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1、东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院信息论的广泛应用1东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院信息论在信息论在保密通信保密通信中的应用中的应用多媒体通信中的多媒体通信中的编译码编译码技术技术计算机网络通信中的计算机网络通信中的编译码编译码技术技术信息论在信息论在数字移动通信数字移动通信系统中的应用系统中的应用信息论在信息论在宽带无线接入宽带无线接入系统中的应用系统中的应用信息论在信息论在其他领域其他领域的应用的应用2东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课
2、件课件图图14.1 加密信道模型加密信道模型信息论在保密通信中的应用信息论在保密通信中的应用3东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件代码的实际码率或语言的实际熵定义为长度为代码的实际码率或语言的实际熵定义为长度为N的消息中的消息中每字符包含的平均信息比特数，表示为每字符包含的平均信息比特数，表示为(14.4)其中其中H(X)是消息熵，即最佳编码消息的比特数。当是消息熵，即最佳编码消息的比特数。当N很大很大时，据估计，中文的时，据估计，中文的r值不大于值不大于5比特比特/汉字，英文的汉字，英文的r值约值约在在1.0到到1.5比特比特/字符之间。字符之间。绝对码
3、率或语言的最大熵定义为假设所有可能字符序列等绝对码率或语言的最大熵定义为假设所有可能字符序列等概情况下，每字符包含的最大信息比特数，用概情况下，每字符包含的最大信息比特数，用r表示：表示： r=lbL (14.5) 其中其中L是语言包含的字符数。中文的绝对码率或最大熵约是语言包含的字符数。中文的绝对码率或最大熵约为为13.9比特比特/汉字，对英文字母，汉字，对英文字母，r = lb 26 = 4.7比特比特/字符。字符。信息保密技术的基础知识信息保密技术的基础知识基本度量基本度量 4东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件代码的冗余度用实际码率和绝对码率来定义
4、：D=rr(14.6)英语的r=4.7比特/字符，r =1.5比特/字符，D =3.2，比率D /r=68%就是英语冗余度的度量。中文的冗余度的度量约为80%。疑义度定义为在给定Y条件下X的条件熵。条件熵定义为：(14.7)疑义度可以认为是在收到Y后消息X的不确定度。密码破译者希望随着截获密文Y的增加，H(X|Y)接近于零。信息信息保密技术的基础知识保密技术的基础知识基本度量基本度量 5东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术从从应应用用的的角角度度来来看看，多多媒媒体体就就是是文文本本、音音频频、视视频频、图图
5、形形、图图像像、动动画画等等多多种种不不同同形形式式的的信信息表达方式的有机综合。息表达方式的有机综合。随随着着应应用用的的增增长长，术术语语“多多媒媒体体”的的内内涵涵也也不不断断扩扩大大，它它不不仅仅指指信信息息本本身身，更更主主要要的的是是指指处处理理和和应应用用它它的的一一系系列列技技术术，包包括括与与多多媒媒体体计计算算机、通信和应用相关的技术。机、通信和应用相关的技术。多多媒媒体体应应用用的的根根本本目目的的是是以以自自然然习习惯惯的的方方式式，高高效效安安全全地地接接受受计计算算机机世世界界的的信信息息，这这些些信信息息通过计算机生成的媒体来展现。通过计算机生成的媒体来展现。6东
6、南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术多媒体通信简介多媒体通信简介 数据压缩是多媒体发展的关键技术。数据压缩是多媒体发展的关键技术。多多媒媒体体数数据据压压缩缩技技术术的的分分类类有有多多种种方方法法，其其中中按按照照信信号号质质量有无损失可分为有损编码和无损编码。量有无损失可分为有损编码和无损编码。无无损损编编码码又又称称为为冗冗余余压压缩缩，主主要要用用于于文文本本数数据据压压缩缩。算算法法的的基基本本原原理理是是去去除除或或减减小小数数据据中中的的冗冗余余，压压缩缩过过程程中中不不能能破
7、破坏坏数数据据中中包包括括的的信信息息，解解码码后后的的数数据据必必须须与与原原来来的的一一样样。典典型型的的无无损损压压缩缩算算法法有有Huffman编编码码、费费诺诺-香香农农编编码码、算算术术编码、流程编码、编码、流程编码、Lempel-Zev编码等。编码等。有有损损压压缩缩又又称称为为熵熵压压缩缩，适适用用于于图图像像和和声声音音的的压压缩缩。在在压压缩缩过过程程中中减减小小了了数数据据中中包包含含的的数数据据量量，即即产产生生一一定定的的失失真真，由由此此获获得得较较高高的的压压缩缩比比。典典型型的的有有损损编编码码算算法法包包括括模模型型编编码码、矢量量化、子带编码、变换编码、小波
