移動第4講衰落.ppt

1、,移動通信,中南民族大學電子與信息工程學院唐紅文,通信技術,移動通信-第四講 平坦衰落對策,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.1 分集技術,分集概念：接收多路 不相關的信號并合并. 目標：對抗多徑信道造成的衰落和延時串擾 技術-兩方面 如何獲得獨立多路信號 如何合并獨立多路信號 本質：對同一信號在不同時間/空間/頻率的過采樣。,4.1.1 分集接收原理,各獨立的信號傳播路徑同時經(jīng)歷深度衰

2、落的概率很低。,1. 分集技術分類,分集技術,分集的目的,宏分集(抗長期衰落),微分集(抗短期衰落),信號傳輸方式,顯分集,隱分集,交織和編碼技術,調制技術,直接序列擴頻技術,獲得多路 信號的方式,空間位置分集(多天線，宏分集),空間角度分集(智能天線),頻率分集(調頻或DSSS),時間分集(TTC),極化分集,2.常用分集技術,分集技術的實質對傳輸信號進行過取樣 空間分集技術-用2個以上的天線收同一個信號 頻率分集技術-用2個以上的載波頻率傳輸 時間分集技術-在不同時間接收同一個信號 極化分集-接收垂直和水平極化信號,(1) 時間分集技術-時間獨立性,多徑的每一徑時延不同進行多徑分離合并-R

3、AKE接收機 重發(fā)時間大于信道的相關時間-ARQ技術 用信道相關時間設計交織編碼的深度,(2) 空間位置分集空間獨立性,多天線陣元分集 多天線發(fā)射分集 多天線接收分集 條件ddc dc為空間相關距離 移動信道中 市區(qū)： d=0.5 郊區(qū)： d=0.8,(3) 頻率分集技術頻率獨立性,將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載波發(fā)射出去 兩個頻率成分具有相互獨立的衰落特性 條件f2-f1 Bc Bc為相關帶寬,（4）角度擴展-空間角度分集,使電波通過不同路徑，并以不同角度到達接收端，在接收端，采用方向性 天線，分離出不同方向 來的信號分量。 相關天線陣列：d c,（5）極化分集,不同極化方向（垂直極化和水平極

4、化）的電磁波具有獨立的衰落特性。 空間分集的特殊情況（兩路分集支路） （6）場分量分集 電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機理不同。從而在接收端獲得互不相關的場分量。 場分量分集不要求天線間有實體上的間隔，因此適用于較低的工作頻率。,2.現(xiàn)有的主要分集技術,Rake接收-時間分集 智能天線-空間角度分集 多天線陣-空間位置分集 ARQ重傳-時間分集 (重發(fā)時間大于信道的相關時間) 跳擴頻-頻率分集+時間(隱分集) 直接序列擴頻-頻率分集(隱分集),隱分集隱含在信號傳輸方式中的分集技術。,3. 合并技術通過合并技術獲得分集增益,合并信號的表達式信號,合并技術,信號合并準則利用各種合并準則確

5、定加權系數(shù) 最大信噪比準則 眼圖最大張開度準則 誤字率最小準則 分類： 選擇性合并(Selective Combining):選擇具有最大SNR的分枝。 等增益合并(Equal-Gain Combining):所有分枝等權重相干合并。 最大比合并(maximal Ratio Combining ):所有分枝依其SNR進行加權相干合并.,1. 選擇式合并,選擇式合并原理圖如下所示。,2.最大比值合并(MRC),在接收端由個統(tǒng)計不相關的分集支路，經(jīng)過相位校正，并按適當?shù)目勺冊鲆婕訖嘣傧嗉雍笏腿霗z測器進行相干檢測。最大比值合并的原理圖如下所示。,3. 等增益合并(EGC),4.1.2 分集合并性能,

