通信类计算机仿真能力培育

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引言

计算机仿真是集系统工程、控制理论、计算技术于一体的综合性学科，它利用计算机强大的信息处理能力构建数学模型、模拟现实系统，并通过评价仿真实验数据来验证模型的正确性。在信息科学领域，计算机仿真已经成为研究者从事科学研究的重要手段。另外，在实际科研条件不充分的情况下，计算机仿真也是研究者从事课题研究的有力工具。它可以帮助研究人员在一定程度上摆脱科研条件的限制，从事大量专题研究。对于科研条件相对落后的高校，培养信息类研究生的计算机仿真能力显得尤为重要。科研设备昂贵而科研经费不足导致一些前沿的课题研究无法开展，一方面限制了学校自身的学科发展，另一方面也限制了研究生的培养。从培养通信专业研究生的科研能力出发，本文提出应用仿真软件和计算机实验设备构建科研仿真平台，改善研究生从事课题研究的环境。文中提到的平台建设方案不仅能缓解科研条件薄弱导致科研领域受限的问题，而且可解决现有仿真软件很难满足新课题研究需求、仿真结果跟实际系统脱节的问题。在平台建设过程中，研究生将提升自己的计算机仿真能力，扩展课题研究的领域。

计算机仿真软件应用现状

计算机仿真研究始于上世纪八十年代，国外有研究组织以计算机为工具模拟复杂系统。到今天，已经出现了大量的计算机仿真软件。现有的仿真软件（特别是商业软件）存在如下缺陷：首先，很难满足新课题的研究需求。很多商业仿真软件面向实验教学，旨在提高教学效率。其功能大多模拟已经很成熟的系统和模型，适合已经存在的工程应用。对于一些新领域、新课题的研究，由于理论模型需要不断更新和完善，其内容很难得到仿真软件的同步支持。新领域和新课题的支持欠缺导致这些软件不能很好地满足科研需要。其次，大部分商业软件不提供开源代码或者深入开发的接口。当面临新课题时，研究人员无法有效扩展这些软件，使之应用于新的研究领域。最后，仿真设计的系统跟所模仿的实际系统存在差距。计算机软件的模拟过程往往忽略大量实际约束条件，更多地停留在理论设计层面，可能导致仿真结果跟实际应用脱节。

构建仿真软件平台培养研究生的科研能力

在培养通信专业研究生时，导师应该充分考虑到仿真软件上述的缺陷，锻炼学生正确使用仿真软件从事课题研究的能力。从而摆脱已有软件的功能限制，增强科研的灵活度。

1.建立开源的仿真软件实验环境从开源仿真软件入手，摸索改进和自主设计仿真软件的方法，建立适合课题研究的仿真软件平台。图1说明了本研究的思路。通信领域的很多课题都是开放的，研究生可以选择自己感兴趣的方向。但科研基础、科研经费、科研时间以及实验条件的限制，最后导致科研基础薄弱，无法为研究生提供优良的科研环境，支持其从事新课题、新热点的专题研究。通过引入仿真软件，研究生可在导师的指导下改进仿真软件或自主设计仿真软件。最后，形成以仿真软件为平台的科研环境。这不仅弥补了科研资源的匮乏，而且拓展了课题研究领域，研究生可以根据自己的兴趣方向开展专题研究。

2.实验环境中用到的仿真软件根据研究方向和参与项目的分工，导师应该为学生指定合适的仿真软件。譬如，从事网络协议研究的学生，导师可为其安排Matlab和NS2等仿真软件；从事无线通信系统设计的学生，导师可为其安排Matlab和GloMoSim等仿真软件。

3.培养应用和开发仿真软件的能力考虑到仿真软件的缺陷，在培养研究生的计算机仿真能力时需要从两方面入手：第一，选择便于二次开发的仿真软件，培养研究生改进现有软件、甚至自主开发仿真软件的能力；第二，仿真设计跟实际系统设计相结合，在培养研究生原理分析能力的同时增强工程实践能力。前一个方面考虑到仿真软件不一定满足新课题的需要，譬如当前还没有能很好支持认知无线电研究的软件。因此，在指导研究生时，导师一定要考虑到所用软件是否支持二次开发，能有效扩展现有平台，从而支持新课题的研究。开源的仿真软件能很好地满足这一需要，譬如，开源的NS2软件为通信课题提供了一个开放的研究平台，研究者通过添加新功能模块，能将其扩展成适应新课题的平台。

构建计算机实验平台培养研究生的科研能力

在对专题进行原理性研究时，仿真软件为研究的深入提供了很多的便利。但是，仿真软件存在一个不可忽视的缺陷——不能完全还原实际工程场景。基于仿真的研究成果往往是原理性的结论，很难直接应用到工程实践中。因此，除培养研究生的仿真能力外，还需要锻炼其工程应用能力。本文提供了另外一种仿真思路：在利用软件方法进行仿真设计后，再利用计算机实验平台来搭建一些实验原型，近似模拟最后的实际系统。组建这样的原型系统既充实了科研资源，又锻炼了学生的工程实践能力。譬如，为构建一个MPLS网络，实验室需要投入很高的经费购买路由器设备，这意味着经费不充足的实验室无法从事MPLS网络方面的研究。此时，如果在计算机上安装Linux系统，并配置MPLS功能，即可用来充当MPLS路由器并组建一个MPLS实验网络。这种计算机平台仍然是一种仿真环境，但比纯粹的仿真软件更接近工程环境了。学生可以在这样的实验条件下从事很多MPLS网络方面的课题研究，这对提高学生的工程实践能力有很大的帮助。为有效构建计算机实验平台，研究生应该从课题研究需要出发，有针对性地学习计算机系统结构方面的知识和技能。导师应该引导研究生学习《操作系统》、《嵌入式系统》等课程。另外，导师还应引导研究生学习Linux方面的技术，提升学生应用Linux从事系统开发的能力。

结论

在信息科学领域，计算机仿真已经成为研究者从事科学研究的重要手段。研究人员可利用合适的仿真软件模拟系统，通过仿真实验来分析方案设计正确性并予以优化，以减少工程实施中的问题。另外，在实际科研条件不充分的情况下，计算机仿真可帮助研究人员在一定程度上摆脱科研条件的限制，从事大量专题研究。为提高学习和科研能力，通信专业研究生应该掌握一些仿真工具。本文提出应用仿真软件和计算机实验设备构建科研仿真平台，改善研究生从事课题研究的环境。这些不仅能缓解科研条件薄弱导致科研领域受限的问题，而且可解决现有仿真软件很难满足新课题研究需求、仿真结果跟实际系统脱节的问题。