融入5G標準制定的信道編碼教學

黃勤 王彪

（北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191）

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展及應用，人們對信息的接收、存儲、傳輸、處理和應用有了更高的要求，信道編碼能夠提高數據傳輸效率，降低誤碼率，增加通信的可靠性。學生要通過學習本課程掌握信道傳輸的基本知識、基本理論和基本方法，而本課程是一門理論性較強的課程，對學生的抽象思維能力、空間想象能力以及邏輯推理能力要求較高，通過本課程的長期教學，發(fā)現該課程在實際教學中存在以下幾個問題。

一是對學生的數學基礎要求較高，例如構建信道模型和設計糾錯編碼等需要具有扎實的代數和概率理論知識，而工科專業(yè)的學生更注重線性代數和概率統(tǒng)計的學習，與本課程所用知識的偏向不同。

二是本課程內容抽象，難于理解，定理推導和證明較多，學生對基本概念的理解能力較差，往往只關注數學計算過程，而忽略對物理含義的理解，缺乏靈活應變的思維能力。

因此，在講授基礎知識的過程中，加入5G編碼標準制定的故事，并引入翻轉課堂的教學方式，以此提高學生對本課程學習的積極性，并充分理解該課程的相關理論背后的工程動機，助力學生成長為服務國家重大戰(zhàn)略需求的優(yōu)秀人才。

1 標準歷程與工程概念

信道編碼教學過程中，容易出現理論學習與實際應用脫節(jié)，導致學生僅了解理論，缺乏實際工程運用能力。圍繞5G信道編碼標準之爭，讓學生了解標準確立歷程，建立實際工程應用中“成本”與“性能”的折中概念，是本課程教學的重點。

首先，要讓學生了解5G編碼之爭的背景及過程。信道編碼占基帶芯片約70%的資源，其標準方案是5G標準爭奪的焦點。中國華為主導的極化碼方案，與美國高通主導的LDPC碼方案展開了激烈競爭。LDPC碼于1962年被提出，長碼下能夠逼近香農極限，已被廣泛適用于通信領域。而極化碼于2007年被提出，在理論上被證明長碼能夠達到香農極限，然而其理論與應用尚不成熟。經過激烈的競爭，由于其易于高速實現，高通主導的LDPC碼被確定為數據信道的編碼；由于其短碼性能優(yōu)秀，華為主導的極化碼被確定為控制信道的編碼。

其次，通過講授信道編碼的概念及發(fā)展歷程，介紹5G對編碼的需求，并在此基礎上，強調專利在標準制定中重要性；同時重點對Turbo、LDPC和極化碼三種候選碼進行工程應用分析，如糾錯性能、實現復雜度、譯碼時延等。并在三種容量可達碼的對比中，穿插編碼背后的故事，啟發(fā)學生們加強對科研的認知及培養(yǎng)學生對科研的興趣。以LDPC碼為例，它提出之初不受重視，三十年后隨著其他技術的進步，其巨大價值才被發(fā)掘出來，啟發(fā)同學們對工程需求和約束的認識：即從理論研究出發(fā)，找到滿足工程需求的方法；而面對實際工程中的約束，需要反過來從理論上尋找突破口。只有認識到工程的需求和約束，才能深入研究理論，并優(yōu)化實際的工作。以極化碼的提出為例，它的想法來源于社會學中的“馬太效應”，啟發(fā)同學們學科交叉融合和打破壁壘的意識：學科交叉能夠打破傳統(tǒng)學科之間的壁壘，促進基礎研究與應用研究相互銜接，帶動科學研究整體水平實現躍升。

2 信道編碼與翻轉課堂

信道編碼是一門理論性較強的課程，課程內容比較抽象，學習之初往往比較吃力。傳統(tǒng)的課堂教學也講授理論知識為主，學生參與度低。因此，學生們會誤以為這就是一門理論課程，缺乏實際用途。

