劉思聰 肖亮

摘? 要：文章結(jié)合“無線通信原理”課程特點，針對現(xiàn)有該課程教學存在的知識點老舊、新技術(shù)實例不足等問題，面向新一代5G移動通信發(fā)展趨勢，對該課程的教學內(nèi)容和方法進行探索。一方面更新了無線通信知識體系與關(guān)鍵技術(shù)，引入5G中涌現(xiàn)的通信新技術(shù)作為典型教學案例;另一方面改進了教學方法，將新興5G無線通信技術(shù)設(shè)計為MATLAB仿真實例。該教改嘗試可以在提升學生興趣的同時，達到拓寬前沿技術(shù)視野和提升實踐應(yīng)用能力的良好教學效果。

關(guān)鍵詞：無線通信;5G移動通信;教學探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）35-0132-04

Abstract： Considering the characteristics of the "Wireless Communication Principles" course， this paper has conducted some teaching exploration on the contents and methodology about this course， in order to follow up with the trend of 5G mobile communications， and address the problems of the existing teaching such as out-of-date knowledge and insufficient instances of new techniques. The knowledge architecture and key technologies of wireless communications are updated， and novel techniques emerging in 5G are introduced as typical teaching cases. On the other hand， the teaching method is improved by designing MATLAB simulation demonstrations on the emerging 5G wireless techniques. It shows that these measures can improve the interest of students on learning this course， while expanding the view of frontier technologies and improving the application capability.

Keywords： wireless communications; 5G mobile communications; teaching exploration

一、概述

“無線通信原理”作為一門電子信息科學與技術(shù)、通信工程等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，對本科生建立通信基礎(chǔ)理論體系，鞏固通信基本概念，加強工程實踐能力和應(yīng)用能力，了解無線通信前沿技術(shù)發(fā)展趨勢，拓寬技術(shù)視野等方面，具有重要作用。該課程在諸多國內(nèi)外院校的通信相關(guān)專業(yè)的本科生培養(yǎng)方案中，一般作為銜接公共基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程與后續(xù)專業(yè)核心課程、包括研究生階段前沿課程的橋梁[1-6]。

對學生而言，學好這門課程不僅需要牢固的數(shù)學物理基礎(chǔ)，還需要積累堅實的專業(yè)基礎(chǔ)課程知識，如信號與系統(tǒng)、通信原理、模擬電子線路、數(shù)字電路等課程知識。此外，還要求學生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論和基本知識與實際無線通信系統(tǒng)結(jié)合，做到靈活應(yīng)用。而這也就要求教師具有寬廣深入的無線通信技術(shù)積累，對無線新技術(shù)前沿發(fā)展和趨勢有很好的把握[7-11]。因此，這門課程的教學一直以來是通信專業(yè)課程中被關(guān)注的重點和需要解決的難點。

隨著通信技術(shù)突發(fā)猛進、日新月異的進展，目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)全面進入5G時代。5G標準和5G移動通信系統(tǒng)已經(jīng)在中國、韓國、日本、美國、歐盟等多個國家正式落地商用。伴隨著技術(shù)的進步，作為通信專業(yè)中與5G技術(shù)聯(lián)系最為密切的課程之一，“無線通信原理”課程的教學應(yīng)當進行更新和改革，從而緊跟技術(shù)進步的趨勢。然而，現(xiàn)有課程教學中存在諸多問題。一方面，講授的知識點偏老舊，花費較多課時講授目前已經(jīng)不再使用、未來也不大可能再使用過時技術(shù)，而5G最新的前沿技術(shù)和相關(guān)知識點沒有覆蓋，使學生知識面受到局限;另一方面，課程中涉及到的與5G新技術(shù)相關(guān)的演示案例、仿真實例等欠缺，導致學生面對繁瑣的理論推導逐漸失去學習興趣，不能深入理解理論在實際系統(tǒng)中的意義，還缺少技術(shù)實踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

