多跳语音通信

多跳语音通信（精选三篇）

多跳语音通信 篇1

关键词：多跳,协作通信,正交频分复用,译码转发,功率分配

协作通信技术解决了用户终端限于体积和成本不宜配置多天线的问题,克服了MIMO技术的缺点,同时能对抗无线信道下信号衰落,提高无线通信系统的信道容量。而OFDM技术能把非平坦信道转换成在每个子载波上相对平坦的信道[1],从而大大简化接收机的设计。因此,多跳协作通信和OFDM相结合受到了学术界的广泛关注。其中多跳OFDM系统的功率分配问题是人们的研究热点之一。

文献[2]研究了AF多跳OFDM系统的功率分配问题,提出的自适应功率分配算法,提高了信道容量,但并未讨论译码转发的系统。文献[3-4]研究了两跳DF中继OFDM系统在总功率受限情况下的功率分配问题,提出了迭代优化算法,但是该算法仅限于两跳模型。文献[5]提出了自适应功率分配算法(A-OPA),提高了信道容量,降低了系统中断概率,但是该算法采用近似方法简化计算,只是在信噪比很低时才接近最优解,信噪比越高,误差越大。文献[6-9]研究了OFDM多跳系统的功率分配,文献[6-7]中的中继均配置多根天线,造成中继用户手持终端体积、辐射过大,不宜推广;文献[8-9]采用两跳方式,在源节点和目的节点距离很远时,路径损耗过大,接收信噪比较小。文献[10]研究了多天线OFDMA的子载波功率分配方法,在基站配置多根天线,单跳传输信号至用户,没有考虑长距离传输时过大的路径损耗。本文的多跳DF传输方式通过多个中继接力传输信号,可以减小路径损耗的影响。

1 信道模型

本文研究的系统包括N+2个节点:信号发送端S(记为R0)、信宿端D,以及M个协作终端R1,R2,…,RM。系统模型如图1所示,发送节点R0有完全信道状态信息。研究对象为多跳方式的多节点DF协作通信系统。

为保证各路信号的正交性,采用时分多址(TDMA)工作方式,即信号传输分M+1个时隙进行:第1个时隙,由R0发送信号,协作节点R1接收信号;第2个时隙,R1对接收到的信号进行译码并重新编码后发送至协作节点R2;……;第M+1个时隙,RM接收到来自RM-1的信号译码,并编码后发送至信宿D。最后信宿D接收RM发送的信号并译码。各节点均采用OFDM方式发送数据,将收发节点间的宽带信道分成N个平坦衰落的窄带子载波信道。在第n个子载波上,hin,i+1(i=0,1,⋯,M;n=1,2,⋯,N)表示收发节点之间的信道衰落系数。hin,i+1建模为独立、循环对称的复高斯随机变量,各维均值为0、方差为(σni,i+1)2/2,则其包络平方|hin,i+1|2服从参数λi,i+1=1/(σni,i+1)2的指数分布。Nni,i+1(i=0,1,⋯,M)表示节点之间的信道噪声,建模为均值为0、各维方差为N0/2的复加性高斯白噪声,设N0=1,p为系统总发射功率,pin(i=0,1,⋯,M)为第i个节点分配在第n个子载波上的发射功率,且满足:。

第n个子载波上,各节点接收到的信号为

式中:xnm-1表示节点Rm-1在第n个子载波上的发送信号。

由文献[3]可知,DF系统中单跳的信道容量为

DF多跳协作传输的信道容量取决于最小的单跳信道容量,即

式中:CM,M+1是中继节点RM和目的节点D之间的信道容量。

2 双向功率分配优化算法

双向功率分配优化的思想是:在总发射功率P一定的条件下,合理分配各节点各个子载波的发射功率,使系统的信道容量最大。可以把这个问题分为2个步骤解决:1)横向优化:在第n个子载波上的总发射功率一定时,优化各个节点的发射功率,使第n个子载波上的信道容量最大;2)纵向优化:在1)的基础上合理分配各个子载波间的功率分配,使系统的信道容量最大。通过双向优化功率分配,尽最大可能提高系统的信道容量。

具体算法步骤如下:

