唐 猛 陳建華 張 艷② 張榆鋒
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基于分層調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究
唐 猛①陳建華*①張 艷①②張榆鋒①
①(云南大學(xué)信息學(xué)院 昆明 650091)②(云南大學(xué)軟件學(xué)院 昆明 650091)
在實(shí)際的移動通信環(huán)境中,信道的狀態(tài)復(fù)雜多變,該文針對雙向中繼信道的非對稱性,提出采用分層調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。首先構(gòu)建源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)均采用分層(2/4-PSK)調(diào)制的雙向中繼通信系統(tǒng)模型;其次給出了中繼節(jié)點(diǎn)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼解調(diào)及映射規(guī)則,推導(dǎo)出加性高斯白噪聲下中繼誤比特率及端到端誤比特率理論計算公式;最后仿真驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。與采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制技術(shù)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼相比,該方案利用分層調(diào)制的技術(shù)優(yōu)勢,確保較優(yōu)信道的高速率傳輸,也兼顧了較差信道的傳輸可靠性。
物理層網(wǎng)絡(luò)編碼;分層調(diào)制;雙向中繼信道;非對稱信道
在傳統(tǒng)的無線傳輸方案中,雙向中繼信道(Two-Way Relay Channel, TWRC)的基本模型[1]含兩個信源節(jié)點(diǎn)和一個中繼節(jié)點(diǎn),完成雙向信息互換需要4個時隙。2000年,“網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding, NC)”的技術(shù)概念在文獻(xiàn)[2]中提出,文獻(xiàn)[3]對其支撐理論給予完善。NC的核心是在中繼節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)發(fā),以提升整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。文獻(xiàn)[4,5]對網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與三節(jié)點(diǎn)雙向中繼傳輸系統(tǒng)相結(jié)合展開研究,實(shí)現(xiàn)3個時隙完成雙向信息互換,其吞吐量比傳統(tǒng)方案提升了33%。
在2006年,基于對進(jìn)一步提升無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究,文獻(xiàn)[6]提出物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding, PNC)的概念。PNC基本思想是:在三節(jié)點(diǎn)的無線雙向中繼通信中,利用電磁波特有的疊加特性,將兩個源節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送所形成的疊加干擾信號,在中繼節(jié)點(diǎn)處當(dāng)作有用信號進(jìn)行解調(diào)處理,完成PNC映射后廣播出去,接收節(jié)點(diǎn)利用自信息消除干擾,獲取所需信息,從而實(shí)現(xiàn)兩個時隙完成雙向信息互換,系統(tǒng)吞吐量相比傳統(tǒng)方案提高了1倍,這一優(yōu)異的特性,使其立即成了眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。
在實(shí)際的移動TWRC系統(tǒng)中,各時隙的信道條件往往不對稱,且處于動態(tài)變化中,有時非對稱情況會很嚴(yán)重,這就要求系統(tǒng)必須隨著信道狀態(tài)的變化及時調(diào)整合適的調(diào)制方式來保障通信。然而,到目前為止,大部分的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究工作都是基于對稱信道,即系統(tǒng)各階段的信道條件相同,針對非對稱性的研究文獻(xiàn)很少。文獻(xiàn)[10]分析了4種非對稱信道條件下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能下降問題,但卻未提出解決方案。
