“移動通信原理”課程教學改革探索

陳穎玚

摘要針對“移動通信原理”現有課程教學中存在的問題，結合當前移動通信系統發展趨勢，本文提出教學改革探索方案。在教學內容安排上，對移動通信的理論體系、重要知識進行了梳理和調整，合理分配課時；選取4G和5G移動通信系統為代表，講解核心特征和關鍵技術。在仿真實踐方面，設計貼近移動通信基礎原理和前沿技術的仿真實驗，鞏固課程知識，加深對關鍵技術的理解。

關鍵詞 移動通信 4G 5G 教學探索

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.21.046

Exploration on the Teaching Reform of "Mobile Communication Principle"

CHEN Yingyang

（College of Information Science and Technology， Jinan University， Guangzhou， Guangdong 510632）

AbstractIn view of the existing problems in the teaching of "mobile communication principle"， combined with the current development trend of mobile communication system，this paper puts forward the exploration scheme of teaching reform. In the arrangement of teaching content， it combs and adjusts the theoretical system and important knowledge of mobile communication， and reasonably allocates class hours； 4Gand 5Gmobile communicationsystems are selected as representatives to explain the core features and key technologies. In the aspect of simulation practice， simulation experiments close to the basic principles and cutting-edge technologies of mobile communication are designed to consolidate the course knowledge and deepen the understanding of key technologies.

Keywordsmobile communication； 4G； 5G； teaching exploration

0概述

近年來，隨著多媒體數據通信需求的不斷增長，移動通信系統快速迭代，新技術新理論層出不窮。“移動通信原理”作為電子信息類專業基礎課，對本科生建立通信基礎知識體系、理解移動通信系統關鍵特性、加強工程實踐能力具有重要作用。學好這門課程需要一系列數學基礎課、專業核心課的知識積累，同時也要求教師對行業發展有較好的把握和前瞻。因此，這門課程的教學一直以來都是通信專業課程中的重點和難點。[1][2]

隨著通信技術的快速發展，目前移動通信系統已全面進入4G和5G的時代。作為與4G和5G聯系最為緊密的課程之一，“移動通信原理”的教學應當結合當前技術發展現狀，反應未來發展趨勢。然而，目前本課程的教學存在一些問題，主要是教學內容老舊、仿真實例欠缺、課時分配不合理等，[3][4]需要對本課程的教學內容進行了重新整合和設計。

為此，我們針對上述問題對本課程的教學改革進行探索。首先，在教學內容安排上，一方面我們對移動通信的重要知識進行了梳理，注重知識體系的構建；另一方面我們以 4G和5G移動通信系統為主要案例，講解核心特征和關鍵技術，強調理論知識在實際系統中的體現。在仿真案例設計方面，本課程設計了一系列移動通信MATLAB仿真實例，學生通過貼近前沿的仿真實驗，鞏固理論基礎知識的同時，加深對關鍵使能技術的理解。

1現有教學存在的問題和改進思路

“移動通信原理”是高校通信工程、電子信息工程、電子科學與技術等專業的一門重要專業課，為本科高年級學生講授現代移動通信系統的基本理論、關鍵技術、體系結構及移動通信組網等基本技術。以往的課程較為詳細地講述2G/3G移動通信系統。然而，這些知識相對比較老舊，花費較多課時講授目前已不再是主流的通信系統，而對當下實用的和前沿的技術著墨較少，使得整個課程內容不夠全面實用，無法及時跟進當前發展現狀和趨勢，使學生的知識面和視野受到局限。

另外，現有課程的教學形式比較單一，以老師上課講解為主，對于一些新一代移動通信系統發展的使能技術缺少結合實踐的練習，學生難以通過自主實踐加深對關鍵技術核心本質的理解。原有課本上主要采用MALTAB對基本的通信調制方案進行仿真，滯后于行業技術發展，難以調動學生的學習和研究興趣，需要進行更新。

同時，“移動通信原理”課程屬于專業選修課，分配了32個課時，2學分。近三十年來移動通信行業獲得了空前發展，各種新技術層出不窮，移動通信系統更新迭代迅速。因此，課程需要對移動通信的一系列基本概念、關鍵技術、相關應用等做介紹，課程內容繁多，與課程分配的課時數不匹配，需要對教學內容的課時分配做出調整。[5]