1)初始化

所有节点的各个子载波的发射功率均为0,即pki=0(i=1,⋯,N;k=0,1,⋯,M),每个子载波上的信道容量Cn=0,剩余发射功率pleft=p。

2)横向优化

每次最小分配功率Δp。假设第n个子载波上分配的总发射功率为Δp,通过文献[11]的算法分配各节点间的发射功率,即

系统信道容量的提高为ΔCn(n=1,2,⋯,N)。

3)纵向优化

(1)找出ΔCn(n=1,2,⋯,N)中的最大值,假设为ΔCj,即i=argmnaxΔCn,n=1,2,⋯,N。

(2)把Δp分配给第i个子载波,第k个节点的第i个子载波分配的总功率为

此时各节点的功率分配为

系统剩余发射功率pleft=pleft-Δp,从中再取出Δp,重复步骤2)、3),直到剩余功率分配结束。

3 仿真结果与分析

本节对所提出算法的性能进行了仿真。仿真中,系统总发射功率p=2;节点i和节点j之间信道的平均信道增益与距离di,j的α次方成反比,即hi,j=cd-α,其中c是与传播环境有关的常数;α是路径损耗指数。仿真中取α=3,c=1,定义源节点的坐标为(-1,0),目的节点的坐标为(1,0),中继节点均匀分布在源节点和目的节点之间,系统中子载波数是64。

图2中给出了三跳系统采用文中提出的双向功率分配算法(D-OPA)与自适应功率分配算法(A-OPA)、平均功率分配算法(EPA)的信道容量比较。由图2可见,当信噪比较低时,自适应功率分配算法有更好的性能;当信噪比较高时,采用双向功率分配算法可以获得更大的信道容量。这是因为文献[5]中提出的自适应功率分配算法在解决优化问题时采用lb(1+x)≈x来简化问题,求出最优解,但是此近似只在0

图3比较了三跳系统采用3种功率分配算法时系统的中断概率(γth=10 d B)。由图3可见,低信噪比时,3种算法的中断概率差别不大,随着信噪比的提高,文中提出的算法明显降低了系统的中断概率。这是因为信噪比越高,本文所提算法获得的信道容量更大,因此中断概率更小。

4 结束语

本文研究了DF多跳OFDM通信系统功率分配的优化。在总发射功率受限的条件下,以最大化系统信道容量为准则,提出了一种双向优化功率分配算法。仿真结果表明,相对于平均功率分配算法和自适应功率分配算法,双向功率分配算法能有效地提高系统的信道容量,并降低中断概率。

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基于激光天线语音通信系统的研制 篇2

摘要：通过对电磁波无线、光纤及现有的激光无线通信的优缺点分析，介绍了一种结构简单的激光无线语音通信系统的结构及主要硬件的设计。经实际应用表明：该系统能够灵活地适应各种场合。

关键词：激光 无线通信 语音

电磁波作为无线通信的信号载体由来已久，至今仍广泛应用于短波、微波、毫米波无线通信。但它们存在致命的缺陷：保密性差、通信容量低、波段资源受限制等。光纤通信以光作为载体，以光纤作为传输介质。由于光的频带资源十分丰富，故通信容量巨大，已成为现代通信的主体。但光纤通信网络包括光端机、光缆等通信基础设施的建设是事先规划的、固定的，将会出现光缆没有到达或光缆不便到达的地址，无法进行光纤通信。早在二十世纪70年代，人们就开始了激光大气通信技术的研究，但由于当时光纤通信较为成功，激光自由空间的通信未能得到充分重视。近几年来，由于移动通信的需要和微波通信的带宽限制，光自由空间的通信取得了很大的进展。美国朗讯公司采用1.55μm波段的半导体激光器加光纤放大器(EDFA)作为发射光源，并采用波分复用结构，实现10Gbps容量的空间光通信。日本、欧洲等国家也报道了几种空间激光通信装置。我国电子科技大学采用二氧化碳激光器(10.6μm波长，内腔式)，实现定点双工四线制三路电话的大气通信(技术成果编号88210414);中山大学激光与光谱学研究所采用音频或数字信号的调幅激光制式工作实现大气通信传输(技术成果编号89209283)。但它们都因通信容量低，在通信系统的结构上，没有与其他通信设备(包括光纤通信、微波通信)的接口，故实用价值小。为解决上述问题，中国科学院上海光学精密机械研究所报导了一种无线激光通信端机实现了与其它通信设施的接口(技术成果编号00217069.8)，但由于该端机设备昂贵，未能得到广泛应用。本文提出了基本激光无线语音通信系统的研制，目的在于提供一种价格便宜、携带方便、同机具有激光信号发射和接收装置，且激光接收装置具自动跟踪激光发射装置的双工通信功能的设备。该设备发射装置发出调制激光信号不仅可在自由空间传输，也能直接利用光纤作为载体传输，克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷;该设备信号传输容量大，可直接与光纤通信、微波通信网络并网，并能灵活地适应各种场合的使用。

