虛擬仿真與在線實境技術(shù)在通信原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

屈代明，徐爭光，李 瑋

（1.華中科技大學(xué) 電子信息與通信學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢易思達科技有限公司 研發(fā)中心，湖北 武漢 430205）

1 虛擬仿真實驗與在線實境實驗

基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)，能以直觀、形象的方式再現(xiàn)科學(xué)原理，使學(xué)生主動參與仿真過程，并進行開放式探索實驗，可以有效提升學(xué)生對所學(xué)知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力[1-2]。近年來虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，在交互性、逼真度、沉浸感等方面取得了較大進步，行業(yè)領(lǐng)域有關(guān)技術(shù)標準逐漸形成。隨著技術(shù)的日臻成熟，虛擬仿真實驗呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢[3]。

但有的虛擬仿真實驗對實驗參數(shù)的仿真不充分，使實驗效果與真實情況差距較大。有的理論驗證型虛擬仿真實驗僅是簡單模擬在實驗室做實驗的場景和操作步驟，沒有顧及讓實驗者加深對理論知識理解的目的，沒有將系統(tǒng)實現(xiàn)的主要精力用在理論知識所對應(yīng)的實驗現(xiàn)象的實景再現(xiàn)上，而是花費在本就沒有必要的對實驗操作的虛擬仿真上。

針對目前一些虛擬仿真實驗存在的問題，有學(xué)者提出了“實境實驗”的概念。我們認為，“實境實驗”是“實境學(xué)習(xí)”概念的引申和發(fā)展，實境學(xué)習(xí)是要使所設(shè)計的學(xué)習(xí)情境、學(xué)習(xí)任務(wù)體現(xiàn)現(xiàn)實世界的復(fù)雜性，而不是刻意簡化問題和任務(wù)[4]。較早將“實境學(xué)習(xí)”理念應(yīng)用于實驗環(huán)節(jié)的是東南大學(xué)電工電子實驗中心的胡仁杰教授，他認為“基于軟件工具的虛擬仿真不能完全替代實物實驗，實物實驗中響應(yīng)速度、阻抗匹配、分布參數(shù)、驅(qū)動能力、電路干擾、參數(shù)誤差、測量精度等因素對實驗的影響在仿真中是無法體驗的。如何實現(xiàn)實境實驗，是在線教育迫在眉睫的問題”[5]。

具體來講，在線實境實驗是指利用計算機網(wǎng)絡(luò)和遠程訪問技術(shù)，使實驗者在本地通過終端設(shè)備（個人電腦、智能手機等）遠程訪問實驗所需軟硬件資源，將實驗數(shù)據(jù)、參數(shù)等發(fā)送給遠端的實驗設(shè)備，并實時接收、顯示實驗設(shè)備處理后的實驗結(jié)果，使在線實境實驗的實驗者如同在實驗室做實驗一樣。

相對于虛擬仿真實驗，在線實境實驗具有與實物實驗完全一致的效果，更真實，也更貼近工程實踐，通過遠程調(diào)用即可實現(xiàn)對實驗設(shè)備的操作，而不需要另外對實驗操作進行虛擬仿真實現(xiàn)。其缺點是一套實驗設(shè)備同時只能進行一組實驗，無法像虛擬仿真實驗?zāi)菢又灰摂M仿真系統(tǒng)的運算、存儲、通信帶寬等資源足夠，就可以支持多用戶并發(fā)訪問。但在線實境實驗支持隨時隨地的訪問，可以很方便地與缺乏這些實驗設(shè)備的用戶共享使用，通過提前預(yù)約、排隊訪問等管理手段還可以大大提高實驗設(shè)備的使用效率。

綜上所述，在電子信息類專業(yè)本科理論課程教學(xué)中，可以將虛擬仿真和在線實境兩種實驗方式有機結(jié)合，以獲得揚長避短、優(yōu)勢互補的效果。在理論驗證和算法仿真階段，可利用虛擬仿真實驗效果生動、直觀等優(yōu)勢，強化實驗者對理論知識的理解，單用戶的實現(xiàn)成本和使用成本也很低。在工程實踐階段，可利用在線實境實驗貼近工程實踐的優(yōu)勢，鍛煉實驗者理論聯(lián)系實踐的能力，同時有效提高實驗設(shè)備的使用率。

2 利用虛擬仿真、在線實境技術(shù)改進“通信原理”課程教學(xué)

