自组织通信（精选7篇）
自组织通信 篇1
1 引言
传统网络通常使用专门节点来支持基础的网络功能, 比如包转发、路由、网络管理等, 在移动自组织网络中这些功能由所有的可用节点来完成。节点间的相互通信使用无线通信, 通过对等网络模型运行, 这样的网络也称为移动自组织网络。因为移动自组织网络可以快速的配置, 引起了许多学者的研究兴趣, 提出了许多的安全协议, 但并不能从根本上保证网络的安全或者不太适用于移动自组织网络。这是由于移动自组织网络的安全需求不同于那些固定网络, 这个网络中的节点通常有着较低功率微处理器、较小的内存和带宽, 短电池生命周期等特点, 同时网络拓扑变更频繁, 因而对安全提出了更为严峻的挑战。
2 安全需求
安全需求严重的依赖于移动自组织网络的应用类型和运行的环境。例如, 对于军用移动自组织网络有着非常严格的机密性和抵抗Dos攻击的需求。与其他实用网络相类似, 移动自组织网络的安全目标同样是可用性、认证、完整性、机密性和不可否认性。
可用性可以作为网络安全的关键评价属性, 它确保由节点提供的服务对于它的用户来说是可用的, 期望并且保证在Do S攻击下网络设备的可存活性。认证用于确保通信的对方就是声称的那一个, 信息源能够得到保证。没有认证, 敌人可以获取对资源和敏感信息的未授权访问, 可以干扰其它节点的运行。完整性确保没有人可以篡改传输的内容, 通信节点希望确认信息来自经过鉴别的节点, 而不是来自已经遭受危害的节点发送的不正确数据。机密性确保敏感数据的保护, 使得没有人可以看到传输的内容, 敏感信息的泄漏, 例如军用环境, 可能会造成破坏性的结果。但是, 不确保正在通信的是正确的节点, 而保证通信的机密性是没有意义的。
3 层次安全设计
3.1 概述
现有的许多移动自组织网络安全方案都是基于攻击的, 因为它们都是首先分析几个安全威胁, 然后改进现有协议或者提出一个新的协议来应对这样的威胁。因此它们可以针对提出的几种威胁很好的工作, 但是遇到新的攻击则会崩溃。
在层次安全设计中, 我们不仅考虑了恶意攻击还考虑了其它网络缺点如错误配置、超过了网络负载、运行错误等。因为由攻击者或者错误配置而引起的错误, 从网络和终端用户角度来看有着一些共同的特征, 应该由安全机制处理。此外, 系统整体应该是强壮的, 不会因为某一条防御失效而崩溃。
通常链路层运行包括一跳连接和帧传输, 而网络层则包括路由和数据包转发, 这些业务由链路安全和网络安全共同组成。层次安全机制应该包含预防、探测和反应机制, 来防止入侵者进入网络。应该能够发现入侵并防止持久的影响。这种预防进程应该植入到路由协议和包转发进程当中, 来防止入侵者在节点建立错误的路由状态。探测进程通过鉴别恶意或自私节点的不正常行为来发现正在进行的攻击。这种不正当的行为可以通过预先的节点到节点认证或者节点可用性机制来探测到。一旦探测到攻击, 响应业务重新配置路由和包转发业务。这个调整既可以是消除这个特定节点的路由选择, 也可以是将这个节点排除出网络。
3.2 数据链路层预先安全机制
层次安全设计采用密码方法来提供对通信节点的多重防护。当一个或多个节点连接到移动自组织网络时, 必须首先与临近的有直接通信关系的节点执行认证和密钥协商, 以确定节点的真实身份, 协商与临近直接通信节点的会话密钥。为了保证移动自组织网络的安全性, 许多文献中都设计了可以用于移动自组织网络的认证和密钥协商协议。但是这里需要指出的是, 由于这个阶段实际上还并没有有效数据被传输, 考虑到移动自组织网络中节点有限的计算、存储资源, 在这个阶段可以采用那些交互少、复杂性较低的协议, 以减少网络和系统开销。在这个阶段可以直接将那些非法节点排除在外, 即使由于我们采用了较低强度密码保护, 而“混入”网络也可以在下一阶段中被发现, 不会出现不必要的安全风险。
3.3 网络层响应安全机制
当路由信息已经准备好进行传输时, 再次执行认证和密钥协商过程, 这次的认证是在从源节点和目的节点之间展开的, 而经过的路径上的所有节点都是在数据链路层安全机制中已经经过检验的了, 因而相互之间都有着共享的会话密钥, 可以用于加密通信。
在这个认证和密钥协商的第二阶段, 因为有实际的数据将要发送所以需要强认证和更为复杂的密钥协商。在许多情况下, 移动自组织网络中路由消息通过多条路径传播, 多余的副本可能被有危害的节点使用。在这个阶段建立的强认证和密钥协商协议可以防止这种威胁, 并作出响应。也就是说即使第一层次安全机制没有起到应有的作用, 在这个层次同样可以防止恶意节点的危害。
4 结论
移动自组织网络由于开放的环境和缺乏安全基础设施等原因, 其安全性比其他网络更加敏感, 当前研究方法主要是分级法, 包括安全路由协议、认证和密钥协商机制, 另一方面, 研究链路安全协议的则相对较少。在一个单一层次上实施安全并不能保证网络的整体安全, 但是在每一个层次上都实施强安全机制, 又不是移动自组织网络节点所能承受的, 因此本文综合考虑安全性与性能因素, 设计了层次安全机制来保护移动自组织网络的安全。
无线自组织网在边疆通信中的应用 篇2
关键词：Ad Hoc,网络,边疆通信
引言
Ad Hoc网络可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活方便的通信, 这种技术拓宽了移动通信的应用领域。特别是在边远地区通信, 军事通信, 或在地震、水灾、火灾等重大灾难后固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作的地区, 或处于偏远或野外地区无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时, 就需要Ad Hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。Ad Hoc网络不需要预设网络设施, 能够自组织成临时性的无线移动通信网络, 这些特点吸引了越来越多的研究者。Ad hoc网络是无线通信网络, 与其它现有的无线网络、有线网络, 在网络体系结构、网络协议、网络应用上都有很大区别。
1 Ad Hoc网络的特点
作为一种能够快速灵活组建的网络, Ad Hoc网络具有以下特点:无中心和自组织性、动态变化的网络拓扑、网络的独立性、有限的无线通信带宽、移动终端的便携性、生存周期短、安全性差等。
2 Ad Hoc网络结构
网络的各层及其协议的集合, 称为网络的体系结构, 即网络的体系结构就是网络及其部件所完成的功能的精确定义。
2.1 结点结构
Ad Hoc网络的结点同时具有移动终端和路由器的功能, 因此结点通常包括主机、路由器和电台三部分。从物理结构上分, 结点可以分为以下几类单主机电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。
2.2网络拓扑
由于结点的能力通常相同并可以移动, 特别是在战场环境中, 中心控制结点易被发现和易遭摧毁, 使得Ad Hoc网络不适合采用集中式控制结构, 因此, Ad Hoc网络一般有两种结构:平面结构和分级结构。
平面结构中所有结点的地位平等, 所以又可以称为对等式结构。
在分级结构中, 网络被划分为簇。分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率分级两种。
