《无线通信基础与应用》课件第05章 分集和交织技术

第六章分集与交织概述实际的无线通信系统中，通常会利用小尺度衰落在短距离、短时间上的快速波动这个特点而采用各种信号处理技术来缓解小尺度衰落造成的不利影响，其中包括对抗平坦衰落的分集技术、对抗频率选择性衰落的均衡技术以及对抗慢衰落的交织技术等。分集是对抗平坦衰落对信号产生的不利影响的最有效的一项技术。更严格的讲，本章讨论微分集技术，与微分集相对应的一个概念为宏分集，宏分集用于对抗阴影衰落，具体做法是由多个位于不同地理位置的基站同时为同一个移动台提供服务，由于移动台同时处于多个基站信号阴影区的概率很小，从而可以有效地消除由阴影衰落所造成的影响。除非特别说明，后续讨论中使用的分集概念指的都是微分集针对上述问题有多种解决途径，无线通信基础与应用2例5-1

分集支路的获取

(5‑1)分集支路的获取如果满足以下条件：1）功率延迟分布呈指数规律衰减；2）入射信号呈散射状分布，且不存在视距分量；3）收发天线都使用全向天线。则可由(51)式推得相关系数表达式如下：

(5‑2)分集支路的获取6

(5‑3)空间分集7通过空间中多部具有一定空间间隔的天线同时接收信号来获取分集支路信号，这种做法称为接收天线分集。通过在发射端采用多部具有一定空间间隔的天线发射信号，这种技术称为发射天线分集。本章中重点讨论接收天线分集，发射天线分集将在9.2.2节进行详细介绍。在接收天线分集中，分集支路的获取不需要在发射端增加任何额外的信号处理，也无需更多的发射功率和带宽，因此成为一种应用最为广泛的分集方式。为了获取足够独立的分集支路信号，多个接收天线的间隔必须满足一定的要求，我们把能够保证分集支路信号足够独立性的最小天线间隔称为相干距离。需要注意的是相干距离的大小取决于相关系数门限。在(5‑3)式中取Δf=0，并设定相关系数门限为=0.5，可以算出天线间距至少需要满足Δz≥λ/4的条件。

空间分集8(5‑3)式的前提条件是要求接收信号呈散射状分布，这个条件对于移动台侧是成立的，因此在移动台处可以采用上述Δz≥λ/4的条件作为相干距离。但是对于基站侧，该条件不再满足，此时信道中的相互作用体集中在移动台周围，都从移动台的方向入射。因此基站侧的相干距离要比移动台处大得多。若要在基站侧使用接收天线分集，就需要比移动台更大的天线间距。此外，实际测量表明，天线高度和空间相关性之间存在很强的耦合，较大的天线高度意味着较大的相干距离。通常，在郊区环境下的基站中，10λ到210λ的间隔就能够达到ρ≥0.5的要求。(5‑3)式还要求收发天线都使用全向天线，但是在陆地移动通信系统中，特别是划分了扇区的移动通信系统中，往往更多使用的是方向性天线。对于方向性天线的情况，多径信号被限定在视距（LOS）路径附近的一个有限的角度内，与前面的情况类似，这也意味着需要更大的天线间隔以保证所获取的分集支路信号之间的独立性。频率分集9通过在不同的载波频率上传输相同的窄带信号就可以实现频率分集，其中载波之间必须保证足够的间隔以确保不同载频上的接收信号所经历的衰落是统计独立的，这个间隔可以由(5‑2)式在一定的相关系数门限条件下求得。基于第3章小尺度衰落信道的内容，这里的最小频率间隔即为相干带宽Bc。以显分集的方式进行频率分集需要在多个载频上传输相同的信息，这会导致频谱效率的降低，因此工程中频率分集往往以隐分集的形式出现，例如第7章的扩频技术通常被认为能够提供频率分集的效果，这一点在第7章进一步讨论。

时间分集10时间分集通过在不同的时间传输相同的信号来实现分集。与频率分集的情况类似，同样可以由(5‑2)式得到一个最小的时间间隔，以保证不同时间的接收信号所经历的衰落是统计独立的，该时间间隔即为信道的相干时间Tc。与频率分集类似，实际应用中，时间分集也经常以隐分集的形式出现，例如通信中常用的自动请求重传ARQ机制，当传输出错时，发端重新发送出错的数据，由于两次数据发送的间隔超过了相关时间，因此相当于提供了时间分集。此外，信道编码和交织技术也是以隐含的方式来实现时间分集，交织技术将在5.4节进行介绍。极化分集11极化分集可以看作是空间分集的特例，它使用两个具有不同极化方向的发射天线或接收天线，天线的极化方向可以是垂直极化或水平极化，分别用于接收信号中的垂直极化的无线电波和水平极化的无线电波。研究表明，无论发射信号中两种不同极化方向的电波的功率占比是多少，在经过多径传播后，接收信号中两种极化方向的电波的平均功率占比趋近于相同，即各占50%。并且在多径传播环境中，由于两个极化方向上的散射角是随机的，因此在两个极化方向上收到的信号同时发生深度衰落的概率是极低的，也就是说，不同极化方向上接收信号经历的衰落可以看做是统计独立的。因此，可以将两个不同极化方向的天线上的接收信号作为支路信号，从而实现分集。由于极化分集利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而对不同极化的天线间的距离没有要求。此外，无论是线极化还是圆极化，都只有两种极化方向，因此最多只能获得两个分集支路。角度分集12角度分集利用了无线通信信道中大量存在的多径传播效应，通常，无线电波通过若干不同的路径，并以不同的角度到达接收端，而接收端可以利用多个具有尖锐方向性的接收天线，分离出来自不同方向的信号分量，由于不同传播路径的特征相互独立，这些信号分量具有相互独立的衰落特性，因而可以实现角度分集。分集合并算法13“分集”的“集”是指对信道衰落互不相关的多个分集支路信号进行合并，合并目的是得到优于各个分集支路信号、信噪比大大改善的合并信号。对各个分集支路信号进行合并的算法有多种，本节首先给出合并的通用模型，然后再讨论具体的合并算法。不失一般性，后续的讨论均基于空间分集。通用模型14

