chapter4_Anti_fading_techniques

1、1抗信道衰落技術(shù)抗信道衰落技術(shù)2抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 一般來說，為解決移通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，必須一般來說，為解決移通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，必須搞清三個(gè)問題搞清三個(gè)問題：(1)無線電信號(hào)在移動(dòng)信道中可能發(fā)生的變化以及發(fā)生這些變化的原因;(2)對(duì)于特定的無線傳輸技術(shù)，這些變化對(duì)傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能有什么影響；(3)有哪些方法或技術(shù)可供用來克服這些不利影響。3抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)l為了提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，采用以下技術(shù)在用來改進(jìn)接收質(zhì)量：l分集接收分集接收l用來補(bǔ)償衰落信道損耗用來補(bǔ)償衰落信道損耗l信道均衡信道均衡l補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾（補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾（

2、ISI）。）。l信道編碼信道編碼l通過發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。通過發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。l交織編碼交織編碼l智能天線智能天線l空時(shí)編碼空時(shí)編碼l混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳ll這些技術(shù)，既可單獨(dú)使用，也可組合使用。4分集接收技術(shù)l研究如何利用多徑信號(hào)來改善系統(tǒng)的性能，是抗衰落、提高通信質(zhì)量的一種有效措施。l利用多條傳輸相同信息,且具有近似相等的平均信號(hào)場強(qiáng)和相互獨(dú)立衰落特性的信號(hào)路徑, 在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?以便大大降低多徑衰落的影響,從而改善傳輸?shù)目煽啃?5分集接收技術(shù)l分集按目的分可以為:l宏（macroscopic）分集l

3、“多基站”分集, 以克服長期衰落為目的。l微（microscopic）分集l減小短期衰落影響.n空間分集n頻率分集n時(shí)間分集n 場分量分集n 角度分集n 極化分集分集接收技術(shù)-宏分集把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上和在不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信（可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信）。7分集接收技術(shù)l按信號(hào)的傳輸方式可以分為:l顯分集l構(gòu)成明顯分集信號(hào)的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號(hào)的分集。l隱分集l分集作用含在傳輸信號(hào)中的方式，在接收端利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集，它包括交織編碼技術(shù)，跳頻技術(shù)等。l隱分集一般用在數(shù)字移動(dòng)通信中。8分集接收技術(shù)l分集有兩重含義:l分散傳輸:

4、 使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,攜帶同一信息的衰落信號(hào).l集中處理: 接收端對(duì)收到的多個(gè)衰落特性互相互相獨(dú)立獨(dú)立（攜帶同一信息）的信號(hào)進(jìn)行特定處理，以降低信號(hào)電平起伏，降低衰落的影響，提高靈敏度的辦法。9分集接收技術(shù)多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立互相獨(dú)立10分集接收技術(shù)-空間分集l依據(jù) 快衰落的空間獨(dú)立性,即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一信號(hào),只要兩個(gè)位置的距離d大到一定程度,則兩處所收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的.l理論上, 足以保證各接收信號(hào)是不相關(guān)的.l實(shí)際中,視地形地物而定,一般 市區(qū): 郊區(qū):l例如900MHz頻段,d=0.27m0.8d0.5d2d11分集接收技術(shù)-空間分集多傳輸天線12分集接收技術(shù)-

5、空間分集多接收天線13分集接收技術(shù)-空間分集多傳輸天線、多接收天線14分集接收技術(shù)-頻率分集l將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去,只要載頻之間的間隔足夠大(大于相干帶寬),則接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號(hào). 載頻間隔Bc l如市區(qū) l優(yōu)點(diǎn): 減少天線數(shù)目l缺點(diǎn):占用更多的頻譜資源3 s53cBKHz12cB15分集接收技術(shù)-時(shí)間分集l對(duì)于一個(gè)隨機(jī)衰落信號(hào),若對(duì)其振幅進(jìn)行順序抽樣,則在時(shí)間上間隔足夠遠(yuǎn)(大于相干時(shí)間)的兩個(gè)樣點(diǎn)是互不相關(guān)的.l所以, 將給定的信號(hào)在時(shí)間上相隔一定時(shí)間間隔重發(fā)傳輸M次,只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間,就可以得到M條獨(dú)立的分集支路.l要求重發(fā)時(shí)間間隔滿足: fm:

