基于cellular-Z 軟件的《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程研究

劉賓坤，黃超

(大連理工大學(xué)城市學(xué)院 電子與自動化學(xué)院，遼寧 大連)

一 引言

改革開放以來，我國通信技術(shù)高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國，通信技術(shù)更是不斷突破創(chuàng)新。從1987 年至今，我國以蜂窩技術(shù)為基礎(chǔ)的公眾移動通信在三十多年間實(shí)現(xiàn)了從1G 買入、2G 跟隨、3G 突破、4G 同步到5G 引領(lǐng)的歷史性跨越[2]。截至2020 年末，全國移動通信基站總數(shù)達(dá)931 萬個(gè)。每個(gè)移動通信基站都時(shí)刻需要運(yùn)營商進(jìn)行維護(hù)、規(guī)劃和優(yōu)化，因此移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化作為運(yùn)營商的必要工作的一部分，勢必也需要大量的人才需求?！兑苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》是通信類專業(yè)的核心專業(yè)課，在人才培養(yǎng)中起著非常重要的作用[3]。

《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程是一門理論性和實(shí)踐性都比較強(qiáng)的課程，故本課程即要求學(xué)生掌握無線傳播理論、天線和饋線基礎(chǔ)知識、移動通信的演進(jìn)、LTE 系統(tǒng)概述及其關(guān)鍵技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋估算、基站勘測、優(yōu)化流程、覆蓋切換問題分析與優(yōu)化、容量基礎(chǔ)計(jì)算和RF 優(yōu)化等理論內(nèi)容[4]；又要使學(xué)生能夠采集到關(guān)鍵有效的數(shù)據(jù)信息、完成數(shù)據(jù)分析、建立網(wǎng)絡(luò)模型，準(zhǔn)確地找出網(wǎng)絡(luò)問題，同時(shí)兼顧社會經(jīng)濟(jì)條件和當(dāng)前移動通信技術(shù)手段，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整和參數(shù)修改等相關(guān)優(yōu)化工作，以確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以既經(jīng)濟(jì)又高質(zhì)量的方式運(yùn)行。所以本課程既要求學(xué)生“懂”，又要求學(xué)生會“做”。因此需要在教學(xué)方式上采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生的理論知識在實(shí)踐中得到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，這樣才能達(dá)到一個(gè)比較好的教學(xué)效果。

但是在實(shí)踐教學(xué)中，不可能要求學(xué)生像真正的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師一樣完成路測，或修改操作基站參數(shù)，大多都是通過軟件仿真進(jìn)行替代。雖然通過軟件仿真進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)有很多好處，但有一定的局限性。而cellular-Z 軟件可以簡單操作就能測量到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)參數(shù)數(shù)值，將其應(yīng)用到課程中，對增加課程的實(shí)踐性是很有必要的。

二 cellular-Z 軟件在課程中的應(yīng)用

通過cellular-Z 軟件，按照規(guī)定的測試路線，測量實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的參數(shù)，然后通過對手動記錄的數(shù)據(jù)和后臺自動生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在的問題，并根據(jù)理論知識提出優(yōu)化方法，這樣學(xué)生不僅可以加固已學(xué)習(xí)到的理論知識，而且還可以在實(shí)踐中得到鍛煉，理解實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各參數(shù)的具體含義。

圖1 cellular-Z 軟件的主界面

（一） cellular-Z 軟件介紹

cellular-Z 是一個(gè)手機(jī)APP 軟件，軟件不僅操作方便，而且還專業(yè)和強(qiáng)大，如圖1 所示。

cellular-Z 軟件主要功能有：

（1）檢測雙卡手機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（SIM 卡數(shù)據(jù)、服務(wù)小區(qū)數(shù)據(jù)、服務(wù)小區(qū)信號強(qiáng)度及鄰小區(qū)數(shù)據(jù)）；

（2）檢測WIFI 數(shù)據(jù)（已連接設(shè)備數(shù)據(jù)、附近WIFI 列表數(shù)據(jù)、WIFI 信道數(shù)據(jù)和信號強(qiáng)度）；

