戴一鸣 陈建方 张赛 李雷 苗维诚

摘  要：在物联网和5G通信飞速发展的背景下，针对医学院校物联网工程专业“融医疗，精原理，强应用，促创新”的办学特点，对该专业“通信原理”课程的教学内容进行了探索和研究。主要措施有：精简理论知识体系，配合仿真实验，突出物联网通信特点和医学背景以及将5G新技术合理引入。新的教学内容体系更适用于物联网专业“通信原理”的课程定位和学时安排，将知识点与医学背景、专业特色和创新技术紧密联系，打造学生了解5G通信的入口和平台。

关键词：通信原理;物联网工程;5G通信教学内容

中图分类号：G642;TN929.5-4;TP391.44-4        文献标识码：A      文章编号：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

伴随着5G通信技术的革新以及5G网络的普遍商用，物联网行业将受到深远影响。5G的三大特点，超高速率（eMBB）、超大容量（mMTC）、極低时延（URLLC），能够打破物联网发展的瓶颈，解决物联网应用的痛点问题，相应的物联网方面对人才的需求也会随之提升[1]。在此背景下，我校于2016年开设物联网工程专业，旨在培养掌握物联网相关的计算机、通信和传感的相关知识和技能，能胜任物联网相关技术的研发及物联网应用系统的规划、分析、设计、开发、部署、运行维护等工作的高级工程技术人才。并且侧重医疗领域的物联网工程应用，将实践教学环节与智慧医疗相融通。

“通信原理”是物联网培养体系中一门重要课程，针对新技术发展和应用的时代背景以及我校物联网专业的培养方案，课程不能完全沿用传统电子信息工程相关专业的既有学时分配和教学内容。本文结合作者在通信行业的实践经历以及对物联网专业电子信息类相关课程的教学和研究经验，通过优化课程内容结构、设计仿真实验进行实践、突出物联网通信特点和医学背景、引入5G通信创新技术四个方面，对课程内容做了一些研究和创新工作。旨在精简课程教学内容，在经典理论知识基础上加入5G物联网技术知识，建立更符合新时代医学院校物联网专业培养方案和课程设置的通信知识体系。

1  优化内容结构

在我校物联网专业培养体系中，不仅涵盖计算机、传感器、通信、电子等物联网的通用学科课程，还开设有医学相关的课程。因此“通信原理”设置学时远少于通信工程以及一般物联网专业的学时数，教学内容无法做到全面的覆盖和深入的解析，所以需要在保证通信知识体系相对完整的前提下，对部分理论内容进行删减，主要保留与物联网需求关系密切的知识模块。

知识体系以如图1所示的模拟通信系统和如图2所示的数字通信系统两个模型作为主线，分为绪论、通信信号、通信信道、通信系统、编码技术五个模块，对系统各部分的原理、技术、问题及解决方案以及传输过程中各阶段信号的时频域特性展开讲解[2]。

通信信号主要分为确知信号和随机过程两部分，确知信号与先修课程“信号与系统”内容重复性较高，可以在课前自行复习的基础上，进一步讲解频谱密度与功率谱密度，补充相关函数的知识，为维纳辛钦定理做铺垫。随机过程建立在概率论的学习基础上，而本课程不能陷入复杂的数学计算分析中，很多推导和计算需要删减。重要的是在介绍各类随机过程和分布特点的同时，与通信的过程对应起来，并结合维纳辛钦定理，为通信过程、信号、噪声等提供可行的分析方法。

模拟通信系统通过线性调制系统的调制、解调、噪声分析，总结一般通信系统与信号传输的分析方法，帮助学生建立利用三角变换+傅里叶分析+微积分运算进行推导、系统结构图+信号波形图+信号频谱图进行理解、系统有效性+系统可靠性+系统实用性进行分析的思维体系，并且将此思维模式贯穿几类通信系统的学习过程。在此基础上，对FM、PM等非线性调制系统及几类模拟通信系统性能比较两部分进行了删减。数字基带系统部分主要讲解基带信号特性、常用码型以及无码间串扰的系统设计，这是数字通信系统的基础和通用知识。抗噪声分析较繁琐且需要概率论的知识支撑，考虑物联网工程专业后续相关课程基本不涉及噪声分析[3]，而部分响应和时域均衡也仅作为提高系统性能的增补手段不影响整体知识体系，故对这三部分进行了简化处理。数字带通传输系统以二进制键控作为引入点展开介绍，删减大部分多进制键控内容，仅保留和OFDM技术关联较大的星座图、QAM等内容，为后续新型数字调制技术讲解做铺垫。编码主要有信源编码和信道编码两部分，为了完整建立信源编码的实际流程，保留抽样、量化、PCM编码的重点部分，对几种压缩编码仅做简要说明。信道编码部分在明确纠错编码的概念、原理和性能的基础上，缩减对种类较多的实用编码的讲解，仅介绍个例即可。

2  配合仿真实验

“通信原理”课程理论性较强、概念抽象、公式繁多，教学过程中可以配合仿真实验辅助完成学习任务。MATLAB SIMULINK仿真软件可以实现创建通信模型、设计通信模块、观察信号传输等工作，可以让学生动手搭建完成书中通信系统各模块以及传输过程的重要环节，并能清晰地反应各通信环节中信号的特性，能够为学生提供一种可操作性强、设计简单且灵活的实践平台，同时避免了大量程序代码的编写和公式的计算，最终令学生更有效地熟悉各类通信系统的结构和信号传输过程，理解通信中各模块对信号产生的影响。

