基于應用型人才培養的“物聯網通信技術”課程教學改革

趙翠芹+黃星壽+吳啟明

摘 要：針對“物聯網通信技術”課程的特性，深入解析“物聯網通信技術”知識框架，以點帶面尋找規律，做到觸類旁通，采用問答式對話交流，并結合網絡資源對課程進行改革，提高實踐能力的探索，為培養出與時俱進的物聯網專業人才而不懈努力。

關鍵詞：通信原理；物聯網工程；移動通信；教學改革

中圖分類號：TP39；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

近年來，物聯網異軍突起，致使通信技術的關鍵作用愈發凸顯，“千里眼順風耳”不再是神話傳說。伴隨著日新月異的無線通信技術的發展和鋪天蓋地的移動智能終端的普及，現階段呈現出一幅百花齊放，爭鮮斗艷的景象。

諾基亞在2G時代是手機行業霸主，但在2012年被三星超越，2013年，微軟斥資72億美元收購諾基亞手機業務，但在2015年，微軟宣布放棄諾基亞品牌，至2016年年底，諾基亞帶著五款概念機卷土重來[1]。在3G時代，高通公司憑借“CDMA技術”橫掃天下，所有使用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000等3G技術的公司都要向高通繳納專利費。在這個云譎波詭的競技場中，在高通和中歐間有意栽花無心插柳的對決中，高通UMB 4G標準失敗，中歐LTE成為4G的唯一標準。2016年11月，在5G短碼方案討論中，華為極化碼從美國的LDPC和法國的Turbo2.0中脫穎而出[2]，一舉拿下這來之不易的標準。2016年國內知名公司華為、OPPO、vivo及小米進入全球手機廠商前五，總份額為53%，蘋果iPhone位居第五，三星則已被擠出前五名。2017年1月，華為和聯通工程完成峰值速率為697 Mb/s的FDD Massive MIMO驗證[3]，華為手機已經在國內外全面開花。通信技術早已成為企業間、國家間競爭的核心實力。

1 物聯網通信技術課程教學中存在的問題

1.1 物聯網通信技術課程的特點

物聯網分為感知識別層、網絡傳輸層和綜合應用層。感知識別層技術發展不溫不火；綜合應用層主要體現出人類智慧，即大數據和云計算技術，這些技術有阿里云、亞馬遜、Google等互聯網公司做支撐。物聯網的重點在于網絡傳輸層的通信技術，因此網絡通信技術也是物聯網核心技術之一。

在萬物互聯過程中，起著溝通橋梁的“通信技術”課程是以學生熟練掌握信息論基礎、調制解調技術、信源信道編解碼技術和同步等知識為目的，選用合適的通信技術和網絡技術，構建交互式深度覆蓋的物聯網，以支撐物聯網在移動支付、智能醫療、智能家居和車聯網等領域的應用。“物聯網通信技術”與以往的“通信原理”課程相比，在廣度和深度方面都有所延伸，除了基本的通信原理外，還增添了無線通信、近距離無線通信技術（如藍牙、ZigBee、紅外、超聲波、WiFi等技術）、移動通信網絡、自組織通信網絡、電信網絡、異構網絡協同通信等知識。急需對“物聯網通信技術”課程進行教學改革，以提高課程教學質量。

1.2 物聯網通信技術課程教學中存在的問題

綿延不斷的通信技術如雨后春筍般蓬勃發展，呈現出“黃四娘家花滿溪”之勢。但對于學生而言，則苦不堪言。1G的FDMA還沒學明白，2G的TDMA、GSM等技術紛紛登場；2G尚未學清楚，3G的CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等技術紛至沓來；尚且還處于3G的云霧籠罩之中，4G的MIMO、OFDM等技術接踵而至，對學生來說“千朵萬朵壓枝低”。此外，還有短距離無線通信技術，如藍牙、WiFi、ZigBee等低端硬件設備的通信技術也需要掌握。通信類圖書通常專業性較強，任一技術寫出來就是卷帙浩繁的書籍，學生看著這些書籍不禁咋舌。翻開這些書籍，不會像小說那般帶來山高水闊云卷云舒的愜意。相反，盡是晦澀難懂的公式、稀奇古怪的調制解調框圖和枯燥乏味的應用層理論，這些都讓人望而卻步。想要融會貫通有一定難度，每一項技術對于一個地方院校的本科生而言就是一座大山，學生眼睛里充滿迷茫，時常會覺得身心疲憊，不知所往。尤其對于河池學院這樣二本院校的學生而言，學生自身素質不高，處于“看到公式頭痛，看到英文單詞頭暈”的狀態，即便教學過程中主動與學生進行溝通交流，但多數學生仍處在沒有話題的世界里，參與積極性不高，因此需要提升學生的能動作用。如何快速而有效地做到“輕舟已過萬重山”是一個值得思考的問題。為進一步豐富“物聯網通信技術”的內容和提高課程教學質量，急需對“物聯網通信技術”課程進行深入研究。

