移动通信抗衰落技术

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电话箱：mrs.fangli@北京邮电大学信通院方莉12023/2/42第一章移动通信概述第二章无线移动信道第三章调制解调技术第四章扩频通信技术第五章抗衰落技术第六章移动通信系统组网第七章GSM移动通信系统目录2023/2/4常用的抗衰落技术为了提高移动通信系统的性能，使用分集、均衡和信道编码这三种技术来改进接收信号质量。分集技术：补偿衰落信道损耗。编码技术：通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善链路的性能。均衡技术：补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰。32023/2/4第五章抗衰落技术5.1分集

5.2编码5.3均衡

42023/2/4分集分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。空间分集技术早已成功应用于模拟的短波通信与模拟移动通信系统，对于数字式移动通信，特别是第二代移动通信，分集技术有了更加广泛的应用。在GSM系统的上行链路基站端，广泛采用二重空间分集接收。在IS-95系统中，除上行采用二重空间分集接收以外，上下行链路均采用隐分集形式的RAKE接收，另外在小区软切换中也利用RAKE接收的宏分集。52023/2/4分集减轻衰落影响的有效技术之一就是对独立的衰落信号进行分集合并。分集（Diversity）就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻同时经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小。62023/2/4分集技术分集技术是指系统能同时接收并有效利用两个或更多个输入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将它们按照一定的原则合并。这样可以接收到更多有用的信号，克服信号的衰落。72023/2/4分集的分类按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统计特性，可分为空间、频率、时间三大基本类型；按“集”划分，即按集合、合并方式划分，可分为选择合并、等增益合并与最大比值合并；若按照合并的位置可分为射频合并、中频合并与基带合并，而最常用的为基带合并；分集还可以划分为接收端分集、发送端分集以及发/收联合分集。即多入/多出(MIMO)系统；82023/2/4分集技术分集从另一个角度也可以划分为显分集与隐分集。显分集：空间分集，极化分集，角度分集，频率分集，时间分集；隐分集：交织编码，直扩，跳频。92023/2/4分集有两重含义分集有两重含义分散传输，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。集中处理，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。102023/2/4空间分集（spacediversity）空间分集是利用不同接收地点(空间)位置的不同，利用不同地点接收到信号在统计上不相关性，即衰落性质上的不一样，实现抗衰落的性能。在空间分集中，由于在接收端采用了N副天线，若它们尺寸、形状、增益相同，那么空间分集除了可以获得抗衰落的分集增益以外，还可以获得由于设备能力的增加而获得的设备增益，比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。接收天线间隔d，与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中通常取：

0.5波长（市区）

0.8波长（郊区）在900MHz的频段工作时，两副天线的间隔只需0.27m。112023/2/4空间分集（spacediversity）空间分集还有两类变化形式：(1)极化分集(2)角度分集122023/2/4

极化分集(Polarizationdiversity)水平极化和垂直极化：两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以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。因为发送或接收功率要分配到两个极化天线上，发射功率损失3dB。132023/2/4角度分集(Anglediversity)角度分集是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量。这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可实现角度分集并获得抗衰落的效果。角度分集在较高频率时容易实现。142023/2/4频率分集(Frequencydiversity)频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落(频率选择性)的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔Δf大于频率相干区间ΔF，即其中L为接收信号的时延功率谱宽度。

Δf≥ΔF=1/L152023/2/4时间分集(Timediversity)同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，各次发送信号的衰落是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。主要用于在衰落信道中传输数字信号。有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落，时间独立性要求：数字信号的重发时间间隔满足：162023/2/4分集信号的合并技术接收端收到分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响—合并问题?一般用线性合并器不同的加权系数，可构成不同的合并方式。常用的有三种:

选择式(Selectiondiversity)

最大比值合并(MaximalRatioCombining)

等增益合并(EqualGainCombining)172023/2/4选择式(Selectiondiversity)检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一路信号作为合并器的输出。--开关式相加。182023/2/4最大比值合并

(MaximalRatioCombining)最大比值合并是一种最佳合并方式，每支路的加权系数与信号包络成正比而与噪声功率成反比。192023/2/4等增益合并

(EqualGainCombining)无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。202023/2/4分集合并性能的分析与比较在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。在模拟通信中信噪比决定了话音质量；在数字通信系统中，信噪比（或者载噪比）决定了误码率。分集合并的性能指合并前、后信噪比的改善程度。数字通信系统中，误码率的大小不仅与信号的调制及解调方式有关，在多径衰落情况下平均误码率还与分集重数和合并方式有关。212023/2/4平均信噪比的改善M：分集重数222023/2/4分集接收总结232023/2/4本章要求内容常用的抗衰落技术分集的种类空间分集的原理各种合并原理图242023/2/4第五章抗衰落技术5.1分集5.2编码

