UMA技术在通信网络课程教学中的应用

摘要:针对传统通信网络课程设计教学过程中出现的问题,提出一种以项目为导向的通信网络课程设计教学方式。通过引入UMA技术,将传统的蜂窝网络“搬迁到”实验室,给学生一个真实的项目实践环境,并结合课程内容设计生动活泼、贴近实战的实验,帮助学生掌握课堂所学。这种以项目为导向的教学方式不仅能够弥补传统教学方法的不足,更能开阔学生的眼界、激发其学习兴趣。

关键词:通信网络;UMA;嵌入式

通信网络课程是计算机相关专业的专业课,属于专业课程体系中的重要课程。该课程着眼于对TCP/IP原理进行阐述和分析,讲解互联网的体系架构及基本原理,涉及网络协议居多,知识面较广,几乎覆盖了现有TCP/IP网络的所有内容,掌握起来相对困难。通信网络课程设计是一个独立的实验环节,是对通信网络课程教学理论的延伸和补充,是对理论知识的综合应用,其目的是发挥学生的主动性,培养学生分析问题、解决问题的能力,帮助学生更好地理解现有的TCP/IP网络,锻炼学生的设计创新能力。

通信网络具有较强的实践性,传统的通信网络课程设计教学主要以对学生单独辅导为主,督促学生完成课程设计。但由于通信网络课程涉及面广,多与TCP/IP具体协议相关,缺乏具体实例,学生在学习过程中往往难于理解,老师又苦于没有具体实例进行形象化的描述。为此,我们设计了以具体项目为导向的通信网络课程设计教学方式。该教学方法借助UMA技术将传统的蜂窝网络“搬迁到”实验室,利用基于UMA技术的模拟移动通信平台把无线通信技术与计算机通信网络恰到好处的结合在了一起,给学生一个真实的项目实践环境,并结合课程内容设计生动活泼的实验,帮助学生掌握课堂所学。

1传统教学暴露的问题

1) 教学与实践脱节。传统的教学总是重理论,在课堂上讲授协议的基本原理,课后布置练习,一切都停留在课本上。这种教学方式缺乏具体实际项目的结合,学生往往在学完通信网络课程之后,没有建立起应有的知识体系,不知道课本上介绍的TCP/IP原理如何在我们现实生活中实现的

2) 缺乏软件工程的思想,没有项目开发的概念。通信网络是一门专业课,也可以说是之前学习的专业知识的一个综合的运用。但由于学生没有机会接触真实项目,缺乏真正的项目开发经验,以致于当拿到一个具体需求时,想的不是如何去进行需求分析、系统设计,而是一味地用试、凑的方法来找答案,这种盲目的,没有理论指导的试凑法严重制约着学生解决问题能力的提高。

3) 实验内容比较陈旧,没有及时更新。由于性能、成本的要求,越来越多的企业都是基于开放源代码的嵌入式Linux平台下进行开发产品,而目前大部分高校通信网络实验基本上是基于X86的Windows平台,即在Windows平台的PC机上进行网络编程实验,学生只能在PC机或局域网内进行网络编程实验。学生没有机会接触嵌入式、Linux方面相关的知识,与社会的需求严重脱节。

2什么是UMA

UMA(Unlicensed Mobile Access)技术是一种能够将传统移动通信网络和Wi-Fi网络融合在一起的接入技术。作为3GPP标准的接入技术,支持移动语音与数据从蜂窝网络到无线局域网的无缝转换。通过UMA控制器,双模手机可以实现通过Wi-Fi网络无缝接入现有移动通信网络,并支持语音通话、无缝切换、短消息、漫游等业务。

2.1UMA的网络架构

UMA的网络拓扑结构如图1所示。

在传统GSM网络中,接入网通过基于控制器与移动核心网相连,手机通过基站与基站控制器相连,接入移动核心网。在UMA网络中,双模手机通过Wi-Fi,经由AP(Access Point)与UMA控制器相连,通过UMA控制器连入移动核心网。

