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1、第四章 抗衰落技术,移动通信,主 要 内 容,分集接收,信道编码,扩频通信,均衡技术,Mobile Communication Theory,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,Mobile Communication Theory,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，从中发现错误或进行纠错。 作用 尽量减小信道
2、噪声或干扰的影响，是用来改善通信链路性能的技术。,Mobile Communication Theory,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。,Mobile Communication Theory,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,Mobile Communication Theory,4.2 分 集 技 术,分集接收
3、是抗衰落的有效措施之一 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,Mobile Communication Theory,4.2.1 宏 观 分 集,Mobile Communication Theory,4.2.1 宏 观 分 集,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 mB,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
4、站数视需要而定,Mobile Communication Theory,4.2.2 微 观 分 集,信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度、以及携带信息的电磁波极化方向等等。常见的有： 时间分集 移动的时间足够长（或移动的距离足够大），大于信道的相干时间。 频率分集 两个载波的间隔大于信道的相干带宽。 空间分集 相隔足够大的距离。实际测量表明，通常在市区，取d=0.5,在郊区可以取d=0.8。,Mobile Communication Theory,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
5、(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、最大比值合并和等增益合并。,Mobile Communication Theory,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。,Mobile Communication Theory,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)
6、中，只有一个等于1，其余的为0。,Mobile Communication Theory,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概率（可通率）为,Mobile Communication Theory,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。,Mobile Communication Theory,2.
7、 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,Mobile Communication Theory,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,Mobile Communication Theory,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)：,Mobile Communication Th
8、eory,2. 最大比值合并,F(x) x的特性如图4.11所示：,Mobile Communication Theory,3. 等增益合并,合并器输出的信号的包络等于,Mobile Communication Theory,3. 等增益合并,对于M2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,Mobile Communication Theory,3. 等增益合并,F(x) x特性如图4.14所示：,Mobile Communication Theory,4.2.4 性能比
9、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。,Mobile Communication Theory,4.2.4 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。,Mobile Communication Theory,4.2.5 分集对数字移
10、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,Mobile Communication Theory,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误码特性,Mobile Communication Theory,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
11、有了很大的改善。,Mobile Communication Theory,4.3 信 道 编 码,概述,分组码,卷积码,Turbo码,信道 编码,Mobile Communication Theory,4.3.2 分 组 码,分组码,基本描述,例 子,在移动通信中的应用,Mobile Communication Theory,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
12、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,Mobile Communication Theory,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,Mobile Communication Theory,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
13、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。,Mobile Communication Theory,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 ; 根据伴随式捡出错误图样e； 计算发送码字的估值,0,则传输一定有错。,由于,
14、Mobile Communication Theory,分组码的例子,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;,监督位数：n-k=m,最小距离：dmin=3;,Mobile Communication Theory,分组码的例子,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的码字 循环码的编码步骤为： 计算xn-km(x)； 计算xn-km(x)/g(x) 得余式r(x)； 得到码字多项式 C(x)= xn-km(x)+ r(x)； 循环码特别适合误码检测，用于误码检
15、测的循环码称作循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check) 。,Mobile Communication Theory,分组码在移动通信中的应用,1.在CDMA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：,Mobile Communication Theory,分组码在移动通信中的应用,2. 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
16、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。,Mobile Communication Theory,4.3.3 卷积码,蜂窝移动通信 系统中的应用,状态图 ( State Diagram ),维特比(Viterbit) 译码,网格图 ( Trellis Diagam ),卷积码的 自由距离,卷积码编码器,卷积码,Mobile Communication Theory,卷积码编码器,卷积码编码器的输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为（n，k，m）。编码率r=k/n。 图4.19是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2,m=3,所以是(2,1,3)编码。,Mobile Communication Theory,卷积码编码器,编码器只有一个输入序列a，它经过两
