民航領(lǐng)域5G加速推進(jìn)背景下通信原理與系統(tǒng)課程教學(xué)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(fā)展規(guī)劃中明確指出，大力開展5G加速推進(jìn)背景下專業(yè)課程教學(xué)創(chuàng)新方面的研究。中國民航大學(xué)通信原理與系統(tǒng)課程組立足民航發(fā)展需求，緊跟技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的趨勢，重組教學(xué)內(nèi)容，深拓教學(xué)資源，探索多元化考核方式，開展“行業(yè)為要、內(nèi)容為新”的課程教學(xué)改革，為民航5G加速推進(jìn)背景下的課程建設(shè)提供參考和應(yīng)用實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：通信原理與系統(tǒng)；民航寬帶通信技術(shù)；5G；6G；教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展，目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入5G時代，6G的研發(fā)工作也已經(jīng)在多個國家啟動。2021年4月，中國民用航空局發(fā)布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》，明確提出以5G為代表的新一代航空移動通信技術(shù)應(yīng)用于中國民航系統(tǒng)的實(shí)施路徑。此外，《中國交通教育研究會“十四五”交通教育科研發(fā)展規(guī)劃》中也明確指出大力開展5G加速推進(jìn)背景下交通運(yùn)輸類專業(yè)人才培養(yǎng)模式及專業(yè)課程教學(xué)創(chuàng)新方面的研究。因此，作為中國民航大學(xué)這樣一所具有民航特色的行業(yè)院校，開展民航領(lǐng)域5G加速推進(jìn)背景下課程教學(xué)改革具有重要意義[1-2]。

通信原理與系統(tǒng)是中國民航大學(xué)電子與信息工程重要的專業(yè)必修課之一，主要包括通信原理和通信系統(tǒng)兩部分內(nèi)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(tǒng)。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，作為中國民航大學(xué)與5G/6G通信技術(shù)、民航通信技術(shù)聯(lián)系最為密切的課程之一，通信原理與系統(tǒng)課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行內(nèi)容的更新和改革，緊跟技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的趨勢。當(dāng)前該課程的授課內(nèi)容存在以下幾點(diǎn)問題[3-4]：①通信原理只對基礎(chǔ)理論進(jìn)行介紹，而對于5G的關(guān)鍵技術(shù)并未涉及。由于2019年起5G已經(jīng)商用，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)。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(dāng)前主流的4G編碼方式相關(guān)的理論內(nèi)容篇幅很少，所以應(yīng)該增加4G編碼方式的篇幅，并補(bǔ)充5G編碼方式相關(guān)的內(nèi)容。③通信系統(tǒng)部分主要講解已經(jīng)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(shù)如何與5G結(jié)合在民航展開應(yīng)用沒有涉及，而這是民航地空通信未來發(fā)展的方向。④對于2019年開始已經(jīng)啟動，現(xiàn)在正在研發(fā)階段的6G技術(shù)完全沒有涉及。

針對以上問題，課程組立足民航發(fā)展需求，重組教學(xué)內(nèi)容，深拓教學(xué)資源，探索多元化考核方式，開展民航領(lǐng)域5G加速推進(jìn)背景下通信原理與系統(tǒng)課程教學(xué)改革。本次教學(xué)改革的特色主要包括：①緊密結(jié)合民航發(fā)展戰(zhàn)略，介紹5G通信技術(shù)在民航航空通信發(fā)展趨勢，使學(xué)生了解民用航空通信技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)。②緊跟通信技術(shù)前沿，充分利用第二/第四課堂，開展5G/6G新技術(shù)的學(xué)習(xí)。

一? 重組教學(xué)內(nèi)容

課程組重新梳理與通信原理相關(guān)的5G關(guān)鍵技術(shù)、民用航空通信技術(shù)發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)，對本課程的知識體系、重要知識點(diǎn)進(jìn)行了革新，引入了5G、6G標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)中的新理論、新概念、新技術(shù)，對傳統(tǒng)老舊的知識點(diǎn)或者實(shí)用性已經(jīng)明顯降低的內(nèi)容適當(dāng)縮減和弱化。充分利用第二/四課堂教學(xué)，重組教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)適合教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)實(shí)施方案，言傳身教，引導(dǎo)學(xué)生勇于探索和創(chuàng)新[5-10]。

“四個課堂”，即課堂教學(xué)為第一課堂、文化活動為第二課堂、技能實(shí)踐為第三課堂和網(wǎng)絡(luò)陣地為第四課堂。電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案中通信原理與系統(tǒng)課程共54個學(xué)時，其中包括第一課堂理論教學(xué)44個學(xué)時，第三課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)4個學(xué)時，第二/第四課堂教學(xué)6個學(xué)時。表1給出如何在改革中加入5G/6G等相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法。

（一）? 5G關(guān)鍵技術(shù)：新型雙工技術(shù)

在通信原理部分“1.3通信系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)“新型雙工技術(shù)”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(shù)，并介紹5G網(wǎng)絡(luò)對雙工方式的總體要求。