作為一門重要的專業核心課程，本課程的講授內容一是要能清楚地闡述移動通信的基本概念和關鍵技術；二是要求及時反應當下主流和前沿，與通信技術快速迭代相適應；三是要緊密聯系實際工程應用，剖析關鍵問題所在。針對上文提及的問題和需求，我們對本課程的教學內容進行了重新整合和設計，以“搭建知識體系”和“刻畫關鍵特性”為兩大內容模塊。一方面，我們對移動通信的理論體系、重要知識進行了梳理和調整，對實用性已經明顯降低的內容適當縮減和弱化，注重移動通信基礎知識體系的構建。另一方面，我們以4G和5G移動通信系統為主要案例，講解其核心特征和關鍵技術，呼應移動通信基礎理論部分的內容，遵循從理論到工程的發展思路。為加深學生對移動通信系統核心使能技術的理解，本課程特別設計了一系列移動通信MATLAB仿真實例。學生通過貼近4G和5G前沿技術的仿真實驗，既能鞏固課程講授的移動通信理論基礎知識，還可以加深對關鍵技術的理解，培養研究興趣。

2移動通信基礎知識體系構建

為使課程內容緊跟移動通信發展前沿，我們對本課程的知識體系、重要理論進行了梳理和調整，著重用于移動通信基礎知識體系的構建，主要按以下幾個部分展開講解。

2.1無線信道帶來的挑戰

克服無線信道的影響是移動通信最關鍵的問題之一。為此，大量的先進技術在移動通信系統中得以使用。這部分首先介紹由于距離而引起的路徑損耗和由于地形的遮擋而引起的陰影衰落，統稱為大尺度衰落。然后通過介紹無線信道存在多徑效應，引入小尺度衰落。在這里，需要帶領學生厘清兩種關系：信道的時間選擇性是由多普勒頻移引起的，頻率選擇性是由時延擴展引起的。這是移動通信非常基本的概念，通信人超過一半的努力是在與這兩個選擇性作斗爭。無線信道部分的講解重在讓學生理解移動通信面臨的核心挑戰。

2.2抗衰落的技術思路

對抗無線信道的衰落特性是移動通信必須認真解決的問題。我們重點講解均衡和分集兩類技術。多徑信道引起的時延擴展帶來了符號間干擾，給通信帶來不好的影響，消除符號間干擾的技術叫作均衡，其核心思想是“抹去”信道的影響。相比之下，分集技術是令信號經歷多次衰落，“分擔”信號受到深衰落的風險；分集技術可以利用一切具有獨立衰落的信道資源，例如時間、頻率、空間、極化方向等，將不同衰落的信號聯合進行解調，可以獲得較平穩的增益。這部分重點在于帶領學生理解抗衰落技術的兩大解決思路。

2.3多天線技術

多天線技術是4G和5G移動通信系統的重要使能技術。可以從奇異值分解切入解讀多天線技術，等效為若干個互不干擾的并行信道，能為學生提供較為直觀的視角，去理解多天線技術因為提供多個自由度從而可以獲得分集增益和復用增益。進一步，我們以BLAST系統和Alamouti編碼為代表分別闡述多天線的復用方案和分集方案。尤其是Alamouti編碼樸實的構造，強調創新價值所在，由此引發的空時編碼研究領域對移動通信產生了深遠的影響。

2.4多址技術

多址技術在移動通信當中占據著重要的地位。原有課程的講授在FDMA、TDMA和CDMA著墨較多，分別對應第一代到第三代移動通信系統，無法跟上更新迭代的腳步。該部分我們增加并著重講解OFDM和OFDMA的技術原理，對應4G和5G移動通信系統的多址方案。講解的過程應強調OFDM的框圖流程和兩大核心操作——逆傅里葉變換和加入循環前綴，解釋其能夠克服多徑效應和多用戶間干擾的根本原因。