单频率分级网络中所有结点使用同一个频率通信。
多频分级网络不同级采用不同的通信频率。当网络的规模较小时, 可以采用简单的平面式结构;当网络的规模增大时, 应采用分级结构。
2.3协议栈
根据Ad Hoc网络的特征, 参考OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP的体系结构, 可以将Ad Hoc网络的协议栈划分为5层, 包括应用层、传输层、网络层、链路层、物理层。
2.4 Ad Hoc网络体系结构的跨层设计
为了满足Ad Hoc网络的特殊要求, 采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。在这种自适应跨层协议栈中, 链路层可以调节数据率、发送功率和编码来满足上层应用的要求:MAC层可以基于无线信道情况、时延约束和分组的优先级来实施自适应调节;网络层可以基于当前的链路、网络和业务量状况选用合适的路由协议;应用层可以基于QoS的概念根据底层网络的状况为应用提供尽可能高的服务质量。
3 系统设计
系统组成框图如下图所示:应受限问题。由于边疆地区地域辽阔人口密度小, 基础通信设施建设成本比较大, 只能实现局部地区的有线或无线通信, 不能实现全线贯通, 这时我们可以通过Ad Hoc网络与蜂窝网和有线网的连接实现基础设施的连接, 起到通信连接的桥梁作用, 从而保证边疆通信的全线贯通。基于边疆地区气候、环境等问题网络易遭到破坏, 在系统中加入了备用路由, 通过相应的协议控制, 在现用路由遭到破坏或自身出现故障时能及时启用备用路由, 保障通信的畅通, 使网络的可靠性得到增强。由于边疆地区的环境及地理位置的关系, 部分地区存在不稳定因素, 系统加入了身份识别系统, 能够有效的识别用户, 防止不法分子或别有用心的人进行破坏。在突发的大容量通信需求情况下, 系统可以通过相应协议控制调整为多频分级结构, 从而满足突发的通信容量问题。
由于边疆地区地域辽阔, 人口密度小, 部分地区自然环境差, 条件恶劣, 是自然灾害的频发地区, 少部分地区还存在不稳定因素等, 设计此系统可以有效解决此类问题。系统中Ad Hoc网络与蜂窝网互连可以实现蜂窝网通信范围的扩大, 同时节省了蜂窝网基础设施建设费用高的问题, 结合3G网的建设, 在实现语音通信的基础上, 可以实现视频信号的实时传输。这能够为指挥者在一些突发情况的处置、抢险救灾等方面做出正确有效决策提供很好的依据。也可以为大众用户提供更好的服务。局部的Ad Hoc网络可以实现局部的通信保障, 根据需要我们可以加入自适应功率控制, 各节点之间自动的通过接收到的信号来调整发射功率, 距离较近时自动的降低发射功率, 距离增大时自动的通过接收的信号强度实时的计算所需功率的大小, 自动增大发射功率, 从而缓解网络的能源供应受限问题。由于边疆地区地域辽阔人口密度小, 基础通信设施建设成本比较大, 只能实现局部地区的有线或无线通信, 不能实现全线贯通, 这时我们可以通过Ad Hoc网络与蜂窝网和有线网的连接实现基础设施的连接, 起到通信连接的桥梁作用, 从而保证边疆通信的全线贯通。基于边疆地区气候、环境等问题网络易遭到破坏, 在系统中加入了备用路由, 通过相应的协议控制, 在现用路由遭到破坏或自身出现故障时能及时启用备用路由, 保障通信的畅通, 使网络的可靠性得到增强。由于边疆地区的环境及地理位置的关系, 部分地区存在不稳定因素, 系统加入了身份识别系统, 能够有效的识别用户, 防止不法分子或别有用心的人进行破坏。在突发的大容量通信需求情况下, 系统可以通过相应协议控制调整为多频分级结构, 从而满足突发的通信容量问题。
4 网络的应用
由于Ad Hoc网络无中心、自组织、易建立、网络独立性好、终端移动性好等特点, 将其应用于边疆地区、偏远地区是一个比较理想的选择。同时边疆的一些地区也是一些自然灾害的频发地区, 借助于Ad Hoc网络将使发生自然灾害时的救援效率得到很大提高。此外, 由于边疆地区、偏远地区地域范围大人口密度小, 现有网络的基础设施建设费用大, 使用Ad Hoc网络可以实现现有网络的通信范围的扩充, 同时达到降低建设费用的目的。
除此之外, Ad Hoc网络还能应用在以下方面:移动会议、家庭联网、紧急服务、传感器网络、个人域网络、军事无线通信和抢险救灾等。
5 结束语
作为一种无线的自组织网络, Ad Hoc网络定能够在边疆地区、偏远地区发挥它不可替代的作用, 同时在其他方面的应用也将会使人们的生活发生巨大变化。
参考文献
[1]王金龙, 王呈贵, 等.Ad Hoc移动无线网络国防工业出版社, 2004.
[2]郑少仁, 王海涛, 等.Ad Hoc网络技术[M].北京:人民邮电出版社, 2005.
[3]方旭明, 何蓉, 短距离无线与移动通信网路[M].人民邮电出版社, 2004.
自组织通信 篇3
智能电网[1]的高级量测体系(AMI)提出后,很多学者开始关注智能电网的通信问题[2,3],但相关研究成果主要集中在电力线载波通信(PLC)的研究方面[4,5,6,7,8,9],研究了适合智能电网通信的双向PLC、采用频分多路复用的PLC以及基于包的PLC通信协议等技术问题。这些研究的基本出发点都是考虑建立端到端(end-to-end)的通信链路。
文献[10]提出适合智能电网一个局部的通信方案,但不适合具有强实时性的智能设备(如用于网络重构的馈线终端单元(FTU))。文献[11]在提出智能电网分层协同式“系统的系统(SoS)”模型的同时,提出在每个自治系统中设置1个或多个边界节点,利用边界节点之间的通信实现各个自治系统的互联,以降低智能电网通信的复杂性,实现互联的规范化。不同自治系统中的智能设备的通信包括3个基本过程:智能设备将信息发送给所属边界节点;所属边界节点将信息转发给目标自治系统的边界节点;目标自治系统的边界节点将信息转发给目标智能设备。这是从全局上考虑智能电网通信问题的思路之一。
本文在文献[11]的基本思想启发下,在分析智能设备通信特点的基础上,针对电力系统的特点,提出一种适合智能电网通信要求的基于地理信息的自组织通信方式,采用地理信息作为智能设备编址和路由的基本依据,实现自组织通信。本文阐述了基于地理信息的自组织的基本思路、智能设备的地理信息编址方法和基于地理信息的路由算法
1 智能设备通信的特点
1.1 智能设备的数量非常庞大
庞大数量的智能设备为智能电网通信系统的建设、管理和维护带来了不可忽视的技术复杂性和经济负担。技术复杂性主要表现在3个方面:
1)通信技术需要考虑多种不同拓扑结构网络的集成,这种集成是未来第4代通信系统(4G)网络的基本目标之一。
2)考虑到智能电网对智能设备“即插即用”的需求,在智能电网中让每一个智能设备都确知目标智能设备节点地址是不现实的,建立、存储和维护一张庞大的地址索引表无论是手工还是自动化方法代价都很高。因此,最大限度上只能要求智能设备存储所属自治系统的其他智能设备地址,以及在边界节点之间相互已知对方地址。另一方面,由于系统的自治性,一个自治系统中的智能设备对另一个自治系统中的智能设备而言通常具有不可见性。
3)常规电力自动化系统中在相互通信的智能设备之间建设多路点对点、点对多点的直接链路的信道建设方法不再适用。
1.2 信道建设问题凸显
庞大的智能设备数量和智能设备的即插即用需求使智能设备通信信道建设问题凸显出来。