6、衰落速率l對(duì)于移動(dòng)臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),時(shí)間分集得益喪失.1122( / )mTfv16分集接收技術(shù)-極化分集l在移動(dòng)環(huán)境下,兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落特性.l因此在收、發(fā)兩端分別裝上垂直極化和水平極化天線，就可以得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)。l是空間分集的特殊情況l優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間l發(fā)射功率要分配到兩副天線上，發(fā)射信號(hào)功率將損失3dB 17分集接收技術(shù)-角度分集l使電波通過幾個(gè)不同路徑，以不同角度到達(dá)接收端，接收端利用方向性天線分別指向不同的信號(hào)到達(dá)方向，每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)是不相關(guān)的。l較高頻率時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。 18分集接收技術(shù)-場向量分集l

7、接收端通過接收三個(gè)互不相關(guān)的場向量（Ez,Hx,Hy）,可獲得分集增益。l適用于較低工作頻段（低于100MHz）。l工作頻率較高時(shí)（800-900MHz),空間分集在結(jié)構(gòu)上較易實(shí)現(xiàn)。 19分集接收技術(shù)-合并方式l在接收端取得M條相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。l根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為:l檢測(cè)前合并技術(shù)l檢測(cè)后合并技術(shù) 20分集接收技術(shù)-合并方式線形合并器：把M個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)相加后合并輸出。1 12 21( )( )( ) .( )( )Mm mk kkr tar ta r ta r ta r t選擇不同的加權(quán)系數(shù)ak，就構(gòu)成不同的合并方式。 選擇合

8、并 最大比合并 等增益合并21分集接收技術(shù)-合并方式選擇式合并22分集接收技術(shù)-合并方式接收機(jī)1接收機(jī)212等增益合并1Mkkr信號(hào)包絡(luò)23分集接收技術(shù)-合并方式111( )r taN21MkkkrN最大比值合并最佳合并方式( )MMMrtaN22max112MMiiiiirN輸出信號(hào)SNR最大可等于各路支路SNR之和信號(hào)包絡(luò)24分集接收技術(shù)-合并方式開關(guān)式合并開關(guān)式合并l與選擇合并非常相似，但是它不是總采用M個(gè)支路中信號(hào)最好的支路，而是以一個(gè)固定順序掃描 M 個(gè)支路，直到發(fā)現(xiàn)某一支路的信號(hào)超過了預(yù)置的閾值，然后這路信號(hào)將被選中并送至接收機(jī)。一旦這路信號(hào)降低至閾值之下，那么掃描過程將重新開始。

9、 25分集接收技術(shù)-合并方式l檢測(cè)前二重開關(guān)式合并框圖: 26分集接收技術(shù)-合并方式l該分集方式也稱為掃描式分集（Scanning Diversity）或者反饋分集，該方式的優(yōu)點(diǎn)是僅使用一套接收設(shè)備，非常易于實(shí)現(xiàn)。與其他方法相比較，它的抗衰落統(tǒng)計(jì)特性稍差一些。l在監(jiān)視接收信號(hào)的瞬時(shí)包絡(luò)，當(dāng)支路1的瞬時(shí)包絡(luò)低于預(yù)定門限時(shí)，將天線開關(guān)置到支路2上。若此時(shí)支路2的瞬時(shí)包絡(luò)也低于預(yù)定門限時(shí)，有兩種處理方法：l第一種：天線開關(guān)在支路1和支路2之間循環(huán)切換，直到一個(gè)支路的包絡(luò)大于預(yù)先設(shè)定的門限；l第二種：天線開關(guān)停留在支路2上，直到支路2大于預(yù)定門限后，再次低于預(yù)定門限時(shí)，天線開關(guān)再轉(zhuǎn)到支路1上。27分集

