第4章移动通信抗衰落技术

1、第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 第第4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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 思考题与习题思考题与习题 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 分集接收的原理 分集合并性能 数字化移动通信系统的分集性能4.1 分集接收分集接收 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u定义：接收端对它收到收到的多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号，通过一定的处理合并合并为一路信号，可减小衰落的影响。u分集有两重含义： 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，

2、即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。4.1 分集接收分集接收 分集接收原理分集接收原理第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收分集接收 分集接收原理分集接收原理接收信号包络tabC=a+ba, b统计独立,同时发生深度衰落的概率很小图图4-1 分集接收原理图分集接收原理图第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式u宏分集和微分集宏分集和微分集 宏分集：宏分集：把多个基站设置在不同的地理位置上，使其同时和一个移动台通信。 目的：目的：主要减小慢衰落的影响。 微分集：微分集：将无线信号从各个参量方面进

3、行分离，使其呈现独立的衰落特性。 目的：目的：主要减小快衰落的影响。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 宏分集的典型示例：宏分集的典型示例： 软切换：软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信，新旧基站以宏分集的方式同时保持与MS的通信。 软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量。BS1BS 2CHiCHj第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u 微分集微分集 (1) (1) 空间分集空间分集: :任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。注意：注意：市区：d0

4、.5 郊区：d0.8TXRX1RX2d4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (2)(2)极化分集极化分集: :由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性， 因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。优点是结构比较紧凑，节省空间，天线可装在同一地点。缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3dB的损失。 TXRX1RX2垂直极化波水平极化波4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (3) (3)角度分集角度分集: :由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端

5、的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式TXRX1RX2图图4-4 角度分集角度分集第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式(4)(4)频率分集：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），那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。 优点 ：与空间分集相比，减少了天线的数目。缺点：要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。 (5)(5)时间分集：时间分集：将给定的信号

6、在时间上相隔一定的间隔重复传输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。注意：注意：相干时间是与移动台运动速度成反比，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是没有用处的。mf21第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式u 显分集和隐分集 显分集：被传输信号可以按某个参量分成多径独立信号。 例如：例如：空间分集，天线极化分集、频率分集和时间分集等。 例如：例如：码分多址（CDMA）系统通常使用RAKE接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。 隐分集：将分集作用隐含在被传输信号之中（直接扩频技 术、信道交织编码），在接收端利用

7、信号处理技术实现分集。 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 检测后合并u根据合并位置分 检测（解调）前合并合并器检测器合并器检测器检测器4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式图图4-5 4-5 检测前合并检测前合并图图4-6 4-6 检测后合并检测后合并第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式u根据合并技术分： 设M M个输入信号电压为r1(t)， r2(t), ， rM(t)，则合并器输出电压r(t)为MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(选择式合并(Selection Diversity)最大比合并(Maximu

8、m Diversity)等增益合并(Equal Gain Combining) 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u选择式合并4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式图图4-7 4-7 选择式合并选择式合并第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u最大比值合并优点：优点：按信噪比加权各路信号后再合并，合并后信噪比大，衰落小。缺点缺点：控制复杂4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式图图4-8 4-8 最大比合并最大比合并第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u等增益合并MkkErr1 RX1RX2r1r2检测器rE+4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式图图4-9 4-9 等增益合并

9、等增益合并特点：特点：a. 性能与最大比合并接近 b. 电路简单第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u分集合并的性能：指分集合并前、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。4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u选择式合并的性能选择式合并器的输出信噪比：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。 设第k个支路

10、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kkkNr224.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 某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。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)()(1tkMkktSMPP4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 kt， 即r2k/2Nkt， 则MkNtSMktkeP1/)1 ()(2)2()(21MktkkktSMtkkNrPPNr设rk的起伏

11、服从瑞利分布， 即 222/20)2/(21)()2()(ktktkkkNNkkktkkkrkkkkedrrpNrPerrp可得 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 22221设各支路噪声功率相等：N1 = N2 = = N 各支路信号方差相同：平均信噪比为： M重选择式合并的中断率为：02/NMtSMteP)1 ()(0/4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 )/exp()/exp(1 )()(0100SMSSMSSMPddpu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。用平均信噪比改善因子表