图1 空间激光无线通讯系统原理框图

1 总体方案设计

激光天线通信系统主要由激光发射装置、激光接收装置和光学望远镜三部份组成(如图1所示)。其工作原理是：发射端的轴电缆通过高频电缆与发射机码型变换器相接;光纤适配器通过光纤与发射机光电转换器相连;码型变换器与光电转换器均与制式选择开关相连，然后经信号处理模块进行整形、放大、时钟提取等处理，输入激光驱动器使激光器组件产生调制的激光光束，通过激光发射天线定向向空间发射。经光接收天线收集的调制激光信号接进探测器，转换成信号输入信号处理模块，再接进制式选择开关后分两路：一路连接激光驱动器，经光纤适配器连接光纤通信线路;另一路则与码型变换器相接，再接入同轴电缆至电传输线路上。对于本系统所设计的语音激光无线通信系统主要由图2所示的各部分组成。

(本网网收集整理)

2 主要硬件的设计

2.1 激光器件的选择

空间激光通信波长选择主要考虑：尽量避免太阳辐射的影响、减小光束发射角、减小收发天线的尺寸、光波在大气中的透过率以及器件的现实性或预期的可行性，包括器件性能价格比的预计。从激光天线通信的角度分析，大气的透射率是个重要影响因素。在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降。显然，紫外线光不利于大气通信。可见波段的激光，例如二次倍频YAG激光器，也不利于避免太阳光引起的背景辐射噪声。常用的`激光波段有830～860nm、980～1060nm和1550～1600nm，都是良好的大气窗口。

2.2 光发射与接收天线

由于光学天线的功能是将需传输的光信号有效地发向对方并将对传来的信号光高效接收，因此，光天线的设计是在满足总体设计的前提下，保证系统在设定的通信距离及大气衰减时能正常工作，合理选取发射远镜的远场发散角、接收望远镜的接收视场角及光学系统的其他参数。下面分别予以介绍。

(1)设计考虑

主要光学性能要求：高的光学质量(λ/20RMS);低的遮挡率;高的光透射率(T≥0.92);低的散射光。此外，要求材料热膨胀系数小、机械强度纺高、重量轻、使用寿命长。

图3 (a)光发射天线系统原理图(b)光发射天线系统原理图

光学设计考虑：为了满足空间通信对天线的要求，笔者选择卡塞格伦天线。主要包括：抛物面初级反射镜;双曲线次级反射镜;聚焦镜，使成像在天线结构的外部。

(2)性能分析

假设光源电场强度满足高斯幅度分布，即

其中，ω为光腰大小，R表示曲率半径。

利用非涅尔近似场区的辐射定律以及天线增益定义，得到观测点(r，θ)处的天线增益值：

其中，

定义：

α=a/ω,γ=b/a,X=kasinθ,β=(ka2/2)[(1/r)+(1/R)]

次级反射镜的遮挡率，天线的误指向效应以及光学天线的桁架对天线增益都有较大影响。此外，对接收无线的增益，检测方式也有较大影响。

在光学设计时，为了满足空间通信对天线的要求，光发射天线系统如图3(a)所示，它由半导体激光器和设置于其光路上的发射镜构成。光接收天线系统如3(b)所示，主要由校正镜、校正镜2次镜胶合镜、主镜、滤光片、聚光镜胶合镜和滤光片聚光镜、探测器等组成。其中，探测器采用SI-PIN GT101型复合光电二极管完成光信号转换为相应的电信号。该器件在反向偏置条件下工作，当光照时，半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子空穴时，最后被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成电流，从而实现光电转换。