5.3均衡252023/2/4信源编码技术信源编码的基本概念常见的信源编码种类3G中的信源编码编码编码分为信源编码：语音编码和图像编码信道编码：卷积码和Turbo码272023/2/4语音编码技术语音信号的变换过程语音编码技术2G移动通信中的语音编码技术282023/2/4语音信号的变换过程292023/2/4信源编码概述信源编码是信源研究中的一个核心问题，也是信息论所讨论的编码中最重要的编码之一。信源编码的目的是压缩数据率，去除信号中的冗余度，提高传输的有效性。其评价标准是在一定失真条件下要求数据速率越低越好。信源编码概述信源编码按对信息处理有无失真可分为无失真编码和限失真编码，限失真编码符合大多数实际情况；按信号性质分，有语言编码、图像编码、传真编码等；按信号处理域分，有波形编码（或时域编码）和参量编码（或变换域编码）。常见的脉冲编码调制(PCM)和增量调制（DM）等属于波形编码，各种类型的声码器属于参量编码。信源编码概述信源编码要完成两大任务：1）将信源输出的模拟信号转换成数字信号（模数转换，即A/D变换）；2）实现数据压缩。信源编码包括模拟信号的数字化以及压缩编码等。模拟信号数字化的方法很多，目前采用最多的是信号波形的A/D变换方法（波形编码），它直接将时域波形变换成数字序列，采用A/D变换的方法接收恢复的信号质量较好。信源编码概述对于压缩编码，从第二代（2G）数字移动通信系统开始，就应用了此技术。由于第二代移动通信系统主要是语音业务，所以信源编码主要指语音编码。到了第三代移动通信系统，通信业务已不是单一语音业务，而是逐步扩展成包含语音、数据和图像在内的多媒体业务，因此第三代移动通信中的信源编码将不仅包含语音编码，还包含各类图像编码和多媒体数据编码等方面的内容。下面将介绍语音编码和图像编码。语音编码通信系统中引入语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。语音编码大致分成以下三类：1、波形编码2、参量编码3、混合编码波形编码波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后按幅度样本分层量化，并用代码表示。语音质量好，编码速率高脉冲编码调制（PCM）、增量调制、自适应增量调制（ADM）、自适应差分编码（ADPCM）352023/2/4波形编码波形编码：是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法，这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码率最高。一般压缩比在2~8之间。若语音质量达到进入公网要求时，压缩比通常取4，这时语音速率可从未压缩的脉冲编码调制（PCM）64kbps降到16kbps。目前实用化的差分脉冲编码调制（DPCM）速率为32kbps。参量编码参量编码：是利用人类发声机制，仅传送反映语音波形变化的主要参量的编码方法。在接收端，根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。参量编码的主要度量标准是可懂度。这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为主要目标的编码方法，其码率较低。一般参量编码的压缩比为800~900之间。参量编码参量编码又称声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。低速率语音编码，语音质量不高。线性预测编码(LPC)及其他各种改进形都属于参量编码。382023/2/4语音编码混合编码：吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度的编码方法。混合编码的理论压缩比介于波形编码和参量编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码侧重于个性特征，则其压缩比接近波形编码；若要求混合编码侧重于共性，则其压缩比靠近参量编码。混合编码混合编码将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合了各自长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，在4～16kbps速率上能够得到高质量的合成语音。多脉冲激励线性预测编码（MPLPC），规划脉冲激励线性预测编码（KPELPC）,码本激励线性预测编码（CELP）402023/2/4语音编码参量编码，一般又称为声码器，而混合编码，一般称为软声码器。在上述3类编码中，波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，适用于于公共骨干（固定）通信网；参量编码质量最差，不能用于骨干通信网，仅适用于特殊通信系统，如军事与保密通信系统；混合编码质量介于两者之间，目前主要用于移动通信网。移动通信中的语音编码技术分配给移动通信的频谱资源不多，所以采用低速率的编码技术。GSM系统中采用规则脉冲激励长期预测（RPE-LTP）语音编码方案。纯编码速率为13kbps。CDMAIS-95系统采用高通码激励线性预测（QCELP）编码技术。422023/2/4GSM系统语音编码简介：

采用均匀量化，量化级数2-13，13bit/样值。

432023/2/4本章要求语音编码技术（3种）2G移动通信中的语音编码技术442023/2/4信道编码信道编码基本概念（目的、任务、种类）卷积码，Turbo码的概念交织信道编码信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的(监督)规律在待发送的信息码元中(人为的)加入一些必要的(监督)码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的(监督)规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。462023/2/4信道编码称待发送的码元为信息码元，人为加入多余码元为监督(或校验)码元。信道编码的目的，试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性提高。472023/2/4

