大规模信息系统（共9篇）
大规模信息系统 篇1
摘要：基于企业协同的动态观点, 为了大规模定制MC (mass customization) 的成功, 必须考虑MC供应链网站的动态性质及需要保持竞争力时的动态合作。通过松耦联方式, 可以建立价值发现的技术表达。讨论了在MC背景下所有参与者之间的无缝沟通, 介绍了搭建基于面向服务架构SOA (Service-Oriented Architecture) 的MC信息系统的方法。本研究在集群协同制造领域取得初步效果。
关键词：大规模定制,面向服务的软件架构,信息系统
0引言
大规模定制是在大规模生产的基础上, 在不牺牲效率的前提下, 生产和销售定制产品和服务。作为一种全新的制造模式, 大规模定制生产模式是对传统定制生产和大规模生产的扬弃, 是糅合两者优点的一种新的生产范式。这种商业模式已经改变了传统的供应链的定义, 要求整个供应链更大程度地协同, 供应链的成员之间更广泛深入地合作。传统上, 组织间沟通和协调的信息系统的架构是刚性的, 很难适应处理大规模定制所需要的动态环境性质。因此, 亟需一个支持大规模定制的供应链信息系统的开放体系。1996年, Gartner最早提出面向服务的体系结构SOA, 对改变这种刚性产生很大的作用。2002年12月, Gartner提出SOA是“现代应用开发领域最重要的课题”, 还预计到2008年, SOA将成为占有绝对优势的软件工程实践方法。SOA的一个中心思想就是使得企业应用摆脱面向技术的解决方案的束缚, 轻松应对企业商业服务变化和发展的需要, 体现大规模定制的设计思想。应用SOA后, 管理者可以方便地管理这些搭建在服务平台上的企业应用, 而不是管理单一的应用模块。这样就帮助了企业管理人员或应用架构师迭代地优化他们的企业业务流程、应用系统。本文的主要目的是设计一个无缝的公共信息平台, 大规模定制供应链成员采用这个平台来提高协同工作的效能。本研究在集群协同制造领域取得初步效果。
1大规模定制供应链网站的基本模型
1.1参与者模型
图1描述了大规模定制背景下典型的参与者。参与者用节点 (圆圈) 来表示, 交互作用用边 (线) 来表示。
1) 顾客
最终产品的消费者, 与传统的大规模生产相比, 顾客更为积极。顾客是价值链中的合伙人, 起到生产者及消费者的双重作用。
2) 卖主
组织机构在市场上提供定制的商品就是卖主 (市场的制造者) 。也可以是没有产品工厂的以销售和市场为中心的企业。
3) 配置者
配置系统是买者与顾客之间的交接面。它辨认顾客的产品需求和所有产品选择参数的价值, 确保订单中只有有效和完美的产品的规格才被通过。
4) 零售商
零售商在顾客和配置系统间、顾客和卖主间、物流服务供应商之间活动。这个参与者不涉及配置过程, 但只是作为一个中介在操作。
5) 生产商
生产商负责策划、协调和执行制造过程。由于依赖垂直统一管理, 生产步骤能在内部生产或者用外部零件代替。
6) 供应商
作为生产网络的一部分, 这个参与者向生产商提供标准化的或者定制的产品成分。
7) 物流服务提供商
通过与其他参与者交互作用, 这个参与者扮演了产品分配的角色。如物流服务提供商表现的交互作用, 但内部或者工厂内部的物流过程不在这个模型里面表现。物流服务供应商的任务是把定制商品从生产商传送到顾客那里。
1.2系统要求
以鞋业为例, 系统的目标是分析和最优化鞋业内大规模定制背景下的基本物流构造。数据从两个产业合作伙伴收集:A公司和B公司。根据访问和分析的结果, 我们确定了以下对具体大规模定制信息系统概念上的要求。
· 工厂内部的协调支持:大规模定制产品是在几个独立的、自立的企业制造的 (考虑到他们的核心能力) 。
· 根据参与者的核心能力向他们分配价值链过程:每一个企业在价值链中不同的区域独立活动 (不是垂直一体化) 。
· 考虑到对参与者局部的了解:价值的创造在一个时期内空间分布环境下发生。
· 各种过程类型的代表:整个生产循环包含了材料或者信息过程 (如:切割皮革和收集个性化数据) , 并且可以被混合 (获取单独的初步产品) 。
· 作为个性化选择的结果, 提供管理产品的机构:商品包含定制和标准化部件。
· 顾客作为商业网络合作伙伴而统一管理。
· 参与者之间无缝的、渗透性的信息转移:修改信息流把顾客统一到价值链中统一管理。
信息系统的开发用来支持大规模定制情景, 必须建立在适当的技术概念的基础上。从这个观点来看, 以下的技术要求必须满足:
· 技术上表现的商业网络的灵活性, 以适应环境和相关产品的变化 (由于价值链伙伴进入和退出而产生的参与者动态群) 。
· 对价值链 (物流和信息管理) 的综合的和系统的技术支持。
· 考虑到定制和与非产品相关部件的产品结构、配置和生产过程的语义规格。
2大规模定制服务架构
2.1设定服务
在图2中, 面向服务的概念应用到了定制鞋生产。已知的参与者是特定增值服务的供应商和请求者。通过卖主操作的配置系统, 顾客指定期望的鞋子的特点。卖主与生产商联系, 并任命他负责鞋子的制作。可在两个可供选择的工厂之间进行选择, 工厂与部件的供应商 (如皮革供应商) 共同操作。产品通过物流服务供应商 (通过零售商) 直接配送给顾客。顾客利用“配置”服务来指定可能的个性化参数。这是顾客与配置者之间的交互活动。卖主利用配置者得到“订单获取”。生产商负责全面地制作, 并与提供协同生产服务的卖主交互活动。生产商同时也是部件供应服务的需求者。如果它不在内部操作全部的制作程序, 也是一个对下一步生产者的生产步骤服务的要求者。最后, 配送服务由于参与者需要物流支持而被利用, 比如生产商与零售商之间。
2.2产品建模
所有的产品参数和个性化选择都必须是在提供大规模定制产品之前预先识别和定义的。历史数据、顾客信息和市场研究都在产品开发中使用。为了保证一种产品是可配置的, 产品模型是需要的, 它包含所有的产品部件, 个性化选择, 确定产品参数时的局限性 (如:可能性、依赖性等等) 。一个生产模型的例子在图3中说明。为了定制鞋的建模, 我们使用基于部分—全部的关系的符号。这个建模方式证明对高度配置的商品是有用的。基本概念由零件目录表形象地用图表表示出来, 参看文献[3]。由于这种方法是用分级概括的分类目录延伸出来的, 考虑到产品替代品和可能性的能见度。产品零件之间的依赖性用推论 (⊿) 来建模。为了表达一个零件A需要另外一个特定的零件B, 这种推论用前项和结果来表示 (A⊿B) 。
一只鞋 (C1) 包含上面部分 (C2) 、鞋垫 (ts0) 、鞋底 (A1) 和鞋跟 (A2) 。上面部分本身包含了两个组成部分:鞋面和衬里革 (A3, A4) 。为了这个成分, 多种类型和色彩都可以选择 (ts1, ts2, …, ts6) , 但必须为衬里革至少选择一种类型。至于鞋底, 可以是不同的橡胶或皮革 (ts7, ts8) 。鞋跟可以是窄的或者宽的 (ts9, ts10) 。选择鞋底和鞋跟的时候, 就有成分基础的限制。如果选择了橡胶 (ts7) , 鞋跟 (A2) 必须是宽的 (ts10) 。
产品模型被所有的参与者用来处理模块供应、单个零件的构造以及鞋的装配。如果参与者通常只需要产品模型的一个零件, 那么这个零件就应在部分参与者中交换。例如, 准备上面部分需要知道 (C2) 与次要元素 (A3, A4) , 而装配鞋需要第一层次的元素:上面部分、鞋垫、鞋底和鞋跟 (C2, ts0, A1, A2) 。
2.3服务架构
以参与者模型、产品模型和基本服务的规格为基础, 能建立面向服务的架构。图4用UML图标, 介绍了鞋业的大规模定制的面向服务架构。
成功完成已接收的订单需在参与者提供的各种各样服务中有效地合作。每个订单都单独地处理, 并存放在定制鞋的要素中。通过配置服务的利用, 非正式的产品观念转换成正式的产品规格。定制鞋的要素代表顾客, 可以进入各种各样的用户界面。配置服务轮流使用两个特殊服务来完成产品规格:确定鞋子尺寸的分析服务和设定设计选项的设计服务。如果配置过程完成而订单也被接受, 那么顾客在供应链的统一管理的一个主要阶段就完成了。配置服务是一个大规模定制产品的顾客向卖主获取订单的工具。
3执行
3.1启动技术
1) 网站服务
网站服务被定义为“一种为了支持网络上机器对机器的、能共同操作的交互活动而设计的软件系统”, 界面能以在机器上操作的格式描述。因此, 三个基于XML的技术被建立:网站服务描述语言 (WSDL) , 通用描述、发现和综合 (UDDI) 和SOAP。WSDL 用来描述和形式化网站, 现有的版本使区别描述与服务功能成为可能。UDDI允许在目录里注册与寻找服务, 通过构造分类法, 目录分类是可能的。潜在的用户在UDDI服务器上查找合适的服务。在成功地获取后, 用户直接和服务供应商交流, 目的是为了启动服务的执行。最后, 处理服务的指示被SOAP协议来详细说明, SOAP使用基于XML通信。SOAP信息包括目标系统服务请求者的系统信息和实际信息, 也就是语义信息。
2) 软件代理
代理是软件单元, 能够察觉和修改环境。作为一个系统的元素, 它们嵌入在环境里, 自动地活动, 根据环境发生的变化调整它们的行为。此外, 既然它们能认知相邻系统, 能够和它们交流, 那么, 代理有着类似的社会特色。为了解决复杂问题需建立多代理系统 (MAS) 。
3.2基础架构
大规模定制基础架构利用网站服务和代理技术。系统执行架构用图5进行说明。架构的组成为:1) 服务供应者;2) Web服务注册;3) 服务对象;4) 顾客应用。服务供应者为大规模定制供应链中各种各样的参与者, 每一个参与者都可能提供一个或一个以上的服务。Web服务注册是一个仓库, 维护有用的服务列表。UDDI注册使用了WSDL文件, 用来描述服务的功能及如何调用它。所有的过程用BPEL4WS文件 (网站服务的商业过程执行语言) 详细说明。服务对象是利用可用服务的成员。每一个成员都利用了注册表里的请求服务, 从而在供应链中完成他们的目标。在用户分析和附加要求的基础上 (例如颜色或者附件) , 配置者负责选择最合适的产品规格。卖主利用参与者模型把将要向市场供应的定制商品物化。服务对象可能采用一个或者更多的代理来完成任务。因为网络服务提供了一种灵活的集成观念, 可用它们来吸收不同的系统, 与代理技术的协同原则相适应。网站服务支持商业合作过程, 而代理技术提供了计划、规划和协调的运算法则。一旦确定合适的服务和提供服务的参与者, 这些成员能够直接与那些参与者相互作用, 并调用服务。顾客应用程序为消费者提供了界面, 用于提供他们的个人信息和他们的定制规格。
