移动第4讲衰落.ppt

1、,移动通信,中南民族大学电子与信息工程学院唐红文,通信技术,移动通信-第四讲 平坦衰落对策,内容,分集技术 分集接收原理 分集合并性能分析与比较 数字化移动通信系统的分集信能 RAKE接收 信道编码与交织技术 信道编码的基本原理 信道编码的类型 卷积编码 交织 TURBO编码 均衡技术 均衡原理 自适应技术 均衡在蜂窝系统的应用,4.1 分集技术,分集概念：接收多路 不相关的信号并合并. 目标：对抗多径信道造成的衰落和延时串扰 技术-两方面 如何获得独立多路信号 如何合并独立多路信号 本质：对同一信号在不同时间/空间/频率的过采样。,4.1.1 分集接收原理,各独立的信号传播路径同时经历深度衰

2、落的概率很低。,1. 分集技术分类,分集技术,分集的目的,宏分集(抗长期衰落),微分集(抗短期衰落),信号传输方式,显分集,隐分集,交织和编码技术,调制技术,直接序列扩频技术,获得多路 信号的方式,空间位置分集(多天线，宏分集),空间角度分集(智能天线),频率分集(调频或DSSS),时间分集(TTC),极化分集,2.常用分集技术,分集技术的实质对传输信号进行过取样 空间分集技术-用2个以上的天线收同一个信号 频率分集技术-用2个以上的载波频率传输 时间分集技术-在不同时间接收同一个信号 极化分集-接收垂直和水平极化信号,(1) 时间分集技术-时间独立性,多径的每一径时延不同进行多径分离合并-R

3、AKE接收机 重发时间大于信道的相关时间-ARQ技术 用信道相关时间设计交织编码的深度,(2) 空间位置分集空间独立性,多天线阵元分集 多天线发射分集 多天线接收分集 条件ddc dc为空间相关距离 移动信道中 市区： d=0.5 郊区： d=0.8,(3) 频率分集技术频率独立性,将要传输的信息分别以不同的载波发射出去 两个频率成分具有相互独立的衰落特性 条件f2-f1 Bc Bc为相关带宽,（4）角度扩展-空间角度分集,使电波通过不同路径，并以不同角度到达接收端，在接收端，采用方向性 天线，分离出不同方向 来的信号分量。 相关天线阵列：d c,（5）极化分集,不同极化方向（垂直极化和水平极

4、化）的电磁波具有独立的衰落特性。 空间分集的特殊情况（两路分集支路） （6）场分量分集 电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理不同。从而在接收端获得互不相关的场分量。 场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较低的工作频率。,2.现有的主要分集技术,Rake接收-时间分集 智能天线-空间角度分集 多天线阵-空间位置分集 ARQ重传-时间分集 (重发时间大于信道的相关时间) 跳扩频-频率分集+时间(隐分集) 直接序列扩频-频率分集(隐分集),隐分集隐含在信号传输方式中的分集技术。,3. 合并技术通过合并技术获得分集增益,合并信号的表达式信号,合并技术,信号合并准则利用各种合并准则确

5、定加权系数 最大信噪比准则 眼图最大张开度准则 误字率最小准则 分类： 选择性合并(Selective Combining):选择具有最大SNR的分枝。 等增益合并(Equal-Gain Combining):所有分枝等权重相干合并。 最大比合并(maximal Ratio Combining ):所有分枝依其SNR进行加权相干合并.,1. 选择式合并,选择式合并原理图如下所示。,2.最大比值合并(MRC),在接收端由个统计不相关的分集支路，经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。最大比值合并的原理图如下所示。,3. 等增益合并(EGC),4.1.2 分集合并性能,

6、4.1.3 分集重数和数字传输性能,L： 分集 重数,即使只有两路分集信号进行选择合并，性能改善也很显著。 在1差错率时，所需SNR减小约10dB。因而可以降低发射功率或增大覆盖范围或提高数据传输速率。 最大比合并输出SNR随合并分支数线性提高。 复杂度成为限制因素。,内容,分集技术 分集接收原理 分集合并性能分析与比较 数字化移动通信系统的分集信能 RAKE 接收 信道编码与交织技术 信道编码的基本原理 信道编码的类型 卷积编码 交织 TURBO编码 均衡技术 均衡原理 自适应技术 均衡在蜂窝系统的应用,概念：隐含在信号传输方式中的分集技术。 接收端通过信号处理技术实现分集。 包括： RAK

7、E技术, 利用多径现象来增强信号 交织编码技术，抗深衰落、抗突发干扰； 跳频技术，抗多径、抗衰落、抗干扰； 直接序列扩频技术，抗多径、抗衰落和干扰。,隐分集技术,多径信号分离与合并的关键技术,多径信号分离与信号设计 多径信号分离的基础是采用直接扩展频谱信号。对于直扩序列的码片（chip）宽度为Tc 的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc。并且所采用的直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。 多径合并与合并准则 多径合并是指：接收端对多径信号检测获得的多个相互独立的峰值包络，并对多个峰值进行采样，再以适当的方式合并这些采样值。 多径合并准则有：第一路径准则，最强路径准则，检测后积分准则，等增益合并

