面向5G的“無線通信原理”教學改革探索

劉思聰 肖亮

摘? 要：文章結合“無線通信原理”課程特點，針對現有該課程教學存在的知識點老舊、新技術實例不足等問題，面向新一代5G移動通信發展趨勢，對該課程的教學內容和方法進行探索。一方面更新了無線通信知識體系與關鍵技術，引入5G中涌現的通信新技術作為典型教學案例;另一方面改進了教學方法，將新興5G無線通信技術設計為MATLAB仿真實例。該教改嘗試可以在提升學生興趣的同時，達到拓寬前沿技術視野和提升實踐應用能力的良好教學效果。

關鍵詞：無線通信;5G移動通信;教學探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）35-0132-04

Abstract： Considering the characteristics of the "Wireless Communication Principles" course， this paper has conducted some teaching exploration on the contents and methodology about this course， in order to follow up with the trend of 5G mobile communications， and address the problems of the existing teaching such as out-of-date knowledge and insufficient instances of new techniques. The knowledge architecture and key technologies of wireless communications are updated， and novel techniques emerging in 5G are introduced as typical teaching cases. On the other hand， the teaching method is improved by designing MATLAB simulation demonstrations on the emerging 5G wireless techniques. It shows that these measures can improve the interest of students on learning this course， while expanding the view of frontier technologies and improving the application capability.

Keywords： wireless communications; 5G mobile communications; teaching exploration

一、概述

“無線通信原理”作為一門電子信息科學與技術、通信工程等相關專業的專業核心課程，對本科生建立通信基礎理論體系，鞏固通信基本概念，加強工程實踐能力和應用能力，了解無線通信前沿技術發展趨勢，拓寬技術視野等方面，具有重要作用。該課程在諸多國內外院校的通信相關專業的本科生培養方案中，一般作為銜接公共基礎課程、專業基礎課程與后續專業核心課程、包括研究生階段前沿課程的橋梁[1-6]。

對學生而言，學好這門課程不僅需要牢固的數學物理基礎，還需要積累堅實的專業基礎課程知識，如信號與系統、通信原理、模擬電子線路、數字電路等課程知識。此外，還要求學生能夠將基礎理論和基本知識與實際無線通信系統結合，做到靈活應用。而這也就要求教師具有寬廣深入的無線通信技術積累，對無線新技術前沿發展和趨勢有很好的把握[7-11]。因此，這門課程的教學一直以來是通信專業課程中被關注的重點和需要解決的難點。

隨著通信技術突發猛進、日新月異的進展，目前，無線通信技術已經全面進入5G時代。5G標準和5G移動通信系統已經在中國、韓國、日本、美國、歐盟等多個國家正式落地商用。伴隨著技術的進步，作為通信專業中與5G技術聯系最為密切的課程之一，“無線通信原理”課程的教學應當進行更新和改革，從而緊跟技術進步的趨勢。然而，現有課程教學中存在諸多問題。一方面，講授的知識點偏老舊，花費較多課時講授目前已經不再使用、未來也不大可能再使用過時技術，而5G最新的前沿技術和相關知識點沒有覆蓋，使學生知識面受到局限;另一方面，課程中涉及到的與5G新技術相關的演示案例、仿真實例等欠缺，導致學生面對繁瑣的理論推導逐漸失去學習興趣，不能深入理解理論在實際系統中的意義，還缺少技術實踐和應用能力的培養。

為此，我們針對上述問題開展了課程教學的改革探索。采取的措施主要包括以下幾點：其一，面向5G前沿和熱點技術，對現有知識體系、重要知識點的內容及其講授方法進行革新;其二，將新興的5G技術引入課程案例，通過精心設計易于上手又有一定挑戰性的MATLAB仿真實例，使學生加深對理論知識的理解和運用能力，同時拓展前沿技術視野;其三，改進課程考核方式，側重過程考查，通過平時大作業、文獻調研、小組討論、課題探究、互動互評等方式，調動學生學習主動性和參與度，并初步打下科研訓練的基礎。

二、現有教學方法存在的問題

“無線通信原理”是一門具有很長歷史的專業課程。這門課程的教學內容、教學方法和教學效果的改變過程，是隨著無線通信技術近幾十年來的發展、更新、換代而不斷演進完善的。特別是由于無線通信技術的前沿性和快速變化，大約每十年就會誕生新一代無線通信技術，這就要求該課程的教學必須緊跟技術發展的步伐。否則，如果在工業界都已經演進到下一代技術體系的情況下，高校依然沿用一代甚至幾代以前的無線通信技術內容進行授課，勢必導致學生無法掌握前沿技術和實用素養，在學生未來的科研或者專業工作中無法適應新一代通信技術應用的要求。

