民航領域5G加速推進背景下通信原理與系統課程教學改革

屈景怡 劉濤 夏冬 喻麗紅

摘? 要：中國交通教育研究會“十四五”交通教育科研發展規劃中明確指出，大力開展5G加速推進背景下專業課程教學創新方面的研究。中國民航大學通信原理與系統課程組立足民航發展需求，緊跟技術進步和行業發展的趨勢，重組教學內容，深拓教學資源，探索多元化考核方式，開展“行業為要、內容為新”的課程教學改革，為民航5G加速推進背景下的課程建設提供參考和應用實踐。

關鍵詞：通信原理與系統；民航寬帶通信技術；5G；6G；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）15-0142-05

Abstract： The "14th Five Year Plan" for the development of transportation education research and development by the China Association of Transportation Education Research clearly points out the need to vigorously carry out research on innovative teaching in professional courses under the background of accelerating the promotion of 5G. The "Communication Principles and Systems" course group of Civil Aviation University of China is based on the development needs of civil aviation and carry out curriculum teaching reform with "industry oriented and content oriented" closely following the trends of technological progress and industry development， restructuring teaching content， deepening teaching resources， and exploring diversified assessment methods. According to teaching feedback， students are satisfied with the effectiveness of teaching reform.

Keywords： Communication Principle and System; civil aviation broadband communication; 5G; 6G; teaching reform

隨著通信技術突飛猛進發展，目前，無線通信技術已經全面進入5G時代，6G的研發工作也已經在多個國家啟動。2021年4月，中國民用航空局發布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》，明確提出以5G為代表的新一代航空移動通信技術應用于中國民航系統的實施路徑。此外，《中國交通教育研究會“十四五”交通教育科研發展規劃》中也明確指出大力開展5G加速推進背景下交通運輸類專業人才培養模式及專業課程教學創新方面的研究。因此，作為中國民航大學這樣一所具有民航特色的行業院校，開展民航領域5G加速推進背景下課程教學改革具有重要意義[1-2]。

通信原理與系統是中國民航大學電子與信息工程重要的專業必修課之一，主要包括通信原理和通信系統兩部分內容，分別介紹了通信的基本原理、基本性能、基本分析方法和民航通信系統。伴隨著技術的進步，作為中國民航大學與5G/6G通信技術、民航通信技術聯系最為密切的課程之一，通信原理與系統課程的教學應當進行內容的更新和改革，緊跟技術進步和行業發展的趨勢。當前該課程的授課內容存在以下幾點問題[3-4]：①通信原理只對基礎理論進行介紹，而對于5G的關鍵技術并未涉及。由于2019年起5G已經商用，這會導致學生所學知識與當前主流技術嚴重脫節。②通信原理部分主要講解的編碼方式仍然是3G的編碼方式，對于當前主流的4G編碼方式相關的理論內容篇幅很少，所以應該增加4G編碼方式的篇幅，并補充5G編碼方式相關的內容。③通信系統部分主要講解已經使用多年的民航地空通信手段，對于新一代航空寬帶通信技術如何與5G結合在民航展開應用沒有涉及，而這是民航地空通信未來發展的方向。④對于2019年開始已經啟動，現在正在研發階段的6G技術完全沒有涉及。

針對以上問題，課程組立足民航發展需求，重組教學內容，深拓教學資源，探索多元化考核方式，開展民航領域5G加速推進背景下通信原理與系統課程教學改革。本次教學改革的特色主要包括：①緊密結合民航發展戰略，介紹5G通信技術在民航航空通信發展趨勢，使學生了解民用航空通信技術現狀、發展趨勢及挑戰。②緊跟通信技術前沿，充分利用第二/第四課堂，開展5G/6G新技術的學習。

一? 重組教學內容

課程組重新梳理與通信原理相關的5G關鍵技術、民用航空通信技術發展趨勢及挑戰，對本課程的知識體系、重要知識點進行了革新，引入了5G、6G標準和系統中的新理論、新概念、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。充分利用第二/四課堂教學，重組教學內容，設計適合教學目標的教學實施方案，言傳身教，引導學生勇于探索和創新[5-10]。

“四個課堂”，即課堂教學為第一課堂、文化活動為第二課堂、技能實踐為第三課堂和網絡陣地為第四課堂。電子信息工程專業培養方案中通信原理與系統課程共54個學時，其中包括第一課堂理論教學44個學時，第三課堂實驗教學4個學時，第二/第四課堂教學6個學時。表1給出如何在改革中加入5G/6G等相關的教學內容及教學方法。

（一）? 5G關鍵技術：新型雙工技術

在通信原理部分“1.3通信系統的分類與通信方式”中介紹通信方式按照傳輸方向和時間分，可以分為單工通信、半雙工通信、雙工通信。在這部分加入5G關鍵技術“新型雙工技術”的介紹，包括2G、3G、4G中的FDD頻分雙工和TDD時分雙工，介紹幾種新型的雙工技術，并介紹5G網絡對雙工方式的總體要求。

