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浅析计算机通信技术在海事通信中的应用现状及发展

2022-12-03 08:56:36| 收藏本文下载本文作者：宫应弦

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篇1：浅析计算机通信技术在海事通信中的应用现状及发展

浅析计算机通信技术在海事通信中的应用现状及发展

文章分析了计算机通信技术在海事通信中的应用现状,指出目前海上计算机通信缺陷及迫切需要解决的问题,讨论了计算机通信技术在海事通信中的应用前景.

作者：张颖丁方平张璐 Zhang Ying Ding Fangping Zhang Lu 作者单位：张颖,Zhang Ying(大连海事大学,辽宁,大连,116023)

丁方平,张璐,Ding Fangping,Zhang Lu(青岛远洋船员学院,山东,青岛,266071)

刊名：天津航海英文刊名：TIANJIN OF NAVIGATION 年，卷(期)： “”(3) 分类号：U6 关键词：计算机通信技术海事通信现状分析前景展望

篇2：接入网技术在铁路通信中的应用

接入网技术在铁路通信中的应用

世纪之交的通信技术是先进的数字技术、计算机技术、微电子技术与光电子技术的有机结合体，它将向着数字化、宽带化、智能化、高速化及个人化的方向发展。未来的通信要彻底克服时间与空间的限制，能够使用户在任何时间、任何地点与任何人进行包括语音、数据和视频等信息的交流。在这种情况下，出行的旅客也需要在列车上享受如同在办公室环境下的信息交流，比如同其它人进行语音、数据、传真、图像等信息交流，还要接入国际互联网。另外，随着铁路列车向高速化与准高速化方向的迈迸，为保证行车安全，实现有效的人机控制和提高运输效率，要求建立一个功能更加完善的，技术构成更加先进的铁路通信网。随着我国电信业垄断格局的打破，拥有仅次于中国电信的庞大铁路通信网络的铁道部，可以利用现有的专用网络设施积极参与竞争，向全社会提供高质量的电信业务。

要想使上述构想成为现实，就必须打破常规的铁路通信网的接入方式，采用先进的、现代化的有线和无线通信的传输和接入方式，实现铁路通信网的升级，适应信息社会的发展，发挥铁路通信网在国民经济中的社会效益和经济效益。

一、铁路接入网技术的现状

由于铁路列车具有高速运动的特点，因而无线（移动通信）接入网在铁路通信网中占有相当大的比重。当然，固定位置的车站（场）、单位以及各种固定设施之间的通信方式，首选方案仍是采用SDH光同步数字传输设备进行组建，同时应考虑采用ATM交换以及网络IP通信等先进技术来构成通信主干网及光纤用户接入网。比如采用“双纤单向环”接入方式，其不仅具有高速、安全、传输质量高、价格合理等光纤通信特有的优点，而且还具有路由迂回、设备备用等特点，从而具备自愈合功能，并使系统的可靠性大大提高。另外，采用远端用户单元（RSU）和数字环路载波（DLC）设备，组网更灵活、方便。组网的过程中要把投资与效益综合统筹来考虑，使系统不仅满足现在乃至几年内铁路通信的需求，而且还能够为出行的旅客及地面用户提供先进的电信业务，并且还需具备便于扩容的功能。

按照通信网被分为主干网，局域网和接入网等三部分的构思来看，铁路通信网也可以通过上述划分方法进行。就铁路的通信网来看，接入网占有相当大的比重，包括有线接入网和无线接入网两大部分。铁路有线接入网的情况与电信的接入通信网相似，铁道部将在未来的1～2年内建成可覆盖全国大中城市的铁路互联网，它是由铁路部门依托于基础铁路电信网，组织建设的可以支持众多信息服务的、具有多媒体通信能力的全国范围的计算机网络，铁道部将有可能成为我国第六个面向大众的计算机信息互联网络单位，为铁路通信走向市场做准备。关于有线接入这里不再叙述，下面主要讨论铁路的无线接入网，为此首先回顾一下移动通信的发展过程。

