抗衰落和链路性能增强技术课件.pptx

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1、主 要 内 容,内容概述,分集接收,信道编码与交织,扩频通信,均衡技术,主要内容,多天线和空时编码,链路自适应技术,Mobile Communication Theory,Mobile Communication Theory,学习重点与要求,分集接收技术的指导思想；获得多个衰落独立的信号的常用的几种方法：频率分集、时间分集和空间分集；对衰落独立信号的处理方式：选择合并、最大比值合并和等增益合并以及它们的性能。信道编码在移动通信中的应用；卷积码的编译码原理；Turbo码的基本概念。掌握信道时域均衡的基本原理；移动通信中所采用的自适应均衡技术的基本概念。直接序列扩频技术原理；直接序列扩频技术抗多

2、径衰落原理；RAKE接收机原理。了解多天线和空时编码抗衰落的基本原理。了解MIMO的分集和复用方式分别起的作用。理解AMC和HARQ两种自适应链路性能增强技术的基本原理,4.1 内 容 概 述,信道编码技术,扩 频 技 术,多天线和空时编码,Mobile Communication Theory,分 集 接 收,基本思想 把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。作用 充分利用接收信号的能量，减小在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。,Mobile Communication Theory,信 道 编 码,基本思想 通过引入可控制的冗余

3、比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。作用 尽量减小信道噪声或干扰的影响，是用来改善通信链路性能的技术。,Mobile Communication Theory,信 道 均 衡,当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时，信号产生频率选择性衰落，接收信号就会产生失真，它在时域表现为接收信号的码间干扰。所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器的网络，以补偿信道引起的失真。均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变化而自行调整。,Mobile Communication Theory,扩 频 技 术,克服多

4、径干扰,频率分集和时间分集,第三代移动通信无线传输的主流技术,Mobile Communication Theory,多天线和空时编码,多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置，充分利用空间信息，大幅度提高信道容量的一种技术。之前所说的多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种特例SIMO，它是一种抗衰落的传统技术。后续的研究表明，如果采用多天线发送，并且发送天线数不太大时，随着发送天线数的增加，信道容量也相应的增加。由此也推动了无线通信领域对于MIMO技术研究的热潮。此外，基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收，从而大大

5、提高了信号质量。,Mobile Communication Theory,链路自适应技术,由于无线信道的特性是复杂的，包含了时、频、空三维的衰落。如果能够根据信道的特性自适应地调整传输速率，在信道条件好时提高传输速率，信道条件差时降低传输速率，那么就可以有效地提高平均吞吐量。在4.7节将具体介绍AMC和HARQ两种链路自适应技术。,Mobile Communication Theory,4.2 分 集 技 术,分集接收是抗衰落的有效措施之一 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 宏观分集 阴影衰落 微观分集 微观衰落 合并技术 获得M个相互独立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比的改善

6、,Mobile Communication Theory,4.2.1 宏 观 分 集,Mobile Communication Theory,4.2.1 宏 观 分 集,设基站A接收到的信号中值为mA,基站B接收到的信号中值为mB,它们都服从对数正态分布。若mA mB，则确定用基站A与移动台通信；若mA mB，则确定用基站B与移动台通信。如图4.1中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。基站数视需要而定。,Mobile Communication Theory,4.2.2 微 观 分 集,信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度、以及携带信息的电

7、磁波极化方向等等。常见的有：时间分集 移动的时间足够长（或移动的距离足够大），大于信道的相干时间。频率分集 两个载波的间隔大于信道的相干带宽。空间分集 相隔足够大的距离。实际测量表明，通常在市区，取d=0.5，在郊区可以取d=0.8。,Mobile Communication Theory,4.2.3 分集的合并方式及性能,M重分集对这些信号的处理概括为M条支路信号的线性叠加：其中fk(t)为第k支路的信号；k(t)为第k支路信号的加权因子。信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不同,形成3种基本的合并方式：选择合并、最大比值合并和等增益合并。,Mobile Communicatio

8、n Theory,4.2.3 分集的合并方式及性能,在下面的讨论中假设：每支路的噪声与信号无关，为零均值、功率恒定的加性噪声。信号幅度的变化是由于信号的衰落，其衰落的速率比信号的最低调制频率低许多。各支路信号相互独立，服从瑞利分布，具有相同的平均功率。,Mobile Communication Theory,1.选择合并,在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出，这相当于在M个系数k(t)中，只有一个等于1，其余的为0。,Mobile Communication Theory,1.选择合并,由于M个分集支路的衰落是互不相关的，所有支路的k（k=1，2，M）同时小于某个给定值x的概率

