信息与通信移动通信抗衰落和链路性能增强技术

信息与通信移动通信抗衰落和链路性能增强技术第1页/共135页掌握直接序列扩频技术原理。掌握直接序列扩频(DS-SS)和跳频扩频系统(FH-SS)的处理增益和抗干扰机理掌握扩频码的分类和特点学习重点和要求第2页/共135页主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.7链路自适应技术第3页/共135页4.1概述第4页/共135页4.1概述移动信道三大效应形成衰落阴影效应多径效应多谱勒效应多径衰落的基本特性相干时间相干带宽第5页/共135页4.1概述抗衰落三大措施：分集(Diversity)均衡(Equalization)信道编码(ChannelCoding)第6页/共135页主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.7链路自适应技术第7页/共135页4.2分集技术第8页/共135页分集概念：多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并分集目标：对抗移动信道造成的各种衰落和码间串扰分集本质：对同一信号在不同时间、频率、空间方向的过采样分集问题：如何得到多路信号？如何合并多路信号？4.2分集技术第9页/共135页4.2分集技术分集原理各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低两条路径同时出现深衰落的概率降低第10页/共135页4.2分集技术分集技术物理本质空间分集：用两个以上天线或者同一天线的不同极化方向传输同一个信号频率分集：用两个以上载频传输同一个信号时间分集：在不同时间传输同一个信号第11页/共135页4.2分集技术分集技术分类显分集发射至少有两路独立路径传送同一信号空间分集，跳频隐分集分集作用隐含在一路传输信号中交织和扩频第12页/共135页4.2分集技术空间分集多天线分集发射分集接收分集MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多入多出)第13页/共135页4.2分集技术频率分集传输信息以不同的频率进行传输传输之间的频率间距>>相干带宽跳频直接序列扩频第14页/共135页4.2分集技术时间分集传输信息在不同的时刻重复传输信号重发时间间隔>>相干时间ARQRake接收机第15页/共135页4.2分集技术接收信号强度时间/空间/频域分集合并技术：利用多个分集信号来减少衰落影响并获得增益的技术就是分集合并技术第16页/共135页4.2分集技术选择式合并（selectivecombining）选择具有最大SNR的分支接收信号强度时间/空间/频域第17页/共135页4.2分集技术最大比合并（maximumratiocombining）所有分支依据信噪比（SNR）进行加权相干合并输出包络接收信号强度时间/空间/频域第18页/共135页4.2分集技术等增益合并（equalgaincombining）所有分支等权重相干合并第19页/共135页4.2分集技术

合并增益选择性合并等增益合并最大比合并第20页/共135页4.2分集技术隐分集技术交织编码技术跳频技术直接序列扩频技术第21页/共135页4.2分集技术编码交织解交织译码突发信道输入输出调制解调交织：把一条消息中的比特以非连续方式传送，使突发差错信道变为离散信道，便于利用纠错码消除随机错独立无记忆信道第22页/共135页4.2分集技术4d,…6,5,4,3,2,1124567891011124d-34d-24d-14d34d…10,6,2,4d-3,…,9,5,14d…10,6,2,4d-3,…,9,5,1124567891011124d-34d-24d-14d34d,…6,5,4,3,2,1d,交织深度n=4,交宽深度交织延迟=n*d第23页/共135页4.2分集技术交织深度交织前相邻两符号在交织后的间隔距离交织宽度：交织后相邻两符号在交织前的间隔距离交织延迟：每个符号从交织器输出时相对于输入交织器时的时间延迟要求：交织深度大于相干时间时间分集第24页/共135页分集技术分集的目的信号传输方式获得多路信号的方式宏观分集（抗长期衰落）微观分集（抗短期衰落）显分集隐分集交织和编码技术跳频技术直接序列扩频技术空间位置分集(多天线)空间角度分集(智能天线)时间分集(T>Tc)频率分集(跳频或DSSS)极化分集4.2分集技术第25页/共135页主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.7链路自适应技术第26页/共135页4.3信道编码第27页/共135页为什么引入信道编码？移动信道是变参信道，会引起随机错误与突发错误。信道编码的目的?信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量而设计的一种编码4.3信道编码第28页/共135页4.3信道编码信道编码的定义在信息码元中增加一些冗余码元，用来在接收端检测或纠正在有噪信道中引入的误码基本术语：码字：信息码元与冗余码元一起构成的消息块称为码字。码距（d）：是指两个码字中对应码元位不相同的数目。如果是二进制码，又称为汉明距。第29页/共135页4.3信道编码信道编码本质：增加码距。码距实际代表了纠检错能力第30页/共135页4.3信道编码性能指标编码效率编码增益编码延时编译码器的复杂度第31页/共135页4.3信道编码信道编码分类：按加入冗余码元方式：线性码和非线性码按用途分：检错码和纠错码按码结构分：分组码和卷积码按纠错能力分：纠随机错和纠突发错第32页/共135页4.3信道编码应用GSM和IS-95