6、4.1.3 分集重數(shù)和數(shù)字傳輸性能,L： 分集 重數(shù),即使只有兩路分集信號進行選擇合并，性能改善也很顯著。 在1差錯率時，所需SNR減小約10dB。因而可以降低發(fā)射功率或增大覆蓋范圍或提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 最大比合并輸出SNR隨合并分支數(shù)線性提高。 復雜度成為限制因素。,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,概念：隱含在信號傳輸方式中的分集技術。 接收端通過信號處理技術實現(xiàn)分集。 包括： RAK

7、E技術, 利用多徑現(xiàn)象來增強信號 交織編碼技術，抗深衰落、抗突發(fā)干擾； 跳頻技術，抗多徑、抗衰落、抗干擾； 直接序列擴頻技術，抗多徑、抗衰落和干擾。,隱分集技術,多徑信號分離與合并的關鍵技術,多徑信號分離與信號設計 多徑信號分離的基礎是采用直接擴展頻譜信號。對于直擴序列的碼片（chip）寬度為Tc 的系統(tǒng)，所能分離的最小路徑時延差為Tc。并且所采用的直擴序列信號的自相關性和互相關性要好。 多徑合并與合并準則 多徑合并是指：接收端對多徑信號檢測獲得的多個相互獨立的峰值包絡，并對多個峰值進行采樣，再以適當?shù)姆绞胶喜⑦@些采樣值。 多徑合并準則有：第一路徑準則，最強路徑準則，檢測后積分準則，等增益合并

8、準則，最大比合并準則，自適應合并準則。具體采用何種準則應依電波傳播環(huán)境 、系統(tǒng)性能要求等而定。,Rake接收機,RAKE接收機： 利用多個并行相關器檢測多徑信號，按照一定的準則合成一路信號供解調用的接收機。 利用多徑現(xiàn)象來增強信號 移動通信信道是一種多徑衰落信道,RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調,然后疊加輸出達到增強接收效果的目的,這里多徑信號不僅不是一個不利因素, 變成一個可供利用的有利因素。 目前的CDMA接收機都是基于RAKE接收機原理,Qualcomm RAKE接收機,QualcommRAKE接收機采用的是并行相關RAKE接收機 移動臺中的RAKE接收機是由三個并行相關

9、器和一個搜索器構成。搜索器用于搜索最強的多徑信號，可搜索3路多徑信號，包括多徑信號的相位、到達時刻和強度參數(shù)，可利用系統(tǒng)中基站發(fā)送的導引信號（pilot） 得到它們的估值，搜索相關器的輸出控制三路并行相關器，使它們對三路最強的多徑信號進行相關，并采用了相關最大比合并準則。 基站中的RAKE接收機是由4個并行相關器和一個搜索相關器構成。因為移動臺不發(fā)送導引信號，基站接收機無法得到多徑信號的相位信息，因此采用非相關最大比合并準則。,小區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面是多個基站同時收到一個移動臺的信號，每個基站有兩副天線，進行空間分集。又進行四路徑信號的并行相關RAKE接收和非相關最大比合并。各基站的信

10、號在基站控制器按照“擇大”準則完成多徑分集。 移動臺方面，是有二個或 多個基站同時向它發(fā)射信號，搜索相關器選擇兩路或三路信號按最大比合并準則來完成多徑分集。,扇區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面，兩個扇區(qū)同時收到移動臺的信號，所接收的信號在 信道接收機按照“最大比合并”準則完成多徑分集。 移動臺方面，有二個或多個區(qū)同時向 它發(fā)射信號，搜索相關器選擇兩路或三路信號按“最大比合并”準則來完成多徑分集。 在Qualcomm RAKE接收機中，最多只用4個并行相關器，是基于他們對多徑特性的現(xiàn)場測試結果。分析表明，多徑分集的路徑數(shù)的概率分布有：3路徑為20；2路徑為50；1路 徑為28。所以，至少需要具有處理

11、23個路徑的分集能力。,RAKE接收機的框圖,RAKE接收機采用L個相關器，相鄰相關器所處理的時延之差為1/W，每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.3.1 信道編碼的基本原理,信道編碼是為了降低誤碼率，提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。 根據(jù)一定的規(guī)律，在待發(fā)送的信息碼元中加入一些冗余的碼元，以換取信息碼元在傳輸中的可靠性。 稱

