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(yǎng)提出了新的要求，通信原理作為通信類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展持續(xù)改進。文章首先介紹了與通信原理相關(guān)的5G支撐技術(shù)，然后分析了當(dāng)前通信原理課程存在的問題，最后從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)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(guān)鍵詞]5G;通信原理;課程改革

[基金項目]2018年山東建筑大學(xué)教學(xué)改革研究項目“新工科建設(shè)背景下通信工程專業(yè)產(chǎn)教融合教學(xué)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(xué)信息與電氣工程學(xué)院講師，主要從事通信原理課程體系建設(shè)研究。

[中圖分類號] G642[文獻標(biāo)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(biāo)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(shù)據(jù)可以看出，到2030年，5G直接間接共產(chǎn)生就業(yè)機會1950萬個[1]。5G對人才的質(zhì)量和要求也很高，導(dǎo)致大多數(shù)企業(yè)對于5G人才都是“高薪難求”。山東建筑大學(xué)作為地方院校，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為特色，需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展不斷調(diào)整課程內(nèi)容，以適應(yīng)5G時代對人才的要求。

2016年，我國成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式成員，該協(xié)議是工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的國際互認(rèn)協(xié)議[2]。工程教育認(rèn)證教育理念主要有三方面：一是以學(xué)生為中心;二是以學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向;三是堅持持續(xù)改進[3]。2019年10月24日，教育部發(fā)布了關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見。意見特別指出：樹立課程建設(shè)新理念，推進課程改革創(chuàng)新，實施科學(xué)課程評價，改革教學(xué)方法[4]。通信原理作為通信類專業(yè)的核心課程之一，需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展持續(xù)改進，推進課程改革。

然而，當(dāng)前通信原理課程存在教學(xué)內(nèi)容更新慢、課程銜接較差、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問題，需要從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個方面進行課程改革。

二、與通信原理相關(guān)的5G支撐技術(shù)

ITU定義了5G的8項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：流量密度、連接密度、時延、移動性、峰值速率等。根據(jù)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(shù)進行了重新設(shè)計。

下面對與《通信原理》相關(guān)性較大的無線技術(shù)進行介紹。

（一）雙工技術(shù)

所謂雙工技術(shù)是指終端與網(wǎng)絡(luò)間上下行鏈路協(xié)同工作的模式，在現(xiàn)網(wǎng)2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)只能用一種雙工模式。5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)把FDD和TDD緊密結(jié)合在一起，通過對業(yè)務(wù)和環(huán)境的感知，智能的調(diào)整和使用雙工模式，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率、業(yè)務(wù)適配性和環(huán)境適應(yīng)性等。

（二）非正交多址技術(shù)

多址接入是移動通信的核心技術(shù)，從1G到5G，我們經(jīng)歷了FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA，這些多址接入方案都采用正交設(shè)計，來避免多用戶之間互相干擾。移動通信領(lǐng)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(jīng)采用了頻分、時分、空分、碼分等各種正交辦法，但當(dāng)正交空間耗盡時，非正交多址技術(shù)NOMA就有了用武之地。

NOMA的基本思想是，在發(fā)送端將多個UE信號疊加，占用所有時頻資源，并通過空口發(fā)送，而在接收端，基于多用戶檢測和串行干擾消除技術(shù)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(fā)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(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，增加了網(wǎng)絡(luò)的接入用戶數(shù)量，為5G支持海量連接應(yīng)用場景提供了可能。

（三）上下行傳輸方案

為了滿足各項技術(shù)指標(biāo)，5G的上下行傳輸方案做了如下調(diào)整。

三、通信原理課程存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容更新慢

通信技術(shù)發(fā)展較快，在過去的30年里，移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從語音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛躍式發(fā)展。為了滿足當(dāng)前移動數(shù)據(jù)流量和物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量的爆發(fā)式增長，5G應(yīng)運而生。與之前通信系統(tǒng)不同的是，5G是以人為中心的全連接網(wǎng)絡(luò)，除了可以顯著提升帶寬和數(shù)據(jù)流量外，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的支持是其顯著特點。相比于4G通信系統(tǒng)，5G通信系統(tǒng)從無線技術(shù)到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都發(fā)生了巨大變化。當(dāng)前通信原理課程只對基礎(chǔ)理論進行介紹，而對于5G的關(guān)鍵使能技術(shù)，如非正交多址技術(shù)和靈活雙工技術(shù)等并未涉及。這會導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)知識與當(dāng)前主流技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，致使學(xué)生畢業(yè)后無法做到學(xué)以致用。

（二）課程銜接差

通信原理作為通信類專業(yè)核心基礎(chǔ)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(shù)學(xué)理論，對高等數(shù)學(xué)、概率論等課程依賴度較高;同時，通信原理中大部分章節(jié)都涉及信號變換，對《信號與系統(tǒng)》的依賴度也較高;除此之外，通信原理對模擬電路、數(shù)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(shù)的原理進行介紹，為后續(xù)介紹特定通信系統(tǒng)的課程打下基礎(chǔ)，如移動通信、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、光纖通信、衛(wèi)星通信等。但是目前通信原理課程未對這些課程之間的關(guān)系進行介紹，造成學(xué)生無法做到有的放矢。