简单地说,UMA技术就是利用UMA控制器将Wi-Fi网络与传统的移动蜂窝网络结合在了一起,由于UMA控制器的存在,双模手机通过Wi-Fi连接到UMA控制器,然后经由UMA控制器连入移动蜂窝网络。

2.2UMA技术原理

通过非授权网络(蓝牙或Wi-Fi),UMA技术可从传统蜂窝网络或本地GSM和GPRS移动服务的手机自动切换到UMA接入点,使手机无中断地检测到速度最快、最经济的网络,从而使手机用户可以最灵活的方式获得先进的手机服务。手机离开UMA接入点的覆盖范围后,则无缝切换回蜂窝网络[1]。

在UMA体系结构中,原有的蜂窝网络并没有进行调整,只是在网络中引入一个新的网络组件——UMA控制器(UNC)。UNC的作用相当于 GSM/GPRS原有接入网中的基站控制器(BSC),负责UMA网络的无线资源管理以及链路管理,此外UNC还通过IP网络与移动终端(MS)建立端到端的连接,并与MSC/GPRS交换信息[2]。

3利用UMA技术服务于通信网络的实践教学

UMA技术提供了一个很好的固网与移动通信网络结合的场景。通过UMA技术,不需要部署昂贵的移动基站、天线,就可以把移动通信平台搬到我们的实验室,在这个模拟的移动通信平台之上,可以支持真实双模手机的注册与登录甚至是打电话。由于UMA技术支持TCP/IP接入,只要教学方法得当,再配之以合适的基于UMA技术的通信网络教学实验设备,学生很快就能够进入实际工程应用开发。因为有这样一个支持真实手机接入的模拟移动通信平台,配置相应的嵌入式开发板,学生可以在嵌入式设备上开发自己的模拟手机,并通过自己开发的程序注册、登录虚拟的移动通信网络。通信实验教学平台接近实际工作,有利于培养学生的动手能力。

3.1利用UMA技术搭建模拟移动通信平台

利用UMA技术搭建一个模拟的移动通信平台,为学生提供一个具体生动、贴近实战的实验环境。平台搭建主要有以下3个工作。

1) 移动通信网络核心网设备模拟。选择合适的CompactPCI单板作为主控板,基于Linux平台,开发程序模拟核心网行为,主要包括手机的注册、鉴权等流程。

2)UMA服务器的开发。遵守3GPP协议,与市面上的UMA双模手机兼容,能够与真实的UMA手机实现互联互通。

3) 嵌入式终端的开发。选择合适的嵌入式芯片如ARM,基于嵌入式Linux平台,进行Linux内核的裁剪,支持网络接口,开发具有自己特色的嵌入式终端设备。

移动核心网在移动通信网络里面主要完成话费的计费、路由的选择、对手机用户的鉴权认证等工作。一个真实的手机如果要登录移动网络,手机需要与核心网有一系列的信息交互。由于我们搭建的只是一个模拟平台,因此只需要发送相关指令允许手机登录即可。

其次是要搭建模拟的UMA控制器,由于UMA控制器是要跟真实的手机打交道,因此我们的UMA控制器需要严格遵守UMA规范。根据UMA规范,手机与UMA控制器间是通过TCP/IP进行连接的。

3.2基于UMA移动通信平台的教学

从图1可以看出,UMA协议是基于TCP/IP协议,手机与UMA控制器通过IP宽带网连接,上层封闭UMA协议,这就为我们教授通信网络相关知识点提供了良好的切入点。

3.2.1良好的应用场景

UMA技术作为一种固网与移动网络融合的解决方案,目前已经在北美、欧洲得到商用。一方面它是基于TCP/IP协议的技术,但另一方面双模手机可以通过UMA控制器登录移动蜂窝网络。我们在实验室里实现基于UMA技术的模拟通信平台,学生在实验室里就可以能过双模手机打通电话,并且利用抓包工具对UMA协议进行分析。如学生通过Wi-Fi网络登录,在手机上可以看到相关的模拟移动通信网络的信息。面对这样一个贴近生活的例子,且是以商用级别项目为蓝本的实验环境可以大大激发学生的学习兴趣。

