《移動通信概論》課件-移動通信課件-第5章

第五章抗衰落技術內(nèi)容提要5.1抗衰落技術的基本原理5.2分集技術5.3

自適應均衡技術5.4RAKE接收機5.5空時編碼技術

1-15.1抗衰落技術的基本原理移動通信系統(tǒng)利用信號處理技術可以改善無線電傳播環(huán)境中的鏈路性能。采用分集技術和均衡技術就是用來克服衰落

、改進接收信號質(zhì)量的。分集接收是指接收端信息的恢復是在多重接收的基礎上，利用接收到的多個信號的適當組合來減少接收時窄帶平坦衰落深度和持續(xù)時間，從而達到提高通信質(zhì)量和可通率的目的。均衡是信道的逆濾波，用于消除由多徑效應引起的碼間干擾即符號間干擾。分集技術和均衡技術都被用于改進無線鏈路的性能，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?.2分集技術5.2.

1分集的基本概念和分類分集技術是通過查找和利用自然界無線傳播環(huán)境中獨立的多徑信號來實現(xiàn)的

。好處：接收端的瞬時信噪比和平均信噪比都有提高，并且通常

可以提高20~30dB。必要條件：在接收端能夠接收到承載同一信息內(nèi)容且在統(tǒng)計上相互獨立的若干

不同的樣值信號，這若干個不同樣值信號可以通過不同的方式獲得，如空間

、頻率

、時間

等

。5.2分集技術分類：從“分”的角度劃分，若按照接收信號樣值的結構與統(tǒng)計特性，可分為空間分集

、頻率分集

、時間分集

、極化分集。從“分”位置劃分，可分為發(fā)射分集、接收分集、收發(fā)聯(lián)合分集

。從“集”的角度劃分，即按集合、合并方式，可分為選擇合并、等增益合并、最大比合并。從“集”的位置劃分，可分為射頻合并、中頻合并、基帶合并

。從分集的區(qū)域劃分，又可以分為宏觀分集和微觀分集。5.2分集技術

5.2分集技術2.

時間分集時間分集是指以超過信道相干時間的時間間隔重復發(fā)送信號，以便讓再次收到的信號具有獨立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果?，F(xiàn)在時間分集技術已經(jīng)被大量地用于擴頻CDMA的RAKE接收機中，以處理多徑信號。3.

頻率分集頻率分集是指用若干個載波同時傳送同一信號，各路載波之間的頻率間隔要大于或等于相干帶寬。在接收端對不同頻率的信號進行合成。頻率分集在相干(關)信道帶寬之外的頻率上不會出現(xiàn)同樣的衰落。5.2分集技術4.

極化分集當天線架設的場地受到限制，空間分集不易保證空間衰落獨立時，可以采用極化分集替代或改進。5.角度分集在接收端使用方向性天線，使它們指向不同的波的方向6.場分量分集由電磁場理論可知，當電磁波傳輸時，電場E總是伴隨著磁場H，且和磁場H攜帶相同的信息。若把衰落情況不同的E和H的能量加以利用，得到的就是場分量分集5.2分集技術5.2.

3

合并方式1.選擇合并選擇合并就是將天線接收的多路信號加以比較之后選取最高信噪比的分支。5.2分集技術2.最大比合并最大比合并是最佳的分集合并方式，因為它能得到最大的輸出信噪比。5.2分集技術3.等增益合并等增益合并是指將各支路信號同相后等增益相加作為

合并后的信號，它與MRC類似，只是加權系數(shù)設置為1。以上這三種合并方式按照不同的合并原則，在分集接收的性能上有

一

定的差異

。分集

接收性能可以用分集增益

、中斷率和誤碼率等指標描述

。分析對比這三種合并方式可得出，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最

差

。當分集支路數(shù)較大時，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益

。5.3自適應均衡技術5.3.1自適應均衡原理為了在高速傳輸?shù)臈l件下保持較好的移動通信質(zhì)量，必須采用

一

些信號處理技術來對抗多徑衰落

，自適應均衡技術就是對抗多徑衰落的主要方法

。由于傳輸路徑的差異，各路都有不同的幅度衰減ai和相位延遲θi，最終移動速度為u的手機接收到的信號為這些來自不同路徑的信號的疊加，可以用如下簡單的數(shù)學模型來

