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計算機仿真是一門以計算機為基礎的多學科綜合技術,它依賴計算機的信息處理能力構建數學模型,并通過仿真實驗來驗證模型的正確性。計算機仿真已經成為通信領域的重要研究手段,其價值體現在如下幾個方面。首先,可以減少課題研究對昂貴實驗設備的依賴性。一些通信課題研究需要專用實驗設備,而搭建實驗平臺的成本往往太高。譬如,為從事網絡路由方面的課題研究,實驗室需要花費一大筆經費購置路由設備。對于科研經費不足的高校,科研設備昂貴而科研經費不足導致實驗平臺的缺乏,使得一些前沿課題無法開展。這一方面限制了學校自身的學科發展,另一方面也限制了研究生的培養。其實,很多課題不一定需要在實際設備上開展,計算機仿真平臺同樣能滿足課題研究的需要。另外,許多仿真軟件的購置費用并不高,尤其是開源仿真工具。因此,實驗室建設過程中,引入仿真平臺不僅能減少研究的實驗成本,還能擴展研究領域。其次,可以優化系統的設計和規劃。在規劃設計一些通信系統時,工程人員往往需要對方案進行評估。計算機仿真平臺能幫助設計人員分析將要部署的系統結構,及時發現可能遇到的問題。譬如,設計網絡結構時,為驗證并初步評估設計方案,可以在網絡仿真平臺上模擬網絡結構和業務。

通過分析仿真結果評估網絡設計,盡早發現方案的不足并予以改進,優化設計方案。最后,適應通信研究快速發展。通信領域發展迅速,技術更新很快。一些新涌現的課題需要新的研究工具跟進。而實驗設備的開發和部署周期比較長,不能盡快的適應新領域的研究需要。引入仿真平臺,根據新內容增加新的軟件模塊,就能使仿真平臺盡快地滿足新研究需要。從通信專業研究生的培養需要出發,本文提出構建綜合仿真實驗平臺來改善科研環境,鍛煉研究生從事課題研究的能力。在平臺建設中,仿真軟件實驗平臺能很好地滿足新課題研究的需要,它是綜合仿真實驗平臺的基礎。為解決仿真環境可能跟實際系統脫節的問題,平臺方案采用計算機實驗設備來搭建一些實驗原型的方法。

1綜合仿真實驗平臺

1.1建立仿真軟件實驗平臺在建立仿真軟件實驗平臺時,必須考慮軟件是否支持二次開發。導師應著重培養研究生改進現有軟件、甚至自主開發仿真軟件的能力。現有的仿真軟件,特別是商業軟件,存在如下缺陷。首先,很難滿足新課題的研究需求。很多商業仿真軟件面向實驗教學,旨在提高教學效率。其功能大多模擬已經很成熟的系統和模型,適合已經存在的工程應用。對于一些新領域、新課題的研究,由于理論模型需要不斷更新和完善,其內容很難得到仿真軟件的同步支持。新領域和新課題的支持欠缺導致這些軟件不能很好地滿足科研需要。其次,大部分商業軟件不提供開源代碼或者深入開發的接口。當面臨新課題時,研究人員無法有效擴展這些軟件,使之應用于新的研究領域。通過引入仿真軟件,研究生可在導師的指導下改進仿真軟件或自主設計仿真軟件。最后,形成以仿真軟件為平臺的科研環境。這不僅彌補了科研資源的匱乏,而且拓展了課題研究領域,研究生可以根據自己的興趣方向開展專題研究。根據研究方向和參與項目的分工,導師應該為學生指定合適的仿真軟件。譬如,從事網絡協議研究的學生,導師可為其安排Matlab和NS2等仿真軟件;從事無線通信系統設計的學生,導師可為其安排Matlab和GloMoSim等仿真軟件。

1.2構建綜合仿真實驗平臺

仿真軟件為課題研究提供了便利,降低了成本。但是,軟件仿真過程往往基于很多假設,忽略實際工程設計中必須考慮的環節。因此,仿真的結果可能與工程實際脫節,不能完全還原實際工程場景。在培養環節上,研究成果不能只停留在軟件仿真層次,而應在工程設計中進一步完善。鑒于上述考慮,需要在仿真軟件實驗平臺的基礎上構建綜合仿真實驗平臺:包括仿真軟件與計算機實驗設備;在利用軟件方法進行仿真設計后,再利用計算機實驗設備來搭建一些實驗原型,近似模擬最后的實際系統。組建這樣的原型系統既充實了科研資源又鍛煉了學生的工程實踐能力。圖1說明了本研究的思路。通信領域的很多課題都是開放的,研究生可以選擇自己感興趣的方向。但是,由于學校自身客觀條件限制,某個方向和領域的科研基礎比較薄弱,不具備開展新課題、新熱點研究的條件。首先,科研基礎不足。由于缺乏指導教師和工作積累,很難在某研究領域開展工作,打開局面。其次,科研經費不足。經費已經成為一般院校發展學科、拓展專業研究的一個瓶頸。很多通信課題研究需要借助昂貴的實驗設備,而經費又無法支持實驗室購買這些設備,最后導致課題無法開展。

在基礎薄弱的科研環境下,可引入仿真軟件,并搭建計算機實驗平臺,形成一種綜合仿真實驗平臺的科研環境。這樣的仿真實驗平臺跟實驗設備還有差距,該環境下的成果可能無法直接應用到實際系統。但是,該平臺為研究生開展更多的課題研究提供了可能,彌補了科研資源的匱乏,拓展了課題研究領域。這種綜合仿真實驗平臺可以在一般院校推廣,對于培養通信專業研究生的科研能力,豐富學校的科研基礎,發展學科方向有很大的幫助(圖1)。