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1、第5讲 抗衰落技术浙江大学信电学院余官定主要内容n信道衰落对信号传输的影响n均衡技术n分集技术n信道编码与交织技术n功率控制技术n自动重传(ARQ)技术n自适应调制和编码技术信道衰落分类n大尺度衰落n衰落的平均值，与距离有关，缓慢变化n小尺度衰落n衰落的瞬时值，变化迅速n多径衰落，频率选择性衰落n多频谱扩展，时间选择性衰落n噪声衰落对信号传输的影响n大尺度衰落n接收信号幅度下降n小尺度衰落n信号频谱发生变化符号间干扰n信号频谱发生扩展符号内电平变化n噪声n信噪比下降衰落对信号传输的影响n信号传输质量的性能指标n给定功率下的误比特率或者误符号率n高斯信道n随着功率增大，误比特率下降n衰落信道n误
2、码平台抗衰落技术n均衡技术n分集技术n信道编码与交织技术n功率控制技术n自动重传(ARQ)技术均衡技术n对抗信道多径延时造成的时延扩展和符号间干扰。n均衡器被大量应用于数字通信系统中，时分多址(TDMA)通信系统中几乎都使用了均衡器。n均衡器的本质是“滤波器”！n均衡技术是“被动”地对抗信道衰落。分集技术n通过多个通信道来传输无线信息，降低传输出错的概率。n“主动”利用信道的衰落！n分类：n时间分集n频率分集n空间分集(MIMO)n极化分集n多用户分集信道编码与交织技术n通过在发送信息时加入冗余的数据位，以及将传输中连续出错的可能离散化，来改善通信链路的性能和质量。n代价：n浪费带宽和功率资源
3、功率控制n信道较差时增大发射功率，以提高传输的可靠性。n信道较好时减少发射功率，以提高功率效率。自动重传(ARQ)技术n出错后重新再传一次，以提高传输的可靠性。n优点：n利用重传之间信道的不相关特性。n不需要事先知道信道信息。n与分集技术，信道编码结合起来使用，效率比较高。均衡技术n均衡器原理n线性均衡器n非线性均衡器n自适应均衡算法均衡器基本原理n在带宽受限且时间扩散的信道中，多径效应导致符号间干扰(ISI)。n符号间干扰和噪声使被传输的信号产生变形，从而在接收时发生误码，特别是在高速无线移动数据通信中，符号间干扰是降低误码率的主要障碍。n均衡技术是对付符号间干扰的有效手段。均衡器基本原理n
4、从广义上讲，均衡可以指任何用来削弱符号间干扰的信号处理技术。n移动衰落信道具有随机性和时变性，要求均衡器必须能够实时跟踪通信信道的时变特性，这种均衡器又被称为自适应均衡器。均衡器基本原理均衡器基本原理均衡器基本原理n自适应均衡的两种基本工作模式n训练模式n发射机发射一个已知的训练序列(Training Sequence)，用户数据紧跟在训练序列之后。n接收机的均衡器收到训练序列后，通过某种均衡算法评估信道特性，修正滤波器系数使之接近最佳值，从而对信道做出补偿。n跟踪模式n在接收用户数据时，均衡器通过自适应算法不断改变其滤波特性从而跟踪不断变化的信道。均衡器基本原理n盲均衡n利用被传送信号的统计
5、特性进行调整而不需要发送训练序列。n常模算法(CMA)和频谱相干复原算法(SCORE)n优点：n不需要发送训练序列，因此节省了带宽资源n缺点：n盲算法十分复杂，收敛速度慢。均衡器基本原理线性均衡器n线性均衡器与非线性均衡器的差别n均衡器后的判决输出未应用于均衡器的反馈逻辑中，则均衡器是线性的。n均衡器后的判决输出应用于反馈逻辑中并参与确定了均衡器的后续输出，则均衡器是非线性的。线性横向均衡器n最基本最常用的均衡器结构。n由无限多的按横向排列的延迟单元及抽头系数组成其功能是将输入端抽样时刻上有码间干扰的响应波形变换成抽样时刻上无码间干扰的响应波形。n由于横向滤波器的均衡原理是建立在响应波形上的，
