陳萬通 馮青 王續(xù)喬 吳志軍

摘要：移動(dòng)通信是通信工程專業(yè)與行業(yè)緊密結(jié)合的一門專業(yè)必修課，但多數(shù)高校面臨“商用4G—學(xué)校2G”的尷尬局面。文章針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)行4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合較差的問題，基于LTE無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件CDS和移動(dòng)終端設(shè)計(jì)4G移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)課程。該方案易實(shí)施、投入小，有助于學(xué)生深刻掌握LTE系統(tǒng)信令流程，培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與分析等工程能力，對(duì)高等院校實(shí)施工程教育以及4G實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信;實(shí)驗(yàn)教學(xué);網(wǎng)絡(luò)參數(shù);移動(dòng)終端

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0385-03

一、引言

移動(dòng)通信是通信工程專業(yè)與行業(yè)結(jié)合十分緊密的一門必修課。近年來，以LTE、4G乃至5G為代表的移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，目前已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、無人駕駛等前沿領(lǐng)域的重要支撐服務(wù)。移動(dòng)通信技術(shù)在給社會(huì)帶來了巨大信息化變革的同時(shí)，也對(duì)高校通信工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高要求[1]。

然而，在4G無線技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模商用，5G即將投入商用的市場(chǎng)環(huán)境下，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課卻停留在2G、3G技術(shù)的觀察、驗(yàn)證階段，造成“商用4G—學(xué)校2G”的尷尬局面[2]。一方面，這將造成所培養(yǎng)的畢業(yè)生無法迅速適應(yīng)行業(yè)需求，在校期間所見所學(xué)與實(shí)際行業(yè)需求脫節(jié)，企業(yè)將額外耗資和耗時(shí)進(jìn)行培訓(xùn)，增加人力成本;另一方面，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)普遍依賴于實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)，存在不夠靈活、成本較高以及教學(xué)投入產(chǎn)出比低等問題[3]。

本文針對(duì)上述問題，探索基于LTE無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件CDS和移動(dòng)終端完成4G移動(dòng)通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，旨在提升理論教學(xué)與現(xiàn)行4G網(wǎng)絡(luò)的緊密結(jié)合度，為實(shí)驗(yàn)課程的改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供新思路。

二、移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與問題

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)行4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合度較差?！耙苿?dòng)通信”是高等院校通信工程專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，課程的教學(xué)內(nèi)容主要涉及無線通信的基本概念和原理、蜂窩組網(wǎng)技術(shù)、傳輸技術(shù)、控制和交換技術(shù)以及GSM、3/4G和LTE等典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)[4]。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)大多基于實(shí)驗(yàn)室購置的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，鑒于移動(dòng)通信技術(shù)換代周期極短，大多數(shù)早期實(shí)驗(yàn)箱仍停留在GSM和3G的層面，針對(duì)4G，現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)和更新靈活度不高。另外，實(shí)驗(yàn)箱式教學(xué)方法側(cè)重強(qiáng)調(diào)學(xué)生按部就班的操作和觀察，忽略了對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)理的深層揭示和通信步驟的細(xì)節(jié)展現(xiàn)，雖然學(xué)生通過指導(dǎo)書完成一系列操作最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)期結(jié)果，但是并沒有將相關(guān)理論在實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)中得以展現(xiàn)。

2.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入產(chǎn)出比不夠高。在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，購置成本較高，用于搭建仿真環(huán)境的核心網(wǎng)iEPC、系統(tǒng)網(wǎng)元、交換機(jī)、eNode B和移動(dòng)終端市場(chǎng)售價(jià)均較高，且功能涵蓋有限，靈活性差，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要針對(duì)通信過程、基本原理和系統(tǒng)原型進(jìn)行演示與仿真，與實(shí)際現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)仍存在一定的差異性，導(dǎo)致移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的前期投入巨大，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)最終取得的效果并不理想，無法滿足目前移動(dòng)通信相關(guān)企業(yè)對(duì)通信工程人才的需求。

