第3章 无线通信基本技术-4

复习：1、多址技术：希望两个或多个用户可以同时利用同一个信道相互通信。2、常见的多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。

3、频分多址(FDMA)频分多址：把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(或称信道)分配给不同的用户使用。

FDMA系统中可以同时支持的信道数：1FDMA系统的特点：不需要信道均衡；每个信道中的信息是一种连续发送模式，因此，用于同步控制等的系统开销小；容易产生互调干扰；收发信号的频率间隔必须大于一定的数值。时分多址(TDMA)时分多址：把一个载波在时间上分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号。2TDMA系统的特点：频谱利用率高，系统容量较大。TDMA系统数据的发送不是连续的。发射机可以在非工作时隙将电源关闭，因此，移动台的电池消耗较低。可以根据用户需求灵活地进行时隙分配，必要时可以将多个时隙分配给一个用户使用。为了消除码间干扰的影响需要采用自适应均衡。TDMA对系统定时和同步的要求更为严格，其同步控制的系统开销也相对较大。TDMA系统的信道数：

m是每一个无线载频所能支持的最大TDMA用户数；3空分多址(SDMA)特点：通过空间分割来区分不同用户方式：利用自适应天线阵列，使用定向波束天线服务于不同的用户SDMA的优点：可以提高天线增益，从而提高系统容量；可以削弱来自外界的干扰。

SDMA的缺点：SDMA的关键技术是智能天线技术，对多用户的动态捕捉、识别与跟踪以及信道的辨识等极为复杂。扩频多址(SSMA)/码分多址(CDMA)原理：以扩频技术为基础的一种多址方式，利用不同的码型来实现不同用户的信息传输，又称为码分多址。4

对于扩频码的选择要求：

1、要求满足正交性，但实际上通常是准正交性；

2、要求其能够提供足够多的地址码；

3、要求地址码类似白噪声，以增强隐蔽性；

4、要求周期足够长；

5、要求地址码产生与捕获容易、同步建立时间较短。

常用的基本扩频方式有3种：直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频。直接序列码分多址(DS-CDMA)

原理：将携带信息的窄带信号与高速扩频码(PN码)相乘而获得的宽带扩频信号。51.直接序列码分多址(DS-CDMA)

原理：在发送方，不同的用户使用不同的PN序列（PN序列需相互正交）对其进行扩频处理。在接收方，采用和发送方完全相同的PN码序列且时间同步才能够正确地将相关信号解扩出来。而其它发送信号由于PN码序列不相关，则被作为噪声处理。

CDMA系统利用PN序列来区分不同的用户。BPSK直接序列扩频系统

BbBcBcBb

原信号6DS-CDMA系统的优点：

1、由于信号被扩展在很宽的频带上，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度很低，所以具有较强的抗窄带干扰、抗多径衰落能力和较好的保密性。

2、许多用户可共享频率资源，无需复杂的频率分配和管理；

3、具有“软容量”特性，即在一定限度内用户数增加，只会造成信噪比下降，而不会终止通信，即增加用户数目只会线性地增加系统噪声。

4、具有“小区呼吸功能”，即小区负荷量可以动态控制，相邻小区可通过覆盖范围的互动来重新分担负荷；

5、可以通过“软切换”实现移动台的越区管理，保证越区时通信的连续性。7

DS-CDMA系统存在的两个问题：

1、多址干扰(MAI)问题：

由于所有用户都工作在相同的频率上，不同地址码之间并非完全正交，进入接收机的信号除了所希望的有用信号外，还叠加有其它用户的信号(MAI)。

多址干扰的大小取决于在该频率上工作的用户数及各用户的功率大小。

该问题需要通过对地址码选择的进一步研究来解决。82、远近效应

在CDMA系统中，多个移动台可以在同一时间使用同一频率的信号在同一小区内进行通信。如果移动台都以相同的功率发射，则由于到基站的距离不同，基站接收到的各移动台的信号电平会相差甚远，导致强信号抑制弱信号的接收，即所谓的“远近效应”。

为了克服这一现象，使系统的容量最大，需要进行功率控制，即根据移动台与基站的距离，调整各移动台的发送功率，使所有移动台的信号到达基站时电平都相等。该电平的大小只需刚好满足信干比门限的要求即可。

从基站到达移动台的下行链路同样也需要功率控制。92.跳频码分多址(FH-CDMA)

将跳频技术和扩频技术相结合实现的一种多址技术。

原理：用户根据各自的伪随机(PN)序列的变化规律，每个用户的载波频率在很宽的频率范围内动态变化。一个会话期内，发送设备不断更换频率。接收设备必须使用同样的跳频规律进行正确解扩。