（二）? 5G關鍵技術：毫米波通信和大規模多天線技術

在講授通信原理部分“4.1無線信道”的無線電頻段時，介紹毫米波通信。5G通信系統是在用戶需求不斷增長、相關技術條件日趨成熟的環境中發展而來的。為什么5G通信系統采用毫米波傳輸技術？為了適應環境的變化，5G通信系統采用了毫米波傳輸技術，因為毫米波頻率高，在該段可以獲得豐富的頻率資源，從而滿足5G通信對于超大帶寬的需求。毫米波段雖然可以獲得足夠大的帶寬，但是由于毫米波自身傳播衰減快、繞射能力差的特性也給5G通信系統帶來新的問題，如傳播距離大幅度短、覆蓋能力大幅減弱。為了解決這個問題就必須增加基站數量，可是隨之帶來的問題是成本激增。由此可見，通信系統中各要素之間是互相聯系、相互制約，牽一發而動全身的。

在講授通信原理部分“4.6信道容量”香農定理時，介紹MIMO技術。為了應對成本激增的挑戰，5G通信系統采用微基站，即用大量覆蓋范圍小、成本相對低廉的微型基站進行網絡覆蓋。同時，5G通信系統利用毫米波波長短導致天線尺寸可以設計得很小的特點，在基站和終端都采用了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多進多出）傳輸技術。尤其是在基站側采用了Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規模多輸入多輸出）天線陣列技術，在進一步增大通信系統容量的同時，基于大規模天線實現波速賦型技術，在一定程度上克服了毫米波傳播衰減快的缺點。在4G系統中，已經實現了MIMO技術，5G系統的Massive MIMO極大地提升了天線的數量，基站側可配置64/128/256根天線，大幅提高了系統容量和傳輸效率，用于在用戶密集的高容量場景提升用戶體驗。在用戶終端完成配對的情況下，可以復用相同的時頻資源，傳輸更多的比特流到達對端。

（三）? 5G關鍵技術：正交頻分復用OFDM技術

在講授通信原理部分“5.6頻分復用”時，加入了對多址技術的介紹。多址接入是移動通信的核心技術，從1G到5G， 我們經歷了頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），采用正交設計，來避免多用戶之間互相干擾，通過無線電波的正交性來提升頻譜效率。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。

此外，在講授通信原理“第8章 新型調制技術”中，因為5G中采用了高階正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）和5G基于子帶濾波的正交頻分復用（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing， F-OFDM），如圖1所示。因此介紹了正交振幅調制QAM和正交頻分復用F-OFDM的需求背景和設計思想。QAM是一種振幅和相位聯合鍵控的調制方式，頻譜利用率高，在中大容量數字微波通信系統、有線電視網絡高速數據傳輸、衛星通信等領域廣泛應用。F-OFDM是一類多載波并行調制體制，將高速數據流分散調制到多個子載波上并行傳輸，從而使各子載波的信號速率大為降低。因為子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，所以每個子信道上可看成是平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，提高抗多徑和抗衰落的能力。

（四）? 5G通信技術在民航航空通信發展趨勢

在講授通信系統時加入民用航空通信技術發展趨勢及挑戰的內容。從陸地空域、機場場面、跨洋/偏遠地區空域幾種航空通信場景介紹航空通信技術的發展現狀，闡述了航空移動服務和旅客通信服務的發展現狀和趨勢。結合國內外研究情況，總結了民用航空通信技術的發展趨勢和面臨的挑戰，給出了航空移動通信發展的相關建議。

此外，加入5G通信技術在民航航空通信應用場景探索的內容，如圖2所示。新一代航空寬帶通信技術在民航領域應用場景主要包括機場空側場面區域、機場陸側航站樓區域、航路飛行階段和機場飛行階段。根據業務類型不同，各場景對通信技術的安全等級要求不同，但均具備5G化的可行性與基本條件，通過合理設置各類應用場景的技術演進路線與過渡方案，建立我國主導的 航空5G機場場面寬帶移動通信系統（5G Aeronautical Mobile Airport Communication System，5G AeroMACS）、5G L波段數字航空通信系統（L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS）的民航技術標準體系和設備研發應用體系，能夠提供5G公網與專網相結合、安全通信與非安全通信相結合的解決方案，占據新一代航空寬帶通信技術應用高點。

二? 深拓教學資源

課程組在重組教學內容的基礎上，深拓教學資源。完成了課程微視頻錄制、5G/6G及民航通信知識庫的建設、超星學習通線上平臺的搭建。

（一）? 完成課程微視頻錄制

課程組對知識點進行了梳理，在部分教學內容中加入了對應的思政要素，制作了微視頻對應的PPT、撰寫了對應腳本。課程組任課教師分工，完成了視頻的錄制，每個微視頻約10～20 min，格式為MP4。此外，課題組錄制了課后習題的微視頻，這些視頻已經上傳到超星學習通上，學生可以在課下反復觀看學習。從學生的反饋中看出，這部分錄制的視頻對學生的學習是有幫助的。

