无线局域网-第三章.ppt

2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-,1,第三章.,3.1差错控制技术3.2调制与解调技术3.3扩频通信的基本原理,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,2,无线局域网的理论基础,3.1差错控制编码信道特性不理想+附加噪声要求在一定SNR条件下，达到一定的SER调制/解调时域/频域均衡差错控制方式,3.1.1差错控制方式（检错重发、前向纠错、混合纠错）,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,3,检错重发（ARQ）,无线局域网的理论基础,ARQ方式必须有一个反馈信道，一般适用于一个用户对一个用户（点对点）的通信，它要求系统收发两端必须互相配合、密切协作，因此这种方式的控制电路比较复杂。且由于反馈重发的次数与信道干扰情况有关，若信道干扰很频繁，则系统经常处于重发消息的状态，因此这种方式传送消息的连贯性和实时性较差。该方式的优点是：编译码设备比较简单；在一定的冗余度码元下，编码的检错能力一般比纠错能力要高得多，因而整个系统的纠错能力极强，能获得极低的误码率；由于检错码的检错能力与信道干扰的变化基本无关，因此这种系统的适应性很强，特别适应于短波、散射、有线等干扰情况复杂的信道中。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,4,前向纠错（FEC）,无线局域网的理论基础,发送端发送具有一定纠错能力的码，接收端收到这些码后，根据码的规律性，译码器不仅能自动地发现错误，而且能自动地纠正接收码字在传输中的错误，这种方式的优点是不需反馈信道，能进行一个用户对多个用户的广播通信，译码实时性较好，控制电路比ARQ的简单。其缺点是译码设备比较复杂，所选用的纠错码必须与信道的干扰情况相匹配，因而对信道的适应性较差。为了要获得比较低的误码率，往往须以最坏的信道条件来设计纠错码，故所需的多余码元比检错码要多得多，从而使编码效率很低。但由于这种方式能同播，特别适用于军用通信，并且随着编码理论的发展和编译码设备所需的大规模集成电路成本的不断降低，译码设备有可能做得越来越简单，成本越来越低，因而在实际的数字通信中逐渐得到广泛应用。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,5,混合纠错方式（HEC）,无线局域网的理论基础,这种方式下发送端发送的码不仅能够被检测出错误，而且还具有一定的纠错能力。接收端收到序列以后，首先检验错误情况，如果在纠错码的纠错能力以内，则自动进行纠正。如果错误很多，超过了码的纠错能力，但能检测出来，则接收端通过反馈信道，要求发端重新传送有错的消息。这种方式在一定程度上避免了FEC方式要求用复杂的译码设备和ARQ方式信息连贯性差的缺点，并能达到较低的误码率，因此在实际中应用越来越广。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,6,ARQ,无线局域网的理论基础,1、停止和等待ARQ,2、返回重发ARQ,3、选择重发ARQ,课后进一步的思考：它们之间本质的区别是什么？特别对于2和3这两种。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,7,FEC,无线局域网的理论基础,信道编码通过在被传送的信息中附加一些监督码元，在2者之间形成某种约束关系，当这种约束关系破坏后，就可以利用其来实现纠错。,线性分组码表示（n，k）编码效率最小码距在一个码组内检测e个误码，要求最小码距大于等于e+1在一个码组内纠正t个误码，要求最小码距要大于等于2t+1在一个码组内要纠正t个误码，检测e个误码，则最小码距要大于等于t+e+1,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,8,卷积码,无线局域网的理论基础,表示（n，k,m）编码效率约束长度卷积码和分组码的根本区别在于，它不是把信息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。即进行分组编码时，其本组中的n-k个校验元仅与本组的k个信息元有关，而与其它各组信息无关；但在卷积码中，其编码器将k个信息码元编为n个码元时，这n个码元不仅与当前段的k个信息有关，而且与前面的（m1）段信息有关（m为编码的约束长度）。