08次课 第05章 抗衰落技术-1_2013

1、8-8-1 1 数字移动通信 数字移动通信 8-8-2 2 数字移动通信 第五章 抗衰落技术 定量表达式: ( ) n P d tdS d K d 式中 第1项表示大尺度的 路径损耗，n=26 ； 第2项表示中尺度的 阴影损耗； 第3项表示小尺度的 多径衰落。 n传播损耗对信号传输有何影响？传播损耗对信号传输有何影响？ n多径效应在时域上引起什么现象？它对信号传多径效应在时域上引起什么现象？它对信号传 输有何影响？输有何影响？ n什么什么是多普勒效应？它对信号传输有何影响？是多普勒效应？它对信号传输有何影响？ n什么是平坦衰落、频率选择性衰落？如何判定？什么是平坦衰落、频率选择性衰落？如何判定

2、？ n什么是快衰落、慢衰落？如何判定？什么是快衰落、慢衰落？如何判定？ n？ 8-8-5 5 本章围绕如何在复杂无线电波传播环 境下，可靠有效的传输信号展开讨论。 p 抗衰落技术基本原理 p 分集技术 p 自适应均衡技术 p RAKE接收 8-8-6 6 本节的要求与重点 n掌握分集的基本概念及方法 n理解常用的分集合并方式的工作原理 n理解影响分集性能的主要因素 8-8-7 7 p 回顾：移动通信信道中的传播特性 传播损耗|d|-n 增大发射功率； S(d)阴影衰落：地形起伏、建筑物及障碍 物的遮蔽引起 多基站宏分集； K(d) 多径衰落：多径及多普勒频移 微分集、均衡、信道编码技术。 (

3、) n P d tdS d K d 5-5-8 8 p 目的： 提高系统性能，补偿衰落损耗 p 方法： n多重接收 分集技术 n补偿信道失真 均衡技术 n 5-5-9 9 n分集技术 (Diversity Techniques) 出发点：有意识地分离多径信号并恰当合并以提高接收 信号的信噪比来抗衰落 常用的分集技术包括空间分集、频率分集和时间分集等 CDMA系统常使用RAKE接收机来改善链路性能 n均衡技术(Equalization Techniques) 出发点：通过补偿信道衰落引起的畸变来减小 衰落的影响，以减小码间串扰（ISI） 接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进 行补偿 由于移动

4、信道是时变的，所以要求均衡器是自 适应的 n信道编码技术 (Channel Coding Techniques) 出发点：通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码 常用的有分组编码、卷积编码和交织技术 编码调制，不需增加带宽就可获得巨大的编码增益 n正交频分复用（OFDM）技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexity Techniques) 出发点：将高速数据通过串并变换，分割成若干低速数 据传输，以增大信息码元周期来达到减少多径时延扩展影 响的目的。 8-8-1414 p 目的：通过多重接收来对抗衰落 p 问题： 从哪里可以获得不同的分集支路？

5、如何使得各支路衰落尽可能不相关？ 如何处理多个不同分集支路获得的信息？ 5-5-1515 一、分集原理 接收端对收到的经过多个相互独立 路径传输的信号（携带同一信息）进行 特定处理，来减小衰落的深度与持续时 间。 8-8-1616 p 分集的概念包含了两层意思（分开+集合） 一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立 的、携带同一信息的衰落信号； 二是集中处理，把收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并以降低衰落的影响。 5-5-1717 p 一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落， 而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强 的信号。 t 解决解决两方面两方面的问题的问题 如何获得多路独立的信号如

6、何获得多路独立的信号多径分离多径分离 如何合并多路独立的信号如何合并多路独立的信号信号合并信号合并 5-5-1818 p 分集方式可以分为两类 宏分集：抗大尺度衰落， 如多基站分集。 微分集：抗小尺度衰落， 如时间分集、空间分集、极 化分集和角度分集等。 5-5-1919 p 基本原理：天线间的相隔距离等于或大于半波 长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是 非相关的。 p 依据：衰落的空间独立性。 p 做法：天线的间隔d要保证接收信号的衰落特 性相互独立，接收天线至少2个。 p经典实例：基站的天线分集 5-5-2020 p实例:对于第三代移动通信系统而言，其载波频率 为2GHz，依据空间分