（二）? 完成5G/6G及民航通信知識庫的建設

除了在課程教學中融入5G、6G的知識，課程組還搜集整理了和通信新技術相關的PPT、視頻、音頻、論文、文件和標準等內容，發布在超星學習通平臺的資料中，見表2。充分利用“四個課堂”，開展5G/6G技術拓展調研。課程組在超星學習通平臺上會定期提出一些討論的題目，比如：“5G已經實現萬物互聯，未來6G通信技術是在空、天、地、海一體化下的智能化。請大膽展開想象，描繪民航在未來6G時代的航空通信應用場景。”很多同學都在學習通中參與討論，提出自己的看法。

（三）? 完成超星學習通線上平臺的搭建

課程組完成超星學習通平臺的建設，主要包括教案、章節、資料、通知、作業、考試、討論和統計等功能，如圖3、圖4所示。教師在PC端上傳電子教案，學生可自行下載。課程資料主要包括思政庫關于5G/6G相關的論文、與5G通信技術在民航航空應用相關的文件和標準、通信原理微視頻和課程組錄制的習題講解視頻等。學生在學習通上完成課上測試、章節測試、課后作業。學習通還支持知識圖譜的構建，可以通過大綱模式、思維導圖模式、圖譜模式設置課程知識圖譜，并把每道測試題、作業題和知識圖譜中的知識點關聯起來。

三? 多元化考核方式和教學實踐

（一）? 多元化考核方法

圍繞知識傳授、能力培養、價值塑造的“三位一體”育人理念，構建包含平時成績、考試成績、實驗成績和大報告成績多種標準的課程評價體系，確保整體課程目標的達成。總評成績=平時成績×15%+實驗成績×15%+第二/四課堂大作業×20%+期末考試成績×50%。其中，平時成績包括線上簽到、線上討論、線上視頻學習、線上隨堂練習、線上章節測驗和線上作業，各項占比可以在學習通上設置，自動統計學生的平時成績；實驗成績包括實驗報告，本學期采用線上虛擬仿真實驗；期末考試成績為線下終結性測試。

多元化考核方法的優點主要包括：①課程成績能夠在一定程度定量的反映課程思政價值塑造的達成情況；②測評技術由單一紙筆轉變為利用平臺和智慧教學工具進行的線上+線下、課前+課中+課后全過程評價；③基于平臺進行學生數據的采集、存儲、自動統計分析；④評價由關于學習成績的終結性評價轉變為關注學習行為、學習感受與學習績效的多元化綜合評價。

（二）? 教學實踐

教學改革的建設成果已經在2023年秋季電子信息工程通信原理與系統課程中進行了實踐應用，主要包括課堂教學、課下自學、第二/四課堂教學。課程結束后，對選課的學生進行了問卷調查。圖5列出調查問卷主要調研問題的結果，結果顯示學生對教學內容、教學平臺及考核方式是滿意的。

四? 結論

“非新無以為進，非舊無以為守”，專業基礎課程不能過分強調基礎性和傳承性，而忽視時代性和前沿性。隨著通信技術突飛猛進、日新月異的進展，目前，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、日本和美國等國家正式落地商用，6G的研發工作也已經在多個國家啟動。民航局也明確提出以5G為代表的新一代航空移動通信技術應用于中國民航系統的實施路徑。通信原理與系統課程組以“內容為要”，因時而進，重組教學內容，緊跟通信技術進步的趨勢。以“行業為先”，深度了解民航通信未來的應用需求，緊跟民用航空通信技術的發展趨勢，培養高素質、專業化民航通信人才。

參考文獻：

[1] 中國民用航空局.中國民用航空局關于印發《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》的通知[EB/OL］.http：//www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TZTG/202105/t20210518_207630.html.

[2] 張平，牛凱，田輝，等.6G移動通信技術展望[J].通信學報，2019，40（1）：141-148.

[3] 劉思聰，肖亮.面向5G的“無線通信原理”教學改革探索[J].高教學刊，2020（35）：132-135.

[4] 馬路娟，許鴻奎，孫雪梅，等.5G背景下通信原理課程改革探討[J].教育教學論壇，2020（32）：183-185.

[5] 王志明，曾孝平，黃杰，等.民用航空通信技術現狀與發展[J].電訊技術，2013，53（11）：1537-1544.

[6] 王磊，李廣雪，李冬霞，等.基于OFDM符號特征的干擾抑制與盲波束形成方法[J].控制與決策，2020，35（6）：1397-1402.

[7] 馮偉，韋舒婷，曹俊誠.6G技術發展愿景與太赫茲通信[J].物理學報，2021，70（24）：175-189.

[8] 鐘恒，閆志付.航空計算技術5G通信技術與Aero MACS的融合探索[J].航空計算技術，2022，52（3）：121-124.

[9] 易芝玲，王森，韓雙鋒，等.從5G到6G的思考：需求、挑戰與技術發展趨勢[J].北京郵電大學學報，2020，43（2）：1-9.

[10] 賈宇，賀璐婷.民用航空機場場面移動通信技術發展與應用[J].電信快報，2020（6）：33-36.