《高热点场景5G基站选址优化设计虚拟仿真实验》--电子科学与工程学院

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5G基站建设是国家新基建领域中的重大战略产业,但在5G基站选址优化设计实验教学中存在现实不可及、不可逆、高成本、危险程度高等突出问题。因此,本实验利用现代信息技术,将国家级科研成果反哺转换成教学资源,基于自主开发的射线跟踪算法三维模型实现鼓楼广场5G基站优化设计全过程可视化。本实验通过构建“原理认知”— “综合训练”—“自主探索”三层次实验体系,着力培养学生综合设计、自主创新能力以及科技报国的思想品格,满足了5G基站建设人才培养的迫切需要。

 本实验通过自主研发的射线跟踪算法,实现了无线电波传播预测、信道传播特性参数提取、电磁波传播路径三维可视化以及5G基站选址及优化等四大虚拟仿真实验教学,将5G无线电波传播理论和真实场景工程实践有机结合,实行多元化、系统化、场景化等多种实验教学方法,通过虚实结合的教学技术,有助于学生理解电磁波传播机制等抽象理论,强化学生解决复杂工程问题能力的培养,有效提高实验教学质量。具体分为以下几点:

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1. 通过5G基站选址系统的认知学习模块,帮助学生了解和掌握5G基站的基本组成和原理,提高学生对无线网络优化设计知识点的理解能力。

帮助学生掌握5G基站系统的组成及系统中重要组成部件的结构、工作原理和运行特性,采用虚拟现实的学习方式,帮助学生深入了解各个核心部件如AAU、BBU、电源、蓄电池、监控等部件细节组成、结构形式和工作原理,为系统综合实验奠定基础。

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2.  通过5G选址设计的综合训练,强化学生解决复杂工程问题能力的培养,显著提高学生对5G选址系统优化设计能力。

学生根据自己的理解设计基站选址系统分布和参数,根据5G基站选址系统的原则,设计基站位置、高度、间距、数量等参数,并由软件进行静态评估, 学生根据评估结果开展系统性能参数优化设计。软件评估通过了才能继续开展 下一阶段的实验。对设计的5G基站系统进行动态测试,包括人群密度和覆盖率两部分。

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3.  通过5G选址设计的探索实验,培养学生自主创新设计的能力。

在综合实验的基础上,结合课程教学和相关的5G基站系统的创新能力培养的教学要求,在虚拟仿真系统中提供给学生开放性设计和测试环境,结合探索实验的要求,学生可自主开展5G基站子系统的设计和鼓楼广场环境模型的搭建,结合控制参数的优化设计,开展探索性和创新性的实验。

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4.  有效解决实物教学成本高、危险性大等难题。

虚拟仿真实验系统避免学生攀登高层楼宇楼顶,也不会在设置故障时损坏昂贵的基站设备,因此不具有危险性。容易构建系统,并且系统具有可逆性,有利于学生探索如高热点场景人群密度、基站位置高度对5G基站选址系统的网络质量及覆盖影响分析等实验。虚拟仿真教学实验系统成本低,因而具有示范性和可推广性。

本课程实验主要针对《无线通信网络规划与优化》、《天线与电波传播》两门课程进行配套实验。本实验将整个虚拟实验内容按照能力培养递进分解为四个子任务(设备与原理学习、无线电波传播仿真、基站选址优化),每个子任务对应相关的知识点模块,每个模块就是一个具体的实验任务,学生完成具体的模块任务来达到实践目标。实验评价过程采用形成性评价的综合评价方式,包括认知学习环节考核、无线电波传播仿真环节考核和5G基站选址优化设计等三个评价环节,每个评估环节目标明确。本实验利用学生自我测试、实验仿真、自主设计优化等多种评价方式检查学生学习效果,形式多样,反馈信息量大,基于能力培养的形成性评价可有效用于教学的持续改进。

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