5G背景下物聯網專業通信原理的教學探索與研究

戴一鳴 陳建方 張賽 李雷 苗維誠

摘 ?要：在物聯網和5G通信飛速發展的背景下，針對醫學院校物聯網工程專業“融醫療，精原理，強應用，促創新”的辦學特點，對該專業“通信原理”課程的教學內容進行了探索和研究。主要措施有：精簡理論知識體系，配合仿真實驗，突出物聯網通信特點和醫學背景以及將5G新技術合理引入。新的教學內容體系更適用于物聯網專業“通信原理”的課程定位和學時安排，將知識點與醫學背景、專業特色和創新技術緊密聯系，打造學生了解5G通信的入口和平臺。

關鍵詞：通信原理;物聯網工程;5G通信教學內容

中圖分類號：G642;TN929.5-4;TP391.44-4 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-4706（2020）12-0188-04

Abstract：In the context of rapid development of the internet of things and 5G communication，the teaching content of “Principle of Communication” of the internet of things engineering major in our school has been explored and studied in view of the school-running characteristics of “combined with the medical，proficient in principle，enhancing the application and promoting innovation”. The main measures include：streamlining the theoretical knowledge system，combining the simulation experiment，putting emphasis on the characteristics of the communication of internet of things and introducing the emerging technologies of 5G reasonably. The new teaching content system is more suitable for the course positioning and class schedule of “Principle of Communication” of internet of things major，which can closely relate the knowledge of the course with medical background，professional characteristics and innovative technologies，and build the entrance and platform for students to understand 5G communication.

Keywords：principles of communication;internet of things engineering;5G communication teaching contents

0 ?引 ?言

伴隨著5G通信技術的革新以及5G網絡的普遍商用，物聯網行業將受到深遠影響。5G的三大特點，超高速率（eMBB）、超大容量（mMTC）、極低時延（URLLC），能夠打破物聯網發展的瓶頸，解決物聯網應用的痛點問題，相應的物聯網方面對人才的需求也會隨之提升[1]。在此背景下，我校于2016年開設物聯網工程專業，旨在培養掌握物聯網相關的計算機、通信和傳感的相關知識和技能，能勝任物聯網相關技術的研發及物聯網應用系統的規劃、分析、設計、開發、部署、運行維護等工作的高級工程技術人才。并且側重醫療領域的物聯網工程應用，將實踐教學環節與智慧醫療相融通。

“通信原理”是物聯網培養體系中一門重要課程，針對新技術發展和應用的時代背景以及我校物聯網專業的培養方案，課程不能完全沿用傳統電子信息工程相關專業的既有學時分配和教學內容。本文結合作者在通信行業的實踐經歷以及對物聯網專業電子信息類相關課程的教學和研究經驗，通過優化課程內容結構、設計仿真實驗進行實踐、突出物聯網通信特點和醫學背景、引入5G通信創新技術四個方面，對課程內容做了一些研究和創新工作。旨在精簡課程教學內容，在經典理論知識基礎上加入5G物聯網技術知識，建立更符合新時代醫學院校物聯網專業培養方案和課程設置的通信知識體系。

1 ?優化內容結構

在我校物聯網專業培養體系中，不僅涵蓋計算機、傳感器、通信、電子等物聯網的通用學科課程，還開設有醫學相關的課程。因此“通信原理”設置學時遠少于通信工程以及一般物聯網專業的學時數，教學內容無法做到全面的覆蓋和深入的解析，所以需要在保證通信知識體系相對完整的前提下，對部分理論內容進行刪減，主要保留與物聯網需求關系密切的知識模塊。

知識體系以如圖1所示的模擬通信系統和如圖2所示的數字通信系統兩個模型作為主線，分為緒論、通信信號、通信信道、通信系統、編碼技術五個模塊，對系統各部分的原理、技術、問題及解決方案以及傳輸過程中各階段信號的時頻域特性展開講解[2]。

通信信號主要分為確知信號和隨機過程兩部分，確知信號與先修課程“信號與系統”內容重復性較高，可以在課前自行復習的基礎上，進一步講解頻譜密度與功率譜密度，補充相關函數的知識，為維納辛欽定理做鋪墊。隨機過程建立在概率論的學習基礎上，而本課程不能陷入復雜的數學計算分析中，很多推導和計算需要刪減。重要的是在介紹各類隨機過程和分布特點的同時，與通信的過程對應起來，并結合維納辛欽定理，為通信過程、信號、噪聲等提供可行的分析方法。

