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計算機仿真是一門以計算機為基礎(chǔ)的多學(xué)科綜合技術(shù),它依賴計算機的信息處理能力構(gòu)建數(shù)學(xué)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(jīng)成為通信領(lǐng)域的重要研究手段,其價值體現(xiàn)在如下幾個方面。首先,可以減少課題研究對昂貴實驗設(shè)備的依賴性。一些通信課題研究需要專用實驗設(shè)備,而搭建實驗平臺的成本往往太高。譬如,為從事網(wǎng)絡(luò)路由方面的課題研究,實驗室需要花費一大筆經(jīng)費購置路由設(shè)備。對于科研經(jīng)費不足的高校,科研設(shè)備昂貴而科研經(jīng)費不足導(dǎo)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(xué)校自身的學(xué)科發(fā)展,另一方面也限制了研究生的培養(yǎng)。其實,很多課題不一定需要在實際設(shè)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(shè)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(lǐng)域。其次,可以優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃。在規(guī)劃設(shè)計一些通信系統(tǒng)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(shè)計人員分析將要部署的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),及時發(fā)現(xiàn)可能遇到的問題。譬如,設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時,為驗證并初步評估設(shè)計方案,可以在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上模擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)。

通過分析仿真結(jié)果評估網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,盡早發(fā)現(xiàn)方案的不足并予以改進,優(yōu)化設(shè)計方案。最后,適應(yīng)通信研究快速發(fā)展。通信領(lǐng)域發(fā)展迅速,技術(shù)更新很快。一些新涌現(xiàn)的課題需要新的研究工具跟進。而實驗設(shè)備的開發(fā)和部署周期比較長,不能盡快的適應(yīng)新領(lǐng)域的研究需要。引入仿真平臺,根據(jù)新內(nèi)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(yè)研究生的培養(yǎng)需要出發(fā),本文提出構(gòu)建綜合仿真實驗平臺來改善科研環(huán)境,鍛煉研究生從事課題研究的能力。在平臺建設(shè)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(chǔ)。為解決仿真環(huán)境可能跟實際系統(tǒng)脫節(jié)的問題,平臺方案采用計算機實驗設(shè)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(fā)。導(dǎo)師應(yīng)著重培養(yǎng)研究生改進現(xiàn)有軟件、甚至自主開發(fā)仿真軟件的能力?，F(xiàn)有的仿真軟件,特別是商業(yè)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(yè)仿真軟件面向?qū)嶒灲虒W(xué),旨在提高教學(xué)效率。其功能大多模擬已經(jīng)很成熟的系統(tǒng)和模型,適合已經(jīng)存在的工程應(yīng)用。對于一些新領(lǐng)域、新課題的研究,由于理論模型需要不斷更新和完善,其內(nèi)容很難得到仿真軟件的同步支持。新領(lǐng)域和新課題的支持欠缺導(dǎo)致這些軟件不能很好地滿足科研需要。其次,大部分商業(yè)軟件不提供開源代碼或者深入開發(fā)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(yīng)用于新的研究領(lǐng)域。通過引入仿真軟件,研究生可在導(dǎo)師的指導(dǎo)下改進仿真軟件或自主設(shè)計仿真軟件。最后,形成以仿真軟件為平臺的科研環(huán)境。這不僅彌補了科研資源的匱乏,而且拓展了課題研究領(lǐng)域,研究生可以根據(jù)自己的興趣方向開展專題研究。根據(jù)研究方向和參與項目的分工,導(dǎo)師應(yīng)該為學(xué)生指定合適的仿真軟件。譬如,從事網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的學(xué)生,導(dǎo)師可為其安排Matlab和NS2等仿真軟件;從事無線通信系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)生,導(dǎo)師可為其安排Matlab和GloMoSim等仿真軟件。

1.2構(gòu)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(shè),忽略實際工程設(shè)計中必須考慮的環(huán)節(jié)。因此,仿真的結(jié)果可能與工程實際脫節(jié),不能完全還原實際工程場景。在培養(yǎng)環(huán)節(jié)上,研究成果不能只停留在軟件仿真層次,而應(yīng)在工程設(shè)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(chǔ)上構(gòu)建綜合仿真實驗平臺:包括仿真軟件與計算機實驗設(shè)備;在利用軟件方法進行仿真設(shè)計后,再利用計算機實驗設(shè)備來搭建一些實驗原型,近似模擬最后的實際系統(tǒng)。組建這樣的原型系統(tǒng)既充實了科研資源又鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力。圖1說明了本研究的思路。通信領(lǐng)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(xué)校自身客觀條件限制,某個方向和領(lǐng)域的科研基礎(chǔ)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(chǔ)不足。由于缺乏指導(dǎo)教師和工作積累,很難在某研究領(lǐng)域開展工作,打開局面。其次,科研經(jīng)費不足。經(jīng)費已經(jīng)成為一般院校發(fā)展學(xué)科、拓展專業(yè)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(shè)備,而經(jīng)費又無法支持實驗室購買這些設(shè)備,最后導(dǎo)致課題無法開展。

在基礎(chǔ)薄弱的科研環(huán)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(huán)境。這樣的仿真實驗平臺跟實驗設(shè)備還有差距,該環(huán)境下的成果可能無法直接應(yīng)用到實際系統(tǒng)。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(lǐng)域。這種綜合仿真實驗平臺可以在一般院校推廣,對于培養(yǎng)通信專業(yè)研究生的科研能力,豐富學(xué)校的科研基礎(chǔ),發(fā)展學(xué)科方向有很大的幫助(圖1)。