“移动通信原理”课程教学改革探索

陈颖玚

摘要针对“移动通信原理”现有课程教学中存在的问题，结合当前移动通信系统发展趋势，本文提出教学改革探索方案。在教学内容安排上，对移动通信的理论体系、重要知识进行了梳理和调整，合理分配课时；选取4G和5G移动通信系统为代表，讲解核心特征和关键技术。在仿真实践方面，设计贴近移动通信基础原理和前沿技术的仿真实验，巩固课程知识，加深对关键技术的理解。

关键词 移动通信 4G 5G 教学探索

中图分类号：G424文献标识码：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，随着多媒体数据通信需求的不断增长，移动通信系统快速迭代，新技术新理论层出不穷。“移动通信原理”作为电子信息类专业基础课，对本科生建立通信基础知识体系、理解移动通信系统关键特性、加强工程实践能力具有重要作用。学好这门课程需要一系列数学基础课、专业核心课的知识积累，同时也要求教师对行业发展有较好的把握和前瞻。因此，这门课程的教学一直以来都是通信专业课程中的重点和难点。[1][2]

随着通信技术的快速发展，目前移动通信系统已全面进入4G和5G的时代。作为与4G和5G联系最为紧密的课程之一，“移动通信原理”的教学应当结合当前技术发展现状，反应未来发展趋势。然而，目前本课程的教学存在一些问题，主要是教学内容老旧、仿真实例欠缺、课时分配不合理等，[3][4]需要对本课程的教学内容进行了重新整合和设计。

为此，我们针对上述问题对本课程的教学改革进行探索。首先，在教学内容安排上，一方面我们对移动通信的重要知识进行了梳理，注重知识体系的构建；另一方面我们以 4G和5G移动通信系统为主要案例，讲解核心特征和关键技术，强调理论知识在实际系统中的体现。在仿真案例设计方面，本课程设计了一系列移动通信MATLAB仿真实例，学生通过贴近前沿的仿真实验，巩固理论基础知识的同时，加深对关键使能技术的理解。

1现有教学存在的问题和改进思路

“移动通信原理”是高校通信工程、电子信息工程、电子科学与技术等专业的一门重要专业课，为本科高年级学生讲授现代移动通信系统的基本理论、关键技术、体系结构及移动通信组网等基本技术。以往的课程较为详细地讲述2G/3G移动通信系统。然而，这些知识相对比较老旧，花费较多课时讲授目前已不再是主流的通信系统，而对当下实用的和前沿的技术着墨较少，使得整个课程内容不够全面实用，无法及时跟进当前发展现状和趋势，使学生的知识面和视野受到局限。

另外，现有课程的教学形式比较单一，以老师上课讲解为主，对于一些新一代移动通信系统发展的使能技术缺少结合实践的练习，学生难以通过自主实践加深对关键技术核心本质的理解。原有课本上主要采用MALTAB对基本的通信调制方案进行仿真，滞后于行业技术发展，难以调动学生的学习和研究兴趣，需要进行更新。

同时，“移动通信原理”课程属于专业选修课，分配了32个课时，2学分。近三十年来移动通信行业获得了空前发展，各种新技术层出不穷，移动通信系统更新迭代迅速。因此，课程需要对移动通信的一系列基本概念、关键技术、相关应用等做介绍，课程内容繁多，与课程分配的课时数不匹配，需要对教学内容的课时分配做出调整。[5]

作为一门重要的专业核心课程，本课程的讲授内容一是要能清楚地阐述移动通信的基本概念和关键技术；二是要求及时反应当下主流和前沿，与通信技术快速迭代相适应；三是要紧密联系实际工程应用，剖析关键问题所在。针对上文提及的问题和需求，我们对本课程的教学内容进行了重新整合和设计，以“搭建知识体系”和“刻画关键特性”为两大内容模块。一方面，我们对移动通信的理论体系、重要知识进行了梳理和调整，对实用性已经明显降低的内容适当缩减和弱化，注重移动通信基础知识体系的构建。另一方面，我们以4G和5G移动通信系统为主要案例，讲解其核心特征和关键技术，呼应移动通信基础理论部分的内容，遵循从理论到工程的发展思路。为加深学生对移动通信系统核心使能技术的理解，本课程特别设计了一系列移动通信MATLAB仿真实例。学生通过贴近4G和5G前沿技术的仿真实验，既能巩固课程讲授的移动通信理论基础知识，还可以加深对关键技术的理解，培养研究兴趣。

2移动通信基础知识体系构建

为使课程内容紧跟移动通信发展前沿，我们对本课程的知识体系、重要理论进行了梳理和调整，着重用于移动通信基础知识体系的构建，主要按以下几个部分展开讲解。

2.1无线信道带来的挑战

克服无线信道的影响是移动通信最关键的问题之一。为此，大量的先进技术在移动通信系统中得以使用。这部分首先介绍由于距离而引起的路径损耗和由于地形的遮挡而引起的阴影衰落，统称为大尺度衰落。然后通过介绍无线信道存在多径效应，引入小尺度衰落。在这里，需要带领学生厘清两种关系：信道的时间选择性是由多普勒频移引起的，频率选择性是由时延扩展引起的。这是移动通信非常基本的概念，通信人超过一半的努力是在与这两个选择性作斗争。无线信道部分的讲解重在让学生理解移动通信面临的核心挑战。

2.2抗衰落的技术思路

对抗无线信道的衰落特性是移动通信必须认真解决的问题。我们重点讲解均衡和分集两类技术。多径信道引起的时延扩展带来了符号间干扰，给通信带来不好的影响，消除符号间干扰的技术叫作均衡，其核心思想是“抹去”信道的影响。相比之下，分集技术是令信号经历多次衰落，“分担”信号受到深衰落的风险；分集技术可以利用一切具有独立衰落的信道资源，例如时间、频率、空间、极化方向等，将不同衰落的信号联合进行解调，可以获得较平稳的增益。这部分重点在于带领学生理解抗衰落技术的两大解决思路。

