（光学专业论文）智能无线数据传输系统的研究.pdf

摘要 随着现代科学技术水平的不断发展，特别是计算机技术、无线通信技术、网 络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展，工业自动化控制向着智能化、无线化 方向发展。很多工业控制的终端是移动的，这需要智能化程度更高、更灵活简便 的无线数据传输系统来满足全面自动化控制的需要，因此智能化无线数据传输系 统具有广阔的应用前景。 课题是为安徽省某市政工程中电线杆监测系统设计的智能无线数据传输系 统。主要研究内容是为工程建立无线数据传输系统和实现系统智能化。建立无线 数据传输系统要设计无线收发信机和功率放大器；系统智能化要使系统能根据 通信距离自适应调节功率，根据信道占用情况随机自动选择通信信道。系统采用 a t 8 9 s5 2 单片机作为m c u ，控制无线接收、发射及放大；通过r s - 232 串行口与计算 机通讯为控制中心的数据库传送数据；通过r s - 2 3 2 串行口与用户端传感器相连， 为系统采集数据。系统通过传感器采集电线杆上的电流电压数据，并将数据发送 到远程控制中心计算机上，实现对城市电线杆的远程无线监测。 系统的功能包括：系统通信频率使用4 33 m h z 的i s m ( 工业、科学、医疗) 频 段，无需缴费即可使用，节约成本；通过编解码、握手协议等方法保证数据传输 的准确性；具有自诊断、报警机制及退出机制，保证数据传输可靠性。各无线数 据传输模块均具有转发功能，无需专用中继设备即可完成信息的远程传输；每次 通信过程中自动调节发射功率，在保证通信质量的基础上最大程度的节电，减少 对环境的电磁污染；每次通信过程中自动选择通信信道，减小干扰。 本系统成本低，通信准确可靠，安装使用方便，通用性强，解决了无线数据 传输系统中节电、信道干扰问题，对无线数据传输系统的发展起到了积极作用。 关键词：无线数据传输，自适应调节功率，自动选择信道 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sb e e nb o o s t i n gt h ei n d u s t r y a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ti n t ot l l ed i r e c t i o no fi n t e l l i g e n ta n dw i r e l e s s p a r t i c u l a r l yi nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r k t e c h n o l o g y , c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y m o s ti n d u s t r yc o n t r o l l e d t e r m i n a l sh a v em o b i l ea b i l i t y , w h i c hd e m a n dm o r ei n t e l f i g e n c e ，f l e x i b i l i t y , s i m p l i c i t y a n dc o n v e n i e n c ew i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to f a 1 1 r o u n da u t o m a t i cc o n t r o lt h e r e f o r e ，i n t e l l i g e n tw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m h a sab r o a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o nb o t hi nc o n t e m p o r a r ya n df u t u r e t h ei n t e l l i g e n tw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o n c e r n i n gt h i sp r o j e c ti s d e s i g n e df o r t h ee l e c t r i c w i r e p o l e sm o n i t o r i n gs y s t e mo fa nh u im u n i c i p a l a d m i n i s t r a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti st ob u i l d u p aw i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n da c h i e v ec o n s i d e r a b l es y s t e mi n