陳威兵, 馮 璐, 劉光燦

(長沙學(xué)院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410003)

支持在線虛擬仿真的通信工程專業(yè)實驗室建設(shè)

陳威兵, 馮 璐, 劉光燦

(長沙學(xué)院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410003)

以通信工程專業(yè)為例,提出一種結(jié)合在線虛擬仿真的通信綜合實驗室建設(shè)方案。該方案以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)。實驗者可以通過遠(yuǎn)程操作網(wǎng)絡(luò)虛擬軟件或遠(yuǎn)端真實設(shè)備進(jìn)行實驗,也可以通過口袋實驗?zāi)K完成真實實驗,并將實驗結(jié)果通過微信云傳送給實驗指導(dǎo)教師。這種在線虛擬仿真實驗可以和慕課、微課、移動學(xué)習(xí)等在線學(xué)習(xí)方式有效結(jié)合,是對傳統(tǒng)真實實驗的有效補(bǔ)充。

虛擬仿真； 在線實驗； 通信工程； 實驗室建設(shè)

非正式學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者通過自主閱讀、觀看視頻資料、交流、情境認(rèn)知等方式完成知識的積累和能力的提高。由于學(xué)習(xí)時間的靈活性、學(xué)習(xí)進(jìn)度的自主性、學(xué)習(xí)形式的新穎性,使非正式學(xué)習(xí)這種泛在學(xué)習(xí)方式更容易為學(xué)習(xí)者所接受。在線網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)[1]就是一種重要的非正式學(xué)習(xí)方式[2],目前在高校教學(xué)中得到青睞。在線學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)學(xué)校教育相結(jié)合的混合教學(xué)方式被認(rèn)為是“當(dāng)今高等教育領(lǐng)域內(nèi)一個毋庸置疑的必然發(fā)展趨勢”[3],但目前主要用于理論教學(xué)中,在實驗教學(xué)中的嘗試還不多。混合式實驗是傳統(tǒng)實驗與在線虛擬實驗相結(jié)合的實驗方式[4]。本文以通信工程專業(yè)為例,探討一種結(jié)合在線虛擬仿真的通信綜合實驗室建設(shè)方案。

1 在線虛擬仿真實驗構(gòu)建方法分析

虛擬仿真實驗是利用VR技術(shù)構(gòu)建逼真的實驗環(huán)境、實驗對象和實驗內(nèi)容,讓學(xué)生在開放、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行自主實驗設(shè)計與操作[5]。

早期的虛擬仿真實驗多基于PC軟件的單機(jī)版,主要用于替代復(fù)雜實驗、高危環(huán)境實驗、高損耗實驗，以及再現(xiàn)真實世界不存在的對象、難以觀察或重復(fù)的過程。實驗可以是全仿真或者半實物仿真,強(qiáng)調(diào)多媒體渲染。仿真軟件可以是LabVIEW、Matlab、Scilab等通用軟件,也可以是用于某一學(xué)科或特殊用途的專用軟件,如用于電路仿真的Multisim、用于網(wǎng)絡(luò)仿真的OPEN NET、用于移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的Pioneer等。

在線虛擬仿真實驗以基于互聯(lián)網(wǎng)與個人移動設(shè)備的在線實驗為特點(diǎn)[6],通常包括8個功能子系統(tǒng)：(1)仿真實驗子系統(tǒng)；(2)創(chuàng)新實踐子系統(tǒng)；(3)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)；(4)在線交流子系統(tǒng)；(5)教學(xué)資源子系統(tǒng)；(6)教學(xué)管理子系統(tǒng)；(7)虛擬儀器子系統(tǒng)；(8)調(diào)用程序接口。在線虛擬仿真實驗流程(見圖1)與真實實驗流程相似。

圖1 虛擬仿真實驗流程

在線虛擬仿真實驗主要包括軟件共享實驗、儀器共享實驗和遠(yuǎn)程控制實驗3類[7-8]。

軟件共享類虛擬仿真實驗是完全虛擬的實驗,它以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo),利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù),將實驗?zāi)K和測試儀器以虛擬的方式搬到PC機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上,為學(xué)生提供一種全新的虛擬實驗空間。實驗系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和客戶層[9](見圖2),一般采用C/S模式,簡單實驗也可采用B/S模式。