表示：5.3自適應均衡技術此模型如圖5-3所示：實現(xiàn)均衡有兩個基本途徑：（1）頻域均衡。（2）時域均衡

。5.3自適應均衡技術5.3.2

自適應均衡算法1.最小均方（LMS）類自適應均衡LMS算法是基于最小均方誤差準則的算法，通過調(diào)解濾波器的權系數(shù)使輸出信號>（n）與期望信號d（n）的均方誤差

2E[e（n）]為最小

。5.3自適應均衡技術LMS算法原理如圖5-4所示算法可以表示為：5.3自適應均衡技術LMS算法的優(yōu)點：（1）不需要矩陣求逆就可以求解維納方程，另外還不需要知道輸入信號的自相關矩陣以及輸入信號和期望信號的互相關矩陣。（2）結構簡單易于實現(xiàn)，并且在自適應過程中能夠獲得較高的性能。（3）與最速下降法相比，不需要離線的梯度估計或者數(shù)據(jù)副本。（4）對許多輸入信號來說,是穩(wěn)定且魯棒的。（5）計算復雜度低,多用于線性時不變系統(tǒng)。5.3自適應均衡技術LMS算法的改進：（1）為了解決收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差之間的矛盾，許多變步長算法相繼被提出（2）為了克服梯度噪聲放大的問題，提出了一種歸一化最小均方算法（NLMS）（3）為了改進算法在強相關輸入條件下的收斂性能，在時域可以采用去相關的LMS算法5.3自適應均衡技術2.

遞歸最小二乘法（RLS）自適應均衡最小二乘算法旨在使期望信號與濾波器輸出的平方和達到最小將誤差測度函數(shù)寫成J(N):其中：為了獲得J(n)最小值，可使J(n)梯度為0，即：

5.3自適應均衡技術wopt是RLS均衡器的最佳抽頭增益向量，q（n）是輸入向量X（n）和期望d（n）之間的確定互相關矩陣。令：得到W(n)遞推表示式：λ是一個可以改變均衡器性質(zhì)的系數(shù)。5.3自適應均衡技術RLS算法廣泛的應用于自適應濾波，系統(tǒng)辨識與信號預測。但是該算法只有在方程誤差為0均值的高斯白噪聲以及系統(tǒng)模型非時變時才能保證漸進趨于真值。

該算法的另一個顯著特點是，為了減小預測中的噪聲影響，當參數(shù)慢慢趨向于真值時，增益向量便接近于0。因此，RLS算法就有可能跟蹤不上信道參數(shù)的變化。為了解決這一問題，在實踐當中，人們提出了許多改進的RLS算法。

例如：指數(shù)遺忘的加窗RLS算法，避免了增益向量變成0。5.4RAKE接收機

RAKE接收機是用于CDMA中的分集接收機，其概念是1958年由R.Price和P.E.Green在《多徑信道中的一種通信技術》中提出來的。由于這種接收機收集許多路徑上的信號，其作用與農(nóng)用多齒草耙（英文為“Rake”）的作用相似，故稱為Rake接收機，該接收方法涉及幾個相關器的使用，每個都可以形象地看作是花圃的耙爪（Finger）或叉（Tine）。這種接收機不是減弱或削除多徑信號，而是充分利用多徑信號的能量。RAKE接收技術是第三代CDMA移動通信系統(tǒng)中的一項重要技術。在CDMA移動通信系統(tǒng)中，由于信號帶寬較寬，存在著復雜的多徑無線電信號，通信受到多徑衰落的影響。RAKE接收技術實際上是一種多徑分集接收技術，可以在時間上分辨出細微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進行加權調(diào)整、使之復合成加強的信號。5.4RAKE接收機

RAKE接收機的基本原理對每個路徑使用一個相關接收機，各相關接收機與被接收信號的一個延遲形式相關，然后對每個相關器的輸出進行加權，并把加權后的輸出相加合成一個輸出，以提供優(yōu)于單路相關器的信號檢測，然后在此基礎上進行解調(diào)和判決。其結構如下圖5-7所示：5.4RAKE接收機

