基于沙盘模拟的无线自组网教学方式探讨
马骁+杨秋菊
[摘 要]分布式无线自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线自组织网络。根据“无线自组网”教学中网络结构多变、网络协议难以理解等特点，结合教学过程中遇到的学生因不理解、学不懂等因素导致的学习主动性和积极性下降等实际情况，应该将ERP沙盘模拟教学方法引入无线自组网课堂教学中，通过引导学生模拟网络行为，加强课堂互动、启发学生自主演进网络协议，从而解决自组网教学中的多个难题，这样能有效改善教学效果，提高学生的学习兴趣。
[关键词]沙盘模拟；分布式无线自组网；教学方法
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0114-03
一、引言
分布式无线自组织网络（简称无线自组网）是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线自组织网络。[1]经过数十年的发展，无线自组网经历了从军用向民用、从基础研究向商业化应用的革命性转变。目前，无线自组网已发展成为新一代无线通信网络中不可或缺的重要组成部分，可广泛地应用于军事国防、近域互联、智慧无线城市、宽带无线校园等领域的建设中[2]，为物联网、泛在网的蓬勃发展提供了坚实的基础和重要的技术载体。
虽然无线自组网具有广泛的应用前景，但是由于该网络本身具备的灵活性和分布式特性导致了网络状态呈现出复杂性和不确定性。此外，与蜂窝网、WiFi网等常见的无线网络相比，无线自组网准组织[3] [4]尚未对涉及的协议进行统一的标准化，这些原因导致无线自组网的教学，尤其是针对网络协议的讲授变得十分困难。
目前，针对无线自组网的辅助科学工具主要可分为三大类，即网络仿真软件系统、试验验证平台以及实验测试评估仪器。其中试验验证平台和实验测试评估仪器通常体积较大，不适用于课堂教学演示。而对网络仿真软件，国际上主流的网络仿真软件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。这类仿真软件虽然有可视化的界面以及协议运行过程中的辅助动画显示，但还仅限于协议开发者对与协议正确性和有效性的验证，不适用于课堂教学。因为这类仿真软件通常仿真时间较长，协议开发的周期也较长，无法在课堂上实现。
此外，这类仿真软件虽然能够模拟网络的形态及协议的工作过程，但依然较为抽象，在帮助学生理解无线自组网方面功能十分有限。因此，有必要探索一种课堂上可操作的形象的教学方法，帮助学生理解无线自组网网络形态和协议工作机理。
二、ERP沙盘模拟课程简介
沙盘最早出现于军事训练中，早期沙盘由于制作相对复杂，并没有得到广泛的应用。后来，随着电子计算机的不断发展，出现了以计算机软件代替真实沙盘的模拟沙盘新技术。这一技术不但为指挥作战提供了新的手段，而且促进了模拟沙盘向各行各业的推广。[5]特别是企业资源规划（Enterprise Resource Planning）沙盘（简称ERP沙盘）的引入，为现代企业经营与管理技术的发展和相关人才的培养提供了有效的工具。[6]
瑞典皇家工学院的克拉斯梅兰（Klas Mella）于20世纪70年代末首次将ERP沙盘引入教学活动中。[7]此后，ERP沙盘作为一种体验式互动教学方法，在诸多领域的教学中，尤其是在一些较为复杂和抽象的学科中得到了广泛的应用。[8]
三、ERP沙盘模拟无线自组网教学的主要内容
通过ERP沙盘教学，主要是以学生自己为主体模拟无线节点，让学生实际参与和体验无线网络协议制定的必要性和重要性。这一方面能提高学生的学习兴趣，另一方面也能使学生了解无线网络在传输时的特性与存在的问题。在无线自组网协议中，以多址协议和路由协议最为复杂和抽象，本文下面将主要说明ERP沙盘模拟在这两种协议教学中的应用。
（一）基于ERP沙盘模拟的多址协议教学设计
多址协议主要解决多个用户共享同一信道的问题。与集中式网络不同，分布式网络的多址技术主要以随机多址技术为主，由于存在多跳无线链路，所以在教学中除了讲授随机多址技术的原理及工作机制外，更重要的是要求学生理解和掌握包括暴露终端、隐藏终端和两跳外资源复用等无线分布式网络独特的性质。下面针对ERP沙盘模拟在多址技术辅助教学中的应用进行阐述。
1.整体思路
通过ERP沙盘模拟教学，让学生模拟无线自组网节点，体验无线自组网网络建立过程及多址协议的工作机制和必要性。根据模拟通信过程中遇到的问题，引导学生对产生的问题进行分析和改进。通过学生亲身体验和主动发现问题，提高学生的学习兴趣，让学生加深对多址协议的理解，掌握多址协议设计和改进的精髓，了解协议运行过程中可能遇到的问题及分析思路与解决方法，为后续对协议进行理解分析奠定良好的基础。
2.多址协议模拟场景设定