6、故把这种均衡称为时域均衡。线性横向均衡器线性横向均衡器n性能完全取决于各抽头系数，不同的抽头系数对应于均衡器不同的冲激响应n若抽头系数是可调的，则可以随时修改均衡器的冲激响应，这就是后面将要讨论的自适应均衡器n理论上，只要抽头个数无限多，就可以完全消除码间干扰的影响，但这显然是不现实的n有限的抽头个数造成了均衡器输出端残余的码间干扰线性格型均衡器线性格型均衡器n优点：n数值稳定性好n收敛速度快n由于其特殊结构，使该均衡器允许进行最有效长度的动态调整n当信道的时间扩散特性不很明显时，可以只用少量级数实现n当信道的时间扩散特性增强时，均衡器的级数可由算法自动增加，且不用暂停均衡器的操作n缺点n从结
7、构上比，格型均衡器比横向均衡器复杂得多非线性均衡器n当信道失真太严重，符号间干扰太大时，使用线性均衡器不易处理，此时采用非线性均衡器的效果会比较好。n为了补偿信道失真引起的深度频谱衰落，线性均衡器会对出现深衰落的那段频谱及近旁的频谱产生很大的增益，从而增加了那段频谱的噪声。非线性均衡器n判决反馈滤波器n一个横向滤波器用于线性的前向滤波处理，其判决结果反馈给另一个横向滤波器n若前面的判决结果是正确的，则反馈滤波器就能消除由前面码元所造成的符号间干扰非线性均衡器nDFE与线性横向均衡器的比较n当频谱衰落较平坦时，线性横向均衡器会有良好的工作效果n当频谱衰落严重不均时，线性横向均衡器的性能会恶化，此
8、时采用DFE的效果明显优于采用线性横向均衡器n判决反馈均衡更适合应用于有严重失真的无线信道非线性均衡器n最大似然序列估计均衡器非线性均衡器n采用Viterbi算法和经典的最大似然接收结构n均衡器不是只对收到的符号解码，而是检测所有可能的数据序列，并选择与信号相似性最大的序列作为输出nMLSE算法所需的计算量较大，特别是当信道的延迟扩展较大时非线性均衡器n对于减小一个数据序列的错误发生概率，MLSE算法是最优的nMLSE算法不但需要知道信道的特性以便作出判决，还需要知道干扰信号的统计分布n噪声的概率密度函数决定了对噪声信号的最佳解调形式n最优的均衡器，但其复杂性度最高自适应均衡算法n均衡算法的决
9、定因素n收敛速度n失调n计算复杂度n数值特性n均衡算法的收敛速度，依赖于信号的特性和信道的传输特性。自适应均衡算法n迫零算法(ZF)n最小均方算法(LMS)n递归最小二乘算法(RLS)自适应均衡算法n迫零算法的基本原理n通过强迫信道和均衡器组合冲激响应的抽样值在y=0除外的其它抽样时刻取值为零，使均衡器输出端的失真最小n当均衡器的抽头数目无限制地增加时，就会得到一个输出端没有码间干扰的无限长均衡器n在实现时，抽头个数通常是有限的，造成了均衡器输出端残余的码间干扰自适应均衡算法n迫零算法的缺点n由于理想的基于迫零算法的均衡器的频率响应是信道的折叠频率响应的倒数，因此迫零算法可能造成在折叠信道频响
10、的深衰落处，出现极大的噪声增益n由于迫零均衡器完全忽略了噪声的影响，限制了它在无线通信链路中的应用n在有线信道中应用的比较好自适应均衡算法n最小均方算法(LMS)n1960年由B.Widrow和Hoff提出n使均衡器的期望输出值与实际输出值之间均方误差(MSE)最小化n采用LMS算法的均衡器比迫零均衡器更稳定n具体公式推导：P263自适应均衡算法n递归最小二乘算法(RLS)n利用最小二乘算法，得到误差向量平方和的最小值nRLS算法是最小二乘算法的递归实现nRLS算法比LMS算法的运算量显著增大，但是RLS算法的收敛性比LMS算法更好n具体算法的推导和流程见P264-265.思考题n对抗信道衰落
