《移动通信chapter4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信chapter4（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 抗衰落技术,4.1 分集接收 （diversity） 4.2 RAKE接收 ( RAKE receiver ) 4.3 纠错编码技术( detect or correct coding ) 4.4 均衡技术( equalization ),抗信道衰落技术,这三种技术既可单独使用，也可组合使用。但是在实际的无线通信系统中，每种技术在实现方法、所需费用和实现效率等方面具有很大的不同。,均衡 分集 信道编码,4.1 分集接收（diversity）,分集技术主要解决的问题是如何利用多径信号来改善系统的性能，提高多径衰落信道下传输的可靠性。,分集技术是一种主要的抗衰落技术。,分集是指通过两条或两
2、条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。,选择式分集合并示意图：,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。,A与B：代表两个同一来源的独立衰落信号。,选择式分集接收的合成信号图：,1. 什么是分集接收,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。,分集有两重含义：,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。,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；,分散传输,集中处理,2. 分集方式,（1）“宏分集”,（2）“微分集”, 减小慢衰落影
3、响的分集技术。, 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。,主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。,把多个基站设置在不同的地理位置上和不同方向上，同时和小区的一个移动台通信，移动台可以选用其中信号最好的一个基站进行通信。,应用：,采用方法：,角度分集,极化分集,（3）“微分集”实现方法,空间分集,频率分集,时间分集,2. 分集方式,（1）“宏分集”,（2）“微分集”,3. 合并方式,如果从接收端合并所处的位置看，合并可以在检测以前的射频或中频上进行，也可以在检测以后即基带上进行合并，实际上常采用基带合并。,3. 合并方式,选择式合并（selection combini
4、ng）,最大比值合并(maximal ratio combining),等增益合并 (equal gain combining),ak为第k个信号的加权系数。,假设 M 个输入信号电压为r1(t)，r2(t),， rM(t)，则合并器输出电压r(t)为：,选择不同的加权系数， 就可构成不同的合并方式。,选择式合并指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。,(1) 选择式合并（selection combining）,在选择式合并器中，加权系数只有一项为1， 其余均为0。,(2) 最大比值合并 (maximal ratio combining),每一支路的
5、加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即：,合并器输出信号：,(3) 等增益合并(equal gain combining),等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加。,等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。,最大比值合并,等增益比值合并,1）在相同分集重数下，最大比值合并改善信噪比最多，等增益方式次之； 2）在分重数较小时，等增益方式性能接近最大比值方式； 3）选择式合并性能最差，但实现方式最简单。,4.分集技术在移动通信中的应用,1) 空间分集 2）极化分集 3) 频率分集 4) 时间分集,原理：在空间不同垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射
6、天线的信号，然后合成或选择其中一个强信号。,1) 空间分集,d：保证接收天线输出的信号的衰落特性是相互独立的。,接收天线间的距离：,空间分集是利用不同地点接收到的信号在统计上不相关性，即衰落性质上的不一样，实现抗衰落的性能。,（一般，分集天线数 N = 2 4）,空间分集基站天线结构,2)极化分集,利用单个天线水平与垂直极化方向上的正交性来实现分集功能的。,发射接收共用一副天线,优点：结构紧凑、节省空间。,缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端功率要分配至正交极化馈源上将产生3dB的损失，因此性能较空间分集差。,3)频率分集,原理：采用两个或两个以上具有一定间隔的频率同时发送和接
7、收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响的工作方式。,应用：采用扩频技术的CDMA系统的接收机就是利用频率分集来改善接收信号的信噪比。,频率间隔：,（ ：时延扩展。）,例：城市中若使用800900MHz频段（指第二代移动通信中的IS-95与GSM），典型的时延扩展值为5us，则,优、缺点：频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接收天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源。,4)时间分集,原理：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。,重发时间间隔
8、：,可见，时间分集对于处在静止或准静止步行状态的移动用户几乎是无用的。,优缺点：时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。,4.2 RAKE 接收 （隐分集）,注意：并不是所有的多址方式都可以使用RAKE接收技术。,定义：所谓RAKE接收机，就是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。,RAKE接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中，因此又称它为隐分集或带内分集。,一、RAKE接收基本原理,1、多径时延功率谱,连
