Seminar课程

无线通信原理 / 信息工程学院 / 何春龙

    根据通信领域前沿技术具有快速更新的特点,在研究生专业课程教学过程中,引入Seminar教学法,该教学模式是适应大学课程改革的一种"讲授+研究讨论"的教学方式,利用新生代对新事物快速接受的特点,通过分组准备课题、轮流作为主持、课堂综合讲述、全体参与讨论的方法,充分发挥学生的主动性和积极性,发现并跟踪专业方向上的新理论、新方法和新技术,提高文献检索、论文写作、团队协作和表达沟通的能力,培养研究生的创新思维和科研素质。

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    随着时代的发展,国家越来越注重培养创新型人才,而创新型人才的培养,很大程度上取决于高校的教学质量。该教学模式倡导在生长中获得个性品质和创新能力的发展,倡导在探究过程中理解知识和获取经验,以获得课程教学的真正价值。Seminar教学法是对传统教学法的必要补充,有助于学生创新思维和综合能力的培养,是学校培育创新型人才的重要手段。Seminar教学模式下,教师和学生同为教学主体,在课堂上双方最大限度的就研究主题进行探讨、交流,形成一种互动式的教学方式。讨论课需要大量的文献资料作为支撑, 在准备阶段和后续的论文撰写阶段, 都需要查阅大量的资料。学生在本科阶段一般学习了文献检索的基础知识, 在研究生阶段需要根据特定的主题在相关领域中查询文献并从中提炼知识,凝聚观点。在上世纪30年代,我国就在浙江大学对Seminar教学模式进行探索, 直至21世纪,此方法在国内众多的高校中开展了研究和应用。目前国内外在这方面的建设较多,比如美国佐治亚理工学院 Geoffrey Ye Li 教授团队就采用Seminar方式对无线通信原理进行深入教学。国内的南京邮电大学卢敏教授也对无线通信原理进行案例Seminar教学,并取得较好的教学效果,由此可见,Seminar教学将成为无线通信原理相关课程改革建设的主要方向,具有广阔的应用前景。

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    在无线通信原理课程教学中引入Seminar教学模式,可以大幅提高该课程教与学的效率。通信领域的许多新技术多源于国外, 跟踪新技术的过程就是了解国际前沿技术的发展。通过查阅外文资料、与同年级留学生和来校专家之间交流等训练, 使研究生具备国际视野目前, 无线通信原理在研究生培养中设置小班化教学,实践结果表明, 学生课程归属感增强, 学习积极性提高, 知识的掌握度加强, 能够发挥主动性和能动性。这种教学模式的引入一方面使无线通信原理课程的教学质量得到了提高,另一方面使大学生的综合能力得到了锻炼。

 

无线通信是当今信息领域中发展最快、应用最广的学科之一,这就要求高等学校不断培养出与之相适应的专业人才,去应对无线通信技术的革新和应用。无线通信这一技术已深入到人们生活和工作的各个方面,包括日常使用的手机、无线电话等,其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。

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与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波,它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽,通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

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无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户,全球范围内的无线用户数量已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。从七十年代,人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代,伴随着以太局域网的迅猛发展,以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补"有线"所短,也赢得了特定市场的认可,但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充,遵循了IEEE802.3标准,使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等弱点,不同厂商的产品相互也不兼容,这一切都限制了无线网的进一步应用。

 


  蜂窝移动通信从20世纪80年代出现到现在,已经发展到了第三代。目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术;无线城域网(WMAN)、无线局域网和无线个域网(wPAN)技术的宽带无线接入也在全球不断升温,宽带无线用户数增长势头强劲;卫星通信以其特殊的技术特性,已经成为无线通信技术中不可忽视的一个领域;手机视频广播作为一种新的无线业务与技术,正在成为目前最热门的无线应用之一。《无线通信原理》这门课程将对无线通信的发展和技术标准、蜂窝的概念、无线电传播的大尺度衰落、小尺度衰落模型以及5G关键技术等进行介绍,具有专业性强和理论性强的特点,学生前期只需要学过简单的通信原理以及信号与系统等课程,就能很好的适应本课程的前期基础要求。


