“移動通信原理”課程教學(xué)改革探索

陳穎玚

摘要針對“移動通信原理”現(xiàn)有課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合當(dāng)前移動通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢，本文提出教學(xué)改革探索方案。在教學(xué)內(nèi)容安排上，對移動通信的理論體系、重要知識進行了梳理和調(diào)整，合理分配課時；選取4G和5G移動通信系統(tǒng)為代表，講解核心特征和關(guān)鍵技術(shù)。在仿真實踐方面，設(shè)計貼近移動通信基礎(chǔ)原理和前沿技術(shù)的仿真實驗，鞏固課程知識，加深對關(guān)鍵技術(shù)的理解。

關(guān)鍵詞 移動通信 4G 5G 教學(xué)探索

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.21.046

Exploration on the Teaching Reform of "Mobile Communication Principle"

CHEN Yingyang

（College of Information Science and Technology， Jinan University， Guangzhou， Guangdong 510632）

AbstractIn view of the existing problems in the teaching of "mobile communication principle"， combined with the current development trend of mobile communication system，this paper puts forward the exploration scheme of teaching reform. In the arrangement of teaching content， it combs and adjusts the theoretical system and important knowledge of mobile communication， and reasonably allocates class hours； 4Gand 5Gmobile communicationsystems are selected as representatives to explain the core features and key technologies. In the aspect of simulation practice， simulation experiments close to the basic principles and cutting-edge technologies of mobile communication are designed to consolidate the course knowledge and deepen the understanding of key technologies.

Keywordsmobile communication； 4G； 5G； teaching exploration

0概述

近年來，隨著多媒體數(shù)據(jù)通信需求的不斷增長，移動通信系統(tǒng)快速迭代，新技術(shù)新理論層出不窮。“移動通信原理”作為電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課，對本科生建立通信基礎(chǔ)知識體系、理解移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵特性、加強工程實踐能力具有重要作用。學(xué)好這門課程需要一系列數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課的知識積累，同時也要求教師對行業(yè)發(fā)展有較好的把握和前瞻。因此，這門課程的教學(xué)一直以來都是通信專業(yè)課程中的重點和難點。[1][2]

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前移動通信系統(tǒng)已全面進入4G和5G的時代。作為與4G和5G聯(lián)系最為緊密的課程之一，“移動通信原理”的教學(xué)應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，反應(yīng)未來發(fā)展趨勢。然而，目前本課程的教學(xué)存在一些問題，主要是教學(xué)內(nèi)容老舊、仿真實例欠缺、課時分配不合理等，[3][4]需要對本課程的教學(xué)內(nèi)容進行了重新整合和設(shè)計。

為此，我們針對上述問題對本課程的教學(xué)改革進行探索。首先，在教學(xué)內(nèi)容安排上，一方面我們對移動通信的重要知識進行了梳理，注重知識體系的構(gòu)建；另一方面我們以 4G和5G移動通信系統(tǒng)為主要案例，講解核心特征和關(guān)鍵技術(shù)，強調(diào)理論知識在實際系統(tǒng)中的體現(xiàn)。在仿真案例設(shè)計方面，本課程設(shè)計了一系列移動通信MATLAB仿真實例，學(xué)生通過貼近前沿的仿真實驗，鞏固理論基礎(chǔ)知識的同時，加深對關(guān)鍵使能技術(shù)的理解。

1現(xiàn)有教學(xué)存在的問題和改進思路

“移動通信原理”是高校通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，為本科高年級學(xué)生講授現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)及移動通信組網(wǎng)等基本技術(shù)。以往的課程較為詳細(xì)地講述2G/3G移動通信系統(tǒng)。然而，這些知識相對比較老舊，花費較多課時講授目前已不再是主流的通信系統(tǒng)，而對當(dāng)下實用的和前沿的技術(shù)著墨較少，使得整個課程內(nèi)容不夠全面實用，無法及時跟進當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，使學(xué)生的知識面和視野受到局限。

