民航领域5G加速推进背景下通信原理与系统课程教学改革

民航领域5G加速推进背景下通信原理与系统课程教学改革
作者：屈景怡刘涛夏冬喻丽红
来源：《高教学刊》2024年第15期
摘要：中国交通教育研究会“十四五”交通教育科研发展规划中明确指出，大力开展5G加速推进背景下专业课程教学创新方面的研究。

中国民航大学通信原理与系统课程组立足民航发展需求，紧跟技术进步和行业发展的趋势，重组教学内容，深拓教学资源，探索多元化考核方式，开展“行业为要、内容为新”的课程教学改革，为民航5G加速推进背景下的课程建设提供参考和应用实践。

关键词：通信原理与系统；民航宽带通信技术；5G；6G；教学改革
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）15-0142-05
Abstract： The "14th Five Year Plan" for the development of transportation education research and development by the China Association of Transportation Education Research clearly points out the need to vigorously carry out research on innovative teaching in professional courses under the background of accelerating the promotion of 5G. The "Communication Principles and Systems" course group of Civil Aviation University of China is based on the development needs of civil aviation and carry out curriculum teaching reform with "industry oriented and content oriented" closely following the trends of technological progress and industry development， restructuring teaching content， deepening teaching resources， and exploring diversified assessment methods. According to teaching feedback， students are satisfied with the effectiveness of teaching reform.
Keywords： Communication Principle and System; civil aviation broadband communication; 5G; 6G; teaching reform
隨着通信技术突飞猛进发展，目前，无线通信技术已经全面进入5G时代，6G的研发工作也已经在多个国家启动。

2021年4月，中国民用航空局发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》，明确提出以5G为代表的新一代航空移动通信技术应用于中国民航系统的实施路径。

此外，《中国交通教育研究会“十四五”交通教育科研发展规划》中也明确指出大力开展5G加速推进背景下交通运输类专业人才培养模式及专业课程教学创新方面的研究。

因此，作为中国民航大学这样一所具有民航特色的行业院校，开展民航领域5G加速推进背景下课程教学改革具有重要意义[1-2]。

通信原理与系统是中国民航大学电子与信息工程重要的专业必修课之一，主要包括通信原理和通信系统两部分内容，分别介绍了通信的基本原理、基本性能、基本分析方法和民航通信系统。

伴随着技术的进步，作为中国民航大学与5G/6G通信技术、民航通信技术联系最为密切的课程之一，通信原理与系统课程的教学应当进行内容的更新和改革，紧跟技术进步和行业发展的趋势。

当前该课程的授课内容存在以下几点问题[3-4]：①通信原理只对基础理论进行介绍，而对于5G的关键技术并未涉及。

由于2019年起5G已经商用，这会导致学生所学知识与当前主流技术严重脱节。

②通信原理部分主要讲解的编码方式仍然是3G的编码方式，对于当前主流的4G编码方式相关的理论内容篇幅很少，所以应该增加4G编码方式的篇幅，并补充5G编码方式相关的内容。

③通信系统部分主要讲解已经使用多年的民航地空通信手段，对于新一代航空宽带通信技术如何与5G结合在民航展开应用没有涉及，而这是民航地空通信未来发展的方向。

④对于2019年开始已经启动，现在正在研发阶段的6G技术完全没有涉及。

针对以上问题，课程组立足民航发展需求，重组教学内容，深拓教学资源，探索多元化考核方式，开展民航领域5G加速推进背景下通信原理与系统课程教学改革。

本次教学改革的特色主要包括：①紧密结合民航发展战略，介绍5G通信技术在民航航空通信发展趋势，使学生了解民用航空通信技术现状、发展趋势及挑战。

②紧跟通信技术前沿，充分利用第二/第四课堂，开展5G/6G新技术的学习。

一重组教学内容
课程组重新梳理与通信原理相关的5G关键技术、民用航空通信技术发展趋势及挑战，对本课程的知识体系、重要知识点进行了革新，引入了5G、6G标准和系统中的新理论、新概念、新技术，对传统老旧的知识点或者实用性已经明显降低的内容适当缩减和弱化。

充分利用第二/四课堂教学，重组教学内容，设计适合教学目标的教学实施方案，言传身教，引导学生勇于探索和创新[5-10]。

“四个课堂”，即课堂教学为第一课堂、文化活动为第二课堂、技能实践为第三课堂和网络阵地为第四课堂。

电子信息工程专业培养方案中通信原理与系统课程共54个学时，其中包括第一课堂理论教学44个学时，第三课堂实验教学4个学时，第二/第四课堂教学6个学时。

表1给出如何在改革中加入5G/6G等相关的教学内容及教学方法。

（一） 5G关键技术：新型双工技术
在通信原理部分“1.3通信系统的分类与通信方式”中介绍通信方式按照传输方向和时间分，可以分为单工通信、半双工通信、双工通信。

在这部分加入5G关键技术“新型双工技术”的介绍，包括2G、3G、4G中的FDD频分双工和TDD时分双工，介绍几种新型的双工技术，并介绍5G网络对双工方式的总体要求。

