移动通信(第4章)

《移动通信(第4章)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信(第4章)（182页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、移动通信 朱仁祥 zhurx 电子与信息工程学院 第四章抗衰落和链路性能增强技术 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 4 1内容概述 信道编码技术 扩频技术 多天线和空时编码 分集接收 基本思想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的能量来改善接收信号的质量 作用充分利用接收信号的能量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 信道编码 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

2、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 是用来改善通信链路性能的技术 信道均衡 当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时 信号产生频率选择性衰落 接收信号就会产生失真 它在时域表现为接收信号的码间干扰 所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器的网络 以补偿信道引起的失真 均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变化而自行调整 扩频技术 克服多径干扰 频率分集和时间分集 第三代移动通信无线传输的主流技术 多天线和空时编码 多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置 充分利用空间信息 大幅度提高信道容量的一种技术 之前所说的多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种特例SIMO 它

3、是一种抗衰落的传统技术 后续的研究表明 如果采用多天线发送 并且发送天线数不太大时 随着发送天线数的增加 信道容量也相应的增加 由此也推动了无线通信领域对于MIMO技术研究的热潮 此外 基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关 使得在接收端可以进行分集接收 从而大大提高了信号质量 链路自适应技术 由于无线信道的特性是复杂的 包含了时 频 空三维的衰落 如果能够根据信道的特性自适应地调整传输速率 在信道条件好时提高传输速率 信道条件差时降低传输速率 那么就可以有效地提高平均吞吐量 我们将具体介绍AMC和HARQ两种链路自适应技术 4 2分集技术 分集接收是抗衰落

4、的有效措施之一分集技术可以分为宏观分集和微观分集宏观分集 阴影衰落微观分集 微观衰落合并技术 获得M个相互独立的多径信号分量 然后对它们进行处理以获得信噪比的改善 分集接收原理1 什么是分集接收所谓分集接收 是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立 携带同一信息 的信号进行特定的处理 以降低信号电平起伏的办法 为说明问题 图1给出了一种利用 选择式 合并法进行分集的示意图 图中 A与B代表两个同一来源的独立衰落信号 如果在任意时刻 接收机选用其中幅度大的一个信号 则可得到合成信号如图中C所示 由于在任一瞬间 两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的 因此合成信号C的衰落程度会明显减小

5、 不过 这里所说的 非相关 条件是必不可少的 倘若两个衰落信号同步起伏 那么这种分集方法就不会有任何效果 图1选择式分集合并示意图 分集有两重含义 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 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并 包括选择与组合 以降低衰落的影响 2 分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式 一类称为 宏分集 另一类称为 微分集 宏分集 主要用于蜂窝通信系统中 也称为 多基站 分集 这是一种减小慢衰落影响的分集技术 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上 如蜂窝小区的对角上 和在不同方向上 同时和小区内的一个移动台进行通信

6、可以选用其中信号最好的一个基站进行通信 显然 只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落 基站天线的架设可以防止这种情况发生 这种办法就能保持通信不会中断 微分集 是一种减小快衰落影响的分集技术 在各种无线通信系统中都经常使用 理论和实践都表明 在空间 频率 极化 场分量 角度及时间等方面分离的无线信号 都呈现互相独立的衰落特性 据此 微分集又可分为下列六种 1 空间分集 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号 只要两个位置的距离大到一定程度 则两处所收信号的衰落是不相关的 为此 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的

7、天线 间隔距离d与工作波长 地物及天线高度有关 在移动信道中 通常取 市区d 0 5 1 郊区d 0 8 2 2 频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息 以实现频率分集 根据相关带宽的定义 即 式中 为延时扩展 例如 市区中 3 s Bc约为53kHz 这样频率分集需要用两部以上的发射机 频率相隔53 kHz以上 同时发送同一信号 并用两部以上的独立接收机来接收信号 它不仅使设备复杂 而且在频谱利用方面也很不经济 3 极化分集 由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性 因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极

8、化的天线分别发送和接收信号 以获得分集效果 4 场分量分集 由电磁场理论可知 电磁波的 E场和H场载有相同的消息 而反射机理是不同的 例如 一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90 即当E波为最大时 H波为最小 在移动信道中 多个E波和H波叠加 结果表明EZ HX和HY的分量是互不相关的 因此 通过接收三个场分量 也可以获得分集的效果 场分量分集不要求天线间有实体上的间隔 因此适用于较低工作频段 例如低于100MHz 当工作频率较高时 800 900MHz 空间分集在结构上容易实现 场分量分集和空间分集的优点是这两种方式不像极化分集那样要损失3dB的辐射功率 5 角度分集 角度分集的作法是

9、使电波通过几个不同路径 并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天线能分离出不同方向来的信号分量 由于这些分量具有互相独立的衰落特性 因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果 6 时间分集 快衰落除了具有空间和频率独立性之外 还具有时间独立性 即同一信号在不同的时间区间多次重发 只要各次发送的时间间隔足够大 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的 接收机将重复收到的同一信号进行合并 就能减小衰落的影响 时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号 此外 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象 由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关 因而为了使重复传

10、输的数字信号具有独立的特性 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系 3 式中 fm为衰落频率 v为车速 为工作波长 例如 移动体速度v 30km h和工作频率为450MHz 可算得 T 40ms 若移动台处于静止状态 即v 0 由式 3 可知 要求 T为无穷大 表明此时时间分集的得益将丧失 换句话说 时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落 4 2 3分集的合并方式及性能 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fk t 为第k支路的信号 k t 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 最大比值

11、合并和等增益合并 4 2 3分集的合并方式及性能 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 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 1 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 k t 中 只有一个等于1 其余的为0 1 选择合并 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 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

12、概率 可通率 为 1 选择合并 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 2 最大比值合并 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 2 最大比值合并 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 根据许瓦兹不等式若使加权系数 k满足 2 最大比值合并 则有 这结果表明 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 通信中断概率F x

13、2 最大比值合并 F x x的特性如图4 11所示 3 等增益合并 合并器输出的信号的包络等于 3 等增益合并 对于M 2的情况 要求得的累积分布函数和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 设各支路噪声平均功率相等 输出的信噪比为 3 等增益合并 F x x特性如图4 14所示 4 2 4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 选择合并 最大比值合并 等增益合并 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 4 2

14、4性能比较 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 而前两者把各支路信号的能量都得到利用 4 2 5分集对数字移动通信误码的影响 把Pe看作是衰落信道中给定信噪比 的条件概率 则平均错误概率 式中PM 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 4 2 5分集对数字移动通信误码的影响 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

15、码特性 4 2 5分集对数字移动通信误码的影响 由图可见 二重分集对无分集误码特性有了很大的改善 4 3信道编码 概述 分组码 卷积码 Turbo码 信道编码 4 3 1内容概述 传统的信道编码 分组码和卷积码上世纪90年代出现Turbo码把调制和编码看作是一个整体来考虑的网格编码调制TCM Trelliscodedmodulation 4 3 2分组码 分组码 基本描述 例子 在移动通信中的应用 分组码的基本描述 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k n的矩阵 称作生成矩阵 Rc k n称作编码率 长

16、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 分组码的基本描述 H称作校验矩阵 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 分组码的基本描述 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 分组码的基本描述 定义接收码字R的伴随式 或校验子 为 如果S 0 则R是一个码字 若S 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 根据伴随式捡出错