面向5G的“无线通信原理”教学改革探索

刘思聪 肖亮

摘  要：文章结合“无线通信原理”课程特点，针对现有该课程教学存在的知识点老旧、新技术实例不足等问题，面向新一代5G移动通信发展趋势，对该课程的教学内容和方法进行探索。一方面更新了无线通信知识体系与关键技术，引入5G中涌现的通信新技术作为典型教学案例;另一方面改进了教学方法，将新兴5G无线通信技术设计为MATLAB仿真实例。该教改尝试可以在提升学生兴趣的同时，达到拓宽前沿技术视野和提升实践应用能力的良好教学效果。

关键词：无线通信;5G移动通信;教学探索

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：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to follow up with the trend of 5G mobile communications， and address the problems of the existing teaching such as out-of-date knowledge and insufficient instances of new techniques.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

“無线通信原理”作为一门电子信息科学与技术、通信工程等相关专业的专业核心课程，对本科生建立通信基础理论体系，巩固通信基本概念，加强工程实践能力和应用能力，了解无线通信前沿技术发展趋势，拓宽技术视野等方面，具有重要作用。该课程在诸多国内外院校的通信相关专业的本科生培养方案中，一般作为衔接公共基础课程、专业基础课程与后续专业核心课程、包括研究生阶段前沿课程的桥梁[1-6]。

对学生而言，学好这门课程不仅需要牢固的数学物理基础，还需要积累坚实的专业基础课程知识，如信号与系统、通信原理、模拟电子线路、数字电路等课程知识。此外，还要求学生能够将基础理论和基本知识与实际无线通信系统结合，做到灵活应用。而这也就要求教师具有宽广深入的无线通信技术积累，对无线新技术前沿发展和趋势有很好的把握[7-11]。因此，这门课程的教学一直以来是通信专业课程中被关注的重点和需要解决的难点。

随着通信技术突发猛进、日新月异的进展，目前，无线通信技术已经全面进入5G时代。5G标准和5G移动通信系统已经在中国、韩国、日本、美国、欧盟等多个国家正式落地商用。伴随着技术的进步，作为通信专业中与5G技术联系最为密切的课程之一，“无线通信原理”课程的教学应当进行更新和改革，从而紧跟技术进步的趋势。然而，现有课程教学中存在诸多问题。一方面，讲授的知识点偏老旧，花费较多课时讲授目前已经不再使用、未来也不大可能再使用过时技术，而5G最新的前沿技术和相关知识点没有覆盖，使学生知识面受到局限;另一方面，课程中涉及到的与5G新技术相关的演示案例、仿真实例等欠缺，导致学生面对繁琐的理论推导逐渐失去学习兴趣，不能深入理解理论在实际系统中的意义，还缺少技术实践和应用能力的培养。

为此，我们针对上述问题开展了课程教学的改革探索。采取的措施主要包括以下几点：其一，面向5G前沿和热点技术，对现有知识体系、重要知识点的内容及其讲授方法进行革新;其二，将新兴的5G技术引入课程案例，通过精心设计易于上手又有一定挑战性的MATLAB仿真实例，使学生加深对理论知识的理解和运用能力，同时拓展前沿技术视野;其三，改进课程考核方式，侧重过程考查，通过平时大作业、文献调研、小组讨论、课题探究、互动互评等方式，调动学生学习主动性和参与度，并初步打下科研训练的基础。

二、现有教学方法存在的问题

“无线通信原理”是一门具有很长历史的专业课程。这门课程的教学内容、教学方法和教学效果的改变过程，是随着无线通信技术近几十年来的发展、更新、换代而不断演进完善的。特别是由于无线通信技术的前沿性和快速变化，大约每十年就会诞生新一代无线通信技术，这就要求该课程的教学必须紧跟技术发展的步伐。否则，如果在工业界都已经演进到下一代技术体系的情况下，高校依然沿用一代甚至几代以前的无线通信技术内容进行授课，势必导致学生无法掌握前沿技术和实用素养，在学生未来的科研或者专业工作中无法适应新一代通信技术应用的要求。

例如，在目前5G技术已经正式商用、4G技术如火如荼全面铺开的情况下，课程内容依然以2G移动通信的GSM系统和3G移动通信的代表性技术CDMA为重点，甚至主要讲解第一代移动通信的模拟通信制式，花大量课时讲授已经基本没有实际部署的老旧内容。事实上，GSM网络虽然在历史上有重要作用，在上世纪九十年代到本世纪初占据着主导地位，但是目前在我国范围内已经基本全面退网，在世界范围内的较发达国家也已经基本淘汰，因此花较多学时讲授这些技术，无疑是事倍功半的。同时，由于课时有限，花过多时间在讲授老旧知识上，也容易导致原本可能用于讲授新技术、新标准和新应用的学时被挤占，甚至使教师失去更新教学内容的动力，这对学生接触前沿知识是不利的。

