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远程软件无线电开放实验平台设计与实践
2018-06-07 12:14  

北京交通大学 李 丞 卢燕飞 赖 威 王凯冬 段胜贵

软件无线电(Software Defined Radio, SDR)是一种使用软件来实现物理层连接的无线通信设计,它在不改变硬件的情况下,通过软件设计、实现不同功能。基于软件无线电的通信实验教学平台因其系统灵活性好、功能易扩展、可搭建完整通信系统、学生能感受真实无线信号等优势,已被众多高校作为设计型、综合型通信实验的首选。很多高校都采用与之相配的开放实验模式,即学生自由选择实验时间、自主学习、自主实验,很好地满足了学生因基础知识、能力、设计方案等不同带来的差异性需求,并促进了学生创新创力的培养。

北京交通大学通信工程专业国家级教学实验室基于软件无线电平台,进行了3年开放实验模式的探索。鼓励学生在教师指导下,根据专业兴趣和职业规划进行创新型实验,为学生个性化发展提供更加广阔的空间,开放模式受到学生的高度评价。然而,在开放实验实践中也暴露出一些不足:(1)由于实验室场地和设备有限,能够容纳的学生有限,造成实验室开放时段一机难求,而非开放时段设备空闲的现象,这情况打击了学生的积极性,也限制了平台更广泛的开放;(2)由于实验教学师资紧缺,在实验室开放时间学生难以同步地得到教师指导和答疑;(3)实验指导书、教材等传统参考资料往往没有或仅有有限的静态截图作为实验效果参考,这很难将动态、真实的通信信号特性体现出来,无法及时、有效提供参考,激励学生进阶。

为此,实验室基于“互联网共享理念”,采用计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术相结合的方式,设计了远程软件无线电实验平台。该平台可面向全校学生全天候开放,学生通过校园网可随时访问实验室的软件无线电设备,进行远程编程与调试、资料下载和技术交流。该平台是集实验教学、创新项目、学科竞赛、毕业设计一体化的综合开放平台。

1远程开放平台的架构与关键技术

软件无线电实验平台包括软件LabVIEW和通用外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)。设备连接如图1所示:(1)通过以太网口连接交换路由设备,实现联网;(2)采用(USB转千兆以太网)扩展网口连接USRP,进行数据交互;(3)分别通过USB口连接有线摄像头,及使用实验室WiFi的网络摄像头,这两种方式获取USRP设备当前连接状态的视频。

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图1远程平台的网络架构及接入方式

实验平台远程化的总体思路是,学生从教学楼的无线网络(远程路径1)或学生宿舍有线网络(远程路径2)两种方式接入实验室网络,一对一访问实验室计算机,及与其连接的待开放硬件(USRP),远程使用开放的软件无线电实验平台资源。

为保证平台安全、稳定、高效运行,先后解决了网络、功能、用户、连接等关键技术,实现传统实验室局域网内SDR平台大规模远程开放的难题。

1.1 实现大规模外网访问内网

由于网络地址资源宝贵,实验室通常使用路由器建立局域网,其网络拓扑如图2右侧所示。局域网内计算机通过动态主机配置协议(dynamic hostconfigureation protocol,DHCP),自动获取内网IP地址(见图2,当前使用192.168.1.X的内网IP网段),接入3层网络结构的校园网,实现联网。

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图2 NAT端口映射原理

然而,因局域网中仅路由器具有独立外网IP,而内部与USRP相连的计算机动态获取的内网IP地址不固定,无法从外网唯一找到其中的某一台,就无法面向外网实现大规模的一对一远程开放。为解决此难题,采用网络地址转换(network address translation,NAT)方法,对图2中路由器进行NAT配置,分别给局域网的每台计算机对应配置唯一的外部端口号。表1给出了30台远程被控计算机的设置范例,为PC配置唯一外部端口号,并将内部端口设为3369(远程桌面服务端口)。

表1 远程被控计算机路由端口

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这样,客户端计算机通过在校园网内的设置计算机内部IP地址外部端口内部端口协议类型:

                    PC1 192.166.1.2 62223 3369 TCP

                    PC2 192.166.1.3 62224 3369 TCP

                    PC3 192.166.1.4 62225 3369 TCP

                    …… … … …

                    PC30 192.166.1.31 62252 3369 TCP

独立IP地址,寻址到路由器;再通过端口号,找到局域网内与之唯一对应的计算机,实现对计算机的远程控制、文件传输、远程使用与其连接的硬件资源等,从而远程完成编程、调试、分析等实验任务。

1.2 提供动态实验效果参考

无线信号具有随机性,通常是时变的。为避免片面的截图式参考效果,及有效刻画动态真实的无线信号,该平台采用LabVIEW的WEB发布功能,将包含实时输出参数、信号波形图等动态时变的实验效果发布在网页上,见图3,及时给予学生实验结果的肯定与参考,能够有效保持学生的学习热情,进而保证远程实验自主化的可行性。

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图3 远程查看实验效果

1.3 单用户与多用户相结合的模式

平台力求实用、可靠,对扩大开放规模、保证服务质量之间进行分析与权衡后,最终设定的平台登录、远程编程与调试、实验效果验证等功能和用户类型见表2。实验室每台计算机同一时间仅供单个用户远程编程和调试,可以通过增加开放计算机数量,扩大远程开放规模。