12、示。输出信噪比的概率密度函数：SSSSdp)(0MkSSkMD101)(输出平均信噪比： 平均信噪比改善因子：4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能选择式合并第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u最大比值合并的性能 MkkkMkkkRNrrar121MkkkMkkkRNara1221)2/(4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能最大比值合并器输出的信号包络：接收机收到的最大比合并的信噪比：第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由于各支路信噪比为：kkkkkkNrNr222MkkkMkkkkRNaNa1221)(4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能所以接收

13、到的信号电平：所以最大比合并的信噪比：第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 MkkMkkkMkkMkkkRNaNa112112)(又说明：说明：最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和， 即MkkR1max最大比值合并的改善因子最大比值合并的改善因子01MMkkRMMDRR0)(第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.2 RAKE接收接收 u定义：定义：所谓RAKE接收机，就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。u基本原理：基本原理：将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行

14、合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图图 4 - 11 简化的简化的RAKE接收机组成接收机组成 积分Tb保持至TbNTbc1(t)积分Tb保持至TbNTb2c1(t2)积分Tb保持至TbNTb3c1(t3)积分Tb保持至TbNTbNc1(tN)判决cosct123路径NRxTx第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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。4.2 RAKE接收接收 图图 4-12 最佳非相干接

15、收机最佳非相干接收机第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.2 RAKE接收接收 图图4-13 最佳非相干接收机的输出波形最佳非相干接收机的输出波形 扩频系统能分辨的最小多径间隔第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 每一个峰值对应一条多径。 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。采用横向滤波器来实现时延和最大比合并采用横向滤波器来实现时延和最大比合并：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。4.2 RAKE接收接收 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图

16、图4-14 QualComm的的Rake接收机接收机 并行相关器结构 移动台：3个并行相关器+多径搜索器 相关接收最大比合并 基站：4个并行相关器+多径搜索器 非相关接收最大比合并4.2 RAKE接收接收 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图图4-15 实现最佳合并的横向滤波器实现最佳合并的横向滤波器 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 Rake接收机原理小结接收机原理小结接收机接收机相关器相关器1相关器相关器1相关器相关器1 搜索器搜索器计算相关时延计算相关时延 合并合并The combined signaltts(t)s(t)基站采用双接收天线。基站采用双接收天线。在手机和基站采用在

17、手机和基站采用RAKERAKE接收，合并不同传输延时的信号。接收，合并不同传输延时的信号。软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机。好的帧送给交换机。uRAKE接收机有效克服多径衰落，提高接收性能接收机有效克服多径衰落，提高接收性能第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 u分组码 (n, k)线性分组码CRC(循环冗余校验码)u卷积码u交织编码4.3 纠错编码技术纠错编码技术 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.3 纠错编码技术纠错编码技术 卷积码卷积码u卷积码 卷积码也是分组的，但它的监督元不仅与本组的信息元有关

18、，而且还与以前M个时刻若干组的信息元有关。用（n,k,M）表示卷积码。u卷积码的编码效率u卷积码的约束长度：输出的n个bit中，是由相关的M+1个时刻的输入信息决定的，所以称M+1为约束长度。u卷积码编码器 由若干位移位寄存器和模二加法器组成。%90且nk第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图图 4 - 16 (3，1，3)卷积码编码器卷积码编码器 pj1 = mj mj-1 mj-3pj2 = mj mj-1 mj-2 (3,1,3)卷积码的监督方程DDDmj1mj2mj3mjpj1pj2输出mj1mjcj=(mjpj1pj2)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 例：例：求 （1）上述(3,1,3)卷积码编码器，对应输入为100时的输出码字 （2）该编码器的约束长度 （3）该编码器的编码效率 （4）输出的信息速率和输入的信息速率之间的关系解：解：(1)输入mmj-1mj-2mj-3状态方程输出cj=(mjpj1pj2)mj=1000pj1 = mj mj-1 mj-3pj2 = mj mj-1 mj-2 111mj+1=0100011mj+2=0010001所以输出C=111011001第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (2)因为输出码组除了和本组的信息位相关外，还和以前3个时刻的输入信息位有关，