模擬通信系統通過線性調制系統的調制、解調、噪聲分析，總結一般通信系統與信號傳輸的分析方法，幫助學生建立利用三角變換+傅里葉分析+微積分運算進行推導、系統結構圖+信號波形圖+信號頻譜圖進行理解、系統有效性+系統可靠性+系統實用性進行分析的思維體系，并且將此思維模式貫穿幾類通信系統的學習過程。在此基礎上，對FM、PM等非線性調制系統及幾類模擬通信系統性能比較兩部分進行了刪減。數字基帶系統部分主要講解基帶信號特性、常用碼型以及無碼間串擾的系統設計，這是數字通信系統的基礎和通用知識。抗噪聲分析較繁瑣且需要概率論的知識支撐，考慮物聯網工程專業后續相關課程基本不涉及噪聲分析[3]，而部分響應和時域均衡也僅作為提高系統性能的增補手段不影響整體知識體系，故對這三部分進行了簡化處理。數字帶通傳輸系統以二進制鍵控作為引入點展開介紹，刪減大部分多進制鍵控內容，僅保留和OFDM技術關聯較大的星座圖、QAM等內容，為后續新型數字調制技術講解做鋪墊。編碼主要有信源編碼和信道編碼兩部分，為了完整建立信源編碼的實際流程，保留抽樣、量化、PCM編碼的重點部分，對幾種壓縮編碼僅做簡要說明。信道編碼部分在明確糾錯編碼的概念、原理和性能的基礎上，縮減對種類較多的實用編碼的講解，僅介紹個例即可。

2 ?配合仿真實驗

“通信原理”課程理論性較強、概念抽象、公式繁多，教學過程中可以配合仿真實驗輔助完成學習任務。MATLAB SIMULINK仿真軟件可以實現創建通信模型、設計通信模塊、觀察信號傳輸等工作，可以讓學生動手搭建完成書中通信系統各模塊以及傳輸過程的重要環節，并能清晰地反應各通信環節中信號的特性，能夠為學生提供一種可操作性強、設計簡單且靈活的實踐平臺，同時避免了大量程序代碼的編寫和公式的計算，最終令學生更有效地熟悉各類通信系統的結構和信號傳輸過程，理解通信中各模塊對信號產生的影響。

比如課程中首個接觸到的通信系統——AM（調幅）模擬調制系統，通過SIMULINK模塊化仿真可以將書中理論性較強的框圖具體化，并可以通過示波器模塊觀察調制信號、已調信號、解調恢復信號等波形的變化，理解各信號與系統模塊的對應關系。AM系統仿真模型及各步驟信號波形如圖3、圖4所示。

在數字帶通系統學習當中，也可以利用SIMULINK進行建模，在理解數字通信的同時，將鍵控法和傳統調制方法進行比較，還可以便利地調整各模塊的參數，讓學生理解系統各環節對信號傳輸的影響。

本文以2ASK（二進制振幅鍵控）為例，搭建2ASK仿真模型并驗證鍵控、相干解調、抽樣判決等各環節信號變化，如圖5、圖6所示。

3 ?結合專業背景

醫學院校物聯網專業“通信原理”課程教學，既要考慮到物聯網實際應用中的通信特點，又要引導學生思考如何將專業知識與醫學應用相結合。緒論部分可以更加突出物聯網相關無線通信的介紹，尤其要對近場通信、局域網、廣域網以及低功耗廣域網的新技術做好分類和解釋，并要介紹5G背景下物聯網技術的相關應用，尤其是在醫療行業的應用，比如病患及藥品管理、遠程醫療急救、AR/VR醫學場景化教學等，以此激發學生的學習興趣和熱情。同時在物聯網概論的基礎上明確本課程內容在物聯網分層中的位置，為后續藍牙、ZigBee等物聯網通信技術的學習打下物理層知識的基礎，并引導學生將本課程內容和計算機網絡、信號處理、射頻識別等課程內容聯系起來，建立起通信相關的知識體系。