3.2.2丰富的实验用例

基于UMA技术的模拟通信平台以实际项目为蓝本,我们依托这个实验平台可以设计很多教学用例。

1) 基于TCP/IP的客户端/服务器的实验设计。在基于UMA的模拟通信平台里,手机与UMA控制器实际上就是服务器与客户端的关系。双模手机要注册网络就需要通过TCP/IP网络注册到UMA控制器上,后经过UMA控制器接入模拟移动核心网。我们可以让学生在PC机上开发程序模拟手机行为,通过编写的模拟程序成功注册到UMA控制器上。

2) 高性能服务器的设计。从手机的角度来看,UMA控制器实际上就是TCP服务器,手机通过发送基于TCP连接的UMA注册消息来到达注册的功能。我们可以让学生自己设计TCP服务器,看是否能正确接收来自真实手机的消息,或者是自己写的模拟手机发送过来的消息。

另外,我们还可以引导学生进行创新,例如,如何提高UMA服务器的并发处理能力?这时,我们可以提示引入计算机集群的概念,即设计一个负载均衡器,将收到的来自客户端的请求按照某种策略发送给多台后台服务器,以达到大幅提高性能的目的。

3.2.3结合软件工程进行教学

UMA技术本身在现实生活中就是一个成功的商用项目,我们在教学过程中,可以引导学生思考,如果自己要开发一个TCP服务器,应该采用什么样的步骤?培养学生正确的软件开发流程意识,认识到文档在软件开发过程中的重要性。学生可以以小组为单位,严格按照软件开发流程进行需求分析、系统设计、概要设计、编码、测试,在实践中体会软件工程的思想。

3.2.4基于嵌入式的通信网络实验

教师给学生提供嵌入式Linux平台,要求学生在Linux平台下进行开发。例如,学生在嵌入式Linux平台下开发TCP客户端,模拟手机发送消息包给UMA控制器,一方面可以验证模拟程序是否正确,另一方面也掌握了嵌入式Linux的基本开发流程。

3.2.5移动通信相关知识的扩展学习

UMA技术是一种能够将传统移动通信网络和Wi-Fi网络融合在一起的接入技术。在我们的基于UMA的模拟移动通信平台上,学生可以看到手机正常注册到模拟移动核心网,并打能电话。

这时,我们可以在UMA控制器侧进行IP包的捕获,通过分析消息包里的内容,可以适当进行移动通信网络的扩展性讲解,如手机要注册上网需要几个步骤,分别经过哪些流程等。

4结语

通信网络课程是一门实践性很强的课程,其中涉及的知识面广,与实际生活联系紧密。本文提出一种基于UMA技术的通信网络教学方法,实际上是一种以项目为导向的教学方法,为学生提供一个生动具体、贴近实际的项目,围绕着真实具体的项目进行教学,将各个知识点融入到具体项目中,能有效地激发学生的学习兴趣、培养学生的创新能力。同时,UMA技术目前仅在欧洲与北美商用,在亚洲及国内还应用较少,在教学过程中适当地将前沿技术引入到教学中,能扩展学生的知识面。

由于UMA技术是比较新的技术,在国内高校尚没有应用先例,对我们来说也是初步尝试,尚待进一步积累经验,使其日趋完善。

参考文献:

[1] 林书建,须德. 蓝牙UMA接入点的研究与设计[J]. 计算机技术与发展,2006(5):152.

[2] 杨李娜. 基于UMA的固定移动网络融合解决方案[J]. 移动通信,2008(1):56

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