信道编码的分类从功能上看可以分为三类（1）检错码：仅具有发现差错的功能，如循环冗余校验CRC码，自动请求重传ARQ等；（2）纠错码：仅具有自动纠正差错的功能，如循环码中的BCH码、RS码及卷积码、级联码、Turbo码等；（3）混合检错纠错码，既具有检错功能又具有纠错功能的信道编码，最典型是混合ARQ、又称为HARQ。482023/2/4信道编码的分类从结构和规律上分两大类线性码：监督关系方程是线性方程的信道编码称为线性码，目前大部分实用化的信道编码均属于线性码，比如线性分组码，线性卷积码都是经常采用的信道编码。非线性码：一切监督关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性码。492023/2/4

几种最典型的信道编码分组码是最早应用的信道编码技术，在分组码每个码字中，监督码元仅与本组的信息码元有关，而与别组的信息码元无关。线性分组码是按照代数规律构造的，故又称为代数编码。线性分组码中的分组是指编码方法是按信息分组来进行，而线性是指编码规律即监督位（校验位）与信息位之间的关系遵从线性关系。线性分组码一般可记为（n，k）码，即k位信息码元为一个分组，编成n位码元长度的码组，而n-k位为监督码元的长度。502023/2/4线性分组码奇偶检验码是一种常见的检错码。它是在一个n比特的数据分组中加入1个校验比特，该比特用来指示该分组中1的数目是奇数还是偶数。如果传输过程中发生了单个比特错误，不论错误比特发生在校验位还是在信息位，结果都将使接收到的数据分组中1的个数和校验比特的指示不一致，这样接收端就知道该分组发生了错误。512023/2/4线性分组码在线性分组码中，最具有理论和实际价值的一个子类，称为循环码；它因为具有循环移位性而得名，它产生简单且具有很多可利用的代数结构和特性。目前一些主要的有应用价值的线性分组码均属于循环码。例如：在每个信息码元分组k中，仅能纠正一个独立差错的汉明(Hamming)码；可以纠正多个独立差错的BCH码；可以纠正单个突发差错的Fire码；可纠正多个独立或突发差错的RS码。522023/2/4

卷积码记为(n,k,m)码，其中k表示每次输入编码器的位数，n则为每次输出编码器的位数，而m则表示编码器中寄存器的节(个)数，它的约束长度为m＋1位。正是因为每时刻编码器输出n位码元它不仅与该时刻输入的k位码元有关，而且还与编码器中m级寄存器记忆的以前若干时刻输入的信息码元有关，所以称它为非分组的有记忆编码。卷积码的译码既可以采用与分组码类似的代数译码方法，也可以采用概率译码方法，两类方法中概率方法更常用。而且在概率译码方法中最常用是具有最大似然译码特性的Viterbi译码算法。532023/2/4交织技术

前面介绍的各类信道编码都是针对独立差错（随机错误）设计的。但在有些情况下的差错主要是突发的，如衰落信道中，一个突发差错可能引起一连串的错误。此时，前面介绍的纠独立差错的编码将无能为力，这就需要可以纠正很长的突发差错，而且还不限于单个突发的编码技术，此即交织码技术。542023/2/4交织技术交织是在复合差错控制信道上使用的一种简单而有效的编码技术，它可以大大提高纠突发错误的能力，可使抗较短突发错误的码变成抗较长突发错误的码，使纠正单个突发错误的码变成能纠多个突发错误的码。552023/2/4交织技术原理交织/解交织原理交织矩阵解交织矩阵562023/2/4交织编码交织器的主要缺点是：在交织和解交织过程中，会产生2MN个符号的附加时延，这对实时业务，特别是语音业务带来不利的影响，所以对于语音等实时业务时交织器的尺寸不能取太大。交织器的改进主要是处理附加时延大以及由于采用某种固定形式的交织方式有可能产生特殊的相反效果，即存在将一些随机差错交织为突发差错。为了克服以上的缺点，人们研究了很多交织方法，如卷积交织器和伪随机交织器等。在CDMA2000和WCDMA系统中都采用了交织编码来提高系统的性能。级联码级联码是一种复合结构的编码，它不同于上述单一结构线性分组码和卷积码，它是由两个以上单一结构的短码，复合级联成更长编码的一种有效方式。582023/2/4级联码级联码如果遇上少量的随机错误，那么内码就可以纠正之；如果遇到较长的突发错误，内码则无能为力，就由纠密集型突发错误很强的外码来纠正。另一种做法是，内码作检错码，外码作纠错码，使译码过程简化。由于RS码纠突发错误的能力强，在两级编码方案中RS码常用作外码，而内码则可以采用不同的线性分组码，如正交码、循环码等，当然也可以采用卷积码作为内码。592023/2/4级联码级联码能有效对抗无线衰落信道中常常出现的突发错误。级联码设计常常在外码和内码之间设一个交织器，以打散突发错误。602023/2/4级联码级联码分为串行级联码和并行级联码两种类型。典型的串行级联码是由内码为卷积码，外码为RS码串接级联构成一组长码，其性能优于单一结构长码，而复杂度又比单一结构长码简单的多;最典型的并行级联码是Turbo码，是由直接输出和有、无交织的同一类型的递归型简单卷积码三者并行的复合结构共同构成。612023/2/4Turbo码