另外，現(xiàn)有課程的教學(xué)形式比較單一，以老師上課講解為主，對于一些新一代移動通信系統(tǒng)發(fā)展的使能技術(shù)缺少結(jié)合實踐的練習(xí)，學(xué)生難以通過自主實踐加深對關(guān)鍵技術(shù)核心本質(zhì)的理解。原有課本上主要采用MALTAB對基本的通信調(diào)制方案進行仿真，滯后于行業(yè)技術(shù)發(fā)展，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，需要進行更新。

同時，“移動通信原理”課程屬于專業(yè)選修課，分配了32個課時，2學(xué)分。近三十年來移動通信行業(yè)獲得了空前發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮，移動通信系統(tǒng)更新迭代迅速。因此，課程需要對移動通信的一系列基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)應(yīng)用等做介紹，課程內(nèi)容繁多，與課程分配的課時數(shù)不匹配，需要對教學(xué)內(nèi)容的課時分配做出調(diào)整。[5]

作為一門重要的專業(yè)核心課程，本課程的講授內(nèi)容一是要能清楚地闡述移動通信的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)；二是要求及時反應(yīng)當(dāng)下主流和前沿，與通信技術(shù)快速迭代相適應(yīng)；三是要緊密聯(lián)系實際工程應(yīng)用，剖析關(guān)鍵問題所在。針對上文提及的問題和需求，我們對本課程的教學(xué)內(nèi)容進行了重新整合和設(shè)計，以“搭建知識體系”和“刻畫關(guān)鍵特性”為兩大內(nèi)容模塊。一方面，我們對移動通信的理論體系、重要知識進行了梳理和調(diào)整，對實用性已經(jīng)明顯降低的內(nèi)容適當(dāng)縮減和弱化，注重移動通信基礎(chǔ)知識體系的構(gòu)建。另一方面，我們以4G和5G移動通信系統(tǒng)為主要案例，講解其核心特征和關(guān)鍵技術(shù)，呼應(yīng)移動通信基礎(chǔ)理論部分的內(nèi)容，遵循從理論到工程的發(fā)展思路。為加深學(xué)生對移動通信系統(tǒng)核心使能技術(shù)的理解，本課程特別設(shè)計了一系列移動通信MATLAB仿真實例。學(xué)生通過貼近4G和5G前沿技術(shù)的仿真實驗，既能鞏固課程講授的移動通信理論基礎(chǔ)知識，還可以加深對關(guān)鍵技術(shù)的理解，培養(yǎng)研究興趣。

2移動通信基礎(chǔ)知識體系構(gòu)建

為使課程內(nèi)容緊跟移動通信發(fā)展前沿，我們對本課程的知識體系、重要理論進行了梳理和調(diào)整，著重用于移動通信基礎(chǔ)知識體系的構(gòu)建，主要按以下幾個部分展開講解。

2.1無線信道帶來的挑戰(zhàn)

克服無線信道的影響是移動通信最關(guān)鍵的問題之一。為此，大量的先進技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中得以使用。這部分首先介紹由于距離而引起的路徑損耗和由于地形的遮擋而引起的陰影衰落，統(tǒng)稱為大尺度衰落。然后通過介紹無線信道存在多徑效應(yīng)，引入小尺度衰落。在這里，需要帶領(lǐng)學(xué)生厘清兩種關(guān)系：信道的時間選擇性是由多普勒頻移引起的，頻率選擇性是由時延擴展引起的。這是移動通信非?；镜母拍睿ㄐ湃顺^一半的努力是在與這兩個選擇性作斗爭。無線信道部分的講解重在讓學(xué)生理解移動通信面臨的核心挑戰(zhàn)。