11、的方法有哪些？n均衡器的原理？(分别从时域和频域说明)n线性均衡器和非线性均衡器的定义区别是什么？分集技术n分集技术基本概念n频率分集n时间分集n空间分集n多用户合作分集n极化分集n合并技术分集技术基本概念n分集技术(Diversity Technique)的基本原理n发射信号经过独立或高度不相关的两个或多个传播路径到达接收机n接收机通过查找独立或高度不相关的多径信号，利用某种合并方式，对接收到的同一发射信号的多个样本进行合并来实现分集n分集技术充分利用了无线信道的衰落特性分集技术基本概念n分集的物理意义n从概率意义上讲，多个接收样本信号的功率同时低于给定门限的概率比任一单个信号功率低于给定门
12、限的概率小得多.n某条传播路径中的信号经历了深度衰落，但另一条或多条相互独立的路径中可能仍包含着较强的信号，可以利用.分集技术基本概念n分集的好处n分集技术是通信中的一种用相对低廉的代价就可以大幅度改进无线链路性能的接收技术。n不需要训练序列n分集的缺点n接收端和发送端带来一定的复杂性n浪费一定的带宽和功率资源未来的无线通信系统应该充分利用分集，创造分集机会！分集技术基本概念n宏分集n对付大尺度衰落n选择所发射信号不在阴影区的基站，从而改善前向链路的信噪比n基站处存在多根天线，基站选择信号最强的天线，从而改善反向链路的信噪比n微分集n对付小尺度衰落n防止信号发生深度衰落n一般讨论的分集技术都针
13、对微分集分集技术基本概念n分集的各种形式n频率分集频率分集(Frequency diversity) 信号通过多个不同频带进行传输，且频带间的最小间隔大于信道的相干带宽n时间分集时间分集(Time diversity) 信号在不同的时隙上进行传输，时隙最小间隔大于信道的相干时间n空间分集空间分集(Space diversity)也称天线分集，通常采用多个收发天线实现分集，是无线通信中使用较多的分集形式n极化分集极化分集(Polarization diversity) 用2根天线分别传输/接收水平极化和垂直极化的信号频率分集n频率分集的基本概念n承载相同信息的信号通过多个不同频带进行传输，且频带
14、间隔大于信道的相干带宽n频率分集的原理n不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生衰落的概率的乘积n信道相干带宽之外的频率上出现同样衰落的概率很小n接收机能得到衰落特性相互独立或相关性很小的信号n对于平坦衰落信道，频率分集无任何作用！n多径衰落是件“好事情”！频率分集n频率分集的应用n前提：信号带宽大于相干带宽n直接序列扩频技术n跳频技术nOFDM 技术n频率分集的缺点n在频域上引入冗余，使频谱利用率受到损失时间分集n以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，使在不同的时间间隔收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果n时间分集的应用n结合纠错编码n结合交织技术nARQ技术也是利用了时间分集时
15、间分集n时间分集的局限性n由于时间交织产生译码延迟，该技术一般在信道相干时间较小的快衰落环境中比较有效n多普勒频移是一件“好事情”！n对慢衰落信道，交织太大可能引起太大的延迟，对语音通信这样对时延敏感的应用是不适合的n当用户和反射物都静止时，时间分集无法减少衰落n在时域上引入冗余，使频谱利用率受到损失空间分集n传统无线蜂窝系统的发射机和接收机天线是由立得很高的基站天线和贴近地面的移动台天线组成n不能保证发射机和接收机之间存在一个直线路径n移动台周围物体大量散射导致信号Rayleigh衰落nJakes推断：当天线间的间隔距离等于或大于半个波长，从不同的天线上收到的信号包络将基本上是非相关的空间分