儀器共享類和遠(yuǎn)程控制類虛擬仿真實驗均需要硬件的支持,是一種虛實結(jié)合的實驗方式：前者是將口袋實驗?zāi)K接入網(wǎng)絡(luò),后者以遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)方式接入、控制實驗設(shè)備。它們的實驗系統(tǒng)層次劃分如圖3所示,包括底層物理層硬件、驅(qū)動、操作系統(tǒng)和高層的應(yīng)用程序、云服務(wù)、微信界面。

圖2 軟件共享虛擬實驗系統(tǒng)分層

圖3 儀器共享和遠(yuǎn)程控制虛擬實驗系統(tǒng)分層

2 實驗室建設(shè)方案

2.1 總體構(gòu)架

通信工程專業(yè)實驗實踐項目范圍比較寬,既包括電路原理、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、通信原理等專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗,也包括通信網(wǎng)絡(luò)的配置、設(shè)計、優(yōu)化等復(fù)雜工程項目實訓(xùn)；實驗項目類型既有驗證型、演示型的,也有創(chuàng)新實踐項目。為滿足以上要求,需要充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)。長沙學(xué)院與知名通信企業(yè)合作建設(shè)了支持在線虛擬仿真的通信綜合實驗室。

該實驗室總體架構(gòu)如圖4所示,由客戶端、虛擬仿真中心、大型仿真項目管理中心、實體實驗室4個主要模塊組成,其中,大型仿真項目管理中心(如華為&訊方的e-Bridge在線仿真實訓(xùn)平臺、中興&艾優(yōu)威的IUV在線仿真實訓(xùn)平臺)由企業(yè)開發(fā)與管理,不屬于學(xué)校實驗室,學(xué)校購買使用權(quán)后注冊成為次級管理者,將在線仿真實驗的用戶權(quán)限分發(fā)本校學(xué)生?？蛻舳?、虛擬仿真中心、大型仿真項目管理中心之間通過Internet互聯(lián)；虛擬仿真中心的服務(wù)器和實體實驗室中的在線可控設(shè)備之間通過交換機(jī)和數(shù)據(jù)接口相連。

圖4 支持在線虛擬仿真的通信綜合實驗室總體構(gòu)架

2.2 實驗設(shè)備及軟件組成

長沙學(xué)院通信綜合實驗室原有實驗設(shè)備包括數(shù)字電路實驗裝置、模擬電路實驗裝置、信號與系統(tǒng)實驗箱、通信原理實驗箱、移動通信實驗箱、光纖通信實驗箱、通信電路實驗箱、軟交換實訓(xùn)平臺、EPON光接入實訓(xùn)平臺、TD-LTE 4G移動通信實訓(xùn)平臺、TD-SCDMA 3G移動通信實訓(xùn)平臺、路由交換實訓(xùn)平臺、程控交換機(jī)、SDH光傳輸設(shè)備等,可以完成通信專業(yè)實體實驗、課程設(shè)計和設(shè)備實訓(xùn)等教學(xué)任務(wù)。

通信工程專業(yè)實驗室新增在線虛擬仿真實驗設(shè)備后,支持用戶以學(xué)生、教師、教務(wù)員、實驗室管理員、職能部門領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員等角色進(jìn)行遠(yuǎn)程和本地登錄。整個管理平臺依托校園網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建開放式虛擬中心門戶網(wǎng)站,主要功能包括實驗前的理論學(xué)習(xí)、典型實驗庫的維護(hù)、實驗任務(wù)發(fā)布、實驗過程的智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果的自動批改、實驗成績統(tǒng)計查詢、實驗教學(xué)資源管理、師生互動交流和系統(tǒng)管理等。

2.3 在線虛擬仿真實驗平臺承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)