图4 激光无线通信(发送器)原理图

2.3 主要电路设计

・电源电路选用了集成稳压器。

・前置处理电路主要包括前置放大器和功率放大器两部分。经内调制转换的电信号通常比较微弱，需经前置放大电路将前级电路的输出电压放大。故前置处理器质量的优劣，在很大程序上标志着系统整体的音质水平。即前置处理器与功率放大器的选择对于本系统非常重要。本系统采用集成芯片NE5532作为前置放大器，LA4101作为功率放大器。同时，为获得较好的效果，减小干扰，在信号输入前置放大器之前，设计了高通滤波器。

・调制电路对光源进行调制的方法有若干扰，但从光源与调制器之间的关系可分：光源的内调制、光源的外调制。本系统采用了光源的内调制方式。

・功率放大电路因光电探测器的电信号较弱，需经功率放大器放大电压信号，产生足够的不失真的输出功率，以推动扬声器发音。放大器的种类较多，本系统采用集成电路功率放大器LA4101。

上述设计的发射电路如图4所示，接收电路如图5所示。

图5 激光无线通信(接受器)原理图

3 试验样机及结论

在上述设计思想指导下，完成了一个5km的激光无线大气通信机试制。通信光源采用波长为0.885μm的半导体单模量子阱激光器 ，用芯径为200μm的光纤耦合，出纤光功率为200mW。光天线发射/接收望远镜的通光孔径为φ110mm，激光远场发射角为1.5mrad，接收视场角为3mrad。

本系统兼容128/256/512/1024/2048kbps速率，并具有AMI及HDB3，码两种接口功能。该系统已进行了户外开通试验。将其设备分别设在相距约5km的两栋高楼之间(要求视距无遮挡)，进行了长达360h的开通试验，其中经历了大雾、大雨、小雨、晴天等天气变化。试验结果表明，除能见度极你的大雾天气外，通信系统都能正常工作，通话质量良好。该个有以下优点：

(1)具有双工位功能;

(2)可实现单对多的多通道通信;

(3)通过光学望远镜检测发射部分与接收部分之间的对正情况;

(4)结构简单，携带方便;

(5)具有与光纤通信接口，适用范围广，特别适用于两河对岸、高山之间、高层建筑之间的无线通信;

多跳语音通信 篇3

关键词：内河通信网络,无线网格网络,路由协议

0 引言

内河通信是加强内河航运调度指挥、保证船舶航行安全、提高航运综合经济效益的重要手段, 是内河航运不可缺少的重要组成部分[1]。由于内河航运具有作业范围点多线长、行政区域条块分割、船舶吨位千差万别等特点, 因此内河通信系统相比沿海通信网络在规划建设和运行维护上都更为复杂。根据内河航运的特点, 内河通信系统应由以下三部分组成:船岸通信网络、港区通信网络和岸线长途通信网络。

多跳网络技术是指在无线网络中, 任何无线设备节点都可以同时作为接入点和路由器, 网络中的每个节点都可以发送和接收信号, 每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信, 从而解决网络覆盖范围受限的难题, 提高网络吞吐量。多跳网络技术是未来宽带无线通信中重要的网络形式。本文对多跳网络技术在船岸、港区、岸线长途这三种通信网络中的应用进行了深入的分析和研究。

1 内河通信的组成与体系结构

1.1 船岸通信网络

船岸通信网络是指通过在沿河的各主要港口航段设置无线基站与在航船舶进行数据和语音的交换, 从而帮助船舶与港口、船闸等岸基有关单位进行信息联络的通信系统。船岸通信网络均为无线通信, 是内河通信系统中技术难度最高的一个部分, 也是内河通信系统中最有特点的网络。目前我国建设的内河船岸通信网络根据传播途径的不同, 基本可以分为三种:一是通过VHF频段进行传播的系统, 主要有VHF语音调度系统、船舶自动识别系统等, 这些网络传输带宽低、技术成熟、建设和使用广泛;二是通过公共网络进行传播的系统, 主要是利用电信运营商已有的网络基础, 通过GPRS或者CMDA的方式进行数据传播, 这些网络传输带宽一般可以达到几十Kbps, 能够传输必要的数据, 目前主要应用在基于GPS技术的船舶交管系统中;三是通过船岸宽带无线网络进行数据传播的系统, 船岸无线宽带网络是解决目前内河通信系统信息传播瓶颈的有效手段, 目前这些网络正处于试验阶段, 即将进入迅速建设的时期。