16、集n也称为天线分集，通过在发射端/接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列来实现n各天线之间的空间间距使得每个天线接收到的信号相互独立或互不相关n天线间距的大小随天线的高度、传播环境和频率的不同而不同，一般间隔几个波长就能获得不相关的信号空间分集n发射分集(Transmit Diversity)n发射分集是在发射端使用多根天线，信号经发射机处理后通过多根天线辐射出去n接收分集(Receive Diversity)n接收分集是在接收端使用多根天线接收发射信号的独立副本，合理合并发射信号的副本以降低多径衰落的影响，提高系统性能空间分集n空间分集的应用n发射信号副本以空域冗余的形式到达接收端n空间
17、分集不会带来频谱利用率上的任何损失n这一特性对于未来的高速无线数据通信是很有吸引力的n利用空间分集的MIMO技术是当前无线通信研究的热点空间分集n空间分集的局限性n放置多根天线增加成本n有些场合不允许放置多根天线n基站不允许n终端不允许n一般在蜂窝系统的上行链路无法应用n解决方法n多用户合作分集多用户合作分集n利用不同用户在空间中的不同位置人为“制造”分布式空间分集的效果n多用户合作分集是一种利用分属于各用户端上的天线，通过合作信号处理获得分集增益。这种合作分集使各用户端共享它们的天线和其它资源，通过分布传输和信号处理达到“虚天线阵列”（VAA）的功能。sr1dr2r3r4Cooperativ
18、e relaysh1dh4dh2dh3dhsd多用户合作分集n国内外通信领域的重大研究热点n2003年首次提出(Laneman)n2004年仇佩亮教授国家自然科学基金项目n很多问题亟待解决n容量问题n用户之间的同步等物理层接收技术n合作用户之间的选择等协议问题多用户合作分集BS1BS2MS1MS2Super BSMS1MS2基站合作！多用户合作分集n多用户分集调度n在多用户通信系统中，让信道质量最好的用户使用信道n达到的效果相当于选择性空间分集n局限性：用户之间的公平性极化分集n极化分集的基本概念n通过使用两根或者更多按不同方式极化的天线在接收端提供独立的信道n一般通过两根天线分别发射水平极化
19、和垂直极化信号，接收端用两根不同极化的天线接收n极化方式不同使天线不用相隔很远就可得到不相关信号n极化分集是空间分集的特例极化分集n极化分集基本原理n不同极化方向电磁波的反射系数不同n在每一次反射或至少其中一些反射中，信号的幅度和相位的变化产生了差异n足够多的随机反射导致不同极化方向的信号相互独立n在视距微波传输中，可用极化分集在一个无线信道中同时传送两个用户的信号，由于信道的变化不大，两个极化方向上信号的相互干扰很小合并技术n概念：n如果对于一个接收机有N 条可用的分集支路，那么接收机必须以可以提高通信链路性能的某种方法来合并或者选择这些支路，这称为合并技术n合并技术主要类型n选择合并n等增
20、益合并n最大比合并选择合并n也叫选择分集(Selection Diversity)n简单地选取具有最高SINR的支路n在实际中，由于SINR很难测量，一般采用信号和噪声功率之和最大的信号在接收机使用一个附加监测台和一个切换开关n由于总是保证选择最佳信号，选择合并选出的支路的平均信噪比提高，改进了链路性能，且不需要增加传输功率和复杂的接收电路n因为并未在同一时刻利用所有可用支路，选择合并并不是最优的合并算法选择合并选择合并选择合并最大比合并n以使输出信号信干噪比(SNIR，Signal-to-Noise-and-Interference Ratio)最大的方法对各个分集支路进行加权n最大比合并的
21、输出SNIR为各个支路的SNIR之和n因为需要用信干噪比估计算法来计算支路权重，最大比合并的成本和复杂度比其它合并算法都要高很多最大比合并等增益合并n选择性合并和最大比合并n都需要获知各支路的信噪比n最大比合并还需要计算各支路的权重n等增益合并n各支路的权重相等n实现比较简单n性能比较最大比合并等增益合并选择性合并思考题：n分集技术的基本原理是什么？n常见的分集技术有哪些？n对于频率分集，时间分集，空间分集三种最常见的分集方式，如何获得不相关的信号？n几种合并技术的性能计算和比较。抗衰落技术n均衡n分集n信道编码与交织n功率控制n自动重传ARQn自适应调制与编码信道编码与交织技术n信道编码的基
