融入5G标准制定的信道编码教学

黄勤 王彪

（北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191）

0 引言

随着信息技术的发展及应用，人们对信息的接收、存储、传输、处理和应用有了更高的要求，信道编码能够提高数据传输效率，降低误码率，增加通信的可靠性。学生要通过学习本课程掌握信道传输的基本知识、基本理论和基本方法，而本课程是一门理论性较强的课程，对学生的抽象思维能力、空间想象能力以及逻辑推理能力要求较高，通过本课程的长期教学，发现该课程在实际教学中存在以下几个问题。

一是对学生的数学基础要求较高，例如构建信道模型和设计纠错编码等需要具有扎实的代数和概率理论知识，而工科专业的学生更注重线性代数和概率统计的学习，与本课程所用知识的偏向不同。

二是本课程内容抽象，难于理解，定理推导和证明较多，学生对基本概念的理解能力较差，往往只关注数学计算过程，而忽略对物理含义的理解，缺乏灵活应变的思维能力。

因此，在讲授基础知识的过程中，加入5G编码标准制定的故事，并引入翻转课堂的教学方式，以此提高学生对本课程学习的积极性，并充分理解该课程的相关理论背后的工程动机，助力学生成长为服务国家重大战略需求的优秀人才。

1 标准历程与工程概念

信道编码教学过程中，容易出现理论学习与实际应用脱节，导致学生仅了解理论，缺乏实际工程运用能力。围绕5G信道编码标准之争，让学生了解标准确立历程，建立实际工程应用中“成本”与“性能”的折中概念，是本课程教学的重点。

首先，要让学生了解5G编码之争的背景及过程。信道编码占基带芯片约70%的资源，其标准方案是5G标准争夺的焦点。中国华为主导的极化码方案，与美国高通主导的LDPC码方案展开了激烈竞争。LDPC码于1962年被提出，长码下能够逼近香农极限，已被广泛适用于通信领域。而极化码于2007年被提出，在理论上被证明长码能够达到香农极限，然而其理论与应用尚不成熟。经过激烈的竞争，由于其易于高速实现，高通主导的LDPC码被确定为数据信道的编码；由于其短码性能优秀，华为主导的极化码被确定为控制信道的编码。

其次，通过讲授信道编码的概念及发展历程，介绍5G对编码的需求，并在此基础上，强调专利在标准制定中重要性；同时重点对Turbo、LDPC和极化码三种候选码进行工程应用分析，如纠错性能、实现复杂度、译码时延等。并在三种容量可达码的对比中，穿插编码背后的故事，启发学生们加强对科研的认知及培养学生对科研的兴趣。以LDPC码为例，它提出之初不受重视，三十年后随着其他技术的进步，其巨大价值才被发掘出来，启发同学们对工程需求和约束的认识：即从理论研究出发，找到满足工程需求的方法；而面对实际工程中的约束，需要反过来从理论上寻找突破口。只有认识到工程的需求和约束，才能深入研究理论，并优化实际的工作。以极化码的提出为例，它的想法来源于社会学中的“马太效应”，启发同学们学科交叉融合和打破壁垒的意识：学科交叉能够打破传统学科之间的壁垒，促进基础研究与应用研究相互衔接，带动科学研究整体水平实现跃升。

2 信道编码与翻转课堂

信道编码是一门理论性较强的课程，课程内容比较抽象，学习之初往往比较吃力。传统的课堂教学也讲授理论知识为主，学生参与度低。因此，学生们会误以为这就是一门理论课程，缺乏实际用途。

为了让学生更好的实践，本课程还引入翻转课堂，将学习的决定权从教师转移给学生。课上采用小组辩论的形式，每个小组分别代表参与竞标通信企业的角色，模拟5G编码的标准制定会议，以培养学生掌握运用理论和数据阐述道理能力。每个小组所代表的公司，通过阅读大量3GPP的提案，确定公司所支持的技术方案，并向其他公司介绍本公司支持的技术方案，同时接受其他公司提问，并总结自己建议采纳、不予采纳和待定的事项。在课上对争议项进行辩论，跨小组讨论和协商，并统计自身的建议和被采纳的建议。通过模拟标准投票过程，让学生代入各公司以深入理解并建立工程中“成本”与“性能”的折中概念和工程设计思维。投票结果如下图所示，基本与实际会议一致，其中D、E、H、Q、S、Z分别代表企业Docomo、爱立信、华为、高通、三星和中兴；L、T、P分别代表LDPC码、Turbo码和极化码。

图1：课上各“公司”对标准方案的分析与投票

这种教学模式下，学生从被动学习向主动学习转变，更有利于他们理解所学内容的物理意义。通过对结论的推导和证明深入的探索，学生们能够理解知识背后的动机。同时，将学生对专业内涵的理解与教育启示的深度，结合自身经验个性化表达的程度等课堂表现情况纳入课程成绩评定，不仅可以使得对学生的评价更加客观公正，也可以充分调动学生参与的积极性。

3 标准故事与思政教育

本课程教学过程中发现，讲解社会关注热点，如“5G信道编码标准之争”，更有利于引发学生共鸣，激发家国情怀、创新勇气和担当精神。

首先，要让学生了解标准的背后，是知识产权的捆绑。5G时代高通能够继续使用其“专利+芯片”的模式来赚取高额利润。使用高通核心专利的5G手机，需缴纳专利费：单模手机的售价2.275%；多模手机的售价3.25%。使用高通标准核心专利和非核心专利的5G手机，需缴纳专利费：单模手机的售价4%；多模手机的售价5%。5G之前，虽然我国知识产权发展迅速，但是还受限于“专利壁垒”；5G时代，中国后发制人，相关专利数量取得了领先。然而在专利数量的胜利背后，我国通信行业还存在隐忧，欧美企业在核心专利上依然占据优势。

其次，通过讲述华为为什么选择极化码作为主攻方向，理解华为精准的战略预见眼光及换道超车的决心。从两次标准会议投票情况分析，从数据信道编码方案以极化码以微弱劣势抱憾出局，到控制信道获得成功，能够看到中国企业群体团结的力量，充分体现国家力量。在课堂上，通过向学生介绍成功背后的隐忧，如核心专利不占优势、编码理论原始贡献缺失等现实问题，激发学生的忧患意识和担当精神。

本课程最终要让学生通过5G信道编码标准之争，了解知识产权的欠缺导致陷入高收入却低利润的困境，明白技术之争背后的话语权的角逐。这一场标准之争，早已超越了技术的边界，而是两国综合实力和话语权的较量。5G的编码之争揭开了我国通信企业的新篇章，但须得时刻牢记只有从源头上进行创新才能不受制于人，鼓励学生投身于国家亟须的科学研究之中以报效祖国。

4 结语

本文通过5G标准编码确立的过程，让学生建立工程中成本及性能的折中概念，培养工程设计思维；引入“信道编码之翻转课堂”，通过课上小组辩论方式，让学生掌握运用理论和数据讲解问题的能力；通过讲授5G标准的故事，助力思政教育，激发同学们科研创新报国的热情。