基于沙盤模擬的無線自組網(wǎng)教學(xué)方式探討

馬驍+楊秋菊

[摘 要]分布式無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種沒有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的、可重構(gòu)的多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)“無線自組網(wǎng)”教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多變、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以理解等特點，結(jié)合教學(xué)過程中遇到的學(xué)生因不理解、學(xué)不懂等因素導(dǎo)致的學(xué)習(xí)主動性和積極性下降等實際情況，應(yīng)該將ERP沙盤模擬教學(xué)方法引入無線自組網(wǎng)課堂教學(xué)中，通過引導(dǎo)學(xué)生模擬網(wǎng)絡(luò)行為，加強課堂互動、啟發(fā)學(xué)生自主演進網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而解決自組網(wǎng)教學(xué)中的多個難題，這樣能有效改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[關(guān)鍵詞]沙盤模擬；分布式無線自組網(wǎng)；教學(xué)方法

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）07-0114-03

一、引言

分布式無線自組織網(wǎng)絡(luò)（簡稱無線自組網(wǎng)）是一種沒有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的、可重構(gòu)的多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)。[1]經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，無線自組網(wǎng)經(jīng)歷了從軍用向民用、從基礎(chǔ)研究向商業(yè)化應(yīng)用的革命性轉(zhuǎn)變。目前，無線自組網(wǎng)已發(fā)展成為新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要組成部分，可廣泛地應(yīng)用于軍事國防、近域互聯(lián)、智慧無線城市、寬帶無線校園等領(lǐng)域的建設(shè)中[2]，為物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)的蓬勃發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)和重要的技術(shù)載體。

雖然無線自組網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景，但是由于該網(wǎng)絡(luò)本身具備的靈活性和分布式特性導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)呈現(xiàn)出復(fù)雜性和不確定性。此外，與蜂窩網(wǎng)、WiFi網(wǎng)等常見的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線自組網(wǎng)準組織[3] [4]尚未對涉及的協(xié)議進行統(tǒng)一的標準化，這些原因?qū)е聼o線自組網(wǎng)的教學(xué)，尤其是針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講授變得十分困難。

目前，針對無線自組網(wǎng)的輔助科學(xué)工具主要可分為三大類，即網(wǎng)絡(luò)仿真軟件系統(tǒng)、試驗驗證平臺以及實驗測試評估儀器。其中試驗驗證平臺和實驗測試評估儀器通常體積較大，不適用于課堂教學(xué)演示。而對網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，國際上主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。這類仿真軟件雖然有可視化的界面以及協(xié)議運行過程中的輔助動畫顯示，但還僅限于協(xié)議開發(fā)者對與協(xié)議正確性和有效性的驗證，不適用于課堂教學(xué)。因為這類仿真軟件通常仿真時間較長，協(xié)議開發(fā)的周期也較長，無法在課堂上實現(xiàn)。

此外，這類仿真軟件雖然能夠模擬網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)及協(xié)議的工作過程，但依然較為抽象，在幫助學(xué)生理解無線自組網(wǎng)方面功能十分有限。因此，有必要探索一種課堂上可操作的形象的教學(xué)方法，幫助學(xué)生理解無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和協(xié)議工作機理。

二、ERP沙盤模擬課程簡介

沙盤最早出現(xiàn)于軍事訓(xùn)練中，早期沙盤由于制作相對復(fù)雜，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。后來，隨著電子計算機的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以計算機軟件代替真實沙盤的模擬沙盤新技術(shù)。這一技術(shù)不但為指揮作戰(zhàn)提供了新的手段，而且促進了模擬沙盤向各行各業(yè)的推廣。[5]特別是企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning）沙盤（簡稱ERP沙盤）的引入，為現(xiàn)代企業(yè)經(jīng)營與管理技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)人才的培養(yǎng)提供了有效的工具。[6]

瑞典皇家工學(xué)院的克拉斯梅蘭（Klas Mella）于20世紀70年代末首次將ERP沙盤引入教學(xué)活動中。[7]此后，ERP沙盤作為一種體驗式互動教學(xué)方法，在諸多領(lǐng)域的教學(xué)中，尤其是在一些較為復(fù)雜和抽象的學(xué)科中得到了廣泛的應(yīng)用。[8]

