遠(yuǎn)程軟件無線電開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

遠(yuǎn)程軟件無線電開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐軟件無線電（SoftwareDefinedRadio,SDR）是一種使用軟件來實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)，它在不改變硬件的情況下，通過軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)不同功能?；谲浖o線電的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)因其系統(tǒng)靈活性好、功能易擴(kuò)展、可搭建完整通信系統(tǒng)、學(xué)生能感受真實(shí)無線信號(hào)等優(yōu)勢，已被眾多高校作為設(shè)計(jì)型、綜合型通信實(shí)驗(yàn)的首選。很多高校都采用與之相配的開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)，很好地滿足了學(xué)生因基礎(chǔ)知識(shí)、能力、設(shè)計(jì)方案等不同帶來的差異性需求，并促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)力的培養(yǎng)。北京交通大學(xué)通信工程專業(yè)國家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室基于軟件無線電平臺(tái)，進(jìn)行了3年開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶剿?。鼓?lì)學(xué)生在教師指導(dǎo)下，根據(jù)專業(yè)興趣和職業(yè)規(guī)劃進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展提供更加廣闊的空間，開放模式受到學(xué)生的高度評(píng)價(jià)。然而，在開放實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中也暴露出一些不足：（1）由于實(shí)驗(yàn)室場地和設(shè)備有限，能夠容納的學(xué)生有限，造成實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)段一機(jī)難求，而非開放時(shí)段設(shè)備空閑的現(xiàn)象，這情況打擊了學(xué)生的積極性，也限制了平臺(tái)更廣泛的開放；（2）由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資緊缺，在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間學(xué)生難以同步地得到教師指導(dǎo)和答疑；（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、教材等傳統(tǒng)參考資料往往沒有或僅有有限的靜態(tài)截圖作為實(shí)驗(yàn)效果參考，這很難將動(dòng)態(tài)、真實(shí)的通信信號(hào)特性體現(xiàn)出來，無法及時(shí)、有效提供參考，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)階。為此，實(shí)驗(yàn)室基于“互聯(lián)網(wǎng)共享理念”，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可面向全校學(xué)生全天候開放，學(xué)生通過校園網(wǎng)可隨時(shí)訪問實(shí)驗(yàn)室的軟件無線電設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程編程與調(diào)試、資料下載和技術(shù)交流。該平臺(tái)是集實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)一體化的綜合開放平臺(tái)。1遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括軟件LabVIEW和通用外設(shè)（UniversalSoftwareRadioPeripheral，USRP）。設(shè)備連接如圖1所示：（1）通過以太網(wǎng)口連接交換路由設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；（2）采用（USB轉(zhuǎn)千兆以太網(wǎng)）擴(kuò)展網(wǎng)口連接USRP，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；（3）分別通過USB口連接有線攝像頭，及使用實(shí)驗(yàn)室WiFi的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，這兩種方式獲取USRP設(shè)備當(dāng)前連接狀態(tài)的視頻。圖1遠(yuǎn)程平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及接入方式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程化的總體思路是，學(xué)生從教學(xué)樓的無線網(wǎng)絡(luò)（遠(yuǎn)程路徑1）或?qū)W生宿舍有線網(wǎng)絡(luò)（遠(yuǎn)程路徑2）兩種方式接入實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)，一對(duì)一訪問實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)，及與其連接的待開放硬件（USRP），遠(yuǎn)程使用開放的軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源。為保證平臺(tái)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，先后解決了網(wǎng)絡(luò)、功能、用戶、連接等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)SDR平臺(tái)大規(guī)模遠(yuǎn)程開放的難題。1.1實(shí)現(xiàn)大規(guī)模外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)由于網(wǎng)絡(luò)地址資源寶貴，實(shí)驗(yàn)室通常使用路由器建立局域網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2右側(cè)所示。局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（dynamichostconfigureationprotocol，DHCP），自動(dòng)獲取內(nèi)網(wǎng)IP地址（見圖2，當(dāng)前使用192.168.1.X的內(nèi)網(wǎng)IP網(wǎng)段），接入3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的校園網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。圖2NAT端口映射原理然而，因局域網(wǎng)中僅路由器具有獨(dú)立外網(wǎng)IP，而內(nèi)部與USRP相連的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)獲取的內(nèi)網(wǎng)IP地址不固定，無法從外網(wǎng)唯一找到其中的某一臺(tái)，就無法面向外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的一對(duì)一遠(yuǎn)程開放。為解決此難題，采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（networkaddresstranslation，NAT）方法，對(duì)圖2中路由器進(jìn)行NAT配置，分別給局域網(wǎng)的每臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)配置唯一的外部端口號(hào)。表1給出了30臺(tái)遠(yuǎn)程被控計(jì)算機(jī)的設(shè)置范例，為PC配置唯一外部端口號(hào)，并將內(nèi)部端口設(shè)為3369（遠(yuǎn)程桌面服務(wù)端口）。表1遠(yuǎn)程被控計(jì)算機(jī)路由端口這樣，客戶端計(jì)算機(jī)通過在校園網(wǎng)內(nèi)的設(shè)置計(jì)算機(jī)內(nèi)部IP地址外部端口內(nèi)部端口協(xié)議類型：

