移動通信抗衰落技術(shù)課件

1第4章抗信道衰落技術(shù)2一抗衰落技術(shù)

一般來說，為解決移通信系統(tǒng)的設(shè)計問題，必須搞清三個問題：(1)無線電信號在移動信道中可能發(fā)生的變化以及發(fā)生這些變化的原因;(2)對于特定的無線傳輸技術(shù)，這些變化對傳輸質(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。3一抗衰落技術(shù)為了提高移動通信系統(tǒng)的性能，采用以下技術(shù)在用來改進接收質(zhì)量：分集接收用來補償衰落信道損耗信道均衡補償時分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾（ISI）。信道編碼通過發(fā)送信息時加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。交織編碼智能天線空時編碼混合自動請求重傳……這些技術(shù)，既可單獨使用，也可組合使用。5二分集接收技術(shù)分集按目的分可以為:宏（macroscopic）分集“多基站”分集,以克服長期衰落為目的。微（microscopic）分集減小短期衰落影響.空間分集頻率分集時間分集

場分量分集角度分集極化分集分集接收技術(shù)---宏分集把多個基站設(shè)置在不同的地理位置上和在不同方向上，同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進行通信（可以選用其中信號最好的一個基站進行通信）。7分集接收技術(shù)按信號的傳輸方式可以分為:顯分集構(gòu)成明顯分集信號的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號的分集。隱分集分集作用含在傳輸信號中的方式，在接收端利用信號處理技術(shù)實現(xiàn)分集，它包括交織編碼技術(shù)，跳頻技術(shù)等。隱分集一般用在數(shù)字移動通信中。9分集接收技術(shù)多個衰落特性互相獨立互相獨立10分集接收技術(shù)--空間分集依據(jù)快衰落的空間獨立性,即在任意兩個不同的位置上接收同一信號,只要兩個位置的距離d大到一定程度,則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的.理論上,足以保證各接收信號是不相關(guān)的.實際中,視地形地物而定,一般市區(qū):

郊區(qū):例如900MHz頻段,d=0.27m11分集接收技術(shù)--空間分集多傳輸天線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.

載頻間隔>Bc如市區(qū)優(yōu)點:減少天線數(shù)目缺點:占用更多的頻譜資源15分集接收技術(shù)--時間分集對于一個隨機衰落信號,若對其振幅進行順序抽樣,則在時間上間隔足夠遠(大于相干時間)的兩個樣點是互不相關(guān)的.所以,將給定的信號在時間上相隔一定時間間隔重發(fā)傳輸M次,只要時間間隔大于相干時間,就可以得到M條獨立的分集支路.要求重發(fā)時間間隔滿足:

fm:衰落速率對于移動臺處于靜止狀態(tài)時,時間分集得益喪失.17分集接收技術(shù)--角度分集使電波通過幾個不同路徑，以不同角度到達接收端，接收端利用方向性天線分別指向不同的信號到達方向，每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。較高頻率時容易實現(xiàn)。

18分集接收技術(shù)--場向量分集接收端通過接收三個互不相關(guān)的場向量（Ez,Hx,Hy）,可獲得分集增益。適用于較低工作頻段（低于100MHz）。工作頻率較高時（800-900MHz),空間分集在結(jié)構(gòu)上較易實現(xiàn)。