22、本原理n常用的信道编码技术n交织的基本原理n常用的交织技术信道编码的基本原理n均衡、分集等抗衰落技术只能将传输差错减小到一定程度，要进一步提高数字传输系统的可靠性，就需要采用差错控制编码，对可能或已经出现的差错进行控制n发送端的编码器在信息序列上附加一些监督码元，利用这些冗余的码元，使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号n在接收端，译码器利用这些规律性来鉴别传输过程是否发生错误(检错)，或进而纠正错误(纠错)信道编码的基本原理n信道编码是用增加码数，利用冗余来提高抗衰落能力，也就是以降低信息传输的速率或增加带宽为代价来减少错误，或者说是以牺牲系统有效性来换取可靠性n原始数
23、字信号是分组进行传输的，例如每k 个码元为一组，经过信道编码后，就转换为每n 个码元为一组， n k信道编码的基本原理n信道编码是达到香农信息论信道容量的重要手段常用的信道编码技术n分组码n卷积码nTurbo码nLDPC码交织技术原理n大多数用来提高信息传输可靠性的码在差错满足统计独立的信道中很有效(如AWGN信道)，但却无法纠正一些差错具有突发特性的信道引起的突发差错n处理突发差错信道的一个有效的办法是对编码数据实行交织，把突发差错信道转变为统计独立差错的信道。这样，为统计独立差错信道设计的码就可以使用了交织技术原理n交织的本质n时间分集n把突发差错信道转变为统计独立差错信道n交织方法n编码
24、数据经交织器重新排序后在信道上传输n在接收端解调后(软判决或硬判决)，去交织器将数据复原到正确的顺序后送入译码器交织技术原理常用的交织技术n分组交织器n卷积交织器分组交织器n将编码数据排成m 行n 列矩阵，即每次对n个数据进行交织n每一行由n 个数据组成，m 阶交织器由m 行组成，交织深度为mn数据按列填入，发送时按行读出，产生了对原始数据以m为周期进行分离的效果n在接收机端的解交织过程与交织过程相反进行分组交织器卷积交织器n在多数情况下可以代替分组结构的交织器n在用于卷积编码时，可以取得很好的效果交织技术n交织器的局限性n由于接收机在收到了mn个数据并进行解交织后才能解码，因此所有的交织器都
25、有一个固有的时延n交织器字长和深度与语音编码器的类型、编码速率和系统最大容许时延有关功率控制技术n功率控制基本原理n功率控制公式推导n功率控制的实现功率控制基本原理n目标：使得接收机的信干噪比(SINR)达到一定的门限要求。n单用户系统：功率控制基本原理n多用户系统n线性不等式组功率控制公式推导功率控制公式推导n定理：不等式有解的充要条件是矩阵H的最大特征值(H)不大于1，当(H)=1时，有解的条件是噪声为0。功率控制的实现n中心控制式n基站需要获得所有用户的信道增益信息n分布式控制式n迭代方法n博弈论方法n3G中的功率控制ARQ技术nFEC(前向纠错码)的概念nARQ技术基本原理n几种ARQ
26、技术类型nHARQ技术FEC(前向纠错码)的概念nFEC的基本思想n发送端经信道编码后发出具有纠错能力的码组n接收端译码后不仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正FEC(前向纠错码)的概念nFEC的优点n不需要反馈n应用于不存在反馈信道的通信系统n广播系统n无线电寻呼系统nFEC的缺点n需要附加较多的冗余码元，影响数据通信传输效率n编码和译码设备比较复杂ARQ技术基本原理n发送端经信道编码后发出具有检错能力的码组n接收端收到后经检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把这一判断结果反馈给发送端n发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已经正确为止ARQ技术基本原理n