1．移动通信的发展过程

移动通信技术经历了由模拟到数字，由频分多址到频分+时分多址，再到码分多址（CDMA）的发展过程，并即将向宽带化、智能化和个人化的方向发展。移动通信系统大体可分为二代，第一代是以模拟技术为主，频分多址，工作在400～800MHz频段。由于模拟系统存在频谱利用率低、容量小、设备复杂、抗干扰性能差、保密性不强、价位高、业务面窄等固有缺点，不能满足通信市场急速发展的需要，因此诞生了第二代移动通信系统。第二代移动通信系统采用数字化、时分多址方式等全数字化技术，克服了第一代移动通信的缺点，得到了迅速发展，目前的移动通信数模兼容，以数字系统为主。随着用户对信息接入量的需求呈指数的增长，电信工作者们着手建立最新一代的移动通信第三代移动通信系统。

第三代移动通信系统具有全球化、智能化、个人化和综合化的特点，工作在MHz波段，采用宽带的CDMA技术，涵盖地面系统和卫星系统，包括海陆空三维服务面，集成话音、数据、视像、ISDN和多媒体多种业务。这一系统以多种空中接口和接入方式，可向高速和慢速移动用户提供服务。

2．铁路无线接入网现状

铁路通信网是为旅客和铁路公务、应急抢险、行车维修等人员提供及时可靠的通信，以提高服务等级和运输效率。保证列车的安全，达到高效运营而建立的，它是一种集列车公务通信和区间移动作业通信为一体的列车移动通信系统。但是铁路结构自身的特点，决定了该系统与公用移动通信网和区域性的专业移动通信网的差别，它是一种属于线面结合、以线为主的链状网。

铁路通信的无线接入部分目前仅有的是400MHz的无线列调系统，它完成车站值班员与进入其管辖区段的列车车长以及列车司机之间的通话联系。当列车即将进站或即将出站时，这些通话才进行，否则如果没有特殊的情况，则在列车运行于区间时，通话一般不进行，这主要是从节约频率资源，减少同频干扰的角度出发的。但是，随着铁路现代化改造进程的迅速推进，从前单一的无线列调系统已经远远不能满足铁路无线通信的需要，这样就迫切需要建设一套适合于铁路现代化运营指挥需要的先进的无线通信系统。这一系统应该采用小区制，并完成大三角功能。也就是说，系统必须可以实现调度中心与车站值班员之间、车站值班员与列车司机之间、列车司机与调度中心之间的通话功能，必须可以实现线路管理区间的公务移动通信功能，同时还必须能够实现调度中心与列车司机室之间实时的双向数据通信功能。基于这一想法，构成铁路无线通信接入网的方式可以采用现有的无线通信方式的集群通信方式、GSM（全球移动通信系统）移动通信方式、CDMA移动通信方式。

集群通信系统是一种功能强大的专用移动通信系统，是通信与微处理机技术、程控交换技术、计算机网络技术紧密结合的产物。它集交换、控制、通信于一体，通过无线拨号的方式把一组信道自动最优地动态分配给系统内部用户，最大限度地利用系统资源和频率资源，降低系统内呼损，提高服务质量。由于它具有群呼、组呼、强插、强拆等功能，特别适合于调度指挥以及应急、抢险等场合，并较好地解决了通信频率合理分配的问题，因而倍受专业运营管理部门的青睐，被确定为现行铁路移动通信方式的首选类型。但是这一系统还具有一定的缺点，主要包括采用动态的频率分配，没有考虑与周围公用网的有效融合问题，没有先进的路由合理选择功能，并且在建立通路和自动过网时存在信息丢失现象，保密性不强，容易受干扰等，这些缺点对于话音通信的影响不大，但是会对列车与调度指挥中心之间的实时双向数据通信造成较大的误码，因而对于要求较高数据通信误码率的场合并不适合。

即将动工的秦沈客运专线的移动通信系统主要包括400MHz的无线列调系统和800MHz的集群移动通信系统，考虑到集群移动通信系统在越区切换过程中会存在信息的损伤，因此将数据通信部分交由无线列调系统来完成，集群移动通信系统仅进行区间通信（如大三角功能的话音通信，公务通信以及应急抢险通信等），并留有调度电话进入的余地和接入公用通信网的功能。这一系统也是我国铁路以集群通信的方式为无线接入系统的第一例，是我国铁路通信史上的一个重大变革。

二、铁路无线接入网未来的发展趋势

随着改革的进一步深入和社会信息化的进展，不仅要求铁路通信网具有更强的保障铁路安全运营的通信功能，以适

应高速列车通信的需求，而且要以铁道部的全程全网的优势全力发展电信增值服务及经营与中国电信业务范围一样的电信业务，参与同中国电信的竞争，使旅客和网络覆盖区的广大用户方便地享受信息的服务。比如随时随地的提供铁路客货运输资讯信息、订购火车票等服务，在列车就能享受语音、传真、数据、视频、移动通信及Internet等服务。不过，铁路现有的通信网络设施庞大而落后，这是目前该网络发展的最大障碍。

