專利名稱：Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化時代的不斷推進，通信手段也在向多樣化發(fā)展。 但實際上，目前人們普遍采用的通信手段依然存在一些弊端。下面是目前普遍使用的幾種通信手段及它們存在的不足和缺點(I)蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)①依賴基礎(chǔ)設(shè)施移動終端之間需要通過固定基站才能實現(xiàn)通信，基站通過有線線路與骨干交換網(wǎng)絡(luò)相連，增加了通信成本；②移動終端不具備路由功能，移動終端只能通過固定基站進行數(shù)據(jù)收發(fā)，使用約束較大；③星狀結(jié)構(gòu)，某條鏈路出現(xiàn)故障，大范圍服務(wù)將中斷，網(wǎng)絡(luò)抗毀性差；④建設(shè)、擴展、維護成本高；⑤移動終端靜止時數(shù)據(jù)傳輸速率可達2Mbit/s，但是移動終端高速移動時數(shù)據(jù)傳輸速率只有 144kbit/s。
(2)集群通信系統(tǒng)①與蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)類似，屬于有連接的網(wǎng)絡(luò)，依賴基礎(chǔ)設(shè)施；②一般是專用網(wǎng)絡(luò)，以語音業(yè)務(wù)為主。
(3)無線局域網(wǎng)WLAN①移動節(jié)點配備無線網(wǎng)卡，通過AP接入點與固定網(wǎng)連接，依賴于類似基站或接入點的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；②對網(wǎng)絡(luò)層來說，是單跳網(wǎng)絡(luò)，不可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；③有限覆蓋范圍(幾百米)內(nèi)可實現(xiàn)高速通信(802.lib:1lM或802. lla:54M)，但是覆蓋范圍較為有限。
(4) VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)①覆蓋范圍最廣，但成本高、傳輸帶寬有限、傳輸延時大。
(5)動中通①依賴衛(wèi)星，在雨天或是云層厚重的時候，或者是在特殊環(huán)境及存在遮擋的地方就容易失效，出現(xiàn)通信故障；②天線太笨重，使用和攜帶都很不便，必須安置在汽車、輪船等移動設(shè)備上；③存在一段較長時間的尋星過程，無法快速投入應(yīng)用，很多場合的使用都受到限制。
綜上所述，目 前現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)大都是基于穩(wěn)定可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施之上的，一旦這些通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，常規(guī)的通信手段都不再可行。而往往就是在這樣的時候，保持可靠的通信顯得尤為重要。集群通信系統(tǒng)除了依賴基礎(chǔ)設(shè)施以外，在網(wǎng)絡(luò)帶寬上也有很大限制，多使用窄帶技術(shù)，帶寬30K左右，數(shù)據(jù)傳輸速率16Kbps左右，這就使得其數(shù)據(jù)傳輸能力大大受限。因此，在一些特殊場合下，現(xiàn)有的通信手段還不能滿足通信的需求，最大的問題就是生存能力太差，容易被快速摧毀掉。
Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)具有以下特色I)無中心自組網(wǎng)中所有節(jié)點的地位都是平等的，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨時加入和離開網(wǎng)絡(luò)，任一接力節(jié)點斷開時，自動尋找最近距離的通信終端或中繼器進行彌補， 任何節(jié)點的故障都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行，具有很強的抗毀性。
2)自組織網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)或展開無需依賴任何預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)通信設(shè)施，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)展開通信工作，通信效率高且建設(shè)、擴展、維護和使用的成本低。
3)多跳路由當(dāng)節(jié)點要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時，可以通過中間節(jié)點 (通信終端或中繼器)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)即可實現(xiàn)。
4)動態(tài)拓撲無線自組通信系統(tǒng)允許動態(tài)變化自己的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)會隨著手持終端的變化而不斷的發(fā)生改變以適應(yīng)通話需要。
5)靈巧終端通信終端為便攜式手持機或車載機，攜帶和使用方便；為了節(jié)約能量，各通信終端會自動選擇最佳的工作方式，它只與最近的節(jié)點保持聯(lián)系以降低通信能耗。
6)通信質(zhì)量自組網(wǎng)具有環(huán)境適應(yīng)能力強，并可與外網(wǎng)通信，獲取豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；其數(shù)據(jù)傳輸具有速率高、帶寬寬、延時小且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等特點。