19分集接收技術(shù)--合并方式在接收端取得M條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為:檢測前合并技術(shù)檢測后合并技術(shù)21分集接收技術(shù)--合并方式選擇式合并選擇式合并是指檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項為1，其余均為0。22分集接收技術(shù)--合并方式等增益合并接收機1接收機212∑信號包絡(luò)等增益合并無需對信號加權(quán)，各支路的信號是等增益相加的。等增益合并方式實現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。23分集接收技術(shù)--合并方式最大比值合并—最佳合并方式每一支路信號包絡(luò)rk(t)用rk表示。每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號包絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即由此可得最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)為25分集接收技術(shù)--合并方式開關(guān)式合并．開關(guān)式合并與選擇合并非常相似，但是它不是總采用M個支路中信號最好的支路，而是以一個固定順序掃描M個支路，直到發(fā)現(xiàn)某一支路的信號超過了預(yù)置的閾值，然后這路信號將被選中并送至接收機。一旦這路信號降低至閾值之下，那么掃描過程將重新開始。26分集接收技術(shù)--合并方式檢測前二重開關(guān)式合并框圖:29分集接收技術(shù)帶反饋的空間分集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。分集接收技術(shù)--分集合并性能比較分集接收改善了接收信號的信噪比，降低了誤碼率。分集合并性能指合并前后信噪比改善程度。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善程度。為便于比較三種合并方式，假設(shè)它們都滿足下列三個條件：

(1)每一支路的噪聲均為加性噪聲且與信號不相關(guān)，噪聲均值為零，具有恒定均方根值；(2)信號幅度的衰落速率遠低于信號的最低調(diào)制頻率；(3)各支路信號的衰落互不相關(guān)，彼此獨立。(4-8)選擇式合并器的輸出信噪比，即當前選用的那個支路送入合并器的信噪比。設(shè)有M個獨立的Rayleigh衰落信道，每個信道稱作一個分集支路，設(shè)第k個支路的信號功率為r2k/2，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為1.選擇式合并的性能：(4-9)通常，一支路的信噪比必須達到某一門限值γt，才能保證接收機輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達到要求。如果此信噪比因為衰落而低于這一門限，則認為這個支路的信號必須舍棄不用。顯然，在選擇式合并的分集接收機中，只有全部M個支路的信噪比都達不到要求，才會出現(xiàn)通信中斷。若第k個支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個支路情況下中斷概率以PM(γS＜γt)表示時，可得1.選擇式合并的性能：因此(4-10)(4-11)設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即(4-12)可得由式(4-8)可見，γk≤γt，即r2k/2Nk≤γt，或1.選擇式合并的性能：則(4-13)如果各支路的信號具有相同的方差，即各支路的噪聲功率也相同，即N1=N2=…=N(4-14)1.選擇式合并的性能：并令平均信噪比為，則(4-15)由此可得M重選擇式分集的可通率為(4-16)由于(1-e-γt/γ0)的值小于1，因而在γt/γ0一定時，分集重數(shù)M增大，可通率T隨之增大。1.選擇式合并的性能：圖4-5選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線1.選擇式合并的性能：由此圖我們可以得出什么結(jié)論？例:

假定使用4支路分集，每支路收到1個獨立的Rayleigh衰落信號。若信噪比的均值

為20dB，判決閾值=10dB.試將此情況與沒有使用分集的簡單接收機相比。解：根據(jù)題意，有：由式(4-15),即M條支路的中斷概率為：1.選擇式合并的性能：（1）使用4支路分集,即M=4,可得:（2）如果不用分集,令(4-15)式中M=1:比較P4和P1，沒有使用分集時的SNR低于閾值的概率要比采用4條分集高三個數(shù)量級（或可通率低三個數(shù)量級）。1.選擇式合并的性能：2、最大比率合并的性能：

的大小由各支路SNR來分配,SNR大的支路權(quán)重大，SNR小的支路權(quán)重小,以實現(xiàn)最大的SNR.最大比率合并的是由Kahn最先提出，它對M路信號進行加權(quán)求和。有以下特點：

1)每個支路有一個加權(quán)因子2)各路信號迭加時要保證同相位(與選擇分集不同),因而要求每個支路有放大和調(diào)相電路。2、最大比率合并的性能：

合并信號為：其中合并信號的信噪比為：（4-17）2、最大比率合并的性能：

是單個支路信噪比的M倍。因此，雖然費用和復(fù)雜度要高的多，但實際中常被采用。2、最大比率合并的性能：

由教材P138-139的討論，可知：（4-21）圖4-6最大比值合并分集系統(tǒng)輸出載噪比的累積概率分布曲線2、最大比率合并的性能：

在同樣條件下，與圖4-5所示的選擇式合并分集系統(tǒng)相比，最大比值合并分集系統(tǒng)具有較強的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無分集(M=1)相比，在超過縱坐標概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并分集系統(tǒng)(10dB增益)。2、最大比率合并的性能：

