移動通信切換類網路故障分析與最佳化虛擬仿真實驗項目

移動通信切換類網路故障分析與最佳化虛擬仿真實驗項目是江漢大學建設的虛擬仿真實驗課程。

基本介紹

• 中文名：移動通信切換類網路故障分析與最佳化虛擬仿真實驗項目
• 建設院校： 江漢大學
• 課程負責人： 張霞
• 授課教師：侯群、漆為民、操長茂、雷海東

課程簡介

移動通信切換類網路故障分析與最佳化虛擬仿真實驗項目將通信網路仿真與虛擬現實技術相結合，以VR沉浸式、小規模無線網路規劃仿真、高精度GIS地理呈現、故障攻防等作為實驗手段，讓學生身臨其境的認知LTE網路設備，自主搭建移動通信系統網路，利用互動式的設定故障與排除故障攻防實戰，深入了解網路問題分析與故障排查思路及原理，以可視化方式學習LTE信令及協定，體現移動通信全工作過程、大閉環實訓的完整實驗內容。

課程目標

通過本實驗不僅能夠培養學生專業的基礎理論，並能將理論知識與實際套用相結合，培養學生的實際工程套用能力特別是網優技能，做到所學即所用，為以後從事網優工作打好基礎，提升學生的就業競爭力。具體來說能從以下幾方面達到培養學生的目的:

1、體現實驗項目的合理性，符合崗位技能需求

移動通信網路是通信技術中重要的領域，是當前國家乃至全球重點發展和廣泛套用的高新技術，在高校通信專業知識體系中占據了重要地位。而移動通信網路中的基站小區具有一定的覆蓋範圍，當移動終端吧在系統內不斷移動時，小區邊緣信號質量可能會逐步降低，UE（User Equipment）為了保持連續的通信服務，需要根據服務小區和相鄰小區的信號測量結果觸發事件上報，以便切換到信號質量更好的小區。因此切換功能直接關係到用戶的網路體驗效果，是無線網路基礎連線持續性的體現，一旦切換功能故障，用戶的網路連線速度和基本通話將難以得到保證，直接影響用戶感知，故而切換類網路故障分析與最佳化是移動通信網路規劃運維的重要環節。

另-方面移動通信網路建設和運維多數本質工作都在進行網路規劃、最佳化和處理網路故障，每年人才缺口大，對於人才的要求較高，絕大多數企業從自身利益出發，需要學生既掌握理論知識又需要學生通過實習實訓來積累實際工程技能，為學生提供一個 虛擬的實訓實驗環境，既能加深對於理論知識的理解又可達到積累實踐經驗的效果，在技術和工程能力培養上，可動手條件更好，深入的技術性實踐和創新性訓練在虛擬實驗中更容易搭建。

2、解決實驗成本高無線場景難以復現的實驗難點問題

讓抽象、複雜、龐大、昂貴的信息通信系統變得對學生可及、可控和開放是通信實驗的內在需要，在行動網路通信教學實驗中，一套網路通信設備動輒數百萬元，而且設備繁多，網路制式各異，網路結構複雜，同種設備需要多套互聯構建網路，建立功能完善的實體網路需要極大的設備投資和場地:教學實驗中往往需要頻繁地操作網路設備，極易造成實體設備各部件的損耗和破壞，有些設備帶電操作其位置角度也嚴重威脅師生的生命安全;眾多的無線網路業務場景又是和網路所處的地理環境和用戶行為密切相關，實驗室中的實體網路通常很難模擬出各種類型的場景，特別是-些網路異 常和故障更是無法復現:而且很多實體設備在運行期間，師生無法靈活地按實驗意圖，隨時暫停網路運行來調整網路參數與設定，對實驗操作的多樣性也帶來了極大的限制:同時僅僅通過傳統的網管系統和儀器儀表都是針對某幾個局部網路設備進行監控，各監控系統之間無法互聯互通信息共享，使得網路的運行端到端的全過程被碎片化，造成了學生難以形成跨章節跨學科的知識體系，而，虛擬仿真能很好地解決這些問題。