對具體知識點的講解也可以更針對物聯網專業特點，比如在數字通信系統中講解碼型編碼部分時，可以用物聯網射頻識別技術中常用的曼徹斯特編碼或密勒編碼為例進行對編譯碼的講解，并結合物聯網應用場景的需求，比如低功耗、休眠喚醒、提供同步時鐘等來說明傳輸碼的碼型選擇原則。

4 ?融入技術應用

隨著5G網絡商用進程的全面開啟，物聯網行業也將獲得更大的發展空間和創新空間。作為物聯網工程專業的學生，在校期間就應當對5G相關的技術有所關注和了解。“通信原理”課程雖然是偏向原理理論的課程，但與5G通信關系密切，是引導學生掌握相關知識的平臺。將5G的一些新技術、新思路融入課堂教學中，既有助于提高學生學習興趣和創新精神，又能夠開闊學生視野，讓學生打下實踐基礎。

5G的一大特點是頻段的提高，其未來將發展到毫米波通信甚至太赫茲通信，在對通信信道的學習中，可以將電磁波的高頻率衰減特性與無線信道的衰落過程相聯系，說明5G架構中如何利用衰落進行密集異構組網[4];另外，提高頻率可以獲得廣闊的頻譜資源，大大地提高了通信帶寬，是提高信道容量最直接有效的手段，可以通過引入5G的高頻段特點解讀香農公式的物理意義。

對于調制這一核心概念的引入，可以從5G通信的高頻段需求、頻分復用方式以及天線設計三個方面說明調制的目的，再依次引入各類調制系統，緊密地和實際應用相聯系。在講解完書本已有的二進制鍵控、OFDM等數字調制技術知識的基礎上，補充5G通信中的新調制技術。比如將OFDM中子載波的帶寬根據需求靈活調整以適應不同業務的F-OFDM（Filtered-OFDM，子帶濾波的正交頻分復用），以及SM（Spatial Modulation，空間調制），并可以由SM技術再引入MIMO（Multiple-In Multiple-Out，多輸入多輸出）天線的基本介紹。將書本經典知識作為基礎，將新技術應用作為延伸，拓寬學生的視野與思路，引導學生對技術創新發展的關注和思考。

5G通信中的業務信道編碼采用LDPC（Low-Density Parity-Check，低密度奇偶校驗碼），控制信道編碼采用極化碼[5]。對實用信道編碼進行舉例時，可以對一維奇偶監督碼、二維奇偶監督碼、LDPC進行逐步講解，將極化碼作為課后自學內容，課本中的Turbo碼雖然應用廣泛，但在5G技術中基本不再使用，所以也對其進行了刪減，這樣在減少了學時需求的同時保留了對完整知識點的串聯，同時還可以將書本基礎知識與實踐相聯系。

5 ?結 ?論

本文針對我校物聯網工程專業的培養要求和特點，結合5G通信技術的飛速發展和5G網絡即將全面落地的時代背景，對物聯網工程專業“通信原理”課程進行了教學研究和探索，將課程內容進行了精簡，利用MATLAB SIMULINK進行仿真實驗，引入了物聯網和5G技術相關的教學切入角度和應用知識進行補充。優化后的知識體系更加適用于我校物聯網專業“通信原理”的教學，更符合課程的定位和學時安排，并將經典理論知識和當下熱點新技術串聯融合，在教學過程中能夠更好地激發學生的學習興趣和熱情，并取得良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 中興通訊.5G Core技術趨勢白皮書 [R/OL].（2019-07-16）.https：//sdnfv.zte.com.cn/zh-CN/insights/2019/7/5G-Core-Tech-Trend-White-Paper.

[2] 樊昌信，曹麗娜.通信原理：第6版 [M].北京：國防工業出版社，2013.

[3] 辛以利，李云，譚智誠，等.5G通信發展背景下《通信原

理》課程教學的改革與探索 [J].教育教學論壇，2019（6）：129-130.

[4] 趙雪瑩，閃媛.5G關鍵技術及其對物聯網的影響 [J].通訊世界，2020，27（2）：157-158.

[5] 于清蘋，史治平.5G信道編碼技術研究綜述 [J].無線電通信技術，2018，44（1）：1-8.

作者簡介：戴一鳴（1990—），男，漢族，安徽臨泉人，助教，碩士，研究方向：微波技術。