2.3.1 軟件共享類實驗

(1) e-Labsim。對應(yīng)課程包括信號與系統(tǒng)、通信原理、移動通信、光纖通信、程控交換、數(shù)字電路。主要實驗項目有：階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)、連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬、無失真?zhèn)鬏斈K、有源無源濾波器、語音編碼技術(shù)等約150個驗證實驗；組合邏輯電路的設(shè)計與測試等約50個二次開發(fā)設(shè)計實驗。

(2) Packet Tracer。對應(yīng)課程是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信。主要實驗項目有Vlan基本配置、鏈路聚合原理及配置、RIP協(xié)議與其他路由間互通配置等約50個基本設(shè)計實驗,可自主設(shè)計計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程實驗。

(3) OWVLab Proteus THDW-M1。對應(yīng)課程包括電路原理、模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)字信號處理、單片機(jī)原理與應(yīng)用。主要實驗項目為自主設(shè)計項目,包括電路測試等驗證實驗,電路設(shè)計、可編程器件設(shè)計等設(shè)計性實驗。

(4) IUV e-Bridge。對應(yīng)課程有通信設(shè)備實訓(xùn)、通信網(wǎng)絡(luò)工程。主要實驗項目有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c系統(tǒng)容量規(guī)劃、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選取、對接線纜、設(shè)備數(shù)據(jù)配置、通信業(yè)務(wù)與補(bǔ)充業(yè)務(wù)開通操作、互聯(lián)互通功能操作等網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備實訓(xùn)任務(wù)。

(5) Matlab .net Bridge。對應(yīng)全部通信專業(yè)課程。主要實驗項目有算法仿真、模塊仿真、系統(tǒng)仿真。

2.3.2 儀器共享類實驗

儀器共享類實驗包括FPGA/CPLD、口袋實驗?zāi)K(選配)、Analog Discovery。對應(yīng)課程為數(shù)字電路、EDA、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)。主要實驗項目涵蓋可編程處理器初、中、高約50個設(shè)計項目,也可自主設(shè)計基于FPGA、FPGA+ARM的新產(chǎn)品開發(fā)。

2.3.3 遠(yuǎn)程控制類實驗

(1) ZXSDLVBOX CCS2000。對應(yīng)課程為通信設(shè)備實訓(xùn)、通信網(wǎng)絡(luò)工程。主要實驗項目包括通信設(shè)備操作和配置、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、通信業(yè)務(wù)開通等。

(2) s210 系列實驗平臺、CC2530仿真器和各類傳感器(選配)。對應(yīng)課程為物聯(lián)網(wǎng)工程、移動互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用。實驗項目采用開源架構(gòu),可進(jìn)行智能家居、智能農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程抄表、智能用電、智能工廠、智能醫(yī)療、智能交通等多種創(chuàng)新項目開發(fā)與設(shè)計。

3 在線仿真通信實驗室效用分析

根據(jù)虛擬仿真實驗室的建設(shè)理念及發(fā)展定位,遵循“虛實互補(bǔ)、能實不虛、以虛促實”的原則來建設(shè)通信工程專業(yè)實驗室,不是把所有的實體實驗都簡單地搬到網(wǎng)絡(luò)上或進(jìn)行虛擬化[10-12],而是要發(fā)揮在線虛擬仿真實驗特殊效能。具體有以下特點(diǎn)和效用。

(1) 可以和慕課、微課、移動學(xué)習(xí)等在線學(xué)習(xí)方式有效結(jié)合。已建設(shè)的在線虛擬仿真通信實驗室在平臺上是綜合集成虛擬環(huán)境,但資源可以分割開來,為某一門慕課、微課、移動學(xué)習(xí)課程提供配套實驗教學(xué),使學(xué)習(xí)者能加深對理論知識的理解、提高工程實踐能力,也為學(xué)校開設(shè)更多的在線通信專業(yè)課程提供幫助。

(2) 實驗體系結(jié)構(gòu)合理、功能完善。和實體實驗一致,可以提供驗證、演示、設(shè)計、綜合、創(chuàng)新等所有類型的實驗,可打造分階段、依層次遞進(jìn)的實驗體系。