7、集的要求，如何使用两根接收天 线，天线之间至少需要相隔多远？ p对应的波长为0.15m p天线之间至少相距7.5cm p在手机终端上使用可以吗？ p在短波电台上能使用多个发射或者接收天线吗？ 5-5-2121 p实例:假定短波电台的传输频率为20MHz，依据空间 分集的要求，如何使用两根接收天线，天线之间至少 需要相隔多远？ p对应的波长为15m p天线之间至少相距7.5m 仍然未解决的问题 5-5-2222 p为什么要让天线相距这么远呢？ p为了保证各天线收到信号的非相关性 p如果各路信号具有一定相关性会对分集性能产生什 么影响呢？ 5-5-2323 p 基本原理 将信号在时间上相隔一定的间

8、隔重复传输实 现分集 要想在时间上得到独立的分集支路，条件是 什么？ 时间间隔大于信道的相干时间 Tc t 5-5-2424 p 基本原理 将信息用不同的载频发送出去实现分集。 在频域上独立的条件是？ 载频的频率间隔大于信道的相干带宽 可采用跳频技术来达到频率分集目的 Bc f 5-5-2525 p 基本原理 由于地形地貌和建筑物等环境因素不同，不同路径达 到接收端的信号可能来自于不同方向。 采用方向性天线，分别指向不同的信号达到角度，则 每个方向上的多径信号是不相关的，从而得到分集的 信号。 可采用智能天线实现。 发射分集发射分集 n 在在3G中得以应用，就是通过多副天线发射同一信中得以应用

9、，就是通过多副天线发射同一信 息序列，使每副天线上的信号在到达接收端时经过独息序列，使每副天线上的信号在到达接收端时经过独 立的衰落，人为造成可区分的多径信号，从而使接收立的衰落，人为造成可区分的多径信号，从而使接收 方增强接收效果。方增强接收效果。 5-5-2626 5-5-2727 智能天线 多天线阵 交织 跳频 直接序列扩频 空间角度分集 空间位置分集 时间分集 频率分集 频率分集 分集技术的分集技术的本质本质： 对同一信号在不同时间对同一信号在不同时间/空间空间/频率频率/ 角度上的角度上的多次传输多次传输。 5-5-2828 问题的描述 接收到多个分集信号以后， 对多个独立信号的处理

10、方法。 合并信号的表达式 1 12 2 1 ( )( )( ).( )( ) M M Mk k k r ta r ta r ta rta r t Tx Rxa1 Rxa2 Rx 合 并 r1(t) r2(t) rM(t) r (t) aM p如何集中处理？ 5-5-2929 分集合并方式 增益合并开关式合并 最大比合并 等增益合并 纯选择（选择合并） 门限选择 切换和等待 切换和检验 5-5-3030 p M个接收机获得的M个独立的信号 p 选择具有最高信噪比的信号作为输出 总是选择最好的信号，提高了平均信噪比 只使用了一条路径的信道，达不到最优 p 前提是什么？ 需要快速估计所有支路信干噪比

11、 5-5-3131 n1 选择式合并 n出发点：总是选择信噪比最大的某条 路径信号。 接 收 机 1 接 收 机 2 5-5-3232 选择式合并是检测所有分集支路的选择式合并是检测所有分集支路的 信号，以选择其中信噪比最高的那一信号，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。由个支路的信号作为合并器的输出。由 此可见，在选择式合并器中，加权系此可见，在选择式合并器中，加权系 数只有一项为数只有一项为 1，其余均为，其余均为 0。 5-5-3333 5-5-3434 1）最大比值合并 最佳的分集合并方式，得到最大的输出信噪比。 怎么做才能使得输出信噪比最大？ 每一支路的加权系数

12、 与信号功率成正比，而与噪声 功率成反比。 信噪比越高，合并中的贡献越大，加权系数越大。 k a 利用了利用了每一条路径的信号，每一条路径的信号，使接使接 收的每一时刻均达到收的每一时刻均达到最大信噪比最大信噪比。 5-5-3535 n2 最大比率合并 n出发点：在信号合并前对各路载波相位进行调整并使 之同相，对各路同相后的信号进行加权，从而充分利 用各支路的可用信号，使得在任一时刻均会达到可实 现的最大信噪比。 n最大比值合并器输出的信号包络为 M k k k k M k k N r rar 1 2 1 R 5-5-3636 2）等增益合并 能不能有什么方法降低最大比合并的复杂度， 但性能又