“无线通信原理”课程的另一个显著特点是，课程内容与实际通信系统、通信标准和实用案例紧密结合在一起，课程理论内容应该是实现实际通信系统与标准的基础，而实际通信系统和应用案例又应该是课程技术内容的有效展示和必要补充。但是，由于教学方法没有得到及时改进，现有教学中将实际通信系统、标准相关实用案例引入课程中的做法还偏少，理论和实践脱节、基础和应用脱节的现象依然存在;同时，由于教学内容没有得到及时的更新，很难将目前最新一代的5G无线通信技术案例融入到课程中来。因此，导致课程教学的前沿应用特点和工程实践特点有所缺失，那么学生也就无法从这门课程的学习中开拓前沿科技视野，无法培养足够扎实的通信工程师素养。

三、面向5G的知识体系革新

面向新一代5G无线通信技术的发展，为使课程内容紧跟无线通信前沿，我们对本课程的知识体系、重要知识点进行了梳理和革新，引入了5G标准和系统中的新理论、新概念和新技术，对传统老旧的知识点或者实用性已经明显降低的内容适当缩减和弱化;同时，对相关教学内容的讲授方法进行了改进或调整。以下举几个比较典型的例子进行说明：

1. 5G新空口传输技术。每一代无线通信体制的核心技术突破基本上集中体现在空口传输技术上。在“无线通信原理”课程中，讲授基带传输与载波传输技术时，教学内容应当反映5G新空口技术的发展。例如，重点介绍在4G中已经广泛应用、在5G中继续得到发展的核心传输技术——正交频分复用（OFDM）技术的概念、原理、应用，以及OFDM的标准化进程，在WiFi、3GPP、C-V2X车联网等通信标准中的应用等。通过介绍OFDM技术及标准化进程，让学生能更深刻地体会到物理层空口传输核心技术的突破对无线通信更新换代的重要性，不仅打下了坚实的技术基础，还了解通信国际标准化，为将来的科研和业界工作提供帮助。同时，对较为传统模拟调制解调技术，以及目前已经较少应用的模拟调幅、模拟调频、频移键控等传输技术进行了一定的缩减，有利于突出核心新技术的重点。

2. 新型信道编码。作为无线通信物理层关键技术之一，信道编码技术一直以来是学界和业界关注的焦点，也随着无线通信的发展而经历了多次更新换代。目前已经确定5G标准中增强移动宽带（eMBB）场景下，数据平面和控制平面所采纳的信道编码分别为低密度奇偶校验码（LDPC）和极化码，在本课程中对其进行概念和原理性介绍。同时，通过介绍我国学术界和工业界在推进极化码等专利和自主技术进入5G国际标准、增强中国话语权的角度切入，可以对学生进行生动的课程思政教育。

3. 大规模多天线技术。多输入多输出（MIMO）即多天线技术已经在4G无线通信中提出，并广泛应用于移动通信、无线局域网等系统。5G中演进出的大规模多天线技术，进一步提升了多天线空间分集和复用增益，并且产生了波束成型、混合预编码、角度域稀疏信道估计、多用户MIMO、空分多址、智能天线等一系列新技术。因此在本课程中对MIMO和大规模MIMO进行专门介绍，同时适当缩减单天线和复杂时域均衡等传统内容。

4. 新型多址接入技术。关于正交多址接入技术，其重点应当进行适当的调整，从目前实际系统中已经比较少见的、效率较低的频分多址、时分多址等传统技术，转移到正交频分多址（OFDMA）和空分多址等技术上来，加强新型正交多址技术的介绍。另外，还应该引入5G中的非正交多址接入技术，如NOMA和SCMA等技术，让学生在传统正交多址的基础上，理解非正交资源分配、串行干扰消除等新概念和技术。

5. 新型无线网络与体系架构。“无线通信原理”课程中对无线网络的介绍往往局限于固定宏基站蜂窝网络、无线自组织网络等传统网络，然而5G無线网络形态和技术都已经有了重大改变。因此，我们在介绍经典网络结构的基础上，在本课程中引入超密集组网、用户中心组网、宏-微异构网络等新概念、新型网络架构。同时，对新兴的软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）和垂直业务网络切片等5G新概念和体系架构进行介绍，开拓学生的技术视野。