10、接收技術(shù)-合并方式l上述第二種方法避免了在兩個(gè)支路都低于預(yù)定門限時(shí)，頻繁的開關(guān)倒換。它是實(shí)際中通常采用的方法。此時(shí)二重開關(guān)式合并后輸出信號(hào)的包絡(luò)如圖。28分集接收技術(shù)l帶反饋的空間分集l與切換接收天線相類似，可以通過切換發(fā)射天線的方法來獲得合并增益，這種方法稱為帶反饋的空間分集。 29分集接收技術(shù)-分集合并性能比較l平均信噪比的改善l指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比 較 無分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù).平均信噪比改善（dB）分集重?cái)?shù)M最大比值合并等增益合并選擇式合并30分集接收技術(shù)-分集合并性能比較l選擇性合并：l設(shè)備簡單，l當(dāng)分集重?cái)?shù)3,信噪比改善緩慢l最大值合并:l設(shè)備較復(fù)雜l改善

11、信噪比最多l(xiāng)等增益合并l在分集數(shù)M較小時(shí)，信噪比改善接近最大比合并l電路實(shí)現(xiàn)比最大比合并簡單31信道編碼技術(shù)l在移動(dòng)信道上,誤碼有兩種類型:l隨機(jī)性誤碼:l單個(gè)碼元錯(cuò)誤,并且隨機(jī)發(fā)生,主要由噪聲引起;l突發(fā)性誤碼:l連續(xù)數(shù)個(gè)碼元發(fā)生錯(cuò)誤,主要由于衰落或陰影造成因此,信道誤碼應(yīng)有克服這兩類誤碼的能力.信道編碼主要是為了糾錯(cuò),也叫前向糾錯(cuò)(FEC: Forward error correcting)32信道編碼技術(shù)_線性分組碼l線性分組碼l在一個(gè)碼字中,監(jiān)督元只由本組的信息碼元來決定. (n,k)碼: 1 2 312kkknc c cc ccc信息碼元 監(jiān)督碼元 編碼效率: k/n33信道編碼技術(shù)

12、_線性分組碼l循環(huán)碼: l任一碼字每一次向左(或向右)循環(huán)移位,就可以得到另一碼字. lBCH碼l能糾正多個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)的特殊循環(huán)碼l碼長為 n=2m-1 (m為正整數(shù))lR-S碼l一種多進(jìn)制的BCH碼l從二進(jìn)制碼元來看,有糾正突發(fā)錯(cuò)誤的能力34信道編碼技術(shù)_卷積編碼技術(shù) l卷積編碼技術(shù) l任一組的監(jiān)督碼元不僅與本組信息碼元有關(guān),而且還和前面若干組的信息碼元有關(guān)l是一種特殊的分組碼l糾錯(cuò)能力較強(qiáng), 能糾隨機(jī)和突發(fā)錯(cuò)誤.Yk碼率為1/2約束長度k=4生成多項(xiàng)式: g1=37,g2=2135信道編碼技術(shù)_卷積編碼技術(shù) l例:100+u1u21u1 u2 1 1010+u1u20u1 u2 1 0101

13、+u1u21u1 u2 0 0010+u1u20u1 u2 1 0001+u1u20u1 u2 1 110100 11 10 00 10 1136信道編碼技術(shù)_ Turbo編碼技術(shù) lTurbo編碼技術(shù) l無論是從信息論還是從編碼理論看,要想提高編碼的性能,就必須加大編碼中具有約束關(guān)系的序列長度.l但是直接提高分組碼編碼長度或卷積碼約束長度都使系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇上升.lForney提出了級(jí)聯(lián)碼的概念l以多個(gè)短碼來構(gòu)造長碼,既能減小譯碼復(fù)雜性,又能得到等效長碼的性能l級(jí)聯(lián)碼研究的一個(gè)成果:Turbo碼37信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) l1993年C.Berrou等人提出l基本思想 l由兩個(gè)或更

14、多的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器（RSC）并行組成，在兩個(gè)RSC之間加入交織器兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積碼子編碼器的輸出由于交織而不具有相關(guān)性，從而可以互相利用對(duì)方提供的先驗(yàn)信息（extrinsic information）.38信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) One RSC encoder with memory M=4 obtained from an NSC encoder defined by generators G1=37,G2=2139信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo encoder example(1)D a ta dkR S C c o d e C1R S C c o d e C