在多址协议的教学中，重点和难点是信道接入、暴露终端、隐藏终端和两跳外复用问题。为更好地模拟这些问题，需要合理的设计网络拓扑结构，从而在学生易于模拟的同时，尽可能的暴露出多址协议的缺陷。为达到这一目的，本文设计的模拟场景如图1所示。图1中方框和圆分别代表自组网中正常传输节点和碰撞节点，均由学生模拟扮演。每个学生配备两种道具：一个是申请传输标志，表示有消息要传输，此时该学生表示占用信道；另一个是长短不同的模拟消息，当学生申请占用信道后即开始传输消息。
3.模拟流程及主要内容
将学生分为两组，一组模拟正常传输节点，一组模拟干扰碰撞节点（这里需要给学生说明两种节点本质上都是自组网的正常节点，只是在研究多址协议时从功能上进行了区分，并且角色可以互换）。
首先令两个模拟传输节点的学生和一个模拟干扰节点的学生进行传输模拟，使用ALOHA协议，每个学生随机进行发送，即想发送时直接举起申请传输标志，并立刻开始传输消息。教师作为传输成功判决者，如果在整个传输过程中干扰节点的学生没有举起传输标志，则判定传输成功，否则判定失败，并记录传输时延。
然后逐渐增加传输学生和干扰学生的数量，但依然采用随机发送。此时可以让学生发现碰撞的情况明显增加，当传输或干扰学生达到一定数量后，所有节点几乎都无法完成传输。记录随学生数量增加时传输成功率的变化情况。
解释纯ALOHA协议在用户数量增加时性能显著下降这一现象，引导学生发现性能下降的根本原因，并提出改进思路，在模拟网络中实验学生自主提出的改进策略，并将学生的改进策略逐渐引导向CSMA协议。
增加三跳链路，通过指挥学生进行传输，制造隐藏终端和暴露终端的出现。引入RTS和CTS机制，在重复上述传输过程，解释隐藏终端和暴露终端问题是如何通过RTS＼CTS机制解决的。介绍WiFi的竞争原理，启发学生寻找增加占用信道概率的算法，并在模拟网络中进行实验。
（二）基于ERP沙盘模拟的路由协议教学设计
为加深学生对无线自组网分布式、无中心、自组织等特点的理解，在路由协议的教学中，除了介绍基本的泛洪、最短路径和最短链路长度等路由算法外，还需要着重给学生讲解节点迟入网、节点移动和规模等的变化对路由算法的影响。
1.整体思路
通过引入ERP沙盘模拟教学，让学生体会无线自组网灵活的网络结构和组网方式，掌握多跳路由的设计目标和注意事项，分析网络规模和协议开销的关系，解释迟入网策略的必要性。通过学生亲身体验，提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。
2.网络协议模拟场景设定
与多址相比，网络层路由协议的难点是网络规模、节点个数和拓扑结构的不确定性，要实现网络全方位的模拟，需要寻找一种规模和拓扑都容易变化的网络结构，还要能够模拟分簇和组移动等自组网特有的网络特点。对比多种不同的拓扑结构后，如图2所示的小世界网络模型可以在很大程度上满足上述要求。
3.模拟流程及主要内容
安排学生按照P=0的小世界模型设计相对连接关系，每个学生除模拟多址协议时使用的道具外还需要准备一个记录路由表的小册子和用来模拟路由信息广播的便笺纸。首先解释泛洪路由的工作机制，让较少的学生模拟开机，模拟泛洪路由实现信息的传递，教师负责记录路由时间和开销。逐渐增加入网学生的数量，仍然使用泛洪路由算法，引导学生发现网络整体吞吐量迅速下降，几乎没有数据能够正确传输。
启发学生发现问题，分析引发这一问题的原因，进一步提出从泛洪路由向主动式路由的改进。解释主动式路由算法的路由维护和更新策略，指导学生进行路由表的更新和路由信息的广播。以此加深学生对路由信息迭代算法的认识和理解。与泛洪路由算法相比，主动式路由在寻址时间、路由效率和网络吞吐量等方面均有更好的性能。
进一步增加进入网络学生的数量，并将部分学生的连接关系改为P>0，这时会发现，网络资源几乎都被迟入网信息和路由维护开销占据，业务信息反而无法被有效的传输。此时，启发学生对主动式路由算法的思考，提出降低路由维护开销的策略，引导学生发现被动式路由算法，并对被动式路由算法进行模拟。最终向学生讲授将主动和被动路由相结合的区域路由算法。
4.思考与总结
为保证教学活动达到良好的效果，在进行ERP沙盘模拟教学之前，应先就相应的知识对学生进行适当的讲解。在教学过程中，教师应当作为整个网络和规则的隐形管理者，负责组织学生按照网络节点的方式进行模拟工作，在必要的时候引导和启发学生进行相应的思考。
在无线自组网教学中，合理的引入ERP沙盘模拟，能够有效帮助学生理解无线自组网的组成形态及协议的工作机制。在模拟网络运行的过程中，教师可以将协议的演进过程融进网络模拟的变化中，引导学生自主发现协议中存在的问题，并启发学生对算法进行改进。通过学生亲身体验，加强学生的主动学习能力，加深学生对知识的理解和记忆，这同时也能提高学生的学习兴趣。
[ 参 考 文 献 ]
[1] Ramanathan R， Redi J. A brief overview of ad hoc networks： challenges and directions[J].IEEE communications Magazine，2002，40（5）：20-22.