3.3大规模定制网站服务的执行
由于服务代表了商业过程, 服务功能的详细规格必须详细说明。对于图4中的每一种服务, 进入服务的界面、服务操作的请求和信息输入/输出数据必须执行。比如, 配置服务必须提供一系列方法, 需要这些方法实施产品规格过程配置如图6所示。
特殊服务的抽象说明 (比如分析) 通过WSDL文件来描述。服务架构的动态过程的合成由BPEL4WS描述。参考文献[4,5]介绍了如何利用WSDL描述服务及说明了采用BPEL4WS建模过程。
3.4执行步骤
原型的执行分成三个阶段:1) 基础设定;2) 服务执行;3) 服务协调。在第一个阶段, 硬件和软件基础被设定。这是为了检查开发架构的可行性和提供面向服务架构的平台。第二阶段包括参与者服务的执行。建立利用特殊服务的界面, 与模型 (参与者模型、产品模型和全部模型) 相关的情景必须分配到卖主。第三阶段, 执行服务通过增加方式扩展, 为的是互相之间的协调 (比如服务选择、服务基准、服务执行的时间安排) 。
参考文献
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大规模信息系统 篇2
部工作的实施意见
各省、自治区、直辖市党委教育工作部门、教育厅（教委），新疆生产建设兵团教育局，部属各高等学校党委，国家教育行政学院，部内各司局：
为认真贯彻落实党的十七届四中全会精神，建设高素质的教育干部队伍，加快推进教育事业的科学发展，根据中央关于干部教育培训的统一部署和教育事业改革发展的需要，现就今后一个时期教育系统深入开展大规模培训干部工作提出如下意见：
一、认真贯彻党的十七届四中全会精神，深入开展大规模培训干部的总体要求
1．教育系统深入开展大规模培训干部工作，必须高举中国特色社会主义伟大旗帜，坚持以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，深入贯彻落实科学发展观，坚持把学习贯彻党的十七大和十七届四中全会精神贯穿于教育干部培训工作始终，将德的培养放在教育干部培训更加突出的位置，着力提高教育干部领导推动科学发展、促进社会和谐的本领；坚持用党的路线方针政策和国家法律法规培训干部，着力提高科学执政、民主执政、依法执政的本领；坚持用解放思想、改革开放的生动实践和新鲜经验培训干部，着力提高推动事业发展的开拓创新本领；坚持用各类业务知识和科学文化知识培训干部，着力提高履行岗位职责的本领。当前要突出抓好国家中长期教育改革发展规划纲要、国家中长期人才发展规划纲要和中共中央《2010－2020年深化干部人事制度改革规划纲要》的学习培训。
2．推进教育系统大规模培训干部工作，要坚持以人为本，遵循干部教育培训规律和人才成长规律，切实把促进干部的全面发展作为干部培训工作的出发点和落脚点；不断拓宽培训类型，更新培训内容，坚持干什么学什么、缺什么补什么的原则，实施全覆盖、多手段、高质量的培训；进一步加大专题培训力度，使培训与推进重大任务落实相结合，切实增强培训的针对性和实效性；积极推进干部培训改革，创新培训模式，改进培训方法，促进培训队伍专业化建设；切实加强学风建设，大力倡导理论联系实际，严肃培训纪律，厉行勤俭节约。
3．加强对教育系统各级各类干部培训的统筹规划和分类指导，统筹党政教育部门干部、高校管理干部、中小学校长等各类人员的培训，统筹任职培训、提高培训、高级研修培训和专题培训等不同培训类型，统筹各级各类教育工作的培训需求，统筹不同区域的培训工作，努力促进教育系统干部培训工作的科学发展。
二、紧密围绕教育事业改革发展的中心工作，明确大规模培训干部的目标任务
4．围绕教育事业改革发展的中心任务，按照中共中央组织部《关于2008－2012年大规模培训干部工作的实施意见》的要求，深入开展教育系统新一轮大规模培训干部工作，要从教育干部队伍的实际情况出发，以地方党政教育部门领导干部、高校领导干部、普通中小学校长、中等职业学校校长、幼儿园园长以及高校哲学社会科学教学科研骨干和思想政治理论课教学科研骨干的培训提高为重点，进一步加大培训力度，将分级分类的全员培训落到实处，显著提升各级各类教育干部的能力素质。
5．党政教育部门干部培训，要切实提高干部的思想政治素质和开拓创新、驾驭全局、科学决策、维护稳定、应对突发事件等方面的能力。按照中央要求，要努力做到党政教育部门县处级以上领导干部每年参加脱产培训的时间不少于110学时，5年内达到550学时（3个月），党政教育部门其他干部参加培训的学时每年不少于100学时。按照建设学习型机关的要求，切实加强部机关干部培训工作。
教育部依托国家教育行政学院每年举办教育厅长（教委主任）高级研究班，两期市（地）教育局长研修班，两期县（市）教育局长培训班。配合中央组织部，每年分别举办面向全国市（地）和县（市）级人民政府分管教育工作领导干部的专题培训。
6．高校领导干部培训，要按照培养社会主义政治家、教育家的要求，不断提高以改革创新精神推动高等教育科学发展的能力。高校领导干部在任期内至少应到中央党校等中央干部培训机构、国家教育行政学院或相关省级培训机构脱产进修一次，累计时间不少于3个月。高校校级后备干部在提拔担任校级领导职务前，应选派到国家教育行政学院或相关省级培训机构参加3个月以上的脱产培训。
教育部配合中央组织部每年举办一期中央管理的高等学校主要负责人专题研究班，两期中央管理的高等学校党政副职专题培训班。配合有关部门完成教育部直属高校领导干部及中青年后备干部参加中央干部培训机构的各项调训任务。依托国家教育行政学院每年继续办好两期“高校领导干部进修班”、两期“高校中青年干部培训班”，围绕高等教育改革发展的中心工作适时举办若干期教育部直属高校领导干部专题研修班，举办“教育部直属高校校级领导干部思想政治建设专题研修班”，使直属高校党委书记、校长和后备干部轮训一遍。适时举办新设置的高校、民办高校领导干部进修班，加大对高校中层干部开展分类培训的力度。会同国家外专局，组织实施好“2009-2011年高校领导赴海外培训项目”。
7．中小学校长培训（含中职、幼儿园，下同），要紧密围绕实施素质教育的中心任务，认真开展以任职资格培训、提高培训、高级研修和专题培训为主要形式的全员培训。要将农村校长培训摆在突出位置，加强民族地区校长培训，重视城市薄弱学校校长培训。新任中小学校长应做到持证上岗，任职资格培训时间累计不少于300学时；在任中小学校长5年内累计参加脱产培训时间不得少于240学时。
为促进义务教育均衡发展和城乡教育协调发展，实施“中西部农村中小学校长素质提升计划”，依托国家级和省级培训机构，用5年时间将中西部农村（包括县镇）中小学校长全部轮训一遍。教育部与中国移动公司联合实施中小学校长培训2009－2011年新周期合作项目。继续实施教育部－联合国儿童基金会“爱生学校的学校管理”校长培训项目。
为培养一大批能够引领教育改革创新的优秀校长和实施素质教育带头人，实施“中青年骨干校长培养计划”，连续5年每年重点遴选1000名有较大发展潜力的中青年骨干校长，开展更加有针对性的提高培训。在全国遴选一批具有较高办学水平和办学特色的中小学校，作为全国中小学校长培训实践基地。依托国家教育行政学院举办10期“中等职业学校校长改革创新战略专题研究班”；依托全国重点建设职教师资培养培训基地每年举办5期“中等职业学校骨干校长高级研修班”，加快培养造就一批能够发挥引领示范作用的骨干校长。
为促进教育家型校长成长和储备教育家型校长后备人才，实施“全国优秀中小学校长高级研修计划”。依托教育部中学和小学校长培训中心，连续5年每年遴选一批特别优秀的中
小学校长，进行为期1－3年的重点培养，努力造就一批教育家型的杰出校长。加大中小学校长海外培训力度,组织实施“中小学校长海外研修计划”，每年遴选一批中小学校长赴海外学习。
8．高校哲学社会科学教学科研骨干培训，要按照培养马克思主义理论家特别是中青年理论家的要求，进行中国特色社会主义理论体系和党的路线方针政策研修培训。继续会同有关部门，每年选派600名左右高校哲学社会科学教学科研骨干参加中央党校研修班脱产学习。各地区要按照中央要求做好所属高校哲学社会科学教学科研骨干的研修培训。
思想政治理论课教学科研骨干培训，要围绕培养一支政治坚定、业务精湛、师德高尚、结构合理的教师队伍的要求，开展面向所有思想政治理论课教师的全员培训，实施骨干教师研修5年计划，每年选派600名左右骨干教师参加脱产学习，全面提高教师的思想政治素质、业务素质和教学能力。
三、采取有力措施，确保深入开展大规模培训干部工作取得实效
9．充分发挥高等学校在全国干部教育培训中的重要作用。努力使高等学校成为全国干部教育培训和教育系统干部培训的重要方面军。配合中央组织部，不断加大对十三所全国重点高校作为全国干部教育培训基地的支持力度。规范培训管理，推进制度创新，建立健全干部培训机构的质量评估与资质准入制度，引入竞争择优机制，通过公开招投标等方式，委托具有合格资质和相应力量的机构承担国家级培训项目。
10．不断推动干部培训方法模式创新和培训资源建设。要建立健全干部教育培训的计划生成、自主选学、考核评估和资源整合机制。深入开展培训需求调研。积极引入互动式、案例式、研究式、体验式、模拟式等多种培训方法。提倡学习培训与工作研究结合，每期培训班应形成专题调研报告或其他工作研究成果。认真组织开展中小学校长专业发展基本标准研究，制订新时期中小学校长培训教学指导计划，改革完善中小学校长培训的课程方案和教材体系。要保证专职教师每年参加脱产培训的时间累计不少于1个月,重视发挥兼职教师队伍作用，建立完善教育干部培训国家级师资库。统筹各级各类培训基地建设，不断加强国家和地方各级示范性教育干部培训基地建设。
