基于应用型人才培养的“物联网通信技术”课程教学改革
中图分类号：TP39；G642 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-0-03
0 引 言
近年来，物联网异军突起，致使通信技术的关键作用愈发凸显，“千里眼顺风耳”不再是神话传说。伴随着日新月异的无线通信技术的发展和铺天盖地的移动智能终端的普及，现阶段呈现出一幅百花齐放，争鲜斗艳的景象。
诺基亚在2G时代是手机行业霸主，但在2012年被三星超越，2013年，微软斥资72亿美元收购诺基亚手机业务，但在2015年，微软宣布放弃诺基亚品牌，至2016年年底，诺基亚带着五款概念机卷土重来[1]。在3G时代，高通公司凭借“CDMA技术”横扫天下，所有使用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000等3G技术的公司都要向高通缴纳专利费。在这个云谲波诡的竞技场中，在高通和中欧间有意栽花无心插柳的对决中，高通UMB 4G标准失败，中欧LTE成为4G的唯一标准。2016年11月，在5G短码方案讨论中，华为极化码从美国的LDPC和法国的Turbo2.0中脱颖而出[2]，一举拿下这来之不易的标准。2016年国内知名公司华为、OPPO、vivo及小米进入全球手机厂商前五，总份额为53%，苹果iPhone位居第五，三星则已被挤出前五名。2017年1月，华为和联通工程完成峰值速率为697 Mb/s的FDD Massive MIMO验证[3]，华为手机已经在国内外全面开花。通信技术早已成为企业间、国家间竞争的核心实力。
1 物联网通信技术课程教学中存在的问题
1.1 物联网通信技术课程的特点
物联网分为感知识别层、网络传输层和综合应用层。感知识别层技术发展不温不火；综合应用层主要体现出人类智慧，即大数据和云计算技术，这些技术有阿里云、亚马逊、Google等互联网公司做支撑。物联网的重点在于网络传输层的通信技术，因此网络通信技术也是物联网核心技术之一。
在万物互联过程中，起着沟通桥梁的“通信技术”课程是以学生熟练掌握信息论基础、调制解调技术、信源信道编解码技术和同步等知识为目的，选用合适的通信技术和网络技术，构建交互式深度覆盖的物联网，以支撑物联网在移动支付、智能医疗、智能家居和车联网等领域的应用。“物联网通信技术”与以往的“通信原理”课程相比，在广度和深度方面都有所延伸，除了基本的通信原理外，还增添了无线通信、近距离无线通信技术（如蓝牙、ZigBee、红外、超声波、WiFi等技术）、移动通信网络、自组织通信网络、电信网络、异构网络协同通信等知识。急需对“物联网通信技术”课程进行教学改革，以提高课程教学质量。
1.2 物联网通信技术课程教学中存在的问题
绵延不断的通信技术如雨后春笋般蓬勃发展，呈现出“黄四娘家花满溪”之势。但对于学生而言，则苦不堪言。1G的FDMA还没学明白，2G的TDMA、GSM等技术纷纷登场；2G尚未学清楚，3G的CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等技术纷至沓来；尚且还处于3G的云雾笼罩之中，4G的MIMO、OFDM等技术接踵而至，对学生来说“千朵万朵压枝低”。此外，还有短距离无线通信技术，如蓝牙、WiFi、ZigBee等低端硬件?O备的通信技术也需要掌握。通信类图书通常专业性较强，任一技术写出来就是卷帙浩繁的书籍，学生看着这些书籍不禁咋舌。翻开这些书籍，不会像小说那般带来山高水阔云卷云舒的惬意。相反，尽是晦涩难懂的公式、稀奇古怪的调制解调框图和枯燥乏味的应用层理论，这些都让人望而却步。想要融会贯通有一定难度，每一项技术对于一个地方院校的本科生而言就是一座大山，学生眼睛里充满迷茫，时常会觉得身心疲惫，不知所往。尤其对于河池学院这样二本院校的学生而言，学生自身素质不高，处于“看到公式头痛，看到英文单词头晕”的状态，即便教学过程中主动与学生进行沟通交流，但多数学生仍处在没有话题的世界里，参与积极性不高，因此需要提升学生的能动作用。如何快速而有效地做到“轻舟已过万重山”是一个值得思考的问题。为进一步丰富“物联网通信技术”的内容和提高课程教学质量，急需对“物联网通信技术”课程进行深入研究。
2 “物联网通信技术”课程教学改革与思考
2.1 解析知识框架，优化教学内容
