CN103761906A - 无线通信教学平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种无线通信教学平台，包括：射频子系统，用于与移动终端进行通信；通信接入子系统，用于接收来自射频子系统转发的移动终端的上行信息，将下行信息发送至射频子系统以由射频子系统将下行信息以下行信号的形式转发至移动终端；交换机；电路媒体网关，用于接入固定终端；主控机子系统，用于进行监控射频子系统、通信接入子系统、交换机和电路媒体网关的运行状态；协议捕包与分析系统，用于实时捕捉通信数据包并进行通信协议解析；教学控制系统，用于进行教师教学演示和学生实验。本发明生产成本低、具有较好开放性，可以配合教学让学生掌握移动通信系统的工作原理，并且提供接口用于科研，适合在教学中使用。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种无线通信教学平台。
背景技术
TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）网络作为我国具有自主产权的技术，已得到广泛的应用。从教学科研和培养培养人材的角度，各高校急需能够实现完整TD-SCDMA网络的教科研设备。但是，商用组网设备存在以下弊端：
（1）实现完整的TD-SCDMA商用组网需要的设备种类多、数量大、体积庞大、部署维护困难且价格高昂。各高校无法承受如此巨大的人力、物力和财力。然后，单独一套NodeB设备又无法独立组网和鉴权，只能成为摆设。
（2）商用设备中MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）、RNC（Radio NetworkController，无线网络控制器）、NobeB各系统设备接口众多，组网和鉴权复杂。并且，出于保护商业机密的考虑，商业设备有很强的封闭性，无法配合教学让学生掌握设备的工作原理，也没有提供接口用于科研。
（3）商用移动组网设备与固网电话的互通需进一步增加了接口和交换设备，增加成本的同时也增加了系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种无线通信教学平台，该设备具有台生产成本低、具有较好开放性，可以配合教学让学生掌握设备的工作原理，并且提供接口用于科研，适合在教学中使用的特点。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种无线通信教学平台，包括：射频子系统，所述射频子系统用于与移动终端进行通信，其中，所述射频子系统接收来自所述移动终端的上行信号以及向所述移动终端发送下行信号，并对所述上行信号和下行信号进行中频处理、功率放大以及滤波处理，以及模拟所述上行信号和所述下行信号的变频功能；通信接入子系统，所述通信接入子系统与射频子系统相连，用于接收来自所述射频子系统转发的所述移动终端的上行信息，以及将下行信息发送至所述射频子系统以由所述射频子系统将所述下行信息以下行信号的形式转发至所述移动终端，并且所述通信接入子系统还用于根据所述上行信息向所述移动终端提供移动服务，以及接收所述固定终端的信息并向所述固定终端提供电话业务，包括：所述通信接入子系统进行信令处理、业务处理和操作维护，并且提供与外部设备的接口以执行通信协议栈、ATM链路管理和IP链路管理的传输网、同步定时和系统平台支撑功能；交换机，所述交换机与所述通信接入子系统和互联网相连；电路媒体网关，所述电路媒体网关与所述交换机和公共交换电话网络相连，用于接入固定终端；主控机子系统，所述主控机子系统与所述交换机相连，用于进行监控所述射频子系统、所述通信接入子系统、所述交换机和所述电路媒体网关的运行状态，并对所述射频子系统、所述通信接入子系统、所述交换机和所述电路媒体网关的参数进行设置，以及优化无线网络、对所述移动终端和固定终端进行鉴权和管理；协议捕包与分析系统，所述协议捕包与分析系统在所述主控机子系统和学生端计算机中运行，用于实时捕捉空中接口或软交换接口的通信数据包并根据3GPP标准通信协议进行协议解析，包括对网络和用户终端之间的信令协议进行解析；教学控制系统，所述教学控制系统包括：教师端控制子系统，所述教师端控制子系统运行于所述主控机子系统内，教师通过所述教师端控制子系统进行讲解演示，并将实验操作结果同步显示至所述学生端计算机的显示器上，以及控制学生轮流操作实验；学生端控制子系统，所述学生端控制子系统运行于所述学生端计算机内，学生通过所述学生端控制子系统接收所述教师端控制子系统实验讲解演示的实验操作结果和接收其它学生端计算机的实验操作结果，以及在所述教师端控制子系统授权下独立操作设备进行实验。