15、2N o n u n ifo rmin te rle a v in gdnXkY1 kY2 kre d u n d a n c y碼率為1/3的Turbo碼編碼器40信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo encoder example(2)母碼率為1/3的Turbo碼編碼器41信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo encoder example42信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo decoderTurbo譯碼利用兩個(gè)子譯碼器之間信息的往復(fù)迭代遞歸調(diào)用，來加強(qiáng)后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比LLR，提高判決可靠性。43信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo decod

16、erTurbo譯碼利用兩個(gè)子譯碼器之間信息的往復(fù)迭代遞歸調(diào)用，來加強(qiáng)后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比LLR，提高判決可靠性。44信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù) lTurbo 碼性能45交織編碼技術(shù) Interleavingl把一個(gè)較長的突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)差錯(cuò),再用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼(FEC)技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò).l交織編碼過程是將FEC碼子序列按行寫入而按列讀出.l交織深度越大,離散度越大,抗突發(fā)差錯(cuò)能力越強(qiáng).Information to be transmittedSource codingChannel codingModulationTransmitterChannelInformation recei

17、vedSource decodingChannel decodingDemodulationReceiverChannelcodingChannel decodingInterleavingDe-Interleaving47交織編碼技術(shù)l以分組碼(7,3)為例:1112131415161721222324252627313233343536371234567MMMMMMMaaaaaaabbbbbbbcccccccmmmmmmm寫入讀出行數(shù)123M交織編碼輸出序列為:11 121317 21 22 2327 31 32 3337a a aa b b bb c c cc交織編碼矩陣:48交織編碼技

18、術(shù)11 21 311 1222 32213 23 333MMMa b cma b cma b cm交織編碼輸出序列為:傳輸中出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤則經(jīng)解交織后,每一FEC碼子中只發(fā)生2位差錯(cuò).當(dāng)糾錯(cuò)能力 時(shí),即可消除差錯(cuò).2t11 121317 21 22 2327 31 32 3337a a aa b b bb c c cc49Interleaving (Example)0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0,Transmitting Data0, 1, 0, 0 0, 1, 0, 0 0, 1, 0, 0 1, 0, 0, 0ReadWriteDe-Interleaving0

19、, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, Output DataBurst errorDiscrete error50交織編碼技術(shù)若FEC糾錯(cuò)能力為t時(shí),交織編碼可糾正一次突發(fā)差錯(cuò)的長度為:tML 即可糾正t次突發(fā)差錯(cuò)長度為M位的差錯(cuò).交織深度M越大,交織編碼處理時(shí)間也越長,即是以時(shí)間為代價(jià)的.交織編碼屬于時(shí)間隱分集.51信道均衡技術(shù)l所謂均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的干擾。即通過均衡器消除時(shí)間和信道的選擇性。l用于解決符號(hào)間干擾的問題，適用于信號(hào)不可分離多徑的條件下，且時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號(hào)的寬度。l由于信道

20、是時(shí)變的,要求均衡的特性能自動(dòng)適應(yīng)信道的變化而均衡.Equalization(均衡均衡) Effect of Multipath Propagation: Multiple copies of a signal may arrive at different phases: If phases add destructively, the signals may cancel out due to phase differences.Intersymbol interference (ISI, 碼間干擾): One or more delayed copies of a pulse may a

21、rrive at the receiving antennas. Without proper recover, those delayed pulses act as noise, giving rise to the ISI.InterSymbol Interferenceq Inter-Symbol-Interference Cancellation: Equalization Technologies The general idea of equalization is to predict the ISI that will be encountered by a transmis

22、sion and accordingly modify the signal to be transmitted so that the signal reaching the receiver will represent the information the transmitter wants to send. 均衡器是傳輸信道的逆濾波器； 由于無線傳輸信道的時(shí)變性，均衡器必須是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器； 均衡器的效果是補(bǔ)償信道的頻率選擇性，使衰落趨于平坦、相位趨于線性。均衡器不能抵銷平衰落。 Linear and nonlinear equalization.線性均衡適用于衰落深度不是很