1. OFDM LS算法仿真实现

    课堂上我们会详细讲解OFDM系统中 LS基本原理,因为OFDM技术具有较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰的能力,近年来获得了很快的发展。并且已经成为欧洲数字视频广播陆地传输(DVB-T)和无限局域网(W-LAN)的标准。在无线宽带通信系统中,由于存在频率选择衰落和时变信道,因此必须对信道进行估计以获取信道状态信息,以便准确的解调。通常采用导频的方法获得信道状态信息。基于导频的信道估计分为块状导频和梳状导频。块状导频是在时域上周期性的插入导频,而梳状导频是按照一定间隔在某些子载波上全部插入导频。我们将引导学生采用MATLAB仿真实现OFDM系统中LS信道估计算法,预期成果与形式是多媒体课件的形式予以展现,并附上相关的仿真代码。基于块状导频方案下的信道估计算法的误符号性能。由于MMSE算法较LS算法可以更加准确的跟踪信道的变化,从而保证的接收信息的可以更加准确的获取出来,误符号性能优于LS算法。


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2. OFDM LMMSE信道估计算法仿真实现

课堂上我们会详细讲解OFDM LMMSE基本原理,我们将引导学生采用MATLAB仿真实现OFDM系统中LMMSE信道估计算法,预期成果与形式是多媒体课件的形式予以展现,并附上相关的仿真代码。LSMMSE估计算法的均方误差的对比分析。由于LS算法在进行信道估计时没有考虑加性噪声的影响,造成了信道估计结果偏差较大。从图中可以看出,在取得相同估计性能的条件下,MMSE算法对信噪比的要求比LS算法要低将近5dB


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3. OFDM MMSE信道估计算法仿真实现

课堂上我们会详细讲解OFDM MMSE基本原理,我们将引导学生采用MATLAB仿真实现OFDM系统中MMSE信道估计算法,预期成果与形式是多媒体课件的形式予以展现,并附上相关的仿真代码。

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    信道估计是在时域或者在频域上求出一个信道的近似的冲激响应,使估计值尽可能地接近于真实的信道冲激响应,以便在接收端进行信道的补偿,从而提高整个系统的性能。实现信道估计主要有两种方法:导频估计和盲信道估计。所谓的非盲估计指在估计阶段首先利用导频来获得导频位置的信道信息,然后为下面获得整个数据传输阶段的信道信息做好准备;盲估计是指在不使用导频信息,通过使用相应信息处理技术获得信道的估计值。与基于导频的信道估计技术相比,盲信道估计使系统的传输效率大大提高,然而由于盲信道估计算法一般收敛速度较慢,这阻碍了它在实际系统中的应用。在基于OFDM的无线通信系统中,由于传输速率较高,并且使用相干检测技术获得较高的性能,因而通常使用非盲估计便可获得较好的估计效果,这样可以更好的跟踪无线信道的变化,提高接收机的性能。基于导频的信道估计是指在数据发射时,将收发双方已知的导频符号离散的安插在有效数据之中,从时域和频域这一二维结构看去,只要在两个方向的导频密度满足采样定理,就可以精确估计信道的时变和衰落特性。利用导频进行信道估计的一大优点就是能够适应快衰落信道。

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    正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术是将信道分成若干个正交的子信道,将信道调制到各个正交的子信道上进行传输。学生采用OFDM调制方法,并使用了三种不同的导频信道估计的方法对瑞利信道进行估计,并使用误码率曲线表示其性能。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)由于具有高带宽效率的高数据速率传输能力和对多径延迟的鲁棒性,近来在无线通信系统中得到了广泛的应用。它已被用于无线局域网标准,如美国的IEEE802.11a和欧洲等效的HIPERLAN / 2,以及多媒体无线业务,如日本的多媒体移动接入通信。信道的动态估计在OFDM信号解调之前是必要的,因为无线电信道对于宽带移动通信是频率选择性和时变的系统,可以通过应用16QAM16正交幅度调制),QPSK(正交相移键控),DQPSK(差分正交相移键控)和BPSK(二进制相移键控)作为调制方案。信道估计可以通过在特定周期的OFDM符号的所有子载波中插入导频音,或者在每个OFDM符号中插入导频音来实现。第一种是块类型的导频信道估计,是在慢速衰落的渠道。即使使用判定反馈均衡器,这也假定信道传输功能不会非常快速地变化。这种块型导频装置的信道估计可以基于最小二乘(LS)或最小均方(MMSE)。