（二）? 5G關(guān)鍵技術(shù)：毫米波通信和大規(guī)模多天線技術(shù)

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(tǒng)是在用戶需求不斷增長、相關(guān)技術(shù)條件日趨成熟的環(huán)境中發(fā)展而來的。為什么5G通信系統(tǒng)采用毫米波傳輸技術(shù)？為了適應(yīng)環(huán)境的變化，5G通信系統(tǒng)采用了毫米波傳輸技術(shù)，因?yàn)楹撩撞l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(tǒng)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(shù)量，可是隨之帶來的問題是成本激增。由此可見，通信系統(tǒng)中各要素之間是互相聯(lián)系、相互制約，牽一發(fā)而動全身的。

在講授通信原理部分“4.6信道容量”香農(nóng)定理時，介紹MIMO技術(shù)。為了應(yīng)對成本激增的挑戰(zhàn)，5G通信系統(tǒng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。同時，5G通信系統(tǒng)利用毫米波波長短導(dǎo)致天線尺寸可以設(shè)計(jì)得很小的特點(diǎn)，在基站和終端都采用了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多進(jìn)多出）傳輸技術(shù)。尤其是在基站側(cè)采用了Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規(guī)模多輸入多輸出）天線陣列技術(shù)，在進(jìn)一步增大通信系統(tǒng)容量的同時，基于大規(guī)模天線實(shí)現(xiàn)波速賦型技術(shù)，在一定程度上克服了毫米波傳播衰減快的缺點(diǎn)。在4G系統(tǒng)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MIMO技術(shù)，5G系統(tǒng)的Massive MIMO極大地提升了天線的數(shù)量，基站側(cè)可配置64/128/256根天線，大幅提高了系統(tǒng)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(yàn)。在用戶終端完成配對的情況下，可以復(fù)用相同的時頻資源，傳輸更多的比特流到達(dá)對端。

（三）? 5G關(guān)鍵技術(shù)：正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)

在講授通信原理部分“5.6頻分復(fù)用”時，加入了對多址技術(shù)的介紹。多址接入是移動通信的核心技術(shù)，從1G到5G， 我們經(jīng)歷了頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、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(shè)計(jì)，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(shù)突破基本上集中體現(xiàn)在空口傳輸技術(shù)上。

此外，在講授通信原理“第8章 新型調(diào)制技術(shù)”中，因?yàn)?G中采用了高階正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）和5G基于子帶濾波的正交頻分復(fù)用（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing， F-OFDM），如圖1所示。因此介紹了正交振幅調(diào)制QAM和正交頻分復(fù)用F-OFDM的需求背景和設(shè)計(jì)思想。QAM是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式，頻譜利用率高，在中大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。F-OFDM是一類多載波并行調(diào)制體制，將高速數(shù)據(jù)流分散調(diào)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?yàn)樽有诺郎系男盘枎捫∮谛诺赖南嚓P(guān)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?dāng)_，提高抗多徑和抗衰落的能力。

（四）? 5G通信技術(shù)在民航航空通信發(fā)展趨勢

在講授通信系統(tǒng)時加入民用航空通信技術(shù)發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)的內(nèi)容。從陸地空域、機(jī)場場面、跨洋/偏遠(yuǎn)地區(qū)空域幾種航空通信場景介紹航空通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了航空移動服務(wù)和旅客通信服務(wù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。結(jié)合國內(nèi)外研究情況，總結(jié)了民用航空通信技術(shù)的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)，給出了航空移動通信發(fā)展的相關(guān)建議。

此外，加入5G通信技術(shù)在民航航空通信應(yīng)用場景探索的內(nèi)容，如圖2所示。新一代航空寬帶通信技術(shù)在民航領(lǐng)域應(yīng)用場景主要包括機(jī)場空側(cè)場面區(qū)域、機(jī)場陸側(cè)航站樓區(qū)域、航路飛行階段和機(jī)場飛行階段。根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同，各場景對通信技術(shù)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(shè)置各類應(yīng)用場景的技術(shù)演進(jìn)路線與過渡方案，建立我國主導(dǎo)的 航空5G機(jī)場場面寬帶移動通信系統(tǒng)（5G Aeronautical Mobile Airport Communication System，5G AeroMACS）、5G L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS）的民航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和設(shè)備研發(fā)應(yīng)用體系，能夠提供5G公網(wǎng)與專網(wǎng)相結(jié)合、安全通信與非安全通信相結(jié)合的解決方案，占據(jù)新一代航空寬帶通信技術(shù)應(yīng)用高點(diǎn)。

二? 深拓教學(xué)資源

課程組在重組教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，深拓教學(xué)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(shè)、超星學(xué)習(xí)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(diǎn)進(jìn)行了梳理，在部分教學(xué)內(nèi)容中加入了對應(yīng)的思政要素，制作了微視頻對應(yīng)的PPT、撰寫了對應(yīng)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(xí)題的微視頻，這些視頻已經(jīng)上傳到超星學(xué)習(xí)通上，學(xué)生可以在課下反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。從學(xué)生的反饋中看出，這部分錄制的視頻對學(xué)生的學(xué)習(xí)是有幫助的。