[2] Corson，M.S.， Laroia， R.Junyi Li， Park，V.，Richardson，T.，and Tsirtsis，G.，“Toward proximity-aware internetworking ”[J].IEEE Wireless Communications，vol.17，no.6，pp.26-33，Dec2010.
[3] Lidong Zhou，Haas Z.J.，“Securing ad hoc networks”[J].IEEE Network，vol.13，no.6，pp.24-30，Nov / Dec 1999.
[4] Stefaan Seys and Bart Preneel，“ARM： anonymous routing protocol for mobile ad hoc networks”[J].International Journal of Wireless and Mobile Computing， vol.3，no.4，pp145-155，2009.
[5] 宋玉涛，马丽莹.ERP沙盘模拟课程功能及存在问题探讨[J].实验科学与技术，2008（5）：116-118.
[6] 张前.ERP沙盘模拟对抗中的市场博弈[J].实验室研究与探索，2014（8）：258-261.
[7] 王滢，徐凤，周喆.ERP沙盘实践课程的定位、目标和教学设计解析[J].实验技术与管理，2013（4）：120-123.
[8] 陈朝晖.ERP沙盘模拟对抗教学方式探索与实践[J].实验室研究与探索，2009（1）：173.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]分布式无线自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线自组织网络。根据“无线自组网”教学中网络结构多变、网络协议难以理解等特点，结合教学过程中遇到的学生因不理解、学不懂等因素导致的学习主动性和积极性下降等实际情况，应该将ERP沙盘模拟教学方法引入无线自组网课堂教学中，通过引导学生模拟网络行为，加强课堂互动、启发学生自主演进网络协议，从而解决自组网教学中的多个难题，这样能有效改善教学效果，提高学生的学习兴趣。
[关键词]沙盘模拟；分布式无线自组网；教学方法
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0114-03
一、引言
分布式无线自组织网络（简称无线自组网）是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线自组织网络。[1]经过数十年的发展，无线自组网经历了从军用向民用、从基础研究向商业化应用的革命性转变。目前，无线自组网已发展成为新一代无线通信网络中不可或缺的重要组成部分，可广泛地应用于军事国防、近域互联、智慧无线城市、宽带无线校园等领域的建设中[2]，为物联网、泛在网的蓬勃发展提供了坚实的基础和重要的技术载体。
虽然无线自组网具有广泛的应用前景，但是由于该网络本身具备的灵活性和分布式特性导致了网络状态呈现出复杂性和不确定性。此外，与蜂窝网、WiFi网等常见的无线网络相比，无线自组网准组织[3] [4]尚未对涉及的协议进行统一的标准化，这些原因导致无线自组网的教学，尤其是针对网络协议的讲授变得十分困难。
目前，针对无线自组网的辅助科学工具主要可分为三大类，即网络仿真软件系统、试验验证平台以及实验测试评估仪器。其中试验验证平台和实验测试评估仪器通常体积较大，不适用于课堂教学演示。而对网络仿真软件，国际上主流的网络仿真软件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。这类仿真软件虽然有可视化的界面以及协议运行过程中的辅助动画显示，但还仅限于协议开发者对与协议正确性和有效性的验证，不适用于课堂教学。因为这类仿真软件通常仿真时间较长，协议开发的周期也较长，无法在课堂上实现。
此外，这类仿真软件虽然能够模拟网络的形态及协议的工作过程，但依然较为抽象，在帮助学生理解无线自组网方面功能十分有限。因此，有必要探索一种课堂上可操作的形象的教学方法，帮助学生理解无线自组网网络形态和协议工作机理。
二、ERP沙盘模拟课程简介