3、設計完整的虛擬仿真實驗過程體現閉環思路

移動通信切換類網路故障分析與最佳化虛擬仿真實驗的全過程包含了對於移動通信網路的認知、規劃、組網、測試、分析、最佳化全過程的閉環教學過程。在該過程中學生可以在身臨其境的虛擬仿真場景中，進行行動網路的硬體設備的認知，掌握網路拓撲的規劃與建設，網路數據配置與開通，網路性能的測試，信令數據的分析與切換故障的定位最佳化的理論知識與工程實踐技能，積累豐富的實際工程經驗，並且能夠支持學生在分組對抗中利用所學知識創造性的探索自己的解決方案，加深對知識的理解與靈活套用，逐步培養出滿足社會需要的理論和實踐技能兼備的複合型、多樣化的技術人才。

4、以虛擬現實手段帶給學生身臨其境的實驗體驗

通過最新的虛擬現實VR技術對移動通信硬體設備進行虛擬仿真，讓每個學生身臨其境對各種網元設備進行認知，通過各種感測器讓學生與網路硬體設備進行360度的全方位互動，由學生自己動手對基站、天線、單板、網路處理單元等各種網路設備進行拆卸、組裝與連線。通過虛擬現實技術讓學生認識LTE（Long Term Evolution）網路硬體設備及其組成模組，包括eNodeB（ Evolved Node B）、BBU（Building Base bandUnit）、RRU（ Radio Remote Unit）、MME（ Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）.、PGW（Packet Data Network Gateway）、HSS（Home Subscriber Server）、PCRF（Policy. and Charging Rules Function）、LTE智慧型終端基帶模組和射頻模組以及各網元設備的功能和屬性;

5、 DIY個性化的網路增強理論學習的互動性趣味性

在虛擬仿真環境中，學生利用所學的行動網路組網原理，以可視化的方式進行網路拓撲結構的規劃設計，利用虛擬的手機、天饋、基站、核心網元等硬體設備，在仿真的地理空間中自行搭建一個 完整的移動通信網路，並為各種網元設備設定網路參數與網路數據，進行網路開通，自行定製出一個可運行的移動通信網。通過自己動手搭建網路讓學生深入理解LTE網路通信的原理和架構，包括接入網的組成、核心網的組成、LTE的偏平化組網結構和網元間的連線方式、eNodeB與MM1之間的S1-C接口、eNodeB與SGW之間的S1-U接口以及eNodeB之間的X2接口的能力;讓學生掌握核心網的MME參數配置、SGW參數配置、PGW參數配置、HSS參數配置，傳輸資源配置，接入網的基帶單元配置、基站傳輸配置、射頻資源配置、小區建立的方法和參數集。

6、虛實結合將抽象知識具體化可視化

信息通信系統內部信號的傳送是抽象的，例如信息通信網中各種網元設備和傳輸媒介中流動和處理的比特流、信號流，信息編碼、信號變換、傳輸和控制、無線信號傳輸中損耗、干擾、多徑效應、天線覆蓋等，往往都是肉眼看不見、摸不著、封閉、抽象的，還具有瞬時性、隨機性。因此，如何變得對學生直觀、可及、可控、開放一直是信息通信類專業實驗平台建設的關鍵。本著虛實結合的思路，利用信令監測分析儀器等真實設備，採集真實商用行動網路中的信令數據，利用虛擬仿真手段在實驗中以可視化和流程化的方式，展示行動網路小區切換時各個網元設備之間從物理層到套用層的全協定棧的網路信令互動流程，以逐層鑽入方式為學生剖析最細微的信令結構與欄位，使得抽象的網路協定變得具體化可視化。通過可視化方式讓學生熟練掌握LTE協定棧的架構，理解PHY（Physical Layer）、MAC（Media Access Control）、RLC（ Radio Link Control）、PDCP（packet data convergence. protocol）、RRC（Radio Resource Control）、NAS（Non-Access-Stratum）各層的關係和含義，理解手機和基站通信進行切換的完整信令流程..訊息內容，包括正常切換流程和異常切換流程。