t e l l i g e n c e t h i sw k e l e s s d a t ae o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n c l u d e st h en e e dt od e s i g nt h ew i r e l e s st r a n s c e i v e ra n d p o w e ra m p l i f i e r t h i si n t e l l i g e n ts y s t e r nc o n s i s t so fa na u t o a d j u s tp o w e fc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt oc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n da na u t o s e l e c tc h a n n e lc h o o s e ri n t e r r e l a t e d w i t hc u r r e n tt r a n s m i t t i n gc h a n n e l t h es y s t e mu s e sa t 8 9 s 5 2s i n g l ec h i pc o m p u t e ra s m c ut oc o n t r o lr e c e i v i n g t r a n s m i t t i n ga n da m p l i f y i n gw i r e l e s ss i g n a l s i tl i n k st o c o m p u t e r sv i ar s 一2 3 2s e r i a lp o r tt ot r a n s m i td a t at ot h ec e n t r a ld a t a b a s e ，a n di o i n t st o e n d u s e r ss e n s o r st h r o u g hr s 2 3 2s e r i a l r tt oc o l l e c td a t a i ta c h i e v e dr e m o t e m o n i t o r i n gb yr e t r i e v i n gd a t ao fw i r ep o l e sc o l l e c t e db ys e n s o rs y s t e m sa n dt r a n s m i t t h e mt ot h er e m o t ec o m p u t e ra tc o n t r o lc e n t e r t h es y s t e mh a sf o l l o w i n gf e a t u r e si tu s e s4 3 3 m zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c e m e d i c a l ) b a n da sc o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c y , w h i c hi sf r o fc h a r g ea n dr e d u c et h e c o s tt h eb u i l t i ns e l fd i a g n o s i n g ，w a r n i n g ，a n dt e r m i n a t i n gs y s t e ma s s u r et h e r e l i a b i l i t y o fd a t at r a n s m i s s i o ne a c hw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nm o d u l eh a s r e t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ，w h i c hc a l la c q u i r el o n g d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o nw i t h o u t e x t r as p e c i a lr e p e a t e r i ta d j u s t st r a n s m i t t i n gp o w e ra n ds e l e c t st r a n s m i s s i o nc h a n n e l a u t o m a t i c a l l y t od e c r e a s et h e c o n s u m i n go fe f l e 艰yo n t h eb a s i so fa s s u r i n g c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n da l s or e d u c ee l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o na n di n t e r f e r e n c e t h es y s t e mh a si t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s ，l o wc o s t 。