5G背景下通信原理課程改革探討

馬路娟 許鴻奎 孫雪梅 郝麗麗 宮淑蘭

[摘 要]5G時代對通信人才的培養提出了新的要求，通信原理作為通信類專業的核心基礎課程需要根據技術發展持續改進。文章首先介紹了與通信原理相關的5G支撐技術，然后分析了當前通信原理課程存在的問題，最后從教學方法和教學內容兩個方面對5G背景下通信原理課程改革進行了深入探討。

[關鍵詞]5G;通信原理;課程改革

[基金項目]2018年山東建筑大學教學改革研究項目“新工科建設背景下通信工程專業產教融合教學改革研究與實踐”（0101718）

[作者簡介]馬路娟（1985—），女，山東濟南人，博士，山東建筑大學信息與電氣工程學院講師，主要從事通信原理課程體系建設研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0183-03[收稿日期] 2020-05-28

一、引言

2019年10月31日，三大運營商公布5G商用套餐，并于11月1日正式上線5G商用套餐，標志著中國正式進入5G商用時代。隨著5G的商用，5G人才需求增長勢頭十分迅猛。從信通院公布的數據可以看出，到2030年，5G直接間接共產生就業機會1950萬個[1]。5G對人才的質量和要求也很高，導致大多數企業對于5G人才都是“高薪難求”。山東建筑大學作為地方院校，以培養應用型人才為特色，需要根據技術發展不斷調整課程內容，以適應5G時代對人才的要求。

2016年，我國成為《華盛頓協議》第18個正式成員，該協議是工程教育本科專業認證的國際互認協議[2]。工程教育認證教育理念主要有三方面：一是以學生為中心;二是以學生的學習產出為導向;三是堅持持續改進[3]。2019年10月24日，教育部發布了關于一流本科課程建設的實施意見。意見特別指出：樹立課程建設新理念，推進課程改革創新，實施科學課程評價，改革教學方法[4]。通信原理作為通信類專業的核心課程之一，需要根據技術發展持續改進，推進課程改革。

然而，當前通信原理課程存在教學內容更新慢、課程銜接較差、學生學習興趣不高等問題，需要從教學內容和教學方法兩個方面進行課程改革。

二、與通信原理相關的5G支撐技術

ITU定義了5G的8項關鍵技術指標：流量密度、連接密度、時延、移動性、峰值速率等。根據ITU的要求，5G的流量密度要達到10Tbps/km2，連接密度要達到1M/km2，時延達到1ms，移動性達到500km/h，用戶體驗速率達到100Mbps，峰值速率達到10Gbps。為了滿足以上要求，5G的空口技術進行了重新設計。

下面對與《通信原理》相關性較大的無線技術進行介紹。

（一）雙工技術

所謂雙工技術是指終端與網絡間上下行鏈路協同工作的模式，在現網2G、3G和4G網絡中主要采用兩種雙工方式，即頻分FDD和時分雙工TDD，且每個網絡只能用一種雙工模式。5G網絡對雙工方式的總體要求是：

（1）支持對稱頻譜和非對稱頻譜;

（2）支持uplink、downlink、sidelink、backhaul;

（3）支持靈活雙工（flexible dulplex）;

（4）支持全雙工（full dulplex）;

（5）支持TDD上下行靈活可配置。

5G網絡把FDD和TDD緊密結合在一起，通過對業務和環境的感知，智能的調整和使用雙工模式，提高了整個網絡的頻譜效率、業務適配性和環境適應性等。

（二）非正交多址技術

多址接入是移動通信的核心技術，從1G到5G，我們經歷了FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA，這些多址接入方案都采用正交設計，來避免多用戶之間互相干擾。移動通信領域一直致力于通過無線電波的正交性來提升頻譜效率，我們已經采用了頻分、時分、空分、碼分等各種正交辦法，但當正交空間耗盡時，非正交多址技術NOMA就有了用武之地。

NOMA的基本思想是，在發送端將多個UE信號疊加，占用所有時頻資源，并通過空口發送，而在接收端，基于多用戶檢測和串行干擾消除技術來逐個解碼信號，提取有用信號。

NOMA主要有兩種方式：基于碼域和基于功率域。基于碼域，即為每個用戶分配非正交擴展碼（與WCDMA碼相似，不同之處在于WCDMA碼是正交的）。基于功率域，即在發送端每個用戶信號以不同的功率電平疊加。