8、编码等。矢量量化、子带编码、变换编码、小波编码等。7东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件图图15.1 多媒体数据压缩技术分类多媒体数据压缩技术分类8东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术多媒体通信简介多媒体通信简介 与与多多媒媒体体通通信信有有关关的的压压缩缩编编码码的的国国际际标标准准主主要要有有音音频频编编码码标标准准G系系列列、静静态态图图像像压压缩缩编编码码国国际际标标准准JPEG、视视频频图图像像压压缩缩编编码码的的国国际际标标准准H.261和
9、和H.263、运动图像压缩编码的国际标准、运动图像压缩编码的国际标准MPEG系列。系列。当当前前多多媒媒体体编编码码技技术术发发展展的的一一个个重重要要方方向向就就是是综综合合现现有有的的编编码码技技术术，制制定定全全球球统统一一标标准准，使使信信息息管管理系统理系统具有互操作性并确保未来的兼容性具有互操作性并确保未来的兼容性。9东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件多多媒媒体体会会议议系系统统是是一一种种将将声声音音、图图像像、文文本本等等多多种种信信息息从从一一处处传传送送到到另另一一个个处处的的通通信信系系统统，关关键键技技术术包包括括：多多媒媒体体数
10、数据据处处理理技技术术；网网络络技技术术；分分布布处处理理技技术术；以以及支持更多媒体处理的终端技术。及支持更多媒体处理的终端技术。典典型型的的多多媒媒体体会会议议系系统统由由终终端端设设备备、通通信信链链路路、多多点点控控制制单单元元( (MCU) )及及相相应应的的软软件件部部分分组组成成。终终端端设设备备完完成成数数据据处处理理、多多媒媒体体通通信信协协议议处处理理、音音视视频频信信号号的的接接收收、存存储储与与播播放放，并并记记录录和和检检索索大大量量与与会会议议相相关关的的数数据据与与文文件件；MCU通通常常设设在在网网络络节节点点处处，用用于于处处理理多多个个地地点点同同时时进进行
11、行通通信信部部分分；软软件件包包括括协协议议、会会议议服服务务、音音频频与与视视频频信信号号处处理理等等；通通信信链链路路有有多多种种选选择择，包包括括公公共共电电话话交交换换网网( (PSTN) )、局局域域网网( (LAN) )、广广域域网网( (WAN) )、ISDN、异步传输模式、异步传输模式( (ATM) )等。等。多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术多媒体会议系统中的信道编码技术多媒体会议系统中的信道编码技术10东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件媒体通信技术是多媒体会议系统的关键技术之一。图像媒体通信技术是多媒体会议系统的关键技术
12、之一。图像信息经压缩后，信息的相关度大大降低，因此误码对图信息经压缩后，信息的相关度大大降低，因此误码对图像质量的影响不可忽视。在视频会议系统中采用像质量的影响不可忽视。在视频会议系统中采用BCH（511,493）纠错编码，以保证图像信息的可靠传输。）纠错编码，以保证图像信息的可靠传输。多媒体会议系统的图像纠错编码原理如图多媒体会议系统的图像纠错编码原理如图15.6所示。当所示。当进行纠错编码时，图像数据被划分为进行纠错编码时，图像数据被划分为493比特的数据分组，比特的数据分组，然后送入然后送入BCH纠错编码单元，按照纠错编码单元，按照BCH（511,493）算法）算法算出算出18比特的校验
13、位。延时单元的作用是补偿比特的校验位。延时单元的作用是补偿BCH编码编码所用的时间，使经编码输出的校验比特和相应的数据分所用的时间，使经编码输出的校验比特和相应的数据分组刚好对齐，然后两者复合起来送入多路利用单元。组刚好对齐，然后两者复合起来送入多路利用单元。 在接收端，解码器对图像进行在接收端，解码器对图像进行BCH译码，如果出现随机译码，如果出现随机误码，利用此纠错系统的比特校验位就可以将其纠正。误码，利用此纠错系统的比特校验位就可以将其纠正。 多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术多媒体会议系统中的信道编码技术多媒体会议系统中的信道编码技术11东南大学移动通信国家重点实验室“