配电网目前采用的光纤、双绞线、扩频无线通信等方式试图为每个智能设备都建设一条到汇聚节点的直接链路,这对智能设备而言建设费用较高,且不满足即插即用需求。但是,诸如光纤等高带宽、高可靠性、高实时性的信道是某些智能设备必须的,并且是自治系统之间通信的首选。
PLC是有望满足智能设备即插即用需求的通信方式之一因为几乎每个配电网上的智能设备附近都有中压(MV)/低压(LV)配电线路。但PLC通信范围最好局限在同一个配电网(甚至同一个台区)内,在跨输电网的应用上受到限制。
第3代移动通信系统(3G)/无线城域网(WiMAX)是其他满足智能设备即插即用需求的通信方式。但是3G由于受到电信资源利用率的限制,不能确保某些智能设备强实时性、高可靠性的通信需求;WiMAX是一个自治系统内部可选的通信方式,其使用范围受到限制,并且其通信的实时性和可靠性仍然需要工程实际的检验。
可见,智能电网的通信信道仍然是多种信道构成的混合信道。在此背景下,如何为每个智能设备提供低廉的信道建设方案成为一个关键问题。
1.3 差异化的通信性能需求
差异化的通信性能对网络技术、信道特性等提出了相应的要求,包括差异化的通信实时性、差异化的通信可靠性、差异化的通信安全性3个方面。
智能设备通信实时性可以分为强实时性需求、一般实时性需求和弱实时性需求。某些事件具有强实时性需求,其传输实时性一般要求在1 s以内;部分采集信息的实时性要求在1 s～5 s左右,而大多数配电网和用户侧的智能装置通信实时性需求弱,可能是分钟级、小时级,甚至以天为单位通信。
通信可靠性可分为强、较强、一般3类:强可靠性主要涉及遥控/遥调信息的传输;较强可靠性主要是指各类计量计费信息的传输;一般可靠性主要是指常规实时测量信息。
通信安全性即信息安全,也可以分为强、较强、一般3类:遥控/遥调信息和价格信息等具有强安全性需求;电能量信息等具有较强安全性需求;常规实时测量信息具有一般安全性需求。
2 基于地理信息的自组织通信基本原理
2.1 智能设备地理信息编址方法
智能设备地址的唯一性是保证智能电网正常通信的前提。地址的作用是:作为智能设备的代号,标识上传量测信息的位置,标识下行控制调整信息的执行对象(或位置)。
目前,常规的地址包括2类:一类是不代表任何含义的普通二进制串,常用于点对点通信,显然不适合智能电网的智能设备;另一类是IPv6地址,需要仔细分配。理论上,如果申请足够的地址,IPv6地址的数目可以满足需求,但仍需仔细规划,并考虑足够的预留地址用于今后的发展。考虑到配电网局部的快速发展特性,这种预留非常困难。如果考虑这种因素地址的浪费仍然非常严重同时采用IPv6地址后,仍然需要建立智能设备信息及其位置的庞大的索引表。
鉴于上述考虑,并注意到智能电网对地理信息的强依赖性[12],本文推荐对各个智能设备不采用IPv6地址,而是采用地理信息编址,以满足智能设备即插即用的需求。所谓智能设备的地理信息编址,就是将地理上的经纬度坐标作为智能设备的地址。目前,电子地图在配电网中的应用已经非常普遍,精确到街区建筑物的经纬度坐标已经容易得到。但是,建筑物内部更精确的经纬度坐标则需要很大的工作量进行精细测量。由于精密的全球定位系统(GPS)设备价格昂贵,且需要测量技术的培训,该测量工作很难全部完成。事实上,在智能电网的应用中没有必要更精确的经纬度坐标。有些时候,特别是在新增智能设备时,往往也不能及时测量到智能设备的经纬度。因此,需要在编址时考虑相对某一绝对经纬度坐标的相对经纬度坐标来进行相对编址。其方法是:将某一绝对经纬度坐标作为新坐标系的原点,坐标轴的方向就是地图标识方向,按照智能设备对坐标原点的坐标标识相对位置。
由于绝对经纬度为小数,因此可以采用定点数来表示,也可以在一定精度范围内小数点右移后采用无符号的整数表示。在笔者参与研究的智能电网实验室验证实验(DEMO SG,详见第4节)系统中,经纬度各用32位定点数来表示。考虑世界范围内的兼容性,其中最高位0/1表示东经/西经(或北纬/南纬),第2位～第9位表示整数部分,第10位～第32位表示小数部分,可以精确到10-7。绝对经纬度采用定点小数或整数表示,而不采用浮点数,主要是为了让汇聚节点和边界节点快速转发信息,实现类似无类路由的转发机制,另外,可以方便实现按照区域的信息自组织功能。
相对经纬度的标识较容易,可考虑以米为单位表示相对经纬度,其值可以用16位或32位整数来表征。
因此,智能设备采用96位或128位地址。DEMO SG系统采用128位地址,即绝对经纬度坐标和相对经纬度坐标各用32位表示。
基于地理信息编址的方法建立了智能设备与地理信息之间的关系,为基于地理信息系统(GIS)的智能电网[12]实现奠定了基础。
2.2 基于地理信息的自组织通信的基本思路
1)智能设备信息按照经纬度坐标转发信息(称为网络自组织)。转发分为2个阶段,先按照绝对经纬度坐标计算路由并转发信息,当信息转发到绝对经纬度坐标后再按照相对经纬度坐标转发可见在较大范围(城域、广域)的通信中,关键是第1阶段的路由问题。这里,路由计算依靠地理信息实现,因此可称为基于地理信息寻径。
网络自组织的好处是可以在兼容现有的多路点对点、多点共线、TCP/IP网络等多种通信拓扑结构的前提下,实现自适应的信息转发,因此没有必要再对每个智能设备分配确定的IP地址。同时,只要数据包标识了目的地理位置,就可以通过其他节点将数据包转发到目的位置,因此,没有必要对每个智能设备都建立到目的节点的直接链路,新增一个智能设备只需将其就近接入通信网络中即可,这一思想可以有效降低智能电网信道建设的复杂性。
实现网络自组织需要解决智能设备的地理信息编址、基于地理信息的路由算法,以及中间节点对信息的快速转发等关键技术问题。
2)在信息转发过程中,按照智能设备信息类型进行信息融合(称为信息自组织)。实际上,同一地理位置附近的智能设备采集的信息具有相当大的冗余。因此,若将每个智能设备的信息不加甄别地上传,将会造成信息风暴。
DEMO SG系统采用信息按区域聚类和汇总2种算法实现了简单的信息自组织。详细的信息自组织算法此处从略。
3 可用于智能电网的基于地理信息的定向扩散路由算法
3.1 路由算法
在智能电网中,智能设备和汇聚节点处于自治系统的内部,一般由数字信号处理器(DSP)、先进精简指令集计算机(ARM)等实现,内存容量有限,因此,路由算法必须充分考虑智能设备不能维持较大的路由表的特征。但是,边界节点及其他专用的中继节点因其主要为通信而设计,可以维持大的路由表。
本文采用了文献[13]提出的查询路由算法达到上述要求。算法假设:边界节点、汇聚节点和智能设备(以下统称为节点)都知道与其连接的信道的特性(代价);汇聚节点知道其管辖的地理范围(DEMO SG系统采用多边形表示);单播通信时,通信发起方确知对方的地理位置。
算法分为2个阶段:
1)查询阶段。发起通信的节点(源节点)发出查询命令(查询命令中包括目的地理位置),并根据地理位置将查询命令传送到目标地理位置节点,在此过程中,边界节点间、边界节点到汇聚节点采用洪泛算法但智能设备与汇聚节点之间智能设备之间采用地理边界定位的洪泛传送方法;然后从目标地理位置节点将查询命令洪泛传送到相对经纬度坐标表示的其他所有节点。
洪泛算法的基本原理见图1。洪泛算法将接收到的查询命令向除发送者外的所有其他节点扩散。