11．大力推进教育干部远程培训工作。努力探索利用现代信息技术进行干部培训的新模式和新途径，依托国家教育行政学院中国教育干部培训网，大力开展远程培训，更好地辐射和带动全国教育干部培训。切实发挥高等学校、广播电视大学体系、全国中小学教师继续教育网、中国教师研修网等机构的作用，充分利用各地、各高校现有较为完善的网络条件和培训资源，逐步建立覆盖城乡的多手段远程培训体系。
12．切实加大对教育系统干部培训工作的经费投入。要按照《干部教育培训工作条例（试行）》要求，将教育干部培训经费列入各级政府财政预算，随着财政收入增长逐步提高。各单位各学校要设立用于干部培训的专项经费，保证大规模培训干部工作的需要。
13．要切实加强对深入开展大规模培训干部工作的组织领导。地方各级党政教育部门、各级各类学校和培训机构, 要紧密结合实际，研究制订深入开展大规模干部培训的具体实施办法和意见，狠抓工作落实和督导检查。要将干部教育培训情况作为考核领导班子和选拔任用领导干部的重要依据。积极推广深入开展大规模培训干部工作中的新鲜经验和有益做法，确保大规模培训干部工作扎实有效推进。
中国共产党教育部党组
大规模信息系统 篇3
关键词：大规模MIMO,压缩感知,信道状态信息,稀疏基,观测矩阵
随着通信数据量的急剧增长,频谱利用率和能效的提高成为目前无线通信发展的关键。众所周知,大规模MIMO在基站端配置了数目庞大的低功耗天线[1—3],不仅可以提高频谱效率和能效,并且能够有效的消除用户间的干扰,因此大规模MIMO成为5G的关键研究技术[4—6]。
随着基站端天线数的增加,反馈开销也会随之而增加[7]。针对时分 双工 ( time division duplexing,,TDD) 系统,可以利用其信道互易性来获得CSI[8],但对于频分双工( frequency division duplexing,FDD) 系统[9],要在基站端获得准确的CSI较为困难,并且反馈开销较大。文献[10]提出一种基于格拉斯曼的矢量量化的有限反馈方法,文献 [11]提出基于码本的有限反馈方法,这些有限反馈方法都不适用于大规模MIMO系统,因为大规模MIMO系统基站天线数众多,采用基于现有的码本所设计的有限反馈方案会导致开销过大。所以,设计出适合于大规模MIMO系统的有限反馈开销降低算法将是大规模MIMO技术能够商业化应用的关键。
近些年来,信号处理和通信领域出现了一种新的理论: 压缩感知[12,13],为降低反馈开销提供了新的思路。针对大规模MISO系统,文献[14]提出一种基于DCT稀疏基的有限反馈方法,可以获得较好的系统性能和有效的降低反馈开销; 文献[15]利用大规模MIMO信道的空间相关性,提出一种基于卡洛南变换( Karhunen-Loeve transform,KTL) 的自适应的压缩感知算法,有效的提升反馈速率和降低反馈开销; 利用Kronecker积的性质[16],文献[17]提出一种2D观测矩阵的方法,可以有效的降低计算复杂度。
基于以上分析得到,上述介绍的方法采用的都是单一的稀疏基,虽然这些方法可有效地降低反馈开销,但性能大打折扣,因此,本文基于压缩感知理论,在提出了两种观测矩阵构造方法的基础上,结合DCT和FFT稀疏基,研究了大规模MIMO系统反馈开销降低方法,并进一步从理论上对其性能差距进行了分析。
1基于压缩感知的有限反馈系统模型
假设在基站端配置Nh× Nv维的面阵,其中Nh为面阵的水平维发射天线数,Nv为面阵的垂直维发射天线数,接收端配置单天线的M个用户。基于大规模MIMO系统有限反馈系统框图如图1所示。
用户端进行信道理想估计,得到 ( NhNv) Nr维的信道矩阵H,然后对H进行稀疏变换,从而得到H的稀疏表示,即:
式( 1) 中 Ψ 表示NN,N = NhNv维的稀疏基,h表示稀疏后的信道。
用户端在得到大规模MIMO信道的稀疏表示后,需要设计合理的压缩采样的观测矩阵 Φ。观测过程的实质是用L2N维的观测矩阵 Φ 的行向量对稀疏信道进行随机投影,从而得到L2个观测值,其观测过程表示如下:
式( 2) 中观测矩阵 Φ 和稀疏基 Ψ 之间必须满足有限等距条件[18]( restricted isometry property,RIP) ,才能保证在基站端完全重构信号。
在基站端,通过优化算法[19]从得到的观测信号y中恢复出原始信道H,常用的优化算法有贪婪算法和凸优化算法,表达式如下:
2基于压缩感知的有限反馈方法
2.1算法描述
本文针对大规模MIMO系统,提出基于压缩感知的CSI有限反馈开销降低方法,具体流程图如图2。
具体步骤如下:
步骤1: 首先考虑对信道H的水平维进行压缩处理,取出H的每一列,并经过正交稀疏基变换,从而得到水平维稀疏信道,即表示如下:
式( 4) 中 Ψh∈ RNh× Nh表示水平维正交稀疏基,h1∈ RNh× Nv× Nr表示经过稀疏变换后的信道。
步骤2: 然后对h1的垂直维进行稀疏处理,取出h1的每一行,并经过正交稀疏基变换,从而得到稀疏信道,即:
式( 5) 中 Ψv∈ RNv×Nv表示垂直维的正交稀疏基,h11∈ RNh×Nv×Nr表示经过稀疏变换后的信道。
步骤3: 生成L2× N维的观测矩阵 Φ,通过观测矩阵把稀疏信道从高维到低维进行线性投影,从而降低信道的维数。Candes等人指出,当观测值满足下式时,可以很大程度上满足RIP条件:
式( 6) 中C表示一个常数,η( Φ,Ψ) 表示观测矩阵 Φ 与稀疏基 Ψ 之间的相干度,K表示稀疏度,N表示发送天线数。对于观测矩阵,可采用方法1和方法2来生成。
方法1: 直接生成L2× N维的观测矩阵 Φ,对信道进行随机投影,从而得到观测信号,即表达式如下:
然后对观测信号进行矢量化,即可得到反馈的观测值:
式( 8) 中 Ψ = Ψh Ψv表示二维联合稀疏基,h = vec( h11) 表示经过稀疏后的信道。
方法2: 分别生成与垂直维CSI和水平维CSI相对应的两个中间观测矩阵 Φv∈ RL × Nv和 Φh∈ RL × Nh,进而通过Kronecker积运算生成最终观测矩阵 Φ,然后对信道进行随机投影,从而得到观测信号,即:
同理,对观测信号进行矢量化,进而得到二维联合稀疏基和观测矩阵,则表达式如下:
式( 10) 中 Φ = Φh Φv表示联合观测矩阵,Ψ = Ψh Ψv表示二维联合稀疏基,h = vec( h11) 表示经过稀疏后的信道信息。
步骤4: 将步骤3得到的观测值经反馈信道反馈给基站端。
步骤5: 在基站端,根据观测值y、观测矩阵 Φ 和二维联合稀疏基 Ψ,采用OMP算法恢复出信道信息H珟,并通过下 式求得归 一化均方 误差 ( mean square error,MSE) :
根据式( 11) 来评估系统的性能,均方误差越小,说明恢复CSI的可能性越大,则系统性能越好, 同时,通过观测矩阵把信道从高维压缩到低维空间, 可以有效的降低反馈开销。因此,本文的提出的方法,无论是从系统性能,还是反馈开销都得到了改善。
2.2两种观测矩阵的相干度分析
在实际传输系统中,当观测矩阵 Φ 和稀疏基 Ψ 之间不相干,则很大程度上满足RIP条件。并用相干度 η( Φ,Ψ) 来判断 Φ 和 Ψ 之间的相干程度,相干度定义[17]如下:
式( 12) 中 φi,Ψj表示观测矩阵 Φ 的行向量和稀疏基 Ψ 的列矢量。
根据随机观测矩阵的性质[20],在上述方法1中产生的观测矩阵与稀疏基之间的相干度可由下式公式求得:
则方法2的相干度可根据以下公式求得[17]:
根据式( 13) 和式( 14) 可以求得两种方法的相干比:
从上面的推导中可以得出,采用方法2的相干度要比采用方法1的相干度大,从而基站端恢复CSI的性能也会有所下降。并且,相干度随着天线数的增加而增大,因此,在大规模MIMO系统中,选择合适的观测矩阵非常重要。
3仿真结果与分析
链路仿真基于3GPP标准,以室内热点非直视距( indoor hotspot not line of sight,In H NLOS) 信道环境为基础,对系统的MSE和信道容量进行了仿真,并详细地分析了仿真结果,仿真参数如表1所示。
实验1: 在观测矩阵采用方法1生成的情况下, 水平维和垂直维采用不同稀疏基的均方误差性能对比。
实验2: 在观测矩阵采用方法2生成的情况下, 水平维和垂直维采用不同稀疏基的均方误差性能对比。
从图3和图4可以看出,随着观测值L2的增大,均方误差将逐渐减小,则系统的性能也越好,并且当观测值增大到一定程度时,均方误差趋于平滑, 所以,选择合适的观测值非常重要,一方面可以降低反馈开销,另一方面,可以使系统的性能达到最好。
实验3: 采用相同稀疏基,不同的观测矩阵下的均方误差性能对比。
从图5可以看出,当采用方法1的均方误差性能明显要比方法2的好。但从计算复杂度方面分析,采用方法1的计算复 杂度是采用方法2的计算复
实验4: 在观测值L2= 64时,不同观测矩阵情况下的信道容量对比。
从图6可以看出,随着信噪比的增加,信道容量逐渐增大,同时可看出,采用方法1生成观测矩阵的方法更接近理想反馈的信道容量。
4结论
大规模信息系统 篇4
分布式多线程并行处理技术在大规模化学结构检索数据库系统中的应用
提出以分布式、多线程并行处理技术实现基于甲骨文数据库管理系统的高效大规模化学结构检索数据库系统的方法;以相同的结构搜索算法和不同的模块组合机制分别构建了单机单线程、单机多线程、分布式单线程和分布式多线程4种不同的化学结构检索数据库系统,并在4种不同的实现方案下对同一组化学结构分别做了结构检索实验.结果表明:在4种实现方案中,分布式多线程并行处理方法的.检索效率最高,稳定性也很好(与其他3种实现方法相同).该方法已成功应用于微芯公司开发的TASS (Target Activity and Structure System)软件系统中.