為此，我們針對上述問題開展了課程教學的改革探索。采取的措施主要包括以下幾點：其一，面向5G前沿和熱點技術(shù)，對現(xiàn)有知識體系、重要知識點的內(nèi)容及其講授方法進行革新;其二，將新興的5G技術(shù)引入課程案例，通過精心設(shè)計易于上手又有一定挑戰(zhàn)性的MATLAB仿真實例，使學生加深對理論知識的理解和運用能力，同時拓展前沿技術(shù)視野;其三，改進課程考核方式，側(cè)重過程考查，通過平時大作業(yè)、文獻調(diào)研、小組討論、課題探究、互動互評等方式，調(diào)動學生學習主動性和參與度，并初步打下科研訓練的基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)有教學方法存在的問題

“無線通信原理”是一門具有很長歷史的專業(yè)課程。這門課程的教學內(nèi)容、教學方法和教學效果的改變過程，是隨著無線通信技術(shù)近幾十年來的發(fā)展、更新、換代而不斷演進完善的。特別是由于無線通信技術(shù)的前沿性和快速變化，大約每十年就會誕生新一代無線通信技術(shù)，這就要求該課程的教學必須緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。否則，如果在工業(yè)界都已經(jīng)演進到下一代技術(shù)體系的情況下，高校依然沿用一代甚至幾代以前的無線通信技術(shù)內(nèi)容進行授課，勢必導致學生無法掌握前沿技術(shù)和實用素養(yǎng)，在學生未來的科研或者專業(yè)工作中無法適應(yīng)新一代通信技術(shù)應(yīng)用的要求。

例如，在目前5G技術(shù)已經(jīng)正式商用、4G技術(shù)如火如荼全面鋪開的情況下，課程內(nèi)容依然以2G移動通信的GSM系統(tǒng)和3G移動通信的代表性技術(shù)CDMA為重點，甚至主要講解第一代移動通信的模擬通信制式，花大量課時講授已經(jīng)基本沒有實際部署的老舊內(nèi)容。事實上，GSM網(wǎng)絡(luò)雖然在歷史上有重要作用，在上世紀九十年代到本世紀初占據(jù)著主導地位，但是目前在我國范圍內(nèi)已經(jīng)基本全面退網(wǎng)，在世界范圍內(nèi)的較發(fā)達國家也已經(jīng)基本淘汰，因此花較多學時講授這些技術(shù)，無疑是事倍功半的。同時，由于課時有限，花過多時間在講授老舊知識上，也容易導致原本可能用于講授新技術(shù)、新標準和新應(yīng)用的學時被擠占，甚至使教師失去更新教學內(nèi)容的動力，這對學生接觸前沿知識是不利的。

“無線通信原理”課程的另一個顯著特點是，課程內(nèi)容與實際通信系統(tǒng)、通信標準和實用案例緊密結(jié)合在一起，課程理論內(nèi)容應(yīng)該是實現(xiàn)實際通信系統(tǒng)與標準的基礎(chǔ)，而實際通信系統(tǒng)和應(yīng)用案例又應(yīng)該是課程技術(shù)內(nèi)容的有效展示和必要補充。但是，由于教學方法沒有得到及時改進，現(xiàn)有教學中將實際通信系統(tǒng)、標準相關(guān)實用案例引入課程中的做法還偏少，理論和實踐脫節(jié)、基礎(chǔ)和應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象依然存在;同時，由于教學內(nèi)容沒有得到及時的更新，很難將目前最新一代的5G無線通信技術(shù)案例融入到課程中來。因此，導致課程教學的前沿應(yīng)用特點和工程實踐特點有所缺失，那么學生也就無法從這門課程的學習中開拓前沿科技視野，無法培養(yǎng)足夠扎實的通信工程師素養(yǎng)。