h i g hc o m m u n i c ：a t i o n r e l i a b i l i t ya n dh i g hf l e x i b i l i t y , a d d i t i o nt ot h ef e a t u r eo fe a s yt o i n s t a l la n du s ei t s o l v e dt h ep r o b l e mo fe n e r g ys a v i n ga n dc h a n n e li n t e r f e r e n c ew i t h i naw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dp l a yap o s i t i v er o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：w i r e l e s sd i g i t a lt r a n s m i s s i o n ，a u t o - a d j u s tp o w e r , a u t o s e l e c tc h a n n e l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名目盆日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：兰竺：! ：f 第一章绪论 1 1 无线数据传输系统的发展现状 不同领域应用的远距离无线数据传输设备，与有线通信方式如光缆、电缆等 相比具有施工简单、造价低廉、维护方便等优点。由于无线通信是将信息经电波 通过空中传播实现，相对来讲，无线方式很容易因电波在空中传播受影响而造成 可靠性降低。因此，保证无线数据传输系统的数据传输可靠性是应用系统可靠性 的关键。 无线数据传输通信系统由收发信机、天线馈线和空中信道组成。系统的前期 设计工作包括根据应用系统的要求如通信、传输接口( r s 2 3 2 、或以太网) 、传 输速率( 数据量和实时性) 、通信范围( 主站和分站的分布) 及大致地形环境来 确定电台指标、主站及分站架设位置、天线类型架设高度等。 无线数据传输系统作为远程自动化管理及控制系统中重要的组成部分，其发 展水平决定了远程管理及控制的准确、可靠程度无线数据通信就是在无线数据 终端与中心主机或其它无线终端之间采用无线连接，通过无线电波来传送数据。 1 1 1 无线数据通信技术 无线数据通信网的技术问题主要有两个方面，其一是无线信道的传输问题 其二是无线数据网的拓扑结构和媒质接人控制技术问题。 l 、无线信道的传输问题 表征无线信道特性的主要参量有3 个，即多径时延扩散有效值、距离一功率 梯度和多普勒频谱弘j 。多径传播信道引起信号传输码间干扰增大，从而限制了无 线数据传输的速率。据资料显示，当多径时延扩散有效值约为1 0 0 n s 时，其数据 传输速率最大为l m b i t s ，而在有线l a n 时，数据传输速率为1 0 0 m b i t s 的光纤 数据接口( f d d i ) 已开始进人市场。所以在无线数据通信中，为了提高数据传 输速率，采用了如下一些技术：使用定向天线、分集接收；频率利用率更高的调 制和编码，多速率调制解调器，自适应均衡，扩频等。 2 、网络结构和媒质接人控制技术 无线数据通信网采用3 种网络拓扑结构，即中心控制结构，分布式结构和多 跳点结构。中心控制方式的优点是可有效利用信号发射功率，并且易于现有的有 线骨干网相连现在的无线数据网多采用这种结构。 媒质接人控制技术包括两个内容，即媒质接人控制协议和多址接人。无线数 据网的用户一般不会长0 寸1 盲7 占用信道，因此如何控制多用户共享信道对于提高无 线通信系统的容量和性能十分关键。 1 1 2 影响无线数据通信发展的关键问题 目前，一些无线数据通信系统的协议不统一，无线数据传输设备价格昂贵， 这是制约无线数据通信发展的关键问题。以移动数据通信系统存在的问题为例。 对于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ：全球移动通信系统) 数据 业务来说，其存在漫游问题尽管g s m 在话音业务上有国际漫游协议，但有关 数据业务的国际漫游还相当混乱，原因是各国数据业务的差异以及没有进行全面 的互通实验。另外，目前只有为数不多的供货商可以供应工作在g s m 网上的 p c m c i a 卡，价格在5 0 0 1 0 0 0 美元之间，相当昂贵。 1 1 3 无线数据通信的发展趋势 世界无线数据通信业务和设备市场的高峰在1 9 9 7 1 9 9 8 年出现，无线设备 供应商看到数据业务的发展前景，纷纷推出各自的产品，在1 9 9 9 年业务额达到 7 8 亿美元。