无线信道

无线信道（精选9篇）

无线信道 篇1

1 引言

在无线通信的发展过程中,合作通信是近几年来发展最快的研究领域之一。这一技术的核心思想是网络中多个节点进行资源共享,从而实现整个网络节约资源的目的。只要网络中终端数目超过两个,就有可能采用中继协作方式进行通信[1]。

采用中继协作方式进行通信时,协作伙伴的选择是一个关键的问题。关于协作伙伴的选择也有很多策略如Song Wenmiao等提出了基于最小错误率的伙伴选择方法[2];Nam Soo Kim等根据接收端接收到的中继信号的强弱选择[3]等。信道容量是系统性能的重要参量之一,研究以信道容量最大为约束条件时合作伙伴的选择是有意义的。中继节点个数,位置和天线的根数对信道容量均有很大的影响,文章主要研究中继节点位置对信道容量的影响。

文章通过分析模型构造了一个特定函数,并从该函数的特点出发,得出了信道容量的表达式。通过分析计算和系统仿真可知,中继节点位置存在使信道容量最大的唯一最优值,这一结论有效的缩小了中继节点位置选择的范围,有助于提高协作伙伴选择的效率。文章通过仿真还讨论了信道衰落模型中传输吸收常数和路径损失指数对信道容量的影响。仿真表明随着传输吸收常数和路径损失指数的增大,中继节点的最优位置将更加靠近目的节点,但对应的信道容量的最大值将减小。

本文组织如下:首先在第一部分给出系统模型;第二部分从数学公式角度分析了中继节点的位置对无线信道容量的影响,得出了信道容量的具体表达式,并试图寻找以容量最大为约束条件时,中继节点的最优位置;第三部分给出一个具体的数值例子,通过系统仿真表明本文的分析方法正确,并进一步分析了信道传输吸收常数和路径损失指数对信道容量和中继节点最优位置的影响;第四部分总结全文。

2 系统模型

无线通信中继信道模型如图1所示。该中继信道是由三个终端组成的传输信道。这些终端分别定义为源节点(Source)、中继节点(Relay)和目的节点(Destination)。源节点以功率1P发射信号Xs,中继节点接收到的信号为rY,然后对rY进行某种检测和(或)解码,再编码后以功率2P发送信号Xr;目的节点接收的信号记为dY。信号在传输的过程中同时受到衰减和噪声的影响。假设中继节点接收机接收到的噪声为Zr~N(0,Nr),目的节点接收到的噪声为Zd~N(0,Nd)。

源节点和目的节点的距离设为d,假设源节点和中继节点之间的距离为x,不失一般性和简化考虑,中继节点和目的节点的距离为(d-x)。信号衰减系数表达式为:h(x)=e-γx(1+x)δ,其中γ≥0是传输吸收常数(γ只有在真空环境下等于0),δ>0是路径损失指数(一般情况下取值为2~6)[4]。源节点和目的节点之间的信道衰减系数为:hsd=h(d)=e-γd(1+d)δ,源节点和中继节点之间的信道衰减系数为hsr(x)=h(x)=e-γx(1+x)δ,中继节点和目的节点之间的信道衰减系数为hrd(x)=h(d-x)=e-γ(d-x)(1+(d-x))δ。由上面的表达式可知hsr(x)是x的单调减函数,hrd(x)是x的单调增函数。对应的边界条件为:h sr(0)=hrd(d)=1,hsr(d)=hrd(0)=hsd。

3 信道容量分析

3.1 容量计算

Cover和Gamal已经证明了退化无线中继信道容量为[5]:

根据式(1),经过计算可得到信道容量为[6]:

3.2 分析计算C(x)和xopt

把可取到容量最大值的x记为xopt,最大容量值记为Cmax。

由hsr(x)的表达式可知h sr(x)是x的单调减函数,而hrd(x)是x的单调增函数,从而f(α,x)是x的单调增函数,同时f(α,x)是α的单调减函数;同样g(α,x)是x的单调减函数,是α的单调增函数。令y(x)=f(1,x)-g(1,x),0≤x≤d,对于确定的x来说,f(1,x)是f(α,x)的最小值,g(1,x)是g(α,x)的最大值,因此y(x)是表达式(f(α,x)-g(α,x))的最小值。由f(α,x)和g(α,x)关于x的单调性可知y(x)是x的单调增函数。

因为y(x)是x的严格单调函数,利用高等数学连续函数零点定理可知,如果y(0)⋅y(d)>0,则y(x)=0在区间[0,d]上无实数根;如果y(0)⋅y(d)≤0,则y(x)=0在区间[0,d]上有且只有一个实数根。下面对y(0)和y(d)分情况讨论。

对于∀x∈[0,d]均有y(x)>0成立,即

故有C(x)=max0≤α≤1min{f(α,x),g(α,x)}=g(1,x)

即:

即

由式子(9)和式子(13)可得

4 系统的仿真分析

4.1 仿真条件

源节点和中继节点发射信号功率比值为:P1 P2=1.25,中继节点和目的节点接收噪声方差比为:Nr Nd=1,源节点和目的节点的距离设定为:d=1,路径吸收常数γ=0,0.1,0.2,0.5,0.8,1,2,路径损失指数δ=1.8,2,3,4 5,。

4.2 仿真结果分析

1.按照公式(2)和依据本文结论公式(16.1)仿真的得到的信道容量曲线对比图如图2所示。

从仿真图形上可以看出两条曲线基本重合。各自得到的协作中继位置的最佳值分别为xopt=0.4600和xopt=0.4610。仿真结果说明了本文所得结论的正确性。

2.运用本文结论,通过仿真计算得出不同γ和δ下信道容量最大值Cmax(见表1)和对应的中继最优位置xopt的值(见表2)。图3给出γ=1,δ=1.8,2,3,4 5,时信道容量曲线。图4给出γ=0,0.1,0.2,0.5,1,2,δ=2时信道容量曲线。

从表1,表2和图3,图4可看出,随着传输吸收常数γ和路径损失指数δ的增大,中继最优位置xopt的取值变大,而信道容量的最大值Cmax变小。这个结论与从物理模型得到的直观结果一致。

4 结束语

本文通过构造特定方程的方法分析了中继节点位置对信道容量的影响,同时仿真说明了信道衰落参数对信道容量的影响。给出了一个数值例子,通过系统仿真,得出了信道衰落模型中不同的传输吸收常数和路径损失指数下信道容量的最大值和中继节点的最优位置。这对中继位置的选择有指导意义。仿真表明,当传输吸收常数和路径损失指数增大的时候,中继节点的最优位置向目的节点移动,同时信道容量的最大值减小,这个结论具有很直接的物理意义。

参考文献

[1]FRANK H.P.FITZEK,MARCOS D.KATZ编,程卫军,闫晓东等译.无线网络中的合作原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]SONG WEN MIAO,LI YONG QIAN,LI BAOGUANG,HU JIAN DONG.Cooperative partners selectionin the cooperative diversity ad-hoc network[A].The Second International Conference on Mobile Technology,Applica-tions and Systems[C].UK,2005,4.

[3]NAM SOO KIM,YOUNG SANG KIM.Cooperativediversity with combining in Rayleigh fading for wirelessad-hoc networks[A].8th International Conference on Ad-vanced Communication Technology[C].NJ,USA,2006,1:4.

[4]XIE LIANG LIANG,KUMAR P.R.A Network In-formation Theory for Wireless Communication:Scaling Lawsand Optimal Operation[J].IEEE Transactions on Informa-tion Theory,2004,50(5):748-766.

[5]COVER T M,GAMAL A A,Capacity Theorems forthe Relay Channel[J].IEEE Transactions on InformationTheory,1979,25(6):572-584.