在Mesh自組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)中，可靠性是非常重要的一個指標(biāo)。帶限且時間擴散的信道中，由于多徑影響而導(dǎo)致的符號間干擾會使傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生失真，從而在接收端中容易產(chǎn)生誤碼，而均衡正是克服符號間干擾的一種技術(shù)。由于無線信道的隨機性及時變性，就要求均衡器能夠?qū)崟r的跟蹤通信信道的時變特性，這種均衡器稱為自適應(yīng)均衡器。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實時跟蹤通信信道的時變特性的，克服符號間干擾，避免信息傳輸過程中產(chǎn)生信號失真或在接收端產(chǎn)生誤碼的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，它由線性均衡器和判決反饋均衡器構(gòu)成，通過模式選擇，在線性均衡與判決反饋均衡之間自動切換，并且自動選用效果最佳的算法；所述的線性均衡器包括2N個延時單元、2N+1個抽頭系數(shù)單元、一個加法器和一個采樣判決器，抽頭系數(shù)單元由噪音產(chǎn)生模塊和乘法器組成，輸入信號分別與第一延時單元和第一抽頭系數(shù)單元的輸入連接，第一延時單元的一路輸出與第二延時單元的輸入連接，另一路輸出與第 二抽頭系數(shù)單元相連，末級延時單元的輸出與末級抽頭系數(shù)單元的輸入連接， 各抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的均衡輸出與采樣判決器連接；所述的判決反饋均衡器包括前向濾波器和反饋濾波器，前向濾波器的結(jié)構(gòu)與線性均衡器的結(jié)構(gòu)相同，反饋濾波器包括至少一個抽頭系數(shù)單元和與之?dāng)?shù)量相同的延時單元，加法器的均衡輸出與延時單元的輸入相連，延時單元的輸出與抽頭系數(shù)單元的輸入連接，各抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器。
本發(fā)明所述的線性均衡器為線性LMS均衡器。
進一步地，線性LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、延時單元、抽頭系數(shù)單元、加法器、 判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與延時單元、權(quán)重設(shè)置單元相連，延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與抽頭系數(shù)單元相連，抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出依次通過判決單元和訓(xùn)練單元與計算錯誤反饋單元的一路輸入連接，加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元的另一路輸入相連，計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
本發(fā)明所述的判決反饋均衡器為判決反饋LMS均衡器。
進一步地，判決反饋LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、前向延時單元、前向抽頭系數(shù)單元、反饋延時單元、反饋抽頭系數(shù)單元、加法器、判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與前向延時單元、權(quán)重設(shè)置單元相連，前向延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與前向抽頭系數(shù)單元相連，前向抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出通過判決單元與訓(xùn)練單元連接，訓(xùn)練單元的一路輸出連接計算錯誤反饋單元，訓(xùn)練單元的另一路輸出與反饋延時單元的輸入連接，反饋延時單元與反饋抽頭系數(shù)單元連接，反饋抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器；加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元相連，計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
本發(fā)明的有益效果是(1)實時跟蹤通信信道的時變特性，克服了符號間的干擾，可有效避免信息傳輸過程中產(chǎn)生信號失真或在接收端產(chǎn)生誤碼，提高了 Mesh自組網(wǎng)的通信質(zhì)量；(2)基于LMS算法的通信信道自適應(yīng)均衡，LMS算法為常用算法，結(jié)構(gòu)簡單，運算量適中，穩(wěn)定性不依賴于輸入數(shù)據(jù)而只與步長相關(guān)，對時變信道的跟蹤特性要優(yōu)于RLS算法。


圖1為線性均衡器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為線性LMS均衡器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為判決反饋LMS均衡器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述。
Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，它由線性均衡器和判決反饋均衡器構(gòu)成，通過模式選擇，在線性均衡與判決反饋均衡之間自動切換，并且自動選用效果最佳的算法。