14、“信息论与编码信息论与编码” ”课件课件多媒体通信中的编译码技术多媒体通信中的编译码技术多媒体会议系统中的信道编码技术多媒体会议系统中的信道编码技术图图15.6 多媒体会议系统中的图像纠错编码多媒体会议系统中的图像纠错编码12东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术计算机通信及其网络体系结构概述计算机通信及其网络体系结构概述ISO7498标准定义了网络体系结构的对象的类型、关系和约束，及7层开放系统互连参考模型，如图15.7所示。图图15.7 OSI参考模型中的体系结构参考模型中的体系结构13东南大学移动
15、通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件图图15.8 TCP/IP模型原理模型原理14东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件数数据据链链路路通通过过数数据据链链路路控控制制规规程程，在在不不太太可可靠靠且且有有外外来来干干扰的物理链路上实现可靠的、基本无差错的数据传输扰的物理链路上实现可靠的、基本无差错的数据传输数据链路层的主要功能：数据链路层的主要功能： （1）帧同步。指收方能从收到的比特流中准确地判断出一）帧同步。指收方能从收到的比特流中准确地判断出一帧的开始和结束。帧的开始和结束。（2）寻址。在多点链接情况下，用于保证每一帧都能送
16、到）寻址。在多点链接情况下，用于保证每一帧都能送到正确的地址，收方也应当知道数据是从哪一个节点发出的。正确的地址，收方也应当知道数据是从哪一个节点发出的。（3）流量控制。为了保证发方的发送数据速率不超过收方）流量控制。为了保证发方的发送数据速率不超过收方及时接收和处理的能力，当接收方来不及接收时，就必须及时接收和处理的能力，当接收方来不及接收时，就必须采取措施来控制发方发送数据的速率。采取措施来控制发方发送数据的速率。计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术数据链路控制规程中的差错控制技术数据链路控制规程中的差错控制技术15东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论
17、与编码” ”课件课件（4）差错控制。主要有纠错编码和检错编码两种。纠错）差错控制。主要有纠错编码和检错编码两种。纠错编码即前向纠错，由于开销较大，适用于卫星中继的编码即前向纠错，由于开销较大，适用于卫星中继的计算机通信。检错编码即检错重发，这种方法在计算计算机通信。检错编码即检错重发，这种方法在计算机通信中最为常用。机通信中最为常用。（5）数据和控制信息的识别。用于区分同一帧中的数据）数据和控制信息的识别。用于区分同一帧中的数据信息和控制信息。信息和控制信息。（6）透明传输。即保证数据传输的各种比特组合都能够）透明传输。即保证数据传输的各种比特组合都能够在物理链路上传送。在物理链路上传送。（7
18、）链路管理。即数据链路的建立、维持和释放过程。）链路管理。即数据链路的建立、维持和释放过程。计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术数据链路控制规程中的差错控制技术数据链路控制规程中的差错控制技术16东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件数据链路层中的差错控制用于提高数据传输的可靠性及数据链路层中的差错控制用于提高数据传输的可靠性及传输效率，主要的方式有以下传输效率，主要的方式有以下3种：种：（1）自动请求重发；）自动请求重发；（2）前向纠错；）前向纠错；（3）混合纠错。）混合纠错。在计算机通信中，差错控制的基本任务是在确定的信道在计算机通信
19、中，差错控制的基本任务是在确定的信道条件下，采取简单高效的方式保证系统的可靠性。条件下，采取简单高效的方式保证系统的可靠性。采用的编码方法可分为分组码和卷积码。采用的编码方法可分为分组码和卷积码。常用的分组码包括循环冗余校验码（常用的分组码包括循环冗余校验码（CRC）、恒比码、）、恒比码、垂直水平奇偶校验码等。其中循环冗余校验码在数据链垂直水平奇偶校验码等。其中循环冗余校验码在数据链路控制规程中应用最为普遍。路控制规程中应用最为普遍。卷积码则在前向纠错系统中应用较多。卷积码则在前向纠错系统中应用较多。计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术数据链路控制规程中的差错控制技术数据链
