基于CDS的4G移动通信实验教学系统构建

来源:用户上传      作者:陈万通 冯青 王续乔 吴志军

　　摘要：移动通信是通信工程专业与行业紧密结合的一门专业必修课，但多数高校面临“商用4G—学校2G”的尴尬局面。文章针对课程实验教学与现行4G网络结合较差的问题，基于LTE无线网络测试软件CDS和移动终端设计4G移动通信实验课程。该方案易实施、投入小，有助于学生深刻掌握LTE系统信令流程，培养网络数据采集与分析等工程能力，对高等院校实施工程教育以及4G实验室建设具有重要参考价值。
　　关键词：移动通信;实验教学;网络参数;移动终端
　　中图分类号：TN929.5     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）14-0385-03
　　 一、引言
　　移动通信是通信工程专业与行业结合十分紧密的一门必修课。近年来，以LTE、4G乃至5G为代表的移动通信技术高速发展，目前已经成为物联网、云计算、大数据、人工智能、无人驾驶等前沿领域的重要支撑服务。移动通信技术在给社会带来了巨大信息化变革的同时，也对高校通信工程专业的人才培养提出了更高要求[1]。
　　然而，在4G无线技术已经大规模商用，5G即将投入商用的市场环境下，学校的实验课却停留在2G、3G技术的观察、验证阶段，造成“商用4G—学校2G”的尴尬局面[2]。一方面，这将造成所培养的毕业生无法迅速适应行业需求，在校期间所见所学与实际行业需求脱节，企业将额外耗资和耗时进行培训，增加人力成本;另一方面，实验室建设普遍依赖于实验箱教学，存在不够灵活、成本较高以及教学投入产出比低等问题[3]。
　　本文针对上述问题，探索基于LTE无线网络测试软件CDS和移动终端完成4G移动通信教学实验系统的方案设计，旨在提升理论教学与现行4G网络的紧密结合度，为实验课程的改革和实验室建设提供新思路。
　　二、移动通信实验教学现状与问题
　　1.实验教学与现行4G网络结合度较差。“移动通信”是高等院校通信工程专业的重要专业课程之一，课程的教学内容主要涉及无线通信的基本概念和原理、蜂窝组网技术、传输技术、控制和交换技术以及GSM、3/4G和LTE等典型的移动通信系统[4]。实验环节大多基于实验室购置的实验箱进行，鉴于移动通信技术换代周期极短，大多数早期实验箱仍停留在GSM和3G的层面，针对4G，现行网络的升级和更新灵活度不高。另外，实验箱式教学方法侧重强调学生按部就班的操作和观察，忽略了对4G网络工作机理的深层揭示和通信步骤的细节展现，虽然学生通过指导书完成一系列操作最终实现了预期结果，但是并没有将相关理论在实验细节中得以展现。
　　2.实验室建设的投入产出比不够高。在移动通信实验室建设中，购置成本较高，用于搭建仿真环境的核心网iEPC、系统网元、交换机、eNode B和移动终端市场售价均较高，且功能涵盖有限，灵活性差，实验内容主要针对通信过程、基本原理和系统原型进行演示与仿真，与实际现行网络仍存在一定的差异性，导致移动实验室建设的前期投入巨大，但实验教学最终取得的效果并不理想，无法满足目前移动通信相关企业对通信工程人才的需求。
　　三、基于CDS的4G实验教学系统构建
　　1.LTE路测优化工具CDS简介。CDS是一款创新型的无线网络优化系列产品，专门为无线数据业务测试和优化而设计，是目前移动通信相关企业研发产品的重要工具软件[5]。不仅跟随网络由2G→3G→LTE的不断演进，具有传统语音测试的所有功能，而且提供了多樣性的数据采集和分析手段。例如：可对TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、GSM、CDMA2000、EVDO、WCDMA等网络下的各种语音及数据业务进行测试，可配套使用CDS后台软件对测试数据进行全面的分析统计，包括FTP、Ping、HTTP、WAP等数据业务测试、IP协议抓包等。
