第2講移動(dòng)通信：移動(dòng)前夜、1-4G【注釋】“移動(dòng)通信”總計(jì)2學(xué)時(shí)。第1學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：包括移動(dòng)前夜、移動(dòng)通信1-4G；第2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：包括5G和展望6G，這部分教學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)作為“教學(xué)設(shè)計(jì)樣例說(shuō)明”，相應(yīng)的視頻為“教學(xué)實(shí)錄視頻”。一、教學(xué)內(nèi)容本次課（1學(xué)時(shí)）主要講授以下內(nèi)容：從智能手機(jī)談起1G模擬移動(dòng)通信2G數(shù)字移動(dòng)通信3G碼分多址技術(shù)4G移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)二、教學(xué)目標(biāo)1)知識(shí)層面 了解移動(dòng)通信的發(fā)展歷程及我國(guó)在移動(dòng)通信發(fā)展中扮演的角色，學(xué)習(xí)基本概念與時(shí)代背景，對(duì)1-4G移動(dòng)通信相關(guān)背景及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解。同時(shí)介紹我國(guó)在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)化中從3G的突破到4G的并跑，逐漸扮演越來(lái)越重要的角色。2）能力層面教導(dǎo)學(xué)生跳出專業(yè)，以外行人的角度去看。從海蒂·拉瑪作為通信的外行人發(fā)現(xiàn)了顛覆時(shí)代的跳頻技術(shù)的事件中，啟迪學(xué)生在提出問(wèn)題時(shí)要跳出專業(yè)、放開(kāi)思想，像外行人一樣思考；真正做的時(shí)候，要專業(yè)地去實(shí)踐。以高通公司為例，讓學(xué)生看見(jiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值。高通研究技術(shù)到制定標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)專利布局實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的壟斷。然后通過(guò)專利許可認(rèn)證的方式，讓自己處于通信產(chǎn)業(yè)的最頂層。4）價(jià)值層面落后不要緊，要勇敢邁出第一步。在3G時(shí)代我國(guó)提出了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。雖然與當(dāng)時(shí)主流3G標(biāo)準(zhǔn)有差距，但技術(shù)落后時(shí)中國(guó)相關(guān)企業(yè)的高投入和中國(guó)通信人的勇于進(jìn)取與堅(jiān)持不懈，最終造就了4G時(shí)代與歐盟標(biāo)準(zhǔn)并駕齊驅(qū)的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)。三、本節(jié)概要首先，從智能手機(jī)切入，選擇智能手機(jī)，一是因?yàn)槲覀冋幱谥悄苁謾C(jī)時(shí)代，智能手機(jī)已經(jīng)改變了我們的生活方式，成為現(xiàn)代生活中的必需品；二是其產(chǎn)業(yè)變革重要性，它已經(jīng)變成了產(chǎn)業(yè)變革的新引擎；三是從同學(xué)身邊熟悉的喜歡的事物入手，引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)課程產(chǎn)生興趣。并對(duì)我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做一個(gè)概述，同時(shí)為了增強(qiáng)對(duì)通信發(fā)展史的了解，對(duì)1G以前的通信歷史做簡(jiǎn)單介紹。在現(xiàn)代意義上的通信出現(xiàn)之前，通信已經(jīng)有了上千年的歷史。但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高，人們一直在追求提高信息傳遞的速度。從電報(bào)到電話再到馬可尼主導(dǎo)的無(wú)線電通信，就是信息傳遞速度能力不斷提升的體現(xiàn)。1948年，香農(nóng)發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》，討論了不確定性信息及其度量信息熵，全面闡述了一切信息系統(tǒng)中的信息傳輸、存儲(chǔ)、處理和接受問(wèn)題，并給出了通信系統(tǒng)的模型。在數(shù)學(xué)理論的科學(xué)指導(dǎo)下，現(xiàn)代通信開(kāi)始了飛速發(fā)展。1G時(shí)代的模擬移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了人們關(guān)于無(wú)線通信的夢(mèng)想，從此移動(dòng)通信由理論變成了現(xiàn)實(shí)。2G時(shí)代為了克服模擬移動(dòng)通信的固有缺陷，開(kāi)始用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)的傳輸和處理，自此數(shù)字移動(dòng)通信時(shí)代開(kāi)啟，同時(shí)移動(dòng)通信開(kāi)始制定共同的標(biāo)準(zhǔn)。3G時(shí)代開(kāi)始，高通這個(gè)通信行業(yè)巨擎開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)，其主導(dǎo)的CDMA碼分多址技術(shù)奠定了第三代通信技術(shù)的基石。在這一時(shí)期，我國(guó)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)登上舞臺(tái)，標(biāo)志著中國(guó)通信行業(yè)在1G的空白和2G的跟隨后，終于在3G中有所突破。