尽管通信技术错综复杂，概念繁多，应用范围宽广，但通信技术的本质始终如一。这一点从樊昌信教授的“通信原理”教材中便可略窥一二，从第一版到第七版已经改版了7次[4]。就理论而言，依然基于香农的信息论，各种底层的调制解调、编码译码没有本质区别。就实际网络而言，从移动通信网络到短距离无线通信网络依然遵循着“信源――交换控制中心――信宿”这样殊途同归的体系架构，不同通信系统之间不谋而合。系统中所有的ASK、MPSK、MFSK、MQAM等调制技术与所有的FDAM、TDMA、FDMA、OFDM等多址技术、蜂窝技术、功率控制技术都源于频谱有限。对于模拟通信系统，研究的是系统的信噪比和频带利用率，而对于数字通信系统，研究的则是系统的误码率和频带宽度。
我们没必要去追求那些看似高大上，学起来苦涩难懂的高端技术，应从本源出发，从简单的通信系统的架构和信道模型开始，然后学模拟通信系统和数字通信系统，但凡读透了“通信原理”，又何惧2G、3G、4G、蓝牙等技术。
2.2 利用网络资源丰富“物联网通信技术”课程内容
随着”互联网+”技术的发展，通信人家园、电子发烧友和EDN电子技术设计等网站提供了丰富的通信技术领域的新知识、新动态。这些网站是通信技术在网络展示的聚集地，在数不胜数的帖子中，有通信技术科普知识，有各大公司面试经验分享知识，还有各公司待遇、前景分析知识，随贴答疑解难等。这些论坛网站见证了通信技术的蓬勃发展，见证了通信技术标准的争奇斗艳，更见证了通信的商业模式的改变。在课堂中将这些网站引荐给学生，并对其进行分析，讲解其中的奥妙，以此来获取教学内容的最新知识、最新信息，充实自己的教学内容。 在通信人家园网站中，不乏一些学贯中西、博古通今的人士，为了帮这些读者答疑解惑，他们最先在论坛上发帖，之后随着帖子网络点击量的增多，便整理成一部部深入浅出引人入胜的好书。比如《大话通信――通信基础知识读本》[5]，从通信的起源历史到姗姗而来的3G技术，再到各种技术标准，种种复杂的概念在作者的笔下妙趣横生，用别开生面的语言梳理相关知识框架的；如《大话无线通信》[6]、《大话移动通信》[7]和《3G技术问答》[8]以GSM、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE、LTE-Advanced和WiMAX技术为核心，采用知识问答的方式，让读者知其然也知其所以然；《实战无线通信应知应会――新手入门，老手温故》[9]将枯燥乏味的通信术语和鲜活的生活案例串联起来，并用风趣幽默的语言娓娓道来，春风化雨般让人们理解各种术语；此外，还有《大话TD-SCDMA》[10]、《大话物联网》[11]等，这些经典书籍处处透出理性与思辨，启发每位读者，用别开生面的方式介绍了通信技术的常识，用风趣幽默的语言梳理相关知识框架，读起来津津有味，令人茅塞顿开。这些书籍完全可引荐给学生，相信能静下心来去研读这些书籍的学生会对通信技术有新的认识，同时也丰富了学生的课外学习。
在通信人家园网站中，还有一位陈老师在百忙之中抽空写了一篇“深入浅出通信原理”的帖子[12]。开贴于2010年4月，历时6年之久，目前点击率已破500万。陈老师透过公式看本质，从多项式相乘开始引入卷积，接着揭开傅里叶级数展开的本质。卷积的概念从未如此明晰。陈老师在讲到MIMO（多入多出）技术部分时，采用抽丝剥茧的方式，从最简单的SISO（单入单出）讲起，接着到MIMO矩阵的秩，得出矩阵的秩能够反映MIMO系统可以并行传送的路数。每每讲授此门课程时，笔者都会把陈老师对通信技术的理解融入到自己教学中，并力荐学生课后认真研读陈老师的帖子，相信看过的同学肯定会有较好成长，起到立竿见影、以汤沃雪的效果。
此外，微信也提供了丰富的资料。比如物联网智库，用最新最快的方式汇编物联网新闻，每天都提供三分钟的物联网头条。有AI人工智能的盘点、各大公司专利大战的争斗、穿越迷雾的5G技术、意想不到的智能硬件等，颇有“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”之势。不仅提供概要的文字信息，还提供语音信息。入门者对这些技术可以有选择性的学习，既可以浅尝辄止，也可以深入研究。采用这种碎片化的阅读方式，学生们会有可喜的收获。
2.3 以点带面寻找规律，做到触类旁通
“通信技术”知识错综复杂，很多学生面对数学公式和原理框图时往往一头雾水，看不明白，渐渐失去了对学习的信心。但?过仔细研究，发现有规律可循。比如利用正弦函数和余弦函数的正交性实现IQ调制。IQ正交调制的发射原理框图是相乘、然后相加，接收框图是相乘、积分模式，如图1所示。OFDM利用了{cos（ω0t），cos（2ω0t），…，cos（nω0t）}和{sin（ω0t），sin（2ω0t），…，sin（nω0t）}之间的正交性。IQ调制学懂之后，OFDM的问题也就迎刃而解。同理，PSK（相移键控）、QAM（正交振幅调制）方式都可以用IQ调制实现。在调制之前添加一个映射模块，在解调之后添加一个逆映射即可。不同的调制方式只是映射关系不同，这种映射关系可用星座图来表示。