9、为,若x为接收机正常工作的门限，F(x)就是通信中断的概率。而至少有一支路信噪比超过x的概率就是使系统能正常通信的概率（可通率）为,Mobile Communication Theory,1.选择合并,F(x)x的关系如图4.8所示。,由此可以看出，在给定的门限信噪比情况下，随着分集支路数的增加，所需支路接收信号的平均信噪比在下降。,Mobile Communication Theory,2.最大比值合并,在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相，然后相加。这样合并器输出信号的包络为,Mobile Communication Theory,2.最大比值合并,输出的噪声功率等于各支路的输出噪

10、声功率之和,于是合并器的输出信噪比为,希望输出的信噪比有最大值，根据许瓦兹不等式若使加权系数k满足,Mobile Communication Theory,2.最大比值合并,则有,这结果表明，若第k支路的加权系数k和该支路信号幅度rk成正比，和噪声功率Nk成反比，则合并器输出的信噪比有最大值,且等于各支路信噪比之和：,通信中断概率F(x)：,Mobile Communication Theory,2.最大比值合并,F(x)x的特性如图4.11所示：,Mobile Communication Theory,3.等增益合并,合并器输出的信号的包络等于,Mobile Communication Th

11、eory,3.等增益合并,对于M2的情况，要求得 的累积分布函数和概率密度函数是比较困难的，可以用数值方法求解，但M=2时其累积分布函数为（推导过程略）：,设各支路噪声平均功率相等，输出的信噪比为,Mobile Communication Theory,3.等增益合并,F(x)x特性如图4.14所示：,Mobile Communication Theory,4.2.4 性能比较,为了比较不同合并方式的性能，可以比较它们的输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比。这个比值称作合并方式的改善因子，用D表示。,选择合并,最大比值合并,等增益合并,通常用dB表示：D(dB)=10lg(D)，图4.15给

12、出了各种D(dB)M的关系曲线。,Mobile Communication Theory,4.2.4 性能比较,从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合并改善最多，其次是等增益合并，最差是选择合并，这是因为选择合并只利用其中一个信号，其余没有被利用，而前两者使各支路信号的能量都得到利用。,Mobile Communication Theory,4.2.5 分集对数字移动通信误码的影响,把Pe看作是衰落信道中给定信噪比,的条件概率。,则平均错误概率,式中PM（）即为M重分集的信噪比概率密度函数。下面以二重分集为例说明分集对二进制数字传输误码的影响。并以差分相干解调DPSK 为例进行说明。DPS

13、K的误码率为,Mobile Communication Theory,4.2.5 分集对数字移动通信误码的影响,1.采用选择合并器的DPSK误码特性,2.采用最大比值合并器的DPSK误码特性,3.采用等增益合并器的DPSK误码特性,Mobile Communication Theory,4.2.5 分集对数字移动通信误码的影响,由图可见，二重分集对无分集误码特性有了很大的改善。,Mobile Communication Theory,4.3 信 道 编 码 与 交 织,概述,分组码,卷积码,Turbo码,信道编码,Mobile Communication Theory,交织,4.3.1 内 容

14、 概 述,传统的信道编码：分组码和卷积码 上世纪90年代出现Turbo码 交织技术,Mobile Communication Theory,4.3.2 分 组 码,分组码,基本描述,例 子,在移动通信中的应用,Mobile Communication Theory,分组码的基本描述,二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,.ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。,式中G为kn的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。对一个分组码的生成矩阵

15、G，也存在一个(n-k)n矩阵H满足,Mobile Communication Theory,分组码的基本描述,H称作校验矩阵，它也满足,任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。理论分析表明：（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是,或,Mobile Communication Theory,分组码的基本描述,（n,k）线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是,（n,k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l t）个错误的充分必要条件是,译码器根据编码规则和信

16、道特性，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码字为C，接收到的码字R=C+e，其中e为错误图样，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e为全零矢量。,Mobile Communication Theory,分组码的基本描述,定义接收码字R的伴随式（或校验子）为,如果S=0,则R是一个码字；若S,可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字无关；(n，k)线性码对接收码字的译码步骤如下：计算伴随式 ST=HRT;根据伴随式捡出错误图样e；计算发送码字的估值,0,则传输一定有错。,由于,Mobile Communication Theory,分组码的例子,1.汉明码 汉明码是最