80年代开发应用的集群移动通信系统具有信道利用率高、组网灵活等优点，能够确保旅客通话的高质量和优先等级，可供列车公务人员进行业务通信，也可利用调度功能组成临时的应急通信和收容沿线的移动作业通信，基本上能够满足目前的铁路通信的需要，秦沈客运专线就是采用这一系统来实现铁路移动通信的功能。但从更高的通信目标来说，比如为了实现列车的实时定位、追踪，让列车上和列车下的公务人员都能够随时随地获得整个路况信息，实现列车运行、调度等自动控制，能够为广大旅客提供除语音服务外，还能提供传真、数据、视频、移动通信及Internet等服务，还有向铁路沿线的居民提供电信业务，随着这些业务的出现，原有的通信系统就不能满足要求，应该应用先进的移动通信技术，对铁路通信网进行改造，建立新的、必要的移动通信系统，比如微蜂窝移动通信系统，或者是第三代的移动通信系统。当然，建造铁路通信网，应根据铁路的实际情况，在不同的地区要因地制宜地发展有线和无线接入系统。

考虑到未来铁路发展对通信的需求，认为在通信系统寿命期内，运输会出现明显的增加，作为用户联络手段的通信系统，在规划其指标构成时，必须计算一定的弹性需求。此外还要考虑通信系统的容量扩充性问题，选择便于扩容的通信方式。从系统高可靠性的要求出发，还必须与别的系统（如微波／租用线路等）结合起来构成一个统一的整体，以此提供必要的备份。

在欧洲，经过长期的研究和决策，最初确定的是两种系统，一个是GSM，另一个是TETRA（泛欧集群无线通信）。后来由于GSM的`技术日趋成熟，使用范围迅速扩大，造价逐渐下降，并且又由于在用户迅速扩展的情况下，集群移动通信解决方案所存在的问题日趋突出。鉴于此，欧洲的铁路移动通信系统最后定位于GSM的方式，并将铁路移动通信所具有的特色（群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）加进去，构成GSMR（用于铁路的全球移动通信系统）的解决方案。

铁路通信网未来的发展趋势应该是向着与公用网相融合的方向，并达到与公用网的统一。从而使得用户无比是在运行中的列车上，还是在铁路网的覆盖区域均能够通过铁路通信网进行如同办公室一样方便的信息交流，如进行电话联络，宽带的数据通信和图像传输，接入Internet等。而要满足这一要求，集群移动通信系统已经远远不够，GSM（R）和现行的CDMA技术也不能达到这一要求。从现在的发展情况看，惟有第三代的CDMA技术才可能担当起这一重任。因此，铁路通信网的无线接入部分今后的发展方向也必须是朝着第三代CDMA的方向。当然，并不是说第三代的CDMA技术就可以直接用来完成未来的铁路无线接入系统的功能，如同GSMR一样，必须将铁路通信所必备的功能（如群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）融入这一技术之中，形成具有铁路通信特有要求的公用无线通信接入网。

另外，考虑到铁路已经延伸到很多较为偏僻的地区，这些地区的公用通信网尚未建立起来。利用已经建立好的铁路通信网，并将其经过适当的扩容改造，比如建立单基站无线接入系统，增加移动交换功能，广泛发展固定用户和移动用户，从而取得应有的社会和经济效益。

铁路通信网是保证行车安全、提高运输效率的有力工具。本文讨论了无线接入技术在铁路通信网中的应用现状及其未来的发展趋势，认为铁路通信网应该顺应当今通信技术的发展潮流和市场的需要，在保证铁路通信要求的前提下，发展多种接入方式，特别是无线接入方式，逐步达到同公用网的统一，从而参与同其它电信部门的竞争，为出行的旅客以及网络覆盖区域的用户提供高质量、方便、快捷的电信服务。