8、准则，最大比合并准则，自适应合并准则。具体采用何种准则应依电波传播环境 、系统性能要求等而定。,Rake接收机,RAKE接收机： 利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。 利用多径现象来增强信号 移动通信信道是一种多径衰落信道,RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调,然后叠加输出达到增强接收效果的目的,这里多径信号不仅不是一个不利因素, 变成一个可供利用的有利因素。 目前的CDMA接收机都是基于RAKE接收机原理,Qualcomm RAKE接收机,QualcommRAKE接收机采用的是并行相关RAKE接收机 移动台中的RAKE接收机是由三个并行相关

9、器和一个搜索器构成。搜索器用于搜索最强的多径信号，可搜索3路多径信号，包括多径信号的相位、到达时刻和强度参数，可利用系统中基站发送的导引信号（pilot） 得到它们的估值，搜索相关器的输出控制三路并行相关器，使它们对三路最强的多径信号进行相关，并采用了相关最大比合并准则。 基站中的RAKE接收机是由4个并行相关器和一个搜索相关器构成。因为移动台不发送导引信号，基站接收机无法得到多径信号的相位信息，因此采用非相关最大比合并准则。,小区越区的多径分集 在基站方面是多个基站同时收到一个移动台的信号，每个基站有两副天线，进行空间分集。又进行四路径信号的并行相关RAKE接收和非相关最大比合并。各基站的信

10、号在基站控制器按照“择大”准则完成多径分集。 移动台方面，是有二个或 多个基站同时向它发射信号，搜索相关器选择两路或三路信号按最大比合并准则来完成多径分集。,扇区越区的多径分集 在基站方面，两个扇区同时收到移动台的信号，所接收的信号在 信道接收机按照“最大比合并”准则完成多径分集。 移动台方面，有二个或多个区同时向 它发射信号，搜索相关器选择两路或三路信号按“最大比合并”准则来完成多径分集。 在Qualcomm RAKE接收机中，最多只用4个并行相关器，是基于他们对多径特性的现场测试结果。分析表明，多径分集的路径数的概率分布有：3路径为20；2路径为50；1路 径为28。所以，至少需要具有处理

11、23个路径的分集能力。,RAKE接收机的框图,RAKE接收机采用L个相关器，相邻相关器所处理的时延之差为1/W，每个相关器只从总的接收信号中提取相应延时的那部分多径信号。,内容,分集技术 分集接收原理 分集合并性能分析与比较 数字化移动通信系统的分集信能 RAKE 接收 信道编码与交织技术 信道编码的基本原理 信道编码的类型 卷积编码 交织 TURBO编码 均衡技术 均衡原理 自适应技术 均衡在蜂窝系统的应用,4.3.1 信道编码的基本原理,信道编码是为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。 根据一定的规律，在待发送的信息码元中加入一些冗余的码元，以换取信息码元在传输中的可靠性。 称

12、信源待发送的码元为信息码元； 称加入的冗余码元为监督(校验)码元。 信道编码的目的是以加入最少的冗余码元为代价，换取提高最大的可靠性。 按照加入冗余码元的规律，信道编码可以分为线性和非线性两大类，分别称为线性码和非线性码。 按照监督位完成的功能可划分为仅具发现差错功能的检错码和具有纠正差错功能的纠错码两类。,4.3.2 信道编码的类型,线性分组码：按照代数规律构造，故又称为代数编码。一般可记为(n,k)码，其中k为信息码长度，n为码组长度，而监督位长度为n-k。编译码时按每k个信息码元一组进行。它包括汉明码、BCH码、Fire码、和RS码等。 卷积码：一种非分组的有记忆编码，是以编码规则遵从卷

13、积运算而得名。可记为(n,k,m)码，其中k表示输入信息的位数，n表示输出码元的位数，m表示编码器中寄存器的节数。输出码元n不仅与输入信息位k有关，而且与编码器中记忆的m位有关，通常称l=m+1为约束长度(记忆长度)。其译码既可采用传统的代数方法，也可采用概率方法，而常用的是概率方法。 在数字移动通信中，GSM和IS-95主要采用卷积码，在第三代移动通信中，话音采用卷积码，数据则既可采用卷积码也可采用TURBO码。,4.3.3 卷积码,不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。 优点： 编码直接了当 输出增加了冗余（时间域扩展），因而具有抗噪声能力 缺点 解码复杂 卷积码的表示方法有图解表示法和

