第05章抗衰落技术

第05章抗衰落技术第一页，共48页。数字移动通信第五章抗衰落技术2第二页，共48页。问题的引入-传播损耗定量表达式:式中第1项表示大尺度的路径损耗，n=2~6；第2项表示中尺度的阴影损耗；第3项表示小尺度的多径衰落。第三页，共48页。传播损耗对信号传输有何影响？多径效应在时域上引起什么现象？它对信号传输有何影响？什么是多普勒效应？它对信号传输有何影响？什么是平坦衰落、频率选择性衰落？如何判定？什么是快衰落、慢衰落？如何判定？……？问题的引入-信号衰落第四页，共48页。本章解决的主要问题本章围绕如何在复杂无线电波传播环境下，可靠有效的传输信号展开讨论。

抗衰落技术基本原理

分集技术

自适应均衡技术RAKE接收5第五页，共48页。本节的要求与重点掌握分集的基本概念及方法理解常用的分集合并方式的工作原理理解影响分集性能的主要因素6第六页，共48页。

回顾：移动通信信道中的传播特性

传播损耗|d|-n－>增大发射功率；S(d)阴影衰落：地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽引起－>多基站宏分集；K(d)多径衰落：多径及多普勒频移－>微分集、均衡、信道编码技术。5.1概述7第七页，共48页。目的：提高系统性能，补偿衰落损耗方法：多重接收—分集技术补偿信道失真—均衡技术

……

5.1概述8第八页，共48页。9第九页，共48页。分集技术(DiversityTechniques)—出发点：有意识地分离多径信号并恰当合并以提高接收信号的信噪比来抗衰落—常用的分集技术包括空间分集、频率分集和时间分集等—CDMA系统常使用RAKE接收机来改善链路性能5.1概述第十页，共48页。均衡技术(EqualizationTechniques)—出发点：通过补偿信道衰落引起的畸变来减小衰落的影响，以减小码间串扰（ISI）—接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿—由于移动信道是时变的，所以要求均衡器是自适应的5.1概述第十一页，共48页。信道编码技术(ChannelCodingTechniques)—出发点：通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码—常用的有分组编码、卷积编码和交织技术—编码调制，不需增加带宽就可获得巨大的编码增益5.1概述第十二页，共48页。正交频分复用（OFDM）技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexityTechniques)—出发点：将高速数据通过串并变换，分割成若干低速数据传输，以增大信息码元周期来达到减少多径时延扩展影响的目的。5.1概述第十三页，共48页。

目的：通过多重接收来对抗衰落

问题：

从哪里可以获得不同的分集支路？

如何使得各支路衰落尽可能不相关？

如何处理多个不同分集支路获得的信息？5.2分集技术14第十四页，共48页。一、分集原理

接收端对收到的经过多个相互独立路径传输的信号（携带同一信息）进行特定处理，来减小衰落的深度与持续时间。5.2.1分集原理及分类15第十五页，共48页。一、分集原理分集的概念包含了两层意思（分开+集合）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，把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。16第十六页，共48页。一、分集原理一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。t解决两方面的问题如何获得多路独立的信号－>多径分离如何合并多路独立的信号－>信号合并17第十七页，共48页。二、分集方式分集方式可以分为两类宏分集：抗大尺度衰落，如多基站分集。微分集：抗小尺度衰落，如时间分集、空间分集、极化分集和角度分集等。

18第十八页，共48页。1、空间分集基本原理：天线间的相隔距离等于或大于半波长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是非相关的。依据：衰落的空间独立性。做法：天线的间隔d要保证接收信号的衰落特性相互独立，接收天线至少2个。经典实例：基站的天线分集19第十九页，共48页。1、空间分集实例:对于第三代移动通信系统而言，其载波频率为2GHz，依据空间分集的要求，如何使用两根接收天线，天线之间至少需要相隔多远？对应的波长为0.15m天线之间至少相距7.5cm在手机终端上使用可以吗？在短波电台上能使用多个发射或者接收天线吗？20第二十页，共48页。1、空间分集实例:假定短波电台的传输频率为20MHz，依据空间分集的要求，如何使用两根接收天线，天线之间至少需要相隔多远？对应的波长为15m天线之间至少相距7.5m21第二十一页，共48页。仍然未解决的问题为什么要让天线相距这么远呢？为了保证各天线收到信号的非相关性如果各路信号具有一定相关性会对分集性能产生什么影响呢？22第二十二页，共48页。2、时间分集

基本原理将信号在时间上相隔一定的间隔重复传输实现分集要想在时间上得到独立的分集支路，条件是什么？时间间隔大于信道的相干时间Tct23第二十三页，共48页。3、频率分集

基本原理将信息用不同的载频发送出去实现分集。在频域上独立的条件是？载频的频率间隔大于信道的相干带宽可采用跳频技术来达到频率分集目的Bcf24第二十四页，共48页。4、角度分集