篇3：接入网技术在铁路通信中的应用

接入网技术在铁路通信中的应用

一、铁路接入网技术的现状

按照通信网被分为主干网，局域网和接入网等三部分的构思来看，铁路通信网也可以通过上述划分方法进行。就铁路的通信网来看，接入网占有相当大的比重，包括有线接入网和无线接入网两大部分。铁路有线接入网的情况与电信的接入通信网相似，铁道部将在未来的1～2年内建成可覆盖全国大中城市的铁路互联网，它是由铁路部门依托于基础铁路电信网，组织建设的可以支持众多信息服务的、具有多媒体通信能力的全国范围的.计算机网络，铁道部将有可能成为我国第六个面向大众的计算机信息互联网络单位，为铁路通信走向市场做准备。关于有线接入这里不再叙述，下面主要讨论铁路的无线接入网，为此首先回顾一下移动通信的发展过程。

1．移动通信的发展过程

第三代移动通信系统具有全球化、智能化、个人化和综合化的特点，工作在2000MHz波段，采用宽带的CDMA技术，

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篇4：接入网技术在铁路通信中的应用探讨

关于接入网技术在铁路通信中的应用探讨

铁路通信网是保证行车安全、提高运输效率的有力工具,我国铁路引入现代通信技术还不久,对铁路通信工程建设还需要一段时间对其了解、分析和试验,对其中所要注意的'问题,特别是技术问题要认真对待,只有这样才能为铁路通信现代化作出贡献.

作者：洪挺屹作者单位：中铁四局集团电气化工程有限公司,安徽,蚌埠,233000 刊名：黑龙江科技信息英文刊名：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(10) 分类号：U2 关键词：接入网铁路通信技术

篇5：OFDM在短波通信中的应用

摘要：介绍了当前短波（HF）通信中串行、并行两种体制的最新发展现状，着重讨论了正交频分复用（OFDM）技术在HF通信中的实际应用，最后指出在短波通信中采用OFDM体制需要解决的几个关键性问题。

关键词：短波 OFDM 串行调制解调器并行调制解调器

卫星通信和短波（1.5～30MHz）通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言，卫星在战争期间易被干扰或阻塞，甚至被摧毁而失去通信能力，因此，就通信的顽存性、机动性和灵活性而言，短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小，设备简单，通信方式灵活，抗毁性强，以电离层为传输媒质，而电离层基本具有不可摧毁性，传输距离可达数千公司而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥的重要工具。此外，在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系，而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高，有力地推出了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时，机载短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。

1 短波通信中传输高速数据信号的调制技术

短波传输分为天波和地波两种方式。对天波传输方式而言，短波信道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。此外对现代短波通信系统，信道大多数具有频率的选择性，多径传输产生了信号的相干衰落与符号干扰，短波通信的性能在很大程度上取决于系统设计对信道传输补偿的效果。短波信道通常情况下是一种缓慢变化的信道，多径延迟典型值2～8ms，多普勒频率扩展的典型值0.1Hz，多普勒频移在0.01～10Hz范围内变动，在高纬度地区多径延迟可达13ms以上，多普勒扩展可达73Hz。

多径效应引起的时域扩展是限制数据通信速率的主要因素。目前短波通信中存在并行制和串行制两种体制。并行体制是将发送的数据并行分配到多个子通道上传输，串行体制使用单载波调制发送信息。关于串行和并行两种调制方式到底哪种优越，一直有争论。文件认为：这两种调制解调器在低速通信中已使用多年，没有哪一种显示出绝对的优势，目前在北约9.6kbs HF通信标准中同时考虑串行、并行调制体制。而绝大多数认为串行体制更优势，若在可通率相同的情况下，比较二者的误比特率，则串行比并行体制低。

串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因此提高了高频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行体制采用了高效的自适应均衡、序列检测和信道估算等结合技术，能够克服由于多径传播和信道畸变引起的符号干扰（ISI）。目前最先进的串行体制调制解调器采用256QAM调制，应用一种被称为“分组判决反馈均衡（BDFE）”的技术，在3kHz带宽上数据传输速率达16kbps。

并行体制已经存在几十年了，上个世纪90年代中期以前，并行体制的各个子载波在频率上是互相不重叠的，采用的不是正交频分复用（OFDM）技术，如美国的第三代军用标准MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行调制方式中定义16音和39音两种模式，子载波之间不相交。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种特殊的多载波传输方式，由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，与常规的频分复用系统相比，OFDM可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串行转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，降低了子信道的信息速率，将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道，从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在OFDM中通过引入循环前缀，克服了OFDM相邻块之间的干扰（IBI），保持了载波间的正交性，同时循环前缀长度大于信道扩展长度，有效地抑制了符号干扰（ISI）。目前OFDM技术已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多点业务分配系统（LMDS）、数字用户线路（ADSL/VDSL）、数据音频广播（DAB）、数据视频广播（DVB）、Digital Radio Mondial(DRM)中得到广泛应用。

