移动通信原理（第3版上册）教学课件5

北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心 BUPT Information Theory&Technology Center第七章第七章 分集与均衡分集与均衡主讲人主讲人:牛牛 凯凯BUPT Information Theory&Technology Center2本章内容本章内容本章讨论和介绍抗平坦瑞利衰落(空间选择性衰落)和抗频率选择性衰落(多径引起的)的传统性典型抗衰落技术。为了对抗这些衰落，传统的方法是采用分集接收、RAKE接收和均衡技术。分集接收技术是传统的抗空间衰落的方法，RAKE技术是经典的抗多径衰落，提高接收信噪比的手段，均衡技术是另一种抗对径衰落的常用技术。在第二代移动通信系统中，这些经典接收技术得到了广泛应用。BUPT Information Theory&Technology Center37.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。其中空间分集技术早已成功应用于模拟的短波通信与模拟移动通信系统，对于数字式移动通信，特别是第二代移动通信，分集技术有了更加广泛的应用。在GSM系统的上行链路基站端，广泛采用二重空间分集接收。在IS-95系统中，除上行采用二重空间分集接收以外，上下行链路均采用隐分集形式的RAKE接收，另外在小区软切换中也利用RAKE接收的宏分集。本节将主要讨论分集的基本概念、分类以及分集合并技术。BUPT Information Theory&Technology Center47.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.1 基本概念与分类基本概念与分类在前述章节中已指出移动信道中存在着传播衰耗、慢衰落和各类快衰落。本节主要讨论对传输可靠性影响较大的各类快衰落。值得注意的是这里的“快”是针对不同的参量而言，即空间、频率与时间。它们分别是空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。在第二章中我们已比较详细的分析了它们的成因与描述，本节将介绍对抗这些衰落的各种技术措施，分集技术就是其中最有效的方法。BUPT Information Theory&Technology Center57.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.1 基本概念与分类基本概念与分类1.分集技术的基本概念分集技术的基本概念移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，发送出的已调制的信号经过恶劣的移动信道在接收端会产生严重的衰落，使接收的信号质量严重下降。分集技术是抗衰落的最有效措施之一。它是利用接收信号在结构上和统计特性的不同特点加以区分与按一定规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰落的。分集的必要条件是在接收端必须能够接收到承载同一信息且在统计上相互独立(或近似独立)的若干不同的样值信号，这若干个不同样值信号的获得可以通过不同的方式，比如空间、频率、时间等，它主要是指如何有效的区分可接收的含同一信息内容但统计上独立的不同样值信号。BUPT Information Theory&Technology Center67.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.1 基本概念与分类基本概念与分类分集技术的充分条件是如何将可获得含有同一信息内容但是统计上独立的不同样值，加以有效且可靠的利用，它是指分集中的集合与合并的方式，最常用的有选择式合并(SC)、等增量合并(EGC)和最大比值合并(MRC)等。分集技术的初始阶段是研究如何将客观存在的分散在多条路径统计上独立的不同样值信号能量加以充分利用，即有效收集的主要措施。分集技术发展到今天，主要是将被动改变为主动，从被动利用客观存在的统计独立的不同样值信号，到主动利用信号设计与信号处理技术来有效区分统计独立的样值信号。比如扩频信号的RAKE接收、空时编码等。BUPT Information Theory&Technology Center77.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.1 基本概念与分类基本概念与分类2.分集技术的分类分集技术的分类按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统计特性，可分为空间、频率、时间三大基本类型；按“集”划分，即按集合、合并方式划分，可分为选择合并、等增益合并与最大比值合并；若按照合并的位置可分为射频合并、中频合并与基带合并，而最常用的为基带合并；分集还可以划分为接收端分集、发送端分集以及发/收联合分集。即多入/多出(MIMO)系统；分集从另一个角度也可以划分为显分集与隐分集。一般称采用多套设备来实现分集为传统的显分集，空间分集是典型的显分集；称采用一套设备而利用信号设计与处理来实现的分集为隐分集。BUPT Information Theory&Technology Center87.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术1.空间分集空间分集空间分集是利用不同接收地点(空间)位置的不同，利用不同地点接收到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。空间分集还有两类变化形式。(1)极化分集(2)角度分集在空间分集中，由于在接收端采用了N副天线，若它们尺寸、形状、增益相同，那么空间分集除了可以获得抗衰落的分集增益以外，还可以获得由于设备能力的增加而获得的设备增益，比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。BUPT Information Theory&Technology Center97.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术2.频率分集频率分集频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落(频率选择性)的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于第二章分析中所指出的频率相干区间，即其中L为接收信号的时延功率谱宽度。BUPT Information Theory&Technology Center107.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术3.时间分集时间分集时间分集利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时，两个样点间的衰落是统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。