移动通信的课件

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1、移移 动动 通通 信信 Mobile CommunicationsMobile Communications华南农业大学1l分集接收分集接收相关因素天线的高度h分集接收天线间的距离d接收信号到达角（来波角）l来波角为0度时作用最大l来波角为90度时作用最小 发 射 方 向d基站天线天线与无线环境2分集接收距离l通常基站的高度在3060米之间，天线的间距在46米之间，天线愈高要求的天线间距愈大，但天线间距超过6米时在塔上安装很困难。所以，当基站天线必须安装在铁塔上时，分集天线间距最大取到6米，这时分集增益将有所下降。当天线安装在屋顶时，应尽量拉开天线间距，使d=0.11h。l分集天线的有效高度与

2、间距分集天线有效高度/m305060708090100分集天线间距/m3.45.66.77.88.91011.1天线与无线环境3v 衰落的定义：在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响 而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落 。v 衰落的分类l按频率特性：平坦衰落和频率选择性衰落。l按时间特性：快衰落和慢衰落。v 衰落的影响：l接收电平降低，无法保证正常通信。l接收信号畸变，产生严重的误码。l传播延时变化，破坏与时延有关的同步。l在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过 程。第四章 抗衰落技术4平坦衰落的对抗技术l非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低。l统计特性：

3、平均接收电平及接收电平降低到某个门 限值以下的概率。l抗衰落的原理：衰落储备法。l衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增 益、减少通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪 比的要求等。第四章 抗衰落技术5频率选择性衰落的对抗技术l频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的。l多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个 非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而 产生码间串扰，使有效的Eb/No恶化。l对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影响。l对抗频率选择性衰落的主要方法： 分集技术； 瑞克技术； 均衡技术； 纠错技术。第四章 抗衰落技术6v分集的基础：各独立的信

4、号传播路径同时经历深度衰落 的概率很低。4.1 分集接收分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性相 互独立(携带同一信号)的信号进行特定的处理，以 降低信号电平起伏的办法。7v 原理：接收端对它收到的多个衰落特性相互独立(携带同一信号) 的信号进行合并，以降低信号电平起伏的办法。v 目标：对抗多径造成的衰落和延时串扰v 技术：如何获得独立多径信号如何合并获得独立多径信号v 本质：对同一信号在不同空间/频率/极化/时间的过取样4.1 分集接收8分集的两重含义一是分散传输，是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，接收机将收 到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落

5、的 影响。分集方式宏分集：“多基站分集”，把多个基站设置在不同的位 置和不同的方向上，用来减小慢衰落。微分集：减小快衰落，空间/频率/极化/角度/时间分集4.1 分集接收9l设基站A接收到的信号中值为mA, 基站B接收到的信号中值 为mB,它们都服从对数正态分布。若mA mB,则确定用基 站A与移动台通信；若mA Bcf1f24.1 分集接收15v 极化分集l水平极化和垂直极化的信号相互正交。l在发端和收端都装上垂直极化天线和水平极化天 线，就可得到衰落特性不相关的信号。l优点是结构比较紧凑，节省空间。l缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号 功率将有3dB的损失。4.1 分集接收16v

6、智能天线-空间角度分集l利用天线阵的波束赋性产生多 个独立的波束并自适应的调整 波束方向来跟踪每一个用户l形成方向图在不同的方向上给 予不同的增益,可以提高接收 信号的信噪比,从而提高系统 的容量l可以将频率相近但空间可分离 的信号分离开分集技术17v智能天线l提高SINR改善通信质量l增加系统容量提高用户数量l提高频谱利用率l扩大通信覆盖区域l降低基站发射功率l自动跟踪用户信号位置定位l减小用户发射功率提高电池寿命4.1 分集接收18v时间分集l对信号振幅进行顺序取样，在时间上间隔 足够远的两个样点是互不相关的。l将信号相隔一定的时间间隔重复传输M次， 只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M

7、 条独立的分集支路。l当移动台处于静止状态时，时间分集基本 是没有用处的。 4.1 分集接收19v时间分集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。t1t24.1 分集接收-接收信号相互独立的条件:20vRake接收-时间分集 对时间上扩散的多径信号进行分集，尽可能多 的获取信号能量。 根据信道估计的结果来进行多径信号合并。 对于CDMA系统，当多径延时大于一个码片时， 多径信号可以看成是不相关的。4.1 分集接收21相关1相关2相关MRAKE接收机框图积分 判决a1a2aMCDMA 多径信号判决输出4.1 分集接收RAKE接

8、收：是指对分别接收的每一路信号进行解 调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的。仅仅 适用于CDMA系统。22vRAKE接收机工作过程l假设接收信号中可以分离出M个不同延时的多径分量l相关器1和支路1同步，相关器2和支路2同步l对各个相关器的输出进行加权，然后相加l进行判决再生，恢复出数字信息l加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准则 、最大信噪比准则等。4.1 分集接收23v 从分集信号中以什么方式作为输出？l选择式合并：选择最好的支路作为输出， 其它支路丢弃。l等增益合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后进行等增益相加。l最大比合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后按照各个支路的

9、信噪比数值进 行加权相加。4.1 分集接收24合并性能：合并前、后信噪比的改善程度最大比等增益选择式合并4.1 分集接收信噪比改善因子 ：分集接收机合 并器输出的平均 信噪比相对无分 集接收机的平均 信噪比改善的分 贝数。25Diversity Technique26Diversity Technique27Diversity Technique28Diversity Technique29Diversity Technique304.4 均衡技术4.4.1 均衡的原理均衡技术是指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这

