面向5G的“無線通信原理”教學(xué)改革探索

劉思聰 肖亮

摘? 要：文章結(jié)合“無線通信原理”課程特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有該課程教學(xué)存在的知識(shí)點(diǎn)老舊、新技術(shù)實(shí)例不足等問題，面向新一代5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探索。一方面更新了無線通信知識(shí)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(xué)案例;另一方面改進(jìn)了教學(xué)方法，將新興5G無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)為MATLAB仿真實(shí)例。該教改嘗試可以在提升學(xué)生興趣的同時(shí)，達(dá)到拓寬前沿技術(shù)視野和提升實(shí)踐應(yīng)用能力的良好教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無線通信;5G移動(dòng)通信;教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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to follow up with the trend of 5G mobile communications， and address the problems of the existing teaching such as out-of-date knowledge and insufficient instances of new techniques.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(xué)與技術(shù)、通信工程等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，對(duì)本科生建立通信基礎(chǔ)理論體系，鞏固通信基本概念，加強(qiáng)工程實(shí)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(shì)，拓寬技術(shù)視野等方面，具有重要作用。該課程在諸多國(guó)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(duì)學(xué)生而言，學(xué)好這門課程不僅需要牢固的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，還需要積累堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，如信號(hào)與系統(tǒng)、通信原理、模擬電子線路、數(shù)字電路等課程知識(shí)。此外，還要求學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論和基本知識(shí)與實(shí)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(duì)無線新技術(shù)前沿發(fā)展和趨勢(shì)有很好的把握[7-11]。因此，這門課程的教學(xué)一直以來是通信專業(yè)課程中被關(guān)注的重點(diǎn)和需要解決的難點(diǎn)。

隨著通信技術(shù)突發(fā)猛進(jìn)、日新月異的進(jìn)展，目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入5G時(shí)代。5G標(biāo)準(zhǔn)和5G移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)在中國(guó)、韓國(guó)、日本、美國(guó)、歐盟等多個(gè)國(guó)家正式落地商用。伴隨著技術(shù)的進(jìn)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(xué)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更新和改革，從而緊跟技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)。然而，現(xiàn)有課程教學(xué)中存在諸多問題。一方面，講授的知識(shí)點(diǎn)偏老舊，花費(fèi)較多課時(shí)講授目前已經(jīng)不再使用、未來也不大可能再使用過時(shí)技術(shù)，而5G最新的前沿技術(shù)和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)沒有覆蓋，使學(xué)生知識(shí)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(shí)例等欠缺，導(dǎo)致學(xué)生面對(duì)繁瑣的理論推導(dǎo)逐漸失去學(xué)習(xí)興趣，不能深入理解理論在實(shí)際系統(tǒng)中的意義，還缺少技術(shù)實(shí)踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

為此，我們針對(duì)上述問題開展了課程教學(xué)的改革探索。采取的措施主要包括以下幾點(diǎn)：其一，面向5G前沿和熱點(diǎn)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有知識(shí)體系、重要知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容及其講授方法進(jìn)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(jì)易于上手又有一定挑戰(zhàn)性的MATLAB仿真實(shí)例，使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用能力，同時(shí)拓展前沿技術(shù)視野;其三，改進(jìn)課程考核方式，側(cè)重過程考查，通過平時(shí)大作業(yè)、文獻(xiàn)調(diào)研、小組討論、課題探究、互動(dòng)互評(píng)等方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與度，并初步打下科研訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)有教學(xué)方法存在的問題

“無線通信原理”是一門具有很長(zhǎng)歷史的專業(yè)課程。這門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)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(jìn)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(huì)誕生新一代無線通信技術(shù)，這就要求該課程的教學(xué)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(jìn)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(jìn)行授課，勢(shì)必導(dǎo)致學(xué)生無法掌握前沿技術(shù)和實(shí)用素養(yǎng)，在學(xué)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(dòng)通信的GSM系統(tǒng)和3G移動(dòng)通信的代表性技術(shù)CDMA為重點(diǎn)，甚至主要講解第一代移動(dòng)通信的模擬通信制式，花大量課時(shí)講授已經(jīng)基本沒有實(shí)際部署的老舊內(nèi)容。事實(shí)上，GSM網(wǎng)絡(luò)雖然在歷史上有重要作用，在上世紀(jì)九十年代到本世紀(jì)初占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是目前在我國(guó)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(dá)國(guó)家也已經(jīng)基本淘汰，因此花較多學(xué)時(shí)講授這些技術(shù)，無疑是事倍功半的。同時(shí)，由于課時(shí)有限，花過多時(shí)間在講授老舊知識(shí)上，也容易導(dǎo)致原本可能用于講授新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)和新應(yīng)用的學(xué)時(shí)被擠占，甚至使教師失去更新教學(xué)內(nèi)容的動(dòng)力，這對(duì)學(xué)生接觸前沿知識(shí)是不利的。