PN序列需满足：

(1)在通信过程中频率序列相互正交；

(2)在一个序列周期内，所有使用频率在任一时刻必不相同。

特点：安全保密性好；良好的抗小尺度衰落能力；103.跳时码分多址(TH-CDMA)

原理：用一组正交跳时码控制各个用户的信号在一帧时间内的不同位置进行伪随机跳变；所以，TH-CDMA可以看做是一种由伪随机码控制的多进制脉位调制(MPPM)。

为了进一步提高抗干扰性能，TH-CDMA通常都是与其他扩频技术(如跳频)混合使用的。113.4.5分组无线电(PR)/随机多址(RA)

原理：基于数据通信的思想，将需要传送的信息进行分块打包成分组；所有用户在需要时随机接入信道，并分组发送出去。

由于各用户的发送信息接入信道的时刻是随机的，所以这种多址方式又称为随机多址(RA)。

当有多个用户同时进行信息发送时就会产生碰撞，分组无线电系统具有有效的碰撞检测机制，让碰撞用户重发直至通信成功。12分组无线电解决通信资源共享的方法是在多个用户之间引入简单的竞争与裁决机制。为了适应分组无线电的竞争与裁决机制，人们已经制定了多种协议，其中最早也是用得最多的是各种形式的ALOHA协议。目前还没有一种协议适用于任何模型和网络。13

1.ALOHA协议

ALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。

原理：任何一个用户只要有数据分组发送，它就立刻接入信道进行发送。发送结束后，在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答。如果在一个给定的时间区间内，没有收到对方的认可应答，则重发刚发的数据分组。

对于随机多址协议而言，其主要性能指标有两个：

一是通过量(S)(指单位时间内平均成功传输的分组数)；

二是每个分组的平均时延(D)。14图3-33ALOHA协议和时隙ALOHA示意图ALOHA协议在发送前不监听信道，因此，发送成功效率较低。15

2.载波侦听多址(CSMA)

原理：每个节点在发送前，首先要侦听是否有空闲信道。若信道空闲(没有检测到载波)，则可以发送；若信道忙，则按照设定的准则推迟发送。

影响系统的两个主要参数是检测时延和传播时延。

检测时延是指接收机判断信道是否空闲所需的时间。

传播时延是一个分组从基站传送到移动终端所需时间的相对测量。

检测时间越小，终端能更快检测到一个空闲信道；

传播时延越小，就意味着分组可以在一个相对较小的间隙中，通过信道发射出去。

16当检测到信道忙时，有几种处理方法：

(1)暂时放弃检测信道，并等待一个随机时延，在新的时刻重新检测信道，直到检测到空闲信道，该协议称为非坚持CSMA。

(2)坚持继续检测信道直至信道空闲，一旦信道空闲，就以概率1发送分组，该协议称为1-坚持CSMA。

(3)继续检测信道直至信道空闲，此时以概率p发送分组，并以概率1-p推迟发送，该协议称为p-坚持CSMA。173.5.1分集接收3.5.3RAKE接收技术3.5.2均衡技术3.5抗衰落技术18移动通信环境恶劣，信道特性复杂。不但存在一般通信系统共有的噪声和干扰，而且阴影效应(及直射、反射、绕射、散射等)——信号的大尺度衰落多径传播、多普勒频移等——信号的小尺度衰落大尺度衰落可通过功率储备解决，但小尺度衰落则不行小尺度衰落的特点时域：会导致信号产生严重的ISI频域：产生频率选择性衰落，导致信号失真为了消除信道对传输信号的影响，人们研究了一系列的抗衰落技术：分集技术、均衡技术、信道编码技术等。19一、分集技术目的：抵消信道衰落对通信的影响技术手段：首先通过某种方法获得多个携带相同信息的衰落信号，然后再利用某种规则将这些信号合并起来，得到一个衰落深度大大减小的信号。要求：获得的多个信号的衰落特性互不相关适用场合：平坦衰落20二、均衡技术目的：对抗信道引起的ISI技术手段：通过对接收信号幅度和延迟的补偿，克服ISI的影响，从而改善信号的质量关键问题：无线信道是时变信道，即ISI随时间的变化而变化。解决方法：对信号的补偿情况也随着信道的变化而变化——自适应均衡。21三、信道编码目的：改善通信链路的误码性能技术手段：再发送的信息中加入一些冗余分类：分组编码，卷积编码关键问题：信道编码一般只是对平稳的随机错误有效，而对突发错误无能为力。解决方法：交织技术（将突发错误离散化，变成随机错误）。223.5.1分集接收定义：研究如何利用多径信号来改善系统性能的技术。基本思想：把接收到的多个衰落独立的信号分别加以处理，然后以适当的方式将处理后的信号合并输出，从而达到改善接收信号质量的目的。作用：可以减小在平坦衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。23图3-35选择式分集合并示意图方法：通过某种技术手段，获得多个衰落特性相互独立的、携带相同信息的信号，然后对这些信号进行处理，合成一个衰落深度大大降低的信号，从而改善接收信号的质量。24分集技术对信号的处理包含两个过程：分散传输。使接收端能获得多个统计独立的、携带相同信息的衰落信号；集中处理（信号合并）。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。无线信号的衰落包括慢衰落和快衰落两种。针对这两种衰落，常用的分集技术可以分为宏分集和微分集。25宏分集是一种减小慢衰落影响的分集技术。是通过把多个基站设置在不同的地理位置上，同时和小区内的一个移动台进行通信。只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，则该办法就能保持通信不会中断，也称为“多基站”分集。“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术。分集只用一个接收机实现，用于抗多径衰落。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现相互独立的衰落特性。这里主要介绍微分集，也就是通常所说的分集。主要包括空间分集、频率分集、时间分集、角度分集和极化分集；26

