移动通信-第5讲-移动信道3

1、第1页2021-7-20 第五讲 Mobile Communication 第2页 2021-7-20 目目 录录 第第1 1章章 概论概论 (2)(2) 第第2 2章章 调制解调调制解调 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3)(3) 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (1) (1) 第第5 5章章 组网技术组网技术 (4)(4) 第第6 6章章 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA)模拟蜂窝网模拟蜂窝网 第第7 7章章 时分多址时分多址(TDMA)(TDMA)数字蜂窝网数字蜂窝网 (4)(4) 第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统移

2、动通信系统( (一一) (4) (4) 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统移动通信系统( (二二) (1) (1) 第第1010章移动通信的展望章移动通信的展望个人通信个人通信 (1)(1) 第3页 2021-7-20 4.1 分集接收分集接收 4.2 RAKE接收接收 4.3 纠错编码技术纠错编码技术 4.4 均衡技术均衡技术 第4页 2021-7-20 第5页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 前面有关移动信道特性的讨论可知，由于前面有关移动信道特性的讨论可知，由于多径衰落多径衰落 和多普勒频移和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易

3、变。移的影响，移动无线信道极其易变。移 动通信系统可以动通信系统可以 利用信号处理技术来改进恶劣的无利用信号处理技术来改进恶劣的无 线电传播环境中的链路性能。线电传播环境中的链路性能。 分集接受就是抗衰落的一种有效措施。分集接受就是抗衰落的一种有效措施。 第6页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 分集接收：分集接收：分集接收是通信中用一种相对低廉的投资，就可分集接收是通信中用一种相对低廉的投资，就可 大幅度改进无线链路性能的强有力的接收技术。发射信号由大幅度改进无线链路性能的强有力的接收技术。发射信号由 于移动信道衰落变成多径信号到达接收端，于移动信道衰落变成多径信号到

4、达接收端，分集技术是通过分集技术是通过 查找和利用独立的多径信号来实现的。查找和利用独立的多径信号来实现的。 图3.37 选择式分集合并示意 第7页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (1) 分集的概念分集的概念 将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号， 然后将它们的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号然后将它们的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号 能量最大，从而提高接收端的信噪功率比（能量最大，从而提高接收端的信噪功率比（SNR2030dB） ，对数字信号而言，使误码率最小。对数字信号而言，使误

5、码率最小。 第8页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (2) 分集技术分类分集技术分类 宏分集宏分集：蜂窝小区的不同位置上设立多个基站，从不同方向：蜂窝小区的不同位置上设立多个基站，从不同方向 同时与一个移动台通信。同时与一个移动台通信。 微分集微分集：利用信号在：利用信号在，和和 上的相互独立性来减小快衰落的分集技术。分为：上的相互独立性来减小快衰落的分集技术。分为： q 空间分集空间分集 q 频率分集频率分集 q 极化分集极化分集 q 场分量分集场分量分集, q 角度分集角度分集, q 时间分集。时间分集。 第9页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接

6、收原理 (2) 分集技术分类分集技术分类 空间分集：空间分集：利用多径信号在空间上的独立性，采用多个天线利用多径信号在空间上的独立性，采用多个天线 分别接收各多径信号。天线间的距离为：分别接收各多径信号。天线间的距离为：d=0.50.8 第10 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (2) 分集技术分类分集技术分类 频率分集：频率分集：用两个以上不同的频率传输同一信息，实现频率用两个以上不同的频率传输同一信息，实现频率 分集。频率分集需要用两部以上的发射机同时发送同一信号分集。频率分集需要用两部以上的发射机同时发送同一信号 ，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使

7、设备复，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复 杂，而且在频谱利用方面也很不经济。杂，而且在频谱利用方面也很不经济。 极化分集：极化分集： 利用不同极化的信号，采用不同极化天线分别发利用不同极化的信号，采用不同极化天线分别发 送和接收信号。是空间分集的特殊情况，但天线距离可以做送和接收信号。是空间分集的特殊情况，但天线距离可以做 的比较小。的比较小。 第11 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (2) 分集技术分类分集技术分类 场分量分集：场分量分集：通过接收电磁波不同场强分量，例如：通过接收电磁波不同场强分量，例如：Ez，Hx ，Hy 也可实现分集接收。