[6]张源,高西奇.三节点无线高斯中继信道容量分析[J].通信学报,2006,27(7):127-134.

无线信道 篇2

今天我在家里上网，突然网络出现问题，所有网页无法打开，路由器的IP也Ping不通，然而无线连接并没有断开。我尝试重新连接路由器、重启路由器，都无济于事，把笔记本抱到无线路由器旁边又能正常使用。于是，我怀疑路由器的无线信号受到干扰，修改了“信道”设置，成功解决了这个问题！

当你笔记本搜到两个或多个无线网络，当你发现网速时快时慢、甚至会经常掉线，当你上网经常出现“连接受限”，请耐心看下这篇文章。

网络质量除了客户机无线网卡或无线路由器的质量问题，有一个不容忽视的要素，就是不同的无线网络的信号干扰，使无线网络的性能受影响。我这个问题的罪魁祸首就是：我的无线网络和另外两个无线网络使用了相同的信道，或者使用了能够相互干扰的某些信道。

一、信道是什么？

无线网络信号在空气中以电磁波传播，他的频率是2.4～2.4835GHz，而这些频段又被化分为11或13个信道（802.11b/g网络标准，普通路由都是这个标准）。在我的TP-LINK无线路由器中，就有13个信道可以选择。通常情况下，默认的信道是“6”，这在单一的无线网络环境中可以正常使用，但如果处于多个无线网络的覆盖范围内，无线路由器都使用默认的信道“6”，肯定会产生冲突的，影响无线网络的性能。

二、正确选择信道

首先大家要清楚的知道，虽然在802.11b/g网络标准中，无线网络的信道虽然可以有13个，但非重叠的信道，也就是不互相干扰的信道只有1、6、11（或13）这三个。是不是感觉很奇怪呢？不同的信道还能产生干扰或重叠？确实这样！打个比方，信道3会干扰信道1～6，信道9干扰信道6～13等，因此，要保证多个无线网络在同一覆盖地区稳定运行，建议使用1、6、11（或13）这三个信道。如在办公室有三个无线网络，为避免产生干扰和重叠，它们应该依次使用1、6、11这三个信道。

对于在家使用的无线路由器，建议将信道设成1或11，这样可以最大限度的避免和别家的路由器发生信号重叠。因为大多数人并不会修改这个设置而保持默认的6信道。

当然802.11b/g网络标准中只提供了三个不互相重叠的信道，这些可使用的非重叠的信道数量有点偏少，但对于一般的家庭或SOHO一族无线网络来说，已经足够了。如果你的办公区域需要多于三个以上的无线网络，建议你使用支持802.11a标准的无线设备，它提供更多的非重叠信道，我在这里只是介绍针对家庭的小型无线网络，因此，所有内容的讨论是针对802.11b/g网络标准的。

三、信道与协议知识拓展

如果您对网络或电磁学不那么熟悉或感兴趣，那么看到这里就行了。因为下面的知识比较专业……

在普通情况下，可用信道在频率上都会重叠交错，导致网络覆盖的服务区只有三条非重叠的信道可以使用，结果这个服务区的用户只能共享这三条信道的数据带宽。这三条信道还会受到其它无线电信号源的干扰，因为802.11b/g WLAN标准采用了最常用的2.4 GHz无线电频段。而这个频段还被用于各种应用，如蓝牙无线连接、手机甚至微波炉，这些应用在这个频段产生的干扰可能会进一步影响无线用户的使用。

而在同样是54Mbps的传输速率的802.11g与802.11a标准中，802.11a在信道可用性方面更具优势。这是因为802.11a工作在更加宽松的5GHz频段，拥有12条非重叠信道，而802.11b/g只有11条，并且只有3条是非重叠信道（1、6、11或13）。所以802.11g在协调邻近接入点的特性上不如802.11a。由于802.11a的12条非重叠信道能给接入点提供更多的选择，因此它能有效降低各信道之间的冲突。

但事物都有两面性，802.11a也正因为频段较高，使得802.11a的传输距离大打折扣，它的的覆盖范围只有802.11b/g的一半左右或更低，以实际情况来说，如果一个802.11b无线路由器的室内覆盖可达80米，那么802.11a就只能达到30米左右。此外，由于设计复杂，基于802.11a标准的无线产品的成本要比802.11b高的多。信道数占优不向下兼容的802.11a最终在市场上失败也就不难理解。

当然，802.11g以54Mbps的高速和向下兼容802.11b的优势击败了802.11a,但随无线设备的普及化802.11b/g目前也面临困窘。802.11a支持12条非重叠信道，因此其总带宽为54Mbps*12=648Mbps。而802.11g只支持3条非重叠信道，其总带宽仅为

54Mbps*3=162Mbps。也就是说，当接入的客户端数目较少时，你也许分辨不出802.11a和802.11g的速度差别，但随着客户端数目的增加，数据流量的增大，802.11g便会越来越慢，直至带宽耗尽，更不用说802.11b了。

很多人认为Intel新推出的迅驰2代中使用的英特尔PRO/无线2195A/B/G三频无线网卡新增支持802.11a标准，看做是一种市场的倒退或止步不前，但我们通过以上以上分析，你会发现Intel或许也正面对这种802.11b/g所带来的信道和带宽困惑，至少目前从国外无线普及较早的国外用户的反馈来看，事实正是如此。

此外，虽然目前一些厂商已在开发一种可在双频工作的能够兼容802.11a（5GHz）和802.11g（2.4GHz）的无线局域网方案，但一个双频接入点通常需要两个独立的射频模块及相应独立的数据处理能力，这将导致成本在独立型设备上的居高不下。而意法半导体

（STMicroelectronics）的频段交错技术等方案其采用频段交错技术的接入点在两个频段之间交替工作，而不是同时工作在两个频段内，虽然能降低成本，但其仍比普通的单频接入节点的成本要高。所以，Intel在新一代迅驰中兼容802.11a标准，可以看做是一种新无线标准尚未出台前的一种无奈的对此有强列需求的用户短期解决方案。

无线信道 篇3

发展迅猛，移动通信用户数量日趋增增加，同时我们现阶段的区域信道还是远远滞后于通信事业的发展，造成很多地区严重不足，在繁忙时候，用户甚至无法拨出电话，当用户在呼叫失败后多会试图重新呼叫，特别当TCH不足的情形下，用户呼叫字数就会呈现几何式增长，出现“越不通越打，越打越不通”的情形。但是由于移动通信的话务量与当地人口总量呈比例，与经济发展状况也息息相关，在不能进行大幅度扩容的情形下，我们可以通过各种方面来解决信道堵塞的难题。

1、分裂技术

分裂技术是增加网络容量的优选方案，有些区域由于位于边界，边界如果超过了高话务地带，就会产生一定的信道堵塞问题，该位置会发生频繁的位置更新，这种情况下可以用过分裂技术予以解决。分裂技术在一些频谱资源丰富的地区，分裂成一些小面积的区域，同时也增加原区域的载频数，在解决GSM的覆盖问题，从而达到扩容的目的。通过分裂技术，全网载频数、信道数、话务量、用户数等均大幅度增加，减小了单位小区的面积，同时应保持频率复用方式的规则性与重复性，要确保已建基站可继续使用，尽量减少或避免过渡区。

2、频段扩展和频率紧密复用技术

频段扩展也是解决移动通信系统无线信道拥塞问题的措施之一，目的是通过扩容来达到最终效果。由于GSM交织编码等手段，同时也有一些旨在提高频谱效率的技术，这使得移动通信网络对使得频率的紧密复用成为可能。（l）跳频。跳频就是载频按某种频率序列进行跳变，它包括基带跳频与射频跳频两种。跳频的作用是提供了频率分集，提高了系统的抗干扰、抗衰落能力。（2）非连续发射。采用DTX技术，可降低系统总的干扰水平。（3）功率控制。这也是降低干扰从而提高容量的有效手段。