三、基于CDS的4G實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

1.LTE路測(cè)優(yōu)化工具CDS簡(jiǎn)介。CDS是一款創(chuàng)新型的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系列產(chǎn)品，專門為無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測(cè)試和優(yōu)化而設(shè)計(jì)，是目前移動(dòng)通信相關(guān)企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品的重要工具軟件[5]。不僅跟隨網(wǎng)絡(luò)由2G→3G→LTE的不斷演進(jìn)，具有傳統(tǒng)語音測(cè)試的所有功能，而且提供了多樣性的數(shù)據(jù)采集和分析手段。例如：可對(duì)TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、GSM、CDMA2000、EVDO、WCDMA等網(wǎng)絡(luò)下的各種語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，可配套使用CDS后臺(tái)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析統(tǒng)計(jì)，包括FTP、Ping、HTTP、WAP等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測(cè)試、IP協(xié)議抓包等。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境搭建。構(gòu)建基于CDS的4G實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，除了安裝CDS軟件，還需要合理配置移動(dòng)終端，開啟后臺(tái)端口，以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)底層信令的訪問。實(shí)驗(yàn)室既可以采購華為E5375/E5776 LTE網(wǎng)優(yōu)工程機(jī)或G5510測(cè)試手機(jī)作為直接可用的終端，也可以令學(xué)生對(duì)自己的手機(jī)進(jìn)行開端口操作。前者需額外增加成本投入，后者不需要實(shí)驗(yàn)室額外購置，但需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開始前完成準(zhǔn)備工作。以中興ZTE Blade V8手機(jī)為例，簡(jiǎn)述手機(jī)開端口的步驟：（1）在電腦上安裝手機(jī)驅(qū)動(dòng);在手機(jī)上，選擇設(shè)置—高級(jí)設(shè)置—連接PC—安裝驅(qū)動(dòng)。（2）完成移動(dòng)終端和電腦之間的鏈接操作，首先在手機(jī)上撥號(hào)*983*87274#，彈出界面后選擇rndis+diag+adb+modem，選擇安裝驅(qū)動(dòng);在手機(jī)設(shè)置—更多里面打開USB網(wǎng)絡(luò)共享。查看電腦設(shè)備管理器中“端口（COM和LPT）”一欄中是否有手機(jī)端口，如果沒有再重復(fù)上面步驟。（3）成功識(shí)別到端口后，在CDS上選擇設(shè)備—添加設(shè)備—UE-Qualcomm UE，然后選擇設(shè)備—添加設(shè)備—Navigator-NMEA GPS。（4）根據(jù)測(cè)試計(jì)劃完成CDS相關(guān)配置，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以基于LTE Demo視圖，語音業(yè)務(wù)可以基于VoLTE Demo視圖。

3.基于CDS軟件的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。CDS是一款用于移動(dòng)通信LTE網(wǎng)絡(luò)路測(cè)優(yōu)化的專業(yè)級(jí)軟件，功能強(qiáng)大，如圖1所示，在其主界面上，包含事件視圖（左上框）、信令視圖（左中框）、速率與信號(hào)強(qiáng)度折線圖（左下框）、系統(tǒng)信息及物理層視圖（中上框）、臨區(qū)信息與HARQ視圖（中框）、MCS視圖（下框）、DCI格式和CQI統(tǒng)計(jì)（右框）和PRB占用情況（左框）?；贑DS軟件的上述功能區(qū)，有利于學(xué)生熟悉移動(dòng)通信終端產(chǎn)品的底層協(xié)議，掌握LTE系統(tǒng)信令流程，例如可以直接開展的典型實(shí)驗(yàn)包括：（1）UE附著實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握用戶終端開機(jī)后附著小區(qū)建立信令承載的過程。（2）系統(tǒng)消息實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握接收廣播到UE接入層和非接入層的公共信息的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。（3）專用承載實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握專用承載的建立、更新、釋放流程，以及上下行業(yè)務(wù)中各種信令和邏輯信道的使用。（4）小區(qū)切換實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握切換發(fā)生的必要條件，熟悉各種切換類型的具體信令流程。此外，通過CDS軟件可以基于地圖模式了解基站和小區(qū)的分布情況和扇區(qū)的劃分情況，有利于學(xué)生完成實(shí)際LTE路測(cè)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)分析以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等更為高級(jí)的實(shí)驗(yàn)。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)施評(píng)價(jià)。上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)于2019年上半年在我校通信工程專業(yè)2016級(jí)本科生中實(shí)施，相比于往年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，學(xué)生對(duì)于使用CDS軟件和手機(jī)互聯(lián)探索4G網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和信令流程表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣;課堂上對(duì)GSM系統(tǒng)的邏輯信道和信令進(jìn)行講授后，學(xué)生能夠通過上述實(shí)驗(yàn)方案對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信令和流程自行掌握;學(xué)生對(duì)于行業(yè)認(rèn)知加深，對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、路測(cè)手段以及現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的了解更為深入;對(duì)于移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建，可以實(shí)現(xiàn)周期短、成本低、產(chǎn)出高的目標(biāo)。

四、結(jié)語

本文基于CDS專業(yè)軟件和移動(dòng)終端構(gòu)建4G移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，有助于學(xué)生深入理解現(xiàn)行4G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)信令流程、無線信號(hào)質(zhì)量測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)布局與優(yōu)化等專業(yè)知識(shí)，解決學(xué)生在校所學(xué)與企業(yè)所需嚴(yán)重脫節(jié)的問題，同時(shí)，對(duì)于提高移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入產(chǎn)出比具有較高的參考價(jià)值。

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Abstract：Mobile communication is a compulsory course for communication engineering specialty，which is closely related to the industry.However，it faces the embarrassing situation of "commercial 4G-school 2G".In view of the poor combination of course experiment and current 4G network，this paper designs an experimental course of 4G mobile communication based on LTE wireless network test software CDS and actual mobile terminal.The scheme is easy to implement and has little investment.It is helpful for students to master deeply the signaling process of LTE system and to cultivate the engineering ability of network data acquisition and analysis.It is valuable for engineering education and the construction of 4G laboratories in colleges.

Key words：mobile communication;experimental teaching;network parameter;mobile terminal