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,9,3.2调制与解调技术,无线局域网的理论基础,调制就是用待传输的原始信号去控制高频正选波的某个参量，使得其随原始信号变换；解调就是去除高频载波的影响，同时判断出发送符号。,概念澄清：相干检测与非相干检测,常见调制方式：BASK,BFSK,DBPSK,QPSK,DQPSK,QAM,以补偿编码键控（CCK）和OFDM为例说明，主要是因为CCK被802.11b所采用,OFDM被11a所采用,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,10,CCK调制,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,11,OFDM,OFDM调制器,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,12,OFDM,OFDM解调器,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,13,OFDM,基于FFT变换实现的OFDM调制解调,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,14,扩展频谱通信技术,一.扩频技术的几种方式,扩频技术实质是在发送端将欲发送的数据信息的频带展宽到一个比原信号带宽宽的多的频带上去，接收端通过相关接收方法，再将其恢复到原来信息带宽的一种技术。,直接序列扩展频谱（DSSS）跳频扩展频谱（FHSS）跳时（TH）组合方式：FH/DSSS、TH/DSSS等。应用较多的是DSSS、FHSS和FH/DSSS。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,15,扩展频谱通信技术,二.扩频技术的特点,抗干扰能力强干扰信号（或噪声）与扩频用伪随机（PN）码不相关，则在扩频接收机内会被扩展到很宽频带上去，使进入信号通带内的干扰信号功率大大降低，增加了解扩相关器的输出信干比（或信噪比）。可进行多址通信扩频通信本身是一种多址通信方式，称为扩频多址（SSMA），实际上是码分多址（CDMA）的一种。用不同的扩频码（伪随机码）可组成不同的小区网，这些小区网使用同一频段传输信号时可以作到互不干扰，甚至比频分多址（FDMA）系统的频带利用率还高。安全保密信息频带的扩展，使信号功率密度降低，甚至可深深地淹没在噪声中（比噪声功率小得多），如果不知道发端所使用的扩频码，并用该扩频码进行同步相关检测，是无法正确接收信息的。利用扩频伪随机（PN）码的相关特性，扩频系统具有扰多径干扰的能力。使用ISM频段，无须向无线电管理部门申请许可。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,16,扩展频谱通信技术,直接序列扩展频谱(DSSS),图直接序列扩频（DSSS）系统组成框图,一.DSSS系统组成与原理,m（t）=s（t）c（t）cos2fot,m（t）=s（t）c（t）cos2fIt,d（t）=s（t）c（t）,解扩要求接收端提供和发送端相同结构且完全同步的伪随机（PN）码序列c（t），如果接收机中的c（t）与发端c（t）相同且同步，接收信号没受到噪声和干扰的影响，即d（t）与d（t）相同，则解扩后的输出信号s（t）就应和发送端的数据信号s（t）完全相同。,接收机中利用相同且同步的伪随机（PN）码序列进行解扩的接收方法，常称为相关接收方法。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,17,直接序列扩展频谱(DSSS),一.DSSS系统组成与原理,图直接序列扩频（DSSS）系统信号波形图,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,18,直接序列扩展频谱(DSSS),一.DSSS系统组成与原理,对干扰来说，由于与伪随机码不相关，在接收端解扩时将被频谱扩展，使得落入信号频带内的干扰能量大大减小，提高了相关接收器输出信噪比，达到抗干扰目的。