例如，在目前5G技術已經正式商用、4G技術如火如荼全面鋪開的情況下，課程內容依然以2G移動通信的GSM系統和3G移動通信的代表性技術CDMA為重點，甚至主要講解第一代移動通信的模擬通信制式，花大量課時講授已經基本沒有實際部署的老舊內容。事實上，GSM網絡雖然在歷史上有重要作用，在上世紀九十年代到本世紀初占據著主導地位，但是目前在我國范圍內已經基本全面退網，在世界范圍內的較發達國家也已經基本淘汰，因此花較多學時講授這些技術，無疑是事倍功半的。同時，由于課時有限，花過多時間在講授老舊知識上，也容易導致原本可能用于講授新技術、新標準和新應用的學時被擠占，甚至使教師失去更新教學內容的動力，這對學生接觸前沿知識是不利的。

“無線通信原理”課程的另一個顯著特點是，課程內容與實際通信系統、通信標準和實用案例緊密結合在一起，課程理論內容應該是實現實際通信系統與標準的基礎，而實際通信系統和應用案例又應該是課程技術內容的有效展示和必要補充。但是，由于教學方法沒有得到及時改進，現有教學中將實際通信系統、標準相關實用案例引入課程中的做法還偏少，理論和實踐脫節、基礎和應用脫節的現象依然存在;同時，由于教學內容沒有得到及時的更新，很難將目前最新一代的5G無線通信技術案例融入到課程中來。因此，導致課程教學的前沿應用特點和工程實踐特點有所缺失，那么學生也就無法從這門課程的學習中開拓前沿科技視野，無法培養足夠扎實的通信工程師素養。

三、面向5G的知識體系革新

面向新一代5G無線通信技術的發展，為使課程內容緊跟無線通信前沿，我們對本課程的知識體系、重要知識點進行了梳理和革新，引入了5G標準和系統中的新理論、新概念和新技術，對傳統老舊的知識點或者實用性已經明顯降低的內容適當縮減和弱化;同時，對相關教學內容的講授方法進行了改進或調整。以下舉幾個比較典型的例子進行說明：

1. 5G新空口傳輸技術。每一代無線通信體制的核心技術突破基本上集中體現在空口傳輸技術上。在“無線通信原理”課程中，講授基帶傳輸與載波傳輸技術時，教學內容應當反映5G新空口技術的發展。例如，重點介紹在4G中已經廣泛應用、在5G中繼續得到發展的核心傳輸技術——正交頻分復用（OFDM）技術的概念、原理、應用，以及OFDM的標準化進程，在WiFi、3GPP、C-V2X車聯網等通信標準中的應用等。通過介紹OFDM技術及標準化進程，讓學生能更深刻地體會到物理層空口傳輸核心技術的突破對無線通信更新換代的重要性，不僅打下了堅實的技術基礎，還了解通信國際標準化，為將來的科研和業界工作提供幫助。同時，對較為傳統模擬調制解調技術，以及目前已經較少應用的模擬調幅、模擬調頻、頻移鍵控等傳輸技術進行了一定的縮減，有利于突出核心新技術的重點。

2. 新型信道編碼。作為無線通信物理層關鍵技術之一，信道編碼技術一直以來是學界和業界關注的焦點，也隨著無線通信的發展而經歷了多次更新換代。目前已經確定5G標準中增強移動寬帶（eMBB）場景下，數據平面和控制平面所采納的信道編碼分別為低密度奇偶校驗碼（LDPC）和極化碼，在本課程中對其進行概念和原理性介紹。同時，通過介紹我國學術界和工業界在推進極化碼等專利和自主技術進入5G國際標準、增強中國話語權的角度切入，可以對學生進行生動的課程思政教育。

3. 大規模多天線技術。多輸入多輸出（MIMO）即多天線技術已經在4G無線通信中提出，并廣泛應用于移動通信、無線局域網等系統。5G中演進出的大規模多天線技術，進一步提升了多天線空間分集和復用增益，并且產生了波束成型、混合預編碼、角度域稀疏信道估計、多用戶MIMO、空分多址、智能天線等一系列新技術。因此在本課程中對MIMO和大規模MIMO進行專門介紹，同時適當縮減單天線和復雜時域均衡等傳統內容。

4. 新型多址接入技術。關于正交多址接入技術，其重點應當進行適當的調整，從目前實際系統中已經比較少見的、效率較低的頻分多址、時分多址等傳統技術，轉移到正交頻分多址（OFDMA）和空分多址等技術上來，加強新型正交多址技術的介紹。另外，還應該引入5G中的非正交多址接入技術，如NOMA和SCMA等技術，讓學生在傳統正交多址的基礎上，理解非正交資源分配、串行干擾消除等新概念和技術。

5. 新型無線網絡與體系架構。“無線通信原理”課程中對無線網絡的介紹往往局限于固定宏基站蜂窩網絡、無線自組織網絡等傳統網絡，然而5G無線網絡形態和技術都已經有了重大改變。因此，我們在介紹經典網絡結構的基礎上，在本課程中引入超密集組網、用戶中心組網、宏-微異構網絡等新概念、新型網絡架構。同時，對新興的軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）和垂直業務網絡切片等5G新概念和體系架構進行介紹，開拓學生的技術視野。