3、微蜂窝与微微蜂窝技术

通过微蜂窝与微微蜂窝技术来提高无线网络容量、防止信道堵，其主要适用范围有以下几个：一是在一些大型建筑区域，也是移动通信网络使用量大、使用频率高的地区，如一些大型宾馆、商场和娱乐场所等。二是用于高话务地区或者低话务密度地区，在这些地区来解决网络覆盖不足的问题。实践中发现，微蜂窝与微微蜂窝技术效果显著，特别是微蜂窝，体积小而且使用安装比较方便，使用效果明显，可以迅速解决一些大型建筑区域的容量与覆盖问题。但是缺点也是存在的，就是随着移动通信数量的不断增加，在一些大城市中对于微蜂窝的需求也与日俱增，造成成本的快速增长。再就是用分层结构时，网络结构复杂，增加了频率规划的难度。因此，在宏蜂窝覆盖不到而话务量又很大的地点，应使用微蜂窝作为覆盖补充，而话务量很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖。

无线信道建模方法综述 篇4

截至目前, 对无线信道的研究已取得了巨大的成果。通过总结可以得出, 无线信道建模的方法可以分为3种, 即统计性建模方法、确定性建模方法以及半确定性建模方法[1]。

1 统计性建模方法

统计性建模方法也称为参数建模法, 主要依赖于信道测量, 是基于无线信道的各种统计特性建立的信道模型。该方法通过对某一区域进行实际测量, 从大量的实测数据中归纳出信道各种重要的统计特性, 来得到无线传播的经验公式, 并以此运用到实际传播环境中其他建筑材料结构相似的区域。

统计性建模方法可细分为参数化的实际统计建模方法和基于物理传播的理论建模方法[2]。参数化统计建模方法将接收信号视为许多电磁波的迭加, 以构建信道衰落的特征。将通过直射、反射和散射等方式传播的射线用幅度、时间、空间三维坐标上的脉冲序列来表示, 直接对时延扩展、多普勒扩展和角度扩展等参数进行建模。这类模型有广义平稳非相关散射 (WSSUS) 模型和Clarke模型。基于物理传播的理论建模方法通过描述传播环境中存在的散射体的统计分布, 利用电磁波传播的基本规律构建衰落信道模型。该方法主要应用在MIMO信道的研究中, 主要借助一些重要物理参数如到达角 (AOA) 、离开角 (AOD) 与到达时间 (TOA) 等描述信道特征与散射分布。

根据无线信道测量的侧重点和所采取的方法的不同, 统计性建模又可以分为信道冲激响应建模和随机信道建模[3]。信道冲激响应建模侧重于无线信道多径衰落, 建立的模型多为抽头延迟线模型。这类模型包括S-V模型、SIRCIM模型、Δ-K模型]等, 分别适用于不同类型的环境。随机信道建模法多用于窄带通信系统的建模, 主要是预测一个大范围内的信号强度变化规律或概率密度函数。这类模型主要有目前比较成熟的瑞利衰落模型、莱斯衰落模型以及对数正态衰落模型、Suzuki模型、Clarke模型, 将莱斯模型和对数正态衰落模型进行组合的莱斯对数正态模型等。

2 确定性建模方法

确定性建模方法是利用传播环境的具体地理和形态信息, 依据电磁波传播理论或者光学射线理论来分析并预测无线传播模型。该方法要求得到非常详细的信道环境信息, 如地理特征、建筑结构、位置和材料特性等, 环境描述的精度越高, 确定性模型越接近实际传播情况。与统计性建模的主要区别是确定性建模不需要进行大量的实测, 只需传播环境的详细信息就可对信号的传播做出较为精准的预测。由于计算量的限制, 确定模型方法大多应用于如室内等较小范围的信道建模。常用的确定性建模方法包括射线跟踪法和时域有限差分法 (FDTD) 。

2.1 射线跟踪法

射线跟踪方法最早出现在20世纪80年代初, 常用于近似估算高频电磁场。它的基本原理是几何光学 (Geometric Optic) , 认为电磁波的能量可以通过直径无限小的射线向外辐射。但由于在几何光学中, 只考虑直射、反射和折射射线, 而无绕射射线, 因此引入几何绕射理论GTD (Geometric Theory of Diffraction) 和一致性绕射理论UTD (Uniform Theory of Diffraction) 来补充。

射线跟踪法的基本思想是:将发射点视为点源, 其发射的电磁波作为向各个方向传播的射线, 跟踪每条射线, 考虑所有通过直射、反射、散射等传播方式到达接收机的射线, 将这些射线的场强矢量叠加, 就可得到接收点处的信号强度、相位、方向等信息, 从而实现传播预测。

其中:h (t) 是信道冲击响应, 它是所有射线的叠加;N是接收到的总射线数;τn是第n条射线到达接收机的时间;An是第n条射线的幅度;θn是第n条射线的相位。

射线跟踪法将射线的跟踪分为3个部分:射线发射、射线跟踪和射线接收。因此该方法一般分3步进行:

(1) 以发射天线为原点确定发射角构造射线集; (2) 对发射射线集的每根射线进行跟踪, 记录每条射线的传播路径, 当射线场强小于接收场强阈值或射线反射次数大于规定值时停止追踪; (3) 把所有到达接收点的射线场强矢量叠加即可得到总的接收场强。

实际应用中, 射线跟踪技术主要包括镜像法、射线发射以及射线管的射线跟踪技术。一般对于复杂度不是太高的环境多采用镜像法来确定射线的传播路径。

射线跟踪法有正向和反向2种算法。两者的主要区别是正向射线跟踪算法是由源点出发, 而反向射线跟踪算法的思想是由接收端场点出发。正向射线跟踪算法的优势在于快速有效、方法简单易实现;反向射线跟踪算法的优势在于精确度高[4]。在实际中一般多采用正向射线跟踪算法。

2.2 时域有限差分法

时域有限差分法 (FDTD) 算法是K.S.Yee于1966年提出的, 经过多年的研究, FDTD在电磁兼容分析、微波电路的时域分析、天线福射特性等问题上取得了丰硕的成果, 是目前应用较为广泛的计算电磁方法。其基本思想是将麦克斯韦电磁方程在时域内用二阶的差分方程描述, 这样就能够用差分迭代的方法来求解电磁波的传播问题。差分格式、解的稳定性、吸收边界条件是FDTD算法的3大要素。FDTD算法采用基于差分原理的差分方程的形式, 以差分方程组的解来代替原来电磁场偏微分方程组的解, 要使代替有意义, 离散后差分方程组的解必须是收敛和稳定的, 只要能够给出求解问题的合适的边界条件, 就可以用FDTD分析求出包含时间变量的电磁问题中的解。

由于FDTD是在Maxwell方程组的基础上进行分析, 因此能够充分描述电磁波的传播特性, 精度较高, 但该方法需要详尽的传播环境细节, 未知量较多, 求解算法较复杂, 从而会消耗较多的计算资源。该方法通常用于小尺寸的问题。

由于FDTD方法需要大量的存储空间来保持对区域内所有物体的分辨率, 因而通常与射线跟踪法混合, 基本思想是用射线追踪法处理较大范围的区域, 而用FDTD处理那些用射线追踪法精度不高且靠近具有复杂材料特性的小范围区域。