（二） 5G关键技术：毫米波通信和大规模多天线技术
在讲授通信原理部分“4.1无线信道”的无线电频段时，介绍毫米波通信。

5G通信系统是在用户需求不断增长、相关技术条件日趋成熟的环境中发展而来的。

为什么5G通信系统采用毫米波传输技术？为了适应环境的变化，5G通信系统采用了毫米波传输技术，因为毫米波频率高，在该段可以获得丰富的频率资源，从而满足5G通信对于超大带宽的需求。

毫米波段虽然可以获得足够大的带宽，但是由于毫米波自身传播衰减快、绕射能力差的特性也给5G通信系统带来新的问题，如传播距离大幅度短、覆盖能力大幅减弱。

为了解决这个问题就必须增加基站数量，可是随之带来的问题是成本激增。

由此可见，通信系统中各要素之间是互相联系、相互制约，牵一发而动全身的。

在讲授通信原理部分“4.6信道容量”香農定理时，介绍MIMO技术。

为了应对成本激增的挑战，5G通信系统采用微基站，即用大量覆盖范围小、成本相对低廉的微型基站进行网络覆盖。

同时，5G通信系统利用毫米波波长短导致天线尺寸可以设计得很小的特点，在基站和终端都采用了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多进多出）传输技术。

尤其是在基站侧采用了Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大规模多输入多输出）天线阵列技术，在进一步增大通信系统容量的同时，基于大规模天线实现波速赋型技术，在一定程度上克服了毫米波传播衰减快的缺点。

在4G系统中，已经实现了MIMO技术，5G系统的Massive MIMO极大地提升了天线的数量，基站侧可配置64/128/256根天线，大幅提高了系统容量和传输效率，用于在用户密集的高容量场景提升用户体验。

在用户终端完成配对的情况下，可以复用相同的时频资源，传输更多的比特流到达对端。

（三） 5G关键技术：正交频分复用OFDM技术
在讲授通信原理部分“5.6频分复用”时，加入了对多址技术的介绍。

多址接入是移动通信的核心技术，从1G到5G，我们经历了频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），采用正交设计，来避免多用户之间互相干扰，通过无线电波的正交性来提升频谱效率。

每一代无线通信体制的核心技术突破基本上集中体现在空口传输技术上。

此外，在讲授通信原理“第8章新型调制技术”中，因为5G中采用了高阶正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）和5G基于子带滤波的正交频分复用（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing， F-OFDM），如图1所示。

因此介绍了正交振幅调制QAM和正交频分复用F-OFDM的需求背景和设计思想。

QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，频谱利用率高，在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域广泛应用。

F-OFDM是一类多载波并行调制体制，将高速数据流分散调制到多个子载波上并行传输，从而使各子载波的信号速率大为降低。

因为子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上可看成是平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，提高抗多径和抗衰落的能力。

（四） 5G通信技术在民航航空通信发展趋势
在讲授通信系统时加入民用航空通信技术发展趋势及挑战的内容。

从陆地空域、机场场面、跨洋/偏远地区空域几种航空通信场景介绍航空通信技术的发展现状，阐述了航空移动服务和旅客通信服务的发展现状和趋势。

结合国内外研究情况，总结了民用航空通信技术的发展趋势和面临的挑战，给出了航空移动通信发展的相关建议。

此外，加入5G通信技术在民航航空通信应用场景探索的内容，如图2所示。

新一代航空宽带通信技术在民航领域应用场景主要包括机场空侧场面区域、机场陆侧航站楼区域、航路飞行阶段和机场飞行阶段。

根据业务类型不同，各场景对通信技术的安全等级要求不同，但均具备5G化的可行性与基本条件，通过合理设置各类应用场景的技术演进路线与过渡方案，建立我国主导的航空5G机场场面宽带移动通信系统（5G Aeronautical Mobile Airport Communication System，5G AeroMACS）、5G L波段数字航空通信系统（L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS）的民航技术标准体系和设备研发应用体系，能够提供5G公网与专网相结合、安全通信与非安全通信相结合的解决方案，占据新一代航空宽带通信技术应用高点。

二深拓教学资源
课程组在重组教学内容的基础上，深拓教学资源。

完成了课程微视频录制、5G/6G及民航通信知识库的建设、超星学习通线上平台的搭建。

（一）完成课程微视频录制
课程组对知识点进行了梳理，在部分教学内容中加入了对应的思政要素，制作了微视频对应的PPT、撰写了对应脚本。

课程组任课教师分工，完成了视频的录制，每个微视频约10～20 min，格式为MP4。

此外，课题组录制了课后习题的微视频，这些视频已经上传到超星学习通上，学生可以在课下反复观看学习。

从学生的反馈中看出，这部分录制的视频对学生的学习是有帮助的。

（一） 5G关键技术：新型双工技术
在通信原理部分“1.3通信系统的分类与通信方式”中介绍通信方式按照传输方向和时间分，可以分为单工通信、半双工通信、双工通信。

在这部分加入5G关键技术“新型双工技术”的介绍，包括2G、3G、4G中的FDD频分双工和TDD时分双工，介绍几种新型的双工技术，并介绍5G网络对双工方式的总体要求。