地理边界定位的洪泛算法在图1所示的洪泛算法基础上,如果汇聚节点发现目标地理位置节点不在其管辖的地理范围内或智能设备不在目标地理位置的汇聚节点管辖范围内(若未定义管辖范围,则管辖范围无穷大),则不向其管辖区域进行进一步洪泛。
在查询过程中,由于各个节点知道与自己相邻的链路代价,因此每一跳都会加上相应的代价作为该节点到源节点路径的总代价。计算出来的总代价是信息传输阶段贪婪算法的依据。
查询过程结束时,可按照最小代价建立一条从源节点到目的节点的路由,各个节点相应为该路由建立一条记录,并在特定时间内维持该记录。
查询命令可能是下列情况之一:某一类通信业务的发起;智能设备上电、智能设备无法与汇聚节点通信时侦测汇聚节点;汇聚节点变更或汇聚节点管辖地理范围变更时通知智能设备;链路状态(代价)变化;节点状态变化。
在查询阶段,如果每次查询都在整个智能电网中进行洪泛,必然引起很大的链路开销。考虑到自治系统内部的状态变化不会影响到相关边界节点的外部系统,因此当路由信息已经生成时,洪泛仅发生在自治系统内部,即汇聚节点管辖的地理范围内。
2)信息传输阶段。信息传输阶段是查询阶段的逆向过程,满足查询命令需求的智能设备采用贪婪算法选择路径向源节点发送1个或多个数据包。贪婪算法是指在信息包经过的每个节点上,节点总是选择到源节点代价最小的路径传输信息。
3.2 路由算法实现
在严格概念上,路由算法需要在网络层实现。例如在智能设备上,可以在硬件中集成媒体访问控制(MAC)层和逻辑链路控制(LLC)层,然后使用软件实现网络层的路由算法。在智能设备上运行基于地理信息的路由算法后,可以直接实现即插即用智能设备之间的通信。
但是,由于很多电力自动化用户系统已经习惯于采用某种拓扑结构的网络,例如基于TCP/IP构架的网络,在智能电网建设中,这种习惯将长期延续。另外,边界节点之间的通信由于信息量大,往往需要采用光纤通信,相关的支持基于地理信息路由算法的节点设备需要研发周期。为了能尽快建设智能电网,可以考虑在应用层实现基于地理信息的路由算法。此时,智能设备的数据包将被边界节点封装在IP数据包的有效载荷中,边界节点在应用层同时维持一张边界节点地理信息地址与边界节点IP地址的索引表。在源智能设备所属的边界节点中,将地理信息地址转换成IP地址,并将封装好的IP包发送到目的智能设备所属的边界节点,然后对IP包解封,可以继续在目的自治系统中基于地理信息转发。
4 DEMO SG系统及验证实验
DEMO SG系统是为了研究智能设备的即插即用而设置,采用2台主机、4个边界节点、2个汇聚节点、8个智能设备和2个拟新增智能设备构成,如图2所示。
图2中,所有边界节点和汇聚节点都采用PC机模拟,采用光纤以太网交换机连接。智能设备主CPU为28335DSP,无线传感器网络采用CC2420芯片封装成通信模块,CC2420集成了无线传感器网络的MAC层和LLC层等,设计最高速率为250 kbit/s;PLC链路基于电力载波扩频调制解调芯片SC11128封装成PLC通信模块,该模块中也包含了自行编写的简易的MAC层和LLC层,设计最高速率为6 kbit/s。各个节点均按3.2节的方法实现基于地理信息的定向扩散路由算法。
实验验证了如下内容:
1)从主机可以召唤智能设备的某一类数据;
2)从某一个智能设备可以向任一节点传送事件信息;
3)新增一个智能设备,采用PLC链路连接到任意一个原PLC链路,可以正常通信;
4)在传感器网络中新增一个智能设备可以正常通信。
试验测试结果如表1所示。
可见,DEMO SG系统不仅验证了基于地理信息的自组织通信的可行性,而且从通信角度说明了实现智能设备即插即用的可能性。
5 结语
针对智能电网中智能设备众多、信道建设困难的特点,本文提出在智能电网中采用基于地理信息的自组织通信,并在DEMO SG系统中进行了可行性验证。
1)智能设备采用地理信息进行编址,适应智能电网对众多智能设备和智能信息进行管理的需求,可以避免IP地址维护问题和采用IP编址时考虑局部电网快速更新带来的IP地址浪费问题。
2)基于地理信息可以实现数据包的转发。该思路虽存在较多需要研究的问题但是可以有效降低智能电网信道建设的复杂性,可以利用多种混合信道进行通信,并满足智能设备即插即用的通信需求。
3)由于同一地理位置附近的智能设备采集信息具有相当大的冗余,因此基于地理信息的自组织通信可以实现信息自组织,避免智能电网中的信息风暴。
总之,基于地理信息的自组织通信是适应智能电网特征的一种有潜力的全局通信方案
自组织通信 篇4
关键词：分群,中继,蜂窝网
0引言
随着自组网技术研究的日渐成熟,和以蜂窝网为代表的基础设施网络的不断发展,自组网与蜂窝移动通信系统的结合,形成自组织蜂窝移动通信系统(或简称混合网络), 这一种新型的网络结构逐渐引起了学术界和产业界越来越多的关注,并被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一,将可能成为4G或未来无线移动通信系统的一种重要形式[1,2,3]。这种混合式的移动通信系统可以充分利用自组织网络的优点有效地解决现有蜂窝系统中存在的一些难题,弥补蜂窝系统的缺陷,从而使蜂窝网络和自组网相结合后形成的自组织蜂窝移动通信系统具有许多性能上的优势[4,5,6]。
1混合网络的研究背景
人们在多跳混合式网络方面做了大量的研究文献[5,6,7]提出了一种包括基站的混合式自组织网络,它可以大大提高系统的连接度。文献 [9] 中指出了布放中继站可以有效地改善小区边缘用户的性能,从而解决高速数据的覆盖问题。
纽约州立大学Hongyi Wu等人提出了一种i CAR (Integrated Cellular and Ad hoc Relaying) 系统[1],通过在一些位置布置Ad hoc中继节点,根据实时业务情况将一个小区的流量动态的转移到它的相邻小区,使得几个相邻小区间的总流量可以综合分配,起到小区间负载均衡的作用,并通过仿真表明,该方案可以扩大小区覆盖范围,有效地避免拥塞。
斯坦福大 学的X. Wu等人提出 了MADF (Mobile Assisted Data Forwarding) 网络模型[10],将多跳中继引入了现有的蜂窝网中,主要目的是动态的将热点小区的业务转移到相邻的负荷较小的小区,MADF网络需要在小区内设置具有数据转发能力的代理节点,并预留部分信道资源用于数据的转发,当热点小区负载超过一定门限时,代理节点通过转发信道,广播一个信令信息以表示可以为其它用户进行数据转发,其它用户根据自己的网络带宽需求来选择代理节点为其转发数据,从而完成了把业务量从热点小区向邻接小区的转移。
蜂窝移动通信系统由于引入多跳自组织方式,不仅可以动态地组成局域网络进行点对点传输,并且可以将其与基站间的长距离的数据链路转换成多个短距离的数据链路,从而实现扩大覆盖,提高容量。同时,引入多跳还可以降低发射功率,减少干扰。另外,它支持P2P传输模式, 可以转移流量,从而缓解热点小区的网络拥塞。所以,这种基于组织网络的混合移动通信系统能满足人们对通信更加多样化的需求,具有巨大的商业价值和极为广阔的应用前景。
2系统模型
本章提出了一种应用于蜂窝网的用户协同分群模型, 它将处于小区边缘的用户分成多个互不重叠的群,群的大小可以根据蜂窝网的负载动态调整,群内的用户可以通过群内信道条件相对较好的群首协同,获得分集增益, 从而大幅度改善小区边缘用户的信干噪比 (Signal and Interference Noise Ratio, SINR),提高小区边缘用户的吞吐量和整个小区的吞吐量。