20、路控制规程中的差错控制技术17东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件网网络络电电话话也也称称IP电电话话，是是以以因因特特网网为为传传输输媒媒介介的的电电话话系系统统。具具有有占占用用频频带带小小、成成本本低低的的特特点点，并并且且可可以以与与图图像像、视视频频等等结合起来，进行传真、广播、电视等通信。结合起来，进行传真、广播、电视等通信。网网络络电电话话系系统统由由网网关关、网网闸闸和和多多点点接接入入控控制制单单元元组组成成。网网关关是是IP网网和和PSTN之之间间的的接接入入设设备备，其其接接入入服服务务模模块块提提供供IP网网接接口口的的PSTN接接
21、口口。在在PSTN一一侧侧，输输入入端端对对用用户户语语音音进进行行编编码码和和压压缩缩，在在通通话话过过程程中中，接接入入服服务务模模块块将将语语音音流流转转换换为为IP数数据据报报的的格格式式，即即打打包包，然然后后通通过过因因特特网网接接口口送送入入因因特特网网。同同样样，在在IP网网一一侧侧，接接入入服服务务模模块块将将IP数数据据报报进进行行解解包包，还还原原为为语语音音流流格格式式，然然后后进进行行解解压压缩缩和和语语音音还还原原，进进入入PSTN一一侧侧的的通通过过输输出出端端。网网闸闸是是服服务务控控制制模模块块，用用于于用用户户的的注注册册和和管管理理。多多点点接接入入控控制
22、制则则用用于于支支持持IP网网上上的的多多点点通通信信，可可实实现现网网络电话会议、可视电话等多媒体功能。络电话会议、可视电话等多媒体功能。 计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术网络电话系统中的关键技术网络电话系统中的关键技术18东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件图图15.11 H.323语音编码和视频编码标准体系语音编码和视频编码标准体系19东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件混合编码算法兼有波形编码的高质量和参数编码的低速率混合编码算法兼有波形编码的高质量和参数编码的低速率的优点，因此在音频编
23、解码算法的国际标准中广泛采用。的优点，因此在音频编解码算法的国际标准中广泛采用。语音信号压缩编码的标准建议为语音信号压缩编码的标准建议为G.7XX系列，见表系列，见表15.2。由于语音通信对实时性的要求较高，因此在网络电话中采由于语音通信对实时性的要求较高，因此在网络电话中采用资源预留协议（用资源预留协议（RSVP）对语音优先处理。在）对语音优先处理。在WAN中传中传输速率小于输速率小于512 kb/s时，时，IP网的路由器应设定语音包的优网的路由器应设定语音包的优先级为最高。先级为最高。在全双工电话通信过程中，仅有在全双工电话通信过程中，仅有40%40%左右的信号是有效的，左右的信号是有效的
24、，因此，在网络电话通信系统中采用静音抑制技术，以减少因此，在网络电话通信系统中采用静音抑制技术，以减少占用的网络带宽。占用的网络带宽。 计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术网络电话系统中的关键技术网络电话系统中的关键技术20东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院ITU建议制定时间码率(kb/s)编码算法说明G.711197264(56)PCM(/A)3kHz语音带宽，8kHz采样G.7211984/198632ADPCM3kHz语音带宽，8kHz采样G.722198664/56/48SBC-ADPCM7kHz语音带宽，
25、16kHz采样G.723198640/32/24ADPCMG.723.16.3/5.27MP-MLQ/ACELPG.726199016ADPCMG.727199032/24/16ADPCMG.728199216LD-CELP低时延CELPG.72919968CS-ACELPG.729A19968可用于DSVDG.729B1996用于V.70终端，语音激活表表15.2 语音编码的主要国际标准语音编码的主要国际标准21东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术网络电话系统中的关键技术网络电话
26、系统中的关键技术IP网网中中迟迟到到或或持持续续出出错错的的语语音音包包将将被被丢丢弃弃处处理理，造造成成语语音音失失真真，因因此此在在IP电电话话中中需需采采用用语语音音抖抖动动处处理理技技术术，以以克克服服IP数数据据报报传传输输时时间间不不同同造造成成的的抖抖动动。方方法法是是在在收收端端设设置置缓缓冲冲区区暂暂存存语语音音包包，用用稳稳定定平平滑滑的的速速率率从从缓缓冲冲区区中中取取出出语语音音包包，经经解解压压缩缩和和还原语音后传送给用户。还原语音后传送给用户。前前向向纠纠错错编编码码也也是是网网络络电电话话中中与与语语音音处处理理相相关关的的一一项项技技术术。网网关关采采用用两两级