作 者：苏振强 鲁先平石乐明 作者单位：深圳微芯生物科技有限责任公司,广东,深圳,518057刊 名：计算机与应用化学 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY年，卷(期)：200421(5)分类号：O665.4 O657.32关键词：分布式并行计算 多线程 化学结构数据库 互斥对象
大规模信息系统 篇5
企业信息化是将信息技术应用于企业生产、经营和管理, 旨在提高企业的生产、经营和管理效率, 降低成本, 提高顾客的满意度, 最终增强企业竞争力。
企业在信息化过程中构建和使用的应用系统可大致分为两类。一类是涉及到大量业务处理和数据处理的企业级应用系统, 例如ERP系统、CRM系统、财务管理系统等。另一类是提供简单功能的供单个员工使用的桌面应用系统, 例如用来进行文字处理、报表制作的办公应用系统等。
二、企业信息化中的问题
传统的企业由于缺少不同系统相互集成的技术, 导致很多关键的信息被封闭在相互独立的系统中, 部门间重复着冗余的工作, 这直接导致了企业工作效率的降低和运营成本的上升。
在一个单位的各个部门之间由于种种原因造成部门与部门之间完全孤立, 各种信息 (如财务信息、各种计划信息等) 无法或者无法顺畅地在部门与部门之间流动, 这样就会形成信息孤岛。“信息孤岛”从在技术上带来的不良影响大致可以分为以下几个方面:数据的一致性无法保证, 信息及时共享、反馈难, 企业数据中存在很大的冗余、大量的垃圾信息, 信息需要重复多次的输入。
目前我国企业信息化工作中还存在很多的问题和困难, “重实施、轻规划, 重技术、轻管理”的认识误区使得企业信息化缺乏清晰的主线, 造成“有一个需求建一个系统”的直接需求式驱动的信息化建设模式, 直接导致了企业“信息孤岛”的加剧、多种异构系统的同时运行。无论是从企业的现实需求, 还是企业信息化的长远发展来看, 如何实现异构系统的协同工作, 实现企业资源整合, 消除“信息孤岛”是企业信息化过程中必须要解决的关键问题。
三、EAI
EAI是将基于各种不同平台、用不同方案建立的异构应用集成的一种方法和技术。EAI通过建立底层结构, 来联系横贯整个企业的异构系统、应用、数据源等, 完成在企业内部的ERP、CRM、SCM、数据库、数据仓库, 以及其他重要的内部系统之间无缝地共享和交换数据的需要。有了EAI, 企业就可以将企业核心应用和新的Internet解决方案结合在一起。
随着企业各种应用的迅速增加以及更多地把自己的业务转向电子商务, EAI方案对企业的重要性也日益显现。越来越多的企业开始采用EAI解决方案将企业内部的应用软件与外部客户和供应商的应用软件进行链接, 实现数据流和业务运作的自动化, 从而令业务更实时与快速。
传统的EAI并不能够满足企业最根本的需要——快速构建IT系统以支撑企业业务的发展。当今的企业级分布式IT系统都在向共享服务方向发展, 企业对传统EAI的需求仅限于将已经构建但并不支持服务共享的IT系统变成能够共享服务的IT系统, 但是这一过程不应以放弃与未来的新应用共享服务为代价。
四、面向服务体系结构 (SOA)
SOA是指为了解决在Internet环境下业务集成的需要, 通过连接能完成特定任务的独立功能实体实现的一种软件系统架构。SOA是一个组件模型, 它将应用程序的不同功能单元 (称为服务) 通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。
SOA凭借其松耦合的特性, 使得企业可以按照模块化的方式来添加新服务或更新现有服务, 以解决新的业务需要, 提供选择从而可以通过不同的渠道提供服务, 并可以把企业现有的或已有的应用作为服务, 从而保护了现有的IT基础建设投资。
传统的Web技术有效的解决了人与信息系统的交互和沟通问题。WEB服务技术则是要有效的解决信息系统之间的交互和沟通问题, 促进B2B/EAI/CB2C的发展。SOA则是采用面向服务的商业建模技术和WEB服务技术, 实现系统之间的松耦合, 实现系统之间的整合与协同。WEB服务和SOA的本质思路在于使得信息系统个体在能够沟通的基础上形成协同工作。
对于面向同步和异步应用的, 基于请求/响应模式的分布式计算来说, SOA是一场革命。一个应用程序的业务逻辑或某些单独的功能被模块化并作为服务呈现给消费者或客户端。这些服务的关键是他们的松耦合特性。例如, 服务的接口和实现相独立。
五、信息融合技术
信息融合技术研究如何加工、联合来自众多信息源的信息, 并使不同形式的信息相互补充, 为各种模型方法和各领域的专家服务, 使其信息量得到最大限度地发挥。按信息抽象程度不同, 融合可分为三个层次:原始数据融合、目标级融合和决策级融合。
1. 原始数据融合是在采集到的原始信息层次上进行融合, 在
各种信息源的原始数据未经预处理之前, 就进行信息的综合和分析。它的优点是保持了尽可能多的信息, 缺点是处理的信息量大, 所需的处理时间长, 实时性差。
2. 目标级融合属于中间层次, 利用从信息源的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理。
其优点在于, 实现了可观的信息压缩, 有利于实时处理, 并且由于所提取的特征直接与决策分析相关, 因此融合结果最大限度地给出了决策分析所需的特征信息。
3. 决策级信息融合是在高层次进行的, 融合的结果为指挥控制决策提供了依据。
大规模信息系统 篇6
1 我国规模化生猪养殖场存在问题
养殖场污染周边环境, 部分猪场场址地势过低, 造成通风不良, 排污困难, 出现雨季畜粪横流, 蚊蝇成群, 环境受到严重污染, 成为一些传染病的孳生地, 为疫病传播创造了条件;旱季臭气熏天, 污染空气, 影响畜产品质量以外, 也给周围群众的正常生产、生活带来影响对我国畜牧业的疾病防治工作带来了的新挑战。养殖场防疫管理实施落后, 如2009年在全球蔓延的猪流感等, 这些与生猪养殖相关的重大动物疫病除了给养殖户带来了重大的经济损失外, 还严重地威胁到人们的身体健康和生命安全, 有很多猪病是环境和管理不善造成的。其根本原因在于我国规模化生猪养殖场信息管理水平落后, 不能实时对养殖场信息进行采集、检测、监控, 以便有效进行管理。
2 规模化生猪养殖场信息
规模化生猪养殖场环境即时信息主要包括养殖场的日常管理信息 (喂的饲料种类、存栏数、猪的种类、疫苗使用状况等) 、临床异常信息 (指饲养员在现场所观察的突发信息, 如:鼻镜湿润, 喜水、食欲时好时坏, 呼吸急促, 呈胸腹式呼吸, 眼结膜充血、潮红, 粪干呈颗粒状, 尿液异常等) 、猪舍的周围环境信息 (如空气的温度、湿度、CO2浓度、H2S、光照明度等) 三个部分。并为各种信息分配不同优先级, 使优先级不同信息能及时响应。如下表1所示。
现有中小规模养殖场日管理常信息、临床异常信息, 主要是通过饲养员现场观察生猪进食状态、粪干呈颗粒状等方式, 手动记录在值班日记上, 猪舍的周围环境信息采集也需要饲养员观察各种测量工具, 如温度计、湿度仪等, 并计录下来, 然后再人工输入到信息管理系统, 其特点是工作量大、信息传递实时性不高, 不利于及时分析、统计各种数据, 为养殖场防疫、生产、管理服务。
3 养殖场信息采集系统设计
为了改变现有生猪养殖场信息管理不足, 特设计规模化生猪养殖场环境即时信息采集系统如下图1所示, 整个系统由1-信息管理系统、2-网关、3-无线传感网络、4-养殖场环境信息采集节点组成。信息管理系统负责监控整个规模化生猪养殖场各种信息, 位于互联网侧, 网关用来实现无线传感网络Zig Bee与互联网协议转换, 完成无线传感网络Zig Bee与互联网的互通, 以实行无线传感网络与互联网数据融合。养殖场环境信息采集节点用实时采集环境数据, 包括日常管理信息、临床异常信息、猪舍的周围环境信息, 并通过无线传感网络实时上传到管理系统, 临床异常信息与日常管理信息可由饲养员使用便携式数据传送节点通过无线传感网络直接发送到管理系统, 由管理系统自动记录, 这样养殖场管理员可通过管理系统及时掌握整个养殖场的实时信息。
由养殖场环境信息采集节点采集的信息, 通过Zig Bee无线传感网络空中无线接口 (OTA:Over The Air) 实现信息传递, 受限于Zig Bee协议PDU (Protocol Data Unit) 字节数限制, 采用如图2所示结构。
包头与包屋标志可采用特殊如“*”、“#”符号, 可区分256种信息类型, 每个消息内容有224状态信息, 可根据实际需求对养殖场环境信息采集节点用实时采集环境数据, 包括日常管理信息、临床异常信息、猪舍的周围环境信息内容进行再编码, 信息管理系统根据这些信息状态, 定义对应的管理信息内容。
3.1 无线传感网络Zig Bee组网
Zig Bee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术, 主要适合于自动控制和远程控制领域, 可以嵌入到各种设备中, 同时支持地理定位功能。Zig Bee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定其适合于承载数据流量较小的业务。
