尼俊紅 陳智雄 韓東升

(華北電力大學(xué)(保定) 電子與通信工程系,保定 071003)

2017年4月18日,張大良在《光明日報(bào)》上發(fā)表的題為《新工科建設(shè)的六個(gè)問題導(dǎo)向》[1]中提出了“問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè),問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容,問學(xué)校主體推改革,問學(xué)生志趣變方法,問內(nèi)外資源創(chuàng)條件,問國際前沿立標(biāo)準(zhǔn)”六大理念,這為工科教育教學(xué)提供了一個(gè)明確的方向和思路。6月9日審議通過的《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》中也對新工科建設(shè)提出了“更加注重理念引領(lǐng)”和“更加注重模式更新”等指導(dǎo)意見。

教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[2]也指出,對于專業(yè)課程教育,應(yīng)該根據(jù)不同學(xué)科專業(yè)的特色和優(yōu)勢,深入研究不同專業(yè)的育人目標(biāo),深度挖掘提煉專業(yè)知識體系中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵,增加知識性和人文性,科學(xué)合理地拓展專業(yè)課程的廣度、深度和溫度。

本文在上述指南和指導(dǎo)綱要的引領(lǐng)下,探索“移動(dòng)通信”課程的教學(xué)改革和實(shí)踐方法,以正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)部分的內(nèi)容為例進(jìn)行教學(xué)案例設(shè)計(jì),將通信專業(yè)的育人目標(biāo)與教學(xué)過程有機(jī)融合。

1 課程背景和教學(xué)目標(biāo)

1.1 課程背景

“移動(dòng)通信”是高等工科院校電子信息類學(xué)科重要的專業(yè)必修課,其目的和任務(wù)是讓學(xué)生對移動(dòng)通信系統(tǒng)有全面的了解,掌握移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計(jì)方法。課程內(nèi)容涉及“通信原理”“無線電波傳播理論”“天線理論”等專業(yè)基礎(chǔ)知識,同時(shí)在模型構(gòu)建、公式推導(dǎo)中還需要用到“高等數(shù)學(xué)”“概率論”“隨機(jī)過程”等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論,面廣,綜合性強(qiáng),有一定的難度。

1.2 課程教學(xué)目標(biāo)

下文以O(shè)FDM教學(xué)內(nèi)容為例,探索內(nèi)容的知識性、人文性、工程化和思政元素的融合教學(xué)。

2 OFDM教學(xué)案例設(shè)計(jì)

OFDM是4G、5G中采用的調(diào)制技術(shù),同時(shí)也是一種多址技術(shù),除蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)外,還廣泛應(yīng)用于非對稱數(shù)字用戶線路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、地面數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial,DVB-T)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)、高清晰度電視、電力線通信(Power Line Communication,PLC)等寬帶通信系統(tǒng)中[3]。本案例以基礎(chǔ)知識為落腳點(diǎn),從人文性、工程化、思政等方面進(jìn)行拓展,探索實(shí)踐教學(xué)新形態(tài)和人才培養(yǎng)的新方法[4]。

2.1 基礎(chǔ)知識

OFDM體現(xiàn)了多技術(shù)、多角度融合的特點(diǎn),其技術(shù)核心是并行傳輸、載波正交和快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)。基礎(chǔ)知識部分的內(nèi)容按照發(fā)展帶來的需求和問題→解決的思路→工程應(yīng)用案例設(shè)計(jì)和論證的思路逐步展開,如圖1所示。以問題為導(dǎo)向,以O(shè)FDM核心技術(shù)為主線,引導(dǎo)學(xué)生了解移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中的核心需求和技術(shù)發(fā)展的主要矛盾,學(xué)會思考如何針對通信中的實(shí)際問題選擇合適的技術(shù),以及技術(shù)在實(shí)用化、工程化中應(yīng)該考慮哪些問題。

圖1 基礎(chǔ)知識部分內(nèi)容的組織思路

1) 矛盾和問題

OFDM是4G的核心技術(shù)之一,為什么4G會選擇OFDM技術(shù)?關(guān)鍵在于相比2G和3G,4G有更高的速率需求。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度看,按照國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)的定義,4G靜態(tài)傳輸速率達(dá)到1 Gbps,高速移動(dòng)狀態(tài)下可以達(dá)到100 Mbps。速率越高需要的信號帶寬也就越大,3G中TD-SCDMA系統(tǒng)的載波帶寬為1.6 MHz,4G的總帶寬為20 MHz。這樣的大帶寬必定會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信道相干帶寬,信道不再平坦,從而導(dǎo)致頻率選擇性衰落,接收端將無法通過頻域均衡等方法有效消除衰落的影響,導(dǎo)致信號嚴(yán)重失真。

