基于系统的光无线通信论文

摘要：和3G移动通信系统的业务相比，B3G移动通信系统的业务具有显著的特征，如：分组数据业务占优、业务类型显著增多、业务规模显著增大、传输峰值速率显著提高、业务传输速率的动态范围显著增大、业务在空间和时间上的分布差异显著增大、业务请求常发生在高速移动的交通工具中等。今天小编给大家找来了《基于系统的光无线通信论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

基于系统的光无线通信论文 篇1：

计算机病毒样本在操作系统课程教学中的应用

摘要：本文提出了在教学中结合计算机病毒样本进行基于windows操作系统的演示教学方法，给出了整个教学方法的设计与实施流程，以及相关的注意事项。实践证明，结合病毒木马样本的教学能极大提高学生学习兴趣，帮助学生深刻地理解操作系统基本原理和概念。

关键词：演示教学；教学方法；计算机病毒；操作系统

1引言

“操作系统”是计算机相关专业的一门重要专业基础课，传统的课程教学一般是先讲述理论部分的基本原理和概念，然后在实例部分则讲解UNIX/Linux和Windows两类的操作系统实例[1][2][3]。结合日常的教学工作以及与同行们的交流[4][5][6]，我们发现该课程的目前的教学模式中有这样几个问题是值得注意的：(1)教材内容包含大量枯燥难懂的原理和概念，而且教材的内容以及课堂的讲解都很少与实际应用相联系，学生往往较难理解，由此对课程学习缺乏兴趣，最后考试以死记硬背应付了事；(2)课程的基本原理和概念内容大多结合Unix或者Linux操作系统进行讲解，而学生缺乏专门的Unix或者Linux课程学习，并且日常使用的电脑大多都是Windows系列的操作系统，所以学生理解起来比较费力；(3)在Windows操作系统实例讲解的时候，大多也仅仅是采用从概念到概念的教学方法，学生学习完后对日常所用的操作系统还是非常陌生，碰到系统故障例如系统注册表修复被简单的网页木马修改束手无策，这对他们以后从事企业、政府和学校桌面计算机系统维护和管理工作是十分不利的。本文提出应用计算机病毒木马样本的基于windows操作系统的演示教学方法，对以上教学模式的不足进行了改进。

2教学方法的设计与实施

2.1教学和实验内容的安排

在教学内容方面，我们对教学内容的教学顺序做了一点调整。常见操作系统教材内容的安排是先讲述基础理论，然后讲述操作系统实例。例如先讲述操作系统发展历史、进程及其管理、调度与死锁、存储器管理、虚拟存储器、设备管理、文件系统等基础理论，然后再进行UNIX和Linux实例分析、Windows系统实例分析[2]。为了吸引学生的学习兴趣和考虑到学生的熟悉情况，我们对教学内容的教学顺序做了一点调整。我们是首先讲述最后一部分，也就是学生相对熟悉的Windows操作系统实例开始进行讲述。学期的前六个课时，除了根据基础理论分类，大致介绍windows的进程、微内核、NTFS文件系统等概念外，我们是引入计算机病毒木马样本进行课堂教学演示，结合病毒样本对操作系统的感染机制，让学生在教师的演示过程中逐步深入地理解不同的概念，演示的详细流程参见本文2.2节。

在实验实训部分，我们在传统的操作系统实验基础上，增加了两个小实验：实验1名称是“计算机病毒感染操作系统的过程分析”和实验2名称是“服务器防病毒和木马攻击的配置”。其中实验1的实验时间安排在讲完windows实例理论内容之后，实验地点并不在学校机房，而要求学生寻找宿舍周围或者其他专业学生中毒的计算机进行。实验的要求是提交一个病毒木马样本，并提交包含描述该病毒感染的过程、感染后的驻留文件以及对应的手工清理方法的实验报告。实验2的实验时间是安排在讲完所有操作系统理论内容之后进行，是一个综合性的实验。实验2安排在学校机房进行，实验的操作系统选择window2003。实验主要是要求学生收集各种病毒和木马对操作系统攻击的资料，从对操作系统攻击的角度对操作系统进行一些系列的配置，包括配置对应的服务器。通过这2个小实验的引入，学生不仅仅停留在对操作系统基本概念的理解上，而且他们还为能够为其他专业学生清理病毒，将自己电脑的操作系统进行一系列的配置减少中病毒木马的机率而乐在其中。

2.2教学演示流程

在教学中我们使用计算机病毒木马样本按照如图1所示的流程进行演示。

(1) 系统感染演示。首先是从样本库中提取一个预先经过认真分析的病毒木马样本，并双击进行感染操作系统的演示，然后讲授病毒的感染途径，包括软盘、游戏光盘、移动存储设备(包括存储卡)、网络(网页、QQ、邮件、一上网就中毒)、甚至通过无线通信设备(例如手机)进行传播。

(2) 检查病毒驻留。首先讲授操作系统感染病毒后的常见症状，例如机器很慢、机器网络流量异常、杀毒软件不能运行、一些软件不能运行、任务管理器中有莫名其妙的进程。然后给学生讲解操作系统被感染后，病毒木马在硬盘中常见的驻留地方主要包括各盘根目录和C盘的C:windows、C:windowssystem32、C:Program FilesCommon Files等目录下，以及注册表项目。根据操作系统感染前后的比较，引导学生发现病毒和木马确实向这些常见的驻留地方写入了一些可疑的文件。

(3) 病毒传染演示。例如演示U盘感染途径的方式。首先采用干净的U盘插入已经被感染的计算机USB接口，然后采用CMD、Dir/a等Dos下面的命令给学生查看病毒往U盘写入的自动运行文件，最后在干净的机器上插入被感染的U盘，完成整个感染过程。

(4) 病毒检查演示。病毒感染操作系统后，一般在注册表启动项中会有新增的可疑项、任务管理器中一般会有可以得进程、病毒常见的驻留地方也会有可疑的文件出现。通过检查以上三个主要方面一般都会发现病毒的痕迹。有些恶意病毒感染操作系统后，会禁止用户查看注册表、查看进程表和隐藏自身的文件，这时候必须使用第三方工具软件清除这些限制或者使用Dos下的命令进行操作。