“無線通信原理”課程的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是，課程內(nèi)容與實(shí)際通信系統(tǒng)、通信標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)用案例緊密結(jié)合在一起，課程理論內(nèi)容應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)實(shí)際通信系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，而實(shí)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(bǔ)充。但是，由于教學(xué)方法沒有得到及時(shí)改進(jìn)，現(xiàn)有教學(xué)中將實(shí)際通信系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)實(shí)用案例引入課程中的做法還偏少，理論和實(shí)踐脫節(jié)、基礎(chǔ)和應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象依然存在;同時(shí)，由于教學(xué)內(nèi)容沒有得到及時(shí)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(dǎo)致課程教學(xué)的前沿應(yīng)用特點(diǎn)和工程實(shí)踐特點(diǎn)有所缺失，那么學(xué)生也就無法從這門課程的學(xué)習(xí)中開拓前沿科技視野，無法培養(yǎng)足夠扎實(shí)的通信工程師素養(yǎng)。

三、面向5G的知識(shí)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(duì)本課程的知識(shí)體系、重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理和革新，引入了5G標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)中的新理論、新概念和新技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)老舊的知識(shí)點(diǎn)或者實(shí)用性已經(jīng)明顯降低的內(nèi)容適當(dāng)縮減和弱化;同時(shí)，對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的講授方法進(jìn)行了改進(jìn)或調(diào)整。以下舉幾個(gè)比較典型的例子進(jìn)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(shí)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)反映5G新空口技術(shù)的發(fā)展。例如，重點(diǎn)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(fù)用（OFDM）技術(shù)的概念、原理、應(yīng)用，以及OFDM的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，在WiFi、3GPP、C-V2X車聯(lián)網(wǎng)等通信標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用等。通過介紹OFDM技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，讓學(xué)生能更深刻地體會(huì)到物理層空口傳輸核心技術(shù)的突破對(duì)無線通信更新?lián)Q代的重要性，不僅打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，還了解通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，為將來的科研和業(yè)界工作提供幫助。同時(shí)，對(duì)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(jìn)行了一定的縮減，有利于突出核心新技術(shù)的重點(diǎn)。

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(xué)界和業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)中增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）場(chǎng)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(yàn)碼（LDPC）和極化碼，在本課程中對(duì)其進(jìn)行概念和原理性介紹。同時(shí)，通過介紹我國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在推進(jìn)極化碼等專利和自主技術(shù)進(jìn)入5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)中國(guó)話語權(quán)的角度切入，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行生動(dòng)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(dòng)通信、無線局域網(wǎng)等系統(tǒng)。5G中演進(jìn)出的大規(guī)模多天線技術(shù)，進(jìn)一步提升了多天線空間分集和復(fù)用增益，并且產(chǎn)生了波束成型、混合預(yù)編碼、角度域稀疏信道估計(jì)、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(duì)MIMO和大規(guī)模MIMO進(jìn)行專門介紹，同時(shí)適當(dāng)縮減單天線和復(fù)雜時(shí)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(diǎn)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從目前實(shí)際系統(tǒng)中已經(jīng)比較少見的、效率較低的頻分多址、時(shí)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(qiáng)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(xué)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(duì)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?cè)诮榻B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(shí)，對(duì)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(jìn)行介紹，開拓學(xué)生的技術(shù)視野。

四、5G無線通信技術(shù)仿真案例設(shè)計(jì)

為加深學(xué)生對(duì)5G前沿?zé)o線通信技術(shù)的理解，提升通信工程實(shí)踐能力，在本課程中特別設(shè)計(jì)了一系列無線通信MATLAB仿真實(shí)例。學(xué)生通過貼近5G前沿技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)，既能鞏固課程中面向5G技術(shù)的革新教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力，還可以進(jìn)行初步的科研訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)習(xí)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(shí)點(diǎn)切入，精心設(shè)計(jì)若干個(gè)仿真實(shí)例，包括大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼、OFDM收發(fā)機(jī)、多天線信道估計(jì)、LDPC編解碼、非正交多址接入等MATLAB仿真實(shí)例。