23、大的情況， 通常不適用于無線衰落信道.Channel with ISIChannel with ideal zero-forcing equalization tnthtstrc, thc tr ts tn ,1*1*1*thtntntththtntsthtrtrcccc, thc tr ts,1thc tn tr*, thc ts,1thc tn* tr* ts*54Automatic Repeat Request (ARQ)DemodulationData bitsData bitsCRCBufferModulationBufferErrorcheckARQ control gainnoi

24、seFeedbackChannelACK/NACK55Stop-And-Wait ARQ (SAW ARQ)Transmitting Data1323TimeReceived Data1 23TimeACKACKNAKOutput Data123TimeErrorRetransmissionACK: AcknowledgeNAK: Negative ACK56N信道SW ARQN子通道各子信道分別采用SW ARQN組緩存器N組緩存器自適應(yīng)N子通道復(fù)用器N子通道解復(fù)用器(解碼檢測(cè)存儲(chǔ))碼塊數(shù)據(jù)EVEN DATAEVEN CONTROLEVEN DATAEVEN CONTROLEVEN DATAE

25、VEN CONTROLODD DATAODD CONTROLODD DATAODD CONTROLODD DATAODD CONTROLEVEN DATAEVEN CONTROLEVENACKODDACKEVENACKODDACKEVENACKODDACKODDACKDownlink ControlDownlink DataUplink Acknowledgement采用多通道停等協(xié)議后,可以利用單信道停等ARQ所存在的占空時(shí)間，信道利用率能大大提高，且較易實(shí)現(xiàn)。57Go-Back-N ARQ (GBN ARQ)Transmitting Data1TimeReceived DataNAKOut

26、put DataTimeErrorGo-back 32 3 4 5 3 4 4 5 6 7 51Time2 3 4 4 5ErrorNAKGo-back 51 23 4 4558Selective-Repeat ARQ (SR ARQ)Transmitting Data1TimeReceived DataNAKErrorRetransmission2 3 4 5 3 6 7 8 9 71Time2 4 3 6 8 7ErrorNAKRetransmission59Buffer1Time24 3 68 759Output Data1Time24 368 75959HARQ(Hybrid ARQ)

27、 混合ARQlChannel coding + Automatic Repeat reQuestlAdds redundancy only when needed lReceiver saves failed transmission attempts to help future decodinglEvery transmission helps increases the packet success probability60lCode Combining (Chase, 1985) 碼合并lType I HARQ with soft combininglIncremental Redu

28、ndancy 遞增冗余l(xiāng)Type II HARQlType III HARQHybrid ARQ schemes61System ModelInformationsourceErrorcorrectionencodingErrordetectionencodingchannelErrorcorrectionandErrordetectionverificationInformationsinkACK/NACK signallingI(x)J(x)P(x)noisebufferbufferCombiningP(x)J(x)I(x)62ExamplelType I HARQ Coding rate

29、: 1/3 (Turbo coding) Puncturing patterns: Chase combining111111PRSC1RSC2交織穿孔63lType II HARQlType III HARQ 1010111P0101002P1000103P11 11 00 1P21 10 11 0PExample64l自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)使系統(tǒng)能根據(jù)信道變化情況，動(dòng)態(tài)選擇傳輸信號(hào)的調(diào)制和編碼方式，可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)速率選擇，給系統(tǒng)帶來很大的靈活性。但對(duì)信道估計(jì)誤差和延時(shí)敏感，因此當(dāng)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)仍需進(jìn)行自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）。l在自適應(yīng)技術(shù)中，通過自適應(yīng)調(diào)制編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)速率的粗選擇和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳基于瞬時(shí)信道條件的數(shù)據(jù)速率的調(diào)整，可使鏈路自適應(yīng)性能得到更好的體現(xiàn)。 自適應(yīng)調(diào)制編碼與HARQ結(jié)合技術(shù)數(shù)據(jù)分組 數(shù)據(jù)分組信道估計(jì)ARQ 重傳控制AMC參數(shù)控制衰落噪聲信道反饋信道信道預(yù)測(cè)緩存/合并自適應(yīng)解調(diào)信道譯碼CRC效驗(yàn)緩存自適應(yīng)調(diào)制信道編碼CRC編碼AMC/HARQ 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型 66智 能 天 線l通過設(shè)計(jì)天線的輻射特性