7、體現實驗的訓戰意義使實驗更加面向工程實際

實驗將學生分為兩組對抗，- 組專門負責製造網路故障，另- -組專| 門負責解決網路故障，兩組攻防角色交替輪換。負責製造故障的學生組利用所學的移動性管理協定的相關知識，自主設計一個切換故障場景，通過網路系統的虛擬仿真來配置引起切換故障的網路參數和信令流程，在虛擬環境中製造出切換故障的無線場景;然後由對抗組學生，通過虛擬仿真路測，在虛擬的無線網路空間中採集分析虛擬場景中的測試數據，運用所學的移動性管理協定知識來發現和定位網路切換類故障，並且設計最佳化方案，通過對虛擬網路的系統設備、參數、數據進行調整來實施該最佳化方案，並再次通過網路虛擬仿真路測採集分析調整後的信令數據，驗證切換故障是否得以修復，網路性能是否最佳化提升，路測一-最佳化不斷重複直到切換問題得以解決，則完成一次攻防實訓。

通過對抗性實訓可以讓學生理解實際移動通信系統中的與切換相關的系統參數及其對網路的影響，能主動製造切換故障;讓學生掌握路測系統的使用方法，包括系統搭建、測試計畫編輯、路測操作方法，網路數據的採集、分析統計和報表定製方法。幫助學生掌握通過信令分析識別測量報告丟失、切換信令丟失和目標小區接入失敗這三種切換故障的現象。讓學生掌握LTE切換故障的定位流程，理解並套用鄰區漏配、切換不及時、弱覆蓋、桌球切換和干擾的切換故障定位方法;培養學生針對LTE網路引發切換的鄰區漏配、切換不及時、弱覆蓋、桌球切換和干擾的這幾種原因設計相應的解決方案和最佳化網路的實際套用技能。

8、虛擬仿真實驗教學效果可評估教學流程可最佳化

構建基於實驗操作步驟過程的質量評價與提升體系。在虛擬試驗中系統自動對每個學生的實驗操作過程數據、實驗結果數據進行採集、分析統計，讓老師全方位多角度的對學生真實實驗情況了解透徹，進行完整的評價，為實驗教學知識點的修正、實驗流程的最佳化提供一個科學的支撐， 方便對實驗過程數據的大數據分析，藉助對每位學生所有實驗的過程記錄數據進行數據分析和挖掘，評估實驗教學效果甚至每個知識點的掌握情況，反哺理論教學和實踐教學，從而針對性地持續改進教學質量提升人才培養效果。

9、 實現實驗資源的共享與開放促進教學模式的轉型

隨著全球網際網路技術套用的急劇膨脹，以及我國“網際網路+”戰略全面推進，通過構建“平台開放、圍繞學生、強化互動、資源分享”為核心理念的專業實驗教學平台，逐步從以教師為中心的教學模式向以學生為中心的教學模式轉變，從而引導和激發學生在學習過程中主動性和自主性。藉助虛擬仿真實驗平台，可加快從排隊進實驗室方式向全天候學習模式的轉變:傳統實驗限制了實驗資源的使用，優秀學生“吃不飽”、後進學生“跟不上”，-般只能整個教學班“齊步走”，難以滿足學生自主學習和個性化培養的要求。而藉助虛擬仿真實驗平台，可實現學生自主選擇學習進度、學習時間和學習內容，還可重複學習，靈活度高，學生可以利用零散時間在實驗室之外進行實驗，從而實現高效率學習

同時由於場地、地理位置、交通成本等因素限制，實體實驗設備的共享和輻射效果難免受限。將已有特色優勢的實驗示範中心與虛擬仿真實驗方式有效地虛實結

合，可實現遠程實驗，不受場地和地理限制，並發實驗數量大大提高，可更好地服務國內外高校和行業社會。

10、構建健康安全與綠色環保實驗環境

當今信息通信系統中主流的無線通信是基於電磁波傳輸的，其中，移動通信的基站工作時必須產生不小的電磁輻射波，實驗教學中近距離的測試和調試實驗，不可避免存在健康安全方面的問題，尤其實驗時間偏長或天線發射功率調整等類似實驗中，甚至可能引發頭暈、頭疼等不適症狀。採用 虛擬仿真實驗方式，則可避免類似問題。在虛擬仿真實驗環境中，並未實際發射電磁波信號，且不管大多的信號功率都可以虛擬實驗實訓。因此，從實驗者健康安全形度，建設虛擬仿真實驗平台具有特別重大意義。