9、续型时延功率谱,离散型时延功率谱,（三角形表示伪随机码的相关函数）,RAKE接收就是利用扩频码信号设计，及其RAKE接收的信号处理，即利用扩频码的相关接收，将移动信道中实际扩散信号能量分离开并加以有效的利用。,在接收端的多径传播信号可以用下列矢量图表示如下：假设有三条主要传播路径，,若采用扩频信号设计与RAKE接收的信号处理后，三条路径信号矢量图可改变成如下形式：,2、多径信号的合成,3、RAKE接收机的实际应用,对于IS-95系统，在城市繁华区，其多径时延大约为5us，而IS-95的扩频信号带宽为1.25MHz，则频率分集的载波间隔：,因此，在理论上可提供的分集重数：,但由于多径时延扩展是随
10、机的，实际上有利用价值的不超过34径，即相当于34重分集效果。,故由上分析，RAKE接收的多径分集属于频率分集。,二、简化的RAKE接收机组成,等增益合并,原理：将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，通过延时和相位校准，使它们在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，能够有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。,多径传播,时间离散,h(),无线传播环境,衰落,RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能！,Rake接收机,分集技术,分集技术分类：,4.3 纠错编码技术 ( detect or correct coding ),信道编码：信息传输的可靠性。,编码分为
11、信源编码和信道编码两大类：,信源编码：信息传输的有效性；,分组码（汉明码、循环码、BCH码、RS码等）,卷积码,Turbo码,信道编码方式：,1. 分组码的基本思想,把k个信息比特的序列编成n个比特的码组，每个码组的（ n - k ）个校验位仅与本码组的k个信息位有关。,分组码以(n, k)表示，编码效率：Rc = k/n。,为达到一定的纠错能力和编码效率，分组码的码组长度比较大。编译码时必须把整个信息码组存储起来，由此产生的延时将随着n的增加而线性增加。,2.卷积码,卷积码也是分组的，但它的监督元不仅与本组的信息元有关，而且还与前若干组的信息元有关。,这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，
12、而且可纠正突发差错。,p j = mjmj-1,（2，1）卷积码编码器结构,举例：(2，1)卷积码的工作原理,译码器,（2，1）卷积码译码器结构,具体分析见P153155！,交织编码主要用来纠正突发差错，即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。,3、交织编码,交织编码不像分组码， 它不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变， 因此不影响有效性。,一般在交织之前， 先进行分组码编码， 例如采用(7，3)分组码， 其中信息位为 3 比特，监督位为 4 比特， 每个码字为 7 比特。,交织编码本身并不具备信道编码检、纠错功能，仅起到信号预处理的作用。,交织的方法：,交错度：m 的数字越大，能纠正的
13、突发长度也越长，m称为交错度。它表示纠突发差错的能力。,存在的问题：交织时，收发双方均要进行先存后读的数据处理，所以存在处理时间的延迟。,例如：GSM的交织方式，见书P248,1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0,Original data:,Transmitted matrix,received matrix,1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0,writing,reading,writing,reading,Channel:,交织方法举例,交织编码具有检错纠错功能吗？,交织编码的理解,交织编码，严格地说，它并不是一类信道编码，而只是一种改
14、造信道的信息处理手段。它本身并不具备信道编码最基本的检错和纠错功能，只是将信道改造成随机独立差错的信道，以便更适合于纠随机独立差错的信道编码的充分应用。,因此，交织编码不会单独使用，而是与其他信道编码方法配合使用。,GSM系统的信道编码,分组码,卷积码,GSM系统典型编、译码器框图,它包含三步：用分组码进行外编码；用卷积码进行内编码；采用重排和交织技术，以改造突发信道。,4.4 均衡技术,1、引入均衡的目的： 是减轻或消除由于频率选择性衰落造成的符号间的干扰。,一、概述,例：GSM系统的符号速率较高，一般满足 的条件，所以必须使用自适应均衡技术。,均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方
15、法。,2、均衡的方法,它主要从频域角度来满足无失真传输条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的固定式有线传输网络中。,它主要从时间响应考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足理想的无码间串扰的条件。,频域均衡,时域均衡,3、时域均衡器的分类,线性均衡器线性均衡器结构相对比较简单，主要实现方式为横向滤波器。, 非线性均衡器在最小序列误差概率准则下，最大似然序列判决MLSD是最优的，但是其实现的计算复杂度是随着多径干扰符号长度L呈指数增长。,广泛使用非线性均衡器,Principle of equalization, First, a known, fixed-
16、length training sequence is sent by the transmitter so that the receivers equalizer may adapt to a proper setting for minimum bit error rate detection.,The general operating modes of an adaptive equalizer include training and tracking., Immediately following this training sequence, the user data (which may or may not include coding bits) is sent, and the adaptive equalizer at the receiver utilizes a recursive algorithm to evaluate the channel and estimate filter coefficients to compensate for the distortion created by multipath in the channel.,