(5) 病毒清除演示。根据操作系统中毒后在任务管理器中一定至少存在一个莫名其妙的进程的特点，强行终止这些进程(如果在任务管理器界面不能终止，则必须采用Dos下的ntsd命令)，然后在硬盘删除病毒对应的exe、com、dll文件，或者将后缀名改名然后收集起来形成样本。

2.3教学示例

结合一个具体的U盘pagefile.pif病毒，给出演示教学的过程如下：(1)系统感染演示。从样本库提取病毒样本，双击病毒可执行文件。根据以往经验，学生一般从来没有见过病毒样本或者从来不敢接触病毒可执行文件，所以学生往往在此时刻都会集中精神屏住呼吸看老师的演示；(2)检查病毒驻留。依据硬盘盘符顺序检查，最后是注册表的

顺序。最终检查出如图2所示的病毒驻留在硬盘的文件，同时注册表启动项目被添加c:windowsservices.exe一项。通过这一步的演示，学生们能感觉到病毒并不神秘，而且对windows系统的系统目录以及注册表有了初步的认识；(3)病毒传染演示。插入干净的U盘后，通过对图3和图4的比较，学生会发现pagefile病毒往U盘写入的自动运行文件autorun.inf和病毒可执行文件pagefile.pif。与此同时可以提示学生，通过对操作系统的安全配置，可以关闭各磁盘的自动运行功能，避免病毒利用系统的这一原本有利于用户的功能。通过这一步的演示，学生能掌握操作系统组安全策略的编辑和修改，掌握根据病毒传播路径来防病毒这一思想；(4)病毒检查演示。通过检查任务管理器中的进程，除了正常的系统进程service.exe外，又多了一个services.exe进程。通过这一步的演示，学生能理解进程是程序的一次执行，病毒处于激活状态的时候必定有一个以上的进程在运行。(5)病毒的清理。由于该病毒名称与系统进程名称相同，无法在任务管理器的界面中进行清理，必须使用NTSD命令进行手动终止。另外在硬盘上驻留的病毒可执行文件，因为文件属性都为RHS，所以要先改掉属性才能进行删除，同时在注册表中清除serivce.exe自我启动项。最后由于病毒还篡改了可执行文件的关联，我们还必须通过assoc.exe=exefile进行恢复。尽管这一步病毒清除可以使用杀毒软件进行清理，但是杀毒软件隐藏了清理病毒的具体过程，操作界面傻瓜化，不利于专业的学习，所以这一步我们还是坚持使用手工清理病毒的方式。通过这一步的演示，学生可以掌握进程的终止，硬盘文件的隐藏、可读写、系统属性。同时还可以掌握文件关联的概念，深入理解常见的双击打开文件的执行过程，以及文件关联调用的机制

%systemroot%DebugDebugProgram.exe

%systemroot%system32command.pif

%systemroot%system32dxdiag.com

%systemroot%system32finder.com

%systemroot%system32MSCONFIG.COM

%systemroot%system32egedit.com

%systemroot%system32undll32.com

%systemroot%1.com

%systemroot%ExERoute.exe

%systemroot%explorer.com

%systemroot%finder.com

%systemroot%SERVICES.EXE

D:autorun.inf

D:pagefile.pif

图2病毒在硬盘中的文件

最后给学生总结，只有充分熟悉操作系统基本原理，才能根据病毒传播路径来防病毒，根据病毒驻留地址来查病毒，根据病毒中毒症状来杀病毒。并且引导学生深入了解操作系统如何启动、注册表大概结构、系统进程、系统服务等原理，熟悉系统的核心进程，以及用程序编写系统的相关服务和调用。

3应用病毒样本进行教学的注意事项

3.1注意收集各种病毒木马的样本

应用计算机病毒木马样本进行演示教学的前提是教师必须拥有病毒木马样本，这需要教师平时注意样本的收集和整理。笔者收集病毒样本的途径主要是(1)自己工作的计算机感染病毒或者木马后，及时清理并收集；(2)兼任学校办公某一部门(例如人事处)的网络维护工作。这些部门的计算机系统防护措施一般比较弱，更容易感染新的病毒木马，这也有利于我们病毒木马样本的收集；(3)兼任企业的技术顾问。企业的日常网络和系统维护一般有专人维护，但是碰到新流行、感染机制不明确、杀毒软件病毒库未能及时检测出的病毒的时候，企业的网络管理员往往束手无措并向技术顾问求援，这时候有助于我们收集市面上最新病毒木马样本。另外，病毒样本收集的一个技巧是将病毒相关文件的后缀名统一加1，例如将virus.exe修改为virus.exe1，autorun.inf修改为autorun.inf1，这避免病毒木马样本在本机上的激活，而且统一的命名规则使得能通过文件检索查出所有的样本。

3.2注意对教学计算机的保护。

由于演示教学中涉及病毒木马对操作系统感染，所以必须注意对教学计算机的保护。在多媒体教室进行演示教学的时候，可以考虑给操作系统安装还原精灵这类的第三方辅助软件。这类的系统还原软件安装非常简单，不需要借助硬件还原卡，非常适合在多媒体教室、演讲厅等环境使用，安装时候可以考虑选择手工恢复模式，这样可以确保系统万一出现无法修复时候可以及时还原。在备课阶段对病毒木马进行感染机制分析的时候，对自己的办公计算机也可以考虑采用同样的保护措施。

3.3注意对学生的教育

注意给学生说明计算机病毒木马的危害，以及根据《计算机信息网络国际联网安全保护管理办法》和我国刑法第二百八十六条规定故意制作、传播计算机病毒等破坏性程序的行为是必须负刑事责任的，引导学生清除并收集自己计算机上的病毒木马样本，引导学生树立正义感，深入研究操作系统原理和内核，坚决与破坏操作系统的各种病毒木马作对。在出现操作系统故障的时候要耐心分析，排除硬件故障的基础上，区别病毒木马引起的故障与其他软件不兼容引起的故障，从而找出系统修复的方法，而不是动不动就重新安装操作系统。