12、信源待發(fā)送的碼元為信息碼元； 稱加入的冗余碼元為監(jiān)督(校驗)碼元。 信道編碼的目的是以加入最少的冗余碼元為代價，換取提高最大的可靠性。 按照加入冗余碼元的規(guī)律，信道編碼可以分為線性和非線性兩大類，分別稱為線性碼和非線性碼。 按照監(jiān)督位完成的功能可劃分為僅具發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯碼和具有糾正差錯功能的糾錯碼兩類。,4.3.2 信道編碼的類型,線性分組碼：按照代數(shù)規(guī)律構造，故又稱為代數(shù)編碼。一般可記為(n,k)碼，其中k為信息碼長度，n為碼組長度，而監(jiān)督位長度為n-k。編譯碼時按每k個信息碼元一組進行。它包括漢明碼、BCH碼、Fire碼、和RS碼等。 卷積碼：一種非分組的有記憶編碼，是以編碼規(guī)則遵從卷

13、積運算而得名?？捎洖?n,k,m)碼，其中k表示輸入信息的位數(shù)，n表示輸出碼元的位數(shù)，m表示編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。輸出碼元n不僅與輸入信息位k有關，而且與編碼器中記憶的m位有關，通常稱l=m+1為約束長度(記憶長度)。其譯碼既可采用傳統(tǒng)的代數(shù)方法，也可采用概率方法，而常用的是概率方法。 在數(shù)字移動通信中，GSM和IS-95主要采用卷積碼，在第三代移動通信中，話音采用卷積碼，數(shù)據(jù)則既可采用卷積碼也可采用TURBO碼。,4.3.3 卷積碼,不僅可糾正隨機差錯，而且可糾正突發(fā)差錯。 優(yōu)點： 編碼直接了當 輸出增加了冗余（時間域擴展），因而具有抗噪聲能力 缺點 解碼復雜 卷積碼的表示方法有圖解表示法和

14、解析表示法兩種,（3,1,3）卷積編碼器,（3，1，3）卷積碼的約束長度為3，編碼效率為1/3，,GSM系統(tǒng)中的卷積碼,（1:2,約束長度為5） GSM系統(tǒng)首先將話音分成20ms的音段，這20ms的音段通過話音編碼器被數(shù)字化話音編碼，產(chǎn)生260個比特流，并被分成： 50個最重要比特加上3個奇偶校驗比特(分組碼) 132個重要比特加上4個尾比特 78個不重要比特,IS95中的卷積碼,IS95標準對正反向信道采用不同的編碼方式。 正向信道除導頻信道外的所有信道均使用（2，1，9）卷積編碼；卷積碼的碼率為1/2. 反向信道使用（3，1，9）卷積編碼, 碼率為1/3。,卷積碼譯碼,大數(shù)邏輯譯碼,又稱門

15、限譯碼； 該譯碼方法是從線性碼的伴隨式出發(fā)，找到一組特殊的能夠檢查信息位置是否發(fā)生錯誤的方程組，從而實現(xiàn)糾錯譯碼。 概率譯碼 維特比譯碼 序列譯碼 門限譯碼方法是以分組理論為基礎的，其譯碼設備簡單，速度快，但其誤碼性能要比概率譯碼法差。,Viterbi 譯碼,維特比譯碼是1967年維特比提出的一種概率譯碼法，實質上就是最大似然譯碼。 譯碼準則： 在數(shù)字與數(shù)據(jù)通信中，通信的可靠性一般用平均誤碼率Pe來度量。 由概率論知，最小的Pe等效于最大后驗概率。 在信源先驗等概的條件下，最大后驗概率等效于最大似然概率。 對于無記憶二進制對稱信道(BSC)，最大似然概率又等效于最小漢明距離。因此硬判決維特比譯