NOMA可顯著提升移動通信網絡的頻譜效率，增加了網絡的接入用戶數量，為5G支持海量連接應用場景提供了可能。

（三）上下行傳輸方案

為了滿足各項技術指標，5G的上下行傳輸方案做了如下調整。

三、通信原理課程存在的問題

（一）教學內容更新慢

通信技術發展較快，在過去的30年里，移動通信系統經歷了從語音業務到數據業務的飛躍式發展。為了滿足當前移動數據流量和物聯網連接數量的爆發式增長，5G應運而生。與之前通信系統不同的是，5G是以人為中心的全連接網絡，除了可以顯著提升帶寬和數據流量外，對物聯網應用場景的支持是其顯著特點。相比于4G通信系統，5G通信系統從無線技術到網絡架構都發生了巨大變化。當前通信原理課程只對基礎理論進行介紹，而對于5G的關鍵使能技術，如非正交多址技術和靈活雙工技術等并未涉及。這會導致學生所學知識與當前主流技術嚴重脫節，致使學生畢業后無法做到學以致用。

（二）課程銜接差

通信原理作為通信類專業核心基礎課程，在整個課程體系中起到承上啟下的作用。通信原理先修課程較多，通信原理課程中涉及大量的數學理論，對高等數學、概率論等課程依賴度較高;同時，通信原理中大部分章節都涉及信號變換，對《信號與系統》的依賴度也較高;除此之外，通信原理對模擬電路、數字電路、信息論等課程也有一定程度的依賴。通信原理對通信技術的原理進行介紹，為后續介紹特定通信系統的課程打下基礎，如移動通信、網絡優化、光纖通信、衛星通信等。但是目前通信原理課程未對這些課程之間的關系進行介紹，造成學生無法做到有的放矢。

（三）學生學習興趣低

造成學生學習興趣低的原因主要有三個：一是通信原理理論性強，公式繁多，對數學功底和邏輯思維要求較高，導致學生理解和記憶困難，學習難度較大，容易喪失學習興趣;二是通信原理側重原理性介紹，與實際應用的結合性不強，使得學生誤以為該課程沒有實際應用價值，缺乏學習動力;三是通信原理課程概念、原理和公式較多，若不對知識點之間的邏輯關系進行梳理，造成學生理解困難，難以系統的掌握整個課程的知識體系，導致學習主動性差。

四、通信原理課程改革措施

（一）更新教學內容

將5G關鍵技術融合到教學內容當中，下面以樊昌信的通信原理第七版[5]（P1-326）為例，介紹5G技術與通信原理課程的融合方法：

1.在課程導入部分對5G產生的驅動力，5G的三大應用場景及主要支撐技術，標準化進程及三大運營商的商用計劃進行概述。為后續介紹具體5G技術打下基礎。

2.第一章1.3.2通信方式部分介紹了按照消息傳遞的方向與時間關系，通信方式可以分為單工、半雙工及全雙工通信。在該次課程中補充5G的全雙工技術和靈活雙工技術。

3.第四章4.6信道容量部分通過香農公式分析了提高信道容量的方法包括增大帶寬和降低干擾。5G將原有4G的40MHz帶寬提高到低頻100MHz、高頻400MHz帶寬，并使用載波聚合技術來增大帶寬;部分帶寬技術根據信道容量需求動態調整終端帶寬;使用大規模天線技術（massive MIMO）和非正交多址接入（NOMA）降低用戶間干擾。

4.第五章5.6頻分復用、第八章8.3正交頻分復用和第十章10.8時分復用分別介紹了幾種多址接入技術。可以對1G的頻分復用（FDMA）、2G的時分復用（TDMA）、3G的碼分復用（CDMA）、4G的正交分頻復用（OFDM）和5G的非正交多址接入（NOMA）原理進行串講。