虽然确定性建模方法算法复杂, 消耗资源较大, 但随着电子设备的不断更新换代, 计算机的计算能力及速度得到大幅度提升, 处理高强度算法已不再是难题, 因此, 鉴于其高精度优势, 该方法成为当前电波传播领域主要的研究方向。

3 半确定性建模方法

半确定性建模方法介于统计性建模和确定性建模之间, 融合了两者的优点, 复杂性低, 而且能较好符合于实际环境, 对大多数的无线信道模型能够进行准确的计算。是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式中, 有时为改善它们的精度, 使其保持和实验结果的一致性, 需根据实验结果对公式进行适当的修正。半确定性建模方法主要有随机几何建模方法和相关矩阵法。

随机几何建模方法是对确定性模型中的射线追踪法的一种简化, 其不需要信道环境的详细参数。该类模型主要有C0ST259模型, IMT-Advanced模型, 以及SCM/SCME模型、WINNER信道模型等。

相关矩阵法体现了空间信道之间的相关性, 利用实际测量的数据或信道统计信息得到空间信道的路径时延、出入射角等参数, 然后由这些参数推出信道空间相关矩阵[5]。利用相关矩阵法建立的信道模型有Kronecker模型, VCR模型和Weichselberg模型、3GPPLTE信道模型和IEEE802.11n信道模型等。

4 结语

好的信道模型对于准确预测无线电波的传播特性, 无线通信系统的架构及其重要。本文介绍了目前比较成熟已得到广泛应用的3种信道建模方法, 指明了各方法的优势及弊端。在具体实际应用中, 应综合考虑具体的环境、条件以及要求有针对性的选择最有效的方法, 使所建模型在满足需求的前提下最大节约成本。当然, 随着研究的进一步深入, 必定会出现更为高效的建模方法, 充分发挥低复杂性和高精度的优势, 为无线通信系统的设计和规划提供更为科学的依据。

参考文献

[1]杜加懂, 林辉.多天线无线信道仿真与建模方法[J].电信网技术, 2007 (10) .

[2]杨雪莲.基于射线跟踪的海洋表面无线信道建模研究[D].厦门:厦门大学, 2014.

[3]高林毅.室内宽带无线信道测量与建模技术研究[D].北京:北京交通大学, 2011.

[4]黄海艺.射线跟踪模型及应用实例[J].现代电信科技, 2010 (2) .

无线信道图像传输系统设计 篇5

在某红外图像传输系统中, 存在多信道通信状况, 需将红外图像及其他信息通过空中信道传回指控平台, 以进行战场状态评估、目标选择和控制指令的发送。在战时的无线信道中总是存在着噪声、干扰、多径衰落等各种影响, 这就要求传输系统设计时既要采用有效的数据压缩方法来降低传输码率, 尽量节省传输信道带宽, 同时又要引入差错控制方式来抵制信道噪声的干扰[1,2,3]。

本文考虑了系统的综合要求:系统容量、作用距离、收发时延及算法实现复杂度, 采用了8倍图像压缩、RS编码加交织的方式进行了无线链路的设计, 采用大规模FPGA完成发送端及接收端的算法实现, 并通过试验验证设计指标满足系统要求。

1无线信道图像传输系统设计

1.1 系统特点

系统容量有限 实际使用环境中图像发送端和接收端都处于空中平台中, 考虑系统中有多个数据流通信, 图像实际使用带宽过大, 一方面影响整个系统容量, 另外会带来接收端诸多问题, 为满足实际工程应用, 必须控制每组信道的使用带宽, 故而需将图像压缩后传输。

实时性 由于图像发送和接收的实时性要求高, 使用体积有限, 故而选择的图像压缩和解压缩算法必须高效、易于实现, 同时时延小。

高保真图像显示 由于接收端需要对图像进行分辨从而做出正确的选择, 因而图像压缩算法必须选用高保真的压缩算法。

干扰信道环境 使用环境为战时复杂的电磁环境, 信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机干扰。

1.2 系统方案

由于系统容量要求, 采用频分体制完成多个信道的同时工作, 同时将红外图像压缩后传输以减小每个信道使用带宽。

考虑到使用环境的体积有限, 实时性及高保真要求, 选择多分辨率重采样图像压缩算法解决方案, 压缩采用硬件实现, 解压缩使用软件在计算机内处理后显示。

由于实际信道存在突发干扰和随机干扰, 而压缩后的图像数据非常敏感, 一个误码就能导致一帧数据的重放失败, 影响接收端使用, 故必须使用纠错编码来抵制信道中的干扰。选择纠错编码不仅需考虑面临的干扰形式还必须考虑编解码实现的难易度、效率、时延。通过对比和仿真, 采用战术数据链中通用的RS编码并进行交织以提高系统抗干扰能力。同时选择合适的发送天线, 合理分配各组件增益, 根据系统使用需求, 使用控制电路完成对发射信号的发送控制[4,5,6]。

无线信道图像传输系统原理框图见图1。

1.2.1 发送端设计

发送端包括三部分:综合基带、发射机和天线。

综合基带是其中的关键部件, 完成对图像数据的采集、压缩、编码和交织, 完成对状态数据的采集、编码, 完成对传送数据的组帧输出及对发射信号的发送控制。考虑功耗、体积和实际耗费资源, 选择一片大规模FPGA完成所有信号处理。

发射机完成数据调制、放大输出。

天线完成微波信号的辐射。

1.2.2 接收端设计

接收端包括四部分:接收天线、信号处理机、接收处理组件。

接收天线完成微波信号的接收。

信号处理机完成图像数据的解交织、解码和状态数据的解码, 同时完成解码数据的组帧和USB数据同步、缓存及数据输出。考虑功耗、耗费资源和处理时延, 采用一片大规模FPGA加FIFO及接口芯片完成相应处理。

接收处理组件完成数据的接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据的提取和显示。解压缩采用软件实现, 解压缩软件嵌入到指控平台接收端的接收软件中, 在接收信号的同时完成压缩图像的解码和实时显示。

1.3 关键技术

1.3.1 天线设计

由于发送端设备位于导弹上, 接收端设备位于飞机上, 故而存在收发天线失配问题, 设计时接收端天线采用圆极化形式, 发送端天线采用一对垂直分布的线极化天线, 这样将极化损耗降到最低, 有利于接收端的接收。同时考虑通信时抗干扰问题, 发送端天线采用后向天线图形式, 为增加抗干扰性, 还要求发送端天线具有一定的增益。图2为发送天线仿真图。

1.3.2 信源信道联合编解码技术

由于红外导引头的图像格式不是标准的视频图像格式, 普通的视频图像压缩标准并不适用;红外导引头的图像具有目标形状变化比较快的特点, 也不适用帧间压缩方式;同时考虑到弹上应用环境的特殊性, 压缩算法必须具有硬件实现简单、体积和功耗小, 考虑实际使用环境, 其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性强的特点, 因此, 选用多分辨率重采样图像压缩算法对图像数据进行压缩[7,8,9]。

根据压缩后的图像比特数, 将全帧数据分为若干个子帧, 对每个子帧进行RS编码, 然后将所有子帧进行交织以打乱信道突发干扰对传输信息的影响。

接收端若使用软件对RS码解码, 会造成较大的时延, 故使用硬件完成图像数据的解交织、译码和状态数据的译码, 使用软件完成图像数据的解压缩和图像显示。

1.3.3 信号处理平台的选择与设计

设计初期必须进行发送端和接收端的信号处理平台的选择。目前信号处理平台有三种模式:纯DSP, 纯FPGA和DSP加FPGA模式。纯DSP模式下最大限制是其只能进行流水线操作, 对于控制和其他操作并行的设计并不适合, DSP加FPGA模式灵活性最好, 但是调试较为麻烦, 同时考虑实际使用体积和功耗, 最终选择采用FPGA (Field Programmable Gate Array, 现场可编程阵列) 作为信号处理平台。目前ALTERA 公司的高端产品接口丰富, 内部具有大量的宏单元, 且有内嵌RAM块、DSP块、锁相环 (PLL) , 可作为一个可编程的片上系统 (System on a Programmable Chip) 使用, 具有很好的可重复性和可靠性, 同时调试上可以采用内部逻辑分析仪signapⅡ, 人机界面非常友好[10,11]。