基本原理由于地形地貌和建筑物等环境因素不同，不同路径达到接收端的信号可能来自于不同方向。采用方向性天线，分别指向不同的信号达到角度，则每个方向上的多径信号是不相关的，从而得到分集的信号。可采用智能天线实现。25第二十五页，共48页。发射分集在3G中得以应用，就是通过多副天线发射同一信息序列，使每副天线上的信号在到达接收端时经过独立的衰落，人为造成可区分的多径信号，从而使接收方增强接收效果。26第二十六页，共48页。微分集的应用智能天线多天线阵交织跳频直接序列扩频——空间角度分集——空间位置分集——时间分集——频率分集——频率分集分集技术的本质：

对同一信号在不同时间/空间/频率/角度上的多次传输。27第二十七页，共48页。5.2.2分集信号的合并问题的描述接收到多个分集信号以后，对多个独立信号的处理方法。合并信号的表达式TxRxa1Rxa2Rx合并…r1(t)r2(t)rM(t)r

(t)其中M为分集重数，ak为加权系数(k=1,2,3,…M)选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。aM28第二十八页，共48页。5.2.2分集信号的合并如何集中处理？分集合并方式增益合并开关式合并最大比合并等增益合并纯选择（选择合并）门限选择切换和等待切换和检验29第二十九页，共48页。一、开关式合并M个接收机获得的M个独立的信号选择具有最高信噪比的信号作为输出总是选择最好的信号，提高了平均信噪比只使用了一条路径的信道，达不到最优前提是什么？需要快速估计所有支路信干噪比30第三十页，共48页。

1选择式合并出发点：总是选择信噪比最大的某条

路径信号。31第三十一页，共48页。选择式合并是检测所有分集支路的信号，以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。32第三十二页，共48页。33第三十三页，共48页。二、增益合并1）最大比值合并最佳的分集合并方式，得到最大的输出信噪比。怎么做才能使得输出信噪比最大？每一支路的加权系数与信号功率成正比，而与噪声功率成反比。信噪比越高，合并中的贡献越大，加权系数越大。利用了每一条路径的信号，使接收的每一时刻均达到最大信噪比。34第三十四页，共48页。2最大比率合并出发点：在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相，对各路同相后的信号进行加权，从而充分利用各支路的可用信号，使得在任一时刻均会达到可实现的最大信噪比。最大比值合并器输出的信号包络为35第三十五页，共48页。二、增益合并2）等增益合并能不能有什么方法降低最大比合并的复杂度，但性能又不会下降太多呢？各支路的信号等增益相加。

实现简单，性能接近最大比合并。36第三十六页，共48页。二、增益合并与开关式合并相比，增益合并在性能上有较大的提升，这种性能提升的代价是什么？增益合并需要同时对每个分集支路进行解调，对N个分集支路都配备有射频硬件和信号处理功能。37第三十七页，共48页。

三、分集合并性能每个分支平均信噪比为10dB。随着M的增大，等增益和最大比合并方式只相差1dB。实际系统中M较大时，通常采用等增益合并。

在相同分集重数情况下，最大比值合并方式改善最多，等增益合并方式次之，选择式合并方式最少。合并增益：分集后输出平均信噪比与未分集时的平均信噪比之间的比值，又称平均信噪比改善因子。38第三十八页，共48页。三、分集合并性能比较的指标合并增益、中断率、误码率、分集增益等

影响分集性能的因素?

39第三十九页，共48页。三、分集合并性能

M分集支路数对分集合并性能的影响是？随着分集支路的增加，合并增益具有一定的提升。40第四十页，共48页。三、分集合并性能采用不同的分集合并方法对性能是否有影响？等增益合并的性能比最大比值合并稍差，但优于选择式合并41第四十一页，共48页。三、分集合并性能支路相关性分集技术用较强信号支路来补偿信号的衰落。如果分集支路之间存在相关性，那么所有可用信号同时衰落的概率将大的多，这样就没有提供分集合并增益。42第四十二页，共48页。分集合并技术概述分集合并技术如何工作优点缺点最大比合并将M重分集的支路按照总信干噪比最大化的原则合并获得M支路通信系统的最优性能需要同时解调M条信道，需要信干噪比估计算法等增益合并M重分集的支路按等权重相加获得M支路通信系统接近最优的性能，不需要信干噪比估计算法需要同时解调M条信道纯选择性合并选取M条可用信道中最好的一个在开关式合并接收机中有最好的性能需要同时监视M条支路上的信号切换和检验如果当前支路信号衰落到门限以下，则选取另一支路使用简单的单信道接收机各支路的同时衰落会导致突发的无效快速切换，大多数应用取M=2切换和等待一旦切换，一直等待到当前支路信号强度由门限以上衰落到门限以下再切换到下一支路使用简单的单信道接收机新选择的支路信号可能比前一支路更差43第四十三页，共48页。四、分集合并小结分集技术的优点：有效的提高了系统抗衰落性能。提高程度由分集方式、支路个数、合并方式、支路相关性等因素共同决定。分集技术的代价？占用了更多的资源移动通信网通常采用哪种分集方式？移动通信网因为资源问题，用的最多的是多天线分集。44第四十四页，共48页。特殊的分集方式交织——时间隐分集原理：把一个较长的突发错误离散成随机错误，再利用纠正随机错误的编码FEC技术消除随机差错。特点：交织可以在不附加任何开销的情况下，使数字通信系统获得时间分集。不足是增加了传输时延。第四十五页，共48页。为何要用交织？信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效