13、不会下降太多呢？ 各支路的信号等增益相加。 实现简单，性能接近最大比合并。 5-5-3737 p与开关式合并相比，增益合并在性能上有较大 的提升，这种性能提升的代价是什么？ 增益合并需要同时对每个分集支路进行解调， 对N个分集支路都配备有射频硬件和信号处理功 能。 1 12 最大值合并 等增益合并 选择合并 分集支路数 M 合并增益（dB） 2 3 4 5 9 6 3 0 每个分支平均信噪比 为10dB。 随着M的增大，等增 益和最大比合并方式 只相差1dB。实际系 统中M较大时，通常 采用等增益合并。 5-5-3838 在相同分集重数情况下，最大在相同分集重数情况下，最大 比值合并方式比值合

14、并方式改善最多改善最多，等增益合，等增益合 并方式并方式次之次之，选择式合并方式，选择式合并方式最少。最少。 合并增益：分集后输出平均信噪比与未分集时的平合并增益：分集后输出平均信噪比与未分集时的平 均信噪比之间的比值，又称平均信噪比改善因子。均信噪比之间的比值，又称平均信噪比改善因子。 5-5-3939 p 比较的指标 合并增益、中断率、误码率、分集增益等 p 影响分集性能的因素? 5-5-4040 p M分集支路数对分集合并性能的影响是？ p 随着分集支路的增加，合并增益具有一定的 提升。 5-5-4141 p采用不同的分集合并方法对性能是否有影响？ p等增益合并的性能比最大比值合并稍差，

15、但优 于选择式合并 5-5-4242 支路相关性 p 分集技术用较强信号支路来补偿信号的衰落。 p 如果分集支路之间存在相关性，那么所有可 用信号同时衰落的概率将大的多，这样就没有 提供分集合并增益。 分集合并技术概述分集合并技术分集合并技术如何工作如何工作优点优点缺点缺点 最大比合并最大比合并 将M重分集的支路按照 总信干噪比最大化的原 则合并 获得M支路通信系 统的最优性能 需要同时解调M条 信道，需要信干噪 比估计算法 等增益合并等增益合并 M重分集的支路按等权 重相加 获得M支路通信系 统接近最优的性能， 不需要信干噪比估 计算法 需要同时解调M条 信道 纯选择性合并纯选择性合并 选取

16、M条可用信道中最 好的一个 在开关式合并接收 机中有最好的性能 需要同时监视M条 支路上的信号 切换和检验 如果当前支路信号衰落 到门限以下，则选取另 一支路 使用简单的单信道 接收机 各支路的同时衰落 会导致突发的无效 快速切换，大多数 应用取M=2 切换和等待 一旦切换，一直等待到 当前支路信号强度由门 限以上衰落到门限以下 再切换到下一支路 使用简单的单信道 接收机 新选择的支路信号 可能比前一支路更 差 5-5-4343 5-5-4444 p 分集技术的优点： 有效的提高了系统抗衰落性能。 提高程度由分集方式、支路个数、合并方式、 支路相关性等因素共同决定。 p 分集技术的代价？ 占用

17、了更多的资源 移动通信网通常采用哪种分集方式？移动通信网通常采用哪种分集方式？ 移动通信网因为资源问题，用的移动通信网因为资源问题，用的 最多的是最多的是多天线分集多天线分集。 特殊的分集方式 n交织 时间隐分集 n原理：把一个较长的突发错误离散成随机 错误，再利用纠正随机错误的编码FEC技 术消除随机差错。 n特点：交织可以在不附加任何开销的情况 下，使数字通信系统获得时间分集。不足 是增加了传输时延。 n为何要用交织？ 信道编码仅在检测和校正单个差错和不太 长的差错串时才有效，难以抗突发持续较 长的深衰落和突发干扰。而使用交织可使 数据经无线信道后发生的差错串长度变短 ，进而更易纠错。 5

18、-5-4646 5-5-4747 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3 消消息息分分组组 交交织织 交交织织后后的的消消息息分分组组 1 3 1 3 1 3 解解交交织织后后的的消消息息分分组组 传传输输中中第第2帧帧丢丢失失 第第1帧帧 第第3帧帧 第第2帧帧 设在传输期间，帧2丢失，若没有交织，则会丢失某一整个 消息分组，而采用交织后，仅每个消息分组的第2比特丢失， 则利用纠错编码技术可以恢复出全部分组中的消息。可见， 上图所示的交织就是把码字的i个比特分散到j个帧中（即不 同的时间段中），以改变源比特的邻近相关特性，显然帧值j 越大，传输特性越好，但传输时延也越大。 5-5-4848 n交织器的实现 n原理：一个（I，J）的块交织器可以看成是一个I行J列的存储 矩阵。数据a11 a12 a13 a14 a1J a21 a22 a2