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       通过采用Seminar课程教学,学生对OFDM LS算法仿真实现、OFDM LMMSE信道估计算法仿真实现和OFDM MMSE信道估计算法仿真实现有了深入的理解。OFDM是高速率多载波无线传输系统的一种有效技术,它通过将频率选择性信道转换成频率平坦子信道的并行收集来减少多径衰落的影响。基于块状导频的信道估计,是通过在每个子信道上发送导频并将该估计用于特定数量的后续符号来执行的。针对导频信道估计和信道插值两种不同的算法,信道插值可以采用线性插值、二次插值、三次样条插值及高斯插值等。

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   对不同插值算法下的误码性能的对比分析。从仿真结果可以看出高阶插值算法带给系统更好的误符号性能。学生能够熟练的掌握Matlab仿真,教学效果显著,达到预期的教学目标。

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  项目负责人为深圳大学信息工程学院副研究员,IEEE和IEICE会员。长期从事无线通信相关研究,于2010年和2015 年分别获西南交通大学硕士和东南大学信息与通信工程专业通信与信息系统处理方向工学博士学位。2012年9月到2014年9月在美国佐治亚理工学院做博士联合培养。2016年评为深圳海外高层次人才(孔雀计划项目)。主要研究方向是5G无线移动通信关键技术,有线反馈和信道估计。目前以第一作者在国际权威期刊和会议上发表/录用论文21篇,其中SCI录用/发表期刊9篇,EI检索12篇,申请国家专利14项。目前正主持国家级项目一项,省部级项目一项,市级项目一项。

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近五年主持科研项目清单:1.主持国家自然科学基金,分布式天线移动通信系统的能效技术研究(61601300);2.主持深圳市孔雀计划科研项目,分布式天线移动通信关键技术研究;3.主持深圳市科创委基础研究项目,大规模分布式MIMO移动通信系统的能效技术研究另外项目负责人最近两年一直承担本科生与研究生的无线通信原理课程教学,研究兴趣为5G无线移动通信技术,教授课程有无线通信技术、信息论、通信原理、信号与系统,这些工作对后续的无线通信原理课程案例教学积累了丰富的教学经验。

  1.  介绍移动通信原理及其应用方面的基本概念,主要包括:1、无线通信的定义;2、无线通信的特点;3、无线通信系统的发展历程;4、无线通信的工作方式;5、无线通信的应用系统。该部分内容以老师授课为主,学生积极参与讨论。

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2.   蜂窝通信技术原理介绍:1、首先介绍在蜂窝移动通信系统中对调制解调技术的要求;2、 然后介绍蜂窝移动通信系统中常见的两类调制方式:频移键控和相移键控;频移键控重点介绍MSK调制及其变形;相移键控主要介绍QPSK及其变形;介绍它们以调信号的特点和功率谱特性,以及它们在蜂窝移动电话系统中的应用;3、介绍正交振幅调制(QAM)的调制和解调,信号星座图的概念;4、蜂窝系统信号与干扰的计算。该部分内容以老师授课为主,学生积极参与讨论,并完成老师布置的作业。

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3.  大尺度衰落模型主要介绍:1.电波传播的基本特性;2.电波的自由空间传播;3.三种电波传播的机制; 4.无线信号的阴影衰落;5.无线信号的多径衰落; 6.大尺度信道模型;该部分内容以老师授课为主,学生积极参与讨论,并完成老师布置的作业。

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4. 老师讲解和学生互动研讨

上课前老师先进行启发式提问,引导学生思考OFDM信道估计原理以及可能的OFDM信道估计算法,然后鼓励学生举手回答对OFDM信道估计算法的理解以及相关难点问题。下图为现场拍照,学生们踊跃发言,研讨取得了预期的效果。


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    Seminar教学法是一种研讨式的教学模式,不仅能够培养学生的独立思考能力、分析和解决问题的能力,还有助于培养学生的发散思维和创造性思维以及团队合作意识,符合我国高等教育改革所提出的“培养高等综合型人才”的要求。以理工科专业课程“无线通信原理”教学改革为契机,探讨seminar教学法引入理工科专业课程的教学过程,尝试构建适用于高等院校理工科专业课程的Seminar课堂教学模型。现有的《无线通信原理》这门课程对无线通信的发展和技术标准、蜂窝的概念、无线电传播的大尺度衰落、小尺度衰落模型以及5G关键技术等进行介绍,具有专业性强和理论性强的特点。

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  通过采用Seminar课程教学,学生对OFDM LS算法仿真实现、OFDM LMMSE信道估计算法仿真实现和OFDM MMSE信道估计算法仿真实现有了深入的理解。学生能够熟练的掌握Matlab仿真,教学效果显著,达到预期的教学目标。