比如课程中首个接触到的通信系统——AM（调幅）模拟调制系统，通过SIMULINK模块化仿真可以将书中理论性较强的框图具体化，并可以通过示波器模块观察调制信号、已调信号、解调恢复信号等波形的变化，理解各信号与系统模块的对应关系。AM系统仿真模型及各步骤信号波形如图3、图4所示。

在数字带通系统学习当中，也可以利用SIMULINK进行建模，在理解数字通信的同时，将键控法和传统调制方法进行比较，还可以便利地调整各模块的参数，让学生理解系统各环节对信号传输的影响。

本文以2ASK（二进制振幅键控）为例，搭建2ASK仿真模型并验证键控、相干解调、抽样判决等各环节信号变化，如图5、图6所示。

3  结合专业背景

医学院校物联网专业“通信原理”课程教学，既要考虑到物联网实际应用中的通信特点，又要引导学生思考如何将专业知识与医学应用相结合。绪论部分可以更加突出物联网相关无线通信的介绍，尤其要对近场通信、局域网、广域网以及低功耗广域网的新技术做好分类和解释，并要介绍5G背景下物联网技术的相关应用，尤其是在医疗行业的应用，比如病患及药品管理、远程医疗急救、AR/VR医学场景化教学等，以此激发学生的学习兴趣和热情。同时在物联网概论的基础上明确本课程内容在物联网分层中的位置，为后续蓝牙、ZigBee等物联网通信技术的学习打下物理层知识的基础，并引导学生将本课程内容和计算机网络、信号处理、射频识别等课程内容联系起来，建立起通信相关的知识体系。

对具体知识点的讲解也可以更针对物联网专业特点，比如在数字通信系统中讲解码型编码部分时，可以用物联网射频识别技术中常用的曼彻斯特编码或密勒编码为例进行对编译码的讲解，并结合物联网应用场景的需求，比如低功耗、休眠唤醒、提供同步时钟等来说明传输码的码型选择原则。

4  融入技术应用

随着5G网络商用进程的全面开启，物联网行业也将获得更大的发展空间和创新空间。作为物联网工程专业的学生，在校期间就应当对5G相关的技术有所关注和了解。“通信原理”课程虽然是偏向原理理论的课程，但与5G通信关系密切，是引导学生掌握相关知识的平台。将5G的一些新技术、新思路融入课堂教学中，既有助于提高学生学习兴趣和创新精神，又能够开阔学生视野，让学生打下实践基础。

5G的一大特点是频段的提高，其未来将发展到毫米波通信甚至太赫兹通信，在对通信信道的学习中，可以将电磁波的高频率衰减特性与无线信道的衰落过程相联系，说明5G架构中如何利用衰落进行密集异构组网[4];另外，提高频率可以获得广阔的频谱资源，大大地提高了通信带宽，是提高信道容量最直接有效的手段，可以通过引入5G的高频段特点解读香农公式的物理意义。

对于调制這一核心概念的引入，可以从5G通信的高频段需求、频分复用方式以及天线设计三个方面说明调制的目的，再依次引入各类调制系统，紧密地和实际应用相联系。在讲解完书本已有的二进制键控、OFDM等数字调制技术知识的基础上，补充5G通信中的新调制技术。比如将OFDM中子载波的带宽根据需求灵活调整以适应不同业务的F-OFDM（Filtered-OFDM，子带滤波的正交频分复用），以及SM（Spatial Modulation，空间调制），并可以由SM技术再引入MIMO（Multiple-In Multiple-Out，多输入多输出）天线的基本介绍。将书本经典知识作为基础，将新技术应用作为延伸，拓宽学生的视野与思路，引导学生对技术创新发展的关注和思考。

5G通信中的业务信道编码采用LDPC（Low-Density Parity-Check，低密度奇偶校验码），控制信道编码采用极化码[5]。对实用信道编码进行举例时，可以对一维奇偶监督码、二维奇偶监督码、LDPC进行逐步讲解，将极化码作为课后自学内容，课本中的Turbo码虽然应用广泛，但在5G技术中基本不再使用，所以也对其进行了删减，这样在减少了学时需求的同时保留了对完整知识点的串联，同时还可以将书本基础知识与实践相联系。

5  结  论

本文针对我校物联网工程专业的培养要求和特点，结合5G通信技术的飞速发展和5G网络即将全面落地的时代背景，对物联网工程专业“通信原理”课程进行了教学研究和探索，将课程内容进行了精简，利用MATLAB SIMULINK进行仿真实验，引入了物联网和5G技术相关的教学切入角度和应用知识进行补充。优化后的知识体系更加适用于我校物联网专业“通信原理”的教学，更符合课程的定位和学时安排，并将经典理论知识和当下热点新技术串联融合，在教学过程中能够更好地激发学生的学习兴趣和热情，并取得良好的教学效果。

参考文献：

[1] 中兴通讯.5G Core技术趋势白皮书 [R/OL].（2019-07-16）.https：//sdnfv.zte.com.cn/zh-CN/insights/2019/7/5G-Core-Tech-Trend-White-Paper.

[2] 樊昌信，曹丽娜.通信原理：第6版 [M].北京：国防工业出版社，2013.

[3] 辛以利，李云，谭智诚，等.5G通信发展背景下《通信原

理》课程教学的改革与探索 [J].教育教学论坛，2019（6）：129-130.

[4] 赵雪莹，闪媛.5G关键技术及其对物联网的影响 [J].通讯世界，2020，27（2）：157-158.

[5] 于清苹，史治平.5G信道编码技术研究综述 [J].无线电通信技术，2018，44（1）：1-8.

作者简介：戴一鸣（1990—），男，汉族，安徽临泉人，助教，硕士，研究方向：微波技术。