　　2.实验教学环境搭建。构建基于CDS的4G实验教学系统，除了安装CDS软件，还需要合理配置移动终端，开启后台端口，以实现用户对底层信令的访问。实验室既可以采购华为E5375/E5776 LTE网优工程机或G5510测试手机作为直接可用的终端，也可以令学生对自己的手机进行开端口操作。前者需额外增加成本投入，后者不需要实验室额外购置，但需要学生在实验开始前完成准备工作。以中兴ZTE Blade V8手机为例，简述手机开端口的步骤：（1）在电脑上安装手机驱动;在手机上，选择设置—高级设置—连接PC—安装驱动。（2）完成移动终端和电脑之间的链接操作，首先在手机上拨号*983*87274#，弹出界面后选择rndis+diag+adb+modem，选择安装驱动;在手机设置—更多里面打开USB网络共享。查看电脑设备管理器中“端口（COM和LPT）”一栏中是否有手机端口，如果没有再重复上面步骤。（3）成功识别到端口后，在CDS上选择设备—添加设备—UE-Qualcomm UE，然后选择设备—添加设备—Navigator-NMEA GPS。（4）根据测试计划完成CDS相关配置，数据业务可以基于LTE Demo视图，语音业务可以基于VoLTE Demo视图。
　　3.基于CDS软件的实验内容设计。CDS是一款用于移动通信LTE网络路测优化的专业级软件，功能强大，如图1所示，在其主界面上，包含事件视图（左上框）、信令视图（左中框）、速率与信号强度折线图（左下框）、系统信息及物理层视图（中上框）、临区信息与HARQ视图（中框）、MCS视图（下框）、DCI格式和CQI统计（右框）和PRB占用情况（左框）。基于CDS软件的上述功能区，有利于学生熟悉移动通信终端产品的底层协议，掌握LTE系统信令流程，例如可以直接开展的典型实验包括：（1）UE附着实验，学生可以掌握用户终端开机后附着小区建立信令承载的过程。（2）系统消息实验，学生能够掌握接收广播到UE接入层和非接入层的公共信息的实现细节。（3）专用承载实验，学生能够掌握专用承载的建立、更新、释放流程，以及上下行业务中各种信令和逻辑信道的使用。（4）小区切换实验，学生能够掌握切换发生的必要条件，熟悉各种切换类型的具体信令流程。此外，通过CDS软件可以基于地图模式了解基站和小区的分布情况和扇区的划分情况，有利于学生完成实际LTE路测数据采集与统计分析以及网络优化等更为高级的实验。 　　4.实验教学系统实施评价。上述实验系统于2019年上半年在我校通信工程专业2016级本科生中实施，相比于往年的实验教学情况，学生对于使用CDS软件和手机互联探索4G网络参数和信令流程表现出浓厚的学习兴趣;课堂上对GSM系统的逻辑信道和信令进行讲授后，学生能够通过上述实验方案对LTE网络和4G网络的相关信令和流程自行掌握;学生对于行业認知加深，对网络优化、路测手段以及现网设备的了解更为深入;对于移动通信实验室的扩建，可以实现周期短、成本低、产出高的目标。
　　四、结语
　　本文基于CDS专业软件和移动终端构建4G移动通信实验教学系统，有助于学生深入理解现行4G网络的系统信令流程、无线信号质量测量、网络布局与优化等专业知识，解决学生在校所学与企业所需严重脱节的问题，同时，对于提高移动通信实验室建设的投入产出比具有较高的参考价值。
　　参考文献：
　　[1]胡苏.移动通信专业课程教学设计与改革[J].教育教学论坛，2017，（16）：155-156.
　　[2]滕君华，金国华，何荣希，毕胜.让LTE走进移动通信实验课堂[J].实验科学与技术，2016，14（3）：138-140.
　　[3]戴翠琴，冉海霞，鲍宁海.移动通信课程实验教学改革与平台建设[J].实验技术与管理，2012，（2）：144-147.
　　[4]张宝华.面向岗位需求的《移动通信》教学内容和手段改革探讨[J].教育教学论坛，2014，（2）：51-52.
　　[5]苏晨.基于终端测试的LTE网络设计验证与优化分析[J].工程技术（文摘版），2016，（4）：245.
　　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
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