2.2抗衰落的技術(shù)思路

對抗無線信道的衰落特性是移動通信必須認(rèn)真解決的問題。我們重點講解均衡和分集兩類技術(shù)。多徑信道引起的時延擴展帶來了符號間干擾，給通信帶來不好的影響，消除符號間干擾的技術(shù)叫作均衡，其核心思想是“抹去”信道的影響。相比之下，分集技術(shù)是令信號經(jīng)歷多次衰落，“分擔(dān)”信號受到深衰落的風(fēng)險；分集技術(shù)可以利用一切具有獨立衰落的信道資源，例如時間、頻率、空間、極化方向等，將不同衰落的信號聯(lián)合進行解調(diào)，可以獲得較平穩(wěn)的增益。這部分重點在于帶領(lǐng)學(xué)生理解抗衰落技術(shù)的兩大解決思路。

2.3多天線技術(shù)

多天線技術(shù)是4G和5G移動通信系統(tǒng)的重要使能技術(shù)?？梢詮钠娈愔捣纸馇腥虢庾x多天線技術(shù)，等效為若干個互不干擾的并行信道，能為學(xué)生提供較為直觀的視角，去理解多天線技術(shù)因為提供多個自由度從而可以獲得分集增益和復(fù)用增益。進一步，我們以BLAST系統(tǒng)和Alamouti編碼為代表分別闡述多天線的復(fù)用方案和分集方案。尤其是Alamouti編碼樸實的構(gòu)造，強調(diào)創(chuàng)新價值所在，由此引發(fā)的空時編碼研究領(lǐng)域?qū)σ苿油ㄐ女a(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

2.4多址技術(shù)

多址技術(shù)在移動通信當(dāng)中占據(jù)著重要的地位。原有課程的講授在FDMA、TDMA和CDMA著墨較多，分別對應(yīng)第一代到第三代移動通信系統(tǒng)，無法跟上更新迭代的腳步。該部分我們增加并著重講解OFDM和OFDMA的技術(shù)原理，對應(yīng)4G和5G移動通信系統(tǒng)的多址方案。講解的過程應(yīng)強調(diào)OFDM的框圖流程和兩大核心操作——逆傅里葉變換和加入循環(huán)前綴，解釋其能夠克服多徑效應(yīng)和多用戶間干擾的根本原因。

3 4G關(guān)鍵特性講解和5G前沿技術(shù)展望

在講授完移動通信基礎(chǔ)理論后，我們講解具體的移動通信系統(tǒng)。4G移動通信系統(tǒng)（LTE）作為當(dāng)前成功商用的成熟方案，是緊跟發(fā)展趨勢的課程內(nèi)容。我們將按照LTE總體技術(shù)發(fā)展、LTE無線關(guān)鍵技術(shù)、LTE進一步演進的思路進行講授。首先概述LTE的出現(xiàn)背景，讓學(xué)生們理解新一代移動通信系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅僅是來自技術(shù)發(fā)展的推動，還是多方力量角逐的結(jié)果。為了突出重點、抓住創(chuàng)新本質(zhì)，我們重點講解LTE三大核心創(chuàng)新，即扁平網(wǎng)絡(luò)、正交頻分多址系統(tǒng)、多天線技術(shù)，從原理上向?qū)W生講透為何這些創(chuàng)新能滿足LTE設(shè)計的主要指標(biāo)。在講解具體的移動通信系統(tǒng)時，應(yīng)注意呼應(yīng)移動通信基礎(chǔ)理論部分的內(nèi)容，遵循從理論到工程的發(fā)展思路。

為使課程內(nèi)容緊跟移動通信發(fā)展前沿，我們引入了5G標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)，按照5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn)、5G基本特征、5G關(guān)鍵傳輸技術(shù)展開講解。剖析發(fā)展5G面臨的核心問題仍然是容量需求和頻譜短缺的矛盾。為了解決這一核心矛盾，5G是從開發(fā)新頻譜、增強無線傳輸和接入、變革無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三個方向去提供解決思路。此處，我們選取一些5G的重要使能技術(shù)，比如毫米波通信、大規(guī)模MIMO、認(rèn)知無線電、超密集組網(wǎng)等，闡述技術(shù)核心原理和創(chuàng)新本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生理解這些技術(shù)為什么能為解決5G發(fā)展需求提供思路。