如圖1所示，線性均衡器包括2N個延時單元、2N+1個抽頭系數(shù)單元、一個加法器和一個米樣判決器，抽頭系數(shù)單兀由噪音產(chǎn)生模塊和乘法器組成，輸入信號分別與第一延時單元和第一抽頭系數(shù)單元的輸入連接，第一延時單元的一路輸出與第二延時單元的輸入連接，另一路 輸出與第二抽頭系數(shù)單元相連，末級延時單元的輸出與末級抽頭系數(shù)單元的輸入連接，各抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的均衡輸出與采樣判決器連接。輸入信號經(jīng)過延時單元后，分別與各相應(yīng)抽頭系數(shù)相乘(即線性相加)，然后于加法器相加，最后送至采樣判決器。
線性均衡器可由FIR濾波器實現(xiàn)，線性均衡器將所收到信號的當(dāng)前值與過去值按濾波器系數(shù)做線性疊加生成的和作為輸出。
當(dāng)信道失真嚴(yán)重以致線性均衡器不易處理時，信道中有深度頻譜衰落時，線性均衡器不能獲得滿意的效果，這個時候便需要采用非線性均衡器，非線性均衡器包括判決反饋均衡器、最大似然符號均衡器和最大似然序列估計均衡器。
如圖2所示，判決反饋均衡器包括前向濾波器和反饋濾波器，前向濾波器的結(jié)構(gòu)與線性均衡器的結(jié)構(gòu)相同，反饋濾波器包括至少一個抽頭系數(shù)單元和與之?dāng)?shù)量相同的延時單元，加法器的均衡輸出與延時單元的輸入相連，延時單元的輸出與抽頭系數(shù)單元的輸入連接，各抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器。
判決反饋均衡器的基本思路是一旦檢測并判定一個信號符號后，就可以在檢測后續(xù)符號之前預(yù)測并消除這個符號帶來的符號間干擾。
自適應(yīng)均衡器是一個時變的濾波器，其參數(shù)需要不斷的調(diào)整。一般自適應(yīng)算法由誤差控制，通過誤差信號e使代價函數(shù)最小化，即以迭代方式更新均衡器的權(quán)重來使代價函數(shù)趨于最小。在實際應(yīng)用中，均衡濾波器系數(shù)可以由各種算法確定。這些算法主要有迫零算法，LMS算法，RLS算法等。其中LMS算法的準(zhǔn)則是使均衡器的期望輸出值和實際輸出值之間的均方誤差最小。通過進行下式迭代操作來尋找最優(yōu)的或接近最優(yōu)的濾波器權(quán)重新權(quán)重=原先權(quán)重+常數(shù)*預(yù)測誤差*當(dāng)前輸入向量；其中，預(yù)測誤差=預(yù)先輸入期望值-實際輸出值。為了更好跟蹤信道的實時變化，系統(tǒng)周期性的發(fā)送已知的訓(xùn)練序列，均衡對信道進行估計，不斷調(diào)整濾波器系數(shù)，使均方誤差最小。
如圖3所示，線性均衡器采用線性LMS均衡器。線性LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、延時單元、抽頭系數(shù)單元、加法器、判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與延時單元、權(quán)重設(shè)置單元相連，延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與抽頭系數(shù)單元相連，抽頭系數(shù)單兀的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出依次通過判決單元和訓(xùn)練單元與計算錯誤反饋單元的一路輸入連接，加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元的另一路輸入相連，計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
如圖4所示，判決反饋均衡器為判決反饋LMS均衡器。判決反饋LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、前向延時單元、前向抽頭系數(shù)單元、反饋延時單元、反饋抽頭系數(shù)單元、加法器、判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與前向延時單元、權(quán)重設(shè)置單元相連， 前向延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與前向抽頭系數(shù)單元相連，前向抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出通過判決單兀與訓(xùn)練單元連接，訓(xùn)練單元的一路輸出連接計算錯誤反饋單元，訓(xùn)練單元的另一路輸出與反饋延時單元的輸入連接，反饋延時單元與反饋抽頭系數(shù)單元連接，反饋抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器；加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元相連，計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
由于信道是時變的，發(fā)端周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列，以幫助均衡器跟蹤信道的變化。 在MESH中，每幀數(shù)據(jù)的幀頭會包含一個固定長度的偽隨機序列(訓(xùn)練序列)。均衡器有訓(xùn)練模式和跟蹤模式兩種工作狀態(tài)。在工作初期，自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)初始化為零向量。數(shù)據(jù)通過接收機接收處理后送入 自適應(yīng)均衡器，均衡器的抽頭系數(shù)在接收信號與訓(xùn)練序列的誤差控制下自動調(diào)整。經(jīng)過一定次數(shù)的迭代后，均衡器的濾波系數(shù)會接近能夠取得的最佳值并不再大幅度變化，均衡器的這個狀態(tài)被稱為收斂。此時均衡器處在跟蹤模式(也叫判決模式)，此模式下，均衡器的抽頭系數(shù)在接收信號與信號星座圖的誤差控制下自動調(diào)整。 均衡器放置在幀同步之后，均衡器根據(jù)幀同步信號和訓(xùn)練序列長度在訓(xùn)練模式和跟蹤模式自動切換。
