移动通信4 抗衰落技术.

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1、1,第 四 章 抗衰落技术,分集技术 Rake 接收技术 信道编码 均衡技术,2,4.1 分集技术-（1）概述,分集技术的含义: 发射端分散传输，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； 接收端集中处理，把接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。 分集接收 把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号来改善接收信号的质量。 作用 充分利用接收信号； 减小在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。,3,4.1 分集技术-（1）概述,分集技术是抗衰落的有效措施之一 分集技术可以分为宏分集和微分集两大类 宏分集 “多基站”分集，可以减小慢衰落（如

2、阴影衰落）的影响； 微分集 在空间、时间、频率、极化、场分量、角度等方面分离无线信号，用来减小快衰落影响。,4,4.1 分集技术-（2）宏分集,5,设基站A接收到的信号中值为 , 基站B接收到的信号中值为 ,它们都服从对数正态分布。 若 ,则确定用基站A与移动台通信； 若 ,则确定用基站B与移动台通信。 如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。 基站数视需要而定,4.1 分集技术-（2）宏分集,6,4.1 分集技术-（3）微分集,时间分集 同一信号在不同的时间区间内多次重发，并且重发的时间间隔足够大（ ，衰落独立），则接收机将重复收到的同一信号进行合并，就可以

3、减小衰落的影响。 空间分集 在相隔足够大的距离d 的两个位置接收同一信号，则两处所接收到的信号不相关，因此接收机采用两副天线当天线距离d足够大时可以实现空间分集。实际测量表明，通常在市区，取 ,在郊区可以取 。 频率分集 两个频率间隔大于信道的相干带宽的信号所遭受的衰落不相关，因此采用两个以上不同频率传输同一信息可以实现频率分集-设备复杂，频谱利用率低。,7,4.1 分集技术-（3）微分集,极化分集 不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因此收发两端采用不同极化的天线分别发送和接收信号可以获得分集效果。 角度分集 使电波通过几个不同路径，并且以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收

4、天线来分离不同方向的信号分量在加以合并处理来获得抗衰落的效果适用于较高频率。 场分量分集 在移动信号中，电磁波的E场和H场在有相同的信息，并且Ez、Hx、Hy的分量互不相关，因而通过接收三个场分量也可以获得分集的效果。,8,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式,M 重分集对这些信号的处理概括为M 条支路信号的线性叠加：,其中 为第k支路的信号； 为第k支路信号的加权因子。 信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不同,形成3种基本的合并方式：选择合并（SC）、最大比合并（MRC）和等增益合并（EGC）。,9,在下面的讨论中假设： 每支路的噪声与信号无关，为零均值、功率恒定的加性噪声。

5、 信号幅度的变化是由于信号的衰落，其衰落的速率比信号的最低调制频率低许多。 各支路信号相互独立，服从瑞利分布，具有相同的平均功率。,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式,10,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（选择合并 ）,在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出，这相当于在M个系数 中，只有一个等于1，其余的为0。,11,由于M个分集支路的衰落是互不相关的，所有支路的k（k=1，2，,M）同时小于某个给定值x的概率为(假定各支路经历瑞利衰落),若x为接收机正常工作的门限，F(x)就是通信中断的概率。而至少有一支路信噪比超过x的概率就是使系统能正常通信的概率（可通率）为,4

6、.1 分集技术-（4）分集的合并方式（选择合并 ）,12,F（x） x的关系如图4.8所示。,由此可以看出，在给定的门限信噪比情况下，随着分集支路数的增加，所需支路接收信号的平均信噪比在下降。,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（选择合并 ）,13,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（最大比合并）,在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相，然后相加。这样合并器输出信号的包络为,14,输出的噪声功率等于各支路的输出噪声功率之和,于是合并器的输出信噪比为,希望输出的信噪比有最大值，根据许瓦兹不等式 令 即当加权系数 满足,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（最大比合并）,15,则有

7、,这表明，若第k支路的加权系数k和该支路信号幅度rk成正比，和噪声功率Nk成反比，则合并器输出的信噪比有最大值，且等于各支路信噪比之和：,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（最大比合并）,16,F（x） x的特性如图4.11所示：,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（最大比合并）,通信中断概率 ：,17,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（等增益合并）,合并器输出的信号的包络等于,18,设各支路噪声平均功率相等，输出的信噪比为,概率密度函数是比较困难的，可以用数值方法求解，但M=2时其累积分布函数为（推导过程略）：,对于M2的情况，要求得,的累积分布函数和,4.1 分集技术-（4）

8、分集的合并方式（等增益合并）,19,F(x)特性如图4.14所示：,4.1 分集技术-（4）分集的合并方式（等增益合并）,20,4.1 分集技术-（5）各合并方式的性能比较,为了比较不同合并方式的性能，可以比较它们的输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比。这个比值称作合并方式的改善因子，用D表示。,等增益合并,最大比合并,选择合并,通常用dB表示：D(dB)=10lg(D)，图4.15给出了各种D(dB)M的关系曲线。,21,从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合并改善最多，其次是等增益合并，最差是选择合并，这是因为选择合并只利用其中一个信号，其余没有被利用，而前两者各支路信号的能量都得到