在非不對稱性信道下,文獻(xiàn)[11]把分層調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到中繼通信中,使系統(tǒng)增益得到明顯改善。文獻(xiàn)[12]針對采用分層調(diào)制的無線通信網(wǎng)絡(luò)給出了低復(fù)雜度的譯碼算法。2010年,文獻(xiàn)[13]針對非對稱TWRC系統(tǒng),提出網(wǎng)絡(luò)編碼和分層調(diào)制技術(shù)相結(jié)合(Hierarchically Modulated-Network Coding, HM-NC)的方案:在源節(jié)點(diǎn)采用分層調(diào)制技術(shù),把非編碼信號依據(jù)優(yōu)先級的高低劃分為“基本層”數(shù)據(jù)和“附加層”數(shù)據(jù),分配不同的功率調(diào)制發(fā)送,在3個時隙內(nèi)完成信號交換。HM-NC方案通過分層調(diào)制滿足信道的差異化需求,實(shí)現(xiàn)不對稱速率傳輸,有效提升了系統(tǒng)的容錯性。但文獻(xiàn)[13]的HM-NC方案僅在鏈路較優(yōu)的源節(jié)點(diǎn)采用分層調(diào)制技術(shù),且要求兩個端節(jié)點(diǎn)可以直接通信,中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時依然受限于質(zhì)量差的一端,自適應(yīng)性不好。因此,一些學(xué)者在分層調(diào)制、中繼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合上繼續(xù)相關(guān)的研究工作,文獻(xiàn)[14]在HM-NC方案的基礎(chǔ)上引入信道編碼,采用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)來改善非對稱TWRC系統(tǒng)的BER性能,文獻(xiàn)[15]在雙中繼的協(xié)同通信模型中對分層調(diào)制的功率比進(jìn)行優(yōu)化研究,以降低系統(tǒng)的BER。
基于非對稱TWRC通信系統(tǒng),本文提出聯(lián)合分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(HM-PNC)的方案。主要研究在非對稱的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)雙向中繼信道下,源節(jié)點(diǎn)均采用分層調(diào)制技術(shù)發(fā)送信號到中繼節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)對收到的疊加信號完成物理層網(wǎng)絡(luò)編碼后,再以分層調(diào)制方式廣播發(fā)送信號到兩端節(jié)點(diǎn),端節(jié)點(diǎn)對收到的信號進(jìn)行處理,恢復(fù)出新信號,在兩個時隙內(nèi)完成信息交換,既能充分利用較優(yōu)信道條件實(shí)現(xiàn)高速率傳輸,又能兼顧較差信道傳輸可靠性。與傳統(tǒng)的采用QPSK調(diào)制技術(shù)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案相比,該方案在移動通信中無需根據(jù)信道狀況的頻繁變化而不斷改變調(diào)制方式,只需保持一種調(diào)制方案就能保障正常通信,體現(xiàn)出更好的移動性能。
2.1HM-PNC系統(tǒng)模型
聯(lián)合分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(HM-PNC)系統(tǒng)模型,如圖1所示,包含兩個階段:上行階段(時隙1),又稱多址接入階段和下行階段(時隙2),即廣播階段。假設(shè)兩個信源節(jié)點(diǎn)A和B之間不能直接通信,需借助中繼節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行信息交換,所有節(jié)點(diǎn)均工作在半雙工通信模式,系統(tǒng)上行、下行階段的各個信道具有不同的信道條件。在HM-PNC系統(tǒng)中,各節(jié)點(diǎn)均采用2/4-PSK分層調(diào)制技術(shù)傳輸,依據(jù)所發(fā)送信息的重要性不同劃分兩層優(yōu)先級。如在圖1中,節(jié)點(diǎn)的信息由代表高優(yōu)先級的基本層數(shù)據(jù)和代表低優(yōu)先級的附加層數(shù)據(jù)兩個部分組成,。在時隙1,源節(jié)點(diǎn)A和B同步發(fā)送分層數(shù)據(jù)給中繼R;在時隙2,中繼節(jié)點(diǎn)R對信號解調(diào)、PNC映射后以2/4-PSK分層調(diào)制信號,廣播發(fā)送到兩端節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)A和B依據(jù)自身信息提取新信息,完成信息交換。因此,在完成一次雙向信息互換的通信中, HM-PNC系統(tǒng)僅需兩個時隙,相對于需要4個時隙的傳統(tǒng)方案可以得到100%的吞吐量性能提升,相比需要3個時隙的網(wǎng)絡(luò)編碼方案能有效提升50%吞吐量。
圖1 HM-PNC系統(tǒng)模型
2.2 2/4-PSK分層調(diào)制
圖2(a)表示的是標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制星座圖,各星座點(diǎn)具有相同的幅度值。圖2(b)表示的是2/4-PSK分層調(diào)制星座圖,每個碼元所含2 bit信息用代表,,選取高位比特數(shù)據(jù)作為具有高優(yōu)先級的基本層數(shù)據(jù),選取低位比特數(shù)據(jù)為優(yōu)先級較低的附加層數(shù)據(jù)。在2/4-PSK分層調(diào)制中,基本層數(shù)據(jù)的調(diào)制歐式距離為,附加層數(shù)據(jù)調(diào)制的歐式距離為,二者的調(diào)制能量比,。越大,使高優(yōu)先級比特獲得較高的發(fā)送功率,其誤比特率(Bit Error Ratio, BER)性能相應(yīng)地越好;與之對應(yīng)的低優(yōu)先級比特獲得的發(fā)送功率就較小,其BER性能就較差。當(dāng)時,2/4-PSK分層調(diào)制就轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制。