2.1应用场景
现有技术中的协同通信方式主要有两种:第一种是通过固定的中继站进行协同,这种方法需要架设固定的中继站,改变网络结构,建设周期长,缺乏灵活性;第二种方法是通过用户配对进行协同,两个用户通过正交配对或者是随机配对,可以绑定为一个虚拟的多天线的用户。本节提出一种基于混合自组织蜂窝网络的用户分群算法,可以有效地将用户划分为不同的群,从而实现以群为单位的资源分配和资源调度,下面假设了两种应用场景[11]。
应用场景一:基于小区边缘用户协作进行分群
如图1所示,假设在传统的蜂窝网小区中,基站位于小区的中央,基站到小区边缘的最大距离为小区半径。 本节提出的分群算法是将基站覆盖范围分为两个区域:中心区域和外层区域,中心区域的用户位于小区中央,距离基站的距离最近,以单跳的方式直接与基站进行通信;而外层区域位于中心区域的周围,由于距离基站较远,信道条件相对不理想,故将这一区域的用户分为若干个群组, 群组中的用户要想同基站进行通信必须经过群首转发,群首是每一个群组中信道条件和性能相对较好的用户,可以与基站进行直接通信。
应用场景二:MIMO中继网络
而目前由于技术的原因,用户终端上还不能配置多天线,这使MIMO系统在终端一侧的应用受到了限制。可以利用虚拟MIMO技术,将多个用户的天线绑定在一起,这样用户就具备了多天线,形成了一个配置了多根天线的虚拟中继站,如图2所示。由图2可以看出,中继器的天线构成了一个接收阵列,他们是由多个终端组成的群,这样的中继群可以为远端的用户提供临时接入接站的服务。因此,MIMO中继也称为虚拟天线阵 (Virtual Antenna Array,VAA)[12]。这种方式可以应用于机场、学校、商业区等用户比较密集的热点小区,处于小区边缘的用户通过中继群的辅助与基站进行通信,从而实现网络容量和覆盖的提高。 如何构建虚拟天线阵列群,是本章要解决的问题。
2.2假设条件
基于两跳中继网络的群生成算法基于以下的假设 ( 以应用场景一为例 ):
(1) 如图1所示,位于灰色中心区域的用户直接与基站进行通信,位于外层区域的用户将被分为多个群。CH为群首,作为基站和其群内用户的中继,负责群内用户的对外联络。以下行为例,基站要发送数据到某个群的用户, 首先在第一跳发送给这个用户所属群的群首,然后在第二跳群首将信息转发给相应的用户。类似地,在上行场景, 每个群内的用户要与基站进行通信也要需要两跳,在第一跳用户向其所属群的群首发送数据,在第二跳群首将数据转发给基站。
(2) 每个群可以复用相同的时频资源块,其基于TDD的上下行帧结构如图3所示。在下行时隙,首先基站将数据发送到用户所在群的群首,在下一个下行时隙,群首再将其转发给相应的用户。
(3) 在上行时隙,用户将通过其所在群的的群首将数据发送给基站。首先,用户将数据发送给其所在群的群首, 然后群首将其转发给基站,这里假设各个用户间能做到很好的同步。
(4) 以下行为例,假设用户可以把从基站发来的信号和群首转发的信号进行最大比合并。
3分群算法实现
本节提出了一种改进的加权分群算法,选举群首时主要考虑5个因素:用户的连接度、用户的传输功率、用户的移动性,用户的剩余能量和用户与基站的距离,并且各因素的权重因子可以根据系统的要求和用户的处理能力进行动态调整。例如,如果为了优化网络负载应当给予用户度较大的权重;如果想限制用户移动性的影响,则应当赋予移动权重因子较大的值;如果用户的能量受限,则应当赋予用户的剩余电池能量更大的权值,权重因子分配的灵活性使得这种算法能够适应多种网络环境满足多种业务的需要。
定义用户n相对于用户k的相对移动性指标
式中,表示当前用户n收到来自用户k的接收功率,
表示上一测量时刻用户n收到来自用户k的接收功率。如果Mn(k ) < 0 ,表示两用户逐渐远离;否则两用户互相靠近。通过计算用户n和其所有m个相邻用户的相对移动性的绝对值的均值来得到用户n的相对移动性指标越小,说明用户间的相对移动速度越低,用户群较为稳定。
提出的分群算法步骤如下:
(1) 网络初始化时,每个用户都处于未决定状态。每个用户通过周期性的探测可以确定各自的邻居用户数,作为它的连接度dn;
(2) 计算用户n计算到所有相邻用户的距离之和Pn, 如果Pn>Pmax,则将其从相邻用户中剔除,并更新邻居列表和连接度dn;
(3) 计算用户n计算度数与理想用户度Kmax之差,即
(4) 计算用户n的相对移动性指标Mn,详见式 (5-1);
(5) 把每个用户作为群首的时间来表示已经消耗的电池能量,假设初始时,各用户的电池能量相同,并且群首所耗费的电池能量远大于普通用户;
(6) 计算每个 用户和基 站之间的 距离
(7) 将Dn,Pn,Mn,Tn和Sn分别进行归一化处理;
(8) 计算每个 用户n的组合权 重系数In=c1Dn+c2Pn+c3Mn+c4Tn+c5Sn,其中 , c1, c2, c3, c4, c5为权重因 子, 表示各种 因素的相 对重要程 度, 某个因素 越重要, 其相应的 权重因子 也越大, 可以根据 实际业务 需要灵活 掌握, 且满足
步骤9每个用户将得到的In和其用户ID放置在周期性的广播消息中。选择权重最小的用户作为群首,它的相邻用户作为群的成员节点,然后在剩余的用户中再找群首和其成员节点,直至所有的用户全部包含在一个个不重叠的群内。
整个分群的过程由基站控制完成,首先在所有的边缘用户中找到一个组合权重最小的用户作为第一个群的群首,按照预先设定的传输范围和连接度确定其成员节点, 这样完成了第一个分群;然后在剩余的用户当中再找一个组合权重最小的用户作为第二个群的群首,确定第二个群的成员节点;以此类推,直到所有的边缘用户都加入到每个特定的群内。流程图如图4所示。
4仿真分析
4.2仿真假设
本章考虑了正六边形蜂窝系统构成的宏小区环境,无线信道同时受到传播路径损耗、阴影衰落和快衰落的影响。根据上面提出的分群算法模型,进行系统级仿真, 假设在正 交频分多 址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 系统中,每个子载波发送信号的功率相同,详细的仿真参数见表1。其中,基站位于小区的中央,用户均匀分布在整个六边形小区内,在每个快照时间内,用户随机运动一次。小区半径设为1000米, 其中大于600米为小区边缘,用户理想的连接度为5。由于阴影衰落的影响,假设用户间的传输距离为50米,这样比较符合实际情况,还可以降低算法复杂度。另外,由于与基站的距离对用户的性能影响较大,假设加权因子c1, c2, c3, c4, c5分别为0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.6,也还可以根据实际情况进行灵活设置 , 如表1。
4.3仿真结果