2验证

为验证系统设计可靠性, 在实验室内测试了实时时延, 通过室外验证试验验证了作用距离。实验室内原理框图见图3。室外验证试验框图见图4。

因为实际最大的空间传输时延是可以计算出来的, 使用衰减器将发送端和接收端直接连接在一起, 直接测试发送端和接收端的图像数据起始端的信号差异即可测出系统时延。为进行此测试, 综合基带和信号处理机都特地产生一个状态信号, 分别表示发送端接收到图像数据时的状态和接收端接收图像数据时的状态, 此两种状态信号直接进入示波器中, 示波器对两路输入采用触发状态采集, 两路信号的时间差加最大空间传输时延即是系统的时延, 反映出系统的实时性。

通过测试, 时延满足系统要求。

室外验证试验中, 接收天线采用双天线接收, 增益为17 dB, 选择分集合成接收机, 在发射系统天线前端使用衰减器。收发两地实际距离为9.1 km, 衰减器在54 dB时接收端图像及同步信号皆正常, 在55 dB时图像出现马赛克现象, 同步显示正常。由于测试缘故, 系统损耗比实际使用时的损耗多5 dB。系统作用距离要求为20 km, 由以上测试可知, 作用距离完全满足要求。

3结语

针对系统要求, 通过多频点传输完成多信道并存问题, 通过科学分配系统参数, 合理选择收发天线类型, 并采用多分辨率重采样图像压缩加RS编码加交织的信源信道联合编码, 成功解决图像在干扰信道下的传输问题, 目前作用距离和时延测试满足系统要求, 验证了设计的合理性, 并为其他图像传输系统的设计提供有益的参考。

摘要：针对某红外图像在干扰信道中的可靠传输问题, 通过分析系统使用特点:处于干扰信道环境, 要求图像传输实时性好、高保真显示及容量大, 采用了多频点传输, 带限信道, 合适的天线形式和信源信道联合编解码解决的方案, 解决了干扰信道下的图像数据可靠传输问题, 应用大规模FGPA完成信号处理的工程实现, 通过试验验证了系统满足传输距离及时延要求。

关键词：图像传输,图像压缩,RS编码,交织,试验

参考文献

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[10]杨小牛, 楼才义, 徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2001.

无线接入信道损耗特性分析 篇6

在无线接入信道,电波不仅随传播距离的增加而发生弥散损耗,并且会受到地形、地物遮蔽而发生“阴影效应”,而且信号经过多点反射,会从多条路到达接收端,这种多径信号的幅度、相位以及到达时间都不一样,它们相互叠加产生电平快衰落和时延扩展。工程实际中,常常用一些特征量来表示衰落信号(快衰落)的幅度特点,这些特征量主要有衰落速率和衰落深度。本文将对莱斯和瑞利2种小尺度衰落信道条件下的衰落速度和衰落深度进行分析。

1 无线接入信道的损耗分析

无线接入信道的损耗主要包括自由空间传输损耗和散射损耗两部分。

1.1 自由空间传输损耗

自由空间损耗反映了无线电波在理想空间传播时产生的扩散损耗。自由空间传播损耗提供了一个可供比较的传播环境标准。自由空间传播损耗Lbs的定义为:

undefined。

式中,Lf为自由空间传播基本传输损耗;d为传播路径长度;λ为波长。

1.2 反射损耗

在工程实践中,典型的移动通信电波传播需要考虑地物等反射对电波传播的影响,这种情况下的传播通路为直射通路和反射通路,对应的传播模型称为二射线反射模型。

反射引起的附加损耗可以表示为:

undefined。

式中,λ为波长;Re为等效反射系数;Δr为直接射线与地反射射线之间的路程差。

2 服从瑞利分布的衰落深度

无线信道中传输的信号在无视距路径存在的情况下是服从瑞利分布的,此时信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

从而可以得到相应的幅度分布概率为:

undefined

即P(R)为传输信号不超过给定值的概率,而q(R)表示传输信号超过给定值的概率。

根据式(1)和式(2)可以求出包络功率ω=r2的分布密度和分布概率为:

undefined, (3)

undefined。

式中,ω0=2σ2为平均信号包络功率。

令式(3)右边等于1/2,可以得到信号幅度中值为:

ωm=ω0ln2。

从而可得:

undefined

而相应于被超过概率q的相对于中值的电平即为:

V(dB)=10lg(-lgq)+5.2。

从而得到信号服从瑞利分布情况下的衰落深度为:

F=V(0.5)-V(0.9)≈8.2 dB。

3 服从莱斯分布的衰落深度

当信号在无线传输过程中存在视距路径且该视距路径可建模为常矢量时,此时传输信号服从莱斯分布,信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

式中,α为直射路径分量幅度。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

式中,

undefined(零阶虚变量贝塞尔函数);

undefined;undefined;

undefined。

当γ2<<1时,信号可近似看作是服从瑞利分布,而当γ2 >>1时,则

undefined

从而可以得出结论,当常矢量很强时,信号的幅度和相位主要分布在常矢量的幅度值α和相位值θ=0附近。可得信号幅度的分布概率为:

undefined。

定义undefined,则

undefined。

从而可得相对于常矢量的被超过概率q的相对于中值的电平为:

F=20lgm。

令K=20lgk,从而可以得到信号服从莱斯分布情况下的衰落深度为:

undefined

。

不同莱斯因子条件下的误码性能如图1所示。

4 衰落速率分析

衰落速率可表示为:

undefined。

当用中值电平表示时,衰落速率还可以写为:

N(r)=N(rm)n(r)。

式中,N(rm)为中值电平rm处的衰落速率;n(r)为电平r处的相对衰落速率。可以得到N(rm)和n(r)的表达式为:

undefined;

undefined。

当γ=0时,信号服从瑞利分布:

undefined。

当γ≠0时,信号服从莱斯分布:

undefined。

5 结束语

小尺度衰落是无线接入多径衰落信道重要特征,在典型的莱斯分布和瑞利分布衰落信道条件下,衰落深度和衰落速度是表征信道特性的重要参数,直接决定了系统工程中关键部件的设计方法。本文推导了莱斯、瑞利信道衰落深度和衰落速度的统计计算方法,对针对变参条件下的信道设计有一定的参考作用。

参考文献

[1]PROAKIS J G.数字通信(第4版)[M].张力军,译.北京:电子工业出版社,2003.