在本发明的一个实施例中，所述射频子系统对所述上行信号和下行信号进行滤波处理，包括：对所述上行信号的带外干扰信号进行抑制，以及对所述下行信号的带外杂散信号进行抑制。
在本发明的又一个实施例中，所述射频子系统还用于对输入的电源电压进行电压变换、对所述电源电压进行电磁干扰滤波。
在本发明的再一个实施例中，所述射频子系统还包括：防雷模块，用于去除由外部馈线引入的对校准和天线端口的感应。
在本发明的一个实施例中，所述射频子系统通过单模光纤与所述通信接入子系统连接。
在本发明的又一个实施例中，所述通信接入子系统向所述移动终端提供的移动服务，包括：电话业务、视频电话业务、短信业务和分组数据业务。
在本发明的再一个实施例中，所述通信接入子系统包括：时钟模块，用于生成时钟源并分发时钟信号；中央处理器CPU模块，所述CPU模块用于执行Node B结构体、无线网络控制器和核心网功能；数字信号处理DSP模块，所述DSP模块用于执行基带处理功能；现场可编程门阵列FPGA模块，所述FPGA模块用于执行红外线接口的处理功能。
在本发明的一个实施例中，所述时钟模块还包括GPS单元，所述GPS单元与GPS天线连接，用于生成时钟源。
在本发明的又一个实施例中，所述通信接入子系统还用于进行TD-SCDMA物理层的处理，执行物理层处理并向高层提供服务，以及提供帧协议接口和红外线接口。
在本发明的再一个实施例中，所述交换机为千兆交换机。
根据本发明实施例的无线通信教学平台，可以将3GPP（The3rd GenerationPartnership Project，无线接口的第三代技术规范）R5协议中的NodeB、RNC和CN（CoreNetwork，核心网）各逻辑实体完美整合为一体的基础上，实现信令分析、网络配置与优化功能。并且，本发明的无线通信教学平台具有体积小、功耗低、结构简单、系统集成度高，便于部署和维护和灵活通用的特点。并且，本发明实施例的无线通信教学平台生产成本低、具有较好开放性，可以配合教学让学生掌握移动通信系统的工作原理，并且提供接口用于科研，适合在教学中使用。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的无线通信教学平台的示意图；
图2为根据本发明实施例的无线通信教学平台的硬件逻辑结构图；
图3为根据本发明实施例的无线通信教学平台的软件逻辑结构图；
图4为根据本发明实施例的射频子系统逻辑结构图；
图5为根据本发明实施例的射频子系统的外观示意图；
图6（a）和图6（b）为根据本发明实施例的射频子系统前面板和后面板的示意图；
图7为根据本发明实施例的通信接入子系统的逻辑结构图；
图8为根据本发明实施例的通信接入子系统的外观示意图；
图9（a）和图9（b）为根据本发明实施例的通信接入子系统前面板和后面板的示意图；
图10为根据本发明实施例的教学控制系统的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考图1至图9对本发明实施例提供的无线通信教学平台进行描述。本发明提供的无线通信教学平台是一种独立组网并独立鉴权、综合交换的TD-SCDMA无线通信教学平台。
如图1所示，本发明实施例的无线通信教学平台，包括：射频子系统1、通信接入子系统2、交换机3、电路媒体网关4、主控机子系统5、协议捕包与分析系统和教学控制系统。
具体地，射频子系统1可以用于与移动终端6进行通信。在本发明的一个示例中，移动终端6可以为平板终端、笔记本终端、数据库、手机终端或者视频监控终端。
具体地，射频子系统1可以接收来自移动终端6的上行信号，并且可以向移动终端6发送下行信号。即，移动终端6向天线发送上行信号，天线将该上行信号进一步发送至射频子系统1。射频子系统1将下行信号发送至天线，并由天线进一步发送至移动终端6。
此外，射频子系统还可以对上行信号和下行信号进行中频处理、功率放大以及滤波处理，以及模拟上述上行信号和下行信号的变频功能。
参考图2和图3，从硬件逻辑上看，射频子系统1包括有射频单元。从软件逻辑上看，射频子系统1包括有中射频模块。射频子系统1包括射频远端设备RFU和天线，两者共同完成光纤链路接口、中频处理、智能天线下行的高功放处理、上行信号的小信号放大吹、对进出信号的滤波处理和模拟信号的上下变频功能。
图4进一步示出了射频子系统1的逻辑结构。