三、ERP沙盤模擬無線自組網(wǎng)教學(xué)的主要內(nèi)容

通過ERP沙盤教學(xué)，主要是以學(xué)生自己為主體模擬無線節(jié)點，讓學(xué)生實際參與和體驗無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定的必要性和重要性。這一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也能使學(xué)生了解無線網(wǎng)絡(luò)在傳輸時的特性與存在的問題。在無線自組網(wǎng)協(xié)議中，以多址協(xié)議和路由協(xié)議最為復(fù)雜和抽象，本文下面將主要說明ERP沙盤模擬在這兩種協(xié)議教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）基于ERP沙盤模擬的多址協(xié)議教學(xué)設(shè)計

多址協(xié)議主要解決多個用戶共享同一信道的問題。與集中式網(wǎng)絡(luò)不同，分布式網(wǎng)絡(luò)的多址技術(shù)主要以隨機多址技術(shù)為主，由于存在多跳無線鏈路，所以在教學(xué)中除了講授隨機多址技術(shù)的原理及工作機制外，更重要的是要求學(xué)生理解和掌握包括暴露終端、隱藏終端和兩跳外資源復(fù)用等無線分布式網(wǎng)絡(luò)獨特的性質(zhì)。下面針對ERP沙盤模擬在多址技術(shù)輔助教學(xué)中的應(yīng)用進行闡述。

1.整體思路

通過ERP沙盤模擬教學(xué)，讓學(xué)生模擬無線自組網(wǎng)節(jié)點，體驗無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建立過程及多址協(xié)議的工作機制和必要性。根據(jù)模擬通信過程中遇到的問題，引導(dǎo)學(xué)生對產(chǎn)生的問題進行分析和改進。通過學(xué)生親身體驗和主動發(fā)現(xiàn)問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生加深對多址協(xié)議的理解，掌握多址協(xié)議設(shè)計和改進的精髓，了解協(xié)議運行過程中可能遇到的問題及分析思路與解決方法，為后續(xù)對協(xié)議進行理解分析奠定良好的基礎(chǔ)。

2.多址協(xié)議模擬場景設(shè)定

在多址協(xié)議的教學(xué)中，重點和難點是信道接入、暴露終端、隱藏終端和兩跳外復(fù)用問題。為更好地模擬這些問題，需要合理的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，從而在學(xué)生易于模擬的同時，盡可能的暴露出多址協(xié)議的缺陷。為達到這一目的，本文設(shè)計的模擬場景如圖1所示。圖1中方框和圓分別代表自組網(wǎng)中正常傳輸節(jié)點和碰撞節(jié)點，均由學(xué)生模擬扮演。每個學(xué)生配備兩種道具：一個是申請傳輸標志，表示有消息要傳輸，此時該學(xué)生表示占用信道；另一個是長短不同的模擬消息，當學(xué)生申請占用信道后即開始傳輸消息。

3.模擬流程及主要內(nèi)容

將學(xué)生分為兩組，一組模擬正常傳輸節(jié)點，一組模擬干擾碰撞節(jié)點（這里需要給學(xué)生說明兩種節(jié)點本質(zhì)上都是自組網(wǎng)的正常節(jié)點，只是在研究多址協(xié)議時從功能上進行了區(qū)分，并且角色可以互換）。

首先令兩個模擬傳輸節(jié)點的學(xué)生和一個模擬干擾節(jié)點的學(xué)生進行傳輸模擬，使用ALOHA協(xié)議，每個學(xué)生隨機進行發(fā)送，即想發(fā)送時直接舉起申請傳輸標志，并立刻開始傳輸消息。教師作為傳輸成功判決者，如果在整個傳輸過程中干擾節(jié)點的學(xué)生沒有舉起傳輸標志，則判定傳輸成功，否則判定失敗，并記錄傳輸時延。

然后逐漸增加傳輸學(xué)生和干擾學(xué)生的數(shù)量，但依然采用隨機發(fā)送。此時可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)碰撞的情況明顯增加，當傳輸或干擾學(xué)生達到一定數(shù)量后，所有節(jié)點幾乎都無法完成傳輸。記錄隨學(xué)生數(shù)量增加時傳輸成功率的變化情況。

解釋純ALOHA協(xié)議在用戶數(shù)量增加時性能顯著下降這一現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)性能下降的根本原因，并提出改進思路，在模擬網(wǎng)絡(luò)中實驗學(xué)生自主提出的改進策略，并將學(xué)生的改進策略逐漸引導(dǎo)向CSMA協(xié)議。