四、5G無線通信技術仿真案例設計

為加深學生對5G前沿無線通信技術的理解，提升通信工程實踐能力，在本課程中特別設計了一系列無線通信MATLAB仿真實例。學生通過貼近5G前沿技術的仿真實驗，既能鞏固課程中面向5G技術的革新教學內容、培養實際應用能力，還可以進行初步的科研訓練，培養學習和研究興趣。本課程從5G核心技術與“無線通信原理”課程密切相關的知識點切入，精心設計若干個仿真實例，包括大規模MIMO混合預編碼、OFDM收發機、多天線信道估計、LDPC編解碼、非正交多址接入等MATLAB仿真實例。

下面以多用戶大規模MIMO混合預編碼系統為例，具體介紹本課程MATLAB仿真實例的設計。大規模MIMO技術在5G研究和產業應用中已得到廣泛應用，混合預編碼是提升多用戶復用性能、降低硬件復雜度的關鍵技術之一，其發射端的技術框圖如圖1所示。該仿真實例中，發射端將預編碼劃分為數字基帶與模擬射頻兩部分，構成混合預編碼架構，支持多用戶接收;接收端采用全數字接收機恢復多路發送數據流，并評估通信質量。圖1顯示了每個獨立發送數據流映射到一個獨立射頻鏈路，而每個發射天線均通過移相器與每個射頻鏈路相連。

本實例中的具體仿真參數設置為：接收用戶數為4;各個用戶接收的獨立數據流數為[3 2 1 2]，則總數據流數為NDS=8;發射天線數為NT=64，接收天線數分別為[12 8 4 8];調制方式為16QAM;OFDM子載波數為256，導頻數為8;支持均勻線性陣列（ULA）與均勻矩形陣列（UPA）兩種大規模多天線模式。

實現混合預編碼需要發端已知下行信道狀態信息（CSIT）。發送端各天線發送前導參考信號，接收端進行下行信道估計后，將信道狀態信息反饋至發送端，發送端即可進行混合預編碼設計，決定模擬射頻和數字基帶預編碼矩陣，從而實現多用戶、多數據流的空分復用。混合預編碼后的發射信號3D電磁波輻射波束如圖2所示，由圖可見，多天線陣列輻射出若干個空間上分立的強主瓣，承載不同用戶獨立數據流，反映了混合預編碼的空分復用效果。

該仿真實例中發送的4個用戶、共8路獨立OFDM數據，經過接收端MIMO均衡和解調后，其接收信號星座圖如圖3所示，可以看出多用戶接收效果良好。

五、改進教學方法及教學效果

為了更好地配合上述課程內容和教學案例的更新和改革，提升“三全育人“的教學效果，我們相應調整優化了課程教學方法和課程考核方式。側重過程考查，強化平時大作業考察，引入文獻調研、proposal技術提案、仿真實驗、小組討論、課堂展示、互動互評等新型教學環節。通過設計這些教學環節，能夠發揮學生主觀能動性，鼓勵學生積極開動腦筋，變被動學習交差為主動參與學習，提高興趣的同時，還能加深對理論的理解，加深學習的印象。提高大作業的分數占比和平時成績占比，提倡側重貫穿學期內的全程過程考核，可以杜絕“臨時抱佛腳”的突擊復習應考、“考后就忘”的問題。

基于上述教改措施，本課程經過若干學年的教學改革實踐，取得了良好的教學效果。上一學年度本課程的教學測評達到4.98/5，進入學院前3%，得到學生的廣泛好評。在本課程中的實例仿真和調研提案等教學環節中，學生積累了初步科研經驗，為本科生進入研究生階段進一步展開通信專業的科研工作打下堅實基礎。修讀本課程的學生，擴展了前沿技術視野，培養了實踐能力，從而在深造面試等考核中有了更加出色的發揮。

六、結束語

無線通信技術的發展日新月異，5G技術變革已經深刻影響人們的生活和產業的進步，這也對高校電子信息專業課程的教學提出了更高的要求。本文介紹的“無線通信原理”課程教學改革的探索與實踐，其初衷便來自于此。實踐表明，學生對新技術的興趣和對新知識的探求是發自內心的，也是極其迫切的。將5G新技術、新理論和實際案例引入本課程的內容，是對技術進步必然要求，是培養學生專業素養的重要環節，也取得了良好的教學效果。當然，這也對任課教師的教學內容和方法都提出了更高的要求。但是，電子信息技術的突飛猛進是未來的趨勢所在，而為我國培養出能夠適應技術進步的信息科技人才，亦是從事信息技術高等教育工作者所肩負的重要時代使命。

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