如图4所示，射频子系统1包括：电源接口11、防雷模块SPD（Surge Protective Device）12、电源模块PSU（Power Supply Unit）13、天线接口14、滤波器模块FLTD15、功放低噪放模块PLU16、数字处理模块DPU17、告警接口18和光纤接口19。
具体地，数字处理模块DPU17用于实现数字、收发信和频综功能。功放低噪放模块16可以对信号进入放大、滤波、温度检测和硬件支持板卡预设数据的读写功能，并提供天线口到数字处理模块的耦合通道。滤波器模块15可以对接收到的带外干扰信号进行一定的抑制，对自身发射的带外杂散信号进行必要的抑制。电源模块13可以完成电压变换、EMI滤波、输出故障告警。防雷模块可以用于去除由外部馈线引入的对校准和天线端口的感应，保护校准和天线端口免遭由外部馈线所引入的感应。
在本发明的一个实施例中，射频子系统1还用于对由电源接口11输入的电源电压进行电压变换，对电源电压进行电磁干扰滤波。
图5为根据本发明实施例的射频子系统1的外观示意图。从图5中可以看出，射频子系统1的前面板上设置有POWER(电源)按钮和RUN（运行）指示灯。
图6（a）和图6（b）分别示出了射频子系统1的前面板和后面板。从图6（b）中可以看出，射频子系统1上设置有OFP0接口和ATN接口，以及220V交流输入电的输入接口。
通信接入子系统2与射频子系统1相连，其中，射频子系统1的OFP0接口可以通过单模光纤与通信接入子系统2的OFP0接口连接。
具体地，通信接入子系统2可以用于接收来自射频子系统1转发的移动终端6的上行信息，以及将下行信息发送至射频子系统1以由射频子系统1将下行信息以下行信号的形式转发至移动终端6。并且，通信接入子系统还用于根据上行信息向移动终端提供移动服务。在本发明的一个示例中，移动服务可以包括：电话业务、视频电话业务、短信业务和分组数据业务。此外，通信接入子系统2进一步接收固定终端7的信息并向固定终端7提供电话业务。
具体地，通信接入子系统2接收到射频子系统1发送的上行信息，并对上行信息进行分析处理，生成对应的下行信息，将下行信息发送至射频子系统1，再由射频子系统1以下行信号的形式转发至移动终端6，从而实现向移动终端6提供移动服务。
此外，交换机3与通信接入子系统1、电路媒体网关4和互联网相连。在本发明的一个实施例中，交换机可以为千兆交换机。即，建立一个TD-SCDMA的无线通信环境，支持平板电脑，数据卡，手机等多种类型的移动终端。在有Internet接入的情况下可以为移动终端6提供上网业务。
并且，电路媒体网关4与交换机3和公共交换电话网PSTN相连，可以用于接入固定终端7。通信接入子系统2可以在有PSTN接入的情况下，接收固定终端7的信息并向固定终端7提供电话业务，即提供与固网通话的业务。
在本发明的一个实施例中，通信接入子系统2可以进行信令处理、业务处理和操作维护，并且提供与外部设备的接口以执行通信协议栈、ATM链路管理和IP链路管理的传输网、同步定时和系统平台支撑功能。
参考图2，从硬件逻辑上看，通信接入子系统2包括数字控制单元和信道资源单元。其中，数字控制单元可以进行信令处理、业务处理和操作维护，提供与外部其他设备的接口，实现通信协议栈功能、ATM链路管理功能和IP链路管理功能的传输网功能、同步定时功能、系统平台支撑功能，实现3GPP R5协议中RNC、CN实体的功能。
信道资源单元可以进行TD-SCDMA物理层的处理，完成所有物理层处理并最终向高层提供服务，并且提供帧协议Iub FP及红外线Ir接口功能。
参考图3，从软件逻辑上看，通信接入子系统2的FPGA模块通过中射频接口与射频子系统1的中射频模块连接，电路交换模块与PSTN网络连接，分组交换模块与Internet网关连接。
图7进一步示出了通信接入子系统2的逻辑结构。
如图7所示，通信接入子系统2包括：时钟模块21、CPU模块22、DSP模块23、FPGA模块24、中射频接口25、CPU编程接口26、DSP编程接口27、FPGA编程接口28、调试串口29、电源输入口30和以太网口31，其中以太网口31与上位机8相连，时钟模块21与CPU模块22和FPGA模块24相连，CPU模块22与调试串口29、以太网口31、DSP模块23、时钟模块21和FPGA模块24相连。FPGA模块24进一步与中射频接口25相连，并与外部时钟输入/输出口相连。进一步，中射频接口25与中射频模块连接，电源30接+12V直流电。并且，中射频模块通过本振模块9与外部时钟输入/输出口连接。
其中，时钟模块用于生成稳定时钟源，以及分发时钟信号。在本发明的一个实施例中，时钟模块还包括GPS（Global Positioning System，全球定位系统）单元211，其中GPS单元211与GPS天线连接，接收GPS天线的GPS输入信号，并生成时钟源。
