虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育LTE課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐研究

李海濤　賴敏　董莉

摘要：隨著三大運(yùn)營商LTE的大規(guī)模部署和應(yīng)用，國內(nèi)各職業(yè)院校通信專業(yè)紛紛開設(shè)LTE課程。然而LTE設(shè)備在規(guī)模教學(xué)中存在種種不便。在高職院校中，虛擬仿真技術(shù)和實(shí)體設(shè)備配合使用，不僅提高了教學(xué)效率、質(zhì)量，豐富了教學(xué)形式、內(nèi)容，也使學(xué)生能夠在接近實(shí)際的工作場(chǎng)景中得到訓(xùn)練。文章介紹了虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育LTE課程教學(xué)中的一些研究和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；LTE；職業(yè)教育

1.研究的背景

工信部于2013年12月4日正式向三大運(yùn)營商發(fā)放首批TD-LTE牌照，2014年2月27日向中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放FDD-LTE牌照。我國通信行業(yè)進(jìn)入4G時(shí)代。

三大運(yùn)營商2016年12月公布了運(yùn)營數(shù)據(jù)，中國移動(dòng)4G用戶數(shù)達(dá)到5.35億戶，中國聯(lián)通1.046億戶，中國電信1.22億戶，中國4G用戶總數(shù)超過了5.5億。我國4G用戶數(shù)已突破7億大關(guān)。

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，電信行業(yè)對(duì)LTE建設(shè)、維護(hù)、優(yōu)化人才的需求一直增加。面對(duì)發(fā)展得4G，國內(nèi)各高等職業(yè)院校紛紛開設(shè)LTE課程。

2.教學(xué)中為什么會(huì)增加虛擬仿真技術(shù)

職業(yè)教育以“培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線高素質(zhì)技能型專門人才”為目標(biāo)，在真實(shí)的崗位環(huán)境學(xué)習(xí)和練習(xí)是職教學(xué)生掌握技能的最佳途徑。

由于LTE技術(shù)商用不久，實(shí)際設(shè)備價(jià)格高昂，并且需要專業(yè)人員維護(hù)；通常一般院校配備的eNodeB，EPC、承載網(wǎng)設(shè)備種類和數(shù)量都比較少，網(wǎng)絡(luò)不成規(guī)模，跟真正的電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際環(huán)境存在很大的差距。一般教學(xué)內(nèi)容以無線網(wǎng)絡(luò)為主，無法滿足4G全網(wǎng)建設(shè)的教學(xué)要求，難以開展大型網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、安裝、配置、測(cè)試等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，用真實(shí)設(shè)備安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置的教學(xué)中，系統(tǒng)只允許一個(gè)操作賬戶加載數(shù)據(jù)，不能多人同時(shí)操作，教學(xué)效率比較低；而且真實(shí)設(shè)備規(guī)模很小，難以支持按照不同人口、規(guī)模的城市，對(duì)應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、類型，對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、容量規(guī)劃、機(jī)房配置、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)配置、業(yè)務(wù)驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，更無法進(jìn)行多城市大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)活動(dòng)。虛擬仿真教學(xué)打破時(shí)空限制，具有靈活性。

4G移動(dòng)通信理論知識(shí)繁雜、枯燥，學(xué)生往往缺乏學(xué)習(xí)興趣。模擬仿真系統(tǒng)呈現(xiàn)的場(chǎng)景貼近實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，內(nèi)容和種類豐富，知識(shí)內(nèi)容和實(shí)際操作相結(jié)合，具有直觀的形象，學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程畫面精美，猶如網(wǎng)絡(luò)游戲，還可以進(jìn)行組隊(duì)競(jìng)賽，可以生成學(xué)習(xí)成績(jī)分?jǐn)?shù)，容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.虛擬仿真技術(shù)在LTE課程教學(xué)中的探索和實(shí)踐

職業(yè)教育強(qiáng)調(diào)貼近企業(yè)，貼近實(shí)際工作場(chǎng)景，LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不僅涉及無線網(wǎng)絡(luò)，也涉及核心網(wǎng)、承載網(wǎng)，包括無線接入、交換、IP網(wǎng)絡(luò)、傳輸、光纖通信等內(nèi)容。

在教學(xué)實(shí)踐中，人們?cè)谝延械腖TE實(shí)驗(yàn)室真實(shí)設(shè)備以外，按照虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，建設(shè)了LTE全網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)室，其中實(shí)際設(shè)備主要有NodeB包括RRU，BBU，天饋，核心網(wǎng)EPC包括統(tǒng)一移動(dòng)接入控制網(wǎng)元（MME設(shè)備）、用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元（HSS設(shè)備）、融合分組網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元（PGW，sGW設(shè)備）、服務(wù)器等設(shè)備。另外還有各網(wǎng)元之間的光纖及傳輸設(shè)備等承載網(wǎng)部分。虛擬仿真系統(tǒng)主要由軟件、終端及服務(wù)器等組成。

