張立明，唐海濤，張仲明，魏曉輝，王 健

(1.吉林大學 計算機科學與技術學院,吉林 長春 130012;2.吉林大學 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心,吉林 長春 130012)

虛擬實驗室的概念最早由美國的William Wolf教授于1989年提出,基于網(wǎng)絡技術的虛擬仿真實驗解決了傳統(tǒng)實驗教學受時間地點約束的普遍問題[1]。虛擬仿真實驗主要運用虛擬現(xiàn)實技術、視頻和多媒體技術、網(wǎng)絡通信技術[2]等，實現(xiàn)不受時間和地點約束的遠程訪問和可視化實驗教學。不在同一地點的學生也可以在同一時間進入同一個虛擬實驗室，共享學習相同的虛擬實驗課程，同時虛擬仿真實驗課程還具有可簡單重復再現(xiàn)的特性。虛擬仿真實驗更有利于教學資源和內(nèi)容的高度共享、上課時間地點和授課對象的開放，有效彌補了傳統(tǒng)實驗課程共享和開放性不足的問題，為高校優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的開放和共享奠定了堅實基礎[3-4]。

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展和國家對教育信息化的高度重視，教育部在加強建設國家級實驗教學示范中心的基礎上，積極組織開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[5]。2013年8月，高等教育司根據(jù)《教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高[2012]4號)和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，頒布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函[2013]94號])，啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作[6]。按照分批建設的原則，2013～2015年每年批準了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，吉林大學物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心是2014年被批準的100所國家級虛擬仿真實驗教學中心之一,在網(wǎng)絡實驗教學方面也取得了較好的教學效果[7-8]。依據(jù)“虛實結合、共享開放、能虛不實”的原則，虛擬仿真實驗教學中心在結合已有實驗設備基礎上，開發(fā)了無線通信信號衰減虛擬仿真實驗平臺。

1 傳統(tǒng)實驗教學問題分析

實驗教學在高校人才培養(yǎng)中具有創(chuàng)新性特殊意義,在高等教育發(fā)展中起著重要作用，時代發(fā)展也迫切要求高校加強實驗教學[9-10]，而在高校大部分硬件類實驗平臺及實踐教學中普遍存在以下3個方面問題。

1)教學資源不足，購置和維護成本高。

實驗教學中硬件設備一般價格都較為昂貴，在有限的經(jīng)費支持下，只能選擇分批購買代表性的實驗設備。在實驗教學過程中，因受設備價格昂貴、數(shù)量少等因素影響，實驗教學只能分時段對部分學生開放使用，限制了學生的獨立操作學習時間，一定程度上影響了實踐教學效果。學生使用操作不當或重復操作也會造成硬件類設備不同程度的受損，一方面設備維護需要二次經(jīng)費開支和人力資源投入，另一方面，還可能因未能及時修復而影響實驗課程的順利進行。

2)教學內(nèi)容受限。

信息技術的高速發(fā)展，硬件設備更新日新月異，而學?，F(xiàn)有的硬件設備更新淘汰速度較慢，限制了實驗教學內(nèi)容，已逐漸不能滿足教學內(nèi)容對硬件設備更新的需求?，F(xiàn)有的硬件類實驗設備多為十年以前購置，設備陳舊、功能單一且運行速度慢，已遠遠落后于當前的功能復雜高速的微電子設備，不能滿足實驗教學時學生對先進技術掌握和創(chuàng)新的需求。

3)缺乏創(chuàng)新性和擴展性。

在整個實驗教學過程中，教學互動性不強，學生僅按照實驗指導書就可以完成大部分實驗項目，沒有更深入探究實驗課學習的目的，不利于激發(fā)學生創(chuàng)新思維，提高學生的實踐能力。傳統(tǒng)的硬件類設備實驗教學多數(shù)以驗證性實驗為主，學生通常以修到學分為目的，對于實驗過程和原理思考較少，導致未能達到實驗課的教學目標。由于硬件類設備陳舊、功能簡單且固定，不利于學生的創(chuàng)新思維的發(fā)揮，限制了實驗教學的擴展性。

2 無線通信信號衰減虛擬仿真實驗

2.1 無線通信信號簡介

無線通信是利用電磁波信號在空氣或者真空自由空間中以光速傳播特點，進行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊环N通信方式。無線通信技術可以實現(xiàn)近距離無線連接和全球范圍遠距離無線連接信息通信網(wǎng)絡，與有線網(wǎng)絡通信不同，無線通信的信息傳播介質(zhì)是無線電磁波而不是有線網(wǎng)絡的介質(zhì)網(wǎng)線。

在無線傳播過程中電磁信號的強弱并不是一成不變的，電磁波在空氣中的傳輸過程中具有折射、散射及吸收等特點。這些特征使得電磁波隨著傳播空間的擴大、傳播距離的增加其信號強度逐漸衰減，當電磁波傳播到更大的空間和更遠的距離時,電波能量便越發(fā)散,信號強度擴散衰減程度也越大。而影響信號衰減程度有多種原因，如發(fā)射端的傳輸功率、接收端的接收功率和信號傳播距離等，本實驗針對這些因素對無線信號衰減現(xiàn)象進行虛擬仿真。