“通信原理”是電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個課程體系中起著承前啟后的作用。該課程涉及的知識面廣，且理論性和實踐性都很強，對初學(xué)者而言，學(xué)好“通信原理”是很大的挑戰(zhàn)[6]。一般而言，課程理論越抽象，就越需要用模擬教學(xué)方式來進行理論驗證。典型的模擬教學(xué)通常是基于一定的簡化假設(shè)條件，因此對一些重要的實際問題不能充分體現(xiàn)。由于理論與實踐之間的差異日趨明顯，再加上對模擬教學(xué)的日趨依賴，使得很多“通信原理”的學(xué)習(xí)者無法將學(xué)到的知識迅速應(yīng)用于真正的通信系統(tǒng)中[7]。

實驗教學(xué)作為承擔理論聯(lián)系實踐重任的教學(xué)環(huán)節(jié)，其現(xiàn)狀也不盡如人意，部分高校仍在使用傳統(tǒng)的實驗箱。實驗箱功能較為單一，大部分實驗為驗證理論知識的驗證性實驗，僅有的少量實踐性實驗卻缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性。部分高校的實驗教學(xué)引入了與工程實踐一致、開放性強的軟件無線電平臺，但由于成本較高且需要用較多時間學(xué)習(xí)平臺的使用方法，所以受益面有限，設(shè)備的使用率不高。因此我們認為，可以利用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)實驗箱的驗證性實驗功能，利用在線實境技術(shù)遠程連接軟件無線電平臺，提高設(shè)備的使用率。

在實驗內(nèi)容方面，除了設(shè)計一些經(jīng)典的系統(tǒng)性實驗，如模擬調(diào)制傳輸系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)外，為了使學(xué)習(xí)者了解通信技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的最新趨勢，并為學(xué)有余力者提供個性化發(fā)展的平臺，有必要設(shè)計一個與5G 移動通信系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)實驗。作為最新一代進入實用階段的移動通信系統(tǒng)，5G 移動通信系統(tǒng)具有很好的新穎性和系統(tǒng)性，其物理層各功能模塊分別對應(yīng)了通信原理課程中不同章節(jié)的內(nèi)容，通過將5G物理層相關(guān)知識引入通信原理教學(xué)，可以較好地解決將通信原理教學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合的問題。

在實驗層次方面，利用虛擬仿真和在線實境技術(shù)各自的優(yōu)勢，在不同的實驗層次上使用不同的技術(shù)來實現(xiàn)，達到優(yōu)勢互補的目的。在理論驗證、算法仿真階段使用虛擬仿真技術(shù)，使實驗的大部分功能都能在虛擬仿真模式下完成，實驗者的代碼也可在虛擬仿真系統(tǒng)中進行驗證，從而減少甚至消除錯誤，并縮短硬件實驗時長、提高實驗硬件的使用效率。在系統(tǒng)實現(xiàn)與軟硬件聯(lián)調(diào)階段使用在線實境技術(shù)，使實驗者在任何有網(wǎng)絡(luò)連接的場所都能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問到實驗室中的實驗硬件，從而開展遠程在線實境實驗。這樣，一方面可以使實驗效果與工程實踐完全一致，另一方面也可以使實驗者自由地利用課外時間錯峰開展實驗，使有限的實驗設(shè)備得到充分利用。

考慮到5G 物理層指標要求較高，相應(yīng)的實現(xiàn)平臺、測試儀表價格昂貴，這樣的設(shè)計還可以有效地解決因資金預(yù)算有限導(dǎo)致的實驗設(shè)備臺套數(shù)有限與“通信原理”實驗者數(shù)量眾多、實驗課時較長的矛盾。

3 通信原理虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

我校電子信息與通信學(xué)院“通信原理”課程組根據(jù)通信原理課程教學(xué)改革需求，在武漢易思達科技有限公司的支持下，設(shè)計實現(xiàn)了通信原理虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)將虛擬仿真服務(wù)器、實境實驗設(shè)備以及虛擬仿真客戶端等功能單元連接起來。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通信原理虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬仿真服務(wù)器上部署本系統(tǒng)所需的虛擬仿真實驗軟件、實驗資源和實驗管理軟件，實現(xiàn)虛擬仿真實驗的主要實驗功能以及整個系統(tǒng)的管理功能。

實境實驗設(shè)備包括軟件無線電平臺、在線測試儀表（根據(jù)需求選配）以及在線實驗終端，實現(xiàn)實境實驗的實驗功能。

由于采用B/S 架構(gòu)，虛擬仿真客戶端只需要接入虛擬仿真服務(wù)器和實境實驗設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)，實驗者就可以通過虛擬仿真客戶端上的瀏覽器進行虛擬仿真和在線實境實驗。