（二）? 完成5G/6G及民航通信知識庫的建設(shè)

除了在課程教學(xué)中融入5G、6G的知識，課程組還搜集整理了和通信新技術(shù)相關(guān)的PPT、視頻、音頻、論文、文件和標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，發(fā)布在超星學(xué)習(xí)通平臺的資料中，見表2。充分利用“四個課堂”，開展5G/6G技術(shù)拓展調(diào)研。課程組在超星學(xué)習(xí)通平臺上會定期提出一些討論的題目，比如：“5G已經(jīng)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，未來6G通信技術(shù)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(yīng)用場景。”很多同學(xué)都在學(xué)習(xí)通中參與討論，提出自己的看法。

（三）? 完成超星學(xué)習(xí)通線上平臺的搭建

課程組完成超星學(xué)習(xí)通平臺的建設(shè)，主要包括教案、章節(jié)、資料、通知、作業(yè)、考試、討論和統(tǒng)計(jì)等功能，如圖3、圖4所示。教師在PC端上傳電子教案，學(xué)生可自行下載。課程資料主要包括思政庫關(guān)于5G/6G相關(guān)的論文、與5G通信技術(shù)在民航航空應(yīng)用相關(guān)的文件和標(biāo)準(zhǔn)、通信原理微視頻和課程組錄制的習(xí)題講解視頻等。學(xué)生在學(xué)習(xí)通上完成課上測試、章節(jié)測試、課后作業(yè)。學(xué)習(xí)通還支持知識圖譜的構(gòu)建，可以通過大綱模式、思維導(dǎo)圖模式、圖譜模式設(shè)置課程知識圖譜，并把每道測試題、作業(yè)題和知識圖譜中的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來。

三? 多元化考核方式和教學(xué)實(shí)踐

（一）? 多元化考核方法

圍繞知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造的“三位一體”育人理念，構(gòu)建包含平時成績、考試成績、實(shí)驗(yàn)成績和大報告成績多種標(biāo)準(zhǔn)的課程評價體系，確保整體課程目標(biāo)的達(dá)成。總評成績=平時成績×15%+實(shí)驗(yàn)成績×15%+第二/四課堂大作業(yè)×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(xué)習(xí)、線上隨堂練習(xí)、線上章節(jié)測驗(yàn)和線上作業(yè)，各項(xiàng)占比可以在學(xué)習(xí)通上設(shè)置，自動統(tǒng)計(jì)學(xué)生的平時成績；實(shí)驗(yàn)成績包括實(shí)驗(yàn)報告，本學(xué)期采用線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；期末考試成績?yōu)榫€下終結(jié)性測試。

多元化考核方法的優(yōu)點(diǎn)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(dá)成情況；②測評技術(shù)由單一紙筆轉(zhuǎn)變?yōu)槔闷脚_和智慧教學(xué)工具進(jìn)行的線上+線下、課前+課中+課后全過程評價；③基于平臺進(jìn)行學(xué)生數(shù)據(jù)的采集、存儲、自動統(tǒng)計(jì)分析；④評價由關(guān)于學(xué)習(xí)成績的終結(jié)性評價轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)感受與學(xué)習(xí)績效的多元化綜合評價。

（二）? 教學(xué)實(shí)踐

教學(xué)改革的建設(shè)成果已經(jīng)在2023年秋季電子信息工程通信原理與系統(tǒng)課程中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，主要包括課堂教學(xué)、課下自學(xué)、第二/四課堂教學(xué)。課程結(jié)束后，對選課的學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。圖5列出調(diào)查問卷主要調(diào)研問題的結(jié)果，結(jié)果顯示學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)平臺及考核方式是滿意的。

四? 結(jié)論

“非新無以為進(jìn)，非舊無以為守”，專業(yè)基礎(chǔ)課程不能過分強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性和傳承性，而忽視時代性和前沿性。隨著通信技術(shù)突飛猛進(jìn)、日新月異的進(jìn)展，目前，通信技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入5G時代。5G標(biāo)準(zhǔn)和5G移動通信系統(tǒng)已經(jīng)在中國、韓國、日本和美國等國家正式落地商用，6G的研發(fā)工作也已經(jīng)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(shù)應(yīng)用于中國民航系統(tǒng)的實(shí)施路徑。通信原理與系統(tǒng)課程組以“內(nèi)容為要”，因時而進(jìn)，重組教學(xué)內(nèi)容，緊跟通信技術(shù)進(jìn)步的趨勢。以“行業(yè)為先”，深度了解民航通信未來的應(yīng)用需求，緊跟民用航空通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，培養(yǎng)高素質(zhì)、專業(yè)化民航通信人才。

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