(3) 是對實體實驗的有效補(bǔ)充。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺具有方便共享、全面開放、便于交互等諸多優(yōu)點(diǎn),能夠讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自主實驗探索,也能進(jìn)行實體實驗平臺難以完成的實驗。例如：在IUV虛擬仿真實驗平臺上可開展在線測試和學(xué)生網(wǎng)上競賽活動(見圖5(a))；圖5(b)顯示移動通信網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)仿真設(shè)計,而真實的在線運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)實驗室因場地、無線頻率管控、成本等限制,只能提供單基站、單核心網(wǎng)的設(shè)備實訓(xùn)。

圖5 部分在線虛擬仿真實驗界面圖

(4) 可開展混合式實驗教學(xué)。有些在線虛擬實驗和真實實驗在外觀、原理、步驟和結(jié)果是一致的,如圖6所示的通信原理中的眼圖觀測實驗。它們既可作為獨(dú)立實驗,也可作為實體實驗的課前預(yù)習(xí)。儀器共享類在線虛擬仿真實驗基本是實體實驗外加一點(diǎn)仿真調(diào)試,實驗設(shè)備是智能化可編程口袋實驗?zāi)K,學(xué)習(xí)者可在離開實驗室的情況下自主實驗。在將程序注入器件前,可先期仿真調(diào)試驗證,實驗數(shù)據(jù)可以通過模塊數(shù)據(jù)接口上傳給指導(dǎo)教師,同時接受虛擬中心管理平臺的在線管理與指導(dǎo)。

(5) 擴(kuò)大實驗室開放、提高實驗教學(xué)資源使用效率。在線仿真虛擬實驗不受時間、場地的限制,為實驗室的開放提供更好的條件,實驗教學(xué)資源也可以得到更好的利用。例如共享軟件類實驗可以反復(fù)進(jìn)行實驗；儀器共享類實驗中的口袋實驗?zāi)K既便攜,功能又

多,使實驗項目數(shù)和靈活性大大增加；遠(yuǎn)程控制類實驗由于采用排隊機(jī)制,將設(shè)計時長提高,測試時間合理限制,可以大大提高實驗室遠(yuǎn)端實物設(shè)備的利用率。

圖6 眼圖觀測

4 結(jié)語

長沙學(xué)院為滿足信息工程類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的需求,創(chuàng)建可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗教學(xué)條件,秉承“滿足需求、科學(xué)合理、統(tǒng)籌兼顧”的原則,建設(shè)了支持在線仿真的通信工程專業(yè)綜合實驗室。在建設(shè)方案的選取上,優(yōu)先采用了成熟且有較高市場占有率的產(chǎn)品和技術(shù),便于實現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用與安全共享,有利于混合式教學(xué)模式的推廣。

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Construction of laboratory for Communication Engineering majors based on online virtual simulation

Chen Weibing, Feng Lu, Liu Guangcan

(Department of Electronic Information and Electrical Engineering,Changsha University,Changsha 410003,China)

By taking Communication Engineering major as an example,a construction scheme of the comprehensive communication laboratory based on online virtual simulation is proposed. This scheme is based on Internet technology,network cloud technology, Internet of things technology and virtual simulation technology. The experimenter can carry out the experiment by remote operation of the network virtual software or a remote real device,can also complete the experiment through the pocket module and then send the experimental results to the experimental instructors through the WeChat cloud. This online virtual simulation experiment can be effectively combined with other online learning methods such as MOOC,micro course,mobile learning,etc.,which is an effective supplement to the traditional real experiment.

virtual simulation; online experiment; communication engineering; laboratory construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.028

2017-01-09

湖南省普通高校教學(xué)改革研究項目(14-529,16-807)；2016教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目(201602026005,201602006023)；長沙市科技計劃項目(ZD1601039);湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題(XJK014BGD086)

陳威兵(1968—),男,湖南雙峰,碩士,副教授,主要研究方向為移動通信和圖像處理.

E-mail：248640843@qq.com

G482；G642

A

1002-4956(2017)07-0106-04