真實(shí)設(shè)備教學(xué)的時(shí)候，由于機(jī)房場(chǎng)地限制，設(shè)備已經(jīng)安裝好，硬件安裝教學(xué)時(shí)，只能讓學(xué)生觀看，無法進(jìn)行設(shè)備硬件安裝的操作；由于安全原因，也無法進(jìn)行天饋的安裝操作；由于實(shí)際設(shè)備只能由一個(gè)賬戶設(shè)置、加載數(shù)據(jù)，因此不能讓學(xué)生同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試和配置練習(xí)，教學(xué)效率低；另外，整個(gè)系統(tǒng)跨多個(gè)機(jī)房，學(xué)生不容易掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有各種不同的構(gòu)型和組合，實(shí)際設(shè)備并不能一一反映。

因此，需要虛擬仿真系統(tǒng)的補(bǔ)充，虛擬仿真系統(tǒng)可以提供各種設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)安裝、天饋、線纜的安裝連接，能夠供所有學(xué)生同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置和調(diào)試；能夠在實(shí)驗(yàn)室每個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，能提供近乎真實(shí)的省級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，按照城市規(guī)模、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)模型、設(shè)備規(guī)模反映各種不同結(jié)構(gòu)和規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

通過真實(shí)設(shè)備和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)包含LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、維護(hù)的全部環(huán)節(jié)和主要設(shè)備，以LTE建設(shè)、維護(hù)各個(gè)階段的內(nèi)容為主線，劃為5個(gè)學(xué)習(xí)情境：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃、容量規(guī)劃、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)配置、業(yè)務(wù)調(diào)測(cè)；每個(gè)學(xué)習(xí)情境包含若干個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，以任務(wù)為導(dǎo)向，學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中，充分利用真實(shí)設(shè)備和虛擬仿真系統(tǒng)，虛實(shí)結(jié)合，揚(yáng)長避短。擺脫通信設(shè)備實(shí)操環(huán)境制約，快速掌握設(shè)備的組網(wǎng)、硬件結(jié)構(gòu)、軟硬件工程安裝、開通調(diào)試等過程。通過建立一個(gè)以高仿真商用設(shè)備機(jī)房為背景的虛擬4G網(wǎng)絡(luò)，即包含無線接入、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)，TD，F(xiàn)DD混合組網(wǎng)，省級(jí)規(guī)模自成體系的LTE仿真網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)、容量規(guī)劃、設(shè)備選型、硬件配置、線纜連接、數(shù)據(jù)配置、開通調(diào)試、故障排查、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)驗(yàn)證，涵蓋4G全網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)各階段。

虛擬仿真技術(shù)的使用改變以往專業(yè)學(xué)習(xí)以縱向知識(shí)為主線，各個(gè)專業(yè)課程之間銜接不緊密，橫向知識(shí)難以融會(huì)貫通的弊病。例如：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)只涉及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的理論和實(shí)訓(xùn)，光纖通信只涉及光纖通信理論和實(shí)訓(xùn)，交換機(jī)技術(shù)只涉及交換機(jī)理論和實(shí)訓(xùn)。

把不同專業(yè)知識(shí)按照工程項(xiàng)目串聯(lián)起來，以工程為主線，實(shí)現(xiàn)知識(shí)縱向、橫向銜接，把無線接入、核心網(wǎng)、IP網(wǎng)、光傳輸網(wǎng)知識(shí)在LTE建設(shè)中有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來，以工程應(yīng)用為目的，訓(xùn)練學(xué)生的LTE網(wǎng)絡(luò)全局思維，建立全網(wǎng)全通的概念。

讓學(xué)生在學(xué)校就能掌握行業(yè)領(lǐng)先的全網(wǎng)全套移動(dòng)通信技術(shù)。同時(shí)，促進(jìn)教師融會(huì)貫通，移動(dòng)、交換、傳輸知識(shí)，全面掌握LTE網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)拓?fù)湟?guī)劃、容量規(guī)劃、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)配置、業(yè)務(wù)驗(yàn)證等專業(yè)技能，提高綜合能力。

通過一個(gè)多學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，不僅順利完成了LTE課程的教學(xué)任務(wù)，學(xué)生得到了接近實(shí)際電信網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，取得了較好的學(xué)習(xí)效果，而且部分優(yōu)秀學(xué)生在省級(jí)職業(yè)技能競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

4.結(jié)語

虛擬仿真系統(tǒng)是當(dāng)前職業(yè)教育改革的重要方向。教育部指出職業(yè)教育要“大力推動(dòng)仿真、多媒體課件等數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)”“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)”；并提出“遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”“創(chuàng)新仿真實(shí)訓(xùn)資源應(yīng)用模式，提高使用效益”。

虛擬仿真用于4G移動(dòng)通信教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備難以完成的教學(xué)內(nèi)容，減小設(shè)備采購和維護(hù)成本，多人同時(shí)使用提高教學(xué)效率，避免危險(xiǎn)性實(shí)踐內(nèi)容，另外也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富教學(xué)形式和內(nèi)容。

虛擬仿真系統(tǒng)的使用要以實(shí)際設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)際設(shè)備上的操作技能和虛擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)互相補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛，才能多快好省地達(dá)到職業(yè)教育工學(xué)結(jié)合的教學(xué)目的。