2.2 無線通信信號傳輸原理

影響無線信號傳輸?shù)囊粋€最重要參數(shù)就是發(fā)射功率，發(fā)射功率越高，發(fā)射端和接收端之間信號傳播距離和空間越大[11]。同時，電磁波單位距離信號強度的損耗也受傳輸介質(zhì)的影響。為了保證無線通信的正常信息傳送，一方面要保證發(fā)射功率在一個非常大且可接受的范圍內(nèi)，同時也要盡量降低通信信道干擾程度。

因此，無線信號損耗預測模型在無線通信技術中具有重要作用，用來預測發(fā)射端在一組給定的參數(shù)情況下接收端的信號強度。本虛擬仿真實驗依據(jù)無線傳輸中各種參數(shù)與其信號強度衰減程度的關系，選用無線路徑損耗預測公式作為信號傳播衰減預測模型[12]，即：

(1)

式中,Pr(d)為接收功率，Pt為發(fā)送功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為電磁波載波波長，d為發(fā)送端和接收端之間的距離，L為一個經(jīng)驗參數(shù)，范圍為6～15。

路徑損耗模型是衡量電磁波信號傳輸時衰減的尺度，無線信號損耗預測公式中波長λ可用式λ=C/f計算。其中，C是電磁波在空氣介質(zhì)中的傳播速度，接近光速；f是電磁波載波的頻率，數(shù)值可根據(jù)需求來設定。而本虛擬仿真實驗以無線路徑損耗公式為傳播預測模型，通過改變公式中參數(shù)的不同設置，得出接收端相應的接收功率。

2.3 無線通信信號衰減虛擬仿真實驗

實驗程序流程如圖1所示，開發(fā)平臺為Eclipse,開發(fā)語言為JAVA，軟件以Applet形式運行，通過瀏覽器訪問，需要JRE1.5及以上運行環(huán)境。

圖1 信號衰減虛擬仿真實驗流程圖

學生選擇所學虛擬實驗課程和選擇座位并申請?zhí)摂M實驗資源如圖2和圖3所示。

圖2 虛擬實驗選擇界面

無線通信信號衰減虛擬仿真平臺如圖4所示。在演示平臺左上面板中實時演示了發(fā)射端基站和接收端基站的位置及此時的傳輸信號的強度。在右側參數(shù)設置面板中可以設置與發(fā)送端和接收端相關的參數(shù)取值，主要包括傳輸距離、發(fā)送功率、載波頻率、發(fā)送增益和接收增益5個參數(shù)設置。這些設置由滑動條來操作，其可選擇數(shù)值范圍已固定，控制不同滑動條的位置可以對相應參數(shù)進行設置。左下側控制面板左邊顯示距離、發(fā)送功率等5個相關參數(shù)數(shù)值。根據(jù)無線信號傳播路徑損耗模型預測的接收端接收到的電磁信號強度數(shù)值，進行實時顯示在此面板右側。

圖3 學生申請?zhí)摂M實驗資源界面

在虛擬仿真平臺上，在右側參數(shù)設置面板中，設置距離為782m，載波頻率選擇為2GHz，發(fā)送功率選擇79W,發(fā)送增益選擇9倍和接收增益選擇7倍。此時在虛擬仿真平臺左側演示面板中顯示了此實驗對應的距離、載波頻率、發(fā)送功率和發(fā)送接收增益等信息。并且此實驗對應的接收端信號強度為-29.35dBm。

在上述實驗基礎上，可多次分別改變距離、載波頻率、發(fā)送功率、發(fā)送增益和接收增益等參數(shù)，進而通過多組仿真實驗進一步理解損耗預測公式。在分析多組仿真實驗結果基礎上，得到與損耗預測公式一致信號衰減理論。如果想獲得較大的接收信號強度，則可以通過增加發(fā)送功率、載波頻率、發(fā)送增益和接收增益來實現(xiàn)；反之，如果想獲得較小的接收信號強度，則可以通過增加傳送距離來實現(xiàn)。

圖4 信號衰減虛擬仿真實驗運行圖

3 結束語

將虛擬仿真技術引入無線通信信號衰減實驗教學中，豐富了實踐教學資源、提高了教學資源的共享性和開放性、降低了實驗教學成本，改進了傳統(tǒng)教學模式不足，顯著提高了教學質(zhì)量和教學效果。無線通信信號衰減虛擬仿真實驗使學生有更逼真的操作環(huán)境，使學生由傳統(tǒng)教學模型下的被動學習轉變?yōu)樘摂M仿真實驗下的主動學習，繼而激發(fā)學生的學習興趣，進而提高學生的實驗能力和創(chuàng)新能力，教學效果明顯得到進一步提高。