在3G時(shí)代，智能手機(jī)的出現(xiàn)推動(dòng)了移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)走向融合，帶來(lái)的高流量與高接入的需求同時(shí)推動(dòng)了3G向4G飛速演進(jìn)。4G移動(dòng)通信的主題是全球同步，主要技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)互聯(lián)、物理層的OFDM與MIMO技術(shù)。在4G時(shí)代，我國(guó)主導(dǎo)的TD-LTE技術(shù)與歐盟主導(dǎo)的FD-LTE技術(shù)并駕齊驅(qū)。在4G相關(guān)產(chǎn)業(yè)中，從設(shè)備供應(yīng)商到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了群體突破，受到了國(guó)內(nèi)外的高度認(rèn)可。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要理論的指導(dǎo)人類用電報(bào)與電話敲開(kāi)了通信世界的大門(mén)，改變了信息傳遞的效率。100年過(guò)去了，電報(bào)與電話通信已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，然而技術(shù)上卻停滯不前。究其原因是尚未有人刻畫(huà)通信的本質(zhì)和度量信息傳遞的效率及其極限。直到1948年，一位熱愛(ài)思考的科學(xué)家香農(nóng)在貝爾實(shí)驗(yàn)室參與研究了信道噪聲和密碼通信的問(wèn)題，懷著一顆好奇心他定義了通信的本質(zhì)以及信道容量，也就是后世熟知的香農(nóng)極限。在他劃時(shí)代的論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，他提出了通信系統(tǒng)模型，并用概率統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)描述信息，構(gòu)建了沿用至今的通信理論的體系框架?，F(xiàn)在這一理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、空間探測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。并且其應(yīng)用范疇也逐漸從通信領(lǐng)域延伸到基因?qū)W、分子生物學(xué)、腦科學(xué)、心理學(xué)、藝術(shù)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等。2）跳頻技術(shù)的發(fā)現(xiàn)者海蒂·拉瑪及主導(dǎo)者帶來(lái)的啟示在偶然的情況下，好萊塢的著名影星海蒂·拉瑪開(kāi)始研究如何避開(kāi)敵對(duì)方的通信技術(shù)，創(chuàng)造性地提出了跳頻通信的構(gòu)想。在海蒂·拉瑪以前的通信，都是基于固定頻率，且追求帶寬的效率，頻帶越窄越好。而跳頻通信則是在通信過(guò)程中頻率不斷變化，頻帶越寬越好。很快，通信技術(shù)專家實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)，研制了跳頻技術(shù)電臺(tái)。這由外行人引起的通信行業(yè)的顛覆啟示我們，在提出問(wèn)題時(shí)候，跳出專業(yè)，放開(kāi)思想，要像外行人一樣思考；真正做的時(shí)候，要專業(yè)地去實(shí)踐。高通則向世人展示了標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值。翻開(kāi)《高通方程式》這本書(shū)，會(huì)發(fā)現(xiàn)高通的創(chuàng)始人做了兩件關(guān)鍵的事情，一是組織團(tuán)隊(duì)攻關(guān)基于CDMA的新一代數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，并將其提交到世界標(biāo)準(zhǔn)組織；二是通過(guò)申請(qǐng)和收購(gòu)的方式掌握了CDMA相關(guān)技術(shù)的全部專利，實(shí)現(xiàn)了在CDMA技術(shù)上的專利布局。從此高通創(chuàng)立了一種新的商業(yè)模式，從研究技術(shù)到制定標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)專利布局實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的壟斷。然后通過(guò)專利許可認(rèn)證的方式，讓全世界通信相關(guān)產(chǎn)業(yè)的企業(yè)為其打工。直到現(xiàn)在，高通仍處于通信行業(yè)的最頂層。3）我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展起步較晚，在1-2G時(shí)代幾乎是空白。在第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)建立之初，相關(guān)產(chǎn)業(yè)人士已經(jīng)看到了通信標(biāo)準(zhǔn)的力量，也認(rèn)為這是我國(guó)通信行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇。于是我國(guó)提出了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，并在2000年5月成為ITU正式公布的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。TD-SCDMA的出現(xiàn)改變了中國(guó)通信在世界舞臺(tái)毫無(wú)話語(yǔ)權(quán)的窘境，也讓世界對(duì)中國(guó)有了新的認(rèn)知。但TD-SCDMA技術(shù)研發(fā)起步較晚，相關(guān)基礎(chǔ)薄弱，與其余第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)WCDMA和CDMA2020有一定差距。因此產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程困難，只有中國(guó)移動(dòng)一家運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了大規(guī)模投入部署，承擔(dān)著運(yùn)營(yíng)優(yōu)化的艱難工作。