5G背景下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)通信原理的教學(xué)探索與研究

戴一鳴 陳建方 張賽 李雷 苗維誠

摘 ?要：在物聯(lián)網(wǎng)和5G通信飛速發(fā)展的背景下，針對醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“融醫(yī)療，精原理，強(qiáng)應(yīng)用，促創(chuàng)新”的辦學(xué)特點(diǎn)，對該專業(yè)“通信原理”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探索和研究。主要措施有：精簡理論知識體系，配合仿真實(shí)驗(yàn)，突出物聯(lián)網(wǎng)通信特點(diǎn)和醫(yī)學(xué)背景以及將5G新技術(shù)合理引入。新的教學(xué)內(nèi)容體系更適用于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“通信原理”的課程定位和學(xué)時安排，將知識點(diǎn)與醫(yī)學(xué)背景、專業(yè)特色和創(chuàng)新技術(shù)緊密聯(lián)系，打造學(xué)生了解5G通信的入口和平臺。

關(guān)鍵詞：通信原理;物聯(lián)網(wǎng)工程;5G通信教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G642;TN929.5-4;TP391.44-4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2096-4706（2020）12-0188-04

Abstract：In the context of rapid development of the internet of things and 5G communication，the teaching content of “Principle of Communication” of the internet of things engineering major in our school has been explored and studied in view of the school-running characteristics of “combined with the medical，proficient in principle，enhancing the application and promoting innovation”. The main measures include：streamlining the theoretical knowledge system，combining the simulation experiment，putting emphasis on the characteristics of the communication of internet of things and introducing the emerging technologies of 5G reasonably. The new teaching content system is more suitable for the course positioning and class schedule of “Principle of Communication” of internet of things major，which can closely relate the knowledge of the course with medical background，professional characteristics and innovative technologies，and build the entrance and platform for students to understand 5G communication.

Keywords：principles of communication;internet of things engineering;5G communication teaching contents

0 ?引 ?言

伴隨著5G通信技術(shù)的革新以及5G網(wǎng)絡(luò)的普遍商用，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將受到深遠(yuǎn)影響。5G的三大特點(diǎn)，超高速率（eMBB）、超大容量（mMTC）、極低時延（URLLC），能夠打破物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的痛點(diǎn)問題，相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)方面對人才的需求也會隨之提升[1]。在此背景下，我校于2016年開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的計算機(jī)、通信和傳感的相關(guān)知識和技能，能勝任物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、分析、設(shè)計、開發(fā)、部署、運(yùn)行維護(hù)等工作的高級工程技術(shù)人才。并且側(cè)重醫(yī)療領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用，將實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與智慧醫(yī)療相融通。

“通信原理”是物聯(lián)網(wǎng)培養(yǎng)體系中一門重要課程，針對新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的時代背景以及我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)方案，課程不能完全沿用傳統(tǒng)電子信息工程相關(guān)專業(yè)的既有學(xué)時分配和教學(xué)內(nèi)容。本文結(jié)合作者在通信行業(yè)的實(shí)踐經(jīng)歷以及對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)電子信息類相關(guān)課程的教學(xué)和研究經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)、設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐、突出物聯(lián)網(wǎng)通信特點(diǎn)和醫(yī)學(xué)背景、引入5G通信創(chuàng)新技術(shù)四個方面，對課程內(nèi)容做了一些研究和創(chuàng)新工作。旨在精簡課程教學(xué)內(nèi)容，在經(jīng)典理論知識基礎(chǔ)上加入5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)知識，建立更符合新時代醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)方案和課程設(shè)置的通信知識體系。

1 ?優(yōu)化內(nèi)容結(jié)構(gòu)

在我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)體系中，不僅涵蓋計算機(jī)、傳感器、通信、電子等物聯(lián)網(wǎng)的通用學(xué)科課程，還開設(shè)有醫(yī)學(xué)相關(guān)的課程。因此“通信原理”設(shè)置學(xué)時遠(yuǎn)少于通信工程以及一般物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)時數(shù)，教學(xué)內(nèi)容無法做到全面的覆蓋和深入的解析，所以需要在保證通信知識體系相對完整的前提下，對部分理論內(nèi)容進(jìn)行刪減，主要保留與物聯(lián)網(wǎng)需求關(guān)系密切的知識模塊。

知識體系以如圖1所示的模擬通信系統(tǒng)和如圖2所示的數(shù)字通信系統(tǒng)兩個模型作為主線，分為緒論、通信信號、通信信道、通信系統(tǒng)、編碼技術(shù)五個模塊，對系統(tǒng)各部分的原理、技術(shù)、問題及解決方案以及傳輸過程中各階段信號的時頻域特性展開講解[2]。

