5G业务融合虚拟仿真实验课程设计与实现
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作者:胡圣波 雷涛 贡庆 王永容 施燕峰
摘 要 5G业务融合是通信工程专业移动通信与网络优化课程的重要内容。采用虚拟现实技术开发5G业务融合实验课程可降低实验成本，易于运行维护。课程引入高清视频切片、手机切片、海量物联网切片和任务关键性物联网切片等要素，搭建无人机、无人车等多元应用场景，以5G基站、核心网云、AAU、GPS等5G移油ㄐ畔低澄主要内容，接入OTN、EPON和NGN软交换等设备，学生既能学习以5G为核心的移动通信技术，又能加深对移动通信应用场景的理解，熟悉多业务接入的5G移动通信融合背景，从而有助于学习移动通信与网络优化课程，加强对相关产业和行业发展的认识，提升工程实践能力、创新能力和社会竞争能力。
关键词 5G;移动通信与网络优化;虚拟现实;虚拟仿真
实验;5G业务融合
中图分类号：G434 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2022）06-0142-04
0 引言
移动通信与网络优化课程是通信工程专业重要核心课程之一。与电路、信号系统、电子电路等电工电子基础课程相对稳定不一样，移动通信与网络优化课程必须反映移动通信技术的最新发展，必须不断更新知识内容和实验手段。特别地，在5G时代的今天和新工科背景下，如何低成本、低消耗、无安全隐患地让学生掌握以5G移动通信网络为核心的移动通信承载网的规划、设计、建设、优化、应用等全过程，培养学生自主学习、探究式学习和创新创业能力，无疑是地方普通高校通信工程专业人才培养必须面对的严峻挑战。
近年来，虚拟现实（Virtual Reality，VR）等新一代信息技术迅猛发展，而VR技术因其具有的沉浸性、交互性、多感知性、自主性等特征，在教育领域的应用越来越得到重视[1-2]。其中，应用VR技术开发虚拟仿真实验课程，在解决因成本、消耗、安全隐患等问题而无法开展的课程实验方面发挥了重要作用，同样受到国内高校的普遍关注。如针对化工实验本身潜在较大安全隐患，陶弈芹等[3]认为：借助虚拟仿真技术将化工生产过程转移到虚拟仿真实验室进行，成为不少高校解决教学中“看多动少”难题的优先选择。刘焕卫等[4]采用虚拟仿真技术开展制冷压缩机拆装实验课程改革，有效地解决了实验设备台套数不足问题，提高学生动手实践能力和解决复杂工程问题的能力。而针对采用物理实物设备开展移动通信与网络优化课程实验成本高、难以维护等的问题，设计开发虚拟仿真实验同样引起重视。如李婷等[5]设计了5G基站工程实施仿真实验项目，郑云等[6]则提出移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理思路。
综上，虚拟仿真实验在实现低成本、低消耗、无安全隐患课程实验方面作用越发明显，也越发重要。本文从5G的eMBB、mMTC、uRLLC三个业务应用场景出发[7]，采用Unity 3D和Visual Studio等工具，设计、实现5G业务融合虚拟仿真实验课程。课程采用虚拟仿真的方式，引入高清视频切片、手机切片、海量物联网切片和任务关键性物联网切片等要素，搭建无人机、无人车等多元应用场景，通过课程综合设计，以5G基站、核心网云、AAU、GPS等5G移动通信系统为主要内容，接入OTN、EPON和NGN软交换等设备，让学生既能学习以5G为核心的移动通信技术，又能加深对移动通信应用场景的理解，熟悉多业务接入的5G移动通信融合背景，从而加强对相关产业和行业发展的认识，提升工程实践能力、创新能力和社会竞争能力。
1 设计思想
本课程支持移动通信场景选择、数据规划、设备安装、数据配置、测试验证、项目提交的项目实施过程。课程内容包含的设备模块有5G基站设备、5G核心网云设备、OTN光传输网络设备、手机终端等，支持系统搭建完成后进行VR查看，同时支持调试后的业务验证、告警处理及协议分析。课程立足于通信工程等专业教学需求，学生可完整掌握移动通信项目的实施全过程，从而更加熟练地掌握移动通信理论和方法。
课程具有将理论知识与现实设备融合，化抽象为具体，加深学生对理论知识的认识与理解等特点，全面覆盖通信网络中的设备，构建通信大网，帮助学生形成通信网络体系，以综合培养学生在5G承载网技术及应用实践能力，培养学生掌握最新的移动通信技术。
2 技术实现
在Windows Server和SQL Server环境下，采用Unity 3D和Visual Studio等开发工具，运用C/S网络架构，完成本实验课程开发，课程系统如图1所示。
课程内容包括5G移动通信网络、移动承载网络、光传输技术等知识点，各知识点组成的网络架构如图2所示。课程系统包括五个知识模块。
2.1 Massive MIMO
Massive MIMO知识模块由射频收发单元阵列、射频分配网络和多天线阵列组成。其中，射频收发单元阵列包含多个发射单元和接收单元。发射单元获得基带输入并提供射频发送输出，射频发送输出将通过射频分配网络分配到天线阵列，接收单元执行与发射单元操作相反的工作;射频分配网络则将输出信号分配到相应天线路径和天线单元，并将天线的输入信号分配到相反的方向;而多天线阵列可包括各种实现和配置，如极化、空间分离等。
2.2 扇区
扇区就是这个基站有几个方向的天线。一般有全向基站，可以理解为信号360°发射，就是一个扇区。定向基站，信号向某个方向发射，周围360°方向根据需要覆盖，一般分为三个扇区;个别情况下，会有两个或大于三个的扇区。现有基站扇区划分一般来说正北方向为一扇区，顺时针120°方向为二扇区，240°方向为三扇区。根据实际情况也可增加扇区和调整扇区覆盖角度。
2.3 SCTP协议
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