本节将针对加权平均分群算法与传统无分群方案进行了对比。通过对多次仿真取平均值,由图5可以看出, 随着与基站距离的增加,路损的不断增加,相邻小区的干扰不断加强,用户的信噪比逐渐下降。在小区的中心区域, 两种方案的曲线是重合的,一旦超过600米,通过应用分群算法后,小区边缘用户的信噪比得到了显著的提升。信干噪比的CDF分布曲线如图6所示,其中横坐标表示信噪比,纵坐标表示概率,从图6可以看出,应用分群算法后,可以大大改善系统的信噪比分布,尤其是改善边缘用户的信道质量。图7反映了随着用户的增加吞吐量的变化, 用户数量从20增加到80,系统吞吐量逐渐提高,尤其是处于小区边缘用户的通信质量大大改善,系统性能显著提高。由此可见,分群方案比较适合应用于用户密度比较大的场景,这样用户更容易找到协作的用户。通过对比发现, 分群方案要好于传统未分群方案,在分群算法中,由于加权平均算法考虑的因素较多,单纯从容量的角度看略逊于基于最大容量的分群方案;但是从用户公平性的角度来看, 加权平均算法较好;从应用场景来看,加权平均算法适合场景一,而最大容量的分群方案更适合场景二。
5小结
自适应跳频通信系统研究 篇5
1. 跳频通信
跳频通信的基本工作原理是[1]:在发射机中, 输入的信息对频率为fs的载波进行调制, 得到带宽为R的调制信号。独立产生的跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码, 控制频率合成器在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号。用它对调制信号进行变频, 使变频后的射频信号频率按照跳频序列跳变, 即为跳频信号。跳频信号以跳变方式躲避某些频点上的人为干扰或者自然干扰。在接收机中, 与发射机跳频序列一致的本地跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码控制频率合成器, 使输出的本振信号频率按照跳频序列相应地跳变。跳变的本振信号, 对接收到的跳频信号进行变频, 将频率变回fs, 实现解跳。解跳后的调制信号, 在本地载波的作用下, 经解调后恢复出信息。其原理框图如图1所示。
2. 自适应跳频通信
2.1 跳频技术与自适应技术相结合
目前, 跳频通信技术作为一种有效的抗干扰通信技术, 在现代无线抗干扰通信中应用广泛。常规跳频通信通过采用扩展频谱技术, 利用与信息无关的伪随机序列控制信号的频率在较宽的频率范围跳变。由于该伪随机序列确定的跳频表是事先确定的, 不能根据电磁环境状态实时调整, 自动选择可通频率, 通常将这种跳频称为“盲跳频”[2]。
对于采用“盲跳频”的常规跳频通信系统, 由于其跳频频率集是固定的, 遇到自然条件的变化或者是人为的干扰, 某些频点会处于比较恶劣的状态, 这样系统的性能将受到严重的影响。将自适应技术与跳频技术结合起来, 通过对信道的实时评估, 可以将通信质量恶劣的信道及时地从跳频频率集中剔除, 从而避开干扰, 提高通信的质量, 使系统的性能得到较大的改善。
2.2 自适应跳频通信系统原理
自适应跳频技术首先是由J.Zander等于1995年提出的[3]。自适应跳频技术能够使跳频系统自适应地躲避干扰载频, 从而在复杂的干扰环境下正常工作。无线通信中, 自适应技术包括频率、功率、速率自适应以及自适应调零天线等。而对于自适应跳频通信技术, 从广义上讲, 它除了常规跳频通信所具备的功能, 还应具有上述的各种自适应功能。为了在自适应跳频系统中实现诸如自适应调制、自适应频率控制和自适应功率控制的功能, 一个必需的前提是自适应跳频通信网中的成员必须具有信号质量评估器和信令通信链路, 以对信道的质量进行评估, 得到信道状态信息, 并通过可靠的信令协议, 及时地通知通信成员, 使得发信机根据得到的信道质量状态信息改变其传输特性。与常规跳频技术相比, 自适应跳频技术具有以下特点:
(1) 智能化程度高;
(2) 和宽带跳频结合起来, 可较大地提高抗干扰性能;
(3) 由于需要搜索较多的信道, 因此所需时间较长;
(4) 组网时操作过程复杂, 确定可用频率的时间较长。
2.3 自适应跳频系统的结构
自适应跳频通信系统的原理示意图如图2所示。与常规跳频通信相比, 自适应跳频通信系统接收端多了一个实时信道连接质量分析器LQA (link quality analysis) , 并以自适应的跳频图案发生器代替常规的跳频图案发生器。在发送端, 伪随机序列发生器产生的伪随机序列控制跳频图样选择器选择跳频图样, 通过工作信道发送;在接收端接收数据的同时, 使用LQA对工作信道各个跳频信道的通信质量进行监测, 如果发现某个或某些载频受到干扰而达到需要置换的程度, 它将产生一个新的跳频图样并通过反馈信道通知发送端的跳频图样选择器。
2.4 自适应跳频通信过程
自适应跳频通信一般分为通信建立、扫频和通信保持三个阶段[4]。
在通信链路建立阶段, 首先必须建立同步, 在保证通信双方时钟同步、帧同步的基础上, 确保双方跳频图案的同步。值得注意的是, 对于自适应跳频通信来讲, 为了保证同步的建立和通信的质量, 在这阶段发射机的功率应能自动进行盲调整, 一旦双方建立同步, 立即结束盲功率调整, 进入扫频阶段。
在扫频阶段, 双方的实时信道质量评估单元对跳频频率集进行全集扫频, 根据确定的信道评估标准确定被干扰的频点, 给出可以使用的接收方的跳频频率集, 并把被干扰的全部频率通知对方, 使通信双方同时删除被干扰的全部频率, 使得发送方的跳频频率集与接收方完全相同, 并在确定的时刻同时进入自适应跳频通信阶段, 同时建立功率自适应调整。
在通信保持阶段, 由于信道条件的变化, LQA会将变化的检测结果通过通信协议, 以信令方式通知对方, 随时将跳频频率集中的被干扰频点去除, 并保证双方跳频图案的同步, 同时调整发射机功率, 保证双方均以最小的发射功率进行通信。
3. 自适应跳频通信的应用及发展状况
自适应跳频通信系统自从问世以来, 在军事和民间都产生了广泛的运用。在军用领域, 自适应跳频通信系统采用的通信方式能做到抗干扰, 具有对非目标用户低的检测概率, 及对敌对用户低的被截获概率。跳频通信信号载波频率不断地跳变, 从而具有躲避干扰的功能, 抗干扰性比较好。同时, 在民用领域, 自适应跳频通信系统由于其工作灵活性更大、可靠性更好、数据传输速率更高、保密性更强, 特别是具有优良的抗电子干扰及低截获概率/低检测概率特性, 不仅适合在各种条件下进行可靠的中、远程通信, 而且可在其他视距通信手段失效或者频谱完全被堵塞时满足短程应急通信要求。并且, 自适应跳频技术对于有效利用频谱资源、防止通信设备之间相互干扰起着十分重要的作用。
在国内, 我国在1996年研制出第一台实用型跳频电台后, 多类型的短波通信系统投入批量生产, 部分达到国际先进水平。国内首创的“多合一”的自适应技术已经成功应用到新一代的短波战术跳频系统中。在国外, 法国THOMSON-CSF/RGS公司的SYSTEM3000系列自适应跳频通信系统, 是目前可用的较先进的短波战斗网无线电台, 在UNIQUE TRC3500 SKYHOPPER2FH方式下, 作为网控中心的电台首先自动选择短波频谱内的可用频段 (5个以内) , 然后再选择那些未受干扰的频率做跳频频率集。SKYHOPPER对战术通信来说是一次质的飞跃, 它在海湾战争及柬埔寨、波黑维和行动中发挥的重要作用。
4. 结语
笔者首先介绍了跳频通信的基本工作原理, 接着详细阐述了自适应跳频通信系统的原理、结构和通信过程, 最后简要介绍了自适应跳频通信的应用和发展状况。由于进入该领域的时间并不长, 笔者对自适应频率选择的算法研究还不够深入, 这将是下一步工作的重点所在。
参考文献
[1]梅文华, 王淑波, 邱永红, 杜兴民.跳频通信.国防工业出版社, 2005.