1.2 港区通信网络

港区通信网络是指港口所辖地区内, 为提高港口的生产效率和工作效率以及保障港区生产安全而设置的通信设施的通信系统。港区通信网络既包括有线通信网络如港区业务电话、局域网等, 也包括无线通信网络如无线视频、无线广播、无线传感器网络等。港区通信的范围较小, 但是专业性高, 由于部分通信内容涉及到大型设备的工业控制, 因此对于通信质量的要求也较高。目前我国港区的大型无线传输网络建设还处于起步阶段, 服务于工业控制的小型无线网络的也尚未形成规模。

1.3 岸线长途通信网络

内河岸线长途通信是指将沿河各港口、船闸、航运单位联通起来, 实现全航线生产调度指挥和业务联系的通信设施。一般为有线网络, 少数难以铺设线缆的区域大都采用微波传输的形式。目前我国规模最大的岸线长途通信网络是长江干线航运通信专网, 长江通信专网早期以电台电报, 中期以微波为传输平台, 到现在已形成了较为完整的以光纤为骨干的传输系统, 为长江各主要港航单位提供了个高速、安全、稳定的信息传输平台[2]。部分网络没有延伸到的地方, 通过扩频微波的形式进行了补充, 基本上实现了语音接入、数据接入、视频接入和因特网接入。

2宽带船岸通信中的多跳网络接入

航运信息的有效传播是提高内河航运管理水平和经济效益的重要保障, 船岸之间的信息交换是整个内河航运信息传播的关键, 近年来我国内河航运发展迅猛, 内河上传统的通讯手段已无法满足应用需求的增长, 新型无线通讯网络在内河船岸通信中的应用需求日渐明显, 人们希望不论何时何地都能够进行高速、准确的通信, 尤其是在复杂、危险的环境中, 实现网络的迅速布置、高速通信及远程分布式监测。

然而, 无线网络受限于发射功率的影响, 对于一定发射功率来说, 传输的数据速率越高, 覆盖范围会越低。若超过了最大允许发射功率, 发送机必须降低数据传输速率以增加覆盖距离[3]。故此, 船岸通信网络是多跳网络技术在内河通信系统中的主要应用领域。在船岸通信的三种途径中, 由于通过VHF频段和GPRS/CDMA传输的数据量较小, 而且系统建设比较普遍, 多跳技术对其提升作用有限, 但是对于即将迅速建设的船岸无线宽带网络则具有重要的意义。融入了多跳技术的内河通信系统如图1所示:

以目前最为适合船岸无线宽带通信的Wi MAX网络为例, 通常有3.5G和5.8G两种频率, 3.5G无线系统的传输距离远, 适合移动船舶的数据传输应用, 但是受频点资源和无线电管制所限, 很难大面积推广;5.8G系统由于频段太高, 其无线电信号衰减要比3.5G频段更为严重, 基站和用户站之间一般采用视距传输或准视距传输, 小区边缘用户的服务质量就得不到保证, 如果采用多跳技术则可以明显提升网络覆盖率, 减少基站数量, 降低系统投资并提高网络稳定程度。

无线网格网络 (Wireless Mesh Networks) 是典型的多跳网络, 它是由Ad-Hoc网络发展而来的, 要比单跳网络更加稳定, 在传统的单跳无线网络中, 如果某一个无线接入点发生故障, 那么该网络中所有的无线设备都不能进行通信, 而在Mesh网络中, 如果某个无线接入点发生故障, 它可以重新再选择一个接入点进行通信, 数据仍然可以高速地到达目的地。相对于传统的通信方式, 无线网格网具有高可靠性、冲突保护、链路设计简化、网络覆盖范围大、组网灵活、投资成本低等优势。这一切使得无线网格网络在船岸宽带通信网络中具有巨大的应用潜力。