17、早(1950)出现的纠一个错误的线性码。,其主要参数如下：码长 n=2m-1;信息位数：k=2m-m-1;,监督位数：n-k=m,最小距离：dmin=3;,Mobile Communication Theory,分组码的例子,2.循环码（n，k）线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码的码字 循环码的编码步骤为：计算xn-km(x)；计算xn-km(x)/g(x)得余式r(x)；得到码字多项式 C(x)=xn-km(x)+r(x)；循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循环码称作循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)。,Mobile Communi

18、cation Theory,分组码在移动通信中的应用,1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和反向链路在信道中消息是以帧的形式来传送的。例如，图4.17是全速率（9600bit/s）前向业务信道的帧结构。,这是一个（n，k）=(172+12,172)=(184,172)分组码。其生成多项式为：,Mobile Communication Theory,分组码在移动通信中的应用,2.在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC码。例如话音编码采用规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260 bit,即速率为13kbit/s。,Mobile

19、Communication Theory,4.3.3 卷积码,蜂窝移动通信系统中的应用,状态图(State Diagram),维特比(Viterbit)译码,网格图(Trellis Diagam),卷积码的自由距离,卷积码编码器,卷积码,Mobile Communication Theory,卷积码编码器,卷积码编码器的输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为（n，k，m）。编码率r=k/n。图4.19是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2，m=3，所以是(2,1,3)编码。,Mobile Communication The

20、ory,卷积码编码器,编码器只有一个输入序列a，它经过两条不同的路径到达输出端，对应两个长度K=4的响应序列,即,对任意的输入序列a,对应两个输出的序列分别是a与g(1)、g(2)的离散卷积：,Mobile Communication Theory,卷积码编码器,还可以用生成多项式来进行表述，它定义为沖激响应的单位时延变换。对应第i条路径的生成多项式定义为,例如对图4.19编码器有,相应的第i条路径输出序列多项式则等于,Mobile Communication Theory,状态图（State Diagram）,编码过程可以用状态图来表示，它描述了编码器每输入一个信息元时，编码器各可能状态以及

21、伴随状态的转移所产生的分支码字。,Mobile Communication Theory,状态图（State Diagram）,上图是一个（2,1,2）卷积码编码器。它的状态图为,图中小圆内的数字表示状态，连接小圆的箭头表示状态转移的方向，用连线的格式表示状态转移的条件（输入的信息比特）：若输入信息比特为1，连线为虚线；若为0则实线。连线旁的两位数字表示相应输出分支码字。,Mobile Communication Theory,网格图（Trellis Diagram）,网格图实际就是在时间轴上展开编码器在各时刻的状态图。仍以图4.21(a)编码器为例说明用网格图描述编码的过程。,网格图中的首尾

22、相连的连线构成了一条路径，对应着某个输入序列的编码输出序列。,Mobile Communication Theory,维特比译码的基本原理,维特比（A.J.Viterbit）译码是基于最大似然法则的最重要的卷积码译码方法。,Key：最小汉明距离！,Mobile Communication Theory,维特比译码的基本原理,根据分组码理论，码字最多可以纠正个错误的个数t由最小距离dmin确定,在卷积码中，dmin用被称为自由最小距离df取代。当且仅当df 2t时，卷积码才能纠t个误码。对给定n,k,m,编码器可以有不同的结构（连接方式），但卷积码应被设计成具有最大的自由距离的“好”的卷积码。表

23、4.1和4.2列出一部分。,Mobile Communication Theory,卷积码在蜂窝移动通信系统的应用,卷积码在GSM系统中卷积码得到广泛的应用。例如 在全速率业务信道和控制信道就采用了（2,1,4）卷积编码。卷积码在CDMA/IS-95系统也得到广泛应用。例如 在前向和方向信道，系统都使用了约束长度K=9的编码器。,Mobile Communication Theory,4.3.4 Turbo 码,输入的数据比特流直接输入到编码器1，同时也把这数据流经过交织器重新排列次序后输入到编码2。由这两组编码器产生的奇偶校验比特，连同输入的信息比特组成Turbo码编码器的输出。其编码率为1

