學(xué)科教育論文-“現(xiàn)代通信網(wǎng)”中引入教學(xué)探討【摘要】“現(xiàn)代通信網(wǎng)”是通信工程專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)課程,為了在學(xué)生多、經(jīng)費(fèi)少的情況下提高教學(xué)效果,根據(jù)現(xiàn)有條件和課程特點(diǎn),提出在該課程教學(xué)中引入OPNET軟件的方案,使用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)電話網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)等較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)級(jí)計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)踐證明,這種方法費(fèi)用低、效果好,具有推廣價(jià)值。【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代通信網(wǎng)；OPNET；網(wǎng)絡(luò)仿真“現(xiàn)代通信網(wǎng)”是通信工程專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課。但是由于該課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資巨大,教學(xué)內(nèi)容更新很快,所以該課程的實(shí)驗(yàn)在許多高校一直沒(méi)有很好地解決。由于學(xué)生人數(shù)多,實(shí)驗(yàn)設(shè)備少,教學(xué)效果也不夠理想。隨著網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的不斷成熟與普及,在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真已成為可能。本文對(duì)這種方法進(jìn)行了探討和評(píng)估。1網(wǎng)絡(luò)仿真工具的選擇網(wǎng)絡(luò)仿真軟件種類很多,目前較為流行的四種,具體如表1所示。表中前3種軟件功能很強(qiáng),能夠?qū)潭ā⒁苿?dòng)、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。OPNET提供三層建模機(jī)制,以離散事件驅(qū)動(dòng)為模擬機(jī)理,提供比較齊全的基本模型庫(kù),具有豐富的統(tǒng)計(jì)量收集和分析功能,還提供了和網(wǎng)管系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口,方便利用現(xiàn)有拓?fù)浜土髁繑?shù)據(jù)建立仿真模型,也可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；NS的設(shè)計(jì)使用了兩種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言:c+和Otcl,NS代碼使用Otcl語(yǔ)言編寫(xiě),通過(guò)Otcl語(yǔ)言解釋器解釋,使用NS仿真庫(kù)進(jìn)行編譯和仿真,輸出仿真結(jié)果,根據(jù)仿真結(jié)果記錄,可進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容分析,生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D或得到數(shù)據(jù)的可視化圖表。NS仿真最適合于TCP層以上的仿真；QualNet能夠模擬最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),并且是市場(chǎng)上仿真速度最快、可擴(kuò)展性最好的網(wǎng)絡(luò)仿真工具,其具有的大型模型庫(kù)和強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具幫助用戶最大限度減少編寫(xiě)源碼的時(shí)間。適用于無(wú)線、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的仿真；MATLAB作為國(guó)際學(xué)術(shù)界確認(rèn)的準(zhǔn)確可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件,是一個(gè)集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為一體的強(qiáng)大系統(tǒng),最適合于點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)?？紤]到“現(xiàn)代通信網(wǎng)”主要講授各種類型的通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、編址方式、路由算法、服務(wù)質(zhì)量等內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)仿真需要形象直觀,參數(shù)便于設(shè)置和修改,又考慮到OPNET的大學(xué)計(jì)劃可以提供免費(fèi)教學(xué)版本,雖然部分模塊不全,但完全可以滿足教學(xué)需要,因此我們選用該公司教學(xué)版的OPNET。2教學(xué)實(shí)例“現(xiàn)代通信網(wǎng)”主要介紹通信網(wǎng)的基本概念、組成,通信網(wǎng)要解決的基本問(wèn)題；各類業(yè)務(wù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和工作原理；各類業(yè)務(wù)網(wǎng)之間的共性和個(gè)性差異；導(dǎo)致各類業(yè)務(wù)網(wǎng)之間產(chǎn)生技術(shù)差異的原因；現(xiàn)代通信網(wǎng)為何被設(shè)計(jì)成今天的樣子；什么因素促使了通信網(wǎng)的發(fā)展變化；未來(lái)的通信網(wǎng)可能怎樣發(fā)展和變化。下面以電話網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量為例,闡述指導(dǎo)學(xué)生使用OPNET軟件進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)的基本步驟。2.1總體設(shè)計(jì):電話通信網(wǎng)采用電路交換技術(shù),由于通信雙方獨(dú)占信道帶寬,一旦交換節(jié)點(diǎn)接納此次呼叫,則為該呼叫提供固定的帶寬資源。但因?yàn)槭艿浇粨Q機(jī)處理能力、通信鏈路帶寬等諸多因素的影響,還是會(huì)產(chǎn)生呼叫失敗的可能。