Turbo码编码器原理框图由于Turbo码的优良性能，在第三代移动通信系统的标准CDMA2000和WCDMA中，均采用了Turbo码。622023/2/4ARQ与HARQ自动请求重发ARQ和混合型ARQ，是往往传送数据信息时经常采用的差错控制技术。ARQ与HARQ由于采用了反馈重传技术，因此时延较大，一般不适合于实时话音业务，而比较适合于对时延不敏感，但对可靠性要求很高的数据业务。HARQ是一种既能检错重发又能纠错的复合技术，它是将反馈重传的ARQ与自动前向纠错的FEC相结合，优势互补的一项新技术，特别是一类自适应递增冗余式HARQ尤为值得注意。632023/2/4信道编码第三代移动通信的三大主流技术都采用了卷积码和Turbo码两种信道编码。在高速率、对译码时延要求不高的数据链路中使用Turbo码。在语音和低速率、对译码时延要求高的通信链路中使用卷积码;在其他逻辑信道如接入、控制、基本数据信道中也使用卷积码。3G系统使用的信道编码第五章抗衰落技术5.1分集5.2编码5.3均衡662023/2/4均衡在衰落信道中引入均衡的目的是减轻或消除由于频率选择性衰落造成的符号间的干扰ISI。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，会引起严重的码间干扰（ISI），可以通过信号处理的方法来对抗ISI，均衡就是指在接收端采取的各种用来处理码间干扰（ISI）的技术。分为：频域均衡和时域均衡。672023/2/4频域均衡频域均衡，它主要从频域角度来满足无失真传输条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的固定式有线传输网络中。682023/2/4时域均衡时域均衡，它主要从时间响应考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足理想的无码间串绕的条件。目前广泛利用横向滤波器来实现，它可以根据信道的特性的变化而不断的进行调整，实现比频域方便，性能一般也比频域好，故得到广泛的应用。特别是在时变的移动信道中，几乎都采用时域的实现方式，因此下面仅讨论时域自适应均衡。692023/2/4均衡技术并非所有移动通信系统均要求使用自适应均衡器。如果信道频率选择性衰落引入时延功率谱的扩散(即多径扩散)区间为m,而传输的消息符号的持续时间为Ts，当Ts>

m时，移动信道就可以不必要使用自适应均衡。CDMA系统和正交频分复用OFDM系统不需要自适应均衡技术。702023/2/4均衡技术GSM数字式蜂窝系统，由于是采用了时分多址TDMA方式，对各用户信息传送是采用时分复用方式，其符号速率比较高，Ts<

m，所以必须使用自适应均衡技术。北美的IS-54、IS-136等数字式蜂窝系统也需要采用自适应均衡器。712023/2/4均衡的原理

在无线通信系统中，发送端的变换器（如调制器）、信道和接收端的反变换器（如接收机前端、中频和检测器中的匹配滤波器等）等效为一个冲激响应为的基带信道滤波器。722023/2/4均衡的原理均衡器实际上就是等效基带信道滤波器的逆滤波器。设计均衡器时应当在减小码间干扰（ISI）的同时最大化均衡器输出的信噪比。732023/2/4

时域均衡器的分类时域均衡从原理上可以划分为线性与非线性两大类型。1.线性均衡器：结构相对比较简单但多数无线通信系统并没有采用线性均衡，因为它的噪声增强要比非线性均衡大。主要实现方式为横向滤波器，还有格形滤波器。2.非线性均衡器：在最小序列误差概率准则下，最大似然序列判决MLSD是最优的，但是其实现的计算复杂度是随着多径干扰符号长度L呈指数增长。742023/2/4均衡器均衡器通常以数字方式实现，线性或非线性均衡器一般采用横向滤波器或格型滤波器。横向滤波器有N1个延时单元、N个可调的复数抽头。格型滤波器采用了更复杂的递归结构，它有更好的数值稳定性和收敛性，并且也便于改变结构长度。本章主要考虑横向滤波器型结构。752023/2/4均衡器类型、结构和算法

762023/2/4线性均衡

线性横向滤波器型结构

772023/2/4线性均衡横向滤波器抽头越多即N越大，控制范围也就越大，均