14、解析表示法两种,（3,1,3）卷积编码器,（3，1，3）卷积码的约束长度为3，编码效率为1/3，,GSM系统中的卷积码,（1:2,约束长度为5） GSM系统首先将话音分成20ms的音段，这20ms的音段通过话音编码器被数字化话音编码，产生260个比特流，并被分成： 50个最重要比特加上3个奇偶校验比特(分组码) 132个重要比特加上4个尾比特 78个不重要比特,IS95中的卷积码,IS95标准对正反向信道采用不同的编码方式。 正向信道除导频信道外的所有信道均使用（2，1，9）卷积编码；卷积码的码率为1/2. 反向信道使用（3，1，9）卷积编码, 码率为1/3。,卷积码译码,大数逻辑译码,又称门

15、限译码； 该译码方法是从线性码的伴随式出发，找到一组特殊的能够检查信息位置是否发生错误的方程组，从而实现纠错译码。 概率译码 维特比译码 序列译码 门限译码方法是以分组理论为基础的，其译码设备简单，速度快，但其误码性能要比概率译码法差。,Viterbi 译码,维特比译码是1967年维特比提出的一种概率译码法，实质上就是最大似然译码。 译码准则： 在数字与数据通信中，通信的可靠性一般用平均误码率Pe来度量。 由概率论知，最小的Pe等效于最大后验概率。 在信源先验等概的条件下，最大后验概率等效于最大似然概率。 对于无记忆二进制对称信道(BSC)，最大似然概率又等效于最小汉明距离。因此硬判决维特比译

16、码的判决度量值是汉明距离，判决准则是最小汉明距离准则。 软判决维特比译码基于离散无记忆信道(DMC)模型， 判决度量值是似然概率值，判决准则是最大似然准则。 软判决比硬判决的复杂性增加不多，但性能提高1.52dB。故目前的维特比算法中常采用软判决。,4.3.3 交织编码技术,目的：把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠正随机差错的编码技术消除随机误差。 原因：深度衰落时间较长， 人为干扰大， 自然突发噪声。 交织器结构：交织深度 交织深度越大， 抗突发差错能力 越强。,交织器原理,交织器原理,交织、解交织步骤： 发送数据（块）信道编码； 发送端交织存储器为一个行列交织矩阵存储器，它按列写

17、入，按行读出 交织器输出后并送入突发信道的信号 在接收端，将受突发干扰的信号送入解交织器，解交织器也是一个行列交织矩阵的存储器，它是按行写入，按列读出（正好与交织矩阵规律相反），,4.3.4 Turbo码及其关键技术,在ICC93由C. Berrou等人提出 具有接近仙农极限的编码性能 关键技术 递归系统卷积码 非均匀交织器 软输出译码算法 迭代译码 3G 非实时数据通信广泛采用了TURBO码,多径衰落信道Turbo码的性能,重点和难点： 信道估计 多径信道信道信息在Turbo码译码中的应用 概率计算的闭合形式及简化 解决办法： 将单径瑞利信道译码方法推广 不利用信道信息，通过高斯函数逼近接收

18、机输出的判决变量分布的译码方法,内容,分集技术 分集接收原理 分集合并性能分析与比较 数字化移动通信系统的分集信能 RAKE 接收 信道编码与交织技术 信道编码的基本原理 信道编码的类型 卷积编码 交织 TURBO编码 均衡技术 均衡原理 自适应技术 均衡在蜂窝系统的应用,4.4 均衡技术,概念：对移动信道特性进行均衡，矫正信道传输函数使其满足无失真传输条件。 目标：抵消信道的时变,多径传播特性引起的码间串扰，消除信道的频率选择性和时间选择性。 分类：频域均衡校正幅频特性和群延时，模拟通信 时域均衡使冲击响应无码间串扰，数字通信 应用：信号不可分离多径，时延扩展足够大。 抗时变性：自适应参数调

19、整自适应均衡,4.3.1 时域均衡原理,Nyquist第一准则， 理想传输，信道失真 均衡：利用信道均衡器使总的脉冲响应函数接近理想状态，消除非理想信道引起的码间串扰。 实现方法：横向滤波器，调节权系数使其它时刻的信号在分析时为零。,均衡准则与分类,均衡准则-“估计”问题系数收敛 最小峰值失真准则, 使干扰的峰值最小 最小均方误差准则, 估值的误差均方值最小 分类:,4.4.2 自适应均衡器时变滤波器,动态调整滤波器的特性和参数,使其能跟踪信道的变化. 自适应均衡算法 自适应均衡器工作状态：训练方式自适应均衡工作状态和跟踪方式自适应均衡状态。在训练方式工作状态，发送已知的测试序列启动均衡器并使之迅速收敛，完成抽头系数加权的初始化。跟踪方式工作状态，均衡器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。因此它能自动适应信道的随机变化，保持在最佳均衡准则下的信道均衡。,最小均方误差算法(LMS) 递归最小二乘算法(RLS) 快速递归最小二乘算法 (F-RLS) 平方根递归最小二乘算法 (SR-RLS),梯度递归最