24、/3。,Mobile Communication Theory,编码器,一般采用递归卷积码编码器RSC，结构如图4.26。,传输函数可以表示为,Mobile Communication Theory,编码器,表示了信息序列和校验序列的约束关系：,由于RSC比一般的非递归卷积码有更大的自由距离，因此有更大的抗干扰能力，误比特率更低。,在时域信息比特和校验比特的关系就是,Mobile Communication Theory,交织器,此交织器是一个伪随机交织器。在要发射的信息中加入了随机特性，作用类似于香农的随机码。它使得两个编码器的输入互不相关，编码近于独立。由于译码需要交织后信息比特位置信息，

25、所以交织是伪随机的。,Mobile Communication Theory,Turbo码译码器,图中b为带噪声的系统比特，Z1、Z2是两个带噪声的奇偶校验比特。Turbo码译采用后验概率译码APP。两个译码器均采用BCJR算法。根据BCJR算法，第一个译码器对系统比特xi产生软估计，用对数似然比表示,Mobile Communication Theory,Turbo码译码器,Mobile Communication Theory,4.3.5 交织技术,在移动通信这种变参信道上，持续较长的深衰落会影响到相继一串的比特，使比特差错常常成串发生。然而，信道编码仅能检测和校正单个差错和不太长的差错串

26、。为了解决成串的比特差错问题，则需要联合使用交织技术。交织技术可分为块交织、卷积交织和随机交织。交织技术就是把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条信息中的相继比特以非相继方式发送，这样即使在传输过程中发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个（或者长度很短）的错误比特，这时再用信道编码（FEC）纠正随机差错。,Mobile Communication Theory,4.4 均 衡 技 术,基本原理,非线性均衡器,自适应均衡器,4.4.1,4.4.3,Mobile Communication Theory,4.4.1 基 本 原 理,Mobile Communicatio

27、n Theory,码间干扰,在数字传输系统中，一个无码间干扰的理想传输系统，在没有噪声干扰的情况下其沖激响应h(t)应当具有如图4.29的波形。,由于实际信道传输特性并非理想，响应的波形失真是不可避免的，如图4.30的hd(t)，信号的抽样沖激在多个抽样时刻不为零。这就造成了码间干扰。因此采用信道均衡技术克服这种影响。,Mobile Communication Theory,横向滤波器,在信道特性给定的情况下，对均衡器传输函数的要求是,其中H(z)是信道的传输函数。最基本的均衡器结构就是横向滤波器。它的结构如图4.32所示。,对给的的输入X(z)，适当的设计均衡器的系数，就可以对输入序列均衡。

28、,Mobile Communication Theory,评价均衡器性能的准则,Mobile Communication Theory,均衡器系数的计算,利用上式并利用上节yn的求解公式建立一个2N+1个方程，求解这2N+1个系数。这种算法便称作迫零算法。,Mobile Communication Theory,均衡器系数的计算,Mobile Communication Theory,4.4.2 非线性均衡器,线性均衡器一般用在信道失真不大的场合。要使均衡器在失真严重的信道上有比较好的抗噪声性能，可以采用非线性均衡器。例如：,非线性均衡器,Description of the contents

29、,判决反馈均衡器,最大似然估计均衡器,Mobile Communication Theory,判决反馈均衡器DFE,判决反馈均衡器的结构如下图所示。它由两个横向滤波器(前馈滤波器FFF，反馈滤波器FBF)和一个判决器构成。,Mobile Communication Theory,判决反馈均衡器DFE,判决器的输入，等于：,式中cn是前馈滤波器的N+1个支路的加权系数；bi是后向滤波器的M个支路的加权系数。zm 是当前判决器的输入，ym是输出；ym-1,ym-2,ym-M则是均衡器前M个判决输出。和横向均衡器比较，判决反馈均衡器的优点是在相同的抽头数情况下，残留的码间干扰比较小，误码也比较低。特

30、别是在信道特性失真十分严重的信道。,Mobile Communication Theory,最大似然估计均衡器MLSE,MLSE可以看作是对一个离散有限状态机状态的估计。实际ISI的响应只发生在有限的几个码元。因此在接收滤波器输出端观察到的ISI可以可作是数据序列an通过系数为fn的FIR滤波器的结果，滤波器的结构如下图所示：,Mobile Communication Theory,最大似然估计均衡器MLSE,若各种序列以等概率发送，接收端计算条件概率P(y1,y2,yN|a1,a2,aN)(表示yn序列和an序列的相似性似然性），对应概率最大的序列就作为发送的码序列的估计。这种检测方法称作最