圖2 QPSK和2/4-PSK 分層調(diào)制星座圖
3.1非對稱雙向中繼信道
在非對稱的AWGN雙向中繼信道條件下,系統(tǒng)上行、下行階段的各個信道條件不一樣,即擁有各自不同的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)。在表1中,端節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)的信道定義為,與之對應(yīng)的信噪比定義為,而中繼節(jié)點(diǎn)R向端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信道定義為,相應(yīng)的信噪比定義為,。
表1 非對稱信道狀態(tài)表
3.2聯(lián)合2/4-PSK分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的設(shè)計
在HM-PNC系統(tǒng)中,采用2/4-PSK,只需兩個時隙就能完成雙向信息交換任務(wù):
(1)在時隙1,屬系統(tǒng)通信的上行階段,如圖3所示,源節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的重要性不同,劃分優(yōu)先級,分配給高優(yōu)先級數(shù)據(jù)更高的調(diào)制功率,以保證其BER性能滿足較差信道的可靠性要求;而低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)給予較低的發(fā)送功率,以滿足較優(yōu)信道對數(shù)據(jù)傳送速率的需求。其中,節(jié)點(diǎn)A的分層調(diào)制能量比,則調(diào)制后發(fā)送的信號;節(jié)點(diǎn)B的分層調(diào)制能量比,則調(diào)制后發(fā)送的信號;兩節(jié)點(diǎn)同步發(fā)送信號,中繼R收到分層的疊加信號及兩條鏈路帶來的AWGN干擾噪聲,進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼處理。
圖3 HM-PNC的上行階段傳輸模型
(2)在時隙2,屬系統(tǒng)通信的下行階段,如圖4所示,中繼R的分層調(diào)制能量比,則調(diào)制后廣播發(fā)送的信號;各端節(jié)點(diǎn)對收到的中繼信號解調(diào)譯碼后,再與自身已知信息異或,提取出新信號,從而完成信息交換。在HM-PNC系統(tǒng)中,中繼節(jié)點(diǎn)處采用分層調(diào)制方式發(fā)送,以解決下行階段中繼到兩端節(jié)點(diǎn)的兩條鏈路信道條件不對稱難題,和傳統(tǒng)方案相比具有更好的適應(yīng)性,具體的理論分析及性能對比將在后文給出。
圖4 HM-PNC的下行階段傳輸模型
3.3 中繼解調(diào)及映射方案
中繼對兩路疊加信號的處理過程是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究的難點(diǎn)之一,依據(jù)文獻(xiàn)[6]的中繼節(jié)點(diǎn)PNC映射法則,在表2中給出HM-PNC系統(tǒng)中繼對信源()的異或、PNC輸入、PNC映射輸出及2/4-PSK分層調(diào)制輸出對應(yīng)關(guān)系,確保一一對應(yīng)。在表2中,表示高優(yōu)先級信號,表示低優(yōu)先級信號。
表2 HM-PNC中繼調(diào)制解調(diào)與映射關(guān)系
表2 HM-PNC中繼調(diào)制解調(diào)與映射關(guān)系
PNC輸入PNC映射輸出2/4-PSK輸出 0 1 1 0
在AWGN下的TWRC通信系統(tǒng)中,HM-PNC主要針對兩類典型的非對稱信道進(jìn)行研究:
(1)Ⅰ類非對稱信道,即系統(tǒng)的上行階段對稱,而下行階段不對稱。例如:時隙1信道A2R與信道B2R的條件同為“優(yōu)”或“差”,二者視為對稱情況;時隙2信道R2A與信道R2B的條件相反,一“優(yōu)”一“差”,二者視為不對稱情況。(2)Ⅱ類非對稱信道,即系統(tǒng)的上行階段不對稱,下行階段對稱。例如:時隙1信道A2R與信道B2R的條件為相反,一“優(yōu)”一“差”,二者視為不對稱情況;時隙2信道R2A與信道R2B的條件同為“優(yōu)”和“差”,二者視為對稱情況。分析這兩類典型的非對稱信道下的HM-PNC抗噪聲性能,具有重要意義。
4.1 Ⅰ類非對稱信道下HM-PNC的BER性能分析
基于Ⅰ類非對稱信道的定義,在文中假設(shè):時隙1信道A2R、信道B2R 與時隙2信道R2A條件為“優(yōu)”,而時隙2信道R2B條件為“差”。
(1)時隙1:信道A2R、信道B2R條件為“優(yōu)”,源節(jié)點(diǎn)同步發(fā)送分層調(diào)制信號,中繼能有效解調(diào)出疊加的基本層和附加層數(shù)據(jù),考慮兩條信道的噪聲影響,由文獻(xiàn)[6]得到中繼收到的信號為
在2/4-PSK分層調(diào)制中,基本層和附加層均只含一位比特,由文獻(xiàn)[16]可推出中繼節(jié)點(diǎn)所接收分層疊加信號的BER計算公式為