27、级前前向向纠纠错错，Intra-Packet在在同同一一数数据据报报内内加加入入冗冗余余数数据据，使使收收端端能能纠纠错错并并还还原原语语音音数数据据；Extra-Packet在在每每个个语语音音数数据据报报中中包包含含后后续续包包的的冗冗余余数数据据，确确保保收收端端能能检检测测出出差差错错或或丢丢失失的的数数据据报报并并恢恢复复。采采取取FEC技技术术可可以以弥弥补补10%20%的的数据报丢失率，其代价是需要占用一定的网络带宽。数据报丢失率，其代价是需要占用一定的网络带宽。 22东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院计算机网络通信中的
28、编译码技术计算机网络通信中的编译码技术网络电话系统中的关键技术网络电话系统中的关键技术网络电话以分组的形式在因特网中传输，要求网关在语音网络电话以分组的形式在因特网中传输，要求网关在语音终端和因特网之间将连续的语音信号划分成确定长度的多个终端和因特网之间将连续的语音信号划分成确定长度的多个语音分组，然后将压缩编码后的数据封装到语音分组，然后将压缩编码后的数据封装到IP数据报中，以数据报中，以实现在实现在IP交换网中的传输。交换网中的传输。封装方法为在语音数据报前面加上总长度为封装方法为在语音数据报前面加上总长度为40字节的报头。字节的报头。因此在因此在IP网络中实际传送的码流并非编码后的净码流
29、，即语网络中实际传送的码流并非编码后的净码流，即语音包，而是经封装后的码流。封装的效率取决于一个音包，而是经封装后的码流。封装的效率取决于一个RTP报报中所加封的语音数据报的数量。中所加封的语音数据报的数量。显然加封的语音报越多，封装效率越高，但是全网传输延显然加封的语音报越多，封装效率越高，但是全网传输延迟也就增大。迟也就增大。 23东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院计算机网络通信中的编译码技术计算机网络通信中的编译码技术网络电话系统中的关键技术网络电话系统中的关键技术网网络络电电话话经经编编码码压压缩缩后后， 对对IP网网进进一一
30、步步进进行行统统计计复复用用，则则可可以提高网络的线路利用率，代价是增加了网络的全程延迟。以提高网络的线路利用率，代价是增加了网络的全程延迟。由由于于语语音音业业务务对对实实时时性性的的要要求求较较高高，对对语语音音的的全全程程往往返返延延迟迟应应控控制制在在450 ms较较为为合合适适。因因此此，编编码码打打包包后后形形成成的的单单位位码码流流通通常常为为20 kb/s，与与基基于于64 kb/s的的G.711 PSTN交交换换相相比比，带带宽宽压缩了约压缩了约2/3。网网络络电电话话是是计计算算机机技技术术与与电电信信相相结结合合的的成成果果，具具有有良良好好的的发发展展前前景景，但但是是
31、目目前前还还存存在在一一些些需需要要解解决决的的问问题题，例例如如由由于于目目前前因因特特网网的的TCP/IP协协议议体体系系不不提提供供任任何何服服务务质质量量保保证证，因因此此影影响响了了IP电电话话的的通通话话质质量量，解解决决的的方方法法可可以以通通过过拓拓展展因因特特网网的的带带宽和制定下一代的宽和制定下一代的IP协议即协议即IPv6来加以改进。来加以改进。 24东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用移动信道对数字传输的影响移动信道对数字传输的影响工作在甚高频工作在甚高频(VHF)和超高频和超
32、高频(UHF)频段的移动通信系统，频段的移动通信系统，电波传播方式主要是空间波，即直射波、折射波、散射波及电波传播方式主要是空间波，即直射波、折射波、散射波及其合成波。其合成波。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，陆地移动无线信复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，陆地移动无线信道中信号的衰落深度可达道中信号的衰落深度可达30dB，使得数字传输的误码率大大，使得数字传输的误码率大大增加。增加。为了保证在如此恶劣的传播条件下接收信号的传输质量，就为了保证在如此恶劣的传播条件下接收信号的传输质量，就必须采用各种抗衰落技术和数字传输技术，例如分集技术、必须采用各种抗衰落技术和数字传输技术，例如分集
33、技术、扩频技术、均衡、交织和纠错编码等。扩频技术、均衡、交织和纠错编码等。25东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件信信号号在在移移动动信信道道传传播播过过程程中中会会受受到到各各种种衰衰减减的的影影响响，接接收信号功率可表示为收信号功率可表示为(15.10) 信信道道对对信信号号的的作作用用可可归归结结为为：自自由由空空间间传传播播损损耗耗|d| n，其其中中n通常为通常为34；阴影衰落；阴影衰落S(d) ；以及多径衰落；以及多径衰落R(d)表示。表示。从从系系统统工工程程的的角角度度看看，传传播播损损耗耗和和阴阴影影衰衰落落主主要要影影响响到到无线区的覆