增加三跳鏈路，通過指揮學(xué)生進行傳輸，制造隱藏終端和暴露終端的出現(xiàn)。引入RTS和CTS機制，在重復(fù)上述傳輸過程，解釋隱藏終端和暴露終端問題是如何通過RTS＼CTS機制解決的。介紹WiFi的競爭原理，啟發(fā)學(xué)生尋找增加占用信道概率的算法，并在模擬網(wǎng)絡(luò)中進行實驗。

（二）基于ERP沙盤模擬的路由協(xié)議教學(xué)設(shè)計

為加深學(xué)生對無線自組網(wǎng)分布式、無中心、自組織等特點的理解，在路由協(xié)議的教學(xué)中，除了介紹基本的泛洪、最短路徑和最短鏈路長度等路由算法外，還需要著重給學(xué)生講解節(jié)點遲入網(wǎng)、節(jié)點移動和規(guī)模等的變化對路由算法的影響。

1.整體思路

通過引入ERP沙盤模擬教學(xué)，讓學(xué)生體會無線自組網(wǎng)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式，掌握多跳路由的設(shè)計目標和注意事項，分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和協(xié)議開銷的關(guān)系，解釋遲入網(wǎng)策略的必要性。通過學(xué)生親身體驗，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對知識的理解。

2.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模擬場景設(shè)定

與多址相比，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的難點是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點個數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)的不確定性，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全方位的模擬，需要尋找一種規(guī)模和拓撲都容易變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還要能夠模擬分簇和組移動等自組網(wǎng)特有的網(wǎng)絡(luò)特點。對比多種不同的拓撲結(jié)構(gòu)后，如圖2所示的小世界網(wǎng)絡(luò)模型可以在很大程度上滿足上述要求。

3.模擬流程及主要內(nèi)容

安排學(xué)生按照P=0的小世界模型設(shè)計相對連接關(guān)系，每個學(xué)生除模擬多址協(xié)議時使用的道具外還需要準備一個記錄路由表的小冊子和用來模擬路由信息廣播的便箋紙。首先解釋泛洪路由的工作機制，讓較少的學(xué)生模擬開機，模擬泛洪路由實現(xiàn)信息的傳遞，教師負責(zé)記錄路由時間和開銷。逐漸增加入網(wǎng)學(xué)生的數(shù)量，仍然使用泛洪路由算法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量迅速下降，幾乎沒有數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。

啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析引發(fā)這一問題的原因，進一步提出從泛洪路由向主動式路由的改進。解釋主動式路由算法的路由維護和更新策略，指導(dǎo)學(xué)生進行路由表的更新和路由信息的廣播。以此加深學(xué)生對路由信息迭代算法的認識和理解。與泛洪路由算法相比，主動式路由在尋址時間、路由效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面均有更好的性能。

進一步增加進入網(wǎng)絡(luò)學(xué)生的數(shù)量，并將部分學(xué)生的連接關(guān)系改為P>0，這時會發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)資源幾乎都被遲入網(wǎng)信息和路由維護開銷占據(jù)，業(yè)務(wù)信息反而無法被有效的傳輸。此時，啟發(fā)學(xué)生對主動式路由算法的思考，提出降低路由維護開銷的策略，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)被動式路由算法，并對被動式路由算法進行模擬。最終向?qū)W生講授將主動和被動路由相結(jié)合的區(qū)域路由算法。

4.思考與總結(jié)

為保證教學(xué)活動達到良好的效果，在進行ERP沙盤模擬教學(xué)之前，應(yīng)先就相應(yīng)的知識對學(xué)生進行適當?shù)闹v解。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當作為整個網(wǎng)絡(luò)和規(guī)則的隱形管理者，負責(zé)組織學(xué)生按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的方式進行模擬工作，在必要的時候引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生進行相應(yīng)的思考。

在無線自組網(wǎng)教學(xué)中，合理的引入ERP沙盤模擬，能夠有效幫助學(xué)生理解無線自組網(wǎng)的組成形態(tài)及協(xié)議的工作機制。在模擬網(wǎng)絡(luò)運行的過程中，教師可以將協(xié)議的演進過程融進網(wǎng)絡(luò)模擬的變化中，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)協(xié)議中存在的問題，并啟發(fā)學(xué)生對算法進行改進。通過學(xué)生親身體驗，加強學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，加深學(xué)生對知識的理解和記憶，這同時也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[ 參 考 文 獻 ]

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[6] 張前.ERP沙盤模擬對抗中的市場博弈[J].實驗室研究與探索，2014（8）：258-261.

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[8] 陳朝暉.ERP沙盤模擬對抗教學(xué)方式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（1）：173.

[責(zé)任編輯：陳 明]