三、面向5G的知識體系革新

面向新一代5G無線通信技術(shù)的發(fā)展，為使課程內(nèi)容緊跟無線通信前沿，我們對本課程的知識體系、重要知識點進行了梳理和革新，引入了5G標準和系統(tǒng)中的新理論、新概念和新技術(shù)，對傳統(tǒng)老舊的知識點或者實用性已經(jīng)明顯降低的內(nèi)容適當縮減和弱化;同時，對相關(guān)教學內(nèi)容的講授方法進行了改進或調(diào)整。以下舉幾個比較典型的例子進行說明：

1. 5G新空口傳輸技術(shù)。每一代無線通信體制的核心技術(shù)突破基本上集中體現(xiàn)在空口傳輸技術(shù)上。在“無線通信原理”課程中，講授基帶傳輸與載波傳輸技術(shù)時，教學內(nèi)容應(yīng)當反映5G新空口技術(shù)的發(fā)展。例如，重點介紹在4G中已經(jīng)廣泛應(yīng)用、在5G中繼續(xù)得到發(fā)展的核心傳輸技術(shù)——正交頻分復用（OFDM）技術(shù)的概念、原理、應(yīng)用，以及OFDM的標準化進程，在WiFi、3GPP、C-V2X車聯(lián)網(wǎng)等通信標準中的應(yīng)用等。通過介紹OFDM技術(shù)及標準化進程，讓學生能更深刻地體會到物理層空口傳輸核心技術(shù)的突破對無線通信更新?lián)Q代的重要性，不僅打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，還了解通信國際標準化，為將來的科研和業(yè)界工作提供幫助。同時，對較為傳統(tǒng)模擬調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以及目前已經(jīng)較少應(yīng)用的模擬調(diào)幅、模擬調(diào)頻、頻移鍵控等傳輸技術(shù)進行了一定的縮減，有利于突出核心新技術(shù)的重點。

2. 新型信道編碼。作為無線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)之一，信道編碼技術(shù)一直以來是學界和業(yè)界關(guān)注的焦點，也隨著無線通信的發(fā)展而經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代。目前已經(jīng)確定5G標準中增強移動寬帶（eMBB）場景下，數(shù)據(jù)平面和控制平面所采納的信道編碼分別為低密度奇偶校驗碼（LDPC）和極化碼，在本課程中對其進行概念和原理性介紹。同時，通過介紹我國學術(shù)界和工業(yè)界在推進極化碼等專利和自主技術(shù)進入5G國際標準、增強中國話語權(quán)的角度切入，可以對學生進行生動的課程思政教育。

3. 大規(guī)模多天線技術(shù)。多輸入多輸出（MIMO）即多天線技術(shù)已經(jīng)在4G無線通信中提出，并廣泛應(yīng)用于移動通信、無線局域網(wǎng)等系統(tǒng)。5G中演進出的大規(guī)模多天線技術(shù)，進一步提升了多天線空間分集和復用增益，并且產(chǎn)生了波束成型、混合預編碼、角度域稀疏信道估計、多用戶MIMO、空分多址、智能天線等一系列新技術(shù)。因此在本課程中對MIMO和大規(guī)模MIMO進行專門介紹，同時適當縮減單天線和復雜時域均衡等傳統(tǒng)內(nèi)容。

4. 新型多址接入技術(shù)。關(guān)于正交多址接入技術(shù)，其重點應(yīng)當進行適當?shù)恼{(diào)整，從目前實際系統(tǒng)中已經(jīng)比較少見的、效率較低的頻分多址、時分多址等傳統(tǒng)技術(shù)，轉(zhuǎn)移到正交頻分多址（OFDMA）和空分多址等技術(shù)上來，加強新型正交多址技術(shù)的介紹。另外，還應(yīng)該引入5G中的非正交多址接入技術(shù)，如NOMA和SCMA等技術(shù)，讓學生在傳統(tǒng)正交多址的基礎(chǔ)上，理解非正交資源分配、串行干擾消除等新概念和技術(shù)。