在本发明的又一个实施例中，时钟源还可以由时钟模块21自身产生或外部输入。
CPU模块22用于执行Node B结构体、无线网络控制器RNC和核心网CN实体协议功能。DSP模块用于执行基带处理功能。FPGA模块用于执行红外线Ir接口的处理功能。
在本发明的一个实施例中，通信接入子系统2还用于进行TD-SCDMA物理层的处理，执行物理层处理并向高层提供服务，以及提供帧协议接口和红外线接口。
图8为根据本发明实施例的通信接入子系统2的外观示意图。从图8中可以看出，通信接入子系统2的前面板上设置有POWER(电源)按钮和RUN（运行）指示灯、RFU（射频远端设备）指示灯、PWR（电源）指示灯。
图9（a）和图9（b）分别示出了射频子系统1的前面板和后面板。从图9（b）中可以看出，通信接入子系统2上设置有OFP0接口、ETH接口和RS232接口，GPS接口以及220V交流输入电的输入接口。其中，通信接入子系统2的OFD0接口与射频接入子系统1的OFD0接口通过单模光纤连接，ATN接口连接外置天线，GPS接口连接GPS天线，ETH接口连接千兆交换机。
主控机子系统5与交换机3相连，可以提供系统管理工具和信令分析工具。具体地，主控机子系统5可以用于监控射频子系统1、通信接入子系统2、交换机3和电路媒体网关4的运行状态，并且对射频子系统1、通信接入子系统2、交换机3和电路媒体网关4的参数进行设置。主控机子系统5还用于优化无线网络、对移动终端6和固定终端7进行鉴权和管理。此外，主控机子系统5可以解析空中接口的任一IE，方便学习、分析每一个终端的业务信令流程，诊断业务过程中的问题。
协议捕包与分析系统在主控机子系5中运行，也可以在学生端计算机中运行。协议捕包与分析系统可以实时捕捉空中接口或软交换接口的通信数据包并根据3GPP（The 3rdGeneration Partnership Project）标准通信协议进行协议解析，包括对网络和用户终端之间的信令协议进行解析。
具体地，协议捕包与分析系统运行在Windows平台上，可以解析网络和UE（UserEquipmen，用户设备）终端之间的信令协议，包括RRC（Radio Resource Control，无线资源控制协议）协议以及NAS（Network Access Server，网络接入服务器）协议，该软件能够解析协议任何一个IE值，工具可以根据IMSI、IE值对多条协议进行过滤分析，以分析业务执行过程中存在的问题。
教学控制系统包括教师端控制子系统和学生端控制子系统。教学控制系统运行在Windows平台上，可以方便教师演示教学和控制学生实验，实现多名学生轮流使用无线通信教学平台。
如图10所示，教师端控制子系统运行于主控机子系统5内，教师可以通过上述教师端控制子系统进行讲解演示，在教师操作的过程中，并将实验操作结果同步显示至学生端计算机的显示器上，从而学生可以根据显示内容进行射频子系统1、通信接入子系统2、交换机3、电路媒体网关4、协议捕包与分析系统的通信原理的学习。此外，教师端控制子系统还可以控制学生轮流操作实验，这个过程既可以设定实验时间让学生机顺序操作实验，也可以由教师指定学生做实验。
学生端控制子系统运行于学生端计算机内，学生通过学生端控制子系统接收教师端控制子系统实验讲解演示的实验操作结果和接收其它学生端计算机的实验操作结果，以及在所述教师端控制子系统授权下独立操作设备进行实验。
在本发明的一个实施例中，没有获得授权的学生可以选择进行观看借鉴或者回放之前的显示内容，从而实现复习和巩固学习内容的目的。并且，采用这种方式可以让学生们都加入的实验和显示过程中，增加了学生的学习兴趣，提高了学生的自主学习动力。
本发明实施例提供的无线通信教学平台采用标准规格，可以安装到通用的机柜中。各子系统连接采用标准线材，接口。安装简单快捷。
本发明实施例的无线通信教学平台是一种独立组网并独立鉴权、综合交换的TD-SCDMA无线通信教学平台。该设备可以将3GPP R5协议中的NodeB、RNC和CN各逻辑实体完美整合为一体的基础上，实现信令分析、网络配置与优化功能。并且，本发明的无线通信教学平台具有体积小、功耗低、结构简单、系统集成度高，便于部署和维护和灵活通用的特点。
并且，本发明实施例的无线通信教学平台生产成本低、具有较好开放性，可以配合教学让学生掌握移动通信系统的工作原理，并且提供接口用于科研，适合在教学中使用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (10)
