5G背景下通信原理课程改革探讨

马路娟 许鸿奎 孙雪梅 郝丽丽 宫淑兰

[摘 要]5G时代对通信人才的培养提出了新的要求，通信原理作为通信类专业的核心基础课程需要根据技术发展持续改进。文章首先介绍了与通信原理相关的5G支撑技术，然后分析了当前通信原理课程存在的问题，最后从教学方法和教学内容两个方面对5G背景下通信原理课程改革进行了深入探讨。

[关键词]5G;通信原理;课程改革

[基金项目]2018年山东建筑大学教学改革研究项目“新工科建设背景下通信工程专业产教融合教学改革研究与实践”（0101718）

[作者简介]马路娟（1985—），女，山东济南人，博士，山东建筑大学信息与电气工程学院讲师，主要从事通信原理课程体系建设研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）32-0183-03[收稿日期] 2020-05-28

一、引言

2019年10月31日，三大运营商公布5G商用套餐，并于11月1日正式上线5G商用套餐，标志着中国正式进入5G商用时代。随着5G的商用，5G人才需求增长势头十分迅猛。从信通院公布的数据可以看出，到2030年，5G直接间接共产生就业机会1950万个[1]。5G对人才的质量和要求也很高，导致大多数企业对于5G人才都是“高薪难求”。山东建筑大学作为地方院校，以培养应用型人才为特色，需要根据技术发展不断调整课程内容，以适应5G时代对人才的要求。

2016年，我国成为《华盛顿协议》第18个正式成员，该协议是工程教育本科专业认证的国际互认协议[2]。工程教育认证教育理念主要有三方面：一是以学生为中心;二是以学生的学习产出为导向;三是坚持持续改进[3]。2019年10月24日，教育部发布了关于一流本科课程建设的实施意见。意见特别指出：树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学课程评价，改革教学方法[4]。通信原理作为通信类专业的核心课程之一，需要根据技术发展持续改进，推进课程改革。

然而，当前通信原理课程存在教学内容更新慢、課程衔接较差、学生学习兴趣不高等问题，需要从教学内容和教学方法两个方面进行课程改革。

二、与通信原理相关的5G支撑技术

ITU定义了5G的8项关键技术指标：流量密度、连接密度、时延、移动性、峰值速率等。根据ITU的要求，5G的流量密度要达到10Tbps/km2，连接密度要达到1M/km2，时延达到1ms，移动性达到500km/h，用户体验速率达到100Mbps，峰值速率达到10Gbps。为了满足以上要求，5G的空口技术进行了重新设计。

下面对与《通信原理》相关性较大的无线技术进行介绍。

（一）双工技术

所谓双工技术是指终端与网络间上下行链路协同工作的模式，在现网2G、3G和4G网络中主要采用两种双工方式，即频分FDD和时分双工TDD，且每个网络只能用一种双工模式。5G网络对双工方式的总体要求是：

（1）支持对称频谱和非对称频谱;

（2）支持uplink、downlink、sidelink、backhaul;

（3）支持灵活双工（flexible dulplex）;

（4）支持全双工（full dulplex）;

（5）支持TDD上下行灵活可配置。

5G网络把FDD和TDD紧密结合在一起，通过对业务和环境的感知，智能的调整和使用双工模式，提高了整个网络的频谱效率、业务适配性和环境适应性等。

（二）非正交多址技术

多址接入是移动通信的核心技术，从1G到5G，我们经历了FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA，这些多址接入方案都采用正交设计，来避免多用户之间互相干扰。移动通信领域一直致力于通过无线电波的正交性来提升频谱效率，我们已经采用了频分、时分、空分、码分等各种正交办法，但当正交空间耗尽时，非正交多址技术NOMA就有了用武之地。

NOMA的基本思想是，在发送端将多个UE信号叠加，占用所有时频资源，并通过空口发送，而在接收端，基于多用户检测和串行干扰消除技术来逐个解码信号，提取有用信号。

NOMA主要有两种方式：基于码域和基于功率域。基于码域，即为每个用户分配非正交扩展码（与WCDMA码相似，不同之处在于WCDMA码是正交的）。基于功率域，即在发送端每个用户信号以不同的功率电平叠加。