主要采用卷积码3G话音:卷积码数据:卷积码,TURBO码

B3G话音:卷积码数据:卷积码,TURBO码,LDPC码第33页/共135页4.3信道编码分组码将信息码分成k比特一组，插入n-k个冗余比特，扩展成n,记为(n,k)将2k矢量空间映射到2n矢量空间nk，R＝k/n，称为编码率kkkkkkkkn冗余比特第34页/共135页(n,k)分组码定义为(u1,u2,…,un)=(x1,x2,…,xk)G其中(x1,x2,…,xk)是信息向量，(u1,u2,…,un)是对应的码字。称此码为(n,k)线性分组码。称矩阵G为此码的生成矩阵。4.3信道编码第35页/共135页4.3信道编码伴随式S：进行校验S=RHT,R为接收到的码字R=C+e，H为校验矩阵；S等于0为无错或者R是另外一个码字S不等于0一定有错伴随式与错误图样存在对应译码表计算伴随式根据伴随式检出错误图样e根据e和R计算发送码字C=R+e第36页/共135页4.3信道编码(7，4)分组码对应的生成矩阵为G(an,an-1,…,a0)=(x1,x2,…,xk)G运算规则：0+0=1+1=0，0+1=1，0×0=0×1=0，1×1=1第37页/共135页4.3信道编码S1=a6+a5+a4+a2=0无错

S2=a6+a5+a3+a1=0无错

S3=a6+a4+a3+a0=0无错

a6+a5+a4=a2a6+a5+a3=a1a6+a4+a3=a0第38页/共135页4.3信道编码例子：（7，4）分组码码组第39页/共135页4.3信道编码（7，4）分组码，a0a1a2a3a4a5a6表示这7个码元，则伴随式与错误图样关系为第40页/共135页循环码的定义如果(n,k)线性分组码的任意码字C=(Cn－1,Cn－2,…,C0)

的i次循环移位，所得矢量C(i)=(Cn－1－i,Cn－2－i,…,C0,Cn－1,…,Cn－i)

仍是一个码字，则称此线性码为(n,k)循环码。4.3信道编码第41页/共135页码多项式为了运算的方便，将码矢的各分量作为多项式的系数，把码矢表示成多项式，称为码多项式。其一般表示式为C(x)=Cn－1xn－1+Cn－2xn－2+…+C0码多项式i次循环移位的表示方法:记码多项式C(x)的一次左移循环为C(1)(x)