34、盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量无线区的覆盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量。信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用移动信道对数字传输的影响移动信道对数字传输的影响26东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件将多径传播环境简化为某种模型。对于具有N个路径的衰落信道，多径传播模型中的接收功率可以表示为其中Pt为发射功率，gb和gm分别是基站和移动台的天线增益，Ri是各路径的地面反射系数，i是路径间的相位差。实际移动环境中接收信号的幅度服从瑞利分布，因而多径衰落也称为瑞利衰落。信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用移动信道
35、对数字传输的影响移动信道对数字传输的影响(15.11)27东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件多径传播对数字传输的影响多径传播对数字传输的影响（1）时延扩展）时延扩展时延扩展，即在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为，实际上就是脉冲展宽的时间。若发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号的宽度变成T+。时延扩展会引起码间串扰(ISI)。为避免码间串扰，应使码元周期大于时延扩展。时延扩展可以用数学模型来描述，例如在时延谱模型中，接收信号由N个等间隔的脉冲组成，脉冲的幅度为指数函数，延时概率函数为(15.12)信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移
36、动通信中的应用移动信道对数字传输的影响移动信道对数字传输的影响28东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件（2）相关带宽）相关带宽相关带宽是对移动信道传输一定带宽信号的能力的统计度量。当码元速率较低时，信号带宽远小于信道的相关带宽，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不产生失真，无码间串扰，此时的衰落为非频率选择性衰落；若码元速率很高，信号带宽大于相关带宽，则信号通过信道传输后各个频率分量的变化不一致，将引起波形失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落。相关带宽通常用最大时延Tm的倒数来表示，即信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字
37、移动通信中的应用移动信道对数字传输的影响移动信道对数字传输的影响29东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件（3）时间选择性衰落）时间选择性衰落在移动环境中，移动台的运动会使接收信号产生多普勒频移，在多径信道中这种频移会成为多普勒频展。将多普勒频展的宽度的倒数定义为相干时间，则它表征了时变信道对信号衰落的节拍，这种衰落是由于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，称为时间选择性衰落。时间选择性衰落严重影响了数字信号的误码率，为了减小其影响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用移动信道对数字传输的
38、影响移动信道对数字传输的影响30东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件全球移动通信系统(GSM)选定规则脉冲激励长期预测（RPE-LTP）编码算法作为其语音编码方案。RPE-LTP采用相位与幅度优化的等间距规则脉冲作为激励源，合成波形接近于原始语音信号。同时，结合长期预测，去除信号冗余度，从而降低了编码速率。RPE-LTP的净编码速率为13kb/s，语音质量MOS得分可达4.0。GSM系统的语音处理过程：发送端先进行语音检测，将每个时间段分为有声段和无声段。在有声段进行语音编码产生编码语音帧，在无声段对背景噪声进行估计，产生静寂描述(SID)帧。发信机采用不