4教学效果与总结

在“操作系统”课程教学中，我们采用计算机病毒木马样本进行系统感染、病毒驻留、病毒传染、病毒检测、病毒清除的一系列演示教学，使得学生能深刻理解windows操作系统的启动过程、注册表和系统服务的工作原理，进而也加深了对进程、线程、文件目录等操作系统基本原理和概念的理解。同时学生在课后时间能应用所学知识进行计算机操作系统恢复和修复，帮助校内其他专业学生的电脑进行常见的计算机病毒的清理和查杀。通过学生的课后反馈，不少人表示从操作系统课程学到了课本以外的知识，而且学习操作系统理论可以学以致用，极大提高了他们学习“操作系统”课程的兴趣。通过查阅相关的文献，发现国内外很少有结合计算机病毒木马样本进行操作系统课程的演示教学，这也算是我们从事“操作系统”课程教学的一点新的尝试。

参考文献

[1] Andrew.S.Tanenbaum. Modern Operating System[M]. Prentice Hall, 2005.

[2] 彭明德, 肖健宇. 计算机操作系统(第2版)[M]. 北京:清华大学出版社, 2007.

[3] 孟静. 操作系统原理教(第2版)[M]. 北京:清华大学出版社, 2007.

[4] 叶春凤. 操作系统课程课堂教学策略探究[J]. 计算机教育,2008,(6):87-88.

[5] 刘乃琦. 操作系统课程的教学研究[J]. 计算机教育,2007,(10):35-39.

[6] 李东,陆幼利,殷群.“操作系统”课程建设与实践[J]. 计算机教育,2007,(8):22-24.

作者：赵剑冬

基于系统的光无线通信论文 篇2：

Ｂ３Ｇ移动通信系统的研究框架

摘要：和3G移动通信系统的业务相比，B3G移动通信系统的业务具有显著的特征，如：分组数据业务占优、业务类型显著增多、业务规模显著增大、传输峰值速率显著提高、业务传输速率的动态范围显著增大、业务在空间和时间上的分布差异显著增大、业务请求常发生在高速移动的交通工具中等。为了适应B3G系统的业务需求，B3G系统必须在网络结构、空中接口方案、无线资源分配策略，乃至电波频段和射频技术等方面都有全新的改变。因此，B3G移动通信系统的研究应当重点包括以下几个方面的内容：广义蜂窝通信网络理论与构造方法、充分利用空间资源的MIMO无线通信传输理论、无线通信资源与新型空中接口适配方法、新型迭代式编码调制与自适应链路技术、新型天线与射频技术等。

关键词：B3G移动通信系统；业务特点；关键技术；研究框架

Key words: B3G mobile communications system; service feature; key technology; research frame

基金项目：国家自然科学基金项目(60496311)；国家“863”计划项目(2005AA121052)

在第三代移动通信系统(3G)的研发工作接近尾声时，学术界和工业界已经在思考、构建和展望B3G移动通信系统的蓝图。由于国际电信联盟(ITU)将3G标准称为IMT-2000(全球移动电信-2000)，所以对B3G所使用的学名为Beyond IMT-2000，并于1999年将Beyond IMT-2000的概念与需求研究正式列入议事日程。2001年10月在东京进行的ITU-R WP8F会议上，收到了许多有关Beyond IMT-2000的研究提案，初步明确了基本研究框架，并指出Beyond IMT-2000是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧(Nordic)接入系统等，其能力将涵盖并远远超出IMT-2000系统，也即不仅涵盖目前的IMT-2000、无线接入、数字广播等系统的能力，还将新增两个部分：支持约100 Mb/s的蜂窝系统和支持高达1 Gb/s以上速率的游牧和本地无线接入系统。

图1所示为ITU制订的B3G系统的开发时间表，在ITU给出的有关B3G的研发进程时间表中，总体目标及远景计划已于2002年6月完成，2003年到2006年之间完成B3G系统的需求定义，2006年到2010年左右完成全球标准化工作，2010年之后开始商用，而其频谱分配将在2006以后渐进完成。

在ITU对B3G的研发进程进行定义之后，世界各国移动通信研究机构竞相展开了B3G系统的研究工作。例如，欧盟在第五框架研究计划的基础上，成立了世界无线通信研究论坛(WWRF)，着手进行B3G移动通信系统的概念、需求与基本框架研究，并把B3G的研究列入2002年启动的欧盟第六框架研究计划；日本总务大臣的咨询机构——信息通信审议会专门委员会于2001年6月15日完成了B3G移动通信系统框架建议；韩国有关运营商和通信研究所也向政府提出了B3G移动通信系统的研究计划；中国2002年正式启动了一个名为未来通用无线环境技术(FuTURE)的国家“863”研究计划。

1 B3G业务的七大特征

从目前移动通信系统的发展趋势和研究动态可以看出，B3G移动通信系统的业务所具备的特征及对现有系统提出的挑战主要表现在如下7个方面^[1-7]：

(1)分组数据业务将占据主要成分，话音业务的比例将逐渐降低。数据业务将由从属地位上升为主导地位，其比例将从目前通信业务总流量的10%～20%上升至80%以上。传统蜂窝移动通信系统是以满足话音业务需求而设计的，如果B3G系统生搬硬套其网络结构和空中接口方案，将无法适应这一需求，因此需要运用全新的理念，设计基于数据传输的无线传输方案及网络结构，最大程度地满足B3G系统数据业务占优的特点。

(2)多种有线网络的业务将逐渐融合到移动通信系统中来，移动通信系统所支持的业务种类将显著增多。由于不同的业务具有不同的特点，所以对系统的要求也有非常显著的差异。例如，支持移动电视的广播和多播业务就是未来移动通信系统所要支持的一种常见业务，其特点是多个用户同时接收同样的视频信息，因此原来的点到点传播模式将不再适用于这种业务的传播，需要设计专门的广播信道来实现点到多点的传输。这需要系统具有支持多种业务的能力。因此系统的复杂度将显著提高，无线资源的分配方式需要高度灵活。