而到了4G時(shí)代，中國(guó)付出了巨大代價(jià)發(fā)展的TD技術(shù)迎來(lái)了春天。由TD-SCDMA技術(shù)演變來(lái)的TD-LTE技術(shù)成為4G主要標(biāo)準(zhǔn)，與歐盟主導(dǎo)的FD-LTE技術(shù)平分秋色，從而實(shí)現(xiàn)了中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)的一次飛躍。這一次，在3G時(shí)代巨大投入下積累了寶貴研發(fā)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的中國(guó)企業(yè)，拿出了媲美對(duì)手的產(chǎn)品，得到了全球市場(chǎng)的認(rèn)可。同時(shí)在4G相關(guān)產(chǎn)業(yè)中，從設(shè)備供應(yīng)商到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了群體突破。正是由于3G時(shí)代中國(guó)相關(guān)企業(yè)的高投入和中國(guó)通信人的勇于進(jìn)取與堅(jiān)持不懈，才有了4G時(shí)代的回報(bào)。五、教學(xué)設(shè)計(jì)本科一年級(jí)新生對(duì)于電子信息工程專業(yè)的認(rèn)知不足，也缺乏相應(yīng)的知識(shí)基礎(chǔ)。由于剛經(jīng)歷高中大量的考試，難免會(huì)帶有應(yīng)試的思維，同時(shí)走進(jìn)大學(xué)也有求變的心理。移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，面臨信息超載。統(tǒng)一敘述這正是為專業(yè)發(fā)展打基礎(chǔ)、強(qiáng)根本的雛形時(shí)期，應(yīng)最大程度上激發(fā)學(xué)生的好奇心、學(xué)習(xí)興趣和科研潛力。統(tǒng)一敘述1）教學(xué)設(shè)計(jì)思路因此，在教學(xué)過(guò)程中不能簡(jiǎn)單的說(shuō)教，而是通過(guò)以歷史的脈絡(luò)串聯(lián)起故事，并在講述故事的過(guò)程中將道理蘊(yùn)含其中，注重培養(yǎng)思維，進(jìn)而達(dá)到趣味性與專業(yè)性和系統(tǒng)性的相統(tǒng)一。本節(jié)課故事很多，還包括摩爾斯與電報(bào)的發(fā)明，貝爾與電話的發(fā)明、貝爾實(shí)驗(yàn)室，麥克斯韋、赫茲、馬可尼與無(wú)線電報(bào)，摩托羅拉與模擬移動(dòng)通信1G，諾基亞、愛(ài)立信與數(shù)字移動(dòng)通信2G、喬布斯與智能手機(jī)等。下面以3個(gè)課程重點(diǎn)為例介紹教學(xué)設(shè)計(jì)，具體描述如下：通過(guò)通信的奠基工作香農(nóng)的《通信的數(shù)學(xué)理論》，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到理論的重要性，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)理論的指導(dǎo)。而且，圍繞著香農(nóng)理論的解說(shuō)，為學(xué)生建立初步的信息體系框架。而這一框架將在后續(xù)的學(xué)習(xí)不斷被強(qiáng)化，特別是在信道編碼、信息處理和信息存儲(chǔ)等相關(guān)章節(jié)，為學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)埋下伏筆。在課后思考題中，推薦學(xué)生讀《信息簡(jiǎn)史》和《香農(nóng)傳》，并追問(wèn)“香農(nóng)在《通信的數(shù)學(xué)理論》提出了信息熵，彰顯數(shù)學(xué)在通信中的重要性，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，數(shù)學(xué)的重要性進(jìn)一步提高，請(qǐng)你分析其原因?！蓖ㄟ^(guò)海蒂·拉瑪一個(gè)通信的外行人創(chuàng)造性的提出了跳頻通信的構(gòu)想，啟迪學(xué)生們創(chuàng)新的方法，以外行的目光提出問(wèn)題，以專業(yè)的態(tài)度做事。在課后思考題中追問(wèn)“為何CDMA不是由通信專家提出？請(qǐng)你談?wù)剬?duì)創(chuàng)新的理解?！币耘囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生在反思中學(xué)習(xí)寶貴的科研經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)高通公司建立技術(shù)到標(biāo)準(zhǔn)到專利的商業(yè)新模式，告訴同學(xué)們通信標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值。通過(guò)我國(guó)在3G時(shí)代開(kāi)創(chuàng)性的提出了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，雖然技術(shù)落后，但中國(guó)相關(guān)企業(yè)的高投入，中國(guó)通信人的勇于進(jìn)取與堅(jiān)持不懈，進(jìn)而在4G時(shí)代厚積薄發(fā)帶來(lái)了中國(guó)企業(yè)的群體突破，告訴學(xué)生落后時(shí)，要勇于踏出第一步，才能有后面的突破。在教學(xué)中，充分展示移動(dòng)通信，從跟蹤、突破、并跑到超越的發(fā)展歷程，增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信心，期間穿插我校教師和校友的科研成就增強(qiáng)專業(yè)培養(yǎng)能力的信心。在課后思考題中，推薦學(xué)生讀《高通方程式》，并追問(wèn)“高通公司通過(guò)技術(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化，走出了一條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的成功之路，對(duì)此你有何感想？”以引導(dǎo)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)