Zig Bee无线传感网络使用成都无线龙C51RF系统。其处理器采用TI公司的CC2430, 单个芯片上整合了Zig Bee射频 (RF) 电路和微控制器, 它使用1个8位MCU (8051) , 具有128k B可编程闪存和8k B的RAM, 还包含模拟一数字转换器 (ADC) 、定时器 (Timer) 和AES128协同处理器。C51RF-3系统支持Zig Bee2006协议, 是一款经济、高效、方便、快捷、可重复使用的开发工具套装, 完全满足IEEE802.15.4标准和Zig Bee技术标准的无线网络技术设计开发。在组网方面, C51RF-3系统能实现组建串状网络和星状网络。Zig Bee2006协议中默认参数为:最大路由深度MAX-DEPTH=5, 最多子节点数MAX-CHILDREN=20, 最多路由子节点数MAX-ROUTERS=6, 这三个重要的网络参数决定了在默认情况下无线传感网络的大小。在C51RF-3系统中, Zig Bee设备无障碍无线传输距离可达到100m;在有障碍物的情况下, 可靠传输距离超过30m, 因此在养殖场能方便地实现布网。对于一些大型养殖场, 可通过修改网络的最大路由深度和最多路由节点数来扩展其传输距离。在养殖场无线传感网络拓朴如图3所示。
3.2 养殖场环境信息采集节点设计
养殖场环境信息采集节点硬件主要由Zig Bee无线传感终端节点、传感器、人机交互界面等主要组成如下图4所示。
养殖场环境信息采集节点由环境信息采集传感器, Zig Bee无线传感终端节点, 人机交互界面等组成, 其中养殖场环境信息采集节点由两种类型组成, 一种用做移动式, 由养殖场饲养员使用, 分别输入临床异常信息与日常管理信息, 传感器采用不同的类型, 可采集不同信息, 如传感器采用红外测温传感器, 便可形成具有接入Zig Bee无线传感网络便携式红外测温仪, 现有红外测温仪不具有实时网络数据传送能力, 饲养员只有通过红外测温仪的记忆功能, 在测量过程完成之后, 将其导入动物信息管理系统, 过程较为复杂、耗时。特别是在动物传染疾病爆发时期, 尽可能在短的时间内排查动物体温, 并向养殖场监控中心上报疫情信息, 对及时采取隔离措施, 阻止传染病在养殖场内传播具有重要作用。另一种为固定方式, 用来采集猪舍的周围环境信息。如应用气敏传感器则可检测养殖场空气中CO2、H2S等环境信息。
4 养殖场即时信息处理流程
养殖场即时信息处理流程如下图5所示, 养殖场即时信息管理采用信息采集节点主动上报与管理员主动查询相结合方式, 养殖场信息采集节点获取养殖场环境、临床、日常管理三类信息, 通过无线传感网络Zig Bee网络实现无线传输, 由网关根据三类信息优先级不同确定转发策略, 并完成信息由无线传感网络Zig Bee到Internet传输转换, 如其中临床异常信息优先级最高, 如有其他类型信息则优先转发它, 对于同类信息可以采用排队机制, 互联网Internet完成信息远距离传输, 联在互联网Intetnet计算机上管理信息系统负责信息本地化存储, 异常信息实时上传给养殖场管理员, 由其进行处理。
5 结束语
根据当前我国养殖场信息管理存在问题, 本文给出了基于Zig Bee无线传感网络养殖场信息即时信息处理系统设计方案, 通过网关实现了信息无线与有线传输结合, 提高了信息采集安全性、实时性, 突破信息传输的地域限制, 信息传输量大、智能化、网络化程度高, 为解决养殖场管理存在问题, 提供了技术支持。
参考文献
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[3]申利民, 等.基于Zig Bee的智能小区LED路灯控制系统设计[J].中国照明电器.2011 (2) :26-28.
大规模信息系统 篇7
关键词：多媒体教室,无盘工作站
1 引言
多媒体教室是多媒体教学的平台, 是整个多媒体教学过程的基础。网络技术对多媒体教室实施远程控制和管理, 并拓展多媒体教室的功能, 从管理和经济的角度都起到了积极的作用, 然而由于建设年代不同、数量大、分布广泛等造成维护工作量大, 效率低。本文首先对多媒体教室的发展进行了简单的介绍, 针对大规模网络型多媒体教室的系统维护, 设计了一种利用无盘技术架设的网络型多媒体教室。然后对其工作原理和结构进行了简单的介绍。将分布的多媒体教室的计算机通过高速网络与一台系统服务器相连接, 利用无盘技术实施远程无盘启动, 简化和方便了管理维护人员对多媒体教室计算机操作系统和应用软件的维护与更新。
2 多媒体教室的发展
近十几年来多媒体技术、网络技术和计算机技术的发展, 对现代教育技术的不断深入起到了积极的推动作用。现代教育技术手段的最广泛的应用就是多媒体教学系统即多媒体教室, 从最初的电教室到现在的网络型多媒体机教室, 多媒体教室从诞生至今已经历经四代。
第一代电教室 (上世纪80年代及以前) :音频设备是录放机和扩音机视频设备是幻灯机 (包括胶片投影仪) 、录像机和电视机。其特点是减轻了教师的工作强度, 丰富了教学素材。
第二代计算机技术刚刚起步形成的以中央控制器、计算机、视音频播放机 (VCD、DVD、卡带播放机) 、话筒、扩音设备、实物投影仪、数字投影机多个设备组成的多媒体教学系统。这一代的特点是功能比较齐全, 但操作起来比较繁琐, 没有充分发挥出多媒体技术在教学中的优势。
第三代多媒体计算机技术迅猛发展, 多媒体教室已经部分取代原来外围设备, 逐步形成以计算机、中央控制器系统为核心多媒体教学系统。这一代的特点是功能进一步扩大, 操作简单, 其教学优势也是比较明显的。
第四代将独立的中央控制器连入以太网, 成为网络化的中央控制器。通过相关软件实现资源共享、音视频传输以及远程集中监控与管理功能, 成为当前主流的多媒体教学系统。
3 目前网络型多媒体教室所面临的问题
计算机技术的发展与普及, 多媒体教室功能的不断拓宽, 为高校提供了良好的多媒体教学环境。以校园网为基础的网络型多媒体教室的数量已经成了一所高校办学水平现代化程度的评价标准之一。以大连某高校为例, 第一间以计算机为核心的多媒体教室创建于1998年且数量只有1个, 截至2010年9月通过改造和新建的多媒体教室已经发展到70余间, 教室的分布也从由原来的一幢教学楼, 现已分布于2个校区4栋教学楼。尽管数量增加了但通过采用网络化集中管理, 管理和维护人员由1名仅仅增加到3名, 基本满足了管理上的需要。而实际的维护工作主要有以下三个方面:
第一、日常和应急维护。多媒体教室在使用中离不开日常维护维修, 经过统计有70%的问题出在多媒体教室系统中的计算机 (以下简称教室机) 上, 而在这部分故障中操作系统故障的仍占较高比例。
第二、操作系统与软件更新。很多大规模网络型多媒体不是一次性建立的, 而是分批次建成的, 这就形成了计算机的型号多, 更新系统和软件时就无法使用网络拷贝功能。而由于网络拷贝时由于数量传输量巨大, 很容易造成网络风暴和拥堵。
第三、设备的更换与更新。由于多媒体教室的使用频率高、开关机频繁, 其使用寿命较家用及办公电脑要短很多。加上应用软件的更新换代较快, 因此多媒体教室的计算机使用5年后就会较频繁的出现硬件故障, 面临淘汰的境地。
4 无盘系统
无盘系统指的是无盘工作站网络系统, 其原理就是在网内有一个系统服务器, 这台系统服务器上除了有它本身运行所需的操作系统外还有一个工作站运行所需的操作系统。无盘工作站的机箱中没有硬盘, 其它硬件都有 (如主板、内存等) , 且无盘工作站的网卡带有可引导芯片 (一般网卡没有) 。简而言之, 无盘工作站就是把硬盘和主机分离, 无盘工作站只执行操作不执行存储。
4.1 无盘系统的启动过程
无盘工作站之所以能够启动, 是由硬件和软件共同配合的结果。软件上, 就是服务器上的远程启动相关服务和无盘系统软件;硬件上, 则是工作站网卡上的BootROM芯片。较常用的无盘启动芯片有RPL和PXE两种。
RPL芯片可用于10M和100M的网卡, 有针对NT (2000) 的, 有针对NetWare的。所以做无盘时不是任何网卡都能做的。
RPL芯片的启动原理:
(1) 发现阶段。当教室机启动后, 其网卡上的BootROM会向系统服务器广播一个引导请求帧, 即FIND帧, 该帧包含有教室机的网卡号 (MAC地址) , 网络上所有系统服务器都会发现这个FIND帧。 (2) 提供阶段。系统服务器远程启动服务收到教室机广播的FIND帧, 根据帧中所带的ID号, 检查远程启动数据库中是否有该卡号的配置记录, 如果不存在, 则引导过程不能继续;如果存在, 远程启动服务发送一个FOUND帧, 这个帧中包含了服务器的网卡ID (即系统服务器的MAC地址) , 然后就调用BOOTP或者DHCP。 (3) 选择阶段。教室机收到第一个响应后 (因为网络中可能不止一个服务器在运行远程启动服务, 教室机只对收到的第一个FOUND帧回应) , 则发送一个SEND.FILE.REQUEST Frame给第一个回应的远程启动服务器, 请求传送启动所需的文件。 (4) 确认阶段。当远程启动服务器收到SEND.FILE.REQUEST Frame的请求后, 根据其远程启动数据库的教室机记录查找对应的BOOT BLOCK, 将教室机启动所需的文件传送给教室机, 即给工作站一个FILE.DAT.RESPONSE帧, 这个帧包含了教室机启动所需的BOOT BLOCK。 (5) 启动阶段。教室机接收到完整的启动文件后, 开始执行文件中的程序, 将执行点转向启动块的入口, 启动教室机, 同时使用另外一个INTER-NET协议:TFTP。引导不同的操作系统。