因為有時按需要權(quán)重可調(diào)并不方便，因而出現(xiàn)了等增益合并：

各支路信號同相后再迭加，但各支路權(quán)重相同。3、等增益合并的性能：合并信號為：合并信號輸出信噪比為：其性能比最大比率合并差一些，但比選擇性分集要好很多。（4-24）圖4-7等增益合并分集系統(tǒng)載噪比累積概率分布曲線3、等增益合并的性能：4.三種合并法平均信噪比的改善:圖4-8三種合并方式的與M關(guān)系曲線平均信噪比的改善，是指分集接收機合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機的平均信噪比改善的分貝數(shù)。(1)選擇式合并的改善因子。在選擇式合并方式中，由信噪比γS的概率密度p(γS)可求得平均信噪比為(4-25)4.三種合并法平均信噪比的改善:在中，p(γS)可由式(4-15)求得，得由4.三種合并法平均信噪比的改善:將上式代入式(4-25)，得選擇式合并器輸出的平均信噪比為因而平均信噪比的改善因子為(4-28)可見，選擇式合并的平均信噪比改善因子隨分集重數(shù)(M)增大而增大，但增大速率較小。改善因子常以dB計，即式(4-28)可寫成4.三種合并法平均信噪比的改善:(2)最大比值合并的改善因子。由式(4-20)可知即得最大比值合并的信噪比改善因子為由上式可知，最大比值合并的信噪比改善因子隨分集重數(shù)的增大而成正比地增大。以dB計時可寫成4.三種合并法平均信噪比的改善:(3)等增益合并的改善因子。因為已假定各支路信號不相關(guān)，即有以及瑞利分布性質(zhì)確定的及，可得出平均信噪比為等增益合并時，由式(4-24)可知4.三種合并法平均信噪比的改善:γ0=σ2/N。式中,γ0=σ2/N。

最后得出等增益合并的信噪比改善因子為或

4.三種合并法平均信噪比的改善:例

在二重分集情況，試分別求出三種合并方式的信噪比改善因子。解:由式(4-28)可知或由式(4-31)可知或4.三種合并法平均信噪比的改善:由式(4-35)可知或圖4-8給出了三種合并方式的與M的關(guān)系曲線。由圖可見，在相同分集重數(shù)(即M相同)情況下，以最大比值合并方式改善信噪比最多，等增益合并方式次之；在分集重數(shù)M較小時，等增益合并的信噪比改善接近最大比值合并。選擇式合并所得到的信噪比改善量最少，其原因在前面已指出過，在于合并器輸出只利用了最強一路信號，而其它各支路都沒有被利用。4.三種合并法平均信噪比的改善:56分集接收技術(shù)--分集合并性能比較平均信噪比的改善指分集接收機合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機的平均信噪比改善的分貝數(shù).平均信噪比改善（dB）分集重數(shù)M最大比值合并等增益合并選擇式合并57分集接收技術(shù)--分集合并性能比較選擇性合并：設(shè)備簡單，當分集重數(shù)>3,信噪比改善緩慢最大值合并:設(shè)備較復(fù)雜改善信噪比最多等增益合并在分集數(shù)M較小時，信噪比改善接近最大比合并電路實現(xiàn)比最大比合并簡單58三RAKE接收