四、5G无线通信技术仿真案例设计

为加深学生对5G前沿无线通信技术的理解，提升通信工程实践能力，在本课程中特别设计了一系列无线通信MATLAB仿真实例。学生通过贴近5G前沿技术的仿真实验，既能巩固课程中面向5G技术的革新教学内容、培养实际应用能力，还可以进行初步的科研训练，培养学习和研究兴趣。本课程从5G核心技术与“无线通信原理”课程密切相关的知识点切入，精心设计若干个仿真实例，包括大规模MIMO混合预编码、OFDM收发机、多天线信道估计、LDPC编解码、非正交多址接入等MATLAB仿真实例。

下面以多用户大规模MIMO混合预编码系统为例，具体介绍本课程MATLAB仿真实例的设计。大规模MIMO技术在5G研究和产业应用中已得到广泛应用，混合预编码是提升多用户复用性能、降低硬件复杂度的关键技术之一，其发射端的技术框图如图1所示。该仿真实例中，发射端将预编码划分为数字基带与模拟射频两部分，构成混合预编码架构，支持多用户接收;接收端采用全数字接收机恢复多路发送数据流，并评估通信质量。图1显示了每个独立发送数据流映射到一个独立射频链路，而每个发射天线均通过移相器与每个射频链路相连。

本实例中的具体仿真参数设置为：接收用户数为4;各个用户接收的独立数据流数为[3 2 1 2]，则总数据流数为NDS=8;发射天线数为NT=64，接收天线数分别为[12 8 4 8];调制方式为16QAM;OFDM子载波数为256，导频数为8;支持均匀线性阵列（ULA）与均匀矩形阵列（UPA）两种大规模多天线模式。

实现混合预编码需要发端已知下行信道状态信息（CSIT）。发送端各天线发送前导参考信号，接收端进行下行信道估计后，将信道状态信息反馈至发送端，发送端即可进行混合预编码设计，决定模拟射频和数字基带预编码矩阵，从而实现多用户、多数据流的空分复用。混合预编码后的发射信号3D电磁波辐射波束如图2所示，由图可见，多天线阵列辐射出若干个空间上分立的强主瓣，承载不同用户独立数据流，反映了混合预编码的空分复用效果。

该仿真实例中发送的4个用户、共8路独立OFDM数据，经过接收端MIMO均衡和解调后，其接收信号星座图如图3所示，可以看出多用户接收效果良好。

五、改进教学方法及教学效果

为了更好地配合上述课程内容和教学案例的更新和改革，提升“三全育人“的教学效果，我们相应调整优化了课程教学方法和课程考核方式。侧重过程考查，强化平时大作业考察，引入文献调研、proposal技术提案、仿真实验、小组讨论、课堂展示、互动互评等新型教学环节。通过设计这些教学环节，能够发挥学生主观能动性，鼓励学生积极开动脑筋，变被动学习交差为主动参与学习，提高兴趣的同时，还能加深对理论的理解，加深学习的印象。提高大作业的分数占比和平时成绩占比，提倡侧重贯穿学期内的全程过程考核，可以杜绝“临时抱佛脚”的突击复习应考、“考后就忘”的问题。

基于上述教改措施，本课程经过若干学年的教学改革实践，取得了良好的教学效果。上一学年度本课程的教学测评达到4.98/5，进入学院前3%，得到学生的广泛好评。在本课程中的实例仿真和调研提案等教学环节中，学生积累了初步科研经验，为本科生进入研究生阶段进一步展开通信专业的科研工作打下坚实基础。修读本课程的学生，扩展了前沿技术视野，培养了实践能力，从而在深造面试等考核中有了更加出色的发挥。

六、结束语

无线通信技术的发展日新月异，5G技术变革已经深刻影响人们的生活和产业的进步，这也对高校电子信息专业课程的教学提出了更高的要求。本文介绍的“无线通信原理”课程教学改革的探索与实践，其初衷便来自于此。实践表明，学生对新技术的兴趣和对新知识的探求是发自内心的，也是极其迫切的。将5G新技术、新理论和实际案例引入本课程的内容，是对技术进步必然要求，是培养学生专业素养的重要环节，也取得了良好的教学效果。当然，这也对任课教师的教学内容和方法都提出了更高的要求。但是，电子信息技术的突飞猛进是未来的趋势所在，而为我国培养出能够适应技术进步的信息科技人才，亦是从事信息技术高等教育工作者所肩负的重要时代使命。

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