(3)业务规模(包括流量和数量)将显著增大。信息时代的特点就是信息交换的量越来越大，这就要求移动通信系统能够承载更大的信息流量，具有更高的信息吞吐量和用户容量。从目前人与人、人与机器以及机器与机器之间信息交换量的发展趋势来预测，一般认为B3G系统的容量将比3G提高10倍以上。这就需要系统在信息传递能力方面有本质性的提高。

(4)业务的峰值传输速率将提高一至两个量级，达到100 Mb/s以上。传统蜂窝移动通信系统所用的3 GHz以下频段无法满足这一要求，需要开发频率更高的无线资源。由此所带来的问题是，电波的传输特性将更为恶劣，受天气以及物理环境的影响更大。如果采用传统意义上的蜂窝移动通信技术，则发射功率需相应地增加十倍甚至上百倍，电磁兼容问题将变得无法容忍，因此需要采用全新的小区结构解决此问题。

(5)业务传输速率的动态范围将扩大，可能会在10 kb/s至100 Mb/s之间动态地变化。为满足这一需求，B3G系统的无线资源调配方式必须极为灵活，能够高效地适应数据速率的大动态变化范围。

(6)业务的地点和时间分布将呈现较大的差异。地点分布的差异：例如，某些热点场所的业务量是乡村等非热点场所的很多倍；突发事件场所是用户突然增多的地方，需要系统具有相应的应急增容措施。时间分布差异：在某些时间段，某地点的业务可能出现某种周期性变化的特征，需要系统具有周期性的容量适应性。业务的上述特征需要系统在通信容量方面具有较好的环境自适应性和时间周期自适应性。

(7)业务传输请求常发生在高速移动的交通工具中。高速移动用户一般都处于某种高速移动的交通工具中，例如高速移动的汽车、火车和飞机上。为了能够容纳更多的高速移动用户，需要在相应的交通工具上设置“移动中转基站”。这样，只要处理高速移动的“移动中转基站”和地面基站之间的信息交换和小区切换问题就能实现通信，而且可以减少移动台的功率损耗。这就要求未来移动通信系统的基站能够接入更多种类的移动终端。事实上，这样的移动中转基站还能够作为突发事件场所的应急移动基站。

2 解决B3G业务需求所带来挑战的基本思路

综合B3G业务的上述7大特征，B3G系统要很好地满足业务需求，主要需要解决如下3对矛盾：

(1)业务规模(数量、吞吐量和峰值速率等)的日益增长性与频谱资源有限性之间的矛盾。

(2)业务空间和时间分布的差异性与无线网络结构上的单一性之间的矛盾。

(3)业务速率和种类的多样性与传输信道类型的局限性之间的矛盾。

为了解决上述矛盾，B3G移动通信系统必将从网络结构、空中接口、载波频段等诸多方面有全新的改进措施，使得B3G移动通信系统可以全方位地适应未来B3G业务的需求。具体来说，B3G系统应当在以下几个方面有本质性的改进和提升：

(1)在网络结构方面，原来基于支持语音业务的蜂窝小区结构将很难支持大用户容量和大吞吐量等方面的需求，所以要探索新型的移动通信网络结构。例如，采用分布式多天线广义小区的结构就可以有效增加小区容量和系统吞吐量。

(2)在电波频段方面，3 GHz以下的频段难以支撑大容量和高速传输的需求，所以需要开发3 GHz以上的更高频段资源。而3 GHz以上频段的电波传输具有很强的衰减特性，所以需要对其衰减及传播特征进行仔细地研究，以确定3 GHz以上频段电波的传输特征及其相应的信道模型。

(3)在空中接口方案方面，由于高速传输的要求，所以需要具有高速传输的物理层方案。多输入多输出(MIMO)多天线传输技术开拓了一条有效利用空间资源提高传输速率和频带利用率的方法，多载波或OFDM技术可提供更灵活的无线资源分配平台，高效信道编码(如LDPC、Turbo码)可以提高传输质量，链路自适应技术可提高频谱效率。

(4)在天线及射频方面，为了在小尺寸的移动终端上设计多个天线以形成独立的MIMO信道，需要采用新型多天线分集技术和射频技术，改善信道的传输特性。

(5)在无线资源分配方面，由于业务速率的动态范围加大，所以需要更加灵活的无线资源分配方案，为不同速率的业务分配合理的无线资源。此外，为了达到大用户容量的需求，需要研究将现有的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等多址方式综合起来的高维多址方式，以便为更多用户灵活地分配无线资源。

由此可见，未来B3G移动通信的研究是极具挑战性的，涉及大量的基本理论与技术研究。

3 B3G系统的研究框架

根据解决挑战的基本思路和目前的研究趋势，B3G系统的研究框架主要包含以下几个方面的研究内容：

3.1 广义蜂窝通信网络理论与构造方法

贝尔实验室提出的蜂窝组网方式可以有效地解决移动通信系统出现的频谱匮乏、容量不足、服务质量差及频谱利用率低等问题。但是随着移动通信系统信息交换量的迅猛增长，这些问题又重新显现出来，并且日益尖锐。一方面，如果将小区过度分裂，用很小的蜂窝进行覆盖，会造成切换频繁，给系统带来沉重的负担；另一方面，如果小区半径太大，则每小区的吞吐量又不能满足信息吞吐量的需求。因此需要探索一种新的广义蜂窝通信网络结构，来解决这个矛盾。

目前，研究得比较多的是可以支持MIMO的分布式天线覆盖网络^{[8, 9]}。在这种广义蜂窝组网方式中，多副天线被分布在小区的不同地点，以支持MIMO传输，这种组网方式可有效提高单位地表面积上的信息吞吐量。

图2所示为分布式天线覆盖网络，多副天线被分散放置在某个区域内，这些天线通过光纤和一个处理单元(CU)连接，这些处理单元又通过光纤和基站控制器连接。移动终端(MT)在网络覆盖区域内可以和多副天线之间建立一个MIMO信道，从而可以利用MIMO信道的高频谱利用率特性，提高网络的吞吐量。