目前正在研制的新一代并行体制调制解调器采用OFDM技术，通过加入保护间隔，可以有效消除ISI，降低均衡的复杂度。下面介绍OFDM在短波通信中的应用情况以及仍需解决的几个关键问题。

篇6：OFDM在短波通信中的应用

随着基带信号处理能力的提高和用户对带宽需求的`增加，在过去几年里HF数据传输速率大幅度提高，加拿大CRC的试验工作是在3kHz带宽实现9600bps传输速率的第一个成功尝试。随后由美国的Harris公司、通用航天航空防务公司、法国的Thomson公司和德国的Daimler-Chrysler航空航天部门在高速HF数据通信领域做了许多有意义的工作，当前已能提供9600bps以上的传输速率。

提高通信速率是HF通信领域研究的一个主要方向。HIL-STD-188-110B在2400bps以上传输速率中，提供从3200、4800、6400、8000、9600、12800bps（无编码）的传输服务，STANG5066也支持高速HF数据通信业务。在并行和串行两种调制方式中寻找新的发送波形和新的编码方式是提高HF通信速率的关键。由于OFDM技术具有较强的抗多径干扰的能力，能够有效地抑

制ISI和子载波干扰（ICI），已被成功应用于DRM中。值得注意的是DRM同样使用短波频段（3～30MHz）传输音频和数据信息。下面研究OFDM在短波通信领域里应用比较成功的几个例子。

2.1 英国Racal Research Limited的实现途径

在战术电台环境下，VHF（30～300MHz）通信是常采用的一种规范；但在复杂的地形条件下，VHF通信有时会出现障碍，此时可以尝试采用接近垂直入射（NVIS）的短波电台建立通信联系。英国的Racal Research Limited开发出一种适应于HF NVIS信道的并行体制调制解调器。它采用OFDM技术，子载波个数为56，信号的调制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB，在3kHz带宽上实现无编码最高传输速率16kbps，能够在多普勒扩展1Hz、延迟扩展5ms的HF NVIS信道条件下正常工作。该调制解调器是在快速DSP原型平台上实现的，系统采用了Motorola的定点DSP56300处理器，通过软件无线电技术使得设计复杂度大为降低。

此外，为进一步检验采用OFDM技术的调制解调器的实际性能，6月，在DERA加拿大对CRC的串行调制解调器和Racal的并行体制调制解调器进行了三个星期的现场比对试验。发射机是10kW的DERA Cove电台，接收站点位于DERA的Malvern（距离140km）和Funtington(距离45km)。经过现场试验，两种调制解调器性能略有差异，在黎明OFDM比串行体制调制解调器性能好，在整个晚间误码率性能一直接低，在白天两种调制解调器工作都很好。由于两种调制解调器都没有采用FEC编码，误码率较高。

2.2 法国Thomson公司的实现途径

采用OFDM体制，子载波个数79，信道编码采用基于帧结构的turbo code编码方式，数据传输速率达9600bps。

每帧结构如下：

・每帧3个OFDM符号；

・每个OFDM符号有79个子载波；

・第1个OFDM符号有52个数据和27个导频符号；

・第2个OFDM符号有79个数据和0个导频符号；

・第3个OFDM符号有79个数据和0个导频符号；

・每个OFDM符号周期32.81ms；保护间隔6.15ms；

・子载波间隔37.5Hz，第1个子载波和最后1个子载波间隔2925Hz；

・短交织时间长度1.8s；长交织时间长度10.8s。

2．3 ARD9900调制解调器

该调制解调器是由环球无线电通信公司（Universal Radio Incorporation）推出的最新一代商用产品，具有传输数字语音、图像、数据的功能，语音编码部分采用先进的vocoder AMBE技术。主要参数如下：

