移动通信抗衰落技术.ppt

1,第4章 抗信道衰落技术,2,一 抗衰落技术,一般来说，为解决移通信系统的设计问题，必须搞清三个问题：(1)无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因;(2)对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响；(3)有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。,3,一 抗衰落技术,为了提高移动通信系统的性能，采用以下技术在用来改进接收质量：分集接收用来补偿衰落信道损耗信道均衡补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。信道编码通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。交织编码智能天线空时编码混合自动请求重传这些技术，既可单独使用，也可组合使用。,4,分集接收技术,研究如何利用多径信号来改善系统的性能，是抗衰落、提高通信质量的一种有效措施。利用多条传输相同信息,且具有近似相等的平均信号场强和相互独立衰落特性的信号路径,在接收端对这些信号进行适当的合并,以便大大降低多径衰落的影响,从而改善传输的可靠性.,5,二 分集接收技术,分集按目的分可以为:宏（macroscopic）分集“多基站”分集,以克服长期衰落为目的。微（microscopic）分集减小短期衰落影响.,空间分集频率分集时间分集,场分量分集 角度分集 极化分集,分集接收技术-宏分集,把多个基站设置在不同的地理位置上和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站进行通信）。,7,分集接收技术,按信号的传输方式可以分为:显分集构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集。隐分集分集作用含在传输信号中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术，跳频技术等。隐分集一般用在数字移动通信中。,8,分集接收技术,分集有两重含义:分散传输:使接收端能获得多个统计独立,携带同一信息的衰落信号.集中处理:接收端对收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏，降低衰落的影响，提高灵敏度的办法。,9,分集接收技术,多个衰落特性互相独立互相独立,10,分集接收技术-空间分集,依据 快衰落的空间独立性,即在任意两个不同的位置上接收同一信号,只要两个位置的距离d大到一定程度,则两处所收信号的衰落是不相关的.理论上,足以保证各接收信号是不相关的.实际中,视地形地物而定,一般 市区:郊区:例如900MHz频段,d=0.27m,11,分集接收技术-空间分集,多传输天线,12,分集接收技术-空间分集,多接收天线,13,分集接收技术-空间分集,多传输天线、多接收天线,14,分集接收技术-频率分集,将要传输的信息分别以不同的载频发射出去,只要载频之间的间隔足够大(大于相干带宽),则接收端就可以得到衰落特性不相关的信号.载频间隔Bc 如市区 优点:减少天线数目缺点:占用更多的频谱资源,15,分集接收技术-时间分集,对于一个随机衰落信号,若对其振幅进行顺序抽样,则在时间上间隔足够远(大于相干时间)的两个样点是互不相关的.所以,将给定的信号在时间上相隔一定时间间隔重发传输M次,只要时间间隔大于相干时间,就可以得到M条独立的分集支路.要求重发时间间隔满足:fm:衰落速率对于移动台处于静止状态时,时间分集得益丧失.,16,分集接收技术-极化分集,在移动环境下,两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性.因此在收、发两端分别装上垂直极化和水平极化天线，就可以得到两路衰落特性不相关的信号。是空间分集的特殊情况优点：结构紧凑，节省空间发射功率要分配到两副天线上，发射信号功率将损失3dB,17,分集接收技术-角度分集,使电波通过几个不同路径，以不同角度到达接收端，接收端利用方向性天线分别指向不同的信号到达方向，每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。较高频率时容易实现。,18,分集接收技术-场向量分集,接收端通过接收三个互不相关的场向量（Ez,Hx,Hy）,可获得分集增益。适用于较低工作频段（低于100MHz）。工作频率较高时（800-900MHz),空间分集在结构上较易实现。,19,分集接收技术-合并方式,在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为:检测前合并技术检测后合并技术,20,分集接收技术-合并方式,选择不同的加权系数ak，就构成不同的合并方式。