可以说，分布式天线覆盖网络是传统蜂窝网络的一个自然推广，其显著特点就是一个地点可以由多副天线来加以覆盖，从而形成高频谱利用率的MIMO信道。关于分布式天线覆盖网络，亟需解决以下问题：

(1)如何用合理的网络结构来管理这些分布在地面的天线，并形成高吞吐量、低信令交互的高效网络？

(2)如何根据移动终端的业务需求和当前信道环境，自适应地配置与之建立通信关系的天线，并形成相应的MIMO信道？

(3)如何解决移动终端的天线激活组切换问题？这是一个比较复杂的问题。当天线激活组中的天线从属于同一个处理单元或基站控制器时，切换问题相对简单，如果属于不同的基站控制器，则切换问题较为复杂。

此外，在理论上需要进一步研究天线地表分布密度、频段和单位面积上的信息吞吐量之间的关系。

还可以将移动终端以自组织组网的方式引入B3G系统以提高网络效率、完善网络功能，如同一小区的移动终端之间可以不通过基站直接进行通信，一个移动终端可以将其他移动终端作为“跳板”间接和基站建立通信，这样可以降低平均发射功率，提高小区吞吐量^[10]。

3.2 充分利用空间资源的MIMO无线通信传输理论

对频谱资源的充分利用一直是推动无线通信技术发展的直接驱动力。随着个人移动通信需求的不断增长，移动通信系统在覆盖、系统容量、不同速率业务的质量保证等方面均出现了日益显著的矛盾，而这些矛盾均可归结为频谱利用率受限的问题。而利用空间资源的无线通信传输技术为解决频谱利用率问题开辟了一个新途径。高通公司的创始人之一，Andrew Viterbi博士于20世纪90年代中期曾经说过：“在多用户接入系统的发展中，空域处理是最有前途的，而且也是最后一个未开发的领域”。

信息论的研究结果已表明^[11]，在无线通信链路的发射端和接收端同时布置多个天线阵元所得到的多入多出(MIMO)无线通信结构(如图3所示)，可以充分利用信号的空间资源，大幅度提高频谱利用率(如图4所示)。

学术界已经对MIMO系统的信号检测理论和空时调制、编码理论进行了深入的研究[12]，业已提出了各种低复杂度的信号检测算法和各种高频谱利用率的空时编码方案。上述研究基本上是针对独立MIMO信道进行的，也即MIMO信道的各个子单输入单输出(SISO)信道之间是相互独立的。然而，在实际应用中，这种情况成立的概率并不大，也即随着移动台的移动，在大多数时候，MIMO信道的各个子SISO信道之间存在或强或弱的相关性。所以，关于MIMO传输理论目前亟待研究的问题有：

●相关MIMO信道模型的建立；

●MIMO信道估计问题：不仅需要估计信道参数，还要估计MIMO各子SISO信道之间的相关性；

●相关MIMO信道的信号检测和空时编码。

3.3 无线通信资源与新型空中接口适配方法

无线通信资源与新型空中接口的适配方法主要研究广义蜂窝结构下的无线资源预测与规划理论，针对未来移动通信业务模型，提出新的无线资源调配机制与空中接口方案，以适应大动态数据传输范围的需求。

B3G移动通信业务以间歇性的、大动态范围的数据业务为主，需要从新的角度摆脱第二代、第三代移动通信的设计理念，探讨全新的无线资源调配机制与空中接口方式，以最大限度地利用有限的频率资源、时间资源与空间资源。需要研究的问题如下：

(1)B3G的业务模型及其分布特性。针对新的业务需求，建立相应的业务模型，并研究这些新型业务的服务质量(QoS)度量方法。研究各种业务所占比例及相应的业务特征，为确定空中接口方案及其参数提供依据。

(2)业务空中接口适配问题的研究。如何为不同规模和特点的业务设计合适的空中接口资源是系统设计的重要环节之一。就像为一定规格的货物设计运载货仓一样，过大或过小的“货仓”都会导致无线资源的浪费。

(3)服务请求接入控制方案研究。需要建立排队论模型，建立最优的接入控制方案。

3.4 新型迭代式编码调制与自适应链路技术

在点到点通信系统范畴内，研究工作一直围绕着如何用最小的运算复杂度来实现逼近信道Shannon极限的传输。要达到这一目的，需要在以下3个方面进行研究：

(1)逼近信道Shannon极限的信道编码技术研究。近年来，信道编码领域的另一重要发现是低密度奇偶校验码(LDPC)的再发现，受Turbo码的启发，人们在60年代发明的LDPC码的基础上，构造出新型LDPC码，其性能已接近Shannon极限，特别适用于高速数据传输，而其“好”码的构造方法以及在移动通信中的应用仍需进一步的研究。

(2)迭代接收技术的研究。无论发送端采用什么编码或调制策略，在理论上，接收端的最小误码率检测是一定存在的，但是需要很高的运算复杂度，以致在现有的硬件水平范围内无法实现。所以，通信领域的很大一部分工作都是围绕着如何用较低的运算复杂度来实现较低误码率性能的接收机而展开的。迭代式的Turbo接收技术在近年来得到了较大的发展，性能可较传统的RAKE接收、Viterbi均衡等技术有较大程度的提高，且可进一步与译码器进行迭代式求解。

(3)链路自适应技术研究。由于无线信道的时变性，所以根据信道参数的变化自适应地调节链路参数是提高频谱利用率的有效途径之一。

3.5 新型天线与射频技术

B3G系统的MIMO传输与移动终端个人化等特征对天线及相应的射频前端提出了前所未有的要求。

首先，在移动终端上，个人化的特点要求降低移动终端和天线的尺寸，而MIMO传输的特点要求在有限的尺寸下构造多个独立的SISO信道。此时，天线不仅需要在很小的手持机上实现多点激励、双极化、多天线等工作模式，而且需要满足带宽、增益指标、极化隔离度等各项电性能指标。多天线之间还要设法减小天线间的耦合和交叉极化耦合以获得独立的信道和极化特性的选择功能等。随着载波频率的提高，天线附近的物体所产生的邻近效应将会更加影响天线的性能。所以，B3G移动终端的天线设计已不再是一个局限于轮廓分明的平坦基面上实现小型化、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是需要建立一个复杂的分布式共形结构，结合整个移动终端系统进行一体化设计。

