等网络仿真软件同样需要高昂的费用.但课程中很多教学内容对于学生而言是枯燥又难于理解的,单一的讲授形式下学生很难将知识与现实联系起来,缺乏学习兴趣.因此,本文以Vienna LTE Simulators 下行链路系统级仿真平台为例,探讨开源软件在移动通信课程中的应用.
Vienna LTE Simulators 支持LTE/LTE-Advanced 物理层及链路层关键技术[3][4].软件基于MATLAB 开发,语法简单,库函数丰富,学生容易上手.开放源代码可以让学生清楚地看到无线网络仿真方法,并可在其基础上进行自主设计.该软件不仅可以作为移动通信课程的实验教学辅助工具,也可以作为通信专业毕业设计或相关科研的仿真平台.
二、配置无线网络架构
在课程开始阶段学习了移动通信系统基本概念之后,即可通过软件配置网络架构（主要为无线接入网部分）,给学生以直观认识.软件可配置扁平的传统宏小区蜂窝网络架构,选择全向天线场景或三扇区定向天线场景.图1 所示为三扇区宏小区网络示例.软件也可以配置多层叠加的异构网络架构.异构网络已由LTE-Advanced 标准化,是下一代移动通信网络的重要部署模式.通过设置不同的基站发射功率,同时配合相应的室内外损耗模型,可模拟宏小区与微小区,微微小区,家庭基站等叠加覆盖的多种异构网络场景.
在建立无线网络架构过程中,首先需要设置网络带宽、载波频率、基站数目及分布、用户数目及分布等基本参数.进而配置基站主要功能属性,包括最大发射功率、天线增益、单天线/ 多天线模式、资源调度器等.基站位置可选择传统六边形蜂窝网络或随机分布的基站位置以模拟城市、热点和郊区等不同场景.之后根据预定关联策略,将用户关联到相应基站.因为关联策略并没有标准化,因而此部分可作为学生自主设计内容.若打开用户移动功能,并设定移动速度或路线等参数,还可以观察移动用户的切换过程.
通过配置无线网络架构,学生可以从宏观认识移动无线网络的组成,了解基站、用户站及空中接口的关键属性和主要功能,加深对蜂窝、频率复用、系统容量、切换等概念的理解.
三、配置无线信道
无线信道的时域、频域特性是移动通信课程中的重要内容.教材中往往由很多数学公式来描述信号传播过程中的各种损耗,难于理解.但通过软件仿真,由学生自己动手计算各部分损耗,观察对比各种场景下多种信道模型的仿真图形和数据,将取得更好的教学效果[5].
对于大尺度路径损耗,软件支持Free space、Cost231、TS 36.942、TS 25.814 等信道模型.涵盖城市微小区、城市宏小区、郊区宏小区等多种场景.小尺度衰落包含行人及车辆场景模型.
通过配置大尺度路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、噪声等参数,可计算同频干扰、接收端信干噪比（SINR）,进而计算最大传输速率及系统容量.在此过程中,学生可以了解影响无线信道条件的各种因素,理解香农公式,对各种调制编码方式的性能有直观的认识.能够理解自适应调制编码（AMC）技术的工作原理,以及用户站与基站间实现AMC的信令交互过程.
图2 演示了图1 所示网络对应的信道条件（大尺度衰落）及对应的信道质量指示（CQI）.
四、资源调度仿真
在配置无线资源调度器的过程中,学生可以了解LTE 的帧结构、无线资源在时域和频域的划分方法、无线资源分配过程以及OFDMA 技术的基本工作原理等内容.软件支持多种调度算法,包括轮询、最大载干比、比例公平、最大最小公平等多种经典调度算法.通过仿真对比,观察不同目标的资源调度算法对用户及系统性能的影响,可对无线网络提供的服务质量（QoS）、公平性等内容有更加具体的认识.此外,因为LTE 没有将无线资源调度算法标准化,软件实现的主要是经典的信道资源调度算法,没有考虑功率分配且算法比较简单.因此,此部分也可作为学生自主设计内容,编程实现更多目标的资源调度算法.
五、结语
根据移动通信课程的教学内容,探讨了开源软件在模拟无线网络架构、无线信道环境和无线资源调度过程等方面的应用.可以由教师课堂演示配合理论教学,也可以在实验学时中由学生编程验证或自主设计.通过仿真,能够将课程中复杂的理论知识和抽象的概念形象化和具体化,使学生对关键知识和概念有更好的理解和掌握.
参 考 文 献
[1] Theodeore S. Pappaport 著, 周文安,付秀花,王志辉等译,无线通信原理与应用（第二版）,电子工业出版社,2012.
[2] 刘林, 马征. 通信技术快速发展下《移动通信》课程教学内容改革[J]. 教育教学论坛,2014,(35):50-51.
[3] Markus Rupp, Stefan Schwarz, and Martin Taranetz. The Vienna LTE-Advanced Simulators: Up and Downlink,Link and System Level Simulation[M]. Springer Singapore, 2016.
[4] https://www.nt.tuwien.ac.at/research/mobile-communications/vccs/vienna-lte-a-simulators/.
[5] 邓小飞, 黄光亚, 陈炳权, 杨喜. 移动通信实验教学体系的构建[J]. 电子世界,2017(3):18-19.
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