选择合并 最大比合并 等增益合并,线形合并器：假设M个独立衰落输入信号电压为r1(t)，r2(t),，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为,21,分集接收技术-合并方式,选择式合并,选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。,22,分集接收技术-合并方式,等增益合并,信号包络,等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。,23,分集接收技术-合并方式,最大比值合并最佳合并方式,每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即,由此可得最大比值合并器输出的信号包络为,24,分集接收技术-合并方式,最大比值合并最佳合并方式,输出信号SNR最大可等于各路支路SNR之和,信号包络,25,分集接收技术-合并方式,开关式合并开关式合并与选择合并非常相似，但是它不是总采用M个支路中信号最好的支路，而是以一个固定顺序扫描 M 个支路，直到发现某一支路的信号超过了预置的阈值，然后这路信号将被选中并送至接收机。一旦这路信号降低至阈值之下，那么扫描过程将重新开始。,26,分集接收技术-合并方式,检测前二重开关式合并框图:,27,分集接收技术-合并方式,该分集方式也称为扫描式分集（Scanning Diversity）或者反馈分集，该方式的优点是仅使用一套接收设备，非常易于实现。与其他方法相比较，它的抗衰落统计特性稍差一些。在监视接收信号的瞬时包络，当支路1的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关置到支路2上。若此时支路2的瞬时包络也低于预定门限时，有两种处理方法：第一种：天线开关在支路1和支路2之间循环切换，直到一个支路的包络大于预先设定的门限；第二种：天线开关停留在支路2上，直到支路2大于预定门限后，再次低于预定门限时，天线开关再转到支路1上。,28,分集接收技术-合并方式,上述第二种方法避免了在两个支路都低于预定门限时，频繁的开关倒换。它是实际中通常采用的方法。此时二重开关式合并后输出信号的包络如图。,29,分集接收技术,带反馈的空间分集与切换接收天线相类似，可以通过切换发射天线的方法来获得合并增益，这种方法称为带反馈的空间分集。,分集接收技术-分集合并性能比较,分集接收改善了接收信号的信噪比，降低了误码率。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。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下列三个条件：(1)每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具有恒定均方根值；(2)信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率；(3)各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。,(4-8),选择式合并器的输出信噪比，即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。设有 M个独立的Rayleigh衰落信道，每个信道称作一个分集支路，设第k个支路的信号功率为r2k/2，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为,1.选择式合并的性能：,(4-9),通常，一支路的信噪比必须达到某一门限值t，才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。如果此信噪比因为衰落而低于这一门限，则认为这个支路的信号必须舍弃不用。显然，在选择式合并的分集接收机中，只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通信中断。若第k个支路中kt的概率为Pk(kt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(St)表示时，可得,1.选择式合并的性能：,因此,(4-10),(4-11),设rk的起伏服从瑞利分布，即,(4-12),可得,由式(4-8)可见，kt，即r2k/2Nkt，或,1.选择式合并的性能：,则,(4-13),如果各支路的信号具有相同的方差，即,各支路的噪声功率也相同，即,N1=N2=N(4-14),1.选择式合并的性能：,并令平均信噪比为，则,(4-15),由此可得M重选择式分集的可通率为,(4-16),由于(1-e-t/0)的值小于1，因而在t/0一定时，分集重数M增大，可通率T随之增大。,1.选择式合并的性能：,图4-5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线,1.选择式合并的性能：,由此图我们可以得出什么结论？,例:假定使用 4 支路分集，每支路收到1个独立的Rayleigh衰落信号。若信噪比的均值 为20dB，判决阈值=10dB.试将此情况与没有使用分集的简单接收机相比。解：根据题意，有：,由式(4-15),即M条支路的中断概率为：,1.