1.微分集

1)空间分集

依据：小尺度衰落的空间独立性。即在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，则两处所接收信号的衰落是不相关的。

特点：要求天线之间必须有足够的空间间隔，也叫天线分集。要求接收机至少需要两副相隔距离为d的天线；d与信号波长、天线高度及地物有关，常取：市区d=0.5λ/郊区d=0.8λ一副天线多副天线M=2~427(2)频率分集依据：由于载频间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可认为是不相关的，因此，可用两个以上不同的载频传输同一信息，以实现频率分集。特点：需用两部以上发射机同时发送同一信号，并用两部以上独立接收机接收信号——设备复杂；需要占用两个以上频带——增加了带宽，降低了频谱利用率；28

(3)时间分集依据：小尺度衰落具有时间独立性。即同一信号在不同的时间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大(间隔大于相干时间)，则各次发送信号所产生的衰落将是彼此独立的。时间分集有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。优点：减少了接收天线的数目；缺点：引入了信号处理时延，要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。在GSM通信系统中，信道编码之后所进行的交织处理就是时间分集技术的具体应用。29(4)角度分集依据：由于地形、地物、电波传播环境的不同，到达接收端的信号可能来自不同的角度，这些信号分量具有互相独立的衰落特性，因而，可通过角度分集获得抗衰落的效果。具体做法：使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，接收端在利用多个方向性尖锐的接收天线，分别指向不同的方向进行接收。特点：在频率较高时容易实现。需要多个接收天线。角度分集是空间分集的变化形式的一种。30(5)极化分集原理：在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以具有独立的衰落特性，因而，在发送端和接收端可以用两个位置很近但极化方向相互正交的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。是空间分集的另一变化形式。特点：需要两幅天线，但天线间的距离较空间分集要小得多特别适用于天线架设场地受到限制的场所31

2.合并技术

在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。

根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前合并技术和检测后合并技术，如图所示。图3-37检测前合并技术图3-38检测后合并技术32假设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

式中，ak为第k路输出信号的加权系数。

选择不同的加权系数就可以构成不同的合并方式。

合并技术通常有选择式合并、最大比值合并和等增益合并三种方式。(3-5-1)

一般使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。331)选择式合并

原理：检测所有分集支路的信号，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。

由此可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。（开关式合并）

特点：方法简单，实现容易；

由于未被选择支路的信号弃之不用，因此，性能最差。图3-39选择式合并的原理检测后合并34

2)最大比值合并

原理：M个分集支路经过相位调整后，按适当的增益系数同相相加(检测前合并)，再送入检测器，如图3-40所示。

图3-40最大比值合并的原理35M条分集支路中，第k条支路信号包络用rk表示，Nk为该支路的噪声功率，则最大比值合并第k支路的加权系数定义为

假定每条支路的噪声功率均为N，则最大比值合并输出为

(3-5-3)(3-5-2)最大比值合并方式式中，下标R表征最大比值合并方式。36由式(3-5-3)可以看出，合并后信号的振幅与各支路信噪比相关，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈大。在具体实现时，需要实际测量出每个支路的信噪比，以便及时对加权系数进行调整。特点：充分利用了每条支路的信号，因此性能最好。实现复杂。(3-5-3)37

设Γ为每个支路的平均信噪比，则最大比值合并的平均输出信噪比为

〈γM〉=MΓ(3-5-4)