下面以多用戶大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼系統(tǒng)為例，具體介紹本課程MATLAB仿真實(shí)例的設(shè)計(jì)。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(yù)編碼是提升多用戶復(fù)用性能、降低硬件復(fù)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(shí)例中，發(fā)射端將預(yù)編碼劃分為數(shù)字基帶與模擬射頻兩部分，構(gòu)成混合預(yù)編碼架構(gòu)，支持多用戶接收;接收端采用全數(shù)字接收機(jī)恢復(fù)多路發(fā)送數(shù)據(jù)流，并評(píng)估通信質(zhì)量。圖1顯示了每個(gè)獨(dú)立發(fā)送數(shù)據(jù)流映射到一個(gè)獨(dú)立射頻鏈路，而每個(gè)發(fā)射天線均通過移相器與每個(gè)射頻鏈路相連。

本實(shí)例中的具體仿真參數(shù)設(shè)置為：接收用戶數(shù)為4;各個(gè)用戶接收的獨(dú)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)混合預(yù)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(dǎo)參考信號(hào)，接收端進(jìn)行下行信道估計(jì)后，將信道狀態(tài)信息反饋至發(fā)送端，發(fā)送端即可進(jìn)行混合預(yù)編碼設(shè)計(jì)，決定模擬射頻和數(shù)字基帶預(yù)編碼矩陣，從而實(shí)現(xiàn)多用戶、多數(shù)據(jù)流的空分復(fù)用。混合預(yù)編碼后的發(fā)射信號(hào)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(gè)空間上分立的強(qiáng)主瓣，承載不同用戶獨(dú)立數(shù)據(jù)流，反映了混合預(yù)編碼的空分復(fù)用效果。

該仿真實(shí)例中發(fā)送的4個(gè)用戶、共8路獨(dú)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(hào)星座圖如圖3所示，可以看出多用戶接收效果良好。

五、改進(jìn)教學(xué)方法及教學(xué)效果

為了更好地配合上述課程內(nèi)容和教學(xué)案例的更新和改革，提升“三全育人“的教學(xué)效果，我們相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化了課程教學(xué)方法和課程考核方式。側(cè)重過程考查，強(qiáng)化平時(shí)大作業(yè)考察，引入文獻(xiàn)調(diào)研、proposal技術(shù)提案、仿真實(shí)驗(yàn)、小組討論、課堂展示、互動(dòng)互評(píng)等新型教學(xué)環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)這些教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生積極開動(dòng)腦筋，變被動(dòng)學(xué)習(xí)交差為主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，提高興趣的同時(shí)，還能加深對(duì)理論的理解，加深學(xué)習(xí)的印象。提高大作業(yè)的分?jǐn)?shù)占比和平時(shí)成績(jī)占比，提倡側(cè)重貫穿學(xué)期內(nèi)的全程過程考核，可以杜絕“臨時(shí)抱佛腳”的突擊復(fù)習(xí)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(xué)年的教學(xué)改革實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。上一學(xué)年度本課程的教學(xué)測(cè)評(píng)達(dá)到4.98/5，進(jìn)入學(xué)院前3%，得到學(xué)生的廣泛好評(píng)。在本課程中的實(shí)例仿真和調(diào)研提案等教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生積累了初步科研經(jīng)驗(yàn)，為本科生進(jìn)入研究生階段進(jìn)一步展開通信專業(yè)的科研工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。修讀本課程的學(xué)生，擴(kuò)展了前沿技術(shù)視野，培養(yǎng)了實(shí)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(jìn)步，這也對(duì)高校電子信息專業(yè)課程的教學(xué)提出了更高的要求。本文介紹的“無線通信原理”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐，其初衷便來自于此。實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)新技術(shù)的興趣和對(duì)新知識(shí)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(shí)際案例引入本課程的內(nèi)容，是對(duì)技術(shù)進(jìn)步必然要求，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也取得了良好的教學(xué)效果。當(dāng)然，這也對(duì)任課教師的教學(xué)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(jìn)是未來的趨勢(shì)所在，而為我國(guó)培養(yǎng)出能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)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(fù)的重要時(shí)代使命。

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