PC1192.166.1.2622233369TCP

PC2192.166.1.3622243369TCP

PC3192.166.1.4622253369TCP

……………

PC30192.166.1.31622523369TCP獨(dú)立IP地址，尋址到路由器；再通過端口號(hào)，找到局域網(wǎng)內(nèi)與之唯一對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制、文件傳輸、遠(yuǎn)程使用與其連接的硬件資源等，從而遠(yuǎn)程完成編程、調(diào)試、分析等實(shí)驗(yàn)任務(wù)。1.2提供動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)效果參考無線信號(hào)具有隨機(jī)性，通常是時(shí)變的。為避免片面的截圖式參考效果，及有效刻畫動(dòng)態(tài)真實(shí)的無線信號(hào)，該平臺(tái)采用LabVIEW的WEB發(fā)布功能，將包含實(shí)時(shí)輸出參數(shù)、信號(hào)波形圖等動(dòng)態(tài)時(shí)變的實(shí)驗(yàn)效果發(fā)布在網(wǎng)頁上，見圖3，及時(shí)給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的肯定與參考，能夠有效保持學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)自主化的可行性。圖3遠(yuǎn)程查看實(shí)驗(yàn)效果1.3單用戶與多用戶相結(jié)合的模式平臺(tái)力求實(shí)用、可靠，對(duì)擴(kuò)大開放規(guī)模、保證服務(wù)質(zhì)量之間進(jìn)行分析與權(quán)衡后，最終設(shè)定的平臺(tái)登錄、遠(yuǎn)程編程與調(diào)試、實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證等功能和用戶類型見表2。實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)計(jì)算機(jī)同一時(shí)間僅供單個(gè)用戶遠(yuǎn)程編程和調(diào)試，可以通過增加開放計(jì)算機(jī)數(shù)量，擴(kuò)大遠(yuǎn)程開放規(guī)模。表2平臺(tái)各功能對(duì)應(yīng)的用戶類型2

遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的功能大規(guī)模遠(yuǎn)程軟件無線電開放平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)SDR實(shí)驗(yàn)全過程的開放，功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖4，包括登錄平臺(tái)、下載資料、遠(yuǎn)程編程、運(yùn)行調(diào)試、效果驗(yàn)證、意見與交流共6大功能。（1）登錄平臺(tái)。平臺(tái)客戶端為封裝后的EXE應(yīng)用程序，在實(shí)驗(yàn)室主頁下載后，雙擊打開使用。在登錄界面輸入授權(quán)的用戶名和密碼，進(jìn)入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能界面（見圖5），開始遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。（2）下載資料。在功能界面的資料下載功能區(qū)，學(xué)生通過［點(diǎn)擊下載］按鈕，進(jìn)入網(wǎng)頁下載實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板、實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間安排、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放時(shí)間等參考資料。（3）遠(yuǎn)程編程。遠(yuǎn)程編程是該平臺(tái)的核心功能。學(xué)生通過點(diǎn)擊遠(yuǎn)程編程按鈕，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制流程，輸入［實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)外部IP地址：計(jì)算機(jī)的外部端口號(hào)］→［被控制計(jì)算機(jī)的密碼］，進(jìn)入被控計(jì)算機(jī)界面，開始遠(yuǎn)程使用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的LabVIEW軟件，編寫實(shí)驗(yàn)程序。學(xué)生也可將本地PC已完成的程序，通過遠(yuǎn)程傳送功能，傳到實(shí)驗(yàn)室被控計(jì)算機(jī)，繼續(xù)運(yùn)行與調(diào)試。圖4遠(yuǎn)程平臺(tái)各功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖5遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能界面（4）運(yùn)行調(diào)試。在遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)的程序編寫后，先將語法錯(cuò)誤一一解決；然后在程序前面板輸入（查找到的）與被控計(jì)算機(jī)相連接USRP的IP地址等信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程的程序運(yùn)行與調(diào)試。調(diào)試中，如果懷疑實(shí)驗(yàn)室USRP連接故障，可通過掃描界面的二維碼，用手機(jī)查看；或點(diǎn)擊［視頻監(jiān)控］按鈕，從網(wǎng)頁查看當(dāng)下連接硬件前面板狀態(tài)的實(shí)時(shí)視頻，查看USRP的電源線、網(wǎng)線等接線狀態(tài)，前面板AF指示燈的亮閃狀態(tài)，確認(rèn)是否為USRP連接不穩(wěn)、設(shè)備故障的問題。如確有問題，可撥打電話，請(qǐng)值班教師幫助恢復(fù)連接，以便繼續(xù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試。（5）效果驗(yàn)證。在調(diào)試成功的實(shí)驗(yàn)前面板，可觀察已完成實(shí)驗(yàn)的效果。在該平臺(tái)效果驗(yàn)證部分，點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的按鈕，獲取權(quán)限，進(jìn)入正發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)效果參考界面，見圖5，對(duì)比自己所做結(jié)果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和優(yōu)化。至此，整個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)過程已完成。（6）意見與交流。為不斷完善遠(yuǎn)程開放平臺(tái)功能，切實(shí)滿足學(xué)生需求，該平臺(tái)設(shè)置了意見與交流欄。學(xué)生可針對(duì)教學(xué)方式與質(zhì)量、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能與效果等與教師交流，互相促進(jìn)，共同提高，并可逐步形成網(wǎng)上社區(qū)。綜上，以擁有40臺(tái)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室為例，構(gòu)建集6大功能的遠(yuǎn)程開放平臺(tái)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可參考圖4。其中，30臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)置為NAT端口映射，提供遠(yuǎn)程編程服務(wù)。在另外9臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)9的完整版程序，并將其前面板發(fā)布在網(wǎng)頁上，經(jīng)加密保護(hù)，提供效果參考。3

基于遠(yuǎn)程開放的教學(xué)模式探索與應(yīng)用情況基于該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已逐步形成以“開放性問題、開放源代碼、開放實(shí)驗(yàn)室”為核心的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。2016年秋季學(xué)期，遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向大三100多名學(xué)生試用，學(xué)生積極使用，效果良好，并為平臺(tái)的完善獻(xiàn)言獻(xiàn)策。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，逐步形成了基于遠(yuǎn)程開放的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，進(jìn)行了如下探索：（1）構(gòu)建基于開放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐體系，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新能力。平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等提供統(tǒng)一化教學(xué)服務(wù)（見圖6）。①設(shè)題：關(guān)注創(chuàng)新思維培養(yǎng)，設(shè)立開放性設(shè)計(jì)型實(shí)踐題目。②自主實(shí)驗(yàn)：鼓勵(lì)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)、計(jì)算機(jī)等資源，隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)新與實(shí)踐。③答疑指導(dǎo)：整合教師、助教、學(xué)長力量，提供現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的啟發(fā)式答疑。④考核：細(xì)化能力指標(biāo)點(diǎn)，形成形式多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化的考核制度。圖6基于遠(yuǎn)程開放平臺(tái)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式（2）構(gòu)建開放源代碼的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)生建立完整的通信系統(tǒng)觀念，對(duì)接行業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生以既有代碼為基礎(chǔ)，自由組隊(duì)、分工合作完成一個(gè)較為復(fù)雜通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)，有助于學(xué)生建立完整的通信系統(tǒng)概念和提升解決復(fù)雜工程問題的能力。采用開放源代碼符合通信信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體趨勢，能夠很好地對(duì)接產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。（3）依托國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)校企合作，提升實(shí)驗(yàn)教師工程素養(yǎng)，打造高水平的開放實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室先后與中興通訊、美國國家儀器（NI）等知名企業(yè)密切交流合作，汲取工