无线信道建模的研究方法简介 篇7

一切无线通信都是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输的。电磁波在自由空间中的传播主要有直射、反射、散射和漫射四种方式, 其结果使得到达接收机的接收信号与发送信号相比产生了一些变化。因此无线通信系统的性能会受到无线信道的制约, 研究无线信道的传播特性也就成了构建无线通信系统的基础[1]。

1 建模方法的分类

一般来说, 可以将建立无线信道传播模型的方法分成两大类:一类是统计测量法, 该方法是信道建模的主流方法, 可细分为参数化的统计建模方法和基于物理传播的建模方法等。统计测量方法通过在各种典型传播环境中进行的信道测量工作, 从大量的测量数据中获取信道的特征表达, 从而得到与系统参数以及环境参数有关的经验公式。经验模型的优点在于运算量小, 易于仿真和刻画信道特征, 但是易受到测试条件的限制, 如信号带宽、天线配置与架设及测试环境等, 信道与测试设备对测试结果的影响也难以分离。

另一类是是电磁场预测法, 这类方法依据电磁波传播理论给出无线信道的确定性模型, 目前主要有射线法、时域有限差分法和矩量法等方法。这类建模方法是在己知无线传播环境的具体细节情况下, 利用电磁波传播理论或者光学射线理论来分析并预测无线传播环境的。与统计模型不同的是, 确定性模型不用需要大量广泛的测量, 而是需要指定环境的诸多细节以便对信号的传播做出准确的预测。由于计算量所限, 确定模型方法大多应用于室内范围的信道建模。

2 基于测量统计的经验模型

2.1 参数化统计建模方法

参数化统计建模方法将接收信号描述为许多电磁波的迭加, 以构建信道衰落的特征。建模中考虑到达空间上一系列点的主波, 这些主波包括视距传播的射线和有主要物体反射或散射的射线, 将这些射线用幅度、时间、空间三维坐标上的脉冲序列来表示。该方法不依赖与物理传播环境中的散射体分布状况, 而是直接对时延扩展、多普勒扩展和角度扩展等参数进行建模。

广义平稳非相关散射 (Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering, WSSUS) 模型[2]是无线信道研究领域的基础理论模型。它利用具有时变冲激响应的线性滤波器结构描述线性时变随机无线信道。广义平稳非相关散射被认为是能够描述无线信道小尺度衰落的时延扩展与多普勒扩展的最简单的随机过程, 故目前关于信道小尺度衰落建模的研究大多数都是基于WSSUS假设。Clarke模型[3]是基于电磁波线性叠加的随机信道模型。在各向同性和接收天线为全向天线的假设下, 得到了接收信号包络服从Rayleigh分布这一重要结论。M.J Gans推导了Clarke模型的多普勒频谱, 被称为经典谱。经典的Clarke模型对于满足各向同性假设的情况, 能够准确的描述无线信道对信号的影响且易于实现, 因此到目前为止它仍然是应用最广泛的信道模型。

2.2 基于物理传播的统计建模方法

统计建模方法中, 基于物理传播特征的建模方法通过描述传播环境中存在的散射物体的统计分布, 利用电磁波经历反射、绕射和散射时的基本规律构建衰落信道模型。该模型的特征描述与多径传播环境下散射体或者发射体的位置分布状况有关。例如Okumura模型以平坦地形大城市的传播损耗为参考, 对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正[4]。

基于物理传播特征的建模方法被广泛的应用在MIMO信道的研究中, 主要借助一些重要物理参数描述信道特征与散射分布, 其典型参数包括:到达角 (AOA) 、离开角 (AOD) 与到达时间 (TOA) 等。在不同的传播环境中, 通常假设在用户端和基站端具有不同的散射体几何分布, 常用的几何分布模型包括单环、双环、椭圆和扇形等, 多数模型只假设电波传播经过散射体时发生了单反射过程[2,5,6]。

3 基于传播预测的确定模型

3.1 射线法

射线法信道建模是应用最广泛的确定性传播预测方法, 它基于光学射线理论, 结合一致绕射理论和几何绕射理论, 在对传播环境利用几何体建模、并确定表面的电磁参数之后, 对传播损耗进行预测, 预测结果的精度主要取决于地理环境模型的精度以及表面电磁参数的精度。在假设无线电信号的波长足够小的前提下, 将电磁波的传播近似为光学射线的传播, 并将电磁波各种无线传播机制简化为发射、衍射和散射等主要机制, 利用光学射线理论计算传播损耗。射线法模型能够获得比统计性模型更准确的传播预测, 因此有大量的研究人员对此进行了广泛的研究, 目前的研究主要集中在地理环境建模以及加速算法等方面。

3.2 时域有限差分法

用射线法建立的信道模型不能正确包括电磁波的绕射传播。时域有限差分法 (FDTD) 建模的方法利用电磁场传播理论来计算大尺度传播的功率损耗, 综合考虑了所有的无线传播机制, 因而能够得到最准确的结果, 并且能预测宽带参数。它可以同时提供地图中所有区域的场分布, 也能给出整个区域的信号覆盖信息。时域有限差分法的优点在于其准确性, 但是需要明确的传播环境细节, 包括地理特性、建筑物分布、物体表面的电磁特性等大量数据, 并且要进行复杂的运算才能得到最终结果。由于FDTD方法需要大量的存储空间和巨大的运算量, 它经常结合射线法技术以细化后者的结果。

4 总结

信道建模是一门结合了通信理论、电磁场及随机过程理论的交叉性学科。一个好的信道模型可以在某一个方面拟合真实的信道, 为系统设计、仿真、评估提供参考。本文介绍了信道模型的两大分类及四种主要的研究方法。

摘要：研究无线信道的传播特性并建立信道模型, 是构建无线通信系统的基础。本文介绍了无线信道建模的研究方法及其分类, 并介绍了几种经典的信道模型。

关键词：无线通信,信道建模,研究方法

参考文献

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喷泉码的无线信道应用 篇8

1998年喷泉码概念由Michael Luby提出,2002年他又提出了第一个实用的喷泉码LT(Luby Transform)码[1],同时创立了Digital Fountain公司致力于喷泉码的实用和商用。在LT码的基础上,2005年Mohammad Amin Shokrollahi提出了以扩展汉明码和LDPC码为外码,LT码为内码的级联喷泉码—Raptor码[2],目前喷泉码的研究已逐渐展开。

喷泉码最初是作为删除信道的编码技术提出的,也有许多关于无线信道方面的应用研究,总结起来方法不外乎如下几种:1、直接应用法:文献[4]采用直接在非删除信道上应用喷泉码的方法,通过收集大量编码分组后用试译码的方式实现非删除信道的应用,以Raptor码为例,当原始分组k=9500,外码为0.95码率LDPC码时,在信噪比Es/No=-2.83dB的AWGN信道下,以19000个编码分组为启动译码的门限,若试译码不成功,则再收集100个分组,再次译码,如此循环直至成功。仿真实验表明该策略的译码成功概率峰值分组数约在20737左右,而在删除信道下的数据仅为10800,显然该方法译码成功所需要的分组数几乎是删除信道下的2倍,这种大数量分组下的反复尝试译码在实际应用中会造成时延。2、译码改造法:文献[5,6,7,8]针对无线信道的特点,从改变译码机制的角度提出了无线信道的应用策略,即先对原始分组实施CRC校验,然后再进行喷泉码编译码。其中文献[5]提出基于信道状态的迭代译码方法,借鉴LDPC译码机制实施迭代译码。与LDPC码用校验矩阵确定判断译码成功的机制不同,该方法在达到预定迭代次数后,将结果以CRC校验判断译码是否成功,同时反馈控制接收喷泉码分组的数量。

在分析上述文献对喷泉码对无线信道的应用尝试的基础上,本文提出基于信道改造的无线信道喷泉码应用方法,在保留喷泉码删除信道性能的基础上,实现编译码效率的提升。全文内容组织如下,以LT码为具体分析对象,第2节分析了喷泉码的编译码基本原理,第3节提出并分析基于信道改造的喷泉码无线信道应用方法,第4节对提出的方法进行仿真实验并得出相应结论,最后对喷泉码在无线信道的应用进行小结,指出发展和改进的方向。

二、喷泉码原理及应用

喷泉码是针对删除信道的基于稀疏图的信道编码技术,特点是可通过特定的度分布函数由k个原始分组不断构造编码分组,从有限的原始分组中构造出无限长的编码分组,接收端只要收到K个略大于原始分组数k的编码分组(K=k+ε,ε<