（二） 5G关键技术：毫米波通信和大规模多天线技术
在讲授通信原理部分“4.1无线信道”的无线电频段时，介绍毫米波通信。

5G通信系统是在用户需求不断增长、相关技术条件日趋成熟的环境中发展而来的。

为什么5G通信系统采用毫米波传输技术？为了适应环境的变化，5G通信系统采用了毫米波传输技术，因为毫米波频率高，在该段可以获得丰富的频率资源，从而满足5G通信对于超大带宽的需求。

毫米波段虽然可以获得足够大的带宽，但是由于毫米波自身传播衰减快、绕射能力差的特性也给5G通信系统带来新的问题，如传播距离大幅度短、覆盖能力大幅减弱。

为了解决这个问题就必须增加基站数量，可是随之带来的问题是成本激增。

由此可见，通信系统中各要素之间是互相联系、相互制约，牵一发而动全身的。

在讲授通信原理部分“4.6信道容量”香农定理时，介绍MIMO技术。

为了应对成本激增的挑战，5G通信系统采用微基站，即用大量覆盖范围小、成本相对低廉的微型基站进行网络覆盖。

同时，5G通信系统利用毫米波波长短导致天线尺寸可以设计得很小的特点，在基站和终端都采用了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多进多出）传输技术。

尤其是在基站侧采用了Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大规模多输入多输出）天线阵列技术，在进一步增大通信系统容量的同时，基于大规模天线实现波速赋型技术，在一定程度上克服了毫米波传播衰减快的缺点。

在4G系统中，已经实现了MIMO技术，5G系统的Massive MIMO极大地提升了天线的数量，基站侧可配置64/128/256根天线，大幅提高了系统容量和传输效率，用于在用户密集的高容量场景提升用户体验。

在用户终端完成配对的情况下，可以复用相同的时频资源，传输更多的比特流到达对端。

（三） 5G关键技术：正交频分复用OFDM技术
在讲授通信原理部分“5.6频分复用”时，加入了对多址技术的介绍。

多址接入是移动通信的核心技术，从1G到5G，我们经历了频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），采用正交设计，来避免多用户之间互相干扰，通过无线电波的正交性来提升频谱效率。

每一代无线通信体制的核心技术突破基本上集中体现在空口传输技术上。

此外，在讲授通信原理“第8章新型调制技术”中，因为5G中采用了高阶正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）和5G基于子带滤波的正交频分复用（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing， F-OFDM），如图1所示。

因此介绍了正交振幅调制QAM和正交频分复用F-OFDM的需求背景和设计思想。

QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，频谱利用率高，在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域广泛应用。

F-OFDM是一类多载波并行调制体制，将高速数据流分散调制到多个子载波上并行传输，从而使各子载波的信号速率大为降低。

因为子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上可看成是平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，提高抗多径和抗衰落的能力。

（四） 5G通信技术在民航航空通信发展趋势
在讲授通信系统时加入民用航空通信技术发展趋势及挑战的内容。

从陆地空域、机场场面、跨洋/偏远地区空域几种航空通信场景介绍航空通信技术的发展现状，阐述了航空移动服务和旅客通信服务的发展现状和趋势。

结合国内外研究情况，总结了民用航空通信技术的发展趋势和面临的挑战，给出了航空移动通信发展的相关建议。

此外，加入5G通信技术在民航航空通信应用场景探索的内容，如图2所示。

新一代航空宽带通信技术在民航领域应用场景主要包括机场空侧场面区域、机场陆侧航站楼区域、航路飞行阶段和机场飞行阶段。

根据业务类型不同，各场景对通信技术的安全等级要求不同，但均具备5G化的可行性与基本条件，通过合理设置各类应用场景的技术演进路线与过渡方案，建立我国主导的航空5G机场场面宽带移动通信系统（5G Aeronautical Mobile Airport Communication System，5G AeroMACS）、5G L波段数字航空通信系统（L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS）的民航技术标准体系和设备研发应用体系，能够提供5G公网与专网相结合、安全通信与非安全通信相结合的解决方案，占据新一代航空宽带通信技术应用高点。

二深拓教学资源
课程组在重组教學内容的基础上，深拓教学资源。

完成了课程微视频录制、5G/6G及民航通信知识库的建设、超星学习通线上平台的搭建。

（一）完成课程微视频录制
课程组对知识点进行了梳理，在部分教学内容中加入了对应的思政要素，制作了微视频对应的PPT、撰写了对应脚本。

课程组任课教师分工，完成了视频的录制，每个微视频约10～20 min，格式为MP4。

此外，课题组录制了课后习题的微视频，这些视频已经上传到超星学习通上，学生可以在课下反复观看学习。

从学生的反馈中看出，这部分录制的视频对学生的学习是有帮助的。