（3）檢測位置數(shù)據(jù)（坐標(biāo)類型、定位方式、衛(wèi)星圖和衛(wèi)星列表數(shù)據(jù)），能夠搜索到QZSS、GPS、Glonass、北斗和Galileo 等衛(wèi)星；

（4）檢測終端設(shè)備數(shù)據(jù)（電池信息數(shù)據(jù)、硬件信息數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)）；

（5）地圖& 軌跡測試（以LTE 為例，可以實(shí)時(shí)測量出RSSI、RSRP、RSRQ、SINR、TAC、PCI、ECI 和EARFCN 等參數(shù)數(shù)據(jù)）；

（6）速度測試、室內(nèi)覆蓋測試（分為手動設(shè)置路徑測試、預(yù)設(shè)路徑測試和傳感器測試）；

（7）查詢NR-ARFCN、EARFCN 和ARFCN 等功能。

根據(jù)實(shí)踐內(nèi)容和課時(shí)的安排，主要將cellular-Z 軟件中的第1、5 和7 點(diǎn)功能應(yīng)用到課程中，其他部分作為拓展。

（二） 課程教學(xué)設(shè)計(jì)改革

為了讓輔助教學(xué)cellular-Z 軟件應(yīng)用在《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》的課程中發(fā)揮更好的作用，需要進(jìn)行課程教學(xué)方面的設(shè)計(jì)改革。通過教學(xué)的設(shè)計(jì)改革，最終目的是讓學(xué)生學(xué)會如何理論與實(shí)踐相結(jié)合，用理論知識解決實(shí)際問題，并在解決實(shí)際問題的過程中加深對基礎(chǔ)知識的掌握。針對輔助教學(xué)cellular-Z軟件在《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》的課程中應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路如下所述。

為了使學(xué)生了解終端信息，了解移動通信網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)指標(biāo)的意義，學(xué)會測試各參數(shù)數(shù)據(jù)，完成處理，通過數(shù)據(jù)分析出網(wǎng)絡(luò)問題，根據(jù)相應(yīng)的問題提出優(yōu)化對策。本節(jié)以LTE 為例敘述如何進(jìn)行設(shè)計(jì)課程教學(xué)。通過讓學(xué)生測試LTE 網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)處理和分析，來讓學(xué)生了解LTE 網(wǎng)絡(luò)中各種參數(shù)含義，分析LTE 網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋問題，提出解決問題的對策。其中重點(diǎn)是讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際測試的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)并掌握參數(shù)指標(biāo)的含義。

具體設(shè)計(jì)如下：

（1）確定測試路線。選定測試地點(diǎn)為校園內(nèi)，在校園的平面圖上確定測試地點(diǎn)和路線。如圖2 所示，在學(xué)校的平面圖上選定31 個(gè)測試點(diǎn)，從上課地點(diǎn)『27#實(shí)踐中心（二）』左側(cè)的測試點(diǎn)開始，經(jīng)『25#實(shí)踐中心（一）』向上逆時(shí)針方向，依次測試剩余的30個(gè)測試點(diǎn)，最后返回到『27#實(shí)踐中心（二）』。在測試點(diǎn)過程中，cellular-Z 軟件后臺會時(shí)刻記錄整個(gè)路線上所有的數(shù)據(jù)。

圖2 測試地圖

（2）確定數(shù)據(jù)記錄表。數(shù)據(jù)記錄表主要是記錄UE 基本信息和UE 測試數(shù)據(jù)。如表1 所示，UE 基本信息包括：測試人員、測試時(shí)間、坐標(biāo)類型、運(yùn)營商、經(jīng)緯度、MNC、MCC、IMEI、SIM IMSI、BAND WIDTH 和測試地點(diǎn)；那么主要的測試參數(shù)為：TAC、PCI、ECI、RSSI、RSRP、RSRQ、SINR 和EARFCN等。并讓學(xué)生在測試前熟悉各參數(shù)的含義。