其次，在接入点中，固定天线的设计也不再局限于全向天线、板状扇区天线(单极化空间分集、双极化的极化分集)等形式，而需要结合基带信号处理，从整个系统的角度来考虑多个天线的空间分布和配置，以实现空间分集、空分复用、多波束和自适应波束形成、极化特性的补偿等功能。实现满足上述要求的天线系统在技术上是一个挑战性的工作。

解决上述难题需要寻找适当的天线结构与工艺并加以优化。需要对天线结构精确地电磁建模，模型应包括各类效应(如寄生效应，寄生模式的泄漏、串扰、辐射效应，不连续性效应，临近手、头部的外部干扰，附近基带电路高速信号噪声形成的内部耦合干扰)的影响。需要求解电磁模型的快速算法，对天线进行接近实际环境条件的实际测试。

4 结束语

本文从B3G业务特征及其挑战的角度出发，对B3G系统的研究框架进行了归纳和总结。提出了采用广义蜂窝通信网络构造方法、充分利用空间资源的MIMO无线通信传输技术、新型迭代式编码调制与自适应链路技术、无线通信资源与新型空中接口适配方法、新型天线与射频技术来解决因发展B3G带来的挑战。

事实上，移动通信系统的发展不仅要考虑满足业务需求，还需要考虑其他方方面面的要素，如高频谱利用率、低功耗、低硬件复杂度、低电磁污染、智能化等。所以，在此研究框架之外，尚有其他需要研究和解决的问题，但限于篇幅，这里就不再讨论。

5 参考文献

[1] 尤肖虎. 4G移动通信行动纲要[R]. 国家“863”未来移动通信总体组技术报告.2002.

[2] Yu Xiaohu, Chen Guoan, Chen Ming, et al. Toward Beyond 3G: The FuTURE Project in China[J]. IEEE Communications Magazine, 2005,43(1):70-75.

[3] You Xiaohu. Technical Considerations on Beyond 3G and FuTURE Project[C]//WWRF Annual Symposium. April 7-9,2003, Beijing, China. 2003.

[4] Sun Junzhao, Sauvola J, Howie D. Features in Future: 4G Visions From a Technical Perspective[C]//Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference, Vol 6. Nov 25-29,2001, San Antonio, TX,USA. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2001:3533-3537.

[5] Evans B G, Baughan K. Visions of 4G[J]. Electronics & Communication Engineering Journal, 2000,12(6):293-303.

[6] Varshney U, Jain R. Issues in Emerging 4G Wireless Networks[J]. Computer, 2001, 34(6):94-96.

[7] Guo Yile, Chaskar H. Class-based Quality of Service over Air Interfaces in 4G Mobile Networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2002, 40(3):132-137.

[8] Yamao Y, Suda H, Umeda N,et al. Radio Access Network Design Concept for the Fourth Generation Mobile Communication System[C]//Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference ( VTC 2000-Spring ), Vol 3. May 15-18,2000,Tokyo, Japan. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2000:2285-2289.

[9] Saleh A A M, Rustakl A J Jr, Roman R S. Distributed Antennas for Indoor Radio Communications[J]. IEEE Trans on Communications, 1987,35(12):1245-1251.

[10] Otsu T, Umeda N, Yamao Y. System Architecture for Mobile Communications Systems Beyond IMT-2000[C]//Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference,Vol 1. Nov 25-29,2001, San Antonio, TX,USA. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2001:538-542.

[11] Telatar I E. Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J]. European TransactionsTelecommunicationa,1999,10(6): 585-595.

[12] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space-time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction[J]. IEEE Trans on Information Theory, 1998,44(5):744-765.

收稿日期：2006-02-12

作 者 简 介

陈明，东南大学移动通信国家重点实验室教授、博士生导师；长期从事移动通信领域的科研和教学工作；已发表科研论文40余篇，国际学术会议论文30余篇，编著并出版研究生教材1本，获国家发明专利1项。

尤肖虎，东南大学移动通信国家重点实验室教授、博士生导师；东南大学无线电工程系主任、长江学者计划特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家、国家杰出青年基金获得者、国家教委跨世纪青年专家首批入选者；国家“863”计划未来移动通信总体组组长，负责未来移动通信项目的组织与实施工作。

作者：陈　明　尤肖虎

基于系统的光无线通信论文 篇3：

煤矿井下作业人员管理系统工作原理及应用探讨

摘要：介绍了井下作业人员管理系统的工作原理和其在实际生产中的应用情况，指出并分析了系统目前存在的缺陷，提出了一种简单易行的解决方案。实践表明，这种方案能很好地弥补之前系统中存在的不足。提高人员定位系统在人员定位和灾难期间的救护能力。

关键词：煤矿；井下；人员管理

文献标识码：A

在近几年发生的多起煤矿重大安全责任事故中，反映出了一个共性问题：即部分煤矿生产企业劳动组织管理混乱，表现为职工考勤制度执行不严，提前升井现象十分普遍，下井登记、检身管理混乱，煤矿井下人员的数量、实时分布情况难于掌控。

1　煤矿井下作业人员管理系统工作原理

煤矿井下作业人员管理系统由软件系统和硬件系统组成，其中，软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分，主要完成信息的采集、识别、加工及其传输，构建不同的应用系统。硬件系统包括地面监控计算机、传输适配器、射频读写器、射频识别卡和天线等组成，见图1。主要完成信息采集和识别，从而实现人员识别、人员定位的功能。

1.1井下作业人员管理系统硬件设备工作原理

1.1.1射频识别卡和读写器工作原理

(1)射频识别卡：每个射频识别卡具有唯一的电子编码，其内部储存着特殊信息，用来标识目标对象。识别卡平时处于睡眠状态，当进入系统工作区后，射频卡被激活工作，进行射频数据的收发。识别卡通常随身携带。射频识别卡通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。当射频识别卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。