随着无线数据传输业务的增加，更多的厂商推出了自己的产品，产 品的价格随之降低。 鉴于无线数据通信业务的较大的市场，无线数据通信的相关技术得到了快速 的发展，成为研究发展的热点。p j 1 2 课题的提出及实现的目标 基于上述背景，工业控制自动化中对于智能无线数据传输设备的需求越来越 多，本课题是针对市政系统中的电线杆监测系统设计的一套智能无线数据传输系 统。 本系统是为满足户外条件恶劣环境下电线杆监测数据的传输要求而设计的， 主要实现智能化领域中的自适应调节功率、自动选择通信信道功能。智能无线数 据传输系统( 以下简称系统) 利用单片机控制串口数据的收发、利用同一单片机 控制无线收发及放大模块的工作，而且实现了收发双方自适应协商功率，使系统 能够在最佳工作功率上可靠地传输数据，并最终通过串口反映到远端控制中心计 算机上。 第二章无线数据传输系统的相关理论 2 1 帧结构 系统帧结构参考i e e e8 0 23 以太网帧结构组建。 2 1 1i e e e8 0 2 3 以太网帧结构 以太网的基本帧结构如表2 - 1 所示。 表2 - 11 e e e8 0 2 3 以太网帧 5 6 b i t s 8b i t s 4 8b i t s4 8b i t s1 6b i 忸4 6 t o1 5 0 0 b y t e 3 2b i t s 全局 前同步 起始帧个体局部长度 定界符组地管理目的地址源地址或l l c 数据 帧校验 信号序列 ( s f d )址位 地址类型 位 1 、前同步信号 前同步信号一般分为两个部分，出7 个字节的前同步信号和1 个字节的“起 始帧定界符( s f d ) ”构成。前同步信号由交替的0 和1 组成；起始帧定界符的 最后两位是“l ，1 ”。 2 、目的地址 帧的第二个字段是目的地址字段。每个以太网接口都分配了一个唯一的4 8 位地址，即接口的物理地址或者说是硬件地址。目的地址字段所包含的4 8 位以 太网地址对应着帧的目的站点的接口地址。连在网络上的各个以太网接口在读入 被传送的帧时至少要读到目的地址字段。如果目的地址和接口本身的以太网地址 不匹配，或者与接口设置的标准多播或广播地址不匹配，则接口就可以忽略帧的 其余内容。 地址的第一位用来区别物理地址和多播地址。如果第位为0 ，则地址是某 个接口的物理地址，又叫单播地址，因为发给这个地址的帧只会到达一个目的地。 如果地址的第一位为1 ，则帧被送往一个多播地址。 地址的第二位用来区别局部或全局管理的地址。如果地址的第二位为0 ，则 表示是全局管理的地址；为l 表示是局部管理的地址。 3 、源地址 帧中的第三个字段是源地址，这是发出帧的接口的物理地址。 4 、类型字段和长度字段 以太网帧中的第四个字段是类型字段和长度字段。字段中的十六进制值表示 的是字段使用的方式。如果这个字段中的值小于或等于最大帧尺寸1 5 1 8 ( 十进 制) ，则字段作为长度字段使用，从而字段中的值表示的是帧的数据字段中逻辑 链路控制l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 数据的个数。 如果这个字段中的值大于或等于十进制数1 5 3 6 ( 十六进制为0 x 6 0 0 ) ，则字 段被作为类型字段，字段中的十六进制标识符用来标识数据字段所携带的数据的 北京工业大学硕士学位论文 协议类型。 5 、数据字段 i e e e8 0 23 帧对数据字段长度的要求是：最少为4 6 字节，最多1 5 0 0 字节。 6 、帧校验序列f s c 字段 帧中最后一个字段是帧校验序列f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 字段。这个 3 2 位字段包含的值用来检验帧字段中数据位的完整性( 不包括前同步信号 s f d ) 。这个值是通过循环冗余检验( c r c ) 方法计算出来的。 接收站点中的接口在读入帧时再计算次c r c 值，然后将计算的结果和发 送站点发送的f c s 字段中的值比较，如果两个值相同，则接收站点认为在以太 网信道传递过程中没有发生错误。1 4 1 2 1 2 系统数据帧结构 表2 - 2 所示为数据帧结构： 表2 - 2 数据帧结构 目的地目的地 功率代帧校验净荷长源地址源地址 址高字址号低 码字节度字节高字节低字节 净荷 节 字节 第一个第二个第三个第四个第五个第六个第七个第八个字 字节字节字节字节字节字节字节 1 丁 协议数据包净荷数据包 1 、目的地址 帧的第一个字段为目的地址，长度两个字节。 第一个字节为接收端设备号高字节，第二个字节为接收端设备号低字节。 2 、功率代码 帧的第二个字段为本次通信的功率代码，长度一个字节。 这个功率代码代表的功率既是发送端的发射功率值，也是接收端发射应答信 号的功率值。在同一群组内，一个设备可与多个设备通信，这个设备将分别以不 同的功率值与不同的设备通信，例如：a 设备与b 、c 、d 都有通讯过程，a 与 b 、a 与c 、a 与d 通信时所用的功率可能完全不同。a 设备可以自动区分与其 他不同设备之间所用的功率。