27、ARQ技术优点n仅当接收端检出错误时重发数据包，不造成码元冗余nARQ技术缺点n需要反馈信道n反馈信号存在延时，造成数据包的延时增大n当信道错误概率较大时，ARQ的效率很低几种ARQ技术类型n停等 (Stop-and-Wait) ARQn下一个数据包在前一个数据包的正确应答信号收到之后再发送。n工作方式简单，但效率低下n可利用在半双工系统几种ARQ技术类型n返回重发(Go-back N)ARQn发送端不停顿，连续发送n一旦一个数据包发送出错，发送端在收到否定应答之后，从出错的数据包开始重发N个连续数据包n效率比SW-ARQ高几种ARQ技术类型n选择重发(Selective)ARQn发送端连续不
28、断地发送码组n接收端发现错误并发回否定应答信号，发送端重发有错误的数据包n传输效率最高，但是收发端的控制最复杂混合ARQ(HARQ)技术nHARQ的基本思想n结合FEC和ARQ技术n接收端不但具有纠正错误的能力，而且对超出系统纠错能力的错误有检测能力n当发现有无力纠正的错误时，系统可以通过反馈信道要求发送端重发一遍发生错误的数据包n在实时性和译码复杂性方面是FEC和ARQ的折衷混合ARQ(HARQ)技术nHARQ的三种类型nType-In接收端丢弃原始数据包nType-IIn接收端用分集合并的方法合并多次收到的数据包nType-IIIn接收端将多次收到的数据包合并成一个码率更低的纠错码自适应调
29、制和编码技术n固定调制和编码方式的缺点n调制和编码方式不随着信道的变化而变化n当信道比较好的时候，仍然用低阶的调制方式，导致信道容量被浪费n当信道比较差的时候，使用高阶的调制方式，导致高的误码率n自适应调制和编码技术应运而生nAMC：Adaptive modulation and codingn1990s 年代开始，目前几乎所有无线系统都应用自适应调制和编码技术n基本思想：根据信道的衰落情况，改变所使用的调制方式，编码方式等参数。n可变的参数:n星座大小n发射功率n符号周期(信号带宽)n编码速率n达到的目标:n最大化系统的容量n最小化系统的发射功率n最小化系统的平均误码率自适应调制和编码技术依
30、赖于信道估计以及信道反馈自适应调制和编码技术n发射功率不变，系统误比特率要求固定，比如10-3n选择最佳的调制和编码方式，使得在保证误比特率要求的前提下，最大化容量n如果没有任何调制和编码方式可以满足比特率的要求，则停止发送自适应调制和编码技术nMQAM调制的误比特率上界公式n该上界不是MQAM调制的准确误比特率公式，但是容易计算n意义：给定SNR和BER要求，可以从公式中计算出可使用的调制方式自适应调制和编码技术nIEEE802.16中的AMC自适应调制和编码技术n与功率控制技术的关系：n功率控制是在给定调制方式和误比特率下，计算需要的发射功率。nAMC是给定功率(SNR)和误比特率要求下，计算可以使用的调制与编码方式。nAMC可以与功率控制技术相结合，进一步提高系统容量，降低误比特率。n可变功率自适应调制和编码技术自适应调制和编码技术nAMC的缺点：n对信道估计依赖n信道估计存在误差n信道估计存在延时n快衰落环境下很难使用n需要接收端反馈信道质量n反馈信道存在误码率n反馈信道占用了信道资源思考题：n信道编码技术的原理是什么？n交织技术的原理是什么？nARQ技术有哪三种类型？哪种类型的效率最高？n混合ARQ技术的基本原理是什么？