通信信號主要分為確知信號和隨機(jī)過程兩部分，確知信號與先修課程“信號與系統(tǒng)”內(nèi)容重復(fù)性較高，可以在課前自行復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步講解頻譜密度與功率譜密度，補(bǔ)充相關(guān)函數(shù)的知識，為維納辛欽定理做鋪墊。隨機(jī)過程建立在概率論的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，而本課程不能陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算分析中，很多推導(dǎo)和計算需要刪減。重要的是在介紹各類隨機(jī)過程和分布特點(diǎn)的同時，與通信的過程對應(yīng)起來，并結(jié)合維納辛欽定理，為通信過程、信號、噪聲等提供可行的分析方法。

模擬通信系統(tǒng)通過線性調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)、噪聲分析，總結(jié)一般通信系統(tǒng)與信號傳輸?shù)姆治龇椒ǎ瑤椭鷮W(xué)生建立利用三角變換+傅里葉分析+微積分運(yùn)算進(jìn)行推導(dǎo)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖+信號波形圖+信號頻譜圖進(jìn)行理解、系統(tǒng)有效性+系統(tǒng)可靠性+系統(tǒng)實(shí)用性進(jìn)行分析的思維體系，并且將此思維模式貫穿幾類通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程。在此基礎(chǔ)上，對FM、PM等非線性調(diào)制系統(tǒng)及幾類模擬通信系統(tǒng)性能比較兩部分進(jìn)行了刪減。數(shù)字基帶系統(tǒng)部分主要講解基帶信號特性、常用碼型以及無碼間串?dāng)_的系統(tǒng)設(shè)計，這是數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)和通用知識。抗噪聲分析較繁瑣且需要概率論的知識支撐，考慮物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)后續(xù)相關(guān)課程基本不涉及噪聲分析[3]，而部分響應(yīng)和時域均衡也僅作為提高系統(tǒng)性能的增補(bǔ)手段不影響整體知識體系，故對這三部分進(jìn)行了簡化處理。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)以二進(jìn)制鍵控作為引入點(diǎn)展開介紹，刪減大部分多進(jìn)制鍵控內(nèi)容，僅保留和OFDM技術(shù)關(guān)聯(lián)較大的星座圖、QAM等內(nèi)容，為后續(xù)新型數(shù)字調(diào)制技術(shù)講解做鋪墊。編碼主要有信源編碼和信道編碼兩部分，為了完整建立信源編碼的實(shí)際流程，保留抽樣、量化、PCM編碼的重點(diǎn)部分，對幾種壓縮編碼僅做簡要說明。信道編碼部分在明確糾錯編碼的概念、原理和性能的基礎(chǔ)上，縮減對種類較多的實(shí)用編碼的講解，僅介紹個例即可。

2 ?配合仿真實(shí)驗(yàn)

“通信原理”課程理論性較強(qiáng)、概念抽象、公式繁多，教學(xué)過程中可以配合仿真實(shí)驗(yàn)輔助完成學(xué)習(xí)任務(wù)。MATLAB SIMULINK仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建通信模型、設(shè)計通信模塊、觀察信號傳輸?shù)裙ぷ鳎梢宰寣W(xué)生動手搭建完成書中通信系統(tǒng)各模塊以及傳輸過程的重要環(huán)節(jié)，并能清晰地反應(yīng)各通信環(huán)節(jié)中信號的特性，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一種可操作性強(qiáng)、設(shè)計簡單且靈活的實(shí)踐平臺，同時避免了大量程序代碼的編寫和公式的計算，最終令學(xué)生更有效地熟悉各類通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信號傳輸過程，理解通信中各模塊對信號產(chǎn)生的影響。

比如課程中首個接觸到的通信系統(tǒng)——AM（調(diào)幅）模擬調(diào)制系統(tǒng)，通過SIMULINK模塊化仿真可以將書中理論性較強(qiáng)的框圖具體化，并可以通過示波器模塊觀察調(diào)制信號、已調(diào)信號、解調(diào)恢復(fù)信號等波形的變化，理解各信號與系統(tǒng)模塊的對應(yīng)關(guān)系。AM系統(tǒng)仿真模型及各步驟信號波形如圖3、圖4所示。

在數(shù)字帶通系統(tǒng)學(xué)習(xí)當(dāng)中，也可以利用SIMULINK進(jìn)行建模，在理解數(shù)字通信的同時，將鍵控法和傳統(tǒng)調(diào)制方法進(jìn)行比較，還可以便利地調(diào)整各模塊的參數(shù)，讓學(xué)生理解系統(tǒng)各環(huán)節(jié)對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

本文以2ASK（二進(jìn)制振幅鍵控）為例，搭建2ASK仿真模型并驗(yàn)證鍵控、相干解調(diào)、抽樣判決等各環(huán)節(jié)信號變化，如圖5、圖6所示。