（三）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低

造成學(xué)生學(xué)習(xí)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(shù)學(xué)功底和邏輯思維要求較高，導(dǎo)致學(xué)生理解和記憶困難，學(xué)習(xí)難度較大，容易喪失學(xué)習(xí)興趣;二是通信原理側(cè)重原理性介紹，與實際應(yīng)用的結(jié)合性不強，使得學(xué)生誤以為該課程沒有實際應(yīng)用價值，缺乏學(xué)習(xí)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(guān)系進行梳理，造成學(xué)生理解困難，難以系統(tǒng)的掌握整個課程的知識體系，導(dǎo)致學(xué)習(xí)主動性差。

四、通信原理課程改革措施

（一）更新教學(xué)內(nèi)容

將5G關(guān)鍵技術(shù)融合到教學(xué)內(nèi)容當(dāng)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(shù)與通信原理課程的融合方法：

1.在課程導(dǎo)入部分對5G產(chǎn)生的驅(qū)動力，5G的三大應(yīng)用場景及主要支撐技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化進程及三大運營商的商用計劃進行概述。為后續(xù)介紹具體5G技術(shù)打下基礎(chǔ)。

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(guān)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(shù)和靈活雙工技術(shù)。

3.第四章4.6信道容量部分通過香農(nóng)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(shù)來增大帶寬;部分帶寬技術(shù)根據(jù)信道容量需求動態(tài)調(diào)整終端帶寬;使用大規(guī)模天線技術(shù)（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(fù)用、第八章8.3正交頻分復(fù)用和第十章10.8時分復(fù)用分別介紹了幾種多址接入技術(shù)。可以對1G的頻分復(fù)用（FDMA）、2G的時分復(fù)用（TDMA）、3G的碼分復(fù)用（CDMA）、4G的正交分頻復(fù)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(diào)制部分補充5G的上行鏈路、下行鏈路、數(shù)據(jù)信道、控制信道分別使用了哪種調(diào)制技術(shù)，并對其使用原因進行分析。

6.第八章8.3正交頻分復(fù)用補充5G中與OFDM相關(guān)的內(nèi)容，如5G New Radio（NR）支持多種OFDM子載波間隔、符號長度和循環(huán)前綴長度來適應(yīng)不同的應(yīng)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(fù)用部分補充介紹5G靈活的幀結(jié)構(gòu)，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(guān)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(dǎo)入環(huán)節(jié)對通信原理與高等數(shù)學(xué)、概率論、信號與系統(tǒng)、模擬電路、數(shù)字電路、信息論等先修課程和移動通信、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、光纖通信、衛(wèi)星通信等后修課程的關(guān)系進行概述，讓學(xué)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(tǒng)時，舉例常用的通信系統(tǒng)與后續(xù)課程的對應(yīng)關(guān)系，《移動通信》《網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》對應(yīng)移動通信系統(tǒng)，《衛(wèi)星通信》對應(yīng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，《光纖通信》對應(yīng)光纖通信系統(tǒng)等。

3.在第一章1.4節(jié)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(jié)回顧《信息論》相關(guān)內(nèi)容。

4.在第二章2.2確知信號的頻域性質(zhì)章節(jié)簡單回顧《信號與系統(tǒng)》中傅里葉級數(shù)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(chǔ)。此外，第二章用到大量《高等數(shù)學(xué)》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(guān)概念，并解釋移動通信系統(tǒng)中信道隨機和多徑效應(yīng)產(chǎn)生的具體原因，并介紹5G才被提出的遠(yuǎn)程干擾問題及解決方法。

6.在講解模擬調(diào)制系統(tǒng)時回顧《模擬電路》相關(guān)內(nèi)容;在講解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)時回顧《數(shù)字電路》相關(guān)內(nèi)容。

（三）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

通過多種方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具體措施：

1.與課程思政相結(jié)合，增加學(xué)習(xí)趣味性。介紹中國在5G技術(shù)發(fā)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(yè)的標(biāo)準(zhǔn)代表在5G標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP中擔(dān)任重要職位，中國企業(yè)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(guī)幅度調(diào)制AM、雙邊帶調(diào)制DSB、單邊帶調(diào)制SSB、殘留邊帶調(diào)制VSB四種調(diào)制方式由于有效性和可靠性的不同，使得適用領(lǐng)域不同。

2.與具體應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)習(xí)積極性。如在講解mini-slot原理時，介紹該技術(shù)主要用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造、車聯(lián)網(wǎng)等低時延高可靠場景;在講解NOMA原理時介紹該技術(shù)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(dǎo)圖，提高知識點邏輯性。將整個課程每章之間的邏輯關(guān)系和每個章節(jié)各知識點之間的邏輯關(guān)系繪制思維導(dǎo)圖，有助于學(xué)生整體把握本門課程的內(nèi)容。

五、結(jié)束語

5G商用的提速，對新型5G應(yīng)用型人才提出了新的要求，也為應(yīng)用型本科院校通信類專業(yè)課程改革帶來了新的挑戰(zhàn)。通信原理作為通信類專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，是進行課程改革的關(guān)鍵一環(huán)。在全面分析當(dāng)前通信原理課程存在的問題后，提出從更新教學(xué)內(nèi)容、加強課程銜接、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣等多個改革措施，力求使得通信原理課程跟上5G技術(shù)發(fā)展，滿足應(yīng)用型本科的培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻

[1]中國信息通信研究院.5G經(jīng)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(xiàn)國際多邊互認(rèn)[N].中國教育報， 2016-06-03（001）.

[3]中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會.工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/index.html，2017-11.

[4]教育部.關(guān)于一流本科課程建設(shè)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(yè)出版社， 2014：1-326.