选择式合并的性能：,（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:,比较P4和P1，没有使用分集时的SNR低于阈值的概率要比采用4条分集高三个数量级（或可通率低三个数量级）。,1.选择式合并的性能：,2、最大比率合并的性能：,的大小由各支路 SNR 来分配,SNR大的支路权重大，SNR小的支路权重小,以实现最大的SNR.,最大比率合并的是由Kahn 最先提出，它对M路信号进行加权求和。有以下特点：1)每个支路有一个加权因子,2)各路信号迭加时要保证同相位(与选择分集不同),因而要求每个支路有放大和调相电路。,2、最大比率合并的性能：,合并信号为：,其中,合并信号的信噪比为：,（4-17）,2、最大比率合并的性能：,是单个支路信噪比的 M 倍。因此，虽然费用和复杂度要高的多，但实际中常被采用。,2、最大比率合并的性能：,由教材P138-139的讨论，可知：,（4-21）,图 4-6 最大比值合并分集系统输出载噪比的累积概率分布曲线,2、最大比率合并的性能：,在同样条件下，与图 4-5 所示的选择式合并分集系统相比，最大比值合并分集系统具有较强的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)与无分集(M=1)相比，在超过纵坐标概率为99%情况下有13dB增益，优于选择式合并分集系统(10 dB增益)。,2、最大比率合并的性能：,因为有时按需要权重可调并不方便，因而出现了等增益合并：各支路信号同相后再迭加，但各支路权重相同。,3、等增益合并的性能：,合并信号为：,合并信号输出信噪比为：,其性能比最大比率合并差一些，但比选择性分集要好很多。,（4-24）,图 4-7 等增益合并分集系统载噪比累积概率分布曲线,3、等增益合并的性能：,4.三种合并法平均信噪比的改善:,图4-8三种合并方式的 与M关系曲线,平均信噪比的改善，是指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。(1)选择式合并的改善因子。在选择式合并方式中，由信噪比S的概率密度p(S)可求得平均信噪比为,(4-25),4.三种合并法平均信噪比的改善:,在 中，p(S)可由式(4-15)求得，,得,由,4.三种合并法平均信噪比的改善:,将上式代入式(4-25)，得选择式合并器输出的平均信噪比为,因而平均信噪比的改善因子为,(4-28),可见，选择式合并的平均信噪比改善因子随分集重数(M)增大而增大，但增大速率较小。改善因子常以dB计，即式(4-28)可写成,4.三种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为,由上式可知，最大比值合并的信噪比改善因子随分集重数的增大而成正比地增大。以 dB计时可写成,4.三种合并法平均信噪比的改善:,(3)等增益合并的改善因子。,因为已假定各支路信号不相关，即有,以及瑞利分布性质确定的 及，可得出平均信噪比为,等增益合并时，由式(4-24)可知,4.三种合并法平均信噪比的改善:,0=2/N。,式中,0=2/N。,最后得出等增益合并的信噪比改善因子为,或,4.三种合并法平均信噪比的改善:,例 在二重分集情况，试分别求出三种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,4.三种合并法平均信噪比的改善:,由式(4-35)可知,或,图 4-8 给出了三种合并方式的 与M的关系曲线。由图 可见，在相同分集重数(即M相同)情况下，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；在分集重数M较小时，等增益合并的信噪比改善接近最大比值合并。选择式合并所得到的信噪比改善量最少，其原因在前面已指出过，在于合并器输出只利用了最强一路信号，而其它各支路都没有被利用。,4.三种合并法平均信噪比的改善:,56,分集接收技术-分集合并性能比较,平均信噪比的改善指分集接收机合并器输出的平均信噪比 较 无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数.,平均信噪比改善（dB）,分集重数M,最大比值合并,等增益合并,选择式合并,57,分集接收技术-分集合并性能比较,选择性合并：设备简单，当分集重数3,信噪比改善缓慢最大值合并:设备较复杂改善信噪比最多等增益合并在分集数M较小时，信噪比改善接近最大比合并电路实现比最大比合并简单,58,三 RAKE接收,RAKE接收机是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。,59,三 RAKE接收,Path1,Path2,PathN,c1(t),c1(t-1),c1(t-N-1),Tb,Hold untilTb+N,Hold untilTb+N,Hold untilTb+N,Tb,Tb+1,Tb+N-1,decide,利用多个并行相关器检测多径信号，按照的准则合成一路信号供解调的接收机。利用多径现象来增强信号。