4課程仿真案例設(shè)計

為加強學(xué)生對移動通信基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的理解，提升工程實踐能力，本課程精心設(shè)計五個MATLAB仿真實例，包括無線信道小尺度衰落模型仿真、ZF和MMSE均衡器、V-BLAST系統(tǒng)、Alamouti編碼、OFDM收發(fā)機。此處詳細(xì)介紹Alamouti編碼這一仿真案例，該練習(xí)旨在幫助學(xué)生理解多天線技術(shù)提供分集增益的好處，以及利用多天線獲取分集增益的條件。

【題目設(shè)計】考慮SISO、兩接收天線SIMO，兩發(fā)射天線加Alamouti編碼的MISO、兩發(fā)射天線不加Alamouti編碼MISO和兩發(fā)兩收MIMO五個系統(tǒng)，在MATLAB中仿真對比在BPSK調(diào)制、各天線間互不相關(guān)的瑞利信道和高斯噪聲下的BER性能。

（提示：利用MATLAB自帶函數(shù)randint產(chǎn)生隨機序列進行BPSK調(diào)制，利用randn分別產(chǎn)生信道和噪聲的分量矩陣，分別與BPSK調(diào)制信號相乘和相加后，根據(jù)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的解調(diào)處理。）

【參考答案】仿真結(jié)果如圖1所示。由圖可見，不加STBC（Alamouti編碼）的MISO相對于SISO只有增加一根天線帶來的3dB信噪比增益，但無分集增益，采用STBC的MISO與SIMO都分別獲得了發(fā)射和接收分集增益，采用STBC的MIMO同時獲得了發(fā)射和接收分集增益。所以，移動通信系統(tǒng)利用多天線獲得分集增益需要滿足以下三個條件：信道提供分集增益，發(fā)射端合理設(shè)計利用分集增益，接收端收集分集增益，三者缺一不可。

5結(jié)束語

移動通信技術(shù)日新月異的發(fā)展已深刻影響著現(xiàn)代社會的方方面面，“移動通信原理”課程的教學(xué)也需要結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的新趨勢，及時做出調(diào)整。本文結(jié)合“移動通信原理”的課程特點，在教學(xué)內(nèi)容安排和仿真案例設(shè)計兩大方面提出教學(xué)改革探索。這些探索旨在向?qū)W生刻畫移動通信的理論基石和上層建筑，幫助學(xué)生構(gòu)建移動通信知識體系，引導(dǎo)他們在研究生或未來工作階段按圖索驥、去到感興趣的細(xì)分方向深耕發(fā)展，成為適應(yīng)技術(shù)進步的科技人才。

基金項目：2021年國家自然科學(xué)基金項目“車載網(wǎng)絡(luò)中基于非正交多址接入的通信-緩存-計算協(xié)同優(yōu)化與安全共享”（編號：62001191）；2020年暨南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費青年基金項目（編號：21620351）

參考文獻

[1]王晶.“新工科”背景下“移動通信”課程教學(xué)探索[J].工業(yè)和信息化教育，2019（8）：35-37.

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

[3]劉思聰，肖亮.面向5G的“無線通信原理”教學(xué)改革探索[J].高教學(xué)刊，2020（35）：132-135.

[4]朱娟.基于“移動通信”課程的“金課”建設(shè)探索研究[J].工業(yè)和信息化教育，2021（01）：62-66，71.

[5]羅軼，佘青青，程俊，等.“新工科”背景下“移動通信”雙語課程教學(xué)改革研究[J].湘南學(xué)院學(xué)報，2021，42（02）：95-98.