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。BUPT Information Theory&Technology Center117.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术4.最大比值合并最大比值合并(MRC)在接收端由个统计不相关的分集支路，经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。最大比值合并的原理图如下所示。BUPT Information Theory&Technology Center7.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理12接收合并的信噪比为BUPT Information Theory&Technology Center7.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理13MRC接收本质上是空间匹配滤波接收本质上是空间匹配滤波进一步把接收信噪比SNR改写为两项乘积功率增益(PowerGain)阵列增益(ArrayGain)分集增益(DiversityGain)BUPT Information Theory&Technology Center7.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理功率增益或阵列增益表明，接收信号功率随着天线数目的增加线性增长，天线数目加倍，则产生3dB的功率增益。不过需要注意的是，由于接收功率不可能超过发射功率，因此阵列增益也会饱和。如果所有支路的衰落完全相关，此时MRC合并只有功率增益，而没有分集增益。如果所有支路的衰落完全独立，随着支路数目的增长，依据大数定律，第二项增益趋于1，但是功率增益依然存在14BUPT Information Theory&Technology Center157.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术5.等增益合并等增益合并(EGC)若在上述最大比值合并中，取1，当，即为等增益合并。等增益合并后的平均输出信噪比为：等增益合并的增益为：显然当N(分集重数)较大时，即两者相差不多，大约在1dB左右。等增益合并实现比较简单。BUPT Information Theory&Technology Center167.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术6.选择式合并选择式合并选择式合并原理图如下所示。BUPT Information Theory&Technology Center177.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术7.三种主要合并方式性能比较三种主要合并方式性能比较下列图形给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。BUPT Information Theory&Technology Center7.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理7.1.3 发送分集技术发送分集技术基于通信系统的收发对偶性，既可以有多天线接收分集(ReceiveDiversity)技术，当然也可以有多天线发送分集技术(TransmitDiversity)。1.最大比发送最大比发送(MRT)18图7.5最大比例发送(MRT)原理BUPT Information Theory&Technology Center7.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理2.等增益发送等增益发送(EGT)3.选择式发送选择式发送(ST)19BUPT Information Theory&Technology Center207.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集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。BUPT Information Theory&Technology Center217.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集7.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理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，BUPT Information Theory&Technology Center227.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集7.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理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：BUPT Information Theory&Technology Center237.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集7.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理由上面分析RAKE接收的多径分集，从理论上看它应属于频率分集，但是从现象上看，它是利用多径时延进行的分集。实际上我们在第二章信道分析中已指出，正是由于时延扩散才引入了频率选择性衰落。它们之间是一对因果关系，正因为这样，有人认为称它为多径分集更为恰当。BUPT Information Theory&Technology Center247.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集7.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程实现搜索可分为初始搜索、解调中搜索和更软切换搜索三种工作状态，分别如下：(1)初始搜索初始搜索(2)解调中的搜索解调中的搜索(3)更软切换搜索更软切换搜索BUPT Information Theory&Technology Center257.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集7.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程