由于輸入的基本層、附加層信息是等概率分布的,則中繼總的BER為
(2)時隙2:中繼對收到的疊加信號進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼處理后,以2/4-PSK分層調(diào)制廣播信號到A , B 兩端。在A端,信道R2A條件為“優(yōu)”,高低優(yōu)先級比特信息均可解調(diào)出,收到的信號為
參照式(4)和式(5),可推出中繼R到A端的BER計算公式為
所以,B到A的端到端BER可表示為
同理,A到B的端到端BER可表示為
4.2 Ⅱ類非對稱信道下HM-PNC的BER性能分析
基于Ⅱ類非對稱信道的定義,在文中假設(shè):時隙1信道B2R條件為“差”,信道A2R與時隙2信道R2A信道R2B條件為“優(yōu)”。
(1)時隙1:由于上行階段信道不對稱,通過分層調(diào)制發(fā)送信號,則,可有效保證高優(yōu)先級信號和的BER性能,中繼能解調(diào)出和疊加的基本層數(shù)據(jù)。然而,B2R信道條件不好,致使的BER性能下降嚴(yán)重,對和疊加的附加層數(shù)據(jù)BER性能造成較大影響,使過大,在中繼處只能把這部分疊加信號視為干擾信號,可不予考慮。因此,在這種非對稱情況下,只有代表著高優(yōu)先級的基本層疊加數(shù)據(jù)有效可靠,其BER可表示為
(2)時隙2:下行階段對稱,信道條件“優(yōu)”,意味著在中繼處疊加形成的高誤比特率附加層信息也能傳輸?shù)浇K端,最終造成整個HM-PNC系統(tǒng)端到端的附加層信息誤比特率高,無法解碼,低優(yōu)先級信號傳送失敗。然而,高優(yōu)先級的信息比特仍然可以有效送達(dá),其A到B的端到端BER可表示為
同理,高優(yōu)先級信息從B到A的端到端BER可表示為
若下行階段也不對稱,即HM-PNC系統(tǒng)的上下行通信均為非對稱情況。由于上行信道的不對稱,決定了中繼收到的低優(yōu)先級疊加信號誤比特率高,高優(yōu)先級疊加信息誤比特率低。而下行信道不對稱時,由于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的低優(yōu)先級信號具有較高的誤比特率,不管傳送的信道好壞,終端收到的低優(yōu)先級信號只會更差。因此,該情況下的信息傳送效果與Ⅱ類非對稱相似,都只能保障高優(yōu)先級信號的有效傳輸。
5.1 HM-PNC系統(tǒng)中繼R的BER性能
在Ⅰ類非對稱信道下,兩條上行鏈路擁有對稱、信道好的條件,從圖5可看出中繼節(jié)點(diǎn)對疊加信號的譯碼效果很好,2/4-PSK分層調(diào)制的高位比特數(shù)據(jù)和低位比特數(shù)據(jù)及QPSK調(diào)制的比特數(shù)據(jù)均有以上的BER表現(xiàn),即信號分層與不分層調(diào)制的BER表現(xiàn)相近。
圖5 Ⅰ類非對稱信道下中繼R的BER
在圖6的Ⅱ類非對稱信道下,兩條上行鏈路不對稱、信道一“好”一“差”,采用QPSK調(diào)制的信號,在中繼處疊加信號的譯碼表現(xiàn)很差,BER比差,可以判斷為譯碼失敗,即信號發(fā)送失敗,需更換調(diào)制方式重新發(fā)送數(shù)據(jù)。然而,采用2/4-PSK分層調(diào)制的高位比特數(shù)據(jù)BER依然有明顯好于的效果,保證了高優(yōu)先級信息的傳送。以上分析均體現(xiàn)出在端到中繼的信息傳輸中,HM-PNC方案的可靠性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案。
圖6 Ⅱ類非對稱信道下中繼R的BER
5.2 HM-PNC系統(tǒng)端到端的BER性能
從圖7和圖8可知,在信號從A到R再到B的鏈路中,若經(jīng)歷Ⅰ類非對稱信道,則要受到下行鏈路R2B的較差信道影響;若經(jīng)歷Ⅱ類非對稱信道下,則要受上行鏈路B2R的較差信道影響。在這兩類狀態(tài)下,均導(dǎo)致采用QPSK-PNC方案的信號端到端BER大于,相當(dāng)于信號發(fā)送失敗,需更換調(diào)制方式重新發(fā)送數(shù)據(jù)。然而,采用HM-PNC方案的高位比特數(shù)據(jù)的BER依然保持小于的效果,保證了高優(yōu)先級信息的傳送;低位比特數(shù)據(jù)的誤比特率BER雖大于,但這部分?jǐn)?shù)據(jù)影響不大,可舍去。從以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出,HM-PNC方案在端到端的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面依然優(yōu)于傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案。
圖7 Ⅰ類非對稱信道下A到B的BER
圖8 Ⅱ類非對稱信道下A到B的BER
在信號從B到R再到A的鏈路中,若經(jīng)歷Ⅰ類非對稱信道,則整個鏈路均享受著較好的信道條件,從圖9可看出,HM-PNC方案有著與傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案相近的端到端BER性能,能滿足信道的高速率傳輸。若經(jīng)歷Ⅱ類非對稱信道下,則要受上行鏈路B2R的較差信道影響,從圖10可看出,QPSK-PNC方案已失去意義,而HM-PNC方案仍能保證高位比特數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
圖9 Ⅰ類非對稱信道下B到A的BER
