无线网络实验教学中MATLAB和OPNET协同仿真策略研究
文章编号：1672-5913（2017）07-0061-04
中图分类号：G642
1 背 景
古往今来，教学在我国都被看做以教师为主体的“传道、授业、解惑”过程。薪火相传，不知其尽也，但在信息多元化的今天，学生不再是被教师耳提面命“必须听我的”“只能照我的做”的被动接受知识的“容器”。教学过程中，教师应注意遵循教学规律，大胆探索，勇于实践，调动一切现代教学手段，努力把看似枯燥的理论知识讲得生动活泼，以独到的见解和道理征服人，千方百计地培养学生的学习兴趣和好奇心，进而使学生能够应用知识解决问题，提高创新和实践能力。
计算机网络是一门计算机专业学生的重要专业课，存在内容多、学时少、学科进步快等矛盾。近年来，随着无线通信技术的发展以及Internet应用、PDA（personal data assistant）等移动智能终端应用的日益增长，无线网络的地位在计算机网络的教学过程中越来越重要[1]。为使计算机网络资源得到合理利用，当前用户使用无线局域网接入Internet与服务器通信成为主要趋势（如图1所示），因此，教学中加强对无线网络算法的研究尤为重要。我们在教学过程中采用Matlab和OPNET两种通信仿真软件相结合的方式，对无线网络的算法及模型进行模拟，这种“协同仿真”环境更加接近实际情况，获得的数据具有一定的可靠性，也令学生更容易将抽象的理论转变成具体形象的知识。
2 多网融合仿真环境的设计
OPNET仿真软件本身对物理层仿真的能力较弱，在本教学设计方案中，30人的班级分为6组，教师可让学生利用Matlab对无线网络的物理层算法进行仿真[2]。例如，一个4根发射天线和4根接收天线的经典迫零解码算法的性能仿真结果，如图2所示。其中，横轴为信噪比SNR（dB），纵轴为解码误比特率BER[3]。在OPNET仿真中，需要将实际中支持多天线的基站设定为等效的多个基站，如图3所示。
图中显示了一个4×4 的多用户仿真配置环境，可以看到左图中显示的逻辑基站等价于4个实体基站，它们和4个移动终端组成一个4×4的空间信道，然后通过无线接入设备与Internet互连。在三网融合的教学过程中，教师可以参考3GPP文档30.03的建议，将系统级仿真场景分为Marco、Mirco和Pico 3种[4-5]。教师在教学过程中，可以把3种场景的仿真参数提供给学生，见表1。
2.1 Macro仿真场景
在实际教学过程中，一组学生设计的Macro仿真场景如图4所示，仿真场景为正六边形蜂窝形，基站位于蜂窝中心，默认小区半径为1km。4个移动端在仿真区域内，学生可以通过手工随机放置。仿真参数见表1。
2.2 Micro仿真场景
在实际教学过程中，一组学生设计的Micro仿真场景如图5所示。仿真场景模拟曼哈顿街区模型，街区面积0.8 km2，建筑物规格为200 m×200 m，街道宽度为30 m。基站天线高度为15～20 m，低于平均屋顶高度，与终端天线的高度差为10 m。仿真参数见表1。
2.3 Pico仿真场景
在实际教学过程中，一组学生设计的Pico仿真场景如图6所示。仿真场景是办公楼模型，共有3层，每层的面积为5 000 km2，层高3 m，房间的尺寸为10 m×10 m，走廊的尺寸为100 m×5 m。仿真参数见表1。
3 移动模型的协同仿真结果
在实际教学中，我们在无线网络模型的物理层引入Matlab外部运算模块，在仿真环境中安装Matlab编译器运行的MCR环境，在同一目录下运行MCR安装程序“MCRInstaller.exe”。完成MCR安装后，教师可以指导学生为其设置系统环境变量，指导学生研究OPNET中无线系统发射机和接收机的多管道模型，其中，每个管道模型阶段都由C/C++语言实现，负责不同的计算任务，也可以根据用户需求修改。大学三年级的计算机专业学生已经对C/C++语言比较熟悉，根据实验指导书，每组学生基本可以独立完成。一个管道模型的实例如图7所示。
学生要调用Matlab仿真的算法函数，需要修改OPNET中的Pipeline管道模型。例如，一组学生对应的Matlab生成的函数为“MIMO_4x4_BER”，那么对应修改OPNET的“wrls_ber.ps.c”管道模型文件，需要设置的管道函数为“modulation_table = op_tbl_modulation_get（"MIMO_4x4_BER"）”。由于需要兼顾Marco、Mirco和Pico 3种移动模式，因此在指导学生实验时，建议采用“根进程―子进程”的开放式结构，能够允许用户灵活地选择和配置移动模式。
为学生布置的实验任务是在3km/h的条件下Macro环境、Mirco环境和Pico环境中网络吞吐量的性能情况。学生根据管道设置模型导入的Matlab算法，即可得网络吞吐量（纵轴）随系统负载（横轴）的变化趋势。例如，如图8所示，吞吐量基本上随负载线性变化，这说明无线网络中多用户在Macro步行环境中能够很好地将负载转化为吞吐量进行传输；值得注意的是当负载增加到1 000 Kbps时，网络吞吐量出现了低于负载的情况。这时候，教师可以引导学生分析此现象，将“网络拥塞”的概念和解决拥塞的技术引入，从而达到激发学生自主学习的目的。
在学生学习这部分知识的过程中，教师的教学方法起主要引导作用，要求教师“教学任务明了，实验引导精当，方法选择得当，手段运用先进，课堂互动有序”。
4 效果评价与分析
实际的计算机网络教学中，我们尝试采用Matlab和OPNET协同仿真的策略学习网络知识，通过实验引导来激发学生探究问题的能力。由于学生的认识是从感性到理性的发展，是经过他们自己的比较、分析、综合、抽象、概括等思维活动而实现的。在教学过程中，教师要把讲授的知识转化成学生的智慧和能力，要始终尊重学生的主体地位，充分调动学生的学习主动性。以北京交通大学2016年秋计算机网络课程的学生教学评价为例，53%的计算机专业大三学生获得优秀，证明这种教学方法的有效性。