RAKE接收機是利用多個并行相關(guān)器檢測多徑信號，按照一定的準則合成一路信號供解調(diào)用的接收機。一般的分集技術(shù)把多徑信號作為干擾來處理，而RAKE接收機采取變害為利的方法，即利用多徑現(xiàn)象來增強信號。59三RAKE接收…Path1Path2PathNc1(t)c1(t-⊿1)c1(t-⊿N-1)…∫Tb∫∫HolduntilTb+⊿NHolduntilTb+⊿NHolduntilTb+⊿NTbTb+⊿1Tb+⊿N-1……∑decide利用多個并行相關(guān)器檢測多徑信號，按照的準則合成一路信號供解調(diào)的接收機。利用多徑現(xiàn)象來增強信號。z(t)TxRx60三RAKE接收假設(shè)發(fā)端從Tx發(fā)出的信號經(jīng)N條路徑到達接收天線Rx。路徑1距離最短，傳輸時延也最小，依次是第二條路徑，第三條路徑，…，時延時間最長的是第N條路徑。通過電路測定各條路徑的相對時延差，以第一條路徑為基準時，第二條路徑相對于第一條路徑的相對時延差為Δ2，第三條路徑相對于第一條路徑的相對時延差為Δ3，…，第N條路徑相對于第一條路徑的相對時延差為ΔN，且有ΔN＞ΔN-1＞…＞Δ3＞Δ2(Δ1=0)。61三RAKE接收接收端信號經(jīng)過解調(diào)后，送入N各并行相關(guān)器，用戶1的偽碼為c1(t)，各個相關(guān)器的本地碼分別為c1(t-⊿1)、c1(t-⊿2)、c1(t-⊿3)…，c1(t-⊿n)，信號經(jīng)過解擴后加入積分器，每次積分時間為Tb，第一支路的輸出在Tb末尾進入電平保持電路，保持到Tb+⊿N,即到最后一個相關(guān)器于Tb+⊿N設(shè)產(chǎn)生輸出。這樣N個相關(guān)器的輸出于Tb+⊿N時刻通過相加求和電路，再經(jīng)判決電路產(chǎn)生輸出。各條路徑加權(quán)系數(shù)為1，因此為等增益合并方式。在實際系統(tǒng)中還可以采用最大比合并或最佳樣點合并方式，利用多個并行相關(guān)器，獲得各多徑信號能量，即RAKE接收機利用多徑信號，提高了通信質(zhì)量。在實際系統(tǒng)中，由于每條多徑信號都經(jīng)受著不同的衰落，具有不同的振幅、相位和到達時間。由于相位的隨機性，其最佳非相干接收機的結(jié)構(gòu)由匹配濾波器和包絡(luò)檢波器組成。如圖4-10所示，圖中匹配濾波器用于對c1(t)cosωt匹配。三RAKE接收圖4-10最佳非相干接收機三RAKE接收如果r(t)中包括多條路徑，則圖4-10的輸出如圖4-11所示。圖中每一個峰值對應(yīng)一條多徑。圖中每個峰值的幅度的不同是由每條路徑的傳輸損耗不同引起的。為了將這些多徑信號進行有效的合并，可將每一條多徑通過延遲的方法使它們在同一時刻達到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的輸出信號。然后再進行判決恢復(fù)，發(fā)送數(shù)據(jù)。采用橫向濾波器來實現(xiàn)上述時延和最大比合并，如圖4-12所示。三RAKE接收圖4-11最佳非相干接收機的輸出波形三RAKE接收圖4-12實現(xiàn)最佳合并的橫向濾波器三RAKE接收67例：兩路RAKE接收機兩個等強度的多徑信號的等增益合并波形t=0y(t)y(t-2tc)z(t)00068例：兩路RAKE接收機路徑1的解擴波形t=0z(t)c1(t)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt01100z(t)c1(t)0169例：兩路RAKE接收機t=0z(t)c1(t-2Tc)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt01100z(t)c1(t-2Tc)2Tc路徑2的解擴波形70例：兩路RAKE接收機Bit1Bit2Bit3Bit4Bit5Path1integratoroutput+4+4-8+8+12Path2integratoroutput+8-8-12-4+12Sumofintegratoroutputs12-4-20+4+24Detectedbitvalues01100發(fā)送的比特01100信道編碼技術(shù)在移動信道上,誤碼有兩種類型:隨機性誤碼:單個碼元錯誤,并且隨機發(fā)生,主要由噪聲引起;突發(fā)性誤碼:連續(xù)數(shù)個碼元發(fā)生錯誤,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,也叫前向糾錯(FEC:Forwarderrorcorrecting)信道編碼技術(shù)__線性分組碼線性分組碼在一個碼字中,監(jiān)督元只由本組的信息碼元來決定.(n,k)碼:信息碼元監(jiān)督碼元編碼效率:k/n信道編碼技術(shù)__線性分組碼循環(huán)碼: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.BCH碼能糾正多個隨機差錯的特殊循環(huán)碼碼長為n=2m-1(m為正整數(shù))R-S碼一種多進制的BCH碼從二進制碼元來看,有糾正突發(fā)錯誤的能力信道編碼技術(shù)__卷積編碼技術(shù)卷積編碼技術(shù)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)是一種特殊的分組碼糾錯能力較強,能糾隨機和突發(fā)錯誤.Yk碼率為1/2約束長度k=4生成多項式:g1=37,g2=21信道編碼技術(shù)__卷積編碼技術(shù)例:100++u1u21u1u211010++u1u20u1u210101++u1u21u1u200010++u1u20u1u210001++u1u20u1u2111011110001011*信道編碼技術(shù)_Turbo編碼技術(shù)Turbo編碼技術(shù)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.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.Forney提出了級聯(lián)碼的概念以多個短碼來構(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級聯(lián)碼研究的一個成果:Turbo碼信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù)1993年C.Berrou等人提出基本思想由兩個或更多的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器（RSC）并行組成，在兩個RSC之間加入交織器兩個遞歸系統(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方提供的先驗信息（extrinsicinformation）.*信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù)OneRSCencoderwithmemoryM=4obtainedfromanNSCencoderdefinedbygeneratorsG1=37,G2=21*信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù)Turboencoderexample*信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù)Turbo碼性能*交織編碼技術(shù)