PXE芯片的启动原理:
(1) 用教室机启动后, PXE Boot ROM获得控制权之前先做自我测试, 然后以广播形式发出一个请求FIND帧。 (2) 服务器收到教室机所送出的请求FIND帧, 就会送回DHCP回应, 内容包括用户端的IP地址, 预设通讯通道及开机映像文件。否则服务器会忽略这个要求。 (3) 工作站收到服务器发回的响应后则会回应一个FRAME, 以请求传送启动所需文件。 (4) 之后, 将有更多的信息在用户端与服务器之间作应答, 用以决定启动参数。BootROM由TFTP通讯协议从服务器下载开机映像档, 这个映像档就是软盘的映象文件。 (5) 工作站使用TFTP协议接收启动文件后, 将控制权转交启动块, 引导操作系统, 完成远程启动。
4.2 RPL和PXE之间的区别
PXE是RPL的升级品, 它们的不同之处为:RPL是根据网卡上的ID号加上其它的记录组成的Frame向系统服务器发出请求, 而系统服务器那里早已经有了这个ID数据, 匹配成功则进行远程启动;PXE是则是根据服务器端收到的工作站MAC地址 (就是网卡号) , 使用DHCP服务给这个MAC地址指定一个IP地址, 每次重启动可能同一台工作站有与上次启动有不同的IP, 动态分配地址。
从工作站启动速度来说, 对于少量机器PXE与RPL没有太多的区别, 但如果机器数量较多, PXE会快一些, 其原因主要是RPL采用NETBEUI通信协议, 若传送过程中有错误帧, RPL会要求整个数据包重发, 而PXE采用基于TCP/IP的MTFTP通信协议, 若在传送过程中有错误帧, PXE只是将某一出错线程的数据重发, 这样使整个网络的启动的速度加快。
因此可以根据不同的管理的需要来选择不同类型的启动芯片。
4.3 设计架构及利用无盘系统架设大规模网络型多媒体教室的优势
在现有网络型多媒体教室的基础上, 通过架设无盘系统可以提高管理维护效率、节约后期投入, 对学校的发展建设具有重大意义。
无盘系统设计架构如图4-1所示。
首先在管理维护方面:
第一、硬件维护。教室机没有硬盘, 减少了一个故障点, 而双机热备的系统服务器能确保整个系统的正常运行, 使总维护量大大降低。
第二、软件维护。由于启动教室机所需的文件保存在两部分硬件中, 启动请求文件部分在教室机的网卡中, 另一部分在系统服务器的镜像文件和共享文件中, 网卡部分的内容一般不会受到断电和病毒的影响, 维护率较低。系统服务器对数据可以进行及时备份, 确保运行安全。而且只需要在某一台教室机以管理身份进入进行更新、升级和添加软件等操作, 完成后保存, 其内容就会保存在系统服务器中的镜像文件中。
其次在经济方面:第一、教室机减少了硬盘, 增加了系统服务器。用硬盘省下来的钱做一套低端的系统服务器来说略显不足, 但实际上完整的多媒体教室系统还包括提供课件上传和下载的课件服务器, 由于教室机直接使用系统服务器中的共享文件其实也就是节省了一台课件服务器, 这样来算, 成本几乎是一样的。第二、由于版本的升级, 应用软件对硬件的要求不断提高。无盘系统架构的多媒体教室系统可以分批、少量的更换教室机硬件, 从而节约了大量的资金。
5 结语。
在大规模网络型多媒体教室中应用无盘系统不仅可以减少维护量, 在不增加人力资源的情况下保障多媒体教学的顺利进行, 而且还可以节约许多由于硬件的更新换代所耗费的资金。当然也有其不足之处, 那就是对网络的依赖性增加了, 一旦网络发生故障, 就会造成大面积的多媒体系统无法正常使用, 影响多媒体教学的正常进行。
参考文献
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大规模信息系统 篇8
常规培养动物细胞的方法是用人工合成培养液加上一定量的小牛血清, 将细胞放在不同的容器中进行培养, 如微孔板、培养皿以及各种培养瓶等。一船培养容器的体积很小, 最大培养体积为1~2L。用这种方法培养的细胞所分泌或产出的产物是有限的, 无法满足实验研究、应用研究和产业化生产的需要, 而且容易导致产品批间差大, 而且操作劳动强度大。应用细胞工程技术, 建立大规模细胞培养系统生产各种生物活性物质, 是一种比较经济可靠的技术。为了培养规模的进一步扩大、优化细胞培养环境、提高产品的产出率与保证其质量, 动物细胞大规模培养技术已成为各生产企业发展至关重要的环节。具有代表性的有机械搅拌式培养系统、气升式深层培养系统、微载体培养系统、微囊培养系统、大载体培养系统以及中空纤维培养系统, 它们具有不同的技术特点, 但仍需不断完善。
1 大规模细胞体外培养系统的基本要求
1.1 培养系统的设备要求
大规模培养系统是集中多种高技术含量的机电一体化系统, 不能简单的认为是一种机械加工与仪表的结合。随着计算机软硬件技术进展、以及传感技术、化学工程的流型研究技术及其他元器件等技术进步, 大规模培养系统--生物反应器技术必将对生物技术产业化做出巨大贡献。培养系统的设备必须满足体外大规模培养动物细胞的技术和经济要求。
1.1.1达到模拟动物体内细胞高密度的生长环境, 扩大体外培养细胞的表面积和增加细胞密度同体内细胞一样生长。
1.1.2无菌操作安全可靠、保温和气体交换系统优良, 可靠的泡沫控制和适于大批量的混合装置, 能保证p H值之稳定。
1.1.3清洗方法简便快速, 制造用料合适, 成本低。
1.1.4体积要小且使用方便, 并适于多种产物的使用, 便于扩大生产等。
1.1.5监视控制自动化, 便于大规模培养控制。
根据上述要求, 研制一台理想的细胞培养系统需要多学科的技术共同研究、设计, 并与生产部门密切合作才能达到要求。
1.2 细胞株 (系) 要求
1.2.1细胞株 (系) 在体外生长时要保持良好的生长速率和分泌功能。
1.2.2为了保持高产稳产的细胞株 (系) , 应该定期进行筛选工作。
1.2.3支原体对动物细胞培养威胁最大, 它们的感染力很高又不易被检测。因此, 细胞在使用前必须经过严格的检测。
1.2.4为了防止意外事故发生, 应将没有支原体污染的细胞定期留样进行低温保存。
1.2.5为了减少血清用量, 要逐步驯化细胞, 使其适应于低血清或无血清培养。
1.3 培养液要求
1.3.1根据所采用的不同细胞株 (系) , 选用相应的宜于细胞生长的培养液。
1.3.2使用低血清或无血清培养液。大规模培养细胞的培养液中, 血清用量大, 质量不易控制, 生产成本也高, 且使产品的后加工增加了一定的难度。为此, 可尝试低血清或无血清培养液。
1.3.3大规模培养对培养的物质要求极高, 在培养液制备时必须采用高纯度的水。
1.4 细胞生长状况控制
1.4.1 温度控制
动物细胞培养对温度波动的敏感性很大。温度低于37℃, 细胞生长缓慢, 反之则细胞失去存活力。因此, 动物细胞培养比多数微生物培养对温度控制具有更为严格的要求。
1.4.2 pH控制
p H值是细胞培养的关键性参数, 它影响细胞的存活力、生长及代谢。细胞生长的最适p H值因细胞类型不同而异, 范围为7.0~7.5左右。缓冲液系统通常用CO2、碳酸氢盐调节, p H值取决于培养液中的CO2和碳酸氢盐的浓度比。加入CO2即p H值降低, 而加入碳酸氢盐则使p H值升高。在培养初期阶段细胞产生的CO2和乳酸量较少, CO2可以从系统中置换出来。在细胞生长的后期阶段, 细胞密度增加, 由于细胞产生的CO2和乳酸量增加, 使p H值变得偏酸。这可根据需要用加酸或加碱液的方法, 对p H值加以控制。但此法有产生局部p H值和增加培养液渗透压的危险。控制p H的较安全的办法, 是通过供给细胞所需的氧而改变通入反应器气流中的CO2浓度。用CO2控制p H值会强烈地受溶氧控制系统的影响, 这因为控制溶氧 (空气、N2或O2) 而加入的任何气体都将导致CO2的被置换, 从而引起p H值升高。因此, 在设计p H值控制系统时, 应顾及溶氧控制。
1.4.3 溶氧 (DO) 的测量与控制
溶氧是细胞代谢中的重要养分, 它可以影响细胞的产率, 且间接或直接地影响细胞的代谢。在低氧压下, 细胞往往生长缓慢。而氧压过高, 使培养液会变得对细胞具有毒性。人们已发现溶氧的最适水平是依赖于不同细胞的类型, 空气饱和度应在10%~100%的范围内。可根据需要向培养液内加入氧气、空气或氮气控制溶氧。值得注意的是, p H值控制可以影响溶氧控制。在设计过程中应有一种控制器, 通过调节输入反应器的空气、O2、N2和CO2各类气体的混合比例, 使溶氧与p H值的控制结合在一起。
1.4.4 葡萄糖和乳酸的监测
为了及时了解大规模培养细胞的健康状况, 应逐日或隔日吸取培养液样品进行乳酸的产量及葡萄糖摄入量的测定, 以便监测细胞生长的动态状况。
2 几种大规模细胞培养系统类型
2.1 机械搅拌式培养系统