2.3多天线技术

多天线技术是4G和5G移动通信系统的重要使能技术。可以从奇异值分解切入解读多天线技术，等效为若干个互不干扰的并行信道，能为学生提供较为直观的视角，去理解多天线技术因为提供多个自由度从而可以获得分集增益和复用增益。进一步，我们以BLAST系统和Alamouti编码为代表分别阐述多天线的复用方案和分集方案。尤其是Alamouti编码朴实的构造，强调创新价值所在，由此引发的空时编码研究领域对移动通信产生了深远的影响。

2.4多址技术

多址技术在移动通信当中占据着重要的地位。原有课程的讲授在FDMA、TDMA和CDMA着墨较多，分别对应第一代到第三代移动通信系统，无法跟上更新迭代的脚步。该部分我们增加并着重讲解OFDM和OFDMA的技术原理，对应4G和5G移动通信系统的多址方案。讲解的过程应强调OFDM的框图流程和两大核心操作——逆傅里叶变换和加入循环前缀，解释其能够克服多径效应和多用户间干扰的根本原因。

3 4G关键特性讲解和5G前沿技术展望

在讲授完移动通信基础理论后，我们讲解具体的移动通信系统。4G移动通信系统（LTE）作为当前成功商用的成熟方案，是紧跟发展趋势的课程内容。我们将按照LTE总体技术发展、LTE无线关键技术、LTE进一步演进的思路进行讲授。首先概述LTE的出现背景，让学生们理解新一代移动通信系统的出现不仅仅是来自技术发展的推动，还是多方力量角逐的结果。为了突出重点、抓住创新本质，我们重点讲解LTE三大核心创新，即扁平网络、正交频分多址系统、多天线技术，从原理上向学生讲透为何这些创新能满足LTE设计的主要指标。在讲解具体的移动通信系统时，应注意呼应移动通信基础理论部分的内容，遵循从理论到工程的发展思路。

为使课程内容紧跟移动通信发展前沿，我们引入了5G标准和系统，按照5G发展需求与挑战、5G基本特征、5G关键传输技术展开讲解。剖析发展5G面临的核心问题仍然是容量需求和频谱短缺的矛盾。为了解决这一核心矛盾，5G是从开发新频谱、增强无线传输和接入、变革无线网络架构三个方向去提供解决思路。此处，我们选取一些5G的重要使能技术，比如毫米波通信、大规模MIMO、认知无线电、超密集组网等，阐述技术核心原理和创新本质，引导学生理解这些技术为什么能为解决5G发展需求提供思路。

4课程仿真案例设计

为加强学生对移动通信基础理论和关键技术的理解，提升工程实践能力，本课程精心设计五个MATLAB仿真实例，包括无线信道小尺度衰落模型仿真、ZF和MMSE均衡器、V-BLAST系统、Alamouti编码、OFDM收发机。此处详细介绍Alamouti编码这一仿真案例，该练习旨在帮助学生理解多天线技术提供分集增益的好处，以及利用多天线获取分集增益的条件。

【题目设计】考虑SISO、两接收天线SIMO，两发射天线加Alamouti编码的MISO、两发射天线不加Alamouti编码MISO和两发两收MIMO五个系统，在MATLAB中仿真对比在BPSK调制、各天线间互不相关的瑞利信道和高斯噪声下的BER性能。

（提示：利用MATLAB自带函数randint产生随机序列进行BPSK调制，利用randn分别产生信道和噪声的分量矩阵，分别与BPSK调制信号相乘和相加后，根据不同的系统结构进行相应的解调处理。）

【参考答案】仿真结果如图1所示。由图可见，不加STBC（Alamouti编码）的MISO相对于SISO只有增加一根天线带来的3dB信噪比增益，但无分集增益，采用STBC的MISO与SIMO都分别获得了发射和接收分集增益，采用STBC的MIMO同时获得了发射和接收分集增益。所以，移动通信系统利用多天线获得分集增益需要满足以下三个条件：信道提供分集增益，发射端合理设计利用分集增益，接收端收集分集增益，三者缺一不可。

5结束语

移动通信技术日新月异的发展已深刻影响着现代社会的方方面面，“移动通信原理”课程的教学也需要结合当前技术发展的新趋势，及时做出调整。本文结合“移动通信原理”的课程特点，在教学内容安排和仿真案例设计两大方面提出教学改革探索。这些探索旨在向学生刻画移动通信的理论基石和上层建筑，帮助学生构建移动通信知识体系，引导他们在研究生或未来工作阶段按图索骥、去到感兴趣的细分方向深耕发展，成为适应技术进步的科技人才。

基金项目：2021年国家自然科学基金项目“车载网络中基于非正交多址接入的通信-缓存-计算协同优化与安全共享”（编号：62001191）；2020年暨南大学中央高校基本科研业务费青年基金项目（编号：21620351）

參考文献

[1]王晶.“新工科”背景下“移动通信”课程教学探索[J].工业和信息化教育，2019（8）：35-37.

[2]章国安，朱晓军，金丽，等.移动通信课程教学模式改革研究与实践[J].高教学刊，2017（19）：138-140.

[3]刘思聪，肖亮.面向5G的“无线通信原理”教学改革探索[J].高教学刊，2020（35）：132-135.

[4]朱娟.基于“移动通信”课程的“金课”建设探索研究[J].工业和信息化教育，2021（01）：62-66，71.

[5]罗轶，佘青青，程俊，等.“新工科”背景下“移动通信”双语课程教学改革研究[J].湘南学院学报，2021，42（02）：95-98.