傳統(tǒng)的單載波窄帶通信中,由于發(fā)送信號帶寬小于信道相干帶寬,信道的傳輸特性保持平坦,信號不會明顯失真。但是由于信號帶寬過窄,無法滿足高速率的需求。帶寬需求和信道的頻率選擇性衰落是這里的主要矛盾,那是不是可以把一個(gè)寬帶信號變成多個(gè)窄帶信號呢?這樣既滿足了速率需求又解決了衰落的問題。答案是肯定的。

2) 解決思路——多載波傳輸

中國目前執(zhí)行固定上網(wǎng)電價(jià)制度，給予可再生能源一定補(bǔ)貼，但補(bǔ)貼缺口不斷在增加，截至2016年年底補(bǔ)貼缺口超過700億元。隨著新增裝機(jī)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，補(bǔ)貼資金缺口將會越來越大。雖然中國暫未實(shí)施強(qiáng)制性的可再生能源綠色電力證書交易制度，但是中國在2017年初，發(fā)布了《關(guān)于試行可再生能源綠色電力證書核發(fā)及自愿認(rèn)購交易制度的通知》，我國已實(shí)行綠色電力證書核發(fā)和自愿認(rèn)購，這標(biāo)志著我國實(shí)施綠色電力證書交易制度已進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。

如果把單載波比作單車道,想要在單位時(shí)間傳輸更多的信息,同時(shí)又不會發(fā)生頻率選擇性衰落,那么把單車道變成多車道是個(gè)很好的解決方案,這就是并行傳輸,即多載波傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)由于受到濾波器滾降特性和調(diào)制技術(shù)的影響,各子頻帶間需要增加保護(hù)間隔以避免子信道間信號干擾,但這樣浪費(fèi)了寶貴的頻帶資源,如何提高頻帶利用率呢?如果各個(gè)子載波是正交的,即使相鄰各個(gè)子載波間彼此交疊,只要保證在采樣點(diǎn)處相互正交,就可以避免不同子信道間的干擾,同時(shí)又大大節(jié)約了帶寬資源。這就是OFDM技術(shù)的核心思想。

3) 硬件實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)多載波傳輸系統(tǒng)每個(gè)子載波都需要獨(dú)立的調(diào)制解調(diào)器和濾波器,隨著子載波數(shù)量的增加,電路復(fù)雜度和成本呈指數(shù)增長,這是多載波技術(shù)應(yīng)用中最大的障礙。OFDM的調(diào)制解調(diào)并不是像傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器那樣,需要大量的濾波器和本地振蕩器,而是使用IFFT/FFT和數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)芯片實(shí)現(xiàn),大大降低了電路復(fù)雜度和硬件成本,為OFDM走向應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 多角度融合

1) 人文性拓展

人文性拓展的目的是讓學(xué)生了解技術(shù)發(fā)展的前世今生,從發(fā)展的脈絡(luò)和過程中了解技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和影響因素,學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題,并根據(jù)各方面的影響因素尋找解決問題的思路。

針對OFDM這部分內(nèi)容,可以從多載波技術(shù)的產(chǎn)生、傳統(tǒng)多載波技術(shù)的缺陷、OFDM技術(shù)從提出到成熟再到應(yīng)用為什么經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間等,讓學(xué)生了解一項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用需要“天時(shí)、地利、人和”,4G時(shí)代對高速率大帶寬的需求、OFDM技術(shù)可以變頻率選擇性信道為平坦信道的特性、DSP快速算法的出現(xiàn)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展,幾方面缺一不可。

2) 參數(shù)設(shè)計(jì)與工程化思想

基礎(chǔ)知識只能解決是什么的問題,讓學(xué)生了解技術(shù)的基本原理,但作為工科院校的學(xué)生,應(yīng)該更進(jìn)一步了解如何實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。參數(shù)設(shè)計(jì)是在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中需要考慮的問題,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求和運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)對技術(shù)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

OFDM系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的參數(shù)主要包括:子載波數(shù)目、子載波間隔、符號周期、循環(huán)前綴長度、載波調(diào)制方式、前向糾錯(cuò)編碼方式、導(dǎo)頻信號等等。這些參數(shù)與實(shí)際信道特性和業(yè)務(wù)需求密切相關(guān),包括信道的相干帶寬、相干時(shí)間、最大多徑時(shí)延擴(kuò)展、最大多普勒頻移、業(yè)務(wù)的速率需求和時(shí)延需求等。這部分內(nèi)容結(jié)合4G、5G標(biāo)準(zhǔn)中OFDM的典型參數(shù)和典型信道模型,引導(dǎo)學(xué)生把前面學(xué)過的理論知識和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來,對照每一個(gè)參數(shù)分析其在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮哪些因素的影響,如何將這些影響反映到參數(shù)中,在加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識理解的同時(shí),讓學(xué)生了解理論和實(shí)踐之間的距離。