搅拌式培养系统是靠搅拌桨提供液相搅拌的动力, 它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性, 因此在大规模培养中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护, 因此对剪切作用十分敏感, 直接的机械搅拌很容易对其造成损害, 传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以, 动物细胞培养中的搅拌式细胞反应器都是经过改进的, 包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。笼式供氧是搅拌式动物细胞反应器供氧方式的一种, 即气泡用丝网隔开, 不与细胞直接接触。另外, 采用双螺旋带状搅拌桨, 顶部的法兰盖上安装了3块表面挡板。每块挡板相对于径向的夹角为30o, 垂直插入液面, 挡板的存在减小了液面上的旋涡。改进后的反应器既维持了较小的剪切力, 又能保证良好的混合效果以满足细胞生长的要求。该系统具有几个优点: (1) 设计简单, 操作方便; (2) 细胞密度高, 易于放大生产; (3) 便于无菌操作, 不易污染; (4) 氧的转换率高, 能满足了该培养系统中细胞在生长时所需的要求。其缺点是对细胞损伤较大, 产物含量不高。
2.2 气升式深层培养系统
气升式深层培养系统是在70年代初开始发展起来的一种培养方式, 首先应用于植物细胞德发酵培养, 而后应用于动物细胞的大规模培养中。全自动气升式深层培养系统为全部密闭结构, 混合气体自培养器底部管道输入, 气体沿着培养器中央的内管上升。一部分气体从培养器的顶部逸出, 另一部分气体被引导沿培养器的内缘下降, 直达培养器底部和新吹入的气体混合而再度上升。这样借助气体的上下不断循环搅动培养器内的细胞, 使之不贴壁。通过微机程序控制混合气体的组分, 维持培养液内一定的溶氧张力和p H值。气升式深层培养系统按结构可以分为内环流和外环流两种形式。当气体通过气体分布器进入中心导流筒后, 造成管内流体密度比管外低, 在静压差和进入气体的动量作用下, 使液体携带气泡在反应器内形成循环流动, 从而达到良好的气液混合。
气升式细胞培养系统与搅拌式生物反应器相比, 气升式反应器中产生的湍动温和而均匀, 剪切力相当小;同时反应器内无机械运动部件, 因而细胞损伤率比较低;反应器通过直接喷射空气供氧, 氧传递速率高;反应器内液体循环量大, 细胞和营养成分能均匀分布于培养基中。
该系统具有几个优点: (1) 完全密封, 没有移动器件; (2) 便于无菌操作, 不易污染; (3) 结构设计简单, 不具反应液泄漏点和卫生清理死角; (4) 便于放大生产, 氧的转换率高。
2.3 微载体培养系统
微载体大规模培养动物细胞是1967年Van Wezel首先创立的, 用于培养锚地依赖性细胞的大规模培养技术。这种培养技术是在生物反应器内加入培养液和一种对细胞无毒害作用的材料支撑的颗粒 (微载体) , 使细胞在微载体表面附着和生长, 并通过不断搅拌使微载体保持悬浮状态。培养液中大量的微载体为细胞提供了极大的附着表面, 从而实现细胞的高密度培养。由于扩大了细胞的附着面, 能充分利用生长空间和营养液, 因此大大提高了细胞的生长效率和产量。微载体直径在60~250μm不等, 是由天然葡萄糖聚合物 (葡聚糖) 、凝胶或者各种合成的聚合物组成的, 如聚苯乙烯、聚丙烯酰胺等。由这些材料及其改良型制成的微载体主要参考了细胞的粘附特性, 在其表面带有大量电荷及其他生长基质物质, 因而有利于细胞的粘附、铺展和增殖。微载体培养只需对微生物发酵罐或气升式深层培养系统稍加改进即可, 适合于培养原代细胞、二倍体细胞株, 它对生产重组产品来说是必不可少的有效方法。该系统具有的特点: (1) 表面积增大, 单位体积培养液的细胞产率高; (2) 生长环境均一, 条件易于控制; (3) 取样及细胞计数简单; (4) 细胞与培养液易于分离; (5) 细胞收获过程相对简单, 劳动强度小。
2.4 微囊培养系统
微囊培养技术是在70年代, 由Lin和Sun首先创造的一种培养方法。把生物活性物质、完整的活细胞或组织及生长介质共同包裹在薄的半透膜中, 即称为微囊技术。该技术在无菌条件下, 将活细胞或生物活物质悬浮在1.4%海藻酸钠溶液的生长介质中, 通过特制的成滴器, 将含有细胞的悬液形成一定大小的小滴, 滴入氯化钙溶液中, 形成内含活细胞的凝胶小珠。每一个胶化的小珠, 再用长链氨基酸聚合物、多聚赖氨酸包被, 形成坚韧、多孔可通透的外膜。重新液化胶化小珠, 使其成胶的物质从多孔膜流出, 活细胞或生物活性物质留在多孔外膜内, 放入搅拌式或气升式培养系统中进行增殖。营养物质和氧分子可通过膜孔进入囊内, 细胞代谢的小分子产物可排出囊外, 分泌的大分子产物如Ig G, 不能透过膜孔, 积聚在囊内。该系统具有几个特点: (1) 微囊内的活细胞由于有半透性微囊外膜, 可防止细胞在培养过程中受到物理损伤; (2) 活性蛋白不能从囊中自由出入半透膜, 从而提高细胞密度和产物含量; (3) 细胞密度大, 产物单位体积浓度高; (4) 分离纯化操作经济简便; (5) 膜孔的大小可根据需要而改变。但微囊技术具有微囊制作复杂, 成功率不高;收集产物必须破壁, 不能实现生产连续化等缺点, 在生产应用中受到很大限制。
2.5 大载体培养系统
大载体培养系统, 是一种新型的大规模培养细胞装置, 配有先进的主要部件, 如溶解氧、p H测定以及培养液输入和产物的收获均由微机程控调节。培养器外面套以水浴玻璃缸加温。混合气体从培养器底部输入使细胞悬浮培养, 通气量大而对细胞损伤减少到最低程度。大载体是由海藻酸钠构成, 海藻酸钠含有重复排列的葡糖醛酸和甘露糖醛酸, 在钙溶液中形成适宜于附着的网络状凝胶珠。在收集细胞时, 可用Na-EDTA和枸橼酸钠, 使细胞从凝胶中分离出来。该培养系统连续生产周期约3个月以上, 已培养过10多种有经济价值的细胞株, 生产单克隆抗体和干扰素产品获得满意的结果。该系统的优点是: (1) 操作控制方便, 可随机取样检测; (2) 人工增加附着细胞密度高; (3) 消耗用品价格低廉, 产物收获量大, 有明显经济效益。该系统不具有细胞分泌产物的浓缩装置。
2.6 中空纤维培养系统
中空纤维培养系统是从1972年开始发展起来的培养系统, 是模拟细胞在体内生长的三维状态, 利用一种人工的“毛细管”即中空纤维给培养的细胞提供物质代谢条件而建立的一种体外培养系统。
大规模信息系统 篇9
关键词：大规模MIMO,3D_MIMO,双码本反馈,LTE
0 引言
随着近几年移动智能终端的快速发展,使人们对移动通信提出了更高的要求。现代的移动通信系统,要求容纳更多的用户和提供更高的数据传输速率,来满足日益多媒体化、无线宽带化的移动终端需求。尽管第四代移动通信已逐步商用市场化,但对移动通信系统更高的传输速度要求一直没有停止过。在现行的通信技术中,MIMO技术利用空间的传输分集与空间复用特性,极大地提高了信息传输的速率和可靠性。而要想获得更高的传输速率与传输可靠性等,增加MIMO技术的天线数无疑是最好的选择之一。
Massive MIMO[1]是在传统MIMO[2]的基础上演进而来的一种新技术,其通过使用几十根甚至数百根[3,4]天线来发送和接收信号,从而使通信系统可以在同一时频资源块上同时服务数十个用户,是未来更高的能量效率、频谱效率和更好的安全性、更强的稳健性的无线宽带网络发展的促进者之一[5]。
随着基站端天线数的增加,由于目标用户信道矢量自身的内积的增长速率大于目标用户和干扰用户之间的信道矢量的内积增长速率[6],那么目标小区信道的自相关度将远远大于和其他小区信道的互相关度,大规模MIMO可以将小区间干扰和信道噪声平均掉[1],甚至忽略不计。
现在,关于大规模MIMO的研究一般是针对TDD而言的,在上行传输的信道估计中,导频序列长度的开销只与移动用户终端的天线数和小区内通信用户数有关,而与基站端天线数无关,基站端利用TDD系统信道的互易性得到下行链路的信道估计值,即上行链路的信道估计的转置。
Marzetta详细讨论了一种基于TDD的传输模式[1],提出当基站的天线数目逐渐增加直到无穷大时,小区间的干扰和热噪声将会被平均掉而忽略不计;文献[7,8]针对减轻导频污染的影响,讨论了基于MMSE/ZF等不同的预编码的策略;文献[9]给出了在有导频污染情况下系统的容量计算方法,并由此推出改进型的预编码;文献[10]提出最优导频设计,这是基于导频偏移的信道估计,因为理论上来说可以重新设计通信系统中帧的结构,使相邻小区间的导频发送时隙错开,从而使导频在发送时间上相互正交;文献[11,12]从用户调度的角度考虑设计导频调度方案:基于系统最大化可达速率,获取并最优化导频调度方案,使相邻小区间彼此干扰较大的用户使用不同的正交导频而彼此干扰较小的用户复用同一种的导频;文献[13]主要研究在FDD模式下,用户端通过有限反馈方式向基站发送CSI的情况,然后基站利用该信道状态信息进行波束成形;文献[14]提出了一种3D_MIMO的反馈模型,使用双码本反馈获取CSI。
本文考虑到现有文献对于大规模MIMO的研究大部分都是在TDD系统环境下,并且似乎导频污染已经俨然成了瓶颈,对比性地提出了大规模MIMO与3D_MIMO相结合的一种FDD模式,提出一种将水平域和竖直域的信道信息用码本分别由用户(UE)反馈给基站来获取信道信息的方法。并且将TDD模式和FDD模式放到一起,在大规模MIMO下对比研究两种模式的吞吐量、小区边缘用户的频谱效率及稳定性。
