虚拟仿真技术在高等职业教育LTE课程教学中的应用实践研究
李海涛 赖敏 董莉
摘要：随着三大运营商LTE的大规模部署和应用，国内各职业院校通信专业纷纷开设LTE课程。然而LTE设备在规模教学中存在种种不便。在高职院校中，虚拟仿真技术和实体设备配合使用，不仅提高了教学效率、质量，丰富了教学形式、内容，也使学生能够在接近实际的工作场景中得到训练。文章介绍了虚拟仿真技术在高等职业教育LTE课程教学中的一些研究和实践。
关键词：虚拟仿真；LTE；职业教育
1.研究的背景
工信部于2013年12月4日正式向三大运营商发放首批TD-LTE牌照，2014年2月27日向中国电信和中国联通发放FDD-LTE牌照。我国通信行业进入4G时代。
三大运营商2016年12月公布了运营数据，中国移动4G用户数达到5.35亿户，中国联通1.046亿户，中国电信1.22亿户，中国4G用户总数超过了5.5亿。我国4G用户数已突破7亿大关。
随着LTE网络的发展，电信行业对LTE建设、维护、优化人才的需求一直增加。面对发展得4G，国内各高等职业院校纷纷开设LTE课程。
2.教学中为什么会增加虚拟仿真技术
职业教育以“培养生产、建设、服务和管理第一线高素质技能型专门人才”为目标，在真实的岗位环境学习和练习是职教学生掌握技能的最佳途径。
由于LTE技术商用不久，实际设备价格高昂，并且需要专业人员维护；通常一般院校配备的eNodeB，EPC、承载网设备种类和数量都比较少，网络不成规模，跟真正的电信网络实际环境存在很大的差距。一般教学内容以无线网络为主，无法满足4G全网建设的教学要求，难以开展大型网络的规划、安装、配置、测试等内容的实验实训，用真实设备安装调试、参数设置的教学中，系统只允许一个操作账户加载数据，不能多人同时操作，教学效率比较低；而且真实设备规模很小，难以支持按照不同人口、规模的城市，对应不同网络的规模、类型，对LTE网络的无线网接入网、核心网、承载网进行网络拓扑设计、容量规划、机房配置、设备配置、数据配置、业务验证等实验实习教学内容，更无法进行多城市大规模复杂网络的教学活动。虚拟仿真教学打破时空限制，具有灵活性。
4G移动通信理论知识繁杂、枯燥，学生往往缺乏学习兴趣。模拟仿真系统呈现的场景贴近实际网络和设备，内容和种类丰富，知识内容和实际操作相结合，具有直观的形象，学习、实验进程画面精美，犹如网络游戏，还可以进行组队竞赛，可以生成学习成绩分数，容易激起学生的学习兴趣。
3.虚拟仿真技术在LTE课程教学中的探索和实践
职业教育强调贴近企业，贴近实际工作场景，LTE网络的建设不仅涉及无线网络，也涉及核心网、承载网，包括无线接入、交换、IP网络、传输、光纤通信等内容。
在教学实践中，人们在已有的LTE实验室真实设备以外，按照虚实结合、能实不虚的原则，建设了LTE全网仿真实验室，其中实际设备主要有NodeB包括RRU，BBU，天馈，核心网EPC包括统一移动接入控制网元（MME设备）、用户数据网元（HSS设备）、融合分组网关网元（PGW，sGW设备）、服务器等设备。另外还有各网元之间的光纤及传输设备等承载网部分。虚拟仿真系统主要由软件、终端及服务器等组成。
真实设备教学的时候，由于机房场地限制，设备已经安装好，硬件安装教学时，只能让学生观看，无法进行设备硬件安装的操作；由于安全原因，也无法进行天馈的安装操作；由于实际设备只能由一个账户设置、加载数据，因此不能让学生同时进行数据调试和配置练习，教学效率低；另外，整个系统跨多个机房，学生不容易掌握整个网络结构。而实际运行的网络规模很大，结构复杂，有各种不同的构型和组合，实际设备并不能一一反映。
因此，需要虚拟仿真系统的补充，虚拟仿真系统可以提供各种设备的硬件结构安装、天馈、线缆的安装连接，能够供所有学生同时进行数据配置和调试；能够在实验室每个学生同时进行网络测试，能提供近乎真实的省级复杂网络，按照城市规模、用户数量、业务模型、设备规模反映各种不同结构和规模的网络。
通过真实设备和虚拟仿真技术结合，整个教学系统包含LTE网络建设、维护的全部环节和主要设备，以LTE建设、维护各个阶段的内容为主线，划为5个学习情境：网络拓扑规划、容量规划、设备配置、数据配置、业务调测；每个学习情境包含若干个学习任务，以任务为导向，学习相应的知识点和技能点，在教学实践中，充分利用真实设备和虚拟仿真系统，虚实结合，扬长避短。摆脱通信设备实操环境制约，快速掌握设备的组网、硬件结构、软硬件工程安装、开通调试等过程。通过建立一个以高仿真商用设备机房为背景的虚拟4G网络，即包含无线接入、核心网、承载网，TD，FDD混合组网，省级规模自成体系的LTE仿真网络，可以进行无线接入网、核心网、承载网的拓扑设计、容量规划、设备选型、硬件配置、线缆连接、数据配置、开通调试、故障排查、实现业务验证，涵盖4G全网规划、建设、维护各阶段。
虚拟仿真技术的使用改变以往专业学习以纵向知识为主线，各个专业课程之间衔接不紧密，横向知识难以融会贯通的弊病。例如：移动网络的学习只涉及移动网络的理论和实训，光纤通信只涉及光纤通信理论和实训，交换机技术只涉及交换机理论和实训。
把不同专业知识按照工程项目串联起来，以工程为主线，实现知识纵向、横向衔接，把无线接入、核心网、IP网、光传输网知识在LTE建设中有机地关联起来，以工程应用为目的，训练学生的LTE网络全局思维，建立全网全通的概念。
让学生在学校就能掌握行业领先的全网全套移动通信技术。同时，促进教师融会贯通，移动、交换、传输知识，全面掌握LTE网络全网拓扑规划、容量规划、设备配置、数据配置、业务验证等专业技能，提高综合能力。
通过一个多学期的教学实践，不仅顺利完成了LTE课程的教学任务，学生得到了接近实际电信网络的訓练，取得了较好的学习效果，而且部分优秀学生在省级职业技能竞赛中取得了优异的成绩。
4.结语
虚拟仿真系统是当前职业教育改革的重要方向。教育部指出职业教育要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发”“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”；并提出“遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统”“创新仿真实训资源应用模式，提高使用效益”。
虚拟仿真用于4G移动通信教学可以实现实际设备难以完成的教学内容，减小设备采购和维护成本，多人同时使用提高教学效率，避免危险性实践内容，另外也可以提高学生的学习兴趣，丰富教学形式和内容。
虚拟仿真系统的使用要以实际设备为基础，实际设备上的操作技能和虚拟系统的学习互相补充，虚实结合，能实不虚，才能多快好省地达到职业教育工学结合的教学目的。