,z(t),Tx,Rx,60,三 RAKE接收,假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。路径 1 距离最短，传输时延也最小，依次是第二条路径，第三条路径，时延时间最长的是第N条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条路径相对于第一条路径的相对时延差为2，第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3，第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N，且有NN-132(1=0)。,61,三 RAKE接收,接收端信号经过解调后，送入N各并行相关器，用户1的伪码为c1(t)，各个相关器的本地码分别为c1(t-1)、c1(t-2)、c1(t-3)，c1(t-n)，信号经过解扩后加入积分器，每次积分时间为Tb，第一支路的输出在Tb末尾进入电平保持电路，保持到Tb+N,即到最后一个相关器于Tb+N设产生输出。这样N个相关器的输出于Tb+N时刻通过相加求和电路，再经判决电路产生输出。,各条路径加权系数为 1，因此为等增益合并方式。在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式，利用多个并行相关器，获得各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量。在实际系统中，由于每条多径信号都经受着不同的衰落，具有不同的振幅、相位和到达时间。由于相位的随机性，其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。如图4-10所示，图中匹配滤波器用于对c1(t)cost匹配。,三 RAKE接收,图4-10 最佳非相干接收机,三 RAKE接收,如果r(t)中包括多条路径，则图4-10的输出如图4-11所示。图中每一个峰值对应一条多径。图中每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。为了将这些多径信号进行有效的合并，可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的输出信号。然后再进行判决恢复，发送数据。采用横向滤波器来实现上述时延和最大比合并，如图4-12所示。,三 RAKE接收,图4-11 最佳非相干接收机的输出波形,三 RAKE接收,图4-12 实现最佳合并的横向滤波器,三 RAKE接收,67,例：两路RAKE接收机,两个等强度的多径信号的等增益合并波形,t=0,y(t),y(t-2tc),z(t),0,0,0,68,例：两路RAKE接收机,路径1的解扩波形,t=0,z(t),c1(t),Tb,2Tb,3Tb,4Tb,5Tb,t,0,1,1,0,0,z(t)c1(t),0,1,69,例：两路RAKE接收机,t=0,z(t),c1(t-2Tc),Tb,2Tb,3Tb,4Tb,5Tb,t,0,1,1,0,0,z(t)c1(t-2Tc),2Tc,路径2的解扩波形,70,例：两路RAKE接收机,发送的比特 0 1 1 0 0,信道编码技术,在移动信道上,误码有两种类型:随机性误码:单个码元错误,并且随机发生,主要由噪声引起;突发性误码:连续数个码元发生错误,主要由于衰落或阴影造成因此,信道误码应有克服这两类误码的能力.信道编码主要是为了纠错,也叫前向纠错(FEC:Forward error correcting),信道编码技术_线性分组码,线性分组码在一个码字中,监督元只由本组的信息码元来决定.(n,k)码:,信息码元 监督码元,编码效率:k/n,信道编码技术_线性分组码,循环码:任一码字每一次向左(或向右)循环移位,就可以得到另一码字.BCH码能纠正多个随机差错的特殊循环码码长为 n=2m-1(m为正整数)R-S码一种多进制的BCH码从二进制码元来看,有纠正突发错误的能力,信道编码技术_卷积编码技术,卷积编码技术 任一组的监督码元不仅与本组信息码元有关,而且还和前面若干组的信息码元有关是一种特殊的分组码纠错能力较强,能纠随机和突发错误.,Yk,码率为1/2约束长度k=4生成多项式:g1=37,g2=21,信道编码技术_卷积编码技术,例:,u1 u2 1 1,u1 u2 1 0,u1 u2 0 0,u1 u2 1 0,u1 u2 1 1,101 11 10 00 10 11,*信道编码技术_ Turbo编码技术,Turbo编码技术 无论是从信息论还是从编码理论看,要想提高编码的性能,就必须加大编码中具有约束关系的序列长度.