BPSK比较简单，发送的码只有两种，0或1。信号矢量的位置落在单位圆的实轴上，如图2（a）所示；在QPSK中，单位圆被4个位置点平分为π/2，为保证信号的实偶对称特性，进一步平分，所以第一象限点的方向角为π/4。星座图上点的编码按格雷码的方式排列，相邻码组之间只能有一位不同，QPSK的状态数有四种，可以用两位格雷码描述，即00、01、11、10，如图2所示，相应的映射关系如图2（b）所示。其他进制的PSK同理可得，如图2（c）所示的8PSK。QAM调制从幅度和相位两个维度来区分信号，各种MPSK的星座映射图学懂了，MQAM也就变简单了。
利用4阶Walsh码同时传送多路数CDMA的原理与IQ调制的原理如出一辙，如图3所示。把IQ正交调制解调过程学懂了，其他如OFDM、BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、8QAM、16QAM、CDMA、新型多址、新型多载波等很容易就做到触类旁通，可以用最少的课时掌握尽可能多的数字调制知识。
2.4 问答式对话交流
学生的视角受限，有些问题未必想得深刻，在授课过程中，以理论讲授为主，以问题作为牵引。可以让学生思考如下问题，如在讲授基带传输系统时，占空比对带宽有影响吗？基带信号频谱没有加绝对值能判断频谱是实函数吗？若以高于Tb速率传输为什么会串扰？为什么长时间连0或连1不利于提取定时信息？在讲授2FSK解调时，让学生思考两频点相距较近时带通滤波器可行吗？效果好吗？比如讲授13折线PCM脉冲编码调制时，7位PCM编码（不包括极性）的线性码是11位均匀量化码，译码时应尽量减少误差，用12位线性码表示，多出来的第12位应放在最高位还是最低位？为什么？这样放有什么好处？
把一个个看似简单实则发人深思的问题抛给学生，把学习的主动权交给学生。使他们的学习不能建立在虚无缥缈的想象和晦涩的课本内容之上，必须建立抽象到现实的联系，依靠教师的合理引导及教授，帮助学生理解教学内容。
2.5 实验课程教学改革
“物联网通信技术”不是一门孤立的课程，它是后续RFID、传感器网络等课程的基础。而实验课也要兼顾后续课程的平滑过渡。
如果是仿真实验，Matlab语言因其公式化的描述、可视化的展示和方便的矩阵运算受到了通信人的青睐。比如在讲解幅度调制AM的包络时，调制信号为m（t）=1.2+sin（20000πt），载波信号c（t）=cos（20 000πt），已调信号为s（t）=m（t）c（t）。接着利用Matlab的plot函数画出调制信号的包络图。图形往往比文字更能吸引人的眼球。学生可以很容易的从可视化结果中理解包络解调的原理。比如在计算（n，k）汉明码时（n表示码长，k表示信息位数，r=n-k表示监督位数），已知生成矩阵G，利用“Q=G（1∶k，k+1∶n）；P=Q’；H=[P eye（r）]；”这三条语句很轻松就可求出监督矩阵H；反之亦然，已知监督矩阵H，利用“P=H（1∶r，k）；Q=P’；G=[eye（k） Q]；”这三条语句求出生成矩阵G。借助仿真软件，将学生从复杂公式计算中解脱出来，并且从可视化的结果显示，中学生也能深刻感受到“物联网通信技术”是一门云蒸霞蔚的课程，就会兴致勃勃的投入到课程学习中，一步步成长。 笔者所在学校购买的是HD-TX-IV型试验箱，可供学生做幅度键控（ASK）调制解调实验、模拟调制解调、CMI、HDB3/AMI脉冲编码调制解调（PCM）及系统实验、PCM编码时分多路复用时序分析实验、二相BPSK、DPSK调制解?{实验等通信原理基础性实验。除此之外，为了能对后续“传感器网络”课程起到铺垫作用，可以让学生尝试利用 CC2530 的ZigBee协议实现无线通信功能，也可让学生用CC2540模块的蓝牙协议实现无线通信，增加学生的学习兴趣。
3 结 语
“物联网通信技术”是一门实用有趣的技术。各种技术从噱头走向务实，各种调制解调技术、编码解码技术、多天线技术、多载波技术、新型多址技术已遍地开花。通信技术学习之路布满荆棘，在教学过程中利用好网络资源、以点带面寻找规律和问答交流等方式进行教学，相信学生的学习经过长期的“山重水复”之后，会呈现“柳暗花明”的结果。