・采用OFDN调制，子载波子数36，子载波间隔62.5Hz，信号调制方式OQPSK；

・基带信号带宽280～2530Hz；

・数据传输速率50baud/3600bps；

・每帧有3个OFDM符号，每个OFDM符号周期20ms，保护间隔4ms；

・FEC编码：内层卷积编码1/2，结束长度7，生成多项式[133,171]8;外层Reed-Solomon编码[44，36]8；

・具有图像、语音、数据加密功能。

2.4 一种满足地面和飞机通信标准的并行调制解调器

国际民事飞行组织（ICAO）建立了地面与飞机联系的短波通信标准；SARPS for HF Datalink、AMCP/5-WP172。该标准采用单载波数据，最高传输速率达1800bps。S.Zazo等人对此进行改进，提出采用OFDM调制的两套新方案。第一种方法：每帧由3个OFDM符号组成，子载波个数16，一个用于信道探测的OFDM符号后接两个连续OFDM数据符号。第二种方法：每帧由一个用于信道探测的短OFDM符号和一个长OFDM数据符号组成；短OFDM符号由16个子载波组成，长OFDM符号由32个子载波组成。系统主要参数如下：

・信道编码：Reed-Solomon编码[63，45]；

・信号调制方式：QPSK；

・短交织长度1.8s;长交织4.2s；

・方案一：子载波间隔175Hz，有效OFDM符号周期5.71ms，保护间隔2.62ms；

・方案二：子载波间隔87.5Hz，有效OFDM符号周期11.43ms，保护间隔3.93ms。

仿真结果表明：两方案在误比特率（BER）方面性能改善显著，同时还有效降低了前同步信号（preamble）和信道探测信号的长度，对于提高传输速率具有重要意义。

3 OFDM在

HF通信实际应用中需要解决的几个关键性问题

由于短波带宽较窄，在MIL-STD-188-141B中定义的带宽为4kHz，通常语音带宽可以压缩至3kHz,因此目前串行体制的调制解调器可以在3kHz带宽实现9600bps以上的传输速率。考虑采用OFDM体制时，由于子载波个数有限，需要降低插入导频的密度，这就给信道估计带来一定的困难。以MIL-STD-188-110A中39音调制解调器为例，OFDM符号周期Ts=22.5ms，子载波频率间隔Δf=76.92Hz，对于最大时延扩展Td=4ms，最大多普勒扩展fd=σ=2Hz，需要每隔Nk=1/2fdTs=11.1≤个OFDM符号和在NL≤1/2TdΔf=1.6个子载波间插入导频。可见插入导频的方式值得深入研究，文献提出一种在时域、频域内采用六角形插入的导频方式，比矩形插入方式更为有效。降低插入导频密度的另外途径是采用最大似然译码方法改进信道估计和解调的性能。

另外，信道编码方式也需要深入研究。采用信道编码直接降低了有效通信速率，目前短波中大多采用删除型卷积编码方式，如MIL-STD-188-141B中采用生成多项式（133，171）约束长度7，1/2码率输出的卷积码，经删除后输出码率为3/4。而其它编码方式，如网格编码（TCM）、turbo码、分组trubo码（Block Turbo Code）、多层卷积编码（Multievel Convolutional Codes）也可能是更有效的方式。

虽然OFDM对抗多径干扰具有较好的性能，但是OFDM也存在如下缺点：（1）存在较高的峰值平均功率比（PAR）；（2）对载波频偏移敏感，对同步要求高，如果考虑保密通信，在保持OFDM载波同步、符号同步和采样同步的前提下，跳速通常低于100跳/秒，容易被地方跟踪上。

目前单载波短波通信传输速率已达到9.6kbps，对均衡的要求很高，若要进一步提高传输速率已经很难了，OFDM技术能够将频率选择性衰落信道转化为平衰落信道，具有较强的抗ISI能力。可以预计，在未来提高短波通信速率方面OFDM将是一个研究的主要方向。本文对OFDM技术在短波通信领域的实际应用做了一个综述性回顾，并指出在OFDM实际应用中需要解决的关键性问题。

篇7：OFDM在短波通信中的应用

OFDM在短波通信中的应用

关键词：短波 OFDM 串行调制解调器并行调制解调器

卫星通信和短波（1.5～30MHz）通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言，卫星在战争期间易被干扰或阻塞，甚至被摧毁而失去通信能力，因此，就通信的顽存性、机动性和灵活性而言，短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小，设备简单，通信方式灵活，抗毁性强，以电离层为传输媒质，而电离层基本具有不可摧毁性，传输距离可达数千公司而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥的.重要工具。此外，在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系，而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高，有力地推出了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时，机载短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。