3.1.1 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗為純虛擬實驗，不需要實驗室硬件設(shè)備支持，實驗者選擇實驗后可以隨時開始實驗。實驗者在虛擬仿真客戶端實驗頁面的相關(guān)請求，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至虛擬仿真服務(wù)器，服務(wù)器通過預(yù)先部署的WEB 服務(wù)調(diào)用實驗運算軟件模塊，處理完畢后將實驗輸出結(jié)果返回給客戶端，渲染后展示給實驗者。

圖2 虛擬仿真實驗實例

圖2 展示了一個虛擬仿真實驗實例。實驗者首先 通過瀏覽器訪問虛擬仿真服務(wù)器，獲得如圖2 所示的DPSK 調(diào)制系統(tǒng)實驗界面，再設(shè)置DPSK 調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)，點擊運行后實驗波形、數(shù)據(jù)等均顯示在實驗界面的右側(cè)。

3.1.2 在線實境實驗

在線實境實驗需要對應(yīng)的實境實驗設(shè)備的支持，系統(tǒng)管理員需要設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的開放時間段，實驗者需要在系統(tǒng)中提前預(yù)約實驗時間和設(shè)備，并且在預(yù)約的時間段內(nèi)通過遠程登錄實驗系統(tǒng)完成實驗。

在線實境實驗時，WEB 服務(wù)被部署在實驗室的在線實驗終端中，一臺在線實驗終端對應(yīng)一套實境實驗設(shè)備。實驗者在虛擬仿真客戶端進行實驗時，虛擬仿真服務(wù)器收到實驗請求后將實驗輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)傳遞至在線實驗終端的WEB 服務(wù)，WEB 服務(wù)再將相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)傳至硬件設(shè)備中進行處理，最后將實驗輸出結(jié)果反向返回至客戶端，客戶端可以展示實驗結(jié)果和儀表的測量數(shù)據(jù)和圖像。實驗者還可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭觀察實驗現(xiàn)象。

圖3 展示了在線實境實驗的一種典型應(yīng)用場景。系統(tǒng)先將DPSK 調(diào)制算法遠程加載到一臺軟件無線電設(shè)備上運行，并通過射頻發(fā)射DPSK 已調(diào)信號；另一臺軟件無線電設(shè)備接收DPSK 已調(diào)信號，并運行遠程加載的DPSK 解調(diào)算法對已調(diào)信號進行解調(diào)處理；兩臺示波器分別測量發(fā)射部分的調(diào)制信號和接收部分的解調(diào)信號；運行結(jié)果和測量結(jié)果都可以返回到客戶端展示。實驗者可以通過攝像頭觀察實時實驗圖像。

圖3 在線實境實驗典型應(yīng)用場景

3.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗內(nèi)容包括FM 模擬調(diào)制無線傳輸系統(tǒng)實驗、DPSK 數(shù)字調(diào)制無線傳輸系統(tǒng)實驗和5G 物理層處理系統(tǒng)實驗等三項難度依次漸增大、系統(tǒng)架構(gòu)一脈相承的實驗，讓實驗者循序漸進地熟悉和掌握通信系統(tǒng)的架構(gòu)、功能及實現(xiàn)方法。

下面以5G 物理層處理系統(tǒng)實驗為例，說明本系統(tǒng)實驗內(nèi)容的設(shè)計思路。

5G 物理層處理系統(tǒng)實驗遵循3GPP（3rd generation partnership project）相關(guān)技術(shù)規(guī)范的定義[8-12]，對5G物理層的物理上行共享信道（PUSCH，physical uplink shared channel）進行了實現(xiàn)，實驗整體分為UE（user equipment）發(fā)送與基站接收兩個部分、26 個算法模塊。具體的實驗功能框圖如圖4 所示。

圖4 5G 物理層處理系統(tǒng)實驗功能框圖

該實驗流程、參數(shù)、輸入輸出數(shù)據(jù)格式等嚴格遵循3GPP 相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，與5G 終端、基站設(shè)備PUSCH 信道的實現(xiàn)原理完全一致。實驗不僅能通過虛擬仿真方式實現(xiàn)5G 物理層PUSCH 信道基帶處理的全過程，還能通過在線實境實驗方式遠程連接軟件無線電設(shè)備和測試儀表，在滿足5G 物理層性能要求的硬件上實現(xiàn)、觀測5G 物理層PUSCH 信道處理全過程。