,图直接序列扩频（DSSS）系统信号的频谱,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,19,直接序列扩展频谱,二.DSSS系统的处理增益与干扰容限,扩频系统的处理增益就定义为扩频接收机的相关器（解扩器）输出信噪比So/No与输入信噪比Si/Ni的比值，用GP表示。处理增益表明了扩频处理带来的抗干扰性能的好处。,扩频系统的干扰容限定义为系统在可靠接收条件下，所容许干扰信号功率可超过信号功率的分贝（dB）数。干扰容限反映了扩频系统可容许的极限干扰的强度，用Mn表示。,GP是以分贝为单位的扩频处理增益；Ls是以分贝为单位的扩频系统内部损耗；（S/N）o是以分贝为单位的扩频系统可靠工作时相关器要求的最小输出信噪比。,扩频系统在抗干扰方面的好处是有代价的，那就是占用频带宽度的增大。例如，一个数据信源的输出二进制码元速率fs为1M波特（码元宽度Ts为1s，频带宽度Bs为1MHz）,采用DSSS系统进行传输。若扩频接收机正常工作时要求相关器输出最小信噪比为（S/N）o=7dB，系统内部损耗为Ls=3dB，为使扩频系统具有Mn=10dB的干扰容限，则要求系统的扩频处理增益GPGPMn+Ls+（S/N）o=10+3+7=20（dB）相当于GP=100倍，这就要求扩频用伪随机（PN）码的切普速率fc为100M波特，使得扩频信号的占用频带宽度（与PN码信号带宽Bc相同）提高为原来数据信号带宽Bs的100倍，即为100MHz。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,20,直接序列扩展频谱,三.DSSS系统的伪随机（PN）码,伪随机（PN）码在扩频系统中起着非常重要的作用。尽管码的随机性越大，对信号频谱的扩展越有利，但完全随机（像白噪声那样）的扩频码是不实用的。因为通信系统的接收端需要确知发送端使用的扩频码的特性参数，并且要取得扩频码的同步，才能解扩出原来的数据信息。伪随机（PN）码不是完全随机的，而是存在一定的规律和周期性，其码元取值分布具有一定的随机特性。最常用的是被称为最长线性移位寄存器序列（m序列）的伪随机（PN）码，由若干级连的移位电路和一些反馈控制逻辑构成。一个r级移位寄存器构成的m序列产生电路输出的伪随机序列具有如下主要特性：,周期性m序列存在一定的周期性，且周期为N=2r-1个切普（Chip）码元。均匀性m序列一个周期内的“0”和“1”的数目基本相等，事实上“1”比“0”多一个。移位相加特性m序列和它的一个移位序列相加（模2）后得到的序列，仍然是该m序列的另一个移位序列。游程分布特性我们把连续取值相同的若干码元称作一个游程，一个游程中码元的数目称作该游程的长度。在周期为N的m序列中，一个周期内的游程总数为2r-1个；其中长度为k的游程（连续k个“0”和连续k个“1”，1kr-1）占游程总数的1/2k，且在长度为k的游程中，连“0”和连“1”的游程各占一半；r-1个连“0”和r个连“1”的游程各有一个。自相关特性功率谱密度特性,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,21,直接序列扩展频谱,三.DSSS系统的伪随机（PN）码,图m序列的自相关函数Rc()和功率谱密度Pc(f)示意图形,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,22,直接序列扩展频谱,三.DSSS系统的伪随机（PN）码,图由五级移位电路（r=5）构成的m序列产生电路,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,23,直接序列扩展频谱,三.DSSS系统的伪随机（PN）码,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,24,直接序列扩展频谱（DSSS）,四.DSSS系统的同步,直扩（DSSS）系统只有在完成伪随机码的同步后，才能对接收的扩频信号进行相关解扩，把扩频后的宽带信号恢复成原来未曾扩频的窄带信号，以便从中将传送的信息解调出来。一般的同步可分为两步进行，即捕获和跟踪。捕获又称为粗同步或初始同步，捕获是对输入扩频信号的同步信息进行搜索，使收发双方用的伪随机码的相位差小于伪随机码切普宽度Tc。跟踪又称为精同步，它是在捕获的基础上，使收发双方的伪随机码的相位误差进一步减少，保证收端的伪随机码的相位一直跟随接收到的信号的伪随机码的相位，在一允许的范围内变化。跟踪与一般的数字通信系统的跟踪方法类似，关键还是在于第一步的捕获。