8、也可实现分集接收。 角度分集：角度分集：利用方向性极好的天线从发射和接收两方面实现利用方向性极好的天线从发射和接收两方面实现 分集，适合于频率较高的情况。分集，适合于频率较高的情况。 时间分集：时间分集：利用信号在时间上的独立性，发射和接收时实现利用信号在时间上的独立性，发射和接收时实现 分集。要求信号重发的时间间隔：分集。要求信号重发的时间间隔： m f T 1 最大多普勒频移最大多普勒频移 第12 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 接收端通常采用线性合并的方法将各分集信号相加输出。接收端通常采用线性合并的方法将各分集信号相加输出。 设有

9、设有 M 个分集信号：个分集信号：r1(t), r2(t), ,rM(t)，合并后输出为：，合并后输出为： M k kk MM tra tratratratr 1 2211 )( )(.)()()( 加权系数 k a 第13 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 常用的有常用的有三种三种合并方式：对应于不同的加权系数合并方式：对应于不同的加权系数ak 最大比值合并最大比值合并选择式合并选择式合并等增益合并等增益合并 第14 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 选择式合并选择式合并（Select

10、ion Combining） 比较并选择信噪比最大的支路作为输出。所以又称开关式相比较并选择信噪比最大的支路作为输出。所以又称开关式相 加，方法简单，容易实现。加，方法简单，容易实现。 图 3.38 二重分集选择式合并 第15 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 最大比值合并（最大比值合并（Maximal Ratio Combining） 最佳合并方式，其输出为：最佳合并方式，其输出为： M k k k M k kkk N r rar 2 1 k k k N r a 由各支路由各支路SNR决定决定 SNR ， k a 式中，式中，Nk是噪声功

11、率。是噪声功率。 第16 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 最大比值合并（最大比值合并（Maximal Ratio Combining） 图 3.39 最大比值合并方式 第17 页 2021-7-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 等增益合并（等增益合并（Equal-Gain Combining） 各支路信号等增益相加。各支路信号等增益相加。其性能接近最大比值合并，其性能接近最大比值合并， 且容易实现。等增益合并的输出信号为：且容易实现。等增益合并的输出信号为： M k kE rr 第18 页 2021-7

12、-20 4.1.1 分集接收原理分集接收原理 (3) 合并方式合并方式 等增益合并（等增益合并（Equal-Gain Combining） 图 3.40 等增益合并 第19 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 模拟通信模拟通信信噪比信噪比 数字通信数字通信误码率误码率 第20 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能选择式合并的性能 设有设有 M个独立的个独立的Rayleigh衰落信道，每个信道称作一个分集衰落信道，每个信道称作一个分集 支路，假定第支路，假定第 k 个支路的信噪比个支路的信

13、噪比为为： t t k k t tkk deP 0 1 k k k N r ，噪声功率：信号功率： 2 2 k k k N r k 2 2 支路的信噪比：第 对于单一支路，其信对于单一支路，其信 噪比小于某一阈值的噪比小于某一阈值的 概率为：概率为： 第21 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能：选择式合并的性能： 假设各支路的信号具有相同的方差：假设各支路的信号具有相同的方差：12= 22= = 2 各支路的噪声功率也相同：各支路的噪声功率也相同： N1= N2= = N 第22 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性

14、能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能：选择式合并的性能： 全部全部 M 条分集支路上信号的信噪比低于阈值（中断）的概率条分集支路上信号的信噪比低于阈值（中断）的概率 为：为： PM 各支路信噪比都没有达到各支路信噪比都没有达到t 的概率的概率 各支路平均信噪比各支路平均信噪比 M M k tkktMM t ePP 0 1)(,., 21 N 2 0 均值为零时平均 功率等于方差 第23 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能：选择式合并的性能： 可通率可通率T：至少有一路信号的信噪比超过阈值的概率。至少有一路信

15、号的信噪比超过阈值的概率。 q 如果某些支路的信噪比如果某些支路的信噪比SNRt，则至少有一条支路的，则至少有一条支路的 SNR t 的概率为：的概率为： q 因为因为 小于小于1，所以当，所以当 一定时：一定时： q 分集重数分集重数M ，可通率，可通率 。 M Mtkk t ePPT 0 111 0 1 t e 0 t 第24 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能：选择式合并的性能： 图 3.41 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线 第25 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1