NOMA可显著提升移动通信网络的频谱效率，增加了网络的接入用户数量，为5G支持海量连接应用场景提供了可能。

（三）上下行传输方案

为了满足各项技术指标，5G的上下行传输方案做了如下调整。

三、通信原理课程存在的问题

（一）教学内容更新慢

通信技术发展较快，在过去的30年里，移动通信系统经历了从语音业务到数据业务的飞跃式发展。为了满足当前移动数据流量和物联网连接数量的爆发式增长，5G应运而生。与之前通信系统不同的是，5G是以人为中心的全连接网络，除了可以显著提升带宽和数据流量外，对物联网应用场景的支持是其显著特点。相比于4G通信系统，5G通信系统从无线技术到网络架构都发生了巨大变化。当前通信原理课程只对基础理论进行介绍，而对于5G的关键使能技术，如非正交多址技术和灵活双工技术等并未涉及。这会导致学生所学知识与当前主流技术严重脱节，致使学生毕业后无法做到学以致用。

（二）课程衔接差

通信原理作为通信类专业核心基础课程，在整个课程体系中起到承上启下的作用。通信原理先修课程较多，通信原理课程中涉及大量的数学理论，对高等数学、概率论等课程依赖度较高;同时，通信原理中大部分章节都涉及信号变换，对《信号与系统》的依赖度也较高;除此之外，通信原理对模拟电路、数字电路、信息论等课程也有一定程度的依赖。通信原理对通信技术的原理进行介绍，为后续介绍特定通信系统的课程打下基础，如移动通信、网络优化、光纤通信、卫星通信等。但是目前通信原理课程未对这些课程之间的关系进行介绍，造成学生无法做到有的放矢。

（三）学生学习兴趣低

造成学生学习兴趣低的原因主要有三个：一是通信原理理论性强，公式繁多，对数学功底和逻辑思维要求较高，导致学生理解和记忆困难，学习难度较大，容易丧失学习兴趣;二是通信原理侧重原理性介绍，与实际应用的结合性不强，使得学生误以为该课程没有实际应用价值，缺乏学习动力;三是通信原理课程概念、原理和公式较多，若不对知识点之间的逻辑关系进行梳理，造成学生理解困难，难以系统的掌握整个课程的知识体系，导致学习主动性差。

四、通信原理课程改革措施

（一）更新教学内容

将5G关键技术融合到教学内容当中，下面以樊昌信的通信原理第七版[5]（P1-326）为例，介绍5G技术与通信原理课程的融合方法：

1.在课程导入部分对5G产生的驱动力，5G的三大应用场景及主要支撑技术，标准化进程及三大运营商的商用计划进行概述。为后续介绍具体5G技术打下基础。

2.第一章1.3.2通信方式部分介绍了按照消息传递的方向与时间关系，通信方式可以分为单工、半双工及全双工通信。在该次课程中补充5G的全双工技术和灵活双工技术。

3.第四章4.6信道容量部分通过香农公式分析了提高信道容量的方法包括增大带宽和降低干扰。5G将原有4G的40MHz带宽提高到低频100MHz、高频400MHz带宽，并使用载波聚合技术来增大带宽;部分带宽技术根据信道容量需求动态调整终端带宽;使用大规模天线技术（massive MIMO）和非正交多址接入（NOMA）降低用户间干扰。

4.第五章5.6频分复用、第八章8.3正交频分复用和第十章10.8时分复用分别介绍了几种多址接入技术。可以对1G的频分复用（FDMA）、2G的时分复用（TDMA）、3G的码分复用（CDMA）、4G的正交分频复用（OFDM）和5G的非正交多址接入（NOMA）原理进行串讲。