(5‑4)通用模型

15

(5‑5)

(5‑6)通用模型

16通用模型17

(5‑7)通用模型18

(5‑8)

(5‑9)选择合并

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(5‑10)

(5‑11)选择合并

20

(5‑12)

(5‑13)(5‑14)

(5‑15)选择合并

21

(5‑16)选择合并22

选择合并

23

(5‑17)选择合并24

图5‑6瑞利衰落信道下选择合并的平均误符号率选择合并25

图5‑7门限合并示例选择合并26基于门限合并的分集接收机结构如图5‑8所示，与图5‑4所示的选择合并接收机相比，显然切停合并具有更低的成本，因为省略了各分集支路上的RSSI传感器。图5‑8门限合并接收机最大比合并27

(5‑18)

(5‑19)

(5‑20)最大比合并28

(5‑21)

(5‑22)

(5‑23)最大比合并29

(5‑24)

(5‑25)最大比合并

30

(5‑26)

(5‑27)

(5‑28)最大比合并31

(5‑29)等增益合并32

(5‑30)

(5‑31)

(5‑32)等增益合并33

(5‑33)

(5‑34)交织例5‑3考虑以(7,4)汉明码作为纠错编码方案，解调器输出端误比特率为0.1的情况。对于随机差错，由于错误比特随机分布在解调后的整个比特序列中，因此平均每10个比特中会出现1个错误比特，(7,4)汉明码的码长小于10，因此平均每个码字内出现的错误比特数目不会超过1个。由于(7,4)汉明码可以纠正1比特，在平均意义上每个码字内的错误比特都可以被纠正，从而可以实现无差错传输。若错误类型为突发误码，则解调后的错误会表现为连续若干个比特的错误，此时，一旦在一个码字长度内出现超过两个比特的错误就会导致译码失败，最终无法保证无差错传输。例5‑3可以看出，在衰落信道下，由深度衰落导致的突发错误是造成误码的主要因素。只要我们能够将突发错误打散，变突发错误为随机错误，就可以借助信道编码来进一步纠正随机错误，从而提高通信系统的性能。交织技术就是一种能够实现上述目的的技术，它通过发送端的交织处理和接收端的解交织（简称解织）处理，可以在不额外增加任何冗余的前提下将信道衰落引起的突发错误分散为零星的随机错误。

34交织交织器和解交织器通常具有相同的结构，因此我们后续重点介绍交织器。交织器的类型有两种，即分组交织和卷积交织。对分组交织，交织器的原理为：将发送数据分为一定长度的多个数据块，这样的一个数据块称为交织块，其长度称为交织长度；在一个交织块内，通过对数据符号的次序按照一定规则进行重组，即可完成交织；在接收端，按照相反的规则恢复数据符号的原有次序即可完成解交织。35交织36分组交织的一种最常见的实现方式为行列交织器，其结构如图5‑12所示，交织器和解交织器都由一个d行n列的数据存储器构成。在发送端，发送比特按先列后行的顺序写入，再按照先行后列的顺序读出，这样就完成了交织；在接收端，接收数据先按照先行后列的次序写入存储器，再按照先列后行的次序读出，这样就完成了解交织。图5‑12中假设d=7，经信道传输后编号为1、8、15的三个数据发生了错误，即发生了连续3比特的差错；在接收端经过解交织之后，3个比特的连续错误被打散开来，此时接收端的交织矩阵中每一列中最多只会发生1个比特的错误。如果采用(7,4)汉明码，1比特的错误在其纠错能力范围之内，因此可以实现有效地纠错。交织37实际使用时，交织矩阵行数d的选取与系统所采用的信道编码方案有关，可以选取为信道编码的码字长度，例如图5‑12中采用(7,4)汉明码且选取d=7；交织矩阵的列数n（也称为交织深度）与突发错误持续时间和信道编码的纠错能力有关，一般来讲，突发错误持续时间越长，n值应该选取得越大，以保证交织对突发错误的分散能力；信道编码