合并增益为

从式(3-5-5)可以看出,〈γM〉与M成线性关系，最大比值合并对输出信噪比的改善是明显的。(3-5-5)383)等增益合并

原理：无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。

在最大比值合并中，取加权系数ak=1时，为等增益合并。等增益合并器输出的信号包络为:

特点：实现比较容易，设备也简单，其性能接近于最大比值合并。(3-5-6)式中，下标E表征等增益合并。

39三种合并方式比较：

1、上述三种合并方式中，最大比值合并性能最好，但其实现比较复杂;

2、选择式合并实现最简单，但其性能也最差;

3、等增益合并实现起来难度适中，其性能接近最大比值合并，是比较常用的一种合并方式。401.基本概念任何用来削弱码间干扰的信号处理手段，都可以称为均衡;码间干扰产生机理：多径传播，时间扩散，带宽受限均衡原理：用前后码元来估计信道特性，对当前码元进行补偿2.在系统中所处位置：中频或射频均衡基带均衡3.5.2均衡技术41图3-41使用均衡器的通信系统的简化框图均衡器的原理以基带均衡为例图中：x(t)：原始基带信号；

f(t)：发射机、信道、接收机的射频和中频三部分的合成冲激响应，即等效传输信道的冲激响应；

nb(t)：均衡器输入端的基带噪声。42

设均衡器的冲激响应为heq(t)，则均衡器的输出为

其中,g(t)是发射机、信道、接收机的射频和中频部分、均衡器四部分的等效冲激响应。

假定系统中没有噪声，即nb(t)=0，

在理想情况下，希望=x(t)，

则g(t)必须满足式g(t)=f*(t)*heq(t)=δ(t)(3-5-10)

从频域表示可得到:Heq(f)F*(－f)=1(3-5-11)(3-5-8)则均衡器收到的信号可表示为

y(t)=x(t)*f*(t)+nb(t)(3-5-7)43式(3-5-11)表明均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。

如果传输信道是频率选择性的，那么均衡器将增强频率衰落大的频谱部分，而削弱频率衰落小的频谱部分，以使所收到的频谱的各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。在实际应用中，由于，所以很难使得只能使得误差尽可能小。Heq(f)F*(－f)=1(3-5-11)442.均衡的分类

均衡可分为固定均衡和自适应均衡。

自适应均衡可分为频域均衡和时域均衡。

频域均衡是使总的传输函数满足无失真传输条件，即校正幅频特性和群时延特性。模拟通信多采用频域均衡。

时域均衡是使总的冲激响应满足无码间干扰的条件。数字通信中多采用时域均衡。45分为线性均衡和非线性均衡。

线性均衡器输出的恢复信息未被应用于反馈；主要应用于具有较好传播特性的信道，如电话线等，性能良好；但在消除码间干扰的同时增大了噪声，所以不适用于有严重幅度失真的信道。

非线性均衡的输出信息被应用于反馈逻辑并影响到均衡器的后续输出。

均衡器的类型、结构和算法示意图如图3-42所示。46图3-42均衡器的类型、结构和算法473.均衡技术算法

1)线性均衡器

线性均衡器的作用：尽量使信道和均衡器的传输函数的乘积满足一定的准则，从而使信道滤波器级联的传输函数完全平坦，或者使滤波器输出端的均方误差最小。

线性均衡器的基本结构如图3-43所示。48图3-43线性横向滤波器型均衡器的结构ck是横向滤波器的抽头系数，抽头总数为2n+1。则均衡器输出为(3-5-12)希望尽可能接近序列xk。49当使εk=0时，可得迫零均衡器。

当使E{|εk|2}→min时，可得最小均方误差均衡器。

则对于具有2n＋1个抽头的线性均衡器，均衡器输出结果的均方误差(MSE)可表示为

均方误差是各抽头系数(权重)的函数。均方误差越小，误码率越低，均衡器性能越好。因此，所选择的抽头系数应该使得MSE最小化。(3-5-14)

定义误差εk:

(3-5-13)502)非线性均衡器

线性均衡器存在的问题：当信道中有深度频率选择性衰落时，为了补偿频谱失真，线性均衡器会对出现深度衰落的频谱部分及周边的频谱产生很大的增益，从而增加了这段频谱的噪声，以致线性均衡器不能取得满意的效果。这时采用非线性均衡器处理效果比较好。

常用非线性均衡器的算法有：判决反馈均衡(DFE)、最大似然符号检测和最大似然序列估值(MLSE)。51(1)判决反馈均衡(DFE)。

基本思想：一旦一个比特的信息被正确检测并判决，就可以利用该信息，并结合信道冲激响应来消除由该比特引起的码间干扰。

判决反馈均衡器可由横向滤波器来实现。横向滤波器由一个前向滤波