39、连续发射方式，即仅在包含语音帧的时段内才开启发信机。在语音段结束时发送SID帧，接收端根据收到的SID帧中的信息在无声时段内插入舒适噪声。信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用数字移动通信中的语音编码技术数字移动通信中的语音编码技术31东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件3G移动通信系统将提供能全球接入和漫游的广泛业务。移动通信系统将提供能全球接入和漫游的广泛业务。CDMA2000系系列列标标准准是是为为满满足足3G无无线线通通信信系系统统的的要要求求而而提提出出的的。目目标标是是提提供供较较高高的的数数据据速速率率以以满满足足IMT-2
40、000的的性性能能要要求求，即即车车辆辆环环境境下下至至少少144 kb/s，步步行行环环境境下下384 kb/s，室内办公室环境下室内办公室环境下2,048 kb/s的传输速率。的传输速率。CDMA2000标标准准是是cdmaOne无无线线系系统统的的技技术术演演进进，其其新新的的特特点点主主要要包包括括：多多种种信信道道带带宽宽，即即带带宽宽可可以以是是N 1.2288 MHz；快快速速前前向向功功率率控控制制；辅辅助助导导频频信信道道；灵灵活活的的帧帧长长，有有5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms等等多多种种；反反向向链链路路相相干干解解调调；前前向向发发送送分分集
41、集；改改进进的的媒媒体体接接入入控控制制方方案案；可可选选择择较较长长的的交交织织器器；以以及及Turbo编编码码。其其中中Turbo编编码码是是CDMA2000中的关键技术。中的关键技术。信息论在数字移动通信中的应用信息论在数字移动通信中的应用Turbo码在码在CDMA2000中的应用中的应用32东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件随着Internet技术的迅猛发展，现有的有线接入系统远远不能满足人们的宽带业务需求；另一方面随着电信市场的不断开放，新运营商不断加入，形成了多方竞争的局面。在这种背景下，宽带无线接入应运而生。宽带无线接入主要有以下几种技术宽
42、带无线接入主要有以下几种技术无线局域网(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)技术、本地多点分配系统(LMDS)、多点多信道分配系统(MMDS)及其他（如红外等）。无线局域网主要技术有IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、HiperLAN等。当前最具代表性的是IEEE802.11b。未来无线局域网与3G存在一定的互补与竞争关系。信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用33东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用蓝牙是一种使用2.4GHz
43、2.483GHz无线频段即工业、科学和医疗(ISM)频段的通用无线接口技术，提供不同设备间的双向短程通信。最高数据传输速率1Mbit/s、最大传输距离为10cm10m，增加发射功率可达100m。蓝牙的优势是设备成本低、体积小。相对于802.11x系列和HiperLAN家族，蓝牙的作用不是为了竞争而是相互补充。固定无线接入系统已经从最初基于电话接入方式的窄带系统演变为面向宽带数据业务为主的宽带固定无线接入系统。而且随着接入网建设的持续升温以及各种新的技术不断被引入，宽带固定无线接入系统仍是未来几年内通信市场发展的一个热点。34东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件
44、课件武汉大学电子信息学院信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用宽带无线接入技术的一些新技术包括：宽带OFDM技术、3.5GHz频段的24扇区天线技术、软件无线电技术、调制阶数和覆盖面大小可变的自适应技术、高效率频谱成型技术、自适应动态时隙分配技术、自适应信道估值与码间干扰对抗技术、自适应带宽分配及流量分级管理技术、中频与射频集成组装的紧凑型的户外单元技术和高级编码调制与收信检测技术等。35东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件蓝牙系统的最小传输单位是包，由接入码、包头和有效载荷3个部分组成。在信道中，数据以包的形式传输。每个包都有包头检查(