沙盘最早出现于军事训练中，早期沙盘由于制作相对复杂，并没有得到广泛的应用。后来，随着电子计算机的不断发展，出现了以计算机软件代替真实沙盘的模拟沙盘新技术。这一技术不但为指挥作战提供了新的手段，而且促进了模拟沙盘向各行各业的推广。[5]特别是企业资源规划（Enterprise Resource Planning）沙盘（简称ERP沙盘）的引入，为现代企业经营与管理技术的发展和相关人才的培养提供了有效的工具。[6]
瑞典皇家工学院的克拉斯梅兰（Klas Mella）于20世纪70年代末首次将ERP沙盘引入教学活动中。[7]此后，ERP沙盘作为一种体验式互动教学方法，在诸多领域的教学中，尤其是在一些较为复杂和抽象的学科中得到了广泛的应用。[8]
三、ERP沙盘模拟无线自组网教学的主要内容
通过ERP沙盘教学，主要是以学生自己为主体模拟无线节点，让学生实际参与和体验无线网络协议制定的必要性和重要性。这一方面能提高学生的学习兴趣，另一方面也能使学生了解无线网络在传输时的特性与存在的问题。在无线自组网协议中，以多址协议和路由协议最为复杂和抽象，本文下面将主要说明ERP沙盘模拟在这两种协议教学中的应用。
（一）基于ERP沙盘模拟的多址协议教学设计
多址协议主要解决多个用户共享同一信道的问题。与集中式网络不同，分布式网络的多址技术主要以随机多址技术为主，由于存在多跳无线链路，所以在教学中除了讲授随机多址技术的原理及工作机制外，更重要的是要求学生理解和掌握包括暴露终端、隐藏终端和两跳外资源复用等无线分布式网络独特的性质。下面针对ERP沙盘模拟在多址技术辅助教学中的应用进行阐述。
1.整体思路
通过ERP沙盘模拟教学，让学生模拟无线自组网节点，体验无线自组网网络建立过程及多址协议的工作机制和必要性。根据模拟通信过程中遇到的问题，引导学生对产生的问题进行分析和改进。通过学生亲身体验和主动发现问题，提高学生的学习兴趣，让学生加深对多址协议的理解，掌握多址协议设计和改进的精髓，了解协议运行过程中可能遇到的问题及分析思路与解决方法，为后续对协议进行理解分析奠定良好的基础。
2.多址协议模拟场景设定
在多址协议的教学中，重点和难点是信道接入、暴露终端、隐藏终端和两跳外复用问题。为更好地模拟这些问题，需要合理的设计网络拓扑结构，从而在学生易于模拟的同时，尽可能的暴露出多址协议的缺陷。为达到这一目的，本文设计的模拟场景如图1所示。图1中方框和圆分别代表自组网中正常传输节点和碰撞节点，均由学生模拟扮演。每个学生配备两种道具：一个是申请传输标志，表示有消息要传输，此时该学生表示占用信道；另一个是长短不同的模拟消息，当学生申请占用信道后即开始传输消息。
3.模拟流程及主要内容
将学生分为两组，一组模拟正常传输节点，一组模拟干扰碰撞节点（这里需要给学生说明两种节点本质上都是自组网的正常节点，只是在研究多址协议时从功能上进行了区分，并且角色可以互换）。
首先令两个模拟传输节点的学生和一个模拟干扰节点的学生进行传输模拟，使用ALOHA协议，每个学生随机进行发送，即想发送时直接举起申请传输标志，并立刻开始传输消息。教师作为传输成功判决者，如果在整个传输过程中干扰节点的学生没有举起传输标志，则判定传输成功，否则判定失败，并记录传输时延。
然后逐渐增加传输学生和干扰学生的数量，但依然采用随机发送。此时可以让学生发现碰撞的情况明显增加，当传输或干扰学生达到一定数量后，所有节点几乎都无法完成传输。记录随学生数量增加时传输成功率的变化情况。
解释纯ALOHA协议在用户数量增加时性能显著下降这一现象，引导学生发现性能下降的根本原因，并提出改进思路，在模拟网络中实验学生自主提出的改进策略，并将学生的改进策略逐渐引导向CSMA协议。
增加三跳链路，通过指挥学生进行传输，制造隐藏终端和暴露终端的出现。引入RTS和CTS机制，在重复上述传输过程，解释隐藏终端和暴露终端问题是如何通过RTS＼CTS机制解决的。介绍WiFi的竞争原理，启发学生寻找增加占用信道概率的算法，并在模拟网络中进行实验。
（二）基于ERP沙盘模拟的路由协议教学设计
为加深学生对无线自组网分布式、无中心、自组织等特点的理解，在路由协议的教学中，除了介绍基本的泛洪、最短路径和最短链路长度等路由算法外，还需要着重给学生讲解节点迟入网、节点移动和规模等的变化对路由算法的影响。
1.整体思路
通过引入ERP沙盘模拟教学，让学生体会无线自组网灵活的网络结构和组网方式，掌握多跳路由的设计目标和注意事项，分析网络规模和协议开销的关系，解释迟入网策略的必要性。通过学生亲身体验，提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。