5. 新型無線網(wǎng)絡(luò)與體系架構(gòu)?！盁o線通信原理”課程中對無線網(wǎng)絡(luò)的介紹往往局限于固定宏基站蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，然而5G無線網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和技術(shù)都已經(jīng)有了重大改變。因此，我們在介紹經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在本課程中引入超密集組網(wǎng)、用戶中心組網(wǎng)、宏-微異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等新概念、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時，對新興的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和垂直業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片等5G新概念和體系架構(gòu)進行介紹，開拓學生的技術(shù)視野。

四、5G無線通信技術(shù)仿真案例設(shè)計

為加深學生對5G前沿無線通信技術(shù)的理解，提升通信工程實踐能力，在本課程中特別設(shè)計了一系列無線通信MATLAB仿真實例。學生通過貼近5G前沿技術(shù)的仿真實驗，既能鞏固課程中面向5G技術(shù)的革新教學內(nèi)容、培養(yǎng)實際應(yīng)用能力，還可以進行初步的科研訓練，培養(yǎng)學習和研究興趣。本課程從5G核心技術(shù)與“無線通信原理”課程密切相關(guān)的知識點切入，精心設(shè)計若干個仿真實例，包括大規(guī)模MIMO混合預編碼、OFDM收發(fā)機、多天線信道估計、LDPC編解碼、非正交多址接入等MATLAB仿真實例。

下面以多用戶大規(guī)模MIMO混合預編碼系統(tǒng)為例，具體介紹本課程MATLAB仿真實例的設(shè)計。大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中已得到廣泛應(yīng)用，混合預編碼是提升多用戶復用性能、降低硬件復雜度的關(guān)鍵技術(shù)之一，其發(fā)射端的技術(shù)框圖如圖1所示。該仿真實例中，發(fā)射端將預編碼劃分為數(shù)字基帶與模擬射頻兩部分，構(gòu)成混合預編碼架構(gòu)，支持多用戶接收;接收端采用全數(shù)字接收機恢復多路發(fā)送數(shù)據(jù)流，并評估通信質(zhì)量。圖1顯示了每個獨立發(fā)送數(shù)據(jù)流映射到一個獨立射頻鏈路，而每個發(fā)射天線均通過移相器與每個射頻鏈路相連。

本實例中的具體仿真參數(shù)設(shè)置為：接收用戶數(shù)為4;各個用戶接收的獨立數(shù)據(jù)流數(shù)為[3 2 1 2]，則總數(shù)據(jù)流數(shù)為NDS=8;發(fā)射天線數(shù)為NT=64，接收天線數(shù)分別為[12 8 4 8];調(diào)制方式為16QAM;OFDM子載波數(shù)為256，導頻數(shù)為8;支持均勻線性陣列（ULA）與均勻矩形陣列（UPA）兩種大規(guī)模多天線模式。

實現(xiàn)混合預編碼需要發(fā)端已知下行信道狀態(tài)信息（CSIT）。發(fā)送端各天線發(fā)送前導參考信號，接收端進行下行信道估計后，將信道狀態(tài)信息反饋至發(fā)送端，發(fā)送端即可進行混合預編碼設(shè)計，決定模擬射頻和數(shù)字基帶預編碼矩陣，從而實現(xiàn)多用戶、多數(shù)據(jù)流的空分復用?；旌项A編碼后的發(fā)射信號3D電磁波輻射波束如圖2所示，由圖可見，多天線陣列輻射出若干個空間上分立的強主瓣，承載不同用戶獨立數(shù)據(jù)流，反映了混合預編碼的空分復用效果。

該仿真實例中發(fā)送的4個用戶、共8路獨立OFDM數(shù)據(jù)，經(jīng)過接收端MIMO均衡和解調(diào)后，其接收信號星座圖如圖3所示，可以看出多用戶接收效果良好。