(2)射频读写器：每个监测点安装一个射频读写器，射频读写器将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送，用来激活进入该区域的识别卡；同时把接收天线接收来的识别卡的高频载波信号进行放大、解调。提取有效的数字信号通过RS485等总线传给地面监控计算机。

RHD读写器，读写模块的核心部分包括一个控制用微处理器和一个RFID基站芯片。它能独立完成对符合ISO15693标准卡片的所有操作，它还具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对RHD卡的读写操作。并将所得数据返回给用户系统，这个用户系统可以是一个主控板或PC机。

RFID读写模块提供多种通信方式与用户系统进行通信，极大地方便了用户的连接。RHD读写器，读写模块硬件主要由中央微处理器(89C52)、RFID基站芯片、高频电路、模块天线、RS232通信电路、复位电路、LED状态显示和喇叭驱动电路等组成。其硬件结构见图2。

1.1.2天线设计原理

射频天线含发射天线和接收天线，与井下射频读写器连接，形成监测点，完成与识别卡的通讯。发射天线用于发射天线电信号以激活识别卡，接收天线接收识别卡发出的无线电信号。射频天线固定在巷道顶部，采用同轴电缆与监测点连接，连接距离不大于10m为佳。

RFID的天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3种基本形式的天线。其中，小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段。而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线，它们工作在高频及微波频段。在远距离耦合的RHD应用系统中，最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线)。偶极子天线及其演化形式见图3，其中，偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发电磁场，利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场强。

当单个振子臂的长度为λ／4时，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度为λ／4的整数倍。如工作频率为2.45GHz的半波偶极子天线，其长度约为6cm。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图3(b)的折合振子。

1.1.3地面监控计算机

通过对读写器传送来的编码信号进行分析，识别出人员的身份、位置，并将相关信息进行实时显示、存储，可直观动态显示井下人员的分布情况。

1.1.4传输适配器

传输适配器安装在监控计算机旁边，作为数据传输接口，适配器带有RS232／RS485接口，可以连接多个监测点，实现20km以内的远距离信息传输。根据巷道分布图布置监测点，各监测点通过矿用通讯电缆或光缆组网，与传输适配器连接，传输适配器通过RS232与监控计算机连接。

1.2井下作业人员管理系统软件设计工作原理

煤矿井下作业人员管理系统软件设计分为嵌入式软件和应用软件，嵌入式软件主要针对井下硬件设备开发，完成井下实时数据的采集、传输及处理，形成井上数据库；应用软件以数据库为核心完成井下人员定位系统的员工管理和考核统计等功能。嵌入式软件设计主要包括读写器软件设计和射频识别卡软件设计。

1.2.1读写器软件设计

读写器上电，电源指示灯亮，经初始化后，首先从拨码开关上读取相应的信息，然后确定本机的地址、要采取哪种无线通信协议，采用多大的通信速率进行数据上传。按照确定无线通讯协议接收射频识别卡信息，接收到，同时进行声光提示。如果协议需要校验，则对接收到的射频识别卡进行相应的校验，校验合格后，识别卡信息加上进入标志一起存入上传通信缓存区，同时，也把识别卡信息写入无线接收存储区，该识别卡进入时间计数器开始计数。在一段时间内，若这张标识卡信息再次被接收到，则计数器清零，重新计数；否则，把标识卡加上出去标志一起存人上传通信缓存区，清除该标识卡在无线接收存储区的信息。在此期间，接收到上传数据的命令，经验证命令准确，则按协议上传数据，同时通信指示灯闪烁，待接收到下一帧数据，同时把前一帧数据从上传通信缓存区清除。

1.2.2射频识别卡软件设计

识别卡软件主要有以下3部分组成：主程序模块、电源低电压检测程序模块、组织发送数据程序模块。主程序模块实现对微处理器MCU和发射芯片的初始化配置，然后进入掉电模式，以节省电能；电源低电压检测程序模块负责对电池电压的定时监测，在识别卡上完成欠压指示功能的同时，把欠压信息送人发射缓冲区，作为识别卡发送数据包的一部分进行无线传输；组织发送数据程序模块完成接收地址、识别卡号、校验码及电池状态等有效信息由微处理器到发射模块的低速传递。其中，电源低电压检测程序和组织发送数据程序共同构成识别卡的中断程序。

1.2.3上位机应用软件界面设计

为了达到直观、形象、动态地显示井下巷道布置情况，准确

地实现人员定位的目的，大多数系统会引入第三方图形控件，将井下巷道布置图引入到上位机软件中，可以在图形上实时观察各个站点的人员信息，当发生异常时候还可以监测到实时报警信息。在上位机软件主界面上可实现如下功能：

(1)定位：在图形上标注不同的区域，通过上位机软件对采集到的数据进行处理，将各个区域的数据信息显示在图上对应的位置，并可查看当前该区域有哪些人员。

(2)实时显示：可在界面上查看各个区域人员的流动情况。包括进出限制区域、中点区域时间，超员报警、超时报警、工作异常报警等。

(3)报警功能：可通过设定下井时间，对下井超过一定时间的人员提示报警，并给出相关人员的名单等信息；可对进入一些重要位置、危险场合的人员进行报警，从而有效阻止人员违章进入，并将违章人员记录在案。

(4)模拟动画：可对图片进行放大、缩小、漫游等功能。可以监测特定人员的活动路线，可实现指示灯、区域信息分类显示、历史轨迹回放等功能。

2　煤矿井下作业人员管理系统应用探讨

2.1井下作业人员管理系统使用情况和存在的问题

针对目前煤矿井下还普遍存在入井人员管理困难，井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分布及作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息现状。最近几年。很多厂家在已有监控系统的基础上陆续推出了基于无线射频识别技术(RFID)的“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”。在一定程度上解决了煤矿的这些困难。因此，国家最新颁布了《A06210-2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》和《AQ1048-2007煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》。山西省要求所有煤矿全部安装井下作业人员管理系统。然而市面上取得国家允许的煤矿安全生产标志证书的厂商很多，煤矿在对井下作业人员管理系统进行选型时，由于缺乏经验和相关产品的专业知识。在选择产品时存在一定的盲目性，致使煤矿上安装的很多系统在运行过程中仍表现出稳定性较差，需要长期投入大量的人力和物力去检修和维护，煤矿的安全生产仍然受到一定的影响。相当一部分系统不能准确、有效地对入井人员进行实时监控。主要暴露出了以下缺陷：