2.网络协议模拟场景设定
与多址相比，网络层路由协议的难点是网络规模、节点个数和拓扑结构的不确定性，要实现网络全方位的模拟，需要寻找一种规模和拓扑都容易变化的网络结构，还要能够模拟分簇和组移动等自组网特有的网络特点。对比多种不同的拓扑结构后，如图2所示的小世界网络模型可以在很大程度上满足上述要求。
3.模拟流程及主要内容
安排学生按照P=0的小世界模型设计相对连接关系，每个学生除模拟多址协议时使用的道具外还需要准备一个记录路由表的小册子和用来模拟路由信息广播的便笺纸。首先解释泛洪路由的工作机制，让较少的学生模拟开机，模拟泛洪路由实现信息的传递，教师负责记录路由时间和开销。逐渐增加入网学生的数量，仍然使用泛洪路由算法，引导学生发现网络整体吞吐量迅速下降，几乎没有数据能够正确传输。
启发学生发现问题，分析引发这一问题的原因，进一步提出从泛洪路由向主动式路由的改进。解释主动式路由算法的路由维护和更新策略，指导学生进行路由表的更新和路由信息的广播。以此加深学生对路由信息迭代算法的认识和理解。与泛洪路由算法相比，主动式路由在寻址时间、路由效率和网络吞吐量等方面均有更好的性能。
进一步增加进入网络学生的数量，并将部分学生的连接关系改为P>0，这时会发现，网络资源几乎都被迟入网信息和路由维护开销占据，业务信息反而无法被有效的传输。此时，启发学生对主动式路由算法的思考，提出降低路由维护开销的策略，引导学生发现被动式路由算法，并对被动式路由算法进行模拟。最终向学生讲授将主动和被动路由相结合的区域路由算法。
4.思考与总结
为保证教学活动达到良好的效果，在进行ERP沙盘模拟教学之前，应先就相应的知识对学生进行适当的讲解。在教学过程中，教师应当作为整个网络和规则的隐形管理者，负责组织学生按照网络节点的方式进行模拟工作，在必要的时候引导和启发学生进行相应的思考。
在无线自组网教学中，合理的引入ERP沙盘模拟，能够有效帮助学生理解无线自组网的组成形态及协议的工作机制。在模拟网络运行的过程中，教师可以将协议的演进过程融进网络模拟的变化中，引导学生自主发现协议中存在的问题，并启发学生对算法进行改进。通过学生亲身体验，加强学生的主动学习能力，加深学生对知识的理解和记忆，这同时也能提高学生的学习兴趣。
[ 参 考 文 献 ]
[1] Ramanathan R， Redi J. A brief overview of ad hoc networks： challenges and directions[J].IEEE communications Magazine，2002，40（5）：20-22.
[2] Corson，M.S.， Laroia， R.Junyi Li， Park，V.，Richardson，T.，and Tsirtsis，G.，“Toward proximity-aware internetworking ”[J].IEEE Wireless Communications，vol.17，no.6，pp.26-33，Dec2010.
[3] Lidong Zhou，Haas Z.J.，“Securing ad hoc networks”[J].IEEE Network，vol.13，no.6，pp.24-30，Nov / Dec 1999.
[4] Stefaan Seys and Bart Preneel，“ARM： anonymous routing protocol for mobile ad hoc networks”[J].International Journal of Wireless and Mobile Computing， vol.3，no.4，pp145-155，2009.
[5] 宋玉涛，马丽莹.ERP沙盘模拟课程功能及存在问题探讨[J].实验科学与技术，2008（5）：116-118.
[6] 张前.ERP沙盘模拟对抗中的市场博弈[J].实验室研究与探索，2014（8）：258-261.
[7] 王滢，徐凤，周喆.ERP沙盘实践课程的定位、目标和教学设计解析[J].实验技术与管理，2013（4）：120-123.
[8] 陈朝晖.ERP沙盘模拟对抗教学方式探索与实践[J].实验室研究与探索，2009（1）：173.
[责任编辑：陈 明]