2.1 编码过程

文献[1]对LT编码中用到的度分布进行了推导和分析,LT编码首先从鲁棒孤子分布(Robust Soliton distribution)μ(·)中选取一个度数di,然后从k个原始分组中等概率选取di个分组进行异或操作,生成一个编码分组,如Fig.1所示,图左边的空心方块为原始分组,右边的黑色实心方块为编码分组。重复以上操作,即不断生成LT编码分组。

鲁棒孤子分布表达式如下:对于所有的i=1,…,k,有

ρ(i)为理想孤子分布(Ideal Soliton distribution),表达式为:

τ(i)的定义如下:

令,其中常数c>0为指定参数,δ是指定的译码失败概率,定义:

将理想孤子分布ρ(·)加入τ(·)并且用β归一化即得到鲁棒孤子分布μ(·),

2.2 译码过程

LT译码并不限于下面的方法,但其他译码方法超出了本文讨论的必要性,在此仅分析传统删除信道的译码方法。如Fig.2所示,图上部的空心方块为原始分组,下部的黑色实心方块为接收到的编码分组,具体译码步骤如下:

第一步:在接收到一定数量的编码分组后,若存在度数为1的LT编码分组,即可开始译码,将该LT编码分组的数值直接复制给S1,同时将处理完成的LT分组删除,如Fig.2(1)。

第二步:S1分组目前还与2个LT编码分组相连,将S1分组的值与这2个LT分组进行异或运算,同时移除连接关系,如Fig.2(2)和(3)。

重复第一步和第二步,也从度数为1的LT编码分组开始继续译码,即最终完成译码过程,如Fig.2(4)-(6)。

三、无线信道应用分析

3.1 系统原理框图

喷泉码是基于分组的编码,与传统的基于物理层的信道编码有所不同。基于信道改造的喷泉码噪声信道应用是将物理层视为喷泉码编译码的下一层,通过信道改造将无线信道转换为删除信道,使无线信道对喷泉码透明。系统原理框图如Fig.3所示。原始分组S首先实施喷泉码编码生成分组S',S'经过CRC校验后生成信道传输分组S'',为便于分析,采用BPSK调制,经过无线信道传输并解调,判决得接收码字R'',经过CRC校验即实现最简单的信道改造,不能通过CRC校验的分组被简单丢弃,通过校验的分组进入缓存计数,当分组数量达到一定要求后,开始试译码,若译码不成功,则通过接收控制收取更多的分组,再次译码,反复进行直至译码成功。

CRC校验只是最简单的信道改造方法,根据喷泉码的编码长度,也可以通过传统信道编码方案实施内码编码,从而实现效率更高的信道改造。例如采用LDPC码、Turbo码乃至传统的Hamming码、BCH码等,提出基于CRC校验的信道改造方案是为了理论分析、推导及仿真对比的方便。后面的仿真实验将采用以LDPC码为内码的信道改造方法,即将系统框图中的CRC部分用LDPC编译码方案替代进行性能对比测试。

3.2 译码成功率分析

令无线信道中传输的单个符号出现误码的概率为Pb,对于长度为l的分组,分组出现错误而被丢弃的概率为:Pl=1-(1-Pb)l,即单个分组被删除的概率。令K为译码必须的最少分组,则完整取到K个分组的概率为:

令δ为译码失败概率,则译码成功概率为1-δ,可知,得到K个分组并译码成功的概率为:Ps=(1-δ)PK

=(1-δ)(1-Pb)Kl

可见,由于参数δ为指定值,K=k+ε,ε<

(1)式表明在数据块长度固定时,译码成功概率与分组的长度l和分组的数量k没有关系。当分组长度l很长,分组被丢弃的概率增大,但译码所需分组K也相应减少,不必收集太多分组即可译码,因此单个符号的误码概率Pb则成为整个LT码译码成功的决定因素。上述分析表明,若采用LDPC码为内码进行噪声信道纠错,误比特率会得到一定降低。

3.3 Rayleigh信道误码分析

对Rayleigh信道采用BPSK调制方案时,由贝叶斯定理可知,单个符号的误码概率Pb=P(1|0)P(0)+P(0|1)P(1),由于通常的分析都认为信道是BSC信道,故该式可简化为Pb=1/2[P(1|0)+P(0|1)],在BPSK调制下,令V1为符号1的电平,V0为符号0的电平,n为叠加了噪声的信号电平,则P(1|0)=P(0|1)=P[n>(V1-V0)/2],对于如系统框图所示的BPSK调制接收符号y=ax+n,其中n为高斯分布,a为Rayleigh分布,为分析方便,将相位偏移忽略不计,即认为接收端完美同步,同时考虑信道状态未知的情况,用a的平均值代替瞬时值,即A≈E[a]=0.8862,则对于高斯分布

Ax超过定值a的概率为:

则对于统计参数为零均值,方差的噪声电平,有:

以Eb/N0的形式表示,则:

结合上面的译码成功率分析,可知:

对于其他调制方式和其他信道模型,均可以此分析方法得出相应的类似(2)式的基于信道改造的喷泉码译码成功率理论值。考虑到实际的工程应用,在采用LDPC码等传统信道编码时,也可以采用实测的方法直接测试出Eb/N0对应的BER值,代入(1)直接得出相应理论值。

四、仿真实验及结论

3.1 仿真参数

本文采用同文献[5,6,7,8,9]相同的实验前提,即假设接收的比特序列完美同步,误码仅与噪声相关而与相移无关,喷泉码分组的度数和邻接关系数据在传输中不会出错。调制方案为BPSK调制,原始分组长度为1024,LT码采用文献[7]中的度分布,Monte Carlo仿真50000次,误比特量50。方案1采用CRC32校验分别实施LT码仿真。方同时取文献[6]中的迭代译码方案对比,称为方案2,案3采用内码平均列重2.68,行重5.83且消除了12环的1024×1280的非规则LDPC码,对LT码仿真。

3.2 仿真结果

Fig.4为各种方案在Rayleigh信道上成功译码的的平均码率,仿真结果均与BPSK调制下的平均信道容量实施对比。在码长k=1024的情况下,方案1比方案2要低,但方案3比方案2要高,该图说明仅采用简单的CRC32校验来实现信道改造的应用在性能上是不够的,当采用LDPC码作为信道改造工具时,性能要优于单纯的CRC32方案,也优于相对可比条件下的迭代译码方案,因此基于信道改造的喷泉码应用方法是可行的。

Fig.5为各种方案的BER分析对比图,从该图中也可以导出同上面的分析相同的结论,采用了LDPC码的方案3的BER性能曲线要优于方案1和方案2。

五、结束语

本文对喷泉码无线信道应用进行了基于信道改造方法的理论分析和仿真实验,证明了该方法的有效性。但是该方法也存在一定的不足,就是各种编码方案的级联级数过多,如何有效地整合各种编码方案,减少编译码复杂度,对于其他时变信道的理论分析、仿真实验和实用化是下一步努力的方向。

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基于可变无线信道的交换设备研究 篇9

通信链路数据的实时通信传输大多是在带宽速率不变的情况下进行的, 带宽速率决定了业务的最大需求量, 网络交换设备不需考虑带宽的变化, 只要呼叫条件满足就可以进行业务接续。但是在无线传输环境恶劣的条件下, 当通信链路速率动态变化时, 如果并发用户业务带宽超过线路的受限带宽, 就会造成业务冲突, 使得通信根本无法继续。本文致力于研究网络交换设备对无线传输的自适应性, 在传输链路带宽为1. 2 ~16 384 kbps, 对接入网络交换设备的专线指挥话音/数据、拨号话音、可变异步数据、PCM话音、IP综合业务进行实时的策略控制, 优先保证高优先级业务的可靠传输, 提高通信线路的利用率, 避免业务损失。