直扩系统中初始同步方法很多，通常有滑动相关同步法和匹配滤波器同步法。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,25,图滑动相关法实现PN码同步原理框图,直接序列扩展频谱（DSSS）,四.DSSS系统的同步,接收机在搜索同步过程中，本地伪随机码产生器以不同于发端的伪随机码码速工作，这就相当于收发用的伪随机码彼此在“滑动”。若接收机的伪随机码码速大于发射机的伪随机码码速，则接收机伪随机码滑动超前于发端的伪随机码，否则滞后于发端的伪随机码。,滑动过程中，收发双方的伪随机码不重叠时，相关器输出噪声或很低的码相关旁峰值；当接收双方的伪随机码接近重合或重合时，有较大的相关主峰值输出。相关输出经包络检波，积分后输出脉冲信号，当脉冲电平超过门限电平时，表示已完成了伪随机码的初始同步。,完成捕获后，同步单元转入跟踪状态，跟踪通常采用锁相环路来完成。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,26,扩展频谱通信技术,跳频扩频(FHSS),跳频扩频（FHSS）也是IEEE802.11无线局域网标准中建议的一种物理层实现技术。与DSSS系统不同，跳频系统的载频受伪随机码的控制，不断地、随机地发生跳变。对每一瞬时来说，跳频输出信号可能是一个窄带频谱，单对整个数据发送过程来说，无疑是一个宽带的频谱。另外和DSSS系统不同的是，FHSS系统并不直接传输伪随机（PN）码，而是用伪随机码来选择载波频率或信道。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,27,一.跳频系统组成与原理,扩展频谱通信技术,跳频扩频(FHSS),图跳频扩频（FHSS）系统组成框图,跳频输出信号为m（t）=s（t）cosit，fif1，f2，fN,接收混频器输出为m（t）=m（t）cos2fit，fif1+fI，f2+fI，fN+fI,1/2s（t）cos2fIt,1/4s（t）,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,28,一.跳频系统组成与原理,扩展频谱通信技术,跳频扩频(FHSS),图跳频扩频（FHSS）系统的频谱,跳频系统可根据跳频速度分为高速跳频系统、中速跳频系统和低速跳频系统。跳频速度小于100Hop/s为低速跳频系统，跳速在100Hop/s500Hop/s为中速跳频系统，跳速大于500Hop/s为高速跳频系统。,在某一时刻，跳频系统是窄带的，从整个时间看，跳频信号在整个频带内跳变，是宽带的。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,29,二.跳频图案,扩展频谱通信技术,跳频扩频(FHSS),图跳频扩频（FHSS）系统的跳频图案,通常要求跳频图案的周期要长，最好长到一次实际通信中跳频图案不重复。这就要求用于控制跳变图案的伪随机码的周期要长，即移位寄存器的级数要大，如级数r=32或64。,为了进一步提高跳变图案的保密性，有时不是简单地用伪随机码去控制跳频图案，而且还要考虑采用别的措施，增强跳频图案的保密性。如加密钥，加时间变量（这样可使跳频图案随时间变化，为时变的跳频图案）等。,跳频图案的随机性要好，即由伪随机码控制频率合成器产生的频率，在选定的跳频图案中均匀出现。,2020/6/8,移动通信技术信产部/重庆市重点实验室-景小荣,30,三.跳频系统的同步,扩展频谱通信技术,跳频扩频(FHSS),跳频系统的同步包括其它通信系统中存在的码元同步、载波同步、帧同步等，但跳频系统主要是所特有的“跳频图案同步”。,精确时钟定时法这种方法是用高精度时钟控制收发双方的跳频图案，即实时控制收发双方的频率合成器的频率的跳变。由于产生跳变频率的方法是一样的，所用的伪随机码是一样的，唯一不知道的是时间。若收发双方都保持时间一致，且通信距离已知，则可保证跳频图案的同步。这种方法用精确的时钟减少了收发双方伪随机码相位的不确定性，因此同步快、准确性好、保密性好。,同步字头法将带有同步信息（如时间信息等）作为同步字头置于跳频信号的最前面，或离散地插入。收端根据同步字头的特点，可以从接收到的跳频信号中将它识别出来，作为调整本地时钟或伪随机码发生器的基础数据，从而使收发双方同步。与这种方法相配合，接收机可处于等待状态，即在某一频率上等待同步头的到来，或者对同步头频率进行扫描搜索，从中提取同步头信息。这种同步方法具有同步搜