31、大似然序列检测。滤波器一共有L个寄存器，随着时间的推移寄存器的状态随发送的序列而变化。整个滤波器的状态共有ML种。最大概率值的计算可归结为在网格图中，搜索最小平方欧氏距离的路径，即,根据yn，在网格图中计算每一支路的平方欧氏距离(yn-rn)2，并在每一状态上累加，然后根据累加的结果的最小值确定幸存路径，得到序列rn。,Mobile Communication Theory,4.4.3 自适应均衡器,自适应均衡器能够基于对信道特性的测量随时调整自己的系数，以适应信道特性的变化。自适应均衡器的结构如下图,具有训练模式和跟踪模式两种工作模式。,Mobile Communication Theory

32、,4.4.3 自适应均衡器,自适应均衡器工作过程均衡器开关置1，也产生同接收端相同的训练序列。e(n)和x(n)作为某种算法的参数，把均衡器的系数ck调整到最佳，使均衡器满足峰值畸变准则或均方畸变准则。此阶段均衡器的工作方式就是训练模式。在训练模式结束后，发送端发送数据，均衡器转入跟踪模式，开关置2位置。,Mobile Communication Theory,4.5 扩 频 通 信,Mobile Communication Theory,4.5.1 伪噪声（PN）序列,m序列的功率谱,m序列的随机性质,序列的产生,伪噪声序列,Mobile Communication Theory,序列的产生

33、,伪噪声序列（PN序列）具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。PN序列有多种，最常用的一种是最长线性反馈移位寄存器序列，也称作m序列。由m级寄存器构成的线性移位寄存器如下图：,Mobile Communication Theory,m序列的随机性质（1）,m序列的随机特性：平衡特性在m序列的一个完整周期N=2m-1内，0的个数和1的个数总是相差为1。游程特性m序列游程总数为(N+1)/2。长度为n的游程数等于游程总数的1/n。相关特性 m序列的自相关函数是周期的二值函数。可以证明，对长度为N的m序列都有结果。,Mobile Comm

34、unication Theory,m序列的随机性质（2）,n和Ra,a(n)都是取离散值,下图是N=7的自相关函数曲线,Mobile Communication Theory,m序列的功率谱（1）,m序列的信号是一个周期信号，所以其功率谱是一个离散谱，,图4.44(a)给出了N=7的m(t)的功率谱特性。图4.44(b)给出了一些功率谱包络随N变化的情况。可以看出在序列周期T保持不变的情况下，随着N的增加，m(t)的码片Tc=T/N变短，脉冲变窄，频谱变宽，谱线变短。,Mobile Communication Theory,m序列的功率谱（2）,Mobile Communication The

35、ory,4.5.2 扩频通信原理,扩频和解扩,直扩系统抗窄带干扰的能力,Mobile Communication Theory,扩频（1）,Mobile Communication Theory,扩频（2）,Mobile Communication Theory,解扩,不考虑信道噪声及各种干扰信号，接收机接收到的信号r(t)=s(t)，收到的信号首先和本地产生的PN码c(t)相乘。由于 c2(t)=（1）2=1,所以,相乘所得信号显然是一个窄带的2PSK信号，这样信号恢复为一个窄带信号，这一操作过程就是解扩。为了实现信号的解扩,要求本地的PN码序列和发射机的PN码序列严格同步，否则所接收到的就

36、是一片噪声。,Mobile Communication Theory,直扩系统抗窄带干扰的能力,扩频信号的一个重要特点就是抗窄带干扰的能力。分析抗窄带干扰的模型如图4.49。,设i(t)为一窄带干扰信号，其频率接近信号的载波频率。解扩后最终最终扩频系统的输出干扰功率是输入干扰功率的1/N。,Mobile Communication Theory,直扩系统抗窄带干扰的能力,即扩频系统的处理增益为Gp,通过下图来说明扩频系统抗窄带干扰的能力,Mobile Communication Theory,4.5.3 抗多径干扰和RAKE接收机,抗多径干扰 多径分离接收机(RAKE receiver),Mo