表2 平台各功能对应的用户类型

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2 远程开放平台的功能

大规模远程软件无线电开放平台能够实现SDR实验全过程的开放,功能网络架构见图4,包括登录平台、下载资料、远程编程、运行调试、效果验证、意见与交流共6大功能。

(1)登录平台。平台客户端为封装后的EXE应用程序,在实验室主页下载后,双击打开使用。在登录界面输入授权的用户名和密码,进入远程实验平台功能界面(见图5),开始远程实验。

(2)下载资料。在功能界面的资料下载功能区,学生通过[点击下载]按钮,进入网页下载实验指导书、实验报告模板、实验室开放时间安排、远程实验平台开放时间等参考资料。

(3)远程编程。远程编程是该平台的核心功能。

学生通过点击远程编程按钮,进行远程控制流程,输入[实验室局域网外部IP地址:计算机的外部端口号]→[被控制计算机的密码],进入被控计算机界面,开始远程使用实验室计算机的LabVIEW软件,编写实验程序。

学生也可将本地PC已完成的程序,通过远程传送功能,传到实验室被控计算机,继续运行与调试。

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图4 远程平台各功能网络架构

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图5 远程实验平台功能界面

(4)运行调试。在远程完成实验的程序编写后,

先将语法错误一一解决;然后在程序前面板输入(查找到的)与被控计算机相连接USRP的IP地址等信息,进行远程的程序运行与调试。

调试中,如果怀疑实验室USRP连接故障,可通过扫描界面的二维码,用手机查看;或点击[视频监控]按钮,从网页查看当下连接硬件前面板状态的实时视频,查看USRP的电源线、网线等接线状态,前面板AF指示灯的亮闪状态,确认是否为USRP连接不稳、设备故障的问题。如确有问题,可拨打电话,请值班教师帮助恢复连接,以便继续实验调试。

(5)效果验证。在调试成功的实验前面板,可观察已完成实验的效果。在该平台效果验证部分,点击相应实验的按钮,获取权限,进入正发布在网络的实验效果参考界面,见图5,对比自己所做结果,进行实验分析和优化。至此,整个远程实验过程已完成。

(6)意见与交流。为不断完善远程开放平台功能,切实满足学生需求,该平台设置了意见与交流栏。学生可针对教学方式与质量、远程实验平台功能与效果等与教师交流,互相促进,共同提高,并可逐步形成网上社区。

综上,以拥有40台计算机的实验室为例,构建集6大功能的远程开放平台,其网络架构可参考图4。其中,30台计算机设置为NAT端口映射,提供远程编程服务。在另外9台计算机上分别运行实验1—实验9的完整版程序,并将其前面板发布在网页上,经加密保护,提供效果参考。

3 基于远程开放的教学模式探索与应用情况

基于该远程实验平台,已逐步形成以“开放性问题、开放源代码、开放实验室”为核心的创新实践教学模式。2016年秋季学期,远程开放实验平台面向大三100多名学生试用,学生积极使用,效果良好,并为平台的完善献言献策。结合实际应用情况,逐步形成了基于远程开放的创新实践教学模式,进行了如下探索:

(1)构建基于开放性实验的实践体系,引导学生进行创新思维,提升创新能力。平台为实验教学、创新项目、毕业设计等提供统一化教学服务(见图6)。

①设题:关注创新思维培养,设立开放性设计型实践题目。

②自主实验:鼓励学生利用网络、文献、计算机等资源,随时随地自主学习、思考、创新与实践。

③答疑指导:整合教师、助教、学长力量,提供现场与网络相结合的启发式答疑。

④考核:细化能力指标点,形成形式多样化、标准化的考核制度。

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图6 基于远程开放平台的创新实践教学模式

(2)构建开放源代码的实验平台,促进学生建立完整的通信系统观念,对接行业发展,培养解决复杂工程问题的能力。学生以既有代码为基础,自由组队、分工合作完成一个较为复杂通信系统的设计,提高了实验的起点,有助于学生建立完整的通信系统概念和提升解决复杂工程问题的能力。采用开放源代码符合通信信息产业发展的总体趋势,能够很好地对接产业发展,提升学生的就业竞争力。

(3)依托国家级实验教学平台,加强校企合作,提升实验教师工程素养,打造高水平的开放实验室。实验室先后与中兴通讯、美国国家仪器(NI)等知名企业密切交流合作,汲取工程背景实践题目。建设了集计算机网络、无线通信等方向常驻实验师为主体的教师队伍,积极参加企业、安全等培训,提升教师工程素养和实践能力。远程平台大大提高设备利用率,为面向学校、甚至社会开放共享提供了有效方式。

基于远程开放平台的实践教学模式,有助学生从重复式、验证式实验,向探索式、研究式实践转变,能有效激发学生的主动性和创新意识,提升解决复杂工程问题的能力。在我校通信专业OBE认证评审过程中,实验教学得到专家的赞扬。

(来源:2018年2月《实验技术与管理》)

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