但是直接提高分组码编码长度或卷积码约束长度都使系统的复杂性急剧上升.Forney提出了级联码的概念以多个短码来构造长码,既能减小译码复杂性,又能得到等效长码的性能级联码研究的一个成果:Turbo码,信道编码技术_Turbo编码技术,1993年C.Berrou等人提出基本思想 由两个或更多的递归系统卷积编码器（RSC）并行组成，在两个RSC之间加入交织器,两个递归系统卷积码子编码器的输出由于交织而不具有相关性，从而可以互相利用对方提供的先验信息（extrinsic information）.,*,信道编码技术_Turbo编码技术,One RSC encoder with memory M=4 obtained from an NSC encoder defined by generators G1=37,G2=21,*,信道编码技术_Turbo编码技术,Turbo encoder example,*,信道编码技术_Turbo编码技术,Turbo 码性能,*,交织编码技术 Interleaving,把一个较长的突发差错离散成随机差错,再用纠正随机差错的编码(FEC)技术消除随机差错.交织编码过程是将FEC码子序列按行写入而按列读出.交织深度越大,离散度越大,抗突发差错能力越强.,Information to be transmitted,Source,coding,Channel,coding,Modulation,Transmitter,Channel,Information received,Source,decoding,Channel,decoding,Demodulation,Receiver,Channelcoding,Channel decoding,Interleaving,De-Interleaving,交织编码技术,以分组码(7,3)为例:,写入,读出,行数123M,交织编码输出序列为:,交织编码矩阵:,交织编码技术,交织编码输出序列为:,传输中出现突发错误,则经解交织后,每一FEC码子中只发生2位差错.当纠错能力 时,即可消除差错.,Interleaving(Example),0,0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,Transmitting Data,0,1,0,0 0,1,0,0 0,1,0,0 1,0,0,0,Read,Write,De-Interleaving,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,Output Data,Burst error,Discrete error,交织编码技术,若FEC纠错能力为t时,交织编码可纠正一次突发差错的长度为:,即可纠正t次突发差错长度为M位的差错.交织深度M越大,交织编码处理时间也越长,即是以时间为代价的.交织编码属于时间隐分集.,信道均衡技术,所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。用于解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号的宽度。由于信道是时变的,要求均衡的特性能自动适应信道的变化而均衡.,均衡技术是指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来克服码间干扰。在一个通信系统中，我们可以将发射机（含调制器）、信道和接收机(含接收机前端、中频和检测器中的匹配滤波器)等效为一个冲激响应为f(t)的基带信道滤波器。假定发端的信号为x(t)，则接收端的均衡器接收到的信号为,(4-79),信道均衡技术,均衡原理,等效的无线传输系统的结构,信道均衡技术,设均衡器的冲激响应为heq(t)，则均衡器的输出为,（4-80）,（4-81）,式中,cN是均衡器的复系数。,式中，g(t)=f*(t)heq(t)是f(t)和均衡器的复合冲激响应。对于一个横向滤波式的均衡器，其冲激响应可以表示为,信道均衡技术,（4-82）,该式就是均衡器要达到的目标，在频域中上式可以表示为,（4-83）,假定系统中没有噪声，即Nb(t)=0，则在理想情况下，应有，在这种情况下没有任何码间干扰。为了使 成立，g(t)必须满足下式：,式中,Heq(f)和F*(-f)分别为heq(t)和f(t)的Fourier变换。,信道均衡技术,在具体数字化实现时，设x(t)和 的采样值为xk和，则均衡器的设计就是按照某种最佳的准则来使xk和 或者xk和dk之间达到最佳的匹配。例如,我们关心均衡器的输出采样点（波形）与发端波形是否一致，此时可使xk和 的均方误差最小。如果我们将上述准则进行扩展，不直接关心波形而关心单个输出的符号dk或输出符号的序列 dk，则我们可以采用最大后验概率（MAP）准则或最大似然（ML）准则，即,信道均衡技术,分为时域均衡和频域均衡两种。频域均衡指的是总的传输函数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性。时域均衡是使总冲击响应满足无码间干扰的条件。数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均衡。,本章主要内容,分集接收：用来补偿衰落信道损耗分集合并的概念、分集方式、合并方式均衡：补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。信道编码：通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。交织编码技术:把一个较长的突发差错离散成随机差错.Rake接收,