2 “物聯網通信技術”課程教學改革與思考

2.1 解析知識框架，優化教學內容

盡管通信技術錯綜復雜，概念繁多，應用范圍寬廣，但通信技術的本質始終如一。這一點從樊昌信教授的“通信原理”教材中便可略窺一二，從第一版到第七版已經改版了7次[4]。就理論而言，依然基于香農的信息論，各種底層的調制解調、編碼譯碼沒有本質區別。就實際網絡而言，從移動通信網絡到短距離無線通信網絡依然遵循著“信源——交換控制中心——信宿”這樣殊途同歸的體系架構，不同通信系統之間不謀而合。系統中所有的ASK、MPSK、MFSK、MQAM等調制技術與所有的FDAM、TDMA、FDMA、OFDM等多址技術、蜂窩技術、功率控制技術都源于頻譜有限。對于模擬通信系統，研究的是系統的信噪比和頻帶利用率，而對于數字通信系統，研究的則是系統的誤碼率和頻帶寬度。

我們沒必要去追求那些看似高大上，學起來苦澀難懂的高端技術，應從本源出發，從簡單的通信系統的架構和信道模型開始，然后學模擬通信系統和數字通信系統，但凡讀透了“通信原理”，又何懼2G、3G、4G、藍牙等技術。

2.2 利用網絡資源豐富“物聯網通信技術”課程內容

隨著”互聯網+”技術的發展，通信人家園、電子發燒友和EDN電子技術設計等網站提供了豐富的通信技術領域的新知識、新動態。這些網站是通信技術在網絡展示的聚集地，在數不勝數的帖子中，有通信技術科普知識，有各大公司面試經驗分享知識，還有各公司待遇、前景分析知識，隨貼答疑解難等。這些論壇網站見證了通信技術的蓬勃發展，見證了通信技術標準的爭奇斗艷，更見證了通信的商業模式的改變。在課堂中將這些網站引薦給學生，并對其進行分析，講解其中的奧妙，以此來獲取教學內容的最新知識、最新信息，充實自己的教學內容。endprint

在通信人家園網站中，不乏一些學貫中西、博古通今的人士，為了幫這些讀者答疑解惑，他們最先在論壇上發帖，之后隨著帖子網絡點擊量的增多，便整理成一部部深入淺出引人入勝的好書。比如《大話通信——通信基礎知識讀本》[5]，從通信的起源歷史到姍姍而來的3G技術，再到各種技術標準，種種復雜的概念在作者的筆下妙趣橫生，用別開生面的語言梳理相關知識框架的；如《大話無線通信》[6]、《大話移動通信》[7]和《3G技術問答》[8]以GSM、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE、LTE-Advanced和WiMAX技術為核心，采用知識問答的方式，讓讀者知其然也知其所以然；《實戰無線通信應知應會——新手入門，老手溫故》[9]將枯燥乏味的通信術語和鮮活的生活案例串聯起來，并用風趣幽默的語言娓娓道來，春風化雨般讓人們理解各種術語；此外，還有《大話TD-SCDMA》[10]、《大話物聯網》[11]等，這些經典書籍處處透出理性與思辨，啟發每位讀者，用別開生面的方式介紹了通信技術的常識，用風趣幽默的語言梳理相關知識框架，讀起來津津有味，令人茅塞頓開。這些書籍完全可引薦給學生，相信能靜下心來去研讀這些書籍的學生會對通信技術有新的認識，同時也豐富了學生的課外學習。