(1)功能不完善，可靠性不高，不能实现100％的人员识别区域定位，易出现“多卡”、“漏卡”或“一卡同时多位置”等井下人员所在区域与地面控制中心反映的实时情况严重不符的问题。

(2)识别目标的距离较短，识别时间延时长，对快速通过的目标不能及时识别，造成实现系统扩展车辆定位功能瓶颈。

(3)系统无线传输过程中，抗干扰性能不强，校验机制不理想，信号失真或丢失问题严重。

2.2井下作业人员管理系统的缺陷分析及解决方案

事实上，目前煤矿作业人员管理系统出现的上述缺陷归根于无线射频技术中无线信号传递的缺陷，要保证每一次无线信号传递的有效性，就要保证信号的传输强度和读取信号的时间。目前，国内各个厂家开发的矿井人员定位射频卡所使用的频率主要集中在433MHz和2.4GHz两个频点，这两个频点各有特点，在此作一个比较：

在正在制定的《煤矿井下人员位置监测与管理系统通用技术条件》中明确说明：无线工作频率宜在433MHz、862MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等中选取。

下式为无线信号在空气中传输时的损耗计算公式：

Los=32.44+20lgd(km)+201gf(MHz)

Los是传输损耗，单位为dB；d是距离，单位是km。f是工作频率，单位是MHz。

可见，传输损耗与频率成正比，即频率越高，传输损耗越大；或者说在同样传输损耗情况下，传输距离与频率成反比，即频率越高，传输距离越短。故：

(1)目前的2.4G设备信号传输距离短(一般为10m～30m，可靠通讯距离10m)，传输过程信号衰减大，信号穿透、绕射能力弱，易被物体遮挡。

(2)433M信号传输距离长，穿透、绕射能力强，传输过程衰减较小。在矿井人员定位这一特定的射频技术应用中，所需要传输的数据量很少。一个射频卡一般1至几秒才发送一次数据，每次也只需要发送几个字节。因此完全不需要很高的通讯速率。433MHz下的通讯速率已经完全可以满足200个卡的并发识别数量。

影响漏卡率的关键因素是信号质量而不是传输速率，如果信号很弱甚至收不到信号，那么速率再高也没有用。确保收到信号才是根本。目前人员定位系统在实际使用中出现的漏卡现象，其实当时分站附近的人员数量并不多，一般也就20～40人，远远没到200人的并发识别数量极限，所以主要的原因决不是传输速率的问题，而是因为分站信号覆盖范围太小，特别是对于2.4GHz这样的设备，因为遮挡和距离对其信号影响很大，在很多情况下会出现某些卡的信号收不到，进而导致漏卡。

所以解决漏卡问题的关键是提高分站信号覆盖范围，确保分站能收到每个射频卡的信号并有足够的读卡时间。

矿井人员定位是非常简单的射频技术应用，目前所采用的射频收发芯片，无论是433MHz，还是2.4GHz，其芯片的结构和技术含量都差不多，很难说谁比谁更先进。2.4GHz技术的先进性实际体现在基于该频点上所开发的带有复杂智能协议的应用，如无线局域网、蓝牙、无线传感器网络ZigBee等，它们的先进性体现在复杂的协议和应用上，如智能网络和自组网技术等，而绝不是体现在射频收发采用了2.4GHz这个频率。在矿井人员定位这个特定的应用中，如果说2.4GHz比433MHz先进，那是偷换了概念。而实际上2.4GHz通讯速度较快的优势在此应用中并不能得到体现，相反它的缺点却明显地表现出来，如信号弱、通讯距离短、信号易被遮挡等，甚至因信号弱接收不到，而出现漏卡。

(3)抗干扰性：由于2.4GHz频段在国际上和国内都是无需许可证的开放频段，因此在此频段开发了许多应用，这一频段已十分拥挤。目前在2.4GHz频段上开发的应用主要有：无线局域网、蓝牙、ZigBee无线传感器网络、部分无绳电话以及其他一些短距离无线通讯设备等。其中无线局域网和蓝牙已经大量应用。无线传感器网络也是方兴未艾。由于射频卡数量大(每个矿少则几百，多则几千)，而且很多卡会由相关人员携带在矿区各处行走、移动，如果采用2.4GHz频段，则对其他2.4GHz应用来说，在整个矿区将会增加大量移动的2.4GHz干扰信号源，势必对这些设备和它们的正常使用产生干扰。

从技术的发展趋势来看，以太网技术已经开始应用到井下。无线局域网设备也必然逐渐应用到井下，另外ZigBee无线传感器设备也将逐渐应用到井下，如果射频卡也采用2.4GHz，那么这些设备之间将产生严重的相互干扰，使得各种2.4GHz设备都无法正常工作。

因此应当慎重考虑2.4GHz射频卡的使用。而如果采用433MHz势必会使原来系统的多卡、漏卡、不稳定、易受干扰等缺陷轻松得到解决。

3　结语

无线射频识别技术(RFID)是一种应用相对广泛也比较简单成熟的技术。将其用到井下作业人员管理系统中可以很好地解决井下作业人员的管理和突发事故发生时救援路线的制定，对煤矿的安全生产起到了积极的作用。然而目前市场上有部分取得安全标志证书的产品仍存在某些相似的缺陷：如漏卡、多卡和系统不稳定易受干扰等。实践证明，若用433MHz代替2.5GHz进行无线通信，可实现信号的井下范围全覆盖，很好地解决多卡、漏卡和系统易受干扰等问题，优化了煤矿井下作业人员管理系统，降低了煤矿生产成本，提高了人员定位系统在人员定位和灾难期间的救护能力，减少了矿井人员伤亡事故发生率。

作者：景玉海