，i次左移循环为C(i)(x)4.3信道编码第42页/共135页码字循环关系图单纯循环码的码字循环图：(7,3)循环码4.3信道编码第43页/共135页循环码的生成多项式码的生成矩阵一旦确定，码就确定了；这就说明：(n,k)循环码可由它的一个(n－k)次码多项式g(x)来确定；所以说g(x)生成了(n,k)循环码，因此称g(x)为码的生成多项式。4.3信道编码第44页/共135页循环码编码步骤：计算xn-km(x)计算xn-km(x)/g(x),得余式r(x)得到码字多项式C(x)=xn-km(x)+r(x)4.3信道编码第45页/共135页循环码译码按照分组码译码步骤进行由于采用了线性移位寄存器，使得译码简化4.3信道编码第46页/共135页卷积码卷积码的监督码元与当前码元和前若干码元有关记为(n,k,m)卷积码。约束长度：l=m+1kkkkkkkknnnnnnnnkkkkkkkknnnnnnnn分组码卷积码4.3信道编码第47页/共135页4.3信道编码卷积码编码器（n，k，m）：m表示移位寄存器个数，k表示输入开关个数，n表示输出的开关个数二进制（2，1，3）卷积码编码器第48页/共135页4.3信道编码卷积码的状态转移图（2,1,2）卷积编码器状态转移图第49页/共135页4.3信道编码卷积码的网格图（把状态图沿时间轴展开）第50页/共135页第51页/共135页4.3信道编码维特比译码：是一种最大似然译码，把接收序列和所有的发送序列进行比较，选择一个汉明距离最小的序列判为发送序列分为硬判决和软判决译码两种：硬判决：解调器直接判0，1软判决：解调器对输出进行量化。译码不是一次比较，而是逐步比较，译码过程中的最重要的操作有两个：“加-比-选”度量值计算操作和寄存器状态回溯译码操作第52页/共135页4.3信道编码一次“加-比-选”的过程具体需要进行以下步骤：取出两个分支在节点i的路径度量值PM（PathMerit）；计算两个分支在节点i+1改变的分支度量值BM（BranchMerit）；相加得到两个分支的新PM值；比较两个PM值，选出汉明距离最小或似然函数值较大可能者；存储选出的幸存路径的PM值及状态转移比特。第53页/共135页在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些能使似然函数最大的路径：硬判决：汉明距最小值路径；软判决：似然函数最大值路径。最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷积码来说，要求能收尾。收尾的原则：在信息序列输入完成后，利用输入一些特定的比特，使M个状态的各残留路径可以到达某一已知状态（一般是全零状态）。这样就变成只有一条残留路径，这就是最大似然序列。4.3信道编码第54页/共135页维特比译码过程（硬判）假设接收序列为（11，01，10，01，01，10，10）4.3信道编码第55页/共135页4.3信道编码第56页/共135页4.3信道编码第57页/共135页4.3信道编码第58页/共135页Viterbi译码的特点维特比算法是最大似然的序列译码算法译码复杂度与信道质量无关运算量和存贮量都与码长呈线性关系运算量和存贮量都与状态数呈线性关系状态数随k及m呈指数关系4.3信道编码第59页/共135页4.3信道编码Turbo产生背景：香农的信道编码定理：在信道中实际传输速率R小于信道容量C，就可以在信道中实现几乎无错传输。条件：采用随机编译码方式编译码码长译码采用最佳的最大后验译码第60页/共135页4.3信道编码Turbo码的性能逼近最优的香农的信道编码的极限。Turbo码编码器框图第61页/共135页4.3信道编码Turbo码译码器框图第62页/共135页4.3信道编码Turbo码特点：性能优良：性能由分量码设计、交织器设计、译码算法及其并联结构进行组合优化共同取得。发端交织器作用：随机化编码收端交织器作用：随机译码，将突发错误变为随机错误。级联编译码起到利用短码构造长码的作用。第63页/共135页4.3信道编码Turbo码缺点：译码设备很复杂，应在译码性能与复杂性上折中。译码时延大，无法应用于实时的通信系统（比如话音）应用：广泛应用于各类非实时业务高速数据的纠错编码第64页/共135页4.3信道编码LDPC码：特殊的线性分组码低密度极性校验码校验矩阵非零元素分布稀疏第65页/共135页4.3信道编码LDPC码特点具有接近香农限的性能错误平层低采用迭代译码算法－－BP算法相对于Turbo码译码简单编码复杂关键在校验矩阵的构造第66页/共135页4.3信道编码以1／2码率，Pe<10-5为例第67页/共135页4.4均衡技术第68页/共135页4.4均衡技术等效信道多径非理想第69页/共135页4.4均衡技术均衡（Equalization）：接收端产生与信道相反的特性，消除信道的时间和频率选择性也称自适应均衡与Rake接收的区别多径不可分离可用于多径扩展大于或小于符号周期的情况第70页/共135页4.4均衡技术均衡按实现的域分类时域/频域均衡在宽带单载波系统中常用频域均衡技术；在窄带数字通信系统中常用时域均衡。第71页/共135页时域均衡原理理想和实际接收信号脉冲响应的差异理想非理想4.4均衡技术第72页/共135页+TTTTC-NC-1C0C1CN抽头加权算法Ci输出y(t)输入x(t)均衡器加入均衡器以后系统冲激相应4.4均衡技术第73页/共135页4.4均衡技术时域均衡原理要使得码间干扰为零，则实际操作则对以输入样值为中心的前后各N个样值进行加权求和，使得相邻样值对当前样值的干扰最小第74页/共135页4.4均衡技术假如有输入信号:x(-1)=1/4,x(0)=1,x(1)=1/2采用二抽头均衡器来均衡(C(-1)=-1/3,C(0)=4/3,C(1)=-2/3)均衡输出