9、利用。,4.1 分集技术-（5）各合并方式的性能比较,22,4.1 分集技术-（5）各合并方式的性能比较,把 看作是衰落信道中给定信噪比,的条件概率。则平,式中 即为M重分集的信噪比 概率密度函数。下面以二重分集为例说明分集对二进制数字传输误码的影响。并以差分相干解调DPSK 为例进行说明。DPSK的误码率为,均错误概率,23,1. 采用选择合并器的DPSK误码特性,2 . 采用最大比值合并器的DPSK误码特性,3. 采用等增益合并器的DPSK误码特性,4.1 分集技术-（5）各合并方式的性能比较,24,由图可见，二重分集对无分集误码特性有了很大的改善。,4.1 分集技术-（5）各合并方式的性

10、能比较,25,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，从而利用各多径信号分量的能量来改善接收信号的质量。 用于扩频CDMA通信系统中：信号的频谱扩展使信号获得了频率分集 ，可分离的多径数为 多径信号的分离接收也是一种时间分集 RAKE接收机的原理图如下,4.2 RAKE接收技术-多径分离接收机(RAKE receiver),26,4.3 信道编码-（1）概述,基本思想 通过引入可控制的冗余比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。 作用 尽量减小信道噪声或干扰的影响，是用来改善通信

11、链路性能的技术。,27,4.3 信道编码-（1）概述,传统的信道编码通常分成两大类即分组码和卷积码 分组码中,每组码附加若干位监督码元,监督码元仅监督本码组中的信息码元； 卷积码中，监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且与前若干组的信息元有关。 上世纪90年代出现Turbo码 把调制和编码看作一个整体来考虑的网格编码调制TCM（Trellis coded modulation）,28,4.3 信道编码-（1）概述,许用码组与禁用码组 许用码组：满足某种校验关系，准许用来传送消息的码组； 禁用码组：许用码组以外的码组，不满足该校验关系。 码重与码距 码重：码组中非零码元的数目； 码距：两个码组中

12、对应码位上具有不同二进制码元的位数，又称汉明距。 最小码距：某种编码中各个码组间距离的最小值,29,4.3 信道编码-（2）线性分组码,1、基本概念 二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量 a=(a1,a2,.ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的 码字C。,式中G为kn的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n, k) 分组码。 对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)n矩阵H满足,30,H称作监督矩阵，它也满足,任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表示

13、为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。理论分析表明： （n, k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是,或,4.3 信道编码-（2）线性分组码,31, （n, k）线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是, （n, k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l t）个错误的充分必要条件是,译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码字为C,接收到的码字R=C+e,其中e为错误图样，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e为全零矢量。定义接收码字R的伴随式（或校验子）为,4.

14、3 信道编码-（2）线性分组码,32,如果S=O,则R是一个码字；若S,O,则传输一定有错。,由于,可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字无关；(n , k)线性码对接收码字的译码步骤如下： 计算伴随式ST=HRT; 根据伴随式检出错误图样e；, 计算发送码字的估值,；,4.3 信道编码-（2）线性分组码,33,4.3 信道编码-（2）线性分组码,2、典型线性分组码 （1） 汉明码 汉明码是最早(1950)出现的纠一个错误的线性码 其主要参数如下： 码长 n=2m-1; 信息位数：k=2m-m-1;,34,（2）循环码 （n , k）线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码

15、的码字 循环码的编码步骤为： 计算Dn-km(D)，m(D)为信息码元多项式； 计算Dn-km(D)/g(D) 得余式r(D)，g(D)为生成多项式，r(D)为监督码元多项式； 得到码字多项式 A(D)= Dn-km(D)+ r(D)； 码多项式：为了用代数理论研究循环码，将码组用多项式表示，简称码多项式。如 的码多项式为 循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循环码称作循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)。,4.3 信道编码-（2）线性分组码,35,4.3 信道编码-（2）线性分组码,3、线性分组码在移动通信中的应用 （1） CDMA系统中的线性分组码 在C

16、DMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和反向链 路在信道中消息是以帧的形式来传送的。例如，图4.17是全速率（9600bit/s）前向业务信道的帧结构。,这是一个（n, k）=(172+12,172)=(184,172)分组码。其生成多项式为：,36,（2） GSM系统中的循环冗余校验码(CRC码) 在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC码。例如话音编码采用规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260 bit,即速率为13kbit/s。,4.3 信道编码-（2）线性分组码,37,4.3 信道编码-（3）卷积码,卷积码编码器 状态图 (State Diagram) 网格图（Trel