37、bile Communication Theory,抗多径干扰,利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率（Tc很小）有效抑制与PN序列不同步的多径信号分量的干扰特别是多径时延大于扩频码的码片时具有二径传输信道的扩频通信系统如图4.52,Mobile Communication Theory,多径分离接收机（RAKE receiver）,利用各多径信号分量的能量，改善接收信号的质量信号的频谱扩展使信号获得了频率分集的好处 多径信号的分离接收也是一种时间分集RAKE接收机的原理图如下,Mobile Communication Theory,4.5.4 跳频扩频通信系统FHSS,基本概念跳频系

38、统的抗干扰性能和在GSM系统的应用,Mobile Communication Theory,基本概念,跳频扩频就是使窄带数字已调信号的载波频率在一个很宽的频率范围内随时间跳变，跳变的规律称作跳频图案。接收机也按照这规律同步跳变调谐 跳频的规律实际上是可以重覆的伪随机序列 瞬时带宽B跳频信号的总带宽W,Mobile Communication Theory,基本概念,跳频处理增益GH=W/B=N 跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力一般采用FSK的数字调制方式和非相干解调跳频器由PN码发生器和频率合成器组合而成，完成扩频和解扩慢跳频和快跳频在扩频信号带宽比较宽的情况下，跳频扩频比直接序列扩频

39、更容易实现。,Mobile Communication Theory,跳频系统的抗干扰性能,利用跳频序列的随机性和为数众多的频率点，使得它和干扰信号的频率发生冲突的概率大为减小，来实现抗干扰。在快跳频系统中，所传输的码元分布在多个频率点上，抗干扰能力越强。跳频系统的抗干扰性能用其跳频处理增益表示。,Mobile Communication Theory,跳频系统在GSM系统中的应用,GSM 系统在业务量大干扰大的情况下常常采用 跳频 跳频起着频率分集的作用减小瑞利衰落可以分散了来自其它小区的强干扰抗同频干扰,Mobile Communication Theory,4.6 多天线和空时编码,Mo

40、bile Communication Theory,4.6.1 多天线技术,MIMO利用在发送端和接收端同时使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道容量、抗衰落性能和频谱利用率。首先介绍MIMO的系统模型，如图4-60所示，,Mobile Communication Theory,图 4-60 MIMO的系统模型,MIMO的系统模型,图4-60描述了一个包含 根发送天线，根接收天线，并且采用空时编码的MIMO系统模型。信道响应矩阵为，假设总的发射功率为，每根发送天线上的发射功率相同为。经过无线信道 后，MIMO系统的数学模型可以表示为,Mobile Communication Theor

41、y,MIMO的系统容量,把信道矩阵进行奇异值分解可以得到，通过引入矩阵变换，可以得到，是秩为 的对角矩阵，对角线上元素为。由此可以看出MIMO信道被变换为 个相互独立的子信道的叠加。那么它的信道容量可以由独立子信道的信道容量叠加得到，,Mobile Communication Theory,MIMO的复用与分集,根据各根天线上发送信息的差别，MIMO可以分为发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号的具体形式不一定完全相同)，达到空间分集的效果，从而跟分集接收一样能够起到抗衰落的作用。例如采用STBC编码形式，就可以得到空间分集增益。我们通常所说的

42、空时编码技术大部分都是针对空间分集来说的，具体内容将在4.6.2中介绍。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。例如采用VBLAST编码形式就可以增加系统容量。下面就介绍这种基于空间复用的分层空时码。,Mobile Communication Theory,分层空时码,分层空时码（LST）描述了空时多维信号的发送结构，并且还可以和不同的编码方式级联。其中最著名的是垂直结构的空时码（VBLST），其主要原理是将信源数据先分为多个子数据流，然后对这些子数据流进行独立的信道编码和调制，并在不同的天线上发送。如果与编码器级联，还

43、有水平分层空时码、对角化分层空时码以及螺旋分层空时码等。下面介绍最简单也是应用的最广泛的VBLAST，它在不同天线上的数据并没有正交性。,Mobile Communication Theory,垂直分层空时码（VBLAST）（1）,VBLAST的结构如图4-61所示，第 个子信道的调制器输出的符号为 空时编码器接收从并行信道调制器的输出，按照垂直方向进行空间编码，可以得到第 根天线上待发送的数据,Mobile Communication Theory,图 4-61 VBLAST的结构,垂直分层空时码（VBLAST）（2）,和 的映射方式可以如图4-62所示。按照垂直的方式，中框里的第1列，第