3 内河多跳网络的应用特点与技术架构

3.1 内河多跳网络的应用特点

鉴于无线网格网络的典型性与先进性, 多跳网络的内河应用特点与技术架构仍以无线网格网络作为研究平台。无线网格网络在陆地上的应用较早, 它可以广泛地应用于应急通信指挥、移动政务、传感器网络、区域联网等通信系统中, 相应的技术架构研究也比较深入。无线网格网络在内河船舶通信中的应用与在陆地上的应用有着显著的不同, 主要表现在以下几个方面:

(1) 网络的拓扑结构简单, 内河船舶的移动是有序的, 它受到航道、航线以及水上交通法规的管制, 并且移动速度也受到限制, 因此其拓扑结构简单而且相对固定。

(2) 电源供应充足, 不必优先考虑节省能量。

(3) 位置信息可知, 船舶具有GPS以及电子地图, 并且可以通过AIS系统进行船舶位置的交换。

3.2 内河多跳网络的结构体系

无线网格网络有三种典型的结构体系:骨干网络结构体系、终端用户网络结构体系和综合以上两种模型的混合式网络结构体系。

在骨干网络结构体系中, 路由器组织成为网络的骨干, 客户端网络与骨干路由器相连接, 例如无线传感器网络作为客户端网络, 其中的无线传感器模块之间可以进行直接通信, 如果某个模块如果要与分属于另外一个Wi-Fi客户端网络中的PDA进行通信, 则必须要通过其无线传感器网络的Sink节点和Wi-Fi网络的路由器进行通信。

在终端用户网络结构体系中, 终端设备带有的收发装置也是有中转功能的路由器, 众多的用户构成了一个网格网络。每个用户是网络的一个节点, 用户终端移动, 网络结构也随之变化。在这种环境中, 由于终端的无线通信覆盖范围有限, 距离较远的用户可以借助其他用户的分组转发进行数据通信。

混合式网络体系结合了骨干网络和客户端网络两种网络的特点, 客户端可以通过网状路由器和其它的客户端来进行访问网络的通信, 而且网状路由器可以实现与其它类型的网络像Wi-Fi, 无线传感器网络, 手机网络等实现互操作。因此, 在内河通信中应该采用混合式网络体系。

3.3 内河多跳网络的路由协议

在无线网格网络中根据路由请求在什么情况下被发起, 路由协议可以分为先验式路由协议和反应式路由协议。在先验式路由协议中, 网络中的每个节点都用一个甚至是多个路由表来记录这个节点到网络中任意一个其他节点的路由信息。网络中的每个节点的路由信息都可以进行升级, 从而使得整个网络中的路由表能够保持一致。每当网络的拓扑发生变化的时候, 整个网络就会发起路由表信息的升级进程。内河中的无线网格网络终端虽然移动有序, 但是网络拓扑结构改变是不可避免的, 因此先验式路由协议并不是适用于内河的无线网格网络。

反应式路由协议只有在源节点需要向目的节点发送数据包的时候才建立这对节点之间的路由。在内河无线网格网络中, 无线网格网络终端移动有序并且速度较低, 因此各个节点之间的链接失败率很低, 链接往往具有比较长的寿命。可见反应式路由协议更适合在内河中使用。

4 结语

本文为多跳网络技术在内河通信的应用做了一系列的研究, 无线多跳技术对于内河通信系统中的船岸通信网络中具有重大作用, 尤其是对于正在迅速兴起的宽带船岸通信网络具有明显的性能提升, 应用在内河的无线多跳网络具有鲜明的特性, 应当采用混合式的结构体系, 并且选用反应式的路由协议。

融合了多跳技术的内河宽带船岸通信网络不仅可以满足船舶安全航行、交通管制、遇险施救和航道维护等航运生产和管理的需要, 而且还能为航运保障单位和运输生产企业的信息化系统提供数据交换平台, 从而节约管理成本增加经济效益, 实现水上监管资源整合和信息共享, 为减少生命和财产损失提供强有力的保障。

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