3 ?結(jié)合專業(yè)背景

醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“通信原理”課程教學(xué)，既要考慮到物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中的通信特點(diǎn)，又要引導(dǎo)學(xué)生思考如何將專業(yè)知識與醫(yī)學(xué)應(yīng)用相結(jié)合。緒論部分可以更加突出物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)無線通信的介紹，尤其要對近場通信、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及低功耗廣域網(wǎng)的新技術(shù)做好分類和解釋，并要介紹5G背景下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用，尤其是在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用，比如病患及藥品管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療急救、AR/VR醫(yī)學(xué)場景化教學(xué)等，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。同時在物聯(lián)網(wǎng)概論的基礎(chǔ)上明確本課程內(nèi)容在物聯(lián)網(wǎng)分層中的位置，為后續(xù)藍(lán)牙、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的學(xué)習(xí)打下物理層知識的基礎(chǔ)，并引導(dǎo)學(xué)生將本課程內(nèi)容和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信號處理、射頻識別等課程內(nèi)容聯(lián)系起來，建立起通信相關(guān)的知識體系。

對具體知識點(diǎn)的講解也可以更針對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點(diǎn)，比如在數(shù)字通信系統(tǒng)中講解碼型編碼部分時，可以用物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)中常用的曼徹斯特編碼或密勒編碼為例進(jìn)行對編譯碼的講解，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的需求，比如低功耗、休眠喚醒、提供同步時鐘等來說明傳輸碼的碼型選擇原則。

4 ?融入技術(shù)應(yīng)用

隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用進(jìn)程的全面開啟，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)也將獲得更大的發(fā)展空間和創(chuàng)新空間。作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生，在校期間就應(yīng)當(dāng)對5G相關(guān)的技術(shù)有所關(guān)注和了解。“通信原理”課程雖然是偏向原理理論的課程，但與5G通信關(guān)系密切，是引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識的平臺。將5G的一些新技術(shù)、新思路融入課堂教學(xué)中，既有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，又能夠開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生打下實(shí)踐基礎(chǔ)。

5G的一大特點(diǎn)是頻段的提高，其未來將發(fā)展到毫米波通信甚至太赫茲通信，在對通信信道的學(xué)習(xí)中，可以將電磁波的高頻率衰減特性與無線信道的衰落過程相聯(lián)系，說明5G架構(gòu)中如何利用衰落進(jìn)行密集異構(gòu)組網(wǎng)[4];另外，提高頻率可以獲得廣闊的頻譜資源，大大地提高了通信帶寬，是提高信道容量最直接有效的手段，可以通過引入5G的高頻段特點(diǎn)解讀香農(nóng)公式的物理意義。

對于調(diào)制這一核心概念的引入，可以從5G通信的高頻段需求、頻分復(fù)用方式以及天線設(shè)計三個方面說明調(diào)制的目的，再依次引入各類調(diào)制系統(tǒng)，緊密地和實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系。在講解完書本已有的二進(jìn)制鍵控、OFDM等數(shù)字調(diào)制技術(shù)知識的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充5G通信中的新調(diào)制技術(shù)。比如將OFDM中子載波的帶寬根據(jù)需求靈活調(diào)整以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的F-OFDM（Filtered-OFDM，子帶濾波的正交頻分復(fù)用），以及SM（Spatial Modulation，空間調(diào)制），并可以由SM技術(shù)再引入MIMO（Multiple-In Multiple-Out，多輸入多輸出）天線的基本介紹。將書本經(jīng)典知識作為基礎(chǔ)，將新技術(shù)應(yīng)用作為延伸，拓寬學(xué)生的視野與思路，引導(dǎo)學(xué)生對技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)注和思考。

5G通信中的業(yè)務(wù)信道編碼采用LDPC（Low-Density Parity-Check，低密度奇偶校驗(yàn)碼），控制信道編碼采用極化碼[5]。對實(shí)用信道編碼進(jìn)行舉例時，可以對一維奇偶監(jiān)督碼、二維奇偶監(jiān)督碼、LDPC進(jìn)行逐步講解，將極化碼作為課后自學(xué)內(nèi)容，課本中的Turbo碼雖然應(yīng)用廣泛，但在5G技術(shù)中基本不再使用，所以也對其進(jìn)行了刪減，這樣在減少了學(xué)時需求的同時保留了對完整知識點(diǎn)的串聯(lián)，同時還可以將書本基礎(chǔ)知識與實(shí)踐相聯(lián)系。

5 ?結(jié) ?論

本文針對我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)要求和特點(diǎn)，結(jié)合5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展和5G網(wǎng)絡(luò)即將全面落地的時代背景，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“通信原理”課程進(jìn)行了教學(xué)研究和探索，將課程內(nèi)容進(jìn)行了精簡，利用MATLAB SIMULINK進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，引入了物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)相關(guān)的教學(xué)切入角度和應(yīng)用知識進(jìn)行補(bǔ)充。優(yōu)化后的知識體系更加適用于我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“通信原理”的教學(xué)，更符合課程的定位和學(xué)時安排，并將經(jīng)典理論知識和當(dāng)下熱點(diǎn)新技術(shù)串聯(lián)融合，在教學(xué)過程中能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，并取得良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：戴一鳴（1990—），男，漢族，安徽臨泉人，助教，碩士，研究方向：微波技術(shù)。