1 短波通信中传输高速数据信号的调制技术

并行体制已经存在几十年了，上个世纪90年代中期以前，并行体制的各个子载波在频率上是互相不重叠的

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篇8：虚拟现实技术的应用现状及发展

摘要：本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史和研究背景，介绍了虚拟现实技术的构成和技术特点，分析了虚拟现实系统在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等方面的应用现状，并重点论述了分布式虚拟现实系统的应用和发展前景。

关键词：虚拟现实虚拟环境分布式虚拟现实系统

虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

1.虚拟现实技术的发展概述〖1〗

1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。

80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。

进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。

2.虚拟现实系统的研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：

通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；

建立对虚拟世界的观察界面；

使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

图（1）表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。

图（1）虚拟现实系统领域的组成示意图

虚拟现实的有关技术特征及构成

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如

视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

1.虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗

虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：

多感知性

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

II.存在感

又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

IV.自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

2.虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的模型表示如图（2）。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。

图（2）虚拟现实系统的模型

虚拟现实系统主要由以下六个模块构成（如图（3））。

图（3）虚拟现实系统的构成

检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面

将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

现有虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：〖3〗

（1）动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

（2）实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

（3）立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

（4）应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的

作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

篇9：虚拟现实技术的应用现状及发展

虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设

计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子。

用于遥控机器人的遥现技术

遥现技术〖4〗是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实

涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人-机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。

仿真技术

虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、

味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

飞行仿真系统

飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。

计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI（Computer Generated Imagery）的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。

作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。

与虚拟生物对话

研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。

作战仿真系统

各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。图（4）为一多机空仿真系统，它除了多台有人驾驶的飞机模拟器和“数字”飞机外，在网上还连着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等结点。该系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究，同时研究多机协同空战战术。

图（4）多机空仿真系统

对象可视化技术〖5〗

虚拟风洞

在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的`。

虚拟物理实验室

在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室〖8〗的设计使得学生可以通过亲身实践D做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。

虚拟电力控制室

在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。

现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。

分布式虚拟现实系统

近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞

速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例〖6〗。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。下面我们分几个方面加以介绍。

分布式虚拟现实系统的产生和发展

分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部（DOD）

制定了SIMENT的研究计划；1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight.到了90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET（1990）、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统（1992）、瑞典计算机科学研究所的DIVE（1993）、新加坡国立大学的BrickNet（1994）、加拿大Albert大学的MR工具库（1993）及英国Nottingham大学的AVIARY（1994）。

模型结构

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。

复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。

3.DVR的网络通信

我们在设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络通信因素：

带宽网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带

宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出，但在广义网上，带宽通常限制为1.5Mbps,而通过Internet访问的潜在用户数目却比较大。

分布机制它直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单

播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真类的应用系统提供1-多和多-多的消息发布服务。

延迟影响虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真

实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。

可靠性在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时，则要考虑通信的

可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。

分布式虚拟现实系统的多协议模型

由于在DVR系统中需要交换的信息种类很多，单一的通信协议已不能满足要求，这时

就需要开发多种协议，以保证在DVR系统中进行有效的信息交换。协议可以包括：联结管理协议、导航控制协议、几何协议、动画协议、仿真协议、交互协议和场景管理协议等。在使用过程中，可以根据不同的用户程序类型，组合使用以上多种协议，图（5）即为一个例子。

图（5）不同的客户需要使用不同的协议

分布式虚拟现实系统的应用

分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交

互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：

教育应用

把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，

工程应用

当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。

商业应用

对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。

娱乐应用

娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。

虚拟现实技术的进一步展望

正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等〖7〗。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献

汪成为，高文，王行仁。灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用清华大学出版社

2.Earnshaw R A,et al, Virtual Reality System Academic Press,1993

曾建超，俞志和。虚拟现实的技术及其应用清华大学出版社，1996

Bejczy A K Virtual Reality in Robotics. ISBN:0-7803-3685-2/96 1996 IEEE:7-14

5.Jacobson L. Garage Virtual Reality. Sams Publishing,1994

6.Wodaski R Virtual Reality Madness. SAMS Publishing, 1993

7.Wexelblat A Virtual Reality:Applications and Explorations. Boston,MA:Academic Press

Professional, 1993

8.Wickens C D Virtual Reality and Education. In:Proceedings of IEEE International

Confernce on Systems,Man and Cybernetics. New York, NY:IEEE,1992