16、碼的判決度量值是漢明距離，判決準則是最小漢明距離準則。 軟判決維特比譯碼基于離散無記憶信道(DMC)模型， 判決度量值是似然概率值，判決準則是最大似然準則。 軟判決比硬判決的復雜性增加不多，但性能提高1.52dB。故目前的維特比算法中常采用軟判決。,4.3.3 交織編碼技術,目的：把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機差錯，再利用糾正隨機差錯的編碼技術消除隨機誤差。 原因：深度衰落時間較長， 人為干擾大， 自然突發(fā)噪聲。 交織器結構：交織深度 交織深度越大， 抗突發(fā)差錯能力 越強。,交織器原理,交織器原理,交織、解交織步驟： 發(fā)送數(shù)據(jù)（塊）信道編碼； 發(fā)送端交織存儲器為一個行列交織矩陣存儲器，它按列寫

17、入，按行讀出 交織器輸出后并送入突發(fā)信道的信號 在接收端，將受突發(fā)干擾的信號送入解交織器，解交織器也是一個行列交織矩陣的存儲器，它是按行寫入，按列讀出（正好與交織矩陣規(guī)律相反），,4.3.4 Turbo碼及其關鍵技術,在ICC93由C. Berrou等人提出 具有接近仙農(nóng)極限的編碼性能 關鍵技術 遞歸系統(tǒng)卷積碼 非均勻交織器 軟輸出譯碼算法 迭代譯碼 3G 非實時數(shù)據(jù)通信廣泛采用了TURBO碼,多徑衰落信道Turbo碼的性能,重點和難點： 信道估計 多徑信道信道信息在Turbo碼譯碼中的應用 概率計算的閉合形式及簡化 解決辦法： 將單徑瑞利信道譯碼方法推廣 不利用信道信息，通過高斯函數(shù)逼近接收

18、機輸出的判決變量分布的譯碼方法,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.4 均衡技術,概念：對移動信道特性進行均衡，矯正信道傳輸函數(shù)使其滿足無失真?zhèn)鬏敆l件。 目標：抵消信道的時變,多徑傳播特性引起的碼間串擾，消除信道的頻率選擇性和時間選擇性。 分類：頻域均衡校正幅頻特性和群延時，模擬通信 時域均衡使沖擊響應無碼間串擾，數(shù)字通信 應用：信號不可分離多徑，時延擴展足夠大。 抗時變性：自適應參數(shù)調

19、整自適應均衡,4.3.1 時域均衡原理,Nyquist第一準則， 理想傳輸，信道失真 均衡：利用信道均衡器使總的脈沖響應函數(shù)接近理想狀態(tài)，消除非理想信道引起的碼間串擾。 實現(xiàn)方法：橫向濾波器，調節(jié)權系數(shù)使其它時刻的信號在分析時為零。,均衡準則與分類,均衡準則-“估計”問題系數(shù)收斂 最小峰值失真準則, 使干擾的峰值最小 最小均方誤差準則, 估值的誤差均方值最小 分類:,4.4.2 自適應均衡器時變?yōu)V波器,動態(tài)調整濾波器的特性和參數(shù),使其能跟蹤信道的變化. 自適應均衡算法 自適應均衡器工作狀態(tài)：訓練方式自適應均衡工作狀態(tài)和跟蹤方式自適應均衡狀態(tài)。在訓練方式工作狀態(tài)，發(fā)送已知的測試序列啟動均衡器并使之迅速收斂，完成抽頭系數(shù)加權的初始化。跟蹤方式工作狀態(tài)，均衡器直接利用通信中傳輸?shù)臄?shù)字信號的判決形成誤差信號，并依據(jù)自適應算法跟蹤調節(jié)抽頭系數(shù)。因此它能自動適應信道的隨機變化，保持在最佳均衡準則下的信道均衡。,最小均方誤差算法(LMS) 遞歸最小二乘算法(RLS) 快速遞歸最小二乘算法 (F-RLS) 平方根遞歸最小二乘算法 (SR-RLS),梯度遞歸最