16、) 选择式合并的性能：选择式合并的性能： 举例：举例：假定使用假定使用 4 支路分集，每支路收到支路分集，每支路收到1个独立的个独立的Rayleigh 衰落信号。若信噪比的均值衰落信号。若信噪比的均值0 为为20dB，判决阈值，判决阈值t=10dB。试。试 将此情况与没有使用分集的简单接收机相比。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：解：根据题意，有： 由式由式 (3-86)，即，即 M 条支路的中断概率为：条支路的中断概率为： 1 . 0 0 t 第26 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (1) 选择式合并的性能：选择式合并的

17、性能： 举例：举例： q 使用使用 4 支路分集支路分集, 即即 M= 4, 可得：可得： P4(10dB)=(1e 0.1)4=0.000082 q 如果不用分集如果不用分集 , 令令 (3-86) 式中式中 M = 1： P1(10dB)=(1e 0.1)1=0.095 q 比较比较 P4 和和P1，没有使用分集时的，没有使用分集时的 SNR低于阈值的概率要比低于阈值的概率要比 采采 用用 4 条分集条分集高三个数量级高三个数量级（或可通率低三个数量级）。（或可通率低三个数量级）。 第27 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (2) 最大比值合并最

18、大比值合并 由由 Kahn 最先提出，它对最先提出，它对 M 路信号进行加权求和。有以下特路信号进行加权求和。有以下特 点：点： 每个支路有一个加权因子每个支路有一个加权因子 ak(k=1,2,M) ak 的大小由各支路的大小由各支路 SNR 来分配来分配, SNR大的支路权重大，大的支路权重大，SNR 小的支路权重小小的支路权重小, 以实现最大的以实现最大的SNR。 第28 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (2) 最大比值合并最大比值合并 由由 Kahn 最先提出，它对最先提出，它对 M 路信号进行加权求和。有以下特路信号进行加权求和。有以下特

19、点：点： 各路信号迭加时要保证各路信号迭加时要保证同相位同相位（与选择分集不同），（与选择分集不同）， 因而因而 要求每个支路有要求每个支路有放大放大和和调相调相电路。合并信号为：电路。合并信号为： M k K k k M k kR N r rar 2 1 ak等价于各支路增益等价于各支路增益 第29 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (2) 最大比值合并最大比值合并 合并信号的信噪比为：合并信号的信噪比为： k kk k kkk k kk k kk R Na Na Na ra 2 2 2 2 2 第30 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并

20、性能分析比较分集合并性能分析比较 (2) 最大比值合并最大比值合并 由书上由书上P95的讨论，可知：的讨论，可知： 最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比是单个支路信噪是单个支路信噪 比的比的 M 倍。因此，虽然费用和复杂度要高的多，但实际中常倍。因此，虽然费用和复杂度要高的多，但实际中常 被采用。被采用。 M k kR max 第31 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (2) 最大比值合并最大比值合并 图 3.42 最大比值合并分集系统输出载噪比的累积概率分布曲线 第32 页 2021-7-20 4.1.2 分

21、集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (3) 等增益合并等增益合并 因为有时按需要权重可调并不方便，因而出现了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等增益合并：各支路信号同相后再迭加, 但各支路权重相同。但各支路权重相同。 其性能比最大比率合并差一些，但比选择性分集要好很多。其性能比最大比率合并差一些，但比选择性分集要好很多。 第33 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (3) 等增益合并等增益合并 图 3.43 等增益合并分集系统载噪比累积概率分布曲线 第34 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能

22、分析比较分集合并性能分析比较 (4) 平均信噪比的改善平均信噪比的改善 平均信噪比的改善：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。较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。 选择式合并的改善因子选择式合并的改善因子 ： 最大比值合并的改善因子最大比值合并的改善因子 ： )(MDS M k S S k MD 1 0 1 )( )(MDR MMD R R 0 )( 第35 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (4) 平均信噪比的改善平均信噪比的改善 等增益合并的改善因子等增益合并的改善因子 ：)(MDE 4 ) 1(1)( 0 MMD E E 第36 页 2021-7-20 4.1.2 分集合并性能分析比较分集合并性能分析比较 (4) 平均信噪比的改善平均信噪比的改善 例例 3-4：在二重分集情