迫零算法放大了噪聲，很難適應(yīng)深度衰落信道。RLS算法性能較好，但是算法復(fù)雜， 運算量大，不適宜集成化，且其穩(wěn)定性依賴于輸入數(shù)據(jù)。LMS是最為常用的算法，結(jié)構(gòu)簡單， 運算量適中，穩(wěn)定性不依賴于輸入數(shù)據(jù)而只與步長有關(guān)，對時變信道的跟蹤特性·也比RLS 算法好，故在MESH中選擇使用LMS算法。
權(quán)利要求
1.Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，其特征在于它由線性均衡器和判決反饋均衡器構(gòu)成，通過模式選擇，在線性均衡與判決反饋均衡之間自動切換，并且自動選用效果最佳的算法;所述的線性均衡器包括2N個延時單元、2N+1個抽頭系數(shù)單元、一個加法器和一個采樣判決器，抽頭系數(shù)單元由噪音產(chǎn)生模塊和乘法器組成，輸入信號分別與第一延時單元和第一抽頭系數(shù)單元的輸入連接，第一延時單元的一路輸出與第二延時單元的輸入連接，另一路輸出與第二抽頭系數(shù)單元相連，末級延時單元的輸出與末級抽頭系數(shù)單元的輸入連接， 各抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的均衡輸出與采樣判決器連接；所述的判決反饋均衡器包括前向濾波器和反饋濾波器，前向濾波器的結(jié)構(gòu)與線性均衡器的結(jié)構(gòu)相同，反饋濾波器包括至少一個抽頭系數(shù)單元和與之?dāng)?shù)量相同的延時單元，加法器的均衡輸出與延時單元的輸入相連，延時單元的輸出與抽頭系數(shù)單元的輸入連接，各抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，其特征在于所述的線性均衡器為線性LMS均衡器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，其特征在于所述的線性 LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、延時單元、抽頭系數(shù)單元、加法器、判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與延時單元、權(quán)重設(shè)置單元相連，延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與抽頭系數(shù)單元相連，抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出依次通過判決單元和訓(xùn)練單元與計算錯誤反饋單元的一路輸入連接，加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元的另一路輸入相連，計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，其特征在于所述的判決反饋均衡器為判決反饋LMS均衡器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，其特征在于所述的判決反饋LMS均衡器包括權(quán)重設(shè)置單元、前向延時單元、前向抽頭系數(shù)單元、反饋延時單元、反饋抽頭系數(shù)單元、加法器、判決單元和計算錯誤反饋單元，輸入信號的分別與前向延時單元、 權(quán)重設(shè)置單元相連，前向延時單元和權(quán)重設(shè)置單元的輸出均與前向抽頭系數(shù)單元相連，前向抽頭系數(shù)單兀的輸出連接加法器，加法器的一路輸出直接輸出輸出信號，加法器的第二路輸出通過判決單元與訓(xùn)練單元連接，訓(xùn)練單元的一路輸出連接計算錯誤反饋單元，訓(xùn)練單元的另一路輸出與反饋延時單元的輸入連接，反饋延時單元與反饋抽頭系數(shù)單元連接， 反饋抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器；加法器的第三路輸出與計算錯誤反饋單元相連， 計算錯誤反饋單元的輸出連接權(quán)重設(shè)置單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Mesh自組網(wǎng)信道自適應(yīng)均衡器，它由線性均衡器和判決反饋均衡器構(gòu)成，線性均衡器包括延時單元、抽頭系數(shù)單元、加法器和采樣判決器，抽頭系數(shù)單元由噪音產(chǎn)生模塊和乘法器組成，各抽頭系數(shù)單元的輸出連接加法器，加法器的均衡輸出與采樣判決器連接；判決反饋均衡器包括前向濾波器和反饋濾波器，反饋濾波器包括抽頭系數(shù)單元和延時單元，加法器的均衡輸出與延時單元的輸入相連，延時單元的輸出與抽頭系數(shù)單元的輸入連接，各抽頭系數(shù)單元的輸出均連接加法器。本發(fā)明的實時跟蹤通信信道的時變特性，克服了符號間的干擾，可有效避免信息傳輸過程中產(chǎn)生信號失真或在接收端產(chǎn)生誤碼，提高了Mesh自組網(wǎng)的通信質(zhì)量。
文檔編號H04L25/02GK103067320SQ201210582470
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者舒勇, 王博, 袁賢剛, 何偉 申請人:成都泰格微波技術(shù)股份有限公司