在通信人家園網站中，還有一位陳老師在百忙之中抽空寫了一篇“深入淺出通信原理”的帖子[12]。開貼于2010年4月，歷時6年之久，目前點擊率已破500萬。陳老師透過公式看本質，從多項式相乘開始引入卷積，接著揭開傅里葉級數展開的本質。卷積的概念從未如此明晰。陳老師在講到MIMO（多入多出）技術部分時，采用抽絲剝繭的方式，從最簡單的SISO（單入單出）講起，接著到MIMO矩陣的秩，得出矩陣的秩能夠反映MIMO系統可以并行傳送的路數。每每講授此門課程時，筆者都會把陳老師對通信技術的理解融入到自己教學中，并力薦學生課后認真研讀陳老師的帖子，相信看過的同學肯定會有較好成長，起到立竿見影、以湯沃雪的效果。

此外，微信也提供了豐富的資料。比如物聯網智庫，用最新最快的方式匯編物聯網新聞，每天都提供三分鐘的物聯網頭條。有AI人工智能的盤點、各大公司專利大戰的爭斗、穿越迷霧的5G技術、意想不到的智能硬件等，頗有“忽如一夜春風來，千樹萬樹梨花開”之勢。不僅提供概要的文字信息，還提供語音信息。入門者對這些技術可以有選擇性的學習，既可以淺嘗輒止，也可以深入研究。采用這種碎片化的閱讀方式，學生們會有可喜的收獲。

2.3 以點帶面尋找規律，做到觸類旁通

“通信技術”知識錯綜復雜，很多學生面對數學公式和原理框圖時往往一頭霧水，看不明白，漸漸失去了對學習的信心。但經過仔細研究，發現有規律可循。比如利用正弦函數和余弦函數的正交性實現IQ調制。IQ正交調制的發射原理框圖是相乘、然后相加，接收框圖是相乘、積分模式，如圖1所示。OFDM利用了{cos（ω0t），cos（2ω0t），…，cos（nω0t）}和{sin（ω0t），sin（2ω0t），…，sin（nω0t）}之間的正交性。IQ調制學懂之后，OFDM的問題也就迎刃而解。同理，PSK（相移鍵控）、QAM（正交振幅調制）方式都可以用IQ調制實現。在調制之前添加一個映射模塊，在解調之后添加一個逆映射即可。不同的調制方式只是映射關系不同，這種映射關系可用星座圖來表示。

BPSK比較簡單，發送的碼只有兩種，0或1。信號矢量的位置落在單位圓的實軸上，如圖2（a）所示；在QPSK中，單位圓被4個位置點平分為π/2，為保證信號的實偶對稱特性，進一步平分，所以第一象限點的方向角為π/4。星座圖上點的編碼按格雷碼的方式排列，相鄰碼組之間只能有一位不同，QPSK的狀態數有四種，可以用兩位格雷碼描述，即00、01、11、10，如圖2所示，相應的映射關系如圖2（b）所示。其他進制的PSK同理可得，如圖2（c）所示的8PSK。QAM調制從幅度和相位兩個維度來區分信號，各種MPSK的星座映射圖學懂了，MQAM也就變簡單了。

利用4階Walsh碼同時傳送多路數CDMA的原理與IQ調制的原理如出一轍，如圖3所示。把IQ正交調制解調過程學懂了，其他如OFDM、BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、8QAM、16QAM、CDMA、新型多址、新型多載波等很容易就做到觸類旁通，可以用最少的課時掌握盡可能多的數字調制知識。

2.4 問答式對話交流

學生的視角受限，有些問題未必想得深刻，在授課過程中，以理論講授為主，以問題作為牽引。可以讓學生思考如下問題，如在講授基帶傳輸系統時，占空比對帶寬有影響嗎？基帶信號頻譜沒有加絕對值能判斷頻譜是實函數嗎？若以高于Tb速率傳輸為什么會串擾？為什么長時間連0或連1不利于提取定時信息？在講授2FSK解調時，讓學生思考兩頻點相距較近時帶通濾波器可行嗎？效果好嗎？比如講授13折線PCM脈沖編碼調制時，7位PCM編碼（不包括極性）的線性碼是11位均勻量化碼，譯碼時應盡量減少誤差，用12位線性碼表示，多出來的第12位應放在最高位還是最低位？為什么？這樣放有什么好處？