[2]美国参谋长联席会议.2010年联合构想[R].1996.
[3]Zander, J.;M aingre, G.A daptive Frequency Hopping inHF communications[J].IEE, Proc-commucations, 1995, 142 (2) :99-105.
自组织通信 篇6
自组织理论起源于20 世纪60 年代末70 年代初, 由德国物理学家哈肯 (Haken) 和比利时化学家普利高津 ( (Prigogine) 为代表创建的一种系统理论。它阐释了复杂系统形成自组织的机制、条件和规律。哈肯给“自组织”做了如下定义:“如果一个体系在获得空间、时间或功能的结构过程中, 没有外界的特定干涉, 仅依靠系统内部的互相作用来达到, 该系统就是自组织”。即:一个系统形成的各种结构, 无须外部的指令能自行衍生、自我适应、自我调节、自我演化和自主地从无序走向有序, 从低级有序走向高级有序。在整个自组织的管理过程中强调系统内部的各个要素按照彼此的相干性、协同性或默契而形成特定的结构与功能。
二高校教师培训的含义
美国著名研究学者雷德蒙·诺伊认为“:培训就是指领导者组织有计划的任务来帮助职员继续学习, 提高其与实际工作相关的能力、技能等活动, 是实现智力资本用途的必要途径。”欧洲学者乔治·韦斯特认为“:培训工作是为了保证岗位中个体与组织有效率地工作, 提高员工技能、工作经验、知识等方面的过程, 实质是对员工学习过程的管理。”高校教师培训指的是组织者组织人员参与进行有目的性的知识创造活动, 来提高其自身的专业技能与素养。
三国内外高校教师培训的现状
自上世纪50 年代以来, 世界各国都加强教师的在职培训, 不断提高其综合业务素质以适应社会和科技的发展进步。一些欧美国家开始相继建立新教师的入职培训制度, 使其能够明确自身专业发展的基本需求, 设定专业成长目标和实际行动计划。英国更是明确规定高等学校教师和普通中小学教师一样, 都有参加在职培训的权利和义务。在日本则是通过立法的形式建立健全高校教师进修制度。
在我国国内很多高校学者也就此展开相关研究:骆之强在《走向有效交往的教师培训》中, 从专家引领专业教师发展为教师培训研究的视角, 详尽论述了教师培训过程中对教师的实效培训;唐亚厉在《谈适应教师专业化趋势的高校师资培训》中, 论述了对高校教师开展积极有效的培训与教师专业发展的关系;朱燕在《e-learning:网络时代的教师培训模式研究》中, 指出了教师培训的与时俱进性、人本性、主体性和过程性, 突出网络时代教师学习的灵活性和自主性。
四河北省高校外语教师队伍现状分析
本文主要针对石家庄学院、石家庄信息工程职业学院、河北化工医药职业技术学院的英语教师队伍现状开展调查, 结果如表1。
在所调查的91 名高校英语教师中, 男教师为14 人, 仅占15 %, 女教师人数占有绝对优势。从年龄结构看呈现年轻化趋势, 中青年英语教师是继续教育和培训的主体。从教龄结构看, 教龄在1~10 年的占14%, 11~20 年的占55 %, 因而高校英语教师培训内容更应该侧重于前沿的教学理念、方法以及相关领域的最新研究成果。从职称结构看中级职称的教师占主体, 高级职称教师人数偏少。从学历层次来看普遍较高, 绝大多数都是硕士学位, 但教学实践经验不足。从工作量情况来看, 绝大多数英语教师的周平均工作量都在15 节或以上, 教学工作量较为繁重, 其大部分精力都主要用于备课和上课。
五河北省高校外语教师培训现状及存在的问题
1培训模式简单化、片面化和单一化
在对三所高校英语教师培训模式展开的调查和研究中, 我们发现大多数培训的核心目标就是要求高校英语教师吸收大量的、现成的专业知识, 以及模仿相关的教学技能从而取得学习的效果。从培训课程来看, 绝大多数课程以英语知识灌输为中心, 以现成知识的输入为主要内容, 把在职英语教师的培训简单地当做一种语言进修, 却忽略了教师的其他专业能力, 如科研能力、理论水平、综合素养等。从培训方式上来看, 形式单一, 培训者仍然是教学的中心, 缺少培训者与受训者之间的互动, 缺少受训者的自主性和主动参与性。
2 培训工作缺乏实效性和社会化意识
从事培训工作的培训者对受训者所在学校的情况缺乏了解, 培训内容与学校教学实际脱节的现象严重, 这就直接导致培训工作缺少实效性, 从而致使很多教师失去了对积极参与培训的主动性和兴趣。同时, 很多培训工作没有把社会生活技能和实践环节及时引进到培训内容中来, 因此尽管受训者在培训期间获得了大量的教学理论的输入, 但是却缺少学以致用的场所, 无法真正及时地实践学到的各种理论知识并及时地进行反思, 以至于结束培训回到学校工作岗位的实践中还是没有大的起色。
3 培训目标缺乏针对性
成功有效的培训应该是要关注到每一位教师专业成长的需要。因为教师年龄、教龄、学历、职称结构、素质基础的不同, 就会导致其自身的发展目标和需求是不一样的。但是我们在对三所高校91 名英语教师的调查过程中发现:高达88%的受训教师对很多教师培训的目标并不是十分清晰和明确。再加上不同教师自身的基础和需求不同, 因而到底设置什么样的培训课程, 用什么样的方式进行培训更是缺乏清晰的思路。
4 培训机会和时间缺乏足够的保障性
通过上表我们可以发现:在对三所高校英语教师的调查中我们看出, 很多中青年英语教师平时的教学工作量就很大, 而在培训期间的教学工作任务就需要自己在接受培训之前或之后来弥补, 这是造成很多培训教师缺席的重要原因之一。除此之外, 经济原因也是一个比较突出的问题:河北省高校中青年英语教师本身收入并不高, 而很多培训是需要自己来承担费用的, 这也是部分教师会选择放弃培训的原因之一。
六解决所存在问题的方案与建议
1 改变培训模式, 更新培训理念
以“自组织”理论为基础, 坚持以“培训对象为中心”的理念, 将自上而下单一的“浇灌式”培训转变为由下而上“自发主动”的培训方式。高校的培训部门应该深入调查新时期下高等院校对师资队伍建设的要求, 深入了解不同受训者的不同基础和需求, 合理整合资源, 从而建立不同类型、不同层次、不同需求、不同方式的培训新模式。从培训课程来讲, 除了注重不同专业知识的培训之外, 要拓宽学科范围, 加大复合知识比例, 整合课程, 重视课程的综合性, 加强学员知识融通和适应能力的培养, 从而改变培训课程的片面化和单一化。从培训形式来讲, 一定要改变“灌输讲授”为主的被动输入模式, 应该增加各种观摩、实训的互动形式, 让受训者能够将学到的理论和实践完美结合。
2 提高培训工作的实效性, 加强培训工作的社会化意识
在新观念的指导下, 构建“自组织”模式的具体框架并制定执行方案, 逐步地将“以我为主”的机械模式向“量身定做”的实效模式转换;构建一个职能分明的地方层—高校层—学院层—教研层的培训层级网络。这样就可以克服传统培训的局限性, 充分体现其差异性、实用性和针对性。另一方面要加强培训工作的社会化意识, 教育科研应成为教师培训工作的特色和支柱, 高校英语教师不仅要具备扎实的专业知识, 还要善于对自己的教学理念和教学实践进行反思和探讨从而去发现和解决实际问题。
3 以教师层次为依托, 开展具有明确目标的培训工作
根据高校英语教师不同的年龄、教龄、学历、职称、素质基础等方面, 来设计和开展不同层次的培训内容和课程, 将不同层次的培训工作目标明确化, 使不同的培训工作都有清晰的思路, 从而满足高校英语教师的不同需求。在此基础上, 建立“自组织”评估体系, 反馈培训效果。教师培训作为一项系统工程, 其重要特点在于它的连续性, 通过经常性的信息反馈来考察此次培训的有效性。
4以促进教师的发展完善为动力, 健全培训保障机制
首先要建立完善的教师培训体系。教育行政部门要以教育事业长远发展为出发点, 制定全面、配套的政策, 使教师的合法利益得到应有的尊重, 只有这样才能使培训工作长期有效地开展下去。其次, 可以适当压缩培训次数, 提高培训效率, , 做到“适时”和“适量”, 缓减受训教师“工学矛盾”的压力, 这样就可以避免受训教师时间、精力、经费的大量浪费, 从而促使教师培训的正常健康发展。除此之外, 还可以开发学校的内部校本教师培训资源, 大力开展信息化教育, 缩小时空距离, 为教师自主运用网上资源学习提供各种便利, 同时大力开发学校内部的校本培训资源。
参考文献
[1]崔纪彬.高职院校青年英语教师培训现状的反思与建议[J].泰山乡镇企业职工大学学报, 2008 (6) .