五、改進教學方法及教學效果

為了更好地配合上述課程內(nèi)容和教學案例的更新和改革，提升“三全育人“的教學效果，我們相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化了課程教學方法和課程考核方式。側(cè)重過程考查，強化平時大作業(yè)考察，引入文獻調(diào)研、proposal技術(shù)提案、仿真實驗、小組討論、課堂展示、互動互評等新型教學環(huán)節(jié)。通過設(shè)計這些教學環(huán)節(jié)，能夠發(fā)揮學生主觀能動性，鼓勵學生積極開動腦筋，變被動學習交差為主動參與學習，提高興趣的同時，還能加深對理論的理解，加深學習的印象。提高大作業(yè)的分數(shù)占比和平時成績占比，提倡側(cè)重貫穿學期內(nèi)的全程過程考核，可以杜絕“臨時抱佛腳”的突擊復習應(yīng)考、“考后就忘”的問題。

基于上述教改措施，本課程經(jīng)過若干學年的教學改革實踐，取得了良好的教學效果。上一學年度本課程的教學測評達到4.98/5，進入學院前3%，得到學生的廣泛好評。在本課程中的實例仿真和調(diào)研提案等教學環(huán)節(jié)中，學生積累了初步科研經(jīng)驗，為本科生進入研究生階段進一步展開通信專業(yè)的科研工作打下堅實基礎(chǔ)。修讀本課程的學生，擴展了前沿技術(shù)視野，培養(yǎng)了實踐能力，從而在深造面試等考核中有了更加出色的發(fā)揮。

六、結(jié)束語

無線通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，5G技術(shù)變革已經(jīng)深刻影響人們的生活和產(chǎn)業(yè)的進步，這也對高校電子信息專業(yè)課程的教學提出了更高的要求。本文介紹的“無線通信原理”課程教學改革的探索與實踐，其初衷便來自于此。實踐表明，學生對新技術(shù)的興趣和對新知識的探求是發(fā)自內(nèi)心的，也是極其迫切的。將5G新技術(shù)、新理論和實際案例引入本課程的內(nèi)容，是對技術(shù)進步必然要求，是培養(yǎng)學生專業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也取得了良好的教學效果。當然，這也對任課教師的教學內(nèi)容和方法都提出了更高的要求。但是，電子信息技術(shù)的突飛猛進是未來的趨勢所在，而為我國培養(yǎng)出能夠適應(yīng)技術(shù)進步的信息科技人才，亦是從事信息技術(shù)高等教育工作者所肩負的重要時代使命。

參考文獻：

[1]T. S.Rappaport.Wireless Communications： Principles and Practice[M].New Jersey： prentice hall PTR，1996.

[2]孫銳，丁志中，王祿生.面向工程教育認證的通信專業(yè)課程體系建設(shè)[J].高教學刊，2018（19）：188-190+193.

[3]章國安，朱曉軍，金麗，等.移動通信課程教學模式改革研究與實踐[J].高教學刊，2017（19）：138-140.

[4]周先軍，付波，武明虎，等.通信工程專業(yè)培養(yǎng)方案比較分析[J].高教學刊，2018（21）：149-151.

[5]郭秀梅，王成義，張萍.“雙一流“戰(zhàn)略背景下電子信息類課程體系群建設(shè)初探[J].高教學刊，2018（12）：21-23.

[6]胡學龍，楊睛，林雪美，等.信息與通信學科研究性教學實踐研究[J].高教學刊，2017（08）：29-30.

[7]翁國慶，戚軍，謝路耀，等.基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合課堂教學改革——以“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程為例[J].高教學刊，2019（01）：82-84.

[8]杜世民，楊潤萍.MATLAB在“信號與系統(tǒng)”教學中的應(yīng)用研究[J].南京：電氣電子教學學報，2009（6）：91-93.

[9]孟慶民.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景下的教學改革探索——以通信原理課程為例[J].高教學刊，2016（10）：11-13.

[10]孫增友，滕志軍，鄔春明，等.面向科研技能的通信工程專業(yè)多層次一體化實踐教學體系研究[J].高教學刊，2016（03）：238-239.

[11]馮曦.創(chuàng)業(yè)型大學通信專業(yè)課程教學方法改革研究[J].高教學刊，2015（02）：37-38.