y(-2)=(1/4)(-1/3)=-1/12y(-1)=(1/4)(4/3)+(1)(-1/3)=0y(0)=(1/4)(-2/3)+(1)(4/3)+(1/2)(-1/3)=1y(1)=1(-2/3)+(1/2)(4/3)=0y(1)=(1/2)(-2/3)=-1/3第75页/共135页4.4均衡技术均衡准则峰值畸变准则使干扰的峰值最小目标：消除取样点上的符号间干扰均方畸变准则使输出趋于理想的响应效果相对最小峰值失真准则较优第76页/共135页峰值畸变准则使得在已知xn的情况下，调整系数ck，使得D有最小值，同时使得y0=14.4均衡技术第77页/共135页4.4均衡技术均方畸变准则：定义：使得在已知xn的情况下，调整系数ck，使得e2有最小值，同时使得y0=1第78页/共135页非线性均衡器：输入与输出结果为为非线性关系使得均衡器在严重失真的信道上有较好性能判决反馈均衡器（DFE）最大似然序列估值器（MLSE）4.4均衡技术第79页/共135页4.4均衡技术均衡器性能指标算法复杂度算法收敛速度稳定性第80页/共135页4.4均衡技术自适应均衡器工作方式预置式均衡器工作方式：启动均衡器之前先发送测试序列，用以训练均衡器的抽头系数加权算法，使均衡器收敛在数据传输过程中不再调整抽头系数。第81页/共135页4.4均衡技术自适应均衡器工作方式训练模式：发端发送一个接收端已知的序列使均衡器迅速收敛，完成抽头系数初始化跟踪模式：直接利用通信中传输的数字信号的判决形成误差信号，并依据自适应算法跟踪调节抽头系数第82页/共135页均衡技术的应用训练序列在前面，数据在后面单向均衡法正向均衡法：利用本时隙训练序列对当前数据进行均衡反向均衡法：利用下时隙训练序列对当前数据进行均衡选择误差小的4.4均衡技术第83页/共135页4.4均衡技术双向均衡法：同时利用当前时隙和下一时隙训练序列对当前数据进行均衡第84页/共135页4.4均衡技术

实际系统中的均衡技术GSM均衡补偿时延16～20us。常用1：判决反馈自适应均衡器，均衡算法为快速卡尔曼算法(FKA)常用2：最大似然序列估计(MLSE)的自适应均衡器，均衡算法为修正的Viterbi算法。IS-54判决反馈自适应均衡器，均衡算法为递归最小二乘法（RLS）。第85页/共135页主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.7链路自适应技术第86页/共135页4.5扩频通信第87页/共135页4.5扩频通信直接序列扩频利用远高于符号速率的序列码流PN序列与信号流相乘，得到宽带（相对于信号带宽）调制信号的技术第88页/共135页4.5扩频通信PN序列：伪噪声序列m序列发生器第89页/共135页m序列：m序列是最长线性移位寄存器序列的简称；m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若m为级数，则所能产生的最大长度的码序列为N=2m-1位。m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列，需要由本原多项式生成。4.5扩频通信第90页/共135页m序列的性质平衡特性：在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1位;