本文所使用的矩阵符号定义如下:矩阵AT、AH、tr{A}分别表示矩阵A的转置、共轭转置和迹;AB表示矩阵A和B的Kronecker积;I表示单位矩阵。
1 系统模型
该系统由L个时间同步全频谱复用小区组成,如图1所示。我们假设基站上使用的是二维的平板天线阵列,每个小区基站端配置Nv×Nh根天线(Nv、Nh分别为平板天线上竖直方向和水平方向上的天线个数),每小区的通信用户数为K(K≤Nv×Nh)。同一小区内所有用户使用正交的导频,不同小区间的用户则复用同一导频。
上行链路部分,信道传播矩阵Hjl(NvNh×K)表示由小区j中的K个用户到小区l基站NvNh根天线的信道,并且Hjl可以表示为:
其中矩阵Gjl(维度为NvNh×K)对应信道的小尺度衰落因子,其所有元素满足独立同分布的高斯分布CN(0,1);是表示大尺度衰落的K×K的对角矩阵,其对角元素组成为βjl=[βjl1,βjl2,…,βjl K]。因为构成基站的Nv×Nh根平板天线阵列足够紧凑[2],那么我们可以假定特定区域的用户的大尺度衰落相同。用户处的平均发射功率用pr表示。
另外,终端的所有加性噪声都假定为服从CN(0,1)的高斯分布。那么在上行链路中,小区l的基站端天线接收到的信号为:
其中ψj=[ψj1,ψj2,…,ψj K]T(K×τ矩阵)表示小区j中的K个用户发送的导频矢量,τ为导频序列长度,Wl为N1N2×τ的高斯白噪声。
在TDD系统,根据MMSE信道估计方法[7]:
那么有，然后根据TDD系统信道互易性得到下行链路的信道传播矩阵。
在下行部分我们考虑小区0为参考目标小区,那么在小区0的用户接收到的信号可以表示为:
其中y0为Nk×1的接收信号矩阵,Nk为用户的接收天线数;Hl是Nk×NvNh的由小区l的基站到小区0的用户复信道响应矩阵,Hl是包含大尺度衰落和小尺度衰落的信道响应矩阵;z0为Nk×1的均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声矩阵;wl为小区l的基站的NvNh×Rl预编码矩阵,其中Rl是传输矩阵的秩,且Rl≤min(NvNh,Nk);xl为小区l的基站发送给用户的Rl×1的数据矩阵,且满足(E(xlxlH))=1;n0是对于小区0中用户受到的干扰污染和噪声干扰的总和。
对于每一个小区l,最关键的部分就是获取最优的波束成形矩阵wl以获得系统最优的性能和最大的吞吐量,而wl又取决于下行信道的噪声/干扰协方差矩阵。在实际的没有小区间协作的无线系统中,对于每个小区来说波束成形的优化都是独立的,并且都是由反馈CSI(信道状态信息)依靠下行(DL)参考信号获取,那么必然会受到其它小区的干扰。所以我们定义由小区0中的用户获得的噪声/干扰协方差矩阵[15]为:
对于小区0中用户的最优预编码矩阵,在下行信道估计后,由迫零算法可得:
当前信道状态信息(CSI)一般都是依赖于基于码本的反馈,其中w0是由预编码矩阵指数PMI(precoding matrix indicator)通过预先定义的码本决定。同时与PMI密切相关的信道质量指数CQI(channel quality indicator)也会一同反馈给基站节点(e NB)做信道自适应。那么对于FDD系统来说这包含两部分,下行参考信号做信道估计,上行码本反馈做信道量化。在Massive MIMO环境下,随着基站天线数量的增加,下行参考信号的消耗也会增加并影响系统的吞吐量,其中码本的设计也将会变得更加复杂。如何有效地在基站节点(e NB)侧获取信道信息变成了一个关键挑战。在实际通信网络中,相比于FDD系统,TDD系统可以充分利用上下行信道的互易性来减少反馈消耗和用户复杂度,为了使Massive MIMO获取最优的效果,我们将要在用户复杂度、反馈消耗和量化的精确度上做一个权衡。本文后面的内容将分别详细介绍在TDD和FDD系统中信道状态信息(CSI)的获取问题。
2 大规模MIMO下的信道状态信息获取方法
本节将讨论在大规模MIMO下的信道状态信息(CSI)的获取方法。对于TDD系统,由于上下行信道得到的互易性下行信道信息以及预编码矩阵都可以由上行信道通过发射导频获取。对于FDD系统,不存在上下行信道的互易性,我们需要一种新的反馈码本,该码本的维度要达到二维MIMO阵列天线的总数目NvNh,这将极大地提高系统的计算复杂度。所以在本节中我们提出一种二维结构的反馈方案,将竖直方向信道和水平方向信道分别交织地反馈给基站,这样可以允许两个方向域的天线可以重复使用已经存在的LTE反馈信道和LTE码本。
2.1 TDD系统下的信道互易性和实际的干扰反馈
在理想的TDD系统环境下,用户通过上行信道发送导频给基站,基站端本身已知所发送的导频,再结合接收到的导频信息便可估计出对应的信道H0,然后由信道互易性,用获得的下行信道的估计来设计预编码矩阵w0。由于同一小区内所有用户使用正交的导频,不同小区间的用户复用同一导频,由此会带来导频污染的影响,预编码矩阵w0也将会受到其它小区信道信息的干扰,而本文中导频污染的影响将通过干扰协方差矩阵来体现。
现有的大多数关于Massive MIMO的文章对于TDD系统的信道互易性,都是所有信道状态信息的互易性,包含信道H0和干扰协方差矩阵Rnn的互易性。然而在实际信道环境中,干扰协方差矩阵Rnn是不能由基站通过上行信道估计出来,即使是TDD模式也会有少量的用户反馈。
在实际的TDD系统中,反馈少量的信道信息是存在的也是可以实现的,一方面能够提高信道估计的精确度,另一方面也能减小基站端的计算复杂度。
一个可选择的反馈方案是反馈干扰协方差矩阵的Nk个对角元素[14],那么可以估计出:
代入式(6)求出预编码矩阵w。
2.2 FDD系统下的二维码本反馈
在FDD系统下,基站按照Massive MIMO配置大量的天线,我们首先遇到的一个挑战就是需要设计一个维度为NvNh的码本来反馈预编码矩阵指数(PMI),会遇到以下问题:
(1)码本设计:设计出维度为NvNh的码本应用于每一种尺寸大小的阵列天线将是一个较复杂的难题,考虑到天线数目的大量增加,码本设计对系统实现也将是一个挑战,并且缺乏与现有技术的兼容和拓展。
(2)用户反馈开销:为了保证获得较好的信道信息,需要更好地反馈精度和较大的反馈开销,码本大小将随着天线数目的增加而增加。对于Massive MIMO系统来说所需要设计的码本尺寸将远远大于现有的LTE码本,会导致更加复杂的预编码矩阵指数(PMI)搜索和反馈开销。
为了解决这些问题,我们提出了一种3D_MIMO的基站节点(e NB)天线的配置模型,这样可以将水平域和竖直域的信道信息用不同的码本分别由用户反馈给基站。那么用户将反馈两次预编码矩阵,其中wv表示竖直方向的预编码矩阵,wh表示水平方向的预编码矩阵,然后通过计算最大化吞吐量做信道自适应来获取最优的预编码矩阵。同时也解决了码本维度过大的问题,以做到与现有码本的良好兼容,具有很好的拓展性。
首先,系统预先定义码本Cv和Ch分别为竖直域和水平域的量化码本,其中码本Cv为一组复预编码矩阵定义为,该矩阵有Nv行rv列(rv也为该矩阵的秩)。同理,码本Ch定义为
那么用户将同时选择最优预编码对{wv∈Cv,wh∈Ch}。w0为3D_MIMO下的小区0的预编码矩阵,对应于二维码本可定义为:
其中表示克罗内克积[11,16]。
我们根据目标小区0的总吞吐量最大化做信道自适应来获取最优的预编码矩阵。
其中SINRk表示发射端波束成形第k路数据流的信干噪比(等同于CSI),k=1,2,…,rvrh。这里我们使用MMSE接收机[11],SINRk可以表示为:
其中(·)k,k为矩阵的第k个对角元素,对应于该预编码矩阵的第k个数据流。
可以看出二维码本的反馈方案相对于一维MIMO反馈,具有较大的灵活性,不必考虑到NvNh维的码本,降低码本设计的复杂度,与现有的码本能够有较好的衔接,并且码本反馈量的增加远远小于天线数目的增加。
3 仿真结果
在本节中,将用数值仿真来评估第2节所提到的TDD和FDD两种信道环境下,获取信道状态信息性能的优劣。仿真过程中,归一化的小尺度衰落信道矩阵Gjl是由满足独立同分布CN(0,1)的随机矩阵生成。不失一般性,我们仅仅考虑目标小区0的总吞吐量,目标小区0的中心用户直接增益(大尺度衰落)β=1,边缘用户为β=0.8,其他小区的的交叉增益在(0,1)内取值,并随着小区数的增加而减小。
图3-图5为TDD和FDD系统下的吞吐量性能仿真结果,其中实线代表中心用户,虚线代表边缘用户。
图3表明小区吞吐量随着的用户数的增加而增加,当用户数增加到一定数量时达到饱和,并且TDD系统相对于FDD系统有百分之四十的增益;图4真正体现出了大规模MIMO的优越性,随着天线数的增加,能极大地提高系统吞吐量;图5表明,随着小区数的增加,TDD系统环境下的小区吞吐量将迅速减小,这是由于导频污染越来越严重,导致估计出的预编码矩阵精度迅速减小,而相对来说FDD系统受其它小区的干扰影响较小,稳定性相对较高。可以看出,在FDD环境下,小区边缘用户与中心用户性能相差不大,能保证较好的用户公平性,而在TDD系统下,边缘用户的性能有明显的减弱,因此在用户调度方面可以有进一步研究;总的来说,对于大规模MIMO,即使FDD环境结合3D_MIMO分别反馈水平域和竖直域的信道信息,性能上仍然逊于TDD环境下的信道互易性。
4 结语