[2]辛广勤.论述大学英语教师在岗自我发展[J].国外外语教学 (FLTA) , 2003 (3) .
[3]祁伟.我国大学英语教师培训现状研究[J].凯里学院学报, 2009 (27) .
自组织通信 篇7
实际通信系统中, 由于信道特性不理想, 使得在接收端可能产生严重的码间干扰 (ISI) , 从而使误码率升高, 影响通信的质量。在通信系统中, 用于克服ISI的一种有效方法是在接收机中采用自适应均衡技术, 而自适应均衡技术的关键之处在于所采用的自适应均衡算法, 对于线性均衡器, 其算法有很多种, 其中很多是基于最小均方误差 (LMS) 算法[1]。为此, 本文将主要研究基于LMS算法和线性滤波的自适应均衡器性能, 并进行仿真分析。
1 时域均衡原理[2]
根据均衡的特性对象不同, 均衡可分为频域均衡和时域均衡两种。频域均衡是使包括均衡器在内的整个系统的总的传输函数满足无失真传输条件;时域均衡是从时间响应的角度来考虑, 使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无ISI条件。频域均衡多用于模拟通信, 而时域均衡多用于数字通信。对于加入时域均衡器的数字基带传输系统, 均衡之前的所有设备的频率特性用H (ω) 表示, 它是发送滤波器、信道和接收滤波器的频率特性的乘积。由于信道特性的变化以及系统设计的误差, 在抽样时刻会存在ISI, 即H (ω) 不能够满足消除ISI的条件。于是, 需要在接收滤波器的输出端增加一个均衡器, 令其频率特性为T (ω) , 有T (ω) H (ω) =H′ (ω) , 则H′ (ω) 满足无码间干扰的条件:
此时输入信号通过H (ω) 和T (ω) 后, 能够得到无码间干扰或码间干扰很小的信号。
由于实际的信道具有随机性和时变性, 这就要求均衡器必须能够实时地跟踪信道的特性, 而这种均衡器又被称作自适应均衡器。根据自适应均衡器线性特性的不同, 均衡可分为线性均衡和非线性均衡两种。线性均衡器一般适用于信道畸变不太大的场合, 而非线性均衡器则用在深衰落比较严重的信道中。但是由于很多均衡器都是以线性横向滤波式均衡器为基础的, 因此下面主要讨论线性横向均衡器, 如图1所示, 该类型的滤波器具有2N+1个抽头, 输入序列为, 输出序列为, 输出序列是发端发送序列的估计值。第n个符号的估计值可以表示为:
式中, ci是该滤波器的抽头加权系数。
2 基于LMS的自适应均衡器仿真分析
自适应均衡器设计的基本思想是利用在信号中包含的ISI信息自动调整抽头系数。如果以均方误差为度量均衡效果的标准, 则可以采用LMS自适应算法。LMS自适应算法是Windrow和Hoff等人在20世纪60年代初提出的, 其基本原理是基于误差梯度的最陡下降法, 用平方误差代替均方误差, 沿着权值的负方向搜索达到均方误差最小意义下的自适应滤波[3]。LMS算法因其简单、稳定、易于实现等特点, 一直是自适应滤波经典而有效的算法之一。LMS算法以理想信号与滤波器实际输出信号之差的平方值的期望最小为准则。为了使期望值最小, 可采用广泛使用的“梯度下降”算法:
上式中的ωi (n) 、μ (n) 、ν (n) 分别为第n步迭代的权向量、收敛因子和更新方向。
进而, 可基于LMS算法设计横向滤波器。令滤波器的抽头系数为ωi (n) , 设滤波器的输入和输出分别为I (n) 和O (n) , 则横向滤波器的数学表示为:
利用经典的计算最小均方误差的方法求最佳权系数向量的精确解需要进行矩阵求逆等复杂运算, 且需要有先验统计知识。Widrow和Hoff提出的LMS算法是一种近似值的方法, 其依据是最优化理论方法中的最速下降法, 即“下一时刻”权系数向量ωi (n+1) 应该等于“现时刻”权系数向量ωi (n) 加上一个负均方误差梯度-▽ (n) 的比例项, 即:
其中μ是用于控制收敛速度与稳定性的常数, 称之为步长因子或收敛因子, 可见LMS算法与梯度▽ (n) 和步长因子μ有关。
精确计算▽ (n) 通常比较困难, 一种粗略而有效的计算▽ (n) 的近似方法是直接取误差的平方作e2 (n) 为均方误差E e2! (n) "的估计值, 可得梯度估值为:
于是可得权系数为:
利用Matlab对基于LMS的自适应均衡器进行相关仿真, 假设ISI信道参数为[0.18, 0.3, 1, 0.18];信噪比SNR=10d B;自适应均衡器的阶数为63;步长因子μ分别取0.02和0.01。均衡前后信号的误差收敛曲线如图2所示。
从图中的仿真结果可以看出, 减小步长因子μ, 收敛速度将变慢, 但可以使得均方误差更小;增加μ可提高收敛速度, 然而此时其均方误差将增大。可见, 步长因子的合理选择对于基于LMS的自适应均衡器是至关重要的, 需要根据实际情况和具体要求, 比如是要求收敛快还是要求精度高, 来进行权衡。
3 结束语
自适应均衡技术是克服实际通信信道特性不理想的有效方法之一, 其核心是自适应均衡算法。本文在介绍时域均衡原理的基础上, 讨论了基于LMS自适应算法和线性横向滤波器的自适应均衡器的性能。为了进一步改善通信系统性能, 还可以考虑非线性滤波器技术和其它自适应算法。
参考文献
[1]Simon Haykin.自适应滤波原理[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[2]王玲, 韩红玲.基于LMS及RLS的自适应均衡算法仿真分析[J].信息技术, 2008 (2) .