以子載波間隔為例,4G中的子載波間隔固定為15 kHz,而在5G標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種不同的子載波間隔,如表1所示,其中μ=0對應(yīng)4G標(biāo)準(zhǔn)。在此可以通過對比4G、5G的頻率范圍、典型信道模型、應(yīng)用場景來分析5G設(shè)置不同μ值的目的,體會技術(shù)如何適應(yīng)實(shí)際需求的變化。

表1 4G、5G標(biāo)準(zhǔn)中的子載波間隔

3) 思政元素的融合

課程思政元素的挖掘需要依據(jù)學(xué)科、專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求,圍繞立德樹人的根本任務(wù),從歷史演進(jìn)、技術(shù)發(fā)展和新時(shí)代需求等方面挖掘課程本身的思政元素[5],并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方案,從知識傳授、能力建設(shè)和人格養(yǎng)成3個(gè)方面,將隱性課程思政元素融入課程目標(biāo),做到如鹽入水,潤物無聲[6]。

針對OFDM授課內(nèi)容的特點(diǎn),在講授過程中可以從以下幾個(gè)方面融入思政元素。

(1)唯物辯證地看待問題。任何事物都是具有兩面性的。OFDM將高速數(shù)據(jù)流通過串并變換形成低速數(shù)據(jù)流,將頻率選擇性信道變?yōu)槠教剐诺?減少了符號間干擾(Inter Symbol Interference,ISI);通過使用正交子載波大大提升了頻帶利用率,這是OFDM技術(shù)的典型優(yōu)勢。但同時(shí),由于各子信道間彼此互不影響的前提是子載波正交,OFDM對載波頻偏非常敏感,如果系統(tǒng)無法嚴(yán)格同步,必然會引起子載波間干擾(Inter Carrier Interference,ICI),因此需要進(jìn)行載波頻差校正。另外多個(gè)子載波的時(shí)域信號疊加在一起會引起較高的峰平比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR),對射頻放大器要求較高,需要使用峰平比抑制技術(shù),避免信號畸變影響子載波間的正交性。要讓OFDM發(fā)揮其優(yōu)勢,必須要有相應(yīng)的保障措施。

(2)勇挑重?fù)?dān),敢于創(chuàng)新。一項(xiàng)技術(shù)的成熟與應(yīng)用,需要一代又一代科技工作者的共同努力。中國移動(dòng)通信從無到有,經(jīng)歷了“2G跟隨、3G突破、4G同步、5G引領(lǐng)”的發(fā)展過程,一路走來需要攻克一個(gè)一個(gè)的難題。6G的研究已拉開序幕,為了傳承好這一棒,需要我們大家的共同努力!OFDM技術(shù)是多種技術(shù)在多個(gè)角度融合的結(jié)果,同時(shí),還可以與其他技術(shù)組合在一起,進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能,例如OFDM-MIMO的組合,就是4G和5G時(shí)代的核心技術(shù),將信息傳輸從時(shí)、頻二維空間擴(kuò)展到時(shí)、頻、空三維空間,大大提升了系統(tǒng)容量。未來技術(shù)的發(fā)展趨勢是多技術(shù)融合,我們要勇于探索,通過不同技術(shù)間的優(yōu)勢互補(bǔ),創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。當(dāng)然,要想在國際博弈中建立我國的競爭優(yōu)勢,僅僅依靠模仿創(chuàng)新和集成創(chuàng)新是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要科技工作者們敢于走入創(chuàng)新的“無人區(qū)”,有敢為人先的膽量和啃硬骨頭的精神。

(3)努力付出,均衡發(fā)展。OFDM可以有效解決頻率選擇性衰落和ISI,付出的代價(jià)是需要進(jìn)行頻率校正和峰平比抑制,為進(jìn)一步有效降低ISI的影響,還需要在每個(gè)OFDM符號前面增加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)。CP中不包含有效信息,加入CP必然會影響信息傳輸?shù)挠行?但卻可以有效對抗ISI和ICI造成的信號失真,這就是工程上的折中和平衡。實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要兼顧各方面的性能,對于學(xué)生來說,同樣也要兼顧知識、能力和人格養(yǎng)成等多個(gè)方面,有效分配時(shí)間和精力,全面均衡發(fā)展。

3 結(jié)語

(1)介紹了“移動(dòng)通信”課程的特點(diǎn),秉承新工科教學(xué)理念制定了課程的教學(xué)目標(biāo)。

(2)以多載波傳輸、子載波正交、IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)OFDM的核心技術(shù)為主線,采用引導(dǎo)式教學(xué),圍繞著發(fā)展中帶來的問題和需求、解決問題的思路和工程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識部分的教案。

(3)從OFDM技術(shù)的前世今生、OFDM系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)與應(yīng)用場景的關(guān)系、子載波正交帶來的好處和問題、不同性能間的矛盾和平衡等方面進(jìn)行拓展,將人文性、工程性和思政元素與基礎(chǔ)知識有機(jī)融合在一起。