45、HEC)来保证包的完整性，由线性移位反馈寄存器产生。生成多项式为g (x)=(x+1)(x7+x4+ x3+ x2+1)=x8+x7+ x5+ x2+ x +1信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用蓝牙系统中的差错控制技术蓝牙系统中的差错控制技术36东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件IEEE802.11无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。802.11标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的环境中被广泛接受。随后IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准，前者已经成为目前的主流标准，而后者也被很多
46、厂商看好。802.11MAC子层提供两个功能，即CRC校验和包分片。在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时候不出错，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送时被分成较小的部分分批传送。减少了数据报重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。MAC子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用 IEEE 802.11 WLAN中的编译码算法中的编译码算法37东南大学移动通信国家重点实验室“
47、“信息论与编码信息论与编码” ”课件课件为增加数据通信速率，802.11b标准采用了补充编码键控(CCK)，CCK由64个8比特长的码字组成。这些码字即使在出现严重噪声和多径干扰的情况下，收方也能正确地予以区别。802.11b规定在速率为5.5Mbps时使用CCK，对每个载波进行4比特编码。当速率为11Mbps时，对每个载波进行8比特编码。两种速率都使用QPSK作为调制技术，这也是802.11b能实现更高数据传输速率的原因。802.11b允许数据速率自动调整以适应无线通信的变化特性。当设备移动到覆盖范围之外，或者出现严重干扰时，802.11b设备将以较低的速率进行发射，这时，速率就会回落到5.
48、5Mbps、2Mbps或1Mbps。如果无线设备从低速率环境进入高速率环境，连接速率将自动提高。动态速率漂移是一个对用户和上层协议栈的透明的物理层机制。信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用IEEE 802.11 WLAN中的编译码算法中的编译码算法38东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件IEEE802.11WLAN采用有线等效协议(WEP)保证为系统提供机密性和数据完整性，并通过拒绝所有非WEP信息包来保护对网络基础结构的访问。加密及解密过程：（1）使用CRC-32算法对数据帧求校验和以获得信息分组c(M)，其中M是数据信息。然后合并M
49、和c (M)，以此获得明文P =(M,c(M)。（2）使用RC4算法加密明文P。这生成一个密钥流作为初始化矢量(IV)v和密钥k的函数，用RC4(v,k)表示。通过将XOR函数应用于明文和密钥流而产生密文。然后，密文和初始化矢量IV 通过发信机送入信道。WEP加密算法的帧结构如图15.23所示。信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用IEEE 802.11 WLAN中的编译码算法中的编译码算法39东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件图图15.23 WEP加密算法帧结构加密算法帧结构40东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与
50、编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院信息论在宽带无线接入中的应用信息论在宽带无线接入中的应用IEEE 802.11 WLAN中的编译码算法中的编译码算法解密过程与加密相反。接收端本地生成密钥流，并将它与密文进行XOR运算以恢复估计的初始明文P。接着，P被分成两个部分：M和c。然后，计算c(M)，并将它与接收到的校验和c 进行比较。如果不匹配，则消息主体在传输期间已经以某一方式更改过。解密通过使用带信息包传输的IV和共享密钥来生成用于加密的等同密钥流。最后，将结果与密文进行XOR运算，以显示消息。41东南大学移动通信国家重点实验室“ “信息论与编码信息论与编码” ”课件课件武汉大学电子信息学院 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