所有的设备都与a 设备一样，具有相同的这种功 能。 3 、帧校验字节 帧的第三个字段为帧校验字节，长度一个字节。 这个字节包含的值用来检验数据帧中净荷字段数据的完整性和准确性。这个 值是通过计算净荷数据中“1 ”的个数计算出来的。帧校验字节的获得将在2 尘l 中具体说明。 接收端收到数据时，再计算一次帧校验字节值，然后将计算的结果和发送端 发送的帧校验字节的值比较，如果两个值相同，则接收端认为在无线信道传递过 程中没有发生错误，收到的数据是正确的。 第二章无线数据传输系统的相关理论 4 、净荷长度字节 帧的第四个字段为净荷长度字节，长度为一个字节。 净荷长度字节规定了净荷字段的长度，即实际发送的净荷数。 5 、源地址 帧的第五个字段为源地址，长度为两个字节。 前一个字节为发送端设备号高字节，后一个字节为发送端设备号低字节。 6 、净荷字段 帧的第六个字段为净荷字段，是实际要发送的净荷，允许的净荷数为：最少 1 个字节，最多3 1 个字节 净荷数最多为3 1 ( 0 x l f ) 个字节( 具体原因在量虹中讨论) ，具体有多少个 净荷由净荷长度字节决定。如果实际净荷数超过了净荷长度字节给定的净荷数， 则超出部分被认定为无效净荷，不能被发送；如果实际净荷数少于净荷长度字节 给定的净荷数，则不能发送或发送错误数据。 数据帧结构中，前5 个字段一共7 个字节，总称为协议字节。协议字节中的 净荷长度字节规定了具体要发送的净荷数，不必在净荷结尾处加特定的结束符， 提高系统的通用性，简化程序的复杂性，保证系统通信的准确性。例如，一些通 信系统中使用0 x e d 作为结柬符，如果在净荷中有0 x e d 这个数据需要发送，则会 造成混乱，必须采取较复杂的办法区分各个0 x e d 是结束符还是实际数据。本系 统不需加结束符，避免了此类麻烦。 数据帧中的数据分为两个数据包进行发射，第一个数据包发送协议字节。第 二个数据包发送净荷字段。 发送端在发射之前先将接收端设备号与本群组内所有设备号进行比对，如果 接收端是本群组设备则进行正常发射，如果接收端不属于本群组设备，则放弃本 次发射请求这样做的优点是，避免不同群组之间设备通信时的互相干扰。 2 2 参考模型 2 2 1o s i 参考模型 开放系统互连参考模型是一个描述网络层次结构的模型；其标准保证了各种 类型网络技术的兼容性、互操作性。开放系统互连参考模型说明了信息在阿络中 是如何传输的。它还说明各层在网络中的功能及它们的概念框架。 在o s i 参考模型中，计算机之间传送信息的问题被分成7 个较小的、更易于 管理的问题把这七个更小的更易于管理的问题映射为不同的网络功能叫分层 模型中的每一层都解决一个不同的问题。o s i 参考模型采用了如图2 一】所示的7 个层次的体系结构，从底层向高层分别为：1 5 1 l 、物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：这一层标准化了连接在物理介质上的数据链路 的电子、机械部件标准和功能控制。 2 、数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：通过单个链路建立站点之间的通信。这 一层的工作包括发送和接收帧，识别链路地址等。 3 、网络层( n e t w o r k l a y e r ) ：在一个由多个数据链路组成的网络互连中建立 站到站的通信。建立计算机之间由多个链路交换数据的更高层的功能和 过程本层提供了对其下面两层的一定程度的独立操作。模型在这一层 北京工业大学硕士学位论文 上的标准描述的是以太网上传送的以太网帧数据段中的高层网络协议部 分。o s i 模型这一层及上面各层的协议都独立于以太网标准。 4 、传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：本层描述的软件功能提供了可靠的端对端的 错误恢复机制，并在更高层网络软件中提供流控制。 5 、会话层( s e s s i o n l a y e r ) ：这一层上的标准提供了在协作的应用程序之间 建立可靠通信的机制。 6 、表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ：提供了应用程序中数据表示的机制。 7 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：提供了支持终端用户的各种应用，如电子 邮件、文件传输等机制。1 4 1 终端用户a终端用户b 应用层 胜用层协议 、 应用层 表示层 。表示层协议。 表示层 会话层 会晤层协议。 会话层 传输层 传输层协议、 传输层 网络层 网络层协议。 网络层 数据链路层 。链路层协议。 数据链路层 ，物理层协议。 物理层物理层 物理互连媒质 图2 - 1 0 s 1 分层参考模型 o s i 参考模型的底层( 1 到3 层) 负责在网络中进行数据的传输，因此我们 把它们叫做介质层( m e d i al a y e r ) 。o s i 参考模型的上层( 4 到7 层) 在下3 层 进行数据传输的基础之上，用来保证数据传输的可靠性，因此，它们又被称为主 机层( h o s t l a y e r ) 。