Interleaving把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機差錯,再用糾正隨機差錯的編碼(FEC)技術(shù)消除隨機差錯.交織編碼過程是將FEC碼子序列按行寫入而按列讀出.交織深度越大,離散度越大,抗突發(fā)差錯能力越強.InformationtobetransmittedSourcecodingChannelcodingModulationTransmitterChannelInformationreceivedSourcedecodingChanneldecodingDemodulationReceiverChannelcodingChanneldecodingInterleavingDe-Interleaving交織編碼技術(shù)以分組碼(7,3)為例:寫入讀出行數(shù)123M交織編碼輸出序列為:交織編碼矩陣:交織編碼技術(shù)交織編碼輸出序列為:傳輸中出現(xiàn)突發(fā)錯誤則經(jīng)解交織后,每一FEC碼子中只發(fā)生2位差錯.當糾錯能力時,即可消除差錯.Interleaving(Example)0,0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,…TransmittingData0,1,0,00,1,0,00,1,0,01,0,0,0ReadWriteDe-Interleaving0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,…OutputDataBursterrorDiscreteerror交織編碼技術(shù)若FEC糾錯能力為t時,交織編碼可糾正一次突發(fā)差錯的長度為:即可糾正t次突發(fā)差錯長度為M位的差錯.交織深度M越大,交織編碼處理時間也越長,即是以時間為代價的.交織編碼屬于時間隱分集.信道均衡技術(shù)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，用來抵消信道的時變多徑傳播特性引起的干擾。即通過均衡器消除時間和信道的選擇性。用于解決符號間干擾的問題，適用于信號不可分離多徑的條件下，且時延擴展遠大于符號的寬度。由于信道是時變的,要求均衡的特性能自動適應(yīng)信道的變化而均衡.均衡技術(shù)是指各種用來處理碼間干擾(ISI)的算法和實現(xiàn)方法。在移動環(huán)境中，由于信道的時變多徑傳播特性，引起了嚴重的碼間干擾，這就需要采