3.3 實驗層次設(shè)計

本系統(tǒng)的實驗如圖5 所示分為4 個層次。

圖5 實驗層次和實驗?zāi)康?/p>

（1）系統(tǒng)功能驗證性實驗。實驗者在本實驗構(gòu)架的通信系統(tǒng)中選擇不同的配置參數(shù)，觀察各功能模塊處理結(jié)果的變化以及對系統(tǒng)關(guān)鍵指標的影響，從而理解通信系統(tǒng)中各功能模塊的作用，以及相關(guān)參數(shù)的相互影響。例如對于“提高調(diào)制階數(shù)增加了傳輸帶寬，但抗噪聲性能會降低”的驗證，可以通過改變調(diào)制方式和信噪比來實現(xiàn)。又例如，在同樣的調(diào)制階數(shù)和信噪比情況下，可以通過使用信道編碼來糾正誤碼，但由于信道編碼帶來了冗余數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的傳輸速率會下降。這些實驗現(xiàn)象都是對通信原理教材中對應(yīng)的結(jié)論的驗證。同時，實驗者通過驗證性實驗，還可以結(jié)合課本知識了解不同通信系統(tǒng)對相同功能和作用的不同實現(xiàn)技術(shù)和方法。

（2）單個模塊算法仿真實驗。實驗者打開通信系統(tǒng)實驗中某個功能框圖的M 語言實現(xiàn)代碼，通過對單個模塊功能的算法實現(xiàn)仿真（為降低設(shè)計難度，可以只選取部分代碼功能來實現(xiàn)），加深實驗者對于通信原理理論知識的理解，使實驗者初步掌握該功能模塊的工程實現(xiàn)方法。

（3）虛擬仿真模式下的系統(tǒng)性實驗。實驗者將自己獨立設(shè)計的某個功能模塊的M 語言實現(xiàn)代碼上傳到本系統(tǒng)的虛擬仿真服務(wù)器，與其他系統(tǒng)自帶的模塊聯(lián)合運行，可掌握通信模塊算法仿真與軟件聯(lián)調(diào)、測試的方法，同時深入理解單個模塊是如何應(yīng)用于一個完整的通信系統(tǒng)中的。

（4）在線實境模式下的系統(tǒng)性實驗。實驗者將上一步軟件聯(lián)調(diào)中測試通過的M 語言實現(xiàn)代碼，通過遠程連接硬件的方式加載到軟件無線電平臺上運行，并遠程連接儀表觀測運行結(jié)果，掌握通信系統(tǒng)的研究開發(fā)、軟硬件調(diào)試、指標測量方法。

以上四個層次與電子信息相關(guān)學(xué)科科學(xué)研究和工程應(yīng)用過程中從總體設(shè)計到單元設(shè)計，再到單元測試和系統(tǒng)測試的實現(xiàn)階段完全對應(yīng)。因此，本系統(tǒng)不僅使實驗者能夠更好地學(xué)習(xí)和掌握通信原理相關(guān)知識，還能使實驗者熟悉通信系統(tǒng)的研究開發(fā)方法，為他們今后的科學(xué)研究和工程應(yīng)用奠定深厚的理論和實踐基礎(chǔ)。

4 通信原理虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)的應(yīng)用情況

本實驗系統(tǒng)的測試版本于2019—2020 學(xué)年第一學(xué)期在我校電子信息與通信學(xué)院電子信息工程專業(yè)201701 班（數(shù)理提高班）“通信原理”課程實驗中進行了試用，全部27 名學(xué)生均按時完成了實驗，學(xué)生反響積極，還對實驗界面提出了優(yōu)化改進建議。

對學(xué)生的調(diào)查問卷結(jié)果顯示，認為純虛擬仿真實驗比MATLAB 仿真實驗效果更好的比例只有22%，而認為實境實驗有助于加深對通信系統(tǒng)理解的比例達96%。這個結(jié)果一方面說明在“通信原理”實驗教學(xué)中建設(shè)單純的虛擬仿真項目意義不大，驗證了虛擬仿真項目建設(shè)必須遵循“能實不虛”的指導(dǎo)思想；另一方面也體現(xiàn)了在實驗系統(tǒng)中增加在線實境模式的必要性。

5 結(jié)語

通信原理虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)針對目前“通信原理”課程實物實驗存在的問題，有針對性地引入虛擬仿真和在線實境技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了FM 模擬調(diào)制無線傳輸系統(tǒng)實驗、DPSK 數(shù)字調(diào)制無線傳輸系統(tǒng)實驗、5G 物理層處理系統(tǒng)實驗等理論緊密聯(lián)系實踐、難度循序漸進、實驗方法與工程實現(xiàn)高度一致的實驗項目，在“通信原理”課程教學(xué)實踐中取得了良好的效果。