（3）組織測試。首先，測試前準(zhǔn)備如下：測試路線地圖（電子版或紙質(zhì)）、cellular-Z 軟件、數(shù)據(jù)記錄表（A4 紙打?。㈦娮颖?、黑色簽字筆、USB數(shù)據(jù)線和筆記本電腦等。其次，將學(xué)生按照“四人一排”進(jìn)行排隊(duì)，兩人分為一組，一人讀取測試數(shù)據(jù)，一人記錄數(shù)據(jù)。最后，檢查學(xué)生測試軟件狀態(tài)是否正常、數(shù)據(jù)記錄表的基本信息是否填寫正確等，并按照測試路線開始測試。

（4）合理設(shè)計(jì)問題，開啟學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生求知欲。在測試的過程中引導(dǎo)學(xué)生自主思考問題，或者通過設(shè)計(jì)問題來讓學(xué)生回答，豐富課堂內(nèi)容，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。比如，如何讓學(xué)生理解課程中RSSI 和RSRP 這兩個(gè)參數(shù)的含義？可以進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：首先，設(shè)計(jì)問題，即在實(shí)際測試中RSSI 的測試值為什么會比RSRP 的測試值大？其次，根據(jù)學(xué)生的不同回答情況，作出不同的相關(guān)提示，提示可以設(shè)計(jì)為隱晦的，也可以為直白的，通過學(xué)生的思考狀態(tài)做動態(tài)調(diào)整；最后，再根據(jù)實(shí)際的測試值，作出定量計(jì)算，進(jìn)一步加深學(xué)生的理解。

（5）測試結(jié)束后，整理分析數(shù)據(jù)，提出優(yōu)化對策；在完成測試后，將軟件后臺的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，結(jié)合記錄的數(shù)據(jù)，完成對數(shù)據(jù)的整理、分析，得出校園內(nèi)LTE 網(wǎng)絡(luò)中存在的覆蓋問題，并給出優(yōu)化措施，完成報(bào)告的書寫。

通過對課程的設(shè)計(jì)改革，使輔助教學(xué)cellular-Z軟件完美應(yīng)用在《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》的課程中，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中通過基本理論知識來解決問題，提高學(xué)生自主分析問題和解決問題的能力，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三 應(yīng)用cellular-Z 軟件后的課程教學(xué)效果

經(jīng)過對應(yīng)用了輔助教學(xué)cellular-Z 軟件的《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程做精心的改革設(shè)計(jì)之后，在實(shí)際的教學(xué)中得到了非常不錯(cuò)的教學(xué)效果，不僅豐富了課堂內(nèi)容，開啟了學(xué)生思維，而且還大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更提升了學(xué)生綜合實(shí)踐的能力。

表1 LTE 路測數(shù)據(jù)記錄表

（一） 設(shè)計(jì)合理問題，開啟學(xué)生思維

《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程是一門綜合性強(qiáng)的專業(yè)課程。理論基礎(chǔ)知識范圍廣，有些不易理解。很多同學(xué)在學(xué)習(xí)中雖然掌握了基礎(chǔ)理論，但不會舉一反三，活學(xué)活用，遇到老師提出的問題不知如何解決。

應(yīng)用軟件輔助教學(xué)后，以cellular-Z軟件為載體，學(xué)生能夠清楚和理解問題的背景，拓寬了思維，并改變了固有的思維方式，能夠結(jié)合已學(xué)的理論知識，輕松地解決老師提出的問題。輔助教學(xué)cellular-Z軟件像是捅破了那窗戶紙的利器，開啟了學(xué)生思維大門，讓學(xué)生能夠輕松地將各單元的知識轉(zhuǎn)化為解決問題的方法。

（二） 理論聯(lián)系實(shí)際，加深理解知識

作為一門專業(yè)實(shí)踐性特別強(qiáng)的課程，《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程大多都是由理論課和實(shí)驗(yàn)課組成。其中許多學(xué)校由于資金不足、場地受限或?qū)I(yè)建設(shè)重視度低的原因，大多像其他課程一樣，理論課課時(shí)比例過高，過于注重理論原理與公式的教學(xué)，將授課的重心放在掌握理論知識的層面，忽視了實(shí)驗(yàn)課程的重要性[5]，即使有的學(xué)校開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，也都是通過軟件進(jìn)行仿真，老師演示性教學(xué)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課中缺乏實(shí)踐性，大大抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，造成了學(xué)生對知識一直停留在理論的層次上。