1.一种无线通信教学平台，其特征在于，包括：
射频子系统，所述射频子系统用于与移动终端进行通信，其中，所述射频子系统接收来自所述移动终端的上行信号以及向所述移动终端发送下行信号，并对所述上行信号和下行信号进行中频处理、功率放大以及滤波处理，以及模拟所述上行信号和所述下行信号的变频功能；
通信接入子系统，所述通信接入子系统与射频子系统相连，用于接收来自所述射频子系统转发的所述移动终端的上行信息，以及将下行信息发送至所述射频子系统以由所述射频子系统将所述下行信息以下行信号的形式转发至所述移动终端，并且所述通信接入子系统还用于根据所述上行信息向所述移动终端提供移动服务，以及接收所述固定终端的信息并向所述固定终端提供电话业务，包括：所述通信接入子系统进行信令处理、业务处理和操作维护，并且提供与外部设备的接口以执行通信协议栈、ATM链路管理和IP链路管理的传输网、同步定时和系统平台支撑功能；
交换机，所述交换机与所述通信接入子系统和互联网相连；
电路媒体网关，所述电路媒体网关与所述交换机和公共交换电话网络相连，用于接入固定终端；
主控机子系统，所述主控机子系统与所述交换机相连，用于进行监控所述射频子系统、所述通信接入子系统、所述交换机和所述电路媒体网关的运行状态，并对所述射频子系统、所述通信接入子系统、所述交换机和所述电路媒体网关的参数进行设置，以及优化无线网络、对所述移动终端和固定终端进行鉴权和管理；
协议捕包与分析系统，所述协议捕包与分析系统在所述主控机子系统和学生端计算机中运行，用于实时捕捉空中接口或软交换接口的通信数据包并根据3GPP标准通信协议进行协议解析，包括对网络和用户终端之间的信令协议进行解析；
教学控制系统，所述教学控制系统包括：
教师端控制子系统，所述教师端控制子系统运行于所述主控机子系统内，教师通过所述教师端控制子系统进行讲解演示，并将实验操作结果同步显示至所述学生端计算机的显示器上，以及控制学生轮流操作实验；
学生端控制子系统，所述学生端控制子系统运行于所述学生端计算机内，学生通过所述学生端控制子系统接收所述教师端控制子系统实验讲解演示的实验操作结果和接收其它学生端计算机的实验操作结果，以及在所述教师端控制子系统授权下独立操作设备进行实验。
2.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述射频子系统对所述上行信号和下行信号进行滤波处理，包括：对所述上行信号的带外干扰信号进行抑制，以及对所述下行信号的带外杂散信号进行抑制。
3.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述射频子系统还用于对输入的电源电压进行电压变换、对所述电源电压进行电磁干扰滤波。
4.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述射频子系统还包括：防雷模块，用于去除由外部馈线引入的对校准和天线端口的感应。
5.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述射频子系统通过单模光纤与所述通信接入子系统连接。
6.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述通信接入子系统向所述移动终端提供的移动服务，包括：电话业务、视频电话业务、短信业务和分组数据业务。
7.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述通信接入子系统包括：
时钟模块，用于生成时钟源并分发时钟信号；
中央处理器CPU模块，所述CPU模块用于执行Node B结构体、无线网络控制器和核心网功能；
数字信号处理DSP模块，所述DSP模块用于执行基带处理功能；
现场可编程门阵列FPGA模块，所述FPGA模块用于执行红外线接口的处理功能。
8.如权利要求7所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述时钟模块还包括GPS单元，所述GPS单元与GPS天线连接，用于生成时钟源。
9.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述通信接入子系统还用于进行TD-SCDMA物理层的处理，执行物理层处理并向高层提供服务，以及提供帧协议接口和红外线接口。
10.如权利要求1所述的无线通信教学平台，其特征在于，所述交换机为千兆交换机。
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