RAKE接收機的幾種形式RAKE接收機存在不同的實現(xiàn)形式，常見的有：檢測后積分（PDI，PostDetectionIntegration）多徑接收機、具有信道參數(shù)測量的DPSK

RAKE接收機、并行相關RAKE接收機等，下面分別進行介紹。圖5-8PDI接收機5.4RAKE接收機

圖5-10并行相關RAKE接收機圖5-9DPSK

RAKE接收機5.5空時編碼技術

5.5.1空時編碼的概念1.空時編碼提出從信源給出的信息數(shù)據(jù)流，到達編碼器后，形成同時從許多個發(fā)射天線上發(fā)射出去的矢量輸出，稱這些調(diào)制符號為空時符號或者空時矢量符號。與通常用一個復數(shù)表示調(diào)制符號類似(復的基帶表示)，一個空時矢量符可以表示成為一個復數(shù)的矢量，矢量中數(shù)的個數(shù)等于發(fā)射天線的個數(shù)。5.5空時編碼技術

2.空時編碼分類從設計目的的角度，目前已提出的各種空時編碼方法可分為3類：第1類以改善傳輸性能為目的，利用MIMO系統(tǒng)所能提供的分集度，設計具有滿分集度的空時碼，以提高信息傳輸?shù)目煽啃?，代表性的有空時網(wǎng)格碼(STTC)、空時正交設計(STOD)碼以及對角代數(shù)空時(DAST)塊碼等。第2類以提高信息符號傳輸速率為目的，利用MIMO系統(tǒng)所能提供的傳輸自由度，設計達到全速率信息傳輸?shù)目諘r碼，以提高信息傳輸?shù)挠行?，典型的有貝爾分層空時結構(BLAST)、線性彌散(LD)碼等。第3類是最近兩三年提出的，同時以提高信息傳輸性能和速率為目的，力圖設計達到滿分集度全速率的空時碼，如線狀代數(shù)空時(TAST)塊碼、線性復數(shù)域預編碼(LFC)空時碼等。5.5空時編碼技術

3.空時編碼模型空時編碼模型可以表示如圖5-11所。5.5空時編碼技術

5.5.2常見的空時編碼當前比較成熟的空時編碼技術是：空時網(wǎng)格型碼(Space-TimeTrellisCode，STTC，或簡稱為：空時格碼)和空時分組碼(Space-TimeBlockCode，STBC，或簡稱為：空時塊碼)。STTC在編碼時考慮了前后輸入的關聯(lián)，因此其性能是比較好的，但是由于STTC的復雜度是與傳輸數(shù)據(jù)速率呈指數(shù)關系上升的，因此在提高性能的同時，整個系統(tǒng)的復雜度也大大提升。STBC通常利用其正交性，采用最大似然譯碼，使得譯碼復雜度大大下降，同時還能夠獲得最大的分集增益。5.5空時編碼技術

STTC是一種將差錯控制編碼、調(diào)制、發(fā)射和接收分集聯(lián)合在一起進行設計的空時編碼。STTC是較早提出的一類空時編碼技術，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC把編碼和調(diào)制結合起來，能夠達到編譯碼復雜度、性能和頻帶利用率之間的最佳折中，是一種最佳碼(工作過程如圖5-12所示)。5.5空時編碼技術

5.5空時編碼技術

STBC是用于在多個天線上發(fā)送數(shù)據(jù)流的多個副本，并利用各種接收的數(shù)據(jù)版本來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。傳輸信號必須穿過具有散射，反射，折射等的潛在困難環(huán)境，然后可能被接收器中的熱噪聲進一步破壞，這意味著一些接收到的數(shù)據(jù)副本將比其他更好。這種冗余導致能夠使用一個或多個接收到的副本來正確解碼接收信號的機會更高。實際上，空時編碼以最佳方式組合所接收信號的所有副本，以盡可能多地從每個副本中提取信息。5.5空時編碼技術

5.5空時編碼技術

其它種類的空時編碼技術不論是STTC、STBC這樣的基于發(fā)射分集的空時碼，還是分層空時碼，在接收端譯碼時都需要了解信道狀態(tài)信息(CSI