在應(yīng)用軟件輔助教學(xué)后，學(xué)生通過用cellular-Z軟件可以真正地去測試校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析，能夠發(fā)現(xiàn)校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)問題，基于理論知識提出優(yōu)化對策。此外在分析數(shù)據(jù)時(shí)，能夠通過數(shù)據(jù)加深對理論概念的理解，如在處理LTE 網(wǎng)絡(luò)中RSSI 參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，能夠通過折線圖理解什么是快衰落和什么是慢衰落。這樣通過解決問題同時(shí)，加深對理論知識的理解，使理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐學(xué)習(xí)形成互補(bǔ)，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被成功激發(fā)，同時(shí)課堂也會生動有趣。

（三） 精簡理論授課，注重自主學(xué)習(xí)

許多高校開設(shè)的《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課程都存在一些亟需解決的問題，最主要的是大多都是基于講授性的單向授課模式，教學(xué)內(nèi)容較偏重于理論，使學(xué)生處于被動接受地位[6]。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是有一些客觀原因造成的，這種客觀原因多數(shù)是受制于傳統(tǒng)的教學(xué)模式影響和學(xué)校資金場地等客觀條件限制，然而對于《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》這樣實(shí)踐性、自主性較強(qiáng)的課程，僅靠理論教學(xué)是不行的，還需要在課程中增加合適的實(shí)踐項(xiàng)目，在具體的實(shí)踐項(xiàng)目中，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，注重培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

在應(yīng)用輔助教學(xué)cellular-Z 軟件之后，將節(jié)省出來的授課時(shí)間和學(xué)生的精力轉(zhuǎn)移到必須完全掌握的知識以及實(shí)踐測試上去，大大減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)和講課的枯燥程度[7]。針對有些知識點(diǎn)可以在實(shí)踐操作中進(jìn)行掌握，可以要求學(xué)生在實(shí)踐操作中學(xué)習(xí)，這樣不僅可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，還提升了學(xué)習(xí)的趣味性。所以在課堂上精簡理論授課時(shí)間，增加學(xué)生更喜歡的實(shí)踐課時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐學(xué)習(xí)，讓學(xué)生得到較多的實(shí)踐鍛煉。

多數(shù)學(xué)生的抽象思維能力都偏弱，更適合于富有形象性的教學(xué)，他們不適應(yīng)長時(shí)間大跨度地在理論推導(dǎo)范疇內(nèi)不斷演進(jìn)深化的學(xué)習(xí)形式，而更適合于每一個(gè)獨(dú)立的具象性的學(xué)習(xí)成果的獲得。學(xué)生更喜歡實(shí)踐類的課程，不喜歡理論分析的課程。因此，應(yīng)用軟件輔助教學(xué)，在課堂上多給學(xué)生提出問題，注重啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，精簡理論授課內(nèi)容，多讓學(xué)生去實(shí)踐、思考和討論，以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提升學(xué)習(xí)興趣。

四 結(jié)語

總之，將cellular-Z 軟件引入《移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》課堂中，可以有效地將理論知識學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐結(jié)合起來，可以讓學(xué)生從枯燥的學(xué)習(xí)中解脫出來，還可以引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，使課堂的面貌也煥然一新。特別是在后疫情時(shí)代，許多的實(shí)踐教學(xué)工具不能應(yīng)用在線上教學(xué)中，具有一定的局限性，但cellular-Z 軟件可以經(jīng)過不同的課程教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠輕松應(yīng)用在線上教學(xué)、線下教學(xué)和線上線下混合制教學(xué)中，具有一定的實(shí)用性。此外，還提高學(xué)生的實(shí)踐和動手能力，使學(xué)生掌握基本的工程分析、研究、設(shè)計(jì)和管理方法，具有系統(tǒng)工程實(shí)踐的能力，創(chuàng)新源于實(shí)踐，實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神的重要途徑，通過實(shí)踐能提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力，同時(shí)培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和相互合作的團(tuán)隊(duì)精神[8]。