把一個個看似簡單實則發人深思的問題拋給學生，把學習的主動權交給學生。使他們的學習不能建立在虛無縹緲的想象和晦澀的課本內容之上，必須建立抽象到現實的聯系，依靠教師的合理引導及教授，幫助學生理解教學內容。

2.5 實驗課程教學改革

“物聯網通信技術”不是一門孤立的課程，它是后續RFID、傳感器網絡等課程的基礎。而實驗課也要兼顧后續課程的平滑過渡。

如果是仿真實驗，Matlab語言因其公式化的描述、可視化的展示和方便的矩陣運算受到了通信人的青睞。比如在講解幅度調制AM的包絡時，調制信號為m（t）=1.2+sin（20000πt），載波信號c（t）=cos（20 000πt），已調信號為s（t）=m（t）c（t）。接著利用Matlab的plot函數畫出調制信號的包絡圖。圖形往往比文字更能吸引人的眼球。學生可以很容易的從可視化結果中理解包絡解調的原理。比如在計算（n，k）漢明碼時（n表示碼長，k表示信息位數，r=n-k表示監督位數），已知生成矩陣G，利用“Q=G（1∶k，k+1∶n）；P=Q；H=[P eye（r）]；”這三條語句很輕松就可求出監督矩陣H；反之亦然，已知監督矩陣H，利用“P=H（1∶r，k）；Q=P；G=[eye（k） Q]；”這三條語句求出生成矩陣G。借助仿真軟件，將學生從復雜公式計算中解脫出來，并且從可視化的結果顯示，中學生也能深刻感受到“物聯網通信技術”是一門云蒸霞蔚的課程，就會興致勃勃的投入到課程學習中，一步步成長。endprint

筆者所在學校購買的是HD-TX-IV型試驗箱，可供學生做幅度鍵控（ASK）調制解調實驗、模擬調制解調、CMI、HDB3/AMI脈沖編碼調制解調（PCM）及系統實驗、PCM編碼時分多路復用時序分析實驗、二相BPSK、DPSK調制解調實驗等通信原理基礎性實驗。除此之外，為了能對后續“傳感器網絡”課程起到鋪墊作用，可以讓學生嘗試利用 CC2530 的ZigBee協議實現無線通信功能，也可讓學生用CC2540模塊的藍牙協議實現無線通信，增加學生的學習興趣。

3 結 語

“物聯網通信技術”是一門實用有趣的技術。各種技術從噱頭走向務實，各種調制解調技術、編碼解碼技術、多天線技術、多載波技術、新型多址技術已遍地開花。通信技術學習之路布滿荊棘，在教學過程中利用好網絡資源、以點帶面尋找規律和問答交流等方式進行教學，相信學生的學習經過長期的“山重水復”之后，會呈現“柳暗花明”的結果。

參考文獻

[1]中國經濟網（北京）.諾基亞手機回歸能再現輝煌嗎？[EB/OL].http：//news.163.com/16/1207/06/C7LQ72LP000187V8.html

[2]科技頻道.5G領跑，華為向世界開啟中國通信時代！[EB/OL].http：//mini.eastday.com/a/161224205053695.html

[3] CCTIME飛象網.華為攜手中國聯通共同完成全球首個FDD Massive MIMO外場驗證[EB/OL].http：//www.cctime.com/html/2017-1-16/1262645.htm

[4]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2006.

[5]楊波，周亞寧.大話通信——通信基礎知識讀本[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6]丁奇.大話無線通信[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]丁奇，陽楨.大話移動通信[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[8]高鵬，趙培，陳慶濤.3G技術問答[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[9]酷哥爾.實戰無線通信應知應會——新手入門，老手溫故[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[10]左飛.大話TD-SCDMA[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[11]郎為民.大話物聯網[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[12]陳愛軍.深入淺出通信原理[EB/OL].http：//www.txrjy.com/thread-394879-1-1.htmlendprint