對(duì)于電話通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量主要分為傳輸質(zhì)量和接續(xù)質(zhì)量。傳輸質(zhì)量主要有響度、清晰度、逼真度等指標(biāo)衡量,這些指標(biāo)基本有主觀評(píng)定；接續(xù)質(zhì)量主要有接續(xù)呼損和接續(xù)時(shí)延,我們這里以接續(xù)呼損為例來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們建立一個(gè)由兩交換局所組成的本地電話網(wǎng),PBX1、PBX2均可以模擬若干部話機(jī)產(chǎn)生話音業(yè)務(wù),如圖1所示。圖1兩交換局本地電話網(wǎng)2.2模塊設(shè)計(jì):根據(jù)PBX和電路交換機(jī)的功能,通過(guò)逐步細(xì)化,按“自底向上”的順序依次完成各模塊的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好各個(gè)模塊后,再根據(jù)圖1所示的總體結(jié)構(gòu),將各模塊組合在一起,可以完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。下面說(shuō)明各模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程。(1)PBX的設(shè)計(jì):電話網(wǎng)中,每個(gè)交換端局都會(huì)接入為數(shù)眾多的終端話機(jī),模擬話機(jī)產(chǎn)生電話業(yè)務(wù)是評(píng)價(jià)呼損的前提。這里用PBX(用戶交換機(jī))處理分機(jī)之間的通話,同時(shí)再通過(guò)主干線與公共交換電話網(wǎng)連接。假設(shè)普通用戶呼叫的到達(dá)時(shí)間服從指數(shù)分布,每個(gè)用戶呼叫的持續(xù)時(shí)間服從正態(tài)分布,每個(gè)呼叫獲得的帶寬是64kbps,進(jìn)入的各種呼叫不區(qū)分優(yōu)先級(jí),對(duì)于話音業(yè)務(wù)不進(jìn)行壓縮處理,PBX允許接入的最大呼叫數(shù)為100。PBX1模擬10個(gè)電話用戶,PBX2模擬一個(gè)電話用戶。如圖2所示。圖2呼叫相關(guān)參數(shù)設(shè)置(2)SSP的設(shè)計(jì):電話網(wǎng)中,最基礎(chǔ)的電話交換中心就是端局,主要負(fù)責(zé)終端用戶的接入和局內(nèi)呼叫。因?yàn)槟壳半娫捑W(wǎng)的信令系統(tǒng)絕大多數(shù)都以采用七號(hào)信令系統(tǒng),而SSP(業(yè)務(wù)交換節(jié)點(diǎn))就是最先響應(yīng)電話呼叫的電路交換機(jī)。實(shí)際運(yùn)行中,電話交換機(jī)都包含七號(hào)信令的相關(guān)功能。假設(shè)電路交換機(jī)的交換能力是100Mbps,最大并發(fā)呼叫數(shù)為1000個(gè),支持SS7信令,連接時(shí)延、通話時(shí)延都服從常數(shù)分布。正是因?yàn)橛凶畲蟛l(fā)呼叫的上限,因而隨著呼叫數(shù)量的增加,必然會(huì)導(dǎo)致呼叫損失。具體參數(shù)如圖3所示。圖3交換節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置(3)用戶線和中繼線的設(shè)置:這里,假設(shè)PBX與SSP之間、SSP與SSP之間均采用T1線路,即1.544Mbps,因而可以預(yù)期,一旦用戶發(fā)起的呼叫請(qǐng)求超過(guò)鏈路的承載能力,則將會(huì)出現(xiàn)呼叫損失。(4)統(tǒng)計(jì)量的收集:因?yàn)楸驹囼?yàn)是為了測(cè)試在一定的呼叫強(qiáng)度下,電話交換系統(tǒng)的接續(xù)質(zhì)量,我們主要收集以下參數(shù):交換機(jī)之間干路利用率、呼叫建立時(shí)間、呼叫阻塞數(shù)、呼叫實(shí)際連接數(shù)、呼叫生成數(shù)、交換機(jī)的帶寬預(yù)留等,如圖4所示。圖4統(tǒng)計(jì)量收集2.3結(jié)果分析:因?yàn)镻BX1有10個(gè)用戶,每個(gè)用戶產(chǎn)生呼叫的間隔時(shí)間服從指數(shù)分布,而呼叫持續(xù)時(shí)間服從正態(tài)分布,隨著時(shí)間的推移,PBX1產(chǎn)生的呼叫數(shù)將超過(guò)SSP能夠并發(fā)處理呼叫數(shù)的上限,因而呼損隨之產(chǎn)生。圖5顯示出PBX平均呼叫產(chǎn)生數(shù)與呼叫阻塞數(shù),以及鏈路所達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量。隨著呼叫數(shù)的增加,SSP之間鏈路的利用率也趨近于100%,如圖6所示。3實(shí)踐效果通過(guò)實(shí)踐我們體會(huì)到,在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”課程教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù),有以下好處:3.1使學(xué)生加深了對(duì)課程內(nèi)容的理解:因?yàn)閷?duì)于通信網(wǎng)而言,現(xiàn)網(wǎng)的環(huán)境非常復(fù)雜,實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)不允許學(xué)生在其上進(jìn)行修改配置,而且用戶產(chǎn)生的呼叫需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間才能獲得。每當(dāng)講到服務(wù)質(zhì)量這部分內(nèi)容時(shí)學(xué)生都反映理解起來(lái)比較困難。通過(guò)OPNET軟件,學(xué)生能親自上手配置,對(duì)于評(píng)價(jià)服務(wù)質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)有了更深刻的理解。3.2提高學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力:眾所周知,由于種種原因,近幾年來(lái)學(xué)生的實(shí)踐能力訓(xùn)練不同程度有所減弱,畢業(yè)應(yīng)聘時(shí)往往達(dá)不到用人單位的要求。在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”專業(yè)課程教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)仿真可以使學(xué)生熟悉各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其工作原理,提高了他們分析