10、就需要采用均衡技术来克服码间干扰。在一个通信系统中， 我们可以将发射机（含调制器）、 信道和接收机(含接收机前端、 中频和检测器中的匹配滤波器)等效为一个冲激响应为f(t)的基带信道滤波器。 假定发端的信号为x(t)， 则接收端的均衡器接收到的信号为(4-79) 31图4-27 等效的无线传输系统的结构32l设均衡器的冲激响应为heq(t)， 则均衡器的输出为 （4-80 ） （4-81） 式中, cN是均衡器的复系数。 式中， g(t)=f*(t) heq(t)是f(t)和均衡器的复合冲激响应。 对于一个横向滤波式的均衡器， 其冲激响应可以表示为33（4-82 ） 该式就是均衡器要达到的目标

11、， 在频域中上式可以表示为（4-83 ） 假定系统中没有噪声， 即Nb(t)=0， 则在理想情况下， 应有 ， 在这种情况下没有任何码间干扰。 为了使 - 成立， g(t)必须满足下式：式中,Heq(f)和F*(-f)分别为heq(t)和f(t)的Fourier变换。 34在具体数字化实现时，设x(t)和 的采样值为xk和 ， 则均衡器的设计就是按照某种最佳的准则来使xk和 或者xk和dk之间达到最佳的匹配。例如, 我们关心均衡器的输出采样点（波形）与发端波形是否一致， 此时可使xk和 的均方误差 最小。如果我们将上述准则进行扩展 ，不直接关心波形而关心单个输出的符号dk或输出符号的序列 dk

12、， 则我们可以采用最大后验概率（MAP）准则或最大似然（ML）准则，即（4- 84) （4-85 ） 354.4.2 自适应均衡技术自适应均衡器是一个时变滤波器， 它必须动态地调整其特性和参数， 使其能够跟踪信道的变化， 在任何情况下都能 够使式(4-83)或（4-84）或（4-85)得到满足。 图4-28中的自适应均衡器的基本结构称为横向滤波器结构。它有N个延迟单元（z-1）、N+1个抽头、N+1个可调的复数乘法器（权值）。这些权值通过自适应算法进行调整，调整的方法可以是每个采样点调整一次，或每个数据块调整一次。 36图4-28 自适应均衡器的基本结构37（4-87 ） 权值矢量 wk （4

13、-88 ） 为了描述图4-28中的自适应均衡算法， 采用矢量和矩阵的方法比较方便。 均衡器的输入矢量 yk可以定义为yk=yk yk-1 yk-2 yk-NT （4-86）均衡器的输出为38l 利用式（4-86）和（4-88）， 则式（4-87） 可以写成 （4-89） 若所希望的均衡器输出是已知的， 即d= xk， 则误差信号ek为 （4-91） （4-92） 利用式（4-89）有（4-90）进而有 39对上式求均值， 就可以得到ek的均方误差：（4-93） 为了对式（4-93）进行最小化， 还用到一个互相关矢量 p 和输入相关矩阵R ， 它们的定义分别为p =Exk yk=Exkyk xk

14、yk-1 xkyk-2 xkyk-NT （4-94 ）（4-95） 40均方误差(mSE) （4-96 ） R 有时也被称为协方差矩阵， 它的对角线上的元素是输入信号的均方值，其他交叉项为输入信号的不同延迟样点的自相关值。 如果xk和 yk是平稳的， 在 p 和 R 中的元素是二阶统计量， 则它们是不随时间变化的。 利用式（4-93）、 （4-94）和（4-95）得：41（4-97 ） 将式（4-96）代入上式得： （4-98 ） 将上式对 wk求最小， 就可以得到 wk的最佳解。 为确定最小的mSE(即MMSE)， 可以利用上式的梯度（GradieNt）。 只要 R 是非奇异的（其逆矩阵存在

15、）， 则当 wk的取值使梯度为0时， MSE最小。 的梯度定义为l令 =0， 可得MME对应得最佳权 值为 （4-99 ） 42（4-100）将上式代入式（4-96），并利用下列矩阵性质：对于一个方阵,有(AB)T=BTAT；对于一个对称矩阵,有AT=A和(A-1)T=A-1。则可得均衡后的最小均方误差为43l图4-29 均衡器类型、结构和算法 44*4.4.3线性均衡技术线性均衡器的基本结构是线性横向滤波器型结构，如图4-30所示。图中c*N是横向滤波器的复滤波系数（抽头权值），时延单元长度为T，抽头总数为N=N1+N2+1，N1和N2分别表示前向和后向部分的抽头数。45图4-30 线性横向滤波器型结构46l在该均衡器中 ，有 （4-101） 47l 1.最小均方误差算法(LmS)l 最小均方误差算法(LmS)与mmSE的原 理相同。此时的估计误差式（4-90）被称为预 测误差。对于一个给定的信道，其预测将取决 于抽头的权值wN，令代价函数J(wN)即为均方 误差（式（4-96），则使MSE最小就是使下 式为0：（4-102 ） （4-103 ） 也就是抽头的权值wN应满足下式：48此时的最佳（最小）的代价函数值为 （4-104 ） 有很多方法来求解式（4-102），最直接的方法就是矩阵求逆