44、列，数据映射到第一根发送天线，第2列，第 列，数据映射到第二根发送天线，以此类推完成所有编码器输出的映射。在接收端可以用多种方式实现VBLAST的译码，例如最大似然（ML）译码、迫零（ZF）算法、最小均方误差（MMSE）算法以及连续干扰消除等。,Mobile Communication Theory,图 4-62 VBLAST的映射方式,4.6.2 空时编码技术,空时编码（Space-Time Coding）是无线通信的一种新的编码和信号处理技术，它使用多个发射和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的可靠性。空时编码在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以

45、进行分集接收。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得很高的编码增益，在接收机结构相对简单的情况下，空时编码的空时结构可以有效提高无线传输系统的容量。,Mobile Communication Theory,空时分组码（STBC）(1),Alamouti提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。空时分组码是将每 个输入字符映射为一个 矩阵，矩阵的每行对应在 个不同的时间间隔里不同天线上所发送的符号。下面是 的一个简单的空时分组码的例子，它的编码矩阵为，在某时刻符号 分别在天线1,2上发送，在下个时刻两个天线上发

46、送的符号分别为。,Mobile Communication Theory,空时分组码（STBC）(2),用 表示第1，2个发射符号间隔接收天线的接收信号,采用最优极大似然译码可得，对于STBC，为了要满足各根天线上发送数据的正交，它的编码矩阵需要满足如下条件，,Mobile Communication Theory,空时格码（STTC）（1）,1.编码器空时格码的编码过程将调制，编码以及收发分集联合优化，采用格形图编码，其某个时刻天线上所发射的符号是由当前输入符号和编码器的状态决定的。对于空时分组码来说，空时格码本身不但提供了分集增益，而且还提供了编码增益。在某一个时刻，采用MPSK（）符号映

47、射的STTC编码器结构如图4-63所示。图4-63中的D表示延迟一个比特，假设发射天线数为，时刻输入的比特流为，连续输入的比特流为，,Mobile Communication Theory,空时格码（STTC）（2）,Mobile Communication Theory,图 4-63 STTC编码器结构,空时格码（STTC）（3）,经过编码调制后，时刻输出的MPSK空时符号为，调制符号序列为，调制符号通过 根天线发送出去。2.网格图STTC的编码还可以用网格图表示，每输入的 个比特的数据流被映射为一个MPSK符号，然后再根据网格图对符号进行STTC编码。当发射天线数为2时，采用QPSK调制的

48、网格图如图4-64所示，,Mobile Communication Theory,空时格码（STTC）（4）,Mobile Communication Theory,图 4-64 STTC网格图,空时格码（STTC）（5）,网格图右边每一行中的每个元素由两个符号组成，每根发射天线相应地发射一个符号。斜线表示由于输入的符号，编码器的状态相应地由斜线的始端转换到末端。对于QPSK调制包含了4个可能的符号，那么当编码器处于某一个状态时，它的状态就可以根据输入的符号转换为斜线所对应的4个可能状态中的一个。比如在图(a)中，原始状态为“2”，输入符号为“1”，就根据“2”状态下第2根线转换到状态“1”。

49、在状态“1”所对应的这一行输出元素中，根据输入符号“1”可以得到输出符号为“11”。由于空时格码的最优化设计暂时还没有理论方法，目前最优码的获得还是依靠计算机搜索。另外，对于空时格码，译码器采用维特比算法来实现最大似然译码，研究简单的译码算法一直是国内外学者的目标。,Mobile Communication Theory,4.7 链路自适应技术（1）,Mobile Communication Theory,4.7 链路自适应技术（2）,由于无线信道具有很强的时变特性，对于非自适应的系统，就需要留出一定的链路余量来应付信道条件恶劣的情况，当然这也必然会降低信道利用率。那么如果能够根据信道情况的变

50、化，自适应地调整发送信号的速率或者功率就可以更充分地利用各种资源。自适应技术在物理层，链路层和网络层都适用。物理层的自适应技术包括自适应调制编码（AMC），功率控制，速率控制，错误控制等。混合自动请求（HARQ）是链路层的自适应技术。网络层的自适应技术包括跨层协作等。,Mobile Communication Theory,4.7.1 自适应调制编码,1.AMC系统采用AMC技术的系统结构如图4-66所示，当发送的信息经过信道到达接收端时，先进行信道估计，根据信道估计的结果对接收信号进行解调和解码，同时把信道估计的信息通过反馈信道发送给发端。发端根据反馈信息对信道的质量进行判断，从而选择适当的