在实际应用中，大多数网络设备都按七层来实现，但是为了 操作方便，许多网络把其中的若干层合并在一起来实现。 图2 2 说明o s i 协议栈各层是如何操作的。一般说来，参考模型中每一层可 独立设计。但是，为使某种解决方案切实可行，所有层都必须进行设计折衷，同 时要考虑信道传输能力和设备处理速度等自身的局限性以及r f 链路质量的变化。 5 1 7 6 5 4 3 2 1 o 第二章无线数据传输系统的相关理论 应用、安全、多媒体( 视频音频) 连接无连接、路由、可达性 可靠性、确认、无序夯组、 流量控制、吞吐量 介质访问、功率管理、桢格式、信标 信道编码、无线传输、调制 图2 - 2o s i 协议栈的设计问题 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 2 2 2 系统模型 系统模型设计参考o s i 模型，从底层到高层包括：物理层、物理管理协议层、 数据链路层、应用层。 1 、物理层 物理层通过r f 建立通信信道的物理连接，包括收发信机、功率放大器、天 线等。 2 、物理管理协议层 物理协议层通过软件建立可靠的通信信道；发送接收地址码、功率值、净 荷数、净荷、帧校验字节等信息；过滤各种信息，留下有用信息进行解释，丢弃 无用信息。 物理协议层在收发双方通信过程中，不向上层报告，只是对信息进行发送 接收、过滤、解释。在对信息进行解释过程中完成功率自动调节功能。 3 、数据链路层 数据链路层在通信信道上进行可靠的数据传输。具体工作是校对收到的数 据，如果通过校对认定数据正确则不向上层报告；如果认定数据错误则向上级报 告，并根据错误原因向下级物理协议层发送重发或放弃本组数据的命令。 4 、应用层 应用层对收到的正确净荷字段进行解释。 实际应用中，应用层是用户自行设计，对收到的净荷进行解释。系统负责将 数据正确地发送到应用层。 2 3 信道容量 个离散无记忆信道，输入为g ，输出9 ，传输概率为p 饥| 劫，这里j = 0 1 ，j - - 1 ，k 一0 ，1 ，k 一1 。信道互信息量由等式( 2 - 1 ) 定义： 北京工业大学硕士学位论文 煅咖艺鼢y ) l o g ：i 掣l 沼1k=o ， 煅瑚= p ( 工川：l 瓮暑i ( 2 一 7 = oiiy ji 这里有 p ( x 。，y ，) 2p ( y 。lx i ) ，( x ，) 以及 p ( 儿) = p ( y 。lx ，) p ( 工，) 从上面三个等式可以知，需要知道输入分布概率 p ( x ，) 1j = o ，1 ，i ，一1 ) 才能计 算互信息量煅影) 。因此信道互信息量不仅取决于信道，还取决于信道的应用 方式。 显然，输入分布概率 p ( j ，) ) 与信道无关。然后可将关于 p ( ) ) 的互信息 量，c 爿j 9 ) 最大化。因此将离散无记忆信道的信道容量定义为信道中任何信号( 例 如间隔信号) 应用时的最大化互信息量煅j 毽力，这里的最大化值，( 叹i 雪) 针对所 有在爿上所有可能的输入分布概率 p ( ) ) 。信道容量通常用c 表示： c = m a x 职j 叻 ( 2 - 2 ) p f x j ) 一。 信道容量c 的度量标准为：比特使用信道，或者为：比特传送。 注意，定义信道的信道容量c 仅仅是传输概率p ( 儿| 工，) 的函数，c 的计算 涉及到在，值可变情况下的互信息量，9 ( j 2 力的最大值，它受两个条件的约束： p ( x ，) 0 对所有j 的取值都成立 总的来说，在各种变化的问题中确定信道容量c 是一项有挑战性的工作。 一个二进制对称信道b s c ( b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e l ) ，这是一种j = k = 2 的 特殊情况。信道有两种输入符号( x o = 0 ，z l = 1 ) 和两种输出符号( y o = 0 ，y 1 = 1 ) 。 p ( y l i x o ) = p ( y o k ) ，即输入一个0 而输出一个l 的概率与输入一个l 而输出一个0 的概 率是相等的，因此这个信道是对称的。这种情况下的错误概率用p 表示。b s c 传输概率如图2 3 所示。 l = 、j ， 工 ，lp 脚 及 耋三耋玉兰鎏耋釜兰蚕釜氅塑茎翌笙 x o = 0 x l = 1 1 - - p 1 一p 图2 3 二进制对称信道传输概率图 = 0 y l = 1 、 当信道输入概率p ( x o ) = 砸1 ) = 1 2 时，平均信息量月( x ) 达到最大值，此处 的x 0 和x 是每一个0 或l 。同样，互信息量，( 9 ( j ! 卵也达到最大值，因此可以表 示为 c 。