圖10 Ⅱ類非對稱信道下B到A的BER
5.3 不同的調(diào)制能量比對HM-PNC系統(tǒng)BER的影響
圖11不同調(diào)制能量比下的基本層BER
圖12 不同調(diào)制能量比下的附加層BER
針對非對稱信道條件下,傳統(tǒng)調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能下降問題,文中提出了HM-PNC解決方案。在兩類典型的非對稱AWGN信道條件下,給出了2/4-PSK分層調(diào)制下的PNC方案中繼及端到端BER計算理論公式,并與采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制的PNC方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真比對。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,在信道條件較好時, HM-PNC性能與傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案相近,有著優(yōu)于的BER表現(xiàn),能保障系統(tǒng)的高速率信息傳送。相比傳統(tǒng)方案和網(wǎng)絡(luò)編碼方案,能有效提升吞吐量性能。在信道條件不好時,HM-PNC系統(tǒng)基本層信息的BER也好于,確保高優(yōu)先級信息傳輸?shù)目煽啃?,對系統(tǒng)增益的提升效果明顯。這些特點(diǎn),使得HM-PNC方案在實(shí)際的無線通信中具有更好的移動性能。由于對HM-PNC方案的研究還不多,如何充分挖掘HM-PNC的特性是值得深入研究的問題。
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Physical-layer Network Coding Based on Hierarchical Modulation
TANG Meng①CHEN Jianhua①ZHANG Yan①②ZHANG Yufeng①
①(,,650091,)②(,,650091,)
In wireless communication network, the channel state information is complicated. A joint Hierarchical Modulation and Physical-layer Network Coding (HM-PNC) scheme is proposed for the asymmetric Two-Way Relay Channel (TWRC). In this scheme,the two source nodes and the relay node adopt the hierarchical modulation technology (2/4-PSK). In the relay node, a special demodulation/modulation and PNC mapping rule is designed.Corrupted byAdditive White Gaussian Noise (AWGN), the relay Bit Error Ratio (BER) and the end-to-end BER expressions are derived. Simulation results show that the HM-PNC scheme not only improves the data rate in better links, but also takes into account the transmission reliability of the poor channels. Compared with the traditional QPSK-PNC scheme, the HM-PNC scheme has better mobile performance.
Physical-layer Network Coding (PNC); Hierarchical modulation; Two-Way Relay Channel (TWRC); Asymmetric channels
TN925
A
1009-5896(2016)10-2568-07
10.11999/JEIT151470
2015-12-24;改回日期:2016-07-22;網(wǎng)絡(luò)出版:2016-07-15
陳建華 chenjh@ynu.edu.cn
國家自然科學(xué)基金(61062005, 61561049)
The National Natural Science Foundation of China (61062005, 61561049)
唐 猛: 男,1979年生,副研究員,博士生,研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼、協(xié)同通信.
陳建華: 男,1964年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾畔鬏斃碚撆c應(yīng)用.
張 艷: 女,1978年生,講師,博士生,研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼.
張榆鋒: 男,1965年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閿?shù)字信息處理理論與微弱信號檢測、醫(yī)學(xué)電子學(xué)等.