1 信令设计

1.1 本地信令

交换设备内的呼叫采用本地交换信令, 信令交互需沟通业务接口类型、速率是否一致等信息。接口类型相同、速率一致的用户可以互拨电话, 本地业务通过交换矩阵实现[1]。

本地信令包括摘机检测、挂机检测和收号处理, 建立接续及拆除接续。本地信令对检测到的摘挂机信息和收号信息等进行原语转换, 通过消息队列发送给呼叫控制进行处理, 本地信令需要通过状态机实现, 并根据呼叫过程对用户产生拨号音、忙音、回铃音和振铃音等[2]。

1.2 中继群信令

中继群信令是交换设备在中继接口上的信令交互, 当交换设备判断被叫用户号码不在本地时, 交换设备进行出局呼叫处理, 中继群信令功能有选路和中继, 网络连接控制, 传递用户到网络和网络到用户信息等功能[3]。中继群信令通过状态机实现并分析各种异常情况下的消息处理、超时无应答处理, 保证呼叫标识的正常分配。中继群信令按照一定格式转换成原语发送给呼叫控制处理程序[4]。

1.3 呼叫控制

呼叫控制程序负责呼叫的建立、监督、释放及呼叫处理过程中一些其他处理[5]。呼叫控制与本地信令、中继群信令之间采用原语方式实现。

在用户呼出阶段, 交换设备按照一定的周期检查每一条用户线的状态, 当发现用户摘机时, 交换设备就根据用户在交换设备上的物理位置找到该用户对应的数据信息, 并对其进行分析, 如果该用户有权发起呼叫, 交换设备就向该用户发送拨号音, 进入收号状态。

数字接收及号码分析阶段是交换设备呼叫处理最重要的一个阶段[6]。在此阶段, 交换设备对收到的号码进行数字分析, 从而确定呼叫的类型和路由等。

当数字分析结果是本局呼叫时, 交换设备分析判断被叫用户是否空闲、业务类型是否一致等信息, 如果条件满足给被叫用户送振铃音, 向主叫用户送回铃音。当被叫用户摘机应答后, 交换设备停止向被叫用户送振铃音, 停止向主叫用户送回铃音, 接通主被叫链路, 呼叫进入通话阶段。

当数字分析结果是出局呼叫时[7], 如果控制策略满足, 交换设备就根据目前的设备拓扑结构向相邻设备发送中继群信令, 相邻设备对收到的号码做号码分析, 如果不是本局号码继续向相邻设备发送中继群信令, 直到是本局号码, 判断被叫用户是否空闲, 业务类型是否一致, 如果条件满足就通过中继群信令向主叫发送回铃音, 向被叫发送振铃音, 被叫摘机后双方进入通话状态。

1.4 专线信令

异步数据之间的通信是通过建立专线实现的, 专线业务建立成功后, 可以在连接交换设备的计算机上通过超级终端进行通信或发送文件[8]。

用户首先通过维护界面向交换设备发送建立专线请求消息, 专线请求包括本端话路号、被叫号码及传输速率, 专线请求发送到对端交换设备后, 交换设备通过对携带信息进行检查, 如果条件满足就可以建立专线, 同时向维护界面报告专线建立成功消息。如果条件不满足则向维护界面报告专线建立失败消息。需要拆除专线时, 用户通过界面发送专线拆除请求, 即可拆除已建立的专线[9]。

2 策略控制

面向链路速率动态变化, 根据业务的重要性、时延敏感性和误码质量等要求分配相应的优先级, 执行相应的控制策略, 带宽不同, 交换设备支持处理的业务量也不同。

在无线传输[10]环境恶劣的条件下, 信道传输速率总在不断变化中, 当交换设备收到速率变化通知后, 与上次历史记录中带宽信息进行对比, 如果信道链路带宽增大, 则现有的呼叫业务保持不变, 在发起新的呼叫业务时做策略控制分析, 首先检测目前正在进行的业务带宽占用情况, 是否允许用户发起新的呼叫, 如果条件满足则发起呼叫, 如果条件不满足则给主叫发忙音, 提醒主叫用户挂机。如果是用户建立专线, 则上报维护界面专线建立失败。

如果信道链路带宽减小时, 首先对目前正在进行的业务带宽占用情况进行统计, 如果业务带宽没有超过当前链路占用带宽, 则当前的业务状态保持不变。如果正在进行的业务带宽超过链路带宽, 就要对现有的话音和数据业务进行有选择的释放, 以保障高优先级话音和数据业务的可靠传输, 同时对IP业务[11]进行中止或者降速处理。当有新呼叫发起时, 执行相应的控制策略[12], 判断目前正在进行的业务带宽占用情况, 如果条件允许则发起新呼叫, 如果条件不允许, 则提示忙音或报告维护界面专线建立失败。策略控制处理流程如图1所示。

3 业务数据传输

交换设备中面向用户业务的一侧称为接入侧, 面向传输链路的一侧称为传输侧。接入侧数据业务采用异步数据接口完成指挥数据及可变数据的接入, 接入侧话音业务采用模拟用户接口完成拨号话音和PCM话音的接入, 接入侧IP综合业务采用以太网接口完成基于IP的综合业务接入。交换设备中传输侧与无线传输设备之间通过以太网接口, 完成各种接入业务统一格式的封装处理, 以太网帧格式符合IEEE802.3规范, 帧格式[13]如图2所示。

图2中LLC/SNAP为逻辑链路控制的首部信息, FCS为帧检验序列。

4 功能及性能测试

实验环境示意图如图3所示。

交换设备通过LAN接口与无线设备相连, 通过模拟接口与话音业务终端连接, 通过异步数据接口与异步数据终端连接, 通过以太网接口与IP业务终端连接。测试中1路专线话音只能与对端1路专线话音进行通信, 4路拨号话音可以实现本地互通, 也可以实现与对端4路拨号话音互通, 1路64 kbpsPCM只能与对端1路64 kbps PCM互通, 5路异步数据只能与对端5路异步数据建立专线, 且只能在两端速率配置一致的情况下建立成功。无线设备实时监测速率的变化并将结果发送给交换设备, 当交换设备收到速率变化的请求后, 对正在通信的业务处理能力进行验证, 依据策略控制保证交换设备高优先级业务的可靠传输。设备研制过程中进行了大量的功能测试和性能实验, 功能测试主要包括各种不同速率下的业务通信是否满足总体要求。性能测试包括业务的各项技术指标能否达到总体设计要求。试验结果表明, 交换设备功能齐全、性能可靠稳定, 均能达到或超过总体设计的功能及性能要求。

5 结束语

面向动态链路速率变化下的交换网络自适应控制技术, 是一种新型的包括业务适配接入、接纳控制、带宽分配以及传输控制的技术。它突破传统固定链路带宽的适配与传输控制方法, 通过与信道链路信息交互, 按照一定的策略控制, 决策是否接纳新业务的发起, 对正在通信的业务进行动态处理, 保证高优先级业务的可靠传输, 最大限度地发挥无线传输设备所提供的能力。

摘要：在网络交换设备中, 如何克服可变无线传输环境对其实时通信产生的严重影响, 是一个很值得研究的课题。针对无线传输链路速率的实时变化, 在深入理解和研究信令处理、策略控制以及业务数据传输的基础上, 设计并实现了一种基于可变无线信道传输的网络交换设备。试验结果表明, 设备性能稳定可靠, 不仅可以提高复杂环境下通信链路的利用率, 而且可以保证高优先级业务的可靠实时传输。