，暇j 9 ) i “x o ) = 砧- ) = 1 2 由图2 3 可知 p ( y o lx 0 = p ( y l lx 0 ) = p 及 p ( y o ix 0 ) = p ( y 1 l x l ) = 1 一p 因此，将这些信道传输概率及j = k = 2 带入式( 2 - 1 ) ，然后按照式( 2 2 ) 设置p ( x o ) = p ( x 0 ，得到b s c 的信道容量为 c = 1 + p l o g ：p + ( 1 一p ) l o g ：( 1 一p ) ( 2 3 ) 由于平均信息量 h ( p ) = 一p l o g ：p 一( 1 一p ) l o g ：( 1 一p ) 将上式带入式( 2 3 ) 得到 c = 1 一h ( p 、 北京工业大学硕士学位论文 干章神概率p 图2 4 二进制对称信道传输概率与信道容量的关系 信道容量c 根据错误概率( 传输概率) p 呈曲线规律变化，并且关于p = 1 2 对称，如图2 - 4 所示。分析这个曲线可得到如下结论： l 、当信道无噪声时，我们可设p = 0 ，信道容量c 达到最大值，这是每一个 信道输入的正确信息。在这个p 值上，平均信息量h p ) 达到其最小值0 。 2 、当噪声存在条件下错误概率为p = 1 2 时，信道容量c 达到其最小值0 ， 相反平均信息量h ( 功达到其最大值l 。在这种情况下，称为信道不可用。 6 1 当信源输入符号的速率为名( b i t s ) 时，b s c 的最大传输信息速率为 c ，2 咯【1 一日( p ) 】2 c ( b i t s ) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 表示了b s c 的极限传输能力，它是在假设输入符号等概时得到的。 实际上，输入符号不一定是等概的。当信道给定时，实际上得到的平均互信息量 也不一定是最大的，一般比g 小。如果信源符号概率p ( x i ) 和信道传输概率 p ( x i y j ) 已知，那么实际信息传输速率足为 尺，= 名【) 一h ( x l y ) 】( b i t s 、( 2 - 5 ) 信道中不可避免的存在噪声，导致数字通信系统中输出与输入数据序列的差 异( 错误) 。相关的有噪声信道( 例如无线通信信道) ，数据错误的概率有可能高 达l o ，这意味着传输1 0 比特数据( 平均) 只有9 比特能够正确接收。在很多 应用中，这样低的可靠程度是不能接受的。事实上，通常错误概率等于1 0 4 或者 更低才是能够接受的。为了达到这样高的准确率，需要采用信道编码。 通信理论中有一个重要的指导性的理论叫做有扰信道编码理论。它指出：对 于一个有扰信道，其对应着一个信道容量g 。如果信息传输速率r ， g ，则总 存在一种编码方法，使得信息传输错误率达到一个任意小的值。反之，如果 r ， c ，则不存在这样的编码方法使得信息传输错误率达到一个任意小的值。1 7 】 实际设计中，系统信道为二进制对称信道b s c ，p ( v d x o ) = p k 1 ) = p ， 输入概率p 嘶) = p ( x 1 ) = 1 2 ，信源输入符号的速率为r s = 9 6 0 0 ( 比特，秒) ： 弱干扰情况，假设p = 5 ， c = 1 + o 0 5 l o g ：( o 0 5 ) + ( 1 一o 0 5 ) l o g ：( 1 0 0 5 ) = 0 71 比特传输， c ，= c = 9 6 0 0 0 7 1 = 6 8 1 6 ( b i t s 1 。 较弱干扰情况，假设p = 2 5 ， c = 1 + 0 2 5 1 0 9 ：( 0 2 5 ) + ( 1 一o 2 5 ) 1 0 9 ：( 1 一o 2 5 ) = 0 2 0 比特传输； c 。= 乓- c ；9 6 0 0 0 2 0 = 1 9 2 0 ( b i t s ) ； - 最强干扰情况，p = 5 0 ， c = l + 0 5 l o g ：( o 5 ) + ( 1 一o 5 ) l o g ：( 1 一o 5 ) = 0 比特传输； c + = 只c = 9 6 0 0 0 = 0 ( b i t s ) 。 实际应用中系统在室外工作，通信距离较远，会受到各种干扰，但基本 不会出现持续p = 5 0 的最强干扰情况。目前系统实际信息传输速率为 r ，= 3 5 b y t e s = 2 8 0 b i f f s ，c = r ，9 6 0 0 = o 0 2 9 比特传输，经过 计算得出：p = 4 0 。 通过上述计算，可以看出本系统的设计可以在于扰很强的情况下保证正 常通信。 2 4 通信中的差错控制 数字通信系统中，由于传输特性不理想及各种干扰和噪声的影响，势必使传 输的数据产生错误。在数字系统中，对整个通信系统进行差错控制的方式主要有 三种：前向纠错( f e c ) 、反馈重传( a r q ) 和混合纠错( h e c ) 。 前向纠错也称自动纠错。发送端发送具有纠错性能的码字，如果在传输过程 中产生的错误属于纠错码能纠正的类型，则接收端译码器不仅能够检错，而且能 够自动纠错。 反馈重传又称自动请求重发。经接收端译码之后，如果发现传输有错误，则 通知发送端重发接收端认为错误的信息，直到接收端认可为止，从而达到纠错的 目的。 混合纠错是上述两种方式的混合。接收端对少量的接收差错自动纠正，而超 出正常能力的差错则通过反馈重传的方式加以纠正。博1 系统采用反馈重传( a r q ) 方式对系统通信中的差错进行控制，通过帧校验 字节实现。 