3 4G關鍵特性講解和5G前沿技術展望

在講授完移動通信基礎理論后，我們講解具體的移動通信系統。4G移動通信系統（LTE）作為當前成功商用的成熟方案，是緊跟發展趨勢的課程內容。我們將按照LTE總體技術發展、LTE無線關鍵技術、LTE進一步演進的思路進行講授。首先概述LTE的出現背景，讓學生們理解新一代移動通信系統的出現不僅僅是來自技術發展的推動，還是多方力量角逐的結果。為了突出重點、抓住創新本質，我們重點講解LTE三大核心創新，即扁平網絡、正交頻分多址系統、多天線技術，從原理上向學生講透為何這些創新能滿足LTE設計的主要指標。在講解具體的移動通信系統時，應注意呼應移動通信基礎理論部分的內容，遵循從理論到工程的發展思路。

為使課程內容緊跟移動通信發展前沿，我們引入了5G標準和系統，按照5G發展需求與挑戰、5G基本特征、5G關鍵傳輸技術展開講解。剖析發展5G面臨的核心問題仍然是容量需求和頻譜短缺的矛盾。為了解決這一核心矛盾，5G是從開發新頻譜、增強無線傳輸和接入、變革無線網絡架構三個方向去提供解決思路。此處，我們選取一些5G的重要使能技術，比如毫米波通信、大規模MIMO、認知無線電、超密集組網等，闡述技術核心原理和創新本質，引導學生理解這些技術為什么能為解決5G發展需求提供思路。

4課程仿真案例設計

為加強學生對移動通信基礎理論和關鍵技術的理解，提升工程實踐能力，本課程精心設計五個MATLAB仿真實例，包括無線信道小尺度衰落模型仿真、ZF和MMSE均衡器、V-BLAST系統、Alamouti編碼、OFDM收發機。此處詳細介紹Alamouti編碼這一仿真案例，該練習旨在幫助學生理解多天線技術提供分集增益的好處，以及利用多天線獲取分集增益的條件。

【題目設計】考慮SISO、兩接收天線SIMO，兩發射天線加Alamouti編碼的MISO、兩發射天線不加Alamouti編碼MISO和兩發兩收MIMO五個系統，在MATLAB中仿真對比在BPSK調制、各天線間互不相關的瑞利信道和高斯噪聲下的BER性能。

（提示：利用MATLAB自帶函數randint產生隨機序列進行BPSK調制，利用randn分別產生信道和噪聲的分量矩陣，分別與BPSK調制信號相乘和相加后，根據不同的系統結構進行相應的解調處理。）

【參考答案】仿真結果如圖1所示。由圖可見，不加STBC（Alamouti編碼）的MISO相對于SISO只有增加一根天線帶來的3dB信噪比增益，但無分集增益，采用STBC的MISO與SIMO都分別獲得了發射和接收分集增益，采用STBC的MIMO同時獲得了發射和接收分集增益。所以，移動通信系統利用多天線獲得分集增益需要滿足以下三個條件：信道提供分集增益，發射端合理設計利用分集增益，接收端收集分集增益，三者缺一不可。

5結束語

移動通信技術日新月異的發展已深刻影響著現代社會的方方面面，“移動通信原理”課程的教學也需要結合當前技術發展的新趨勢，及時做出調整。本文結合“移動通信原理”的課程特點，在教學內容安排和仿真案例設計兩大方面提出教學改革探索。這些探索旨在向學生刻畫移動通信的理論基石和上層建筑，幫助學生構建移動通信知識體系，引導他們在研究生或未來工作階段按圖索驥、去到感興趣的細分方向深耕發展，成為適應技術進步的科技人才。

基金項目：2021年國家自然科學基金項目“車載網絡中基于非正交多址接入的通信-緩存-計算協同優化與安全共享”（編號：62001191）；2020年暨南大學中央高校基本科研業務費青年基金項目（編號：21620351）

參考文獻

[1]王晶.“新工科”背景下“移動通信”課程教學探索[J].工業和信息化教育，2019（8）：35-37.

[2]章國安，朱曉軍，金麗，等.移動通信課程教學模式改革研究與實踐[J].高教學刊，2017（19）：138-140.

[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]朱娟.基于“移動通信”課程的“金課”建設探索研究[J].工業和信息化教育，2021（01）：62-66，71.

[5]羅軼，佘青青，程俊，等.“新工科”背景下“移動通信”雙語課程教學改革研究[J].湘南學院學報，2021，42（02）：95-98.