游程特性：m序列中游程总数为（N+1）／2，长度为1的游程数等于游程总数的1/2，长度为2的游程数等于游程总数的1/4，长度为3的游程数等于游程总数的1/8；最长的游程是m个连1，只有一个；最短的游程是m-1个连零，只有一个；m序列和其位移序列模2加后仍为m序列；m序列发生器中的移位寄存器的各状态中，除全0外，其他状态在一个周期中只能出现一次。4.5扩频通信第91页/共135页m序列相关特性相关函数当序列循环移动n位时，随着n的取值不同，互相关系数也在变化，称做两个序列的互相关函数，若两个序列相等，则称作为自相关函数例：{a}=1110100，求自相关函数n=0时,{a(0)+a(0)}=0000000A=7,D=0,R=1/7n=1时,{a(1)+a(0)}=0011101A=3,D=4,R=-1/7A:相同的位数D:不同的位数4.5扩频通信第92页/共135页4.5扩频通信PN序列的特性自相关性第93页/共135页扩频通信原理4.5扩频通信第94页/共135页4.5扩频通信第95页/共135页4.5扩频通信RAKE接收机：利用扩频码的相关特性进行多径分离与合并，实现时间分集无Rake接收时，多径信号的矢量合成：第1径第2径第3径接收后的合成矢量第96页/共135页4.5扩频通信采用Rake接收后的合成矢量：接收后的合成矢量（代数和）第1径第2径第3径第97页/共135页4.5扩频通信Rake接收示意图每个相关器和多径信号中的一个不同时延的分量同步第98页/共135页4.5扩频通信多径分离基础：采用直接扩频信号要求Chip周期小于多径时延差直扩序列信号的自相关和互相关性好多径合并准则第一路径准则；最强路径准则；检测后积分准则；等增益合并准则；最大比合并准则；自适应合并准则第99页/共135页4.5扩频通信集技术跳频：载波信号的频率随时间而变化本质：频率分集第100页/共135页f1f2f3f2f1f3f2f2f1f1f1f3f3f3第101页/共135页

抗多径：跳频驻留时间小于多径延迟时间差抗同信道干扰：正交跳频图案可避免频率复用引起的同频干扰抗衰落：跳频频率间隔大于信道相干带宽时，各跳频驻留时间内的信号相互独立4.5扩频通信第102页/共135页主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.7链路自适应技术第103页/共135页4.6多天线和空时编码第104页/共135页4.6多天线和空时编码MIMO系统的提出是为了进一步提高无线通信系统容量，它可以在不用增加系统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率。利用空间分集对抗衰落利用空间复用提高频谱效率为了使得MIMO系统性能在频率选择性衰落信道中依然良好，将MIMO系统和OFDM调制技术结合起来，形成MIMO-OFDM系统。第105页/共135页MIMO系统框图可用矩阵方式表示发送和接收信号4.6多天线和空时编码第106页/共135页4.6多天线和空时编码将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处。MIMO-OFDM系统不仅有很高的频谱利用率，而且在OFDM基础上合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能取作用第107页/共135页4.6多天线和空时编码MIMO系统容量单输入单输出（SISO）系统:多输入单输出（MISO）系统:单输入多输出（SIMO）系统：多输入多输出（MIMO）系统：系统容量随着天线数目的增加成线性增加。

第108页/共135页4.6多天线和空时编码不同天线配置下的信道容量第109页/共135页多天线技术分类空间分集STBC：空时分组码STTC：空时格码空间复用V-BLAST：空时分层码波束赋形Smartantenna：智能天线4.6多天线和空时编码第110页/共135页STBC：空时分组码空时分组码则是根据码字的正交设计原理来构造空时码最早由Alamouti提出的接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码子之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。4.6多天线和空时编码第111页/共135页4.6多天线和空时编码STBC系统框图第112页/共135页4.6多天线和空时编码STBC接收机第113页/共135页4.6多天线和空时编码VBLAST分层空时码分层空时码最早是由贝尔实验室提出的一种MIMO系统的空时编码技术，即BLAST系统分层空时码有两种形式对角分层空时码D-BLAST和垂直分层空时码V-BLAST。V-BLAST系统处理起来较D-BLAST系统要简单第114页/共135页4.6多天线和空时编码VBLAST系统框图第115页/共135页接收信号模型最优接收：4.6多天线和空时编码第116页/共135页4.6多天线和空时编码线性接收破零检测：Zeroforcing线性MMSE检测干扰删除第117页/共135页4.6多天线和空时编码各种VBLAST检测算法性能比较第118页/共135页4.6多天线和空时编码空时网格码（STTC）空时网格码最早是由V.Tarokh等人提出的，该空时编码系统中，在接收端解码采用维特比译码算法。空时网格码设计的码子在不损失带宽效率的前提下，可提供最大的编码增益和分集增益。译码复杂度高第119页/共135页4.6多天线和空时编码智能天线技术智能天线包括天线阵列和基带信号处理可为每一个移动台提供跟踪波束可为高速移动的移动台提供快速波束跟踪特点较低的发射功率较高的灵敏度较强的干扰抑制较大的系统容量关键技