北京工业大学硕士学位论文 2 4 1 、帧校验字节的获得 帧校验字节参考奇偶校验码，采取了一种新型的校验方法：累加净荷字段信 息位中“1 ”的个数。例如，净荷字段为0 x l l 、0 x 2 2 、0 x 3 3 、0 x 4 4 、0 x 5 5 、0 x 6 6 、 0 x 7 7 、0 x 8 8 八个字节，则( 0 x1 1 ) h = ( 0 0 0 1 0 0 0 1 ) 8 ，其中“1 ”的个数为2 个： ( 0 x 2 2 ) h = ( 0 0 1 0 0 0 1 0 ) b 、，其中“1 ”的个数为2 个；( 0 x 3 3 ) h = ( 0 0 1 1 0 0 1 1 ) b ，其中“l ”的个数为4 个；( 0 x 4 4 ) h = ( 0 1 0 0 0 1 0 0 ) b ，其中“l ”的个数为2 个；( 0 x 5 5 ) h = ( 0j 0 1 0 1 0 1 ) b ，其中“l ”的个数为4 个；( 0 x 6 6 ) h = ( 0 1 1 0 0 1 1 0 ) b ，其中“1 ”的个数为4 个；( 0 x 7 7 ) h = ( 0 1 1 1 0 1 1 1 ) b ，其中“1 ”的个数为6 个；( 0 x 8 8 ) h = ( 1 0 0 0 1 0 0 0 ) b ，其中“l ”的个数为2 个。因此，帧校验字节= 2 + 2 + 4 + 2 + 4 + 4 + 6 + 2 = 2 6 ，转换为十六进制数为0 x l a ，所以帧校验字节为 o x l a 。 程序中有专门的子程序模块进行帧校验字节的计算。 由于帧校验字节只有一个字节，理论最大值为( 0 x f f ) h = 2 5 5 。2 5 5 8 - - - - 3 1 8 7 5 ， 因此能够校验的最大净荷数为3 l ，实际帧校验字节的最大值为：3 1 8 = 2 4 8 = ( 0 x i s ) h 。实际应用中如果需要发送的净荷数大于3 l ，则需要分组进行发送，即 组成多个帧进行发送完成一次通信。目前本系统的用户要求发送的数据比较少， 一般每次不超过3 0 个净荷，因此每次通信用一个帧，即一组数据就可以完成数 据传送。 2 4 2 、反馈重传方式纠错 发送端发送数据之前计算出帧校验字节，然后迸行数据发送。接收端收到数 据后，根据收到的净荷字段数据计算出帧校验字节，然后与收到的帧校验字节进 行比对。如果两个帧校验字节相等，则接收端认定此次接收数据正确，向发送端 发送正确应答信号，本次通信结束。如果两个帧校验字节不等，则认定此次接收 到的数据有误，向发送端发送错误应答信号，等待发送端升高一级功率重发此组 数据。 在接收端收到数据但数据有误的情况下，重发次数最多为5 次，每次升高一 级功率。如果重发5 次以后接收端依然不能正确地收到数据，则放弃这组数据。 2 5 通信信道的自动选择 2 5 1 常见信道选择方式 在移动通信系统中，所有移动台( 用户) 共用若干信道，每个移动台都应有 选择空闲信道的能力，常见的信道选择方式有四种：专用呼叫信道方式、循环定 位方式、循环不定位方式和循环分散定位方式。 1 、专用呼叫信道方式 在系统所使用的信道中，设置专用呼叫信道，主叫和被叫都在专用呼叫信道 上进行。基站根据通话信道的空闲情况，通过呼叫向摘机的移动用户送出信道指 令。移动台根据指令转入指定的信道，再拨号通话。这种方式处理呼叫的速度快， 适合信道较多的系统，当信道数较少的时候，信道不能充分利用，造成频率使用 上的不经济。 1 2 兰三耋矗彗彗塑兰兰至簦篁塑差詈鎏 2 、循环定位方式 在这种方式中，选择呼叫与通话是在同一信道上进行的。基站仅在一个信道 上发出空闲信号，所有未通话的移动台都自动对所有信道扫描搜索，一旦在哪个 信道上收到空闲信号，就停在该信道上，处于待呼或主叫状态。一旦该信道被占 用，则所有未通话的移动台，将自动地切换到新的有空闲信号的信道上去。如果 基站全部信道都被占用，基站发不出空闲信号；所有未通话的移动台就不停地在 各信道间扫描，直到收到基站发来的空闲信号为止。 这种方式不设专用呼叫信道，全部信道都可用作通话，能充分利用信道。同 时，各移动台平时都已停在一个空闲信道上，不论主叫还是被叫都能立即进行， 故连接快。但是，由于全部未通话的移动台都停在同一个空闲信道上，同时起呼 的概率( 同抢概率) 较大，容易出现冲突，但用户较少时，同抢概率很小。因此， 这种方式适于信道数较少的小容量系统。 3 、循环不定位方式 基站在所有未被占用的信道上都发出空闲信号，不通话的移动台平时始终处 于扫描搜索状态。当移动台主叫时，先摘机。这时如果所处信道是空闲的，则扫 描停止，可占用该信道；若所处信道已被占用没有空闲标志，它将继续搜索空 闲信道，直到收到空闲信号，才停止扫描；当基站主叫而移动台被叫时，由于各 移动台所扫到的信道是随机的，故基站不知道被叫移动台处于哪个空闲信道上， 因此，要呼出这个移动台，必须在某空闲信道上先发一个预备信号，等候所有在 扫描的移动台都停止在该信道上，才能发出选择性呼叫，这个预备信号的时长必 须大于t = 押f ，其中n 为共用信道数，r 为移动台扫描每一个信道时所需的时间。 显然这种方式的时间长，不适用信道数多的系统。 其优点是：由