5.第八章8.1 正交振幅调制部分补充5G的上行链路、下行链路、数据信道、控制信道分别使用了哪种调制技术，并对其使用原因进行分析。

6.第八章8.3正交频分复用补充5G中与OFDM相关的内容，如5G New Radio（NR）支持多種OFDM子载波间隔、符号长度和循环前缀长度来适应不同的应用场景;5G新波形包括上下行同时支持CP-OFDM，并在上行链路支持DFT-S-OFDM用于扩展覆盖场景。

7.第十章10.8时分复用部分补充介绍5G灵活的帧结构，5G通过mini-slot来降低时延，主要用于低时延高可靠场景。

（二）加强课程衔接

将通信原理与其他课程的关系进行梳理，下面以樊昌信通信原理第七版为例，介绍通信原理与其他课程的衔接：

1.首先在课程导入环节对通信原理与高等数学、概率论、信号与系统、模拟电路、数字电路、信息论等先修课程和移动通信、网络优化、光纤通信、卫星通信等后修课程的关系进行概述，让学生对整个课程体系有一个直观的了解。

2.在第一章介绍通信系统时，举例常用的通信系统与后续课程的对应关系，《移动通信》《网络优化》对应移动通信系统，《卫星通信》对应卫星通信系统，《光纤通信》对应光纤通信系统等。

3.在第一章1.4节信息及其度量及、第十章信源编码、第十一章差错控制编码、第十二章正交编码与伪随机序列等章节回顾《信息论》相关内容。

4.在第二章2.2确知信号的频域性质章节简单回顾《信号与系统》中傅里叶级数与傅里叶变换的概念，为计算功率信号的频谱和能量信号的频谱密度打下基础。此外，第二章用到大量《高等数学》中积分的计算方法，需要进行简单回顾。

5.第三章随机过程需要简单回顾《概率论》的相关概念，并解释移动通信系统中信道随机和多径效应产生的具体原因，并介绍5G才被提出的远程干扰问题及解决方法。

6.在讲解模拟调制系统时回顾《模拟电路》相关内容;在讲解数字调制系统时回顾《数字电路》相关内容。

（三）激发学习兴趣

通过多种方法激发学生的学习兴趣，具体措施：

1.与课程思政相结合，增加学习趣味性。介绍中国在5G技术发展过程中起到的巨大作用，进行爱国主义教育，如目前有多位中国企业的标准代表在5G标准化组织3GPP中担任重要职位，中国企业的5G专利排名及市场份额等。在课程讲解过程中贯穿辩证唯物主义教育，如常规幅度调制AM、双边带调制DSB、单边带调制SSB、残留边带调制VSB四种调制方式由于有效性和可靠性的不同，使得适用领域不同。

2.与具体应用相结合，提高学习积极性。如在讲解mini-slot原理时，介绍该技术主要用于远程医疗、智能制造、车联网等低时延高可靠场景;在讲解NOMA原理时介绍该技术主要用于智慧城市、智慧家庭等海量连接场景。

3.使用思维导图，提高知识点逻辑性。将整个课程每章之间的逻辑关系和每个章节各知识点之间的逻辑关系绘制思维导图，有助于学生整体把握本门课程的内容。

五、结束语

5G商用的提速，对新型5G应用型人才提出了新的要求，也为应用型本科院校通信类专业课程改革带来了新的挑战。通信原理作为通信类专业核心基础课程，是进行课程改革的关键一环。在全面分析当前通信原理课程存在的问题后，提出从更新教学内容、加强课程衔接、激发学习兴趣等多个改革措施，力求使得通信原理课程跟上5G技术发展，满足应用型本科的培养目标。

参考文献

[1]中国信息通信研究院.5G经济社会影响白皮书[R].北京：中国信息通信研究院，2017.

[2]何菁菁.我国工程教育实现国际多边互认[N].中国教育报， 2016-06-03（001）.

[3]中国工程教育专业认证协会.工程教育专业认证标准[EB/OL].http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/index.html，2017-11.

[4]教育部.关于一流本科课程建设的实施意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html， 2019-10-30.

[5]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].第7版.北京：国防工业出版社， 2014：1-326.