為了讓學生更好的實踐，本課程還引入翻轉課堂，將學習的決定權從教師轉移給學生。課上采用小組辯論的形式，每個小組分別代表參與競標通信企業(yè)的角色，模擬5G編碼的標準制定會議，以培養(yǎng)學生掌握運用理論和數據闡述道理能力。每個小組所代表的公司，通過閱讀大量3GPP的提案，確定公司所支持的技術方案，并向其他公司介紹本公司支持的技術方案，同時接受其他公司提問，并總結自己建議采納、不予采納和待定的事項。在課上對爭議項進行辯論，跨小組討論和協(xié)商，并統(tǒng)計自身的建議和被采納的建議。通過模擬標準投票過程，讓學生代入各公司以深入理解并建立工程中“成本”與“性能”的折中概念和工程設計思維。投票結果如下圖所示，基本與實際會議一致，其中D、E、H、Q、S、Z分別代表企業(yè)Docomo、愛立信、華為、高通、三星和中興；L、T、P分別代表LDPC碼、Turbo碼和極化碼。

圖1：課上各“公司”對標準方案的分析與投票

這種教學模式下，學生從被動學習向主動學習轉變，更有利于他們理解所學內容的物理意義。通過對結論的推導和證明深入的探索，學生們能夠理解知識背后的動機。同時，將學生對專業(yè)內涵的理解與教育啟示的深度，結合自身經驗個性化表達的程度等課堂表現情況納入課程成績評定，不僅可以使得對學生的評價更加客觀公正，也可以充分調動學生參與的積極性。

3 標準故事與思政教育

本課程教學過程中發(fā)現，講解社會關注熱點，如“5G信道編碼標準之爭”，更有利于引發(fā)學生共鳴，激發(fā)家國情懷、創(chuàng)新勇氣和擔當精神。

首先，要讓學生了解標準的背后，是知識產權的捆綁。5G時代高通能夠繼續(xù)使用其“專利+芯片”的模式來賺取高額利潤。使用高通核心專利的5G手機，需繳納專利費：單模手機的售價2.275%；多模手機的售價3.25%。使用高通標準核心專利和非核心專利的5G手機，需繳納專利費：單模手機的售價4%；多模手機的售價5%。5G之前，雖然我國知識產權發(fā)展迅速，但是還受限于“專利壁壘”；5G時代，中國后發(fā)制人，相關專利數量取得了領先。然而在專利數量的勝利背后，我國通信行業(yè)還存在隱憂，歐美企業(yè)在核心專利上依然占據優(yōu)勢。

其次，通過講述華為為什么選擇極化碼作為主攻方向，理解華為精準的戰(zhàn)略預見眼光及換道超車的決心。從兩次標準會議投票情況分析，從數據信道編碼方案以極化碼以微弱劣勢抱憾出局，到控制信道獲得成功，能夠看到中國企業(yè)群體團結的力量，充分體現國家力量。在課堂上，通過向學生介紹成功背后的隱憂，如核心專利不占優(yōu)勢、編碼理論原始貢獻缺失等現實問題，激發(fā)學生的憂患意識和擔當精神。

本課程最終要讓學生通過5G信道編碼標準之爭，了解知識產權的欠缺導致陷入高收入卻低利潤的困境，明白技術之爭背后的話語權的角逐。這一場標準之爭，早已超越了技術的邊界，而是兩國綜合實力和話語權的較量。5G的編碼之爭揭開了我國通信企業(yè)的新篇章，但須得時刻牢記只有從源頭上進行創(chuàng)新才能不受制于人，鼓勵學生投身于國家亟須的科學研究之中以報效祖國。

4 結語

本文通過5G標準編碼確立的過程，讓學生建立工程中成本及性能的折中概念，培養(yǎng)工程設計思維；引入“信道編碼之翻轉課堂”，通過課上小組辯論方式，讓學生掌握運用理論和數據講解問題的能力；通過講授5G標準的故事，助力思政教育，激發(fā)同學們科研創(chuàng)新報國的熱情。