5.第八章8.1 正交振幅調制部分補充5G的上行鏈路、下行鏈路、數據信道、控制信道分別使用了哪種調制技術，并對其使用原因進行分析。

6.第八章8.3正交頻分復用補充5G中與OFDM相關的內容，如5G New Radio（NR）支持多種OFDM子載波間隔、符號長度和循環前綴長度來適應不同的應用場景;5G新波形包括上下行同時支持CP-OFDM，并在上行鏈路支持DFT-S-OFDM用于擴展覆蓋場景。

7.第十章10.8時分復用部分補充介紹5G靈活的幀結構，5G通過mini-slot來降低時延，主要用于低時延高可靠場景。

（二）加強課程銜接

將通信原理與其他課程的關系進行梳理，下面以樊昌信通信原理第七版為例，介紹通信原理與其他課程的銜接：

1.首先在課程導入環節對通信原理與高等數學、概率論、信號與系統、模擬電路、數字電路、信息論等先修課程和移動通信、網絡優化、光纖通信、衛星通信等后修課程的關系進行概述，讓學生對整個課程體系有一個直觀的了解。

2.在第一章介紹通信系統時，舉例常用的通信系統與后續課程的對應關系，《移動通信》《網絡優化》對應移動通信系統，《衛星通信》對應衛星通信系統，《光纖通信》對應光纖通信系統等。

3.在第一章1.4節信息及其度量及、第十章信源編碼、第十一章差錯控制編碼、第十二章正交編碼與偽隨機序列等章節回顧《信息論》相關內容。

4.在第二章2.2確知信號的頻域性質章節簡單回顧《信號與系統》中傅里葉級數與傅里葉變換的概念，為計算功率信號的頻譜和能量信號的頻譜密度打下基礎。此外，第二章用到大量《高等數學》中積分的計算方法，需要進行簡單回顧。

5.第三章隨機過程需要簡單回顧《概率論》的相關概念，并解釋移動通信系統中信道隨機和多徑效應產生的具體原因，并介紹5G才被提出的遠程干擾問題及解決方法。

6.在講解模擬調制系統時回顧《模擬電路》相關內容;在講解數字調制系統時回顧《數字電路》相關內容。

（三）激發學習興趣

通過多種方法激發學生的學習興趣，具體措施：

1.與課程思政相結合，增加學習趣味性。介紹中國在5G技術發展過程中起到的巨大作用，進行愛國主義教育，如目前有多位中國企業的標準代表在5G標準化組織3GPP中擔任重要職位，中國企業的5G專利排名及市場份額等。在課程講解過程中貫穿辯證唯物主義教育，如常規幅度調制AM、雙邊帶調制DSB、單邊帶調制SSB、殘留邊帶調制VSB四種調制方式由于有效性和可靠性的不同，使得適用領域不同。

2.與具體應用相結合，提高學習積極性。如在講解mini-slot原理時，介紹該技術主要用于遠程醫療、智能制造、車聯網等低時延高可靠場景;在講解NOMA原理時介紹該技術主要用于智慧城市、智慧家庭等海量連接場景。

3.使用思維導圖，提高知識點邏輯性。將整個課程每章之間的邏輯關系和每個章節各知識點之間的邏輯關系繪制思維導圖，有助于學生整體把握本門課程的內容。

五、結束語

5G商用的提速，對新型5G應用型人才提出了新的要求，也為應用型本科院校通信類專業課程改革帶來了新的挑戰。通信原理作為通信類專業核心基礎課程，是進行課程改革的關鍵一環。在全面分析當前通信原理課程存在的問題后，提出從更新教學內容、加強課程銜接、激發學習興趣等多個改革措施，力求使得通信原理課程跟上5G技術發展，滿足應用型本科的培養目標。

參考文獻

[1]中國信息通信研究院.5G經濟社會影響白皮書[R].北京：中國信息通信研究院，2017.

[2]何菁菁.我國工程教育實現國際多邊互認[N].中國教育報， 2016-06-03（001）.

[3]中國工程教育專業認證協會.工程教育專業認證標準[EB/OL].http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/index.html，2017-11.

[4]教育部.關于一流本科課程建設的實施意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html， 2019-10-30.

[5]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].第7版.北京：國防工業出版社， 2014：1-326.