第4章移动通信抗衰落技术

第4章抗衰落技术第4章抗衰落技术4.1分集接收4.2RAKE接收4.3纠错编码技术4.4均衡技术思考题与习题第4章抗衰落技术分集接收的原理分集合并性能数字化移动通信系统的分集性能4.1分集接收第4章抗衰落技术定义：接收端对它收到的多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号，通过一定的处理合并为一路信号，可减小衰落的影响。分集有两重含义：一是分散传输，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；二是集中处理，即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。4.1分集接收——分集接收原理第4章抗衰落技术4.1分集接收——分集接收原理接收信号包络tabC=a+ba,b统计独立,同时发生深度衰落的概率很小图4-1分集接收原理图第4章抗衰落技术4.1分集接收——分集方式宏分集和微分集宏分集：把多个基站设置在不同的地理位置上，使其同时和一个移动台通信。目的：主要减小慢衰落的影响。微分集：将无线信号从各个参量方面进行分离，使其呈现独立的衰落特性。目的：主要减小快衰落的影响。第4章抗衰落技术宏分集的典型示例：软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信，新旧基站以宏分集的方式同时保持与MS的通信。软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量。BS1BS2CHiCHj第4章抗衰落技术微分集(1)空间分集:任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。注意：市区：d≥0.5λ郊区：d≥0.8λTXRX1RX2d图4-2二重空间分集载频波长λ4.1分集接收——分集方式第4章抗衰落技术(2)极化分集:由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。优点是结构比较紧凑，节省空间，天线可装在同一地点。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。TXRX1RX2图4-3极化分集垂直极化波水平极化波4.1分集接收——分集方式第4章抗衰落技术(3)角度分集:由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。4.1分集接收——分集方式TXRX1RX2图4-4角度分集第4章抗衰落技术4.1分集接收——分集方式(4)频率分集：将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大（大于相干带宽），那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。优点：与空间分集相比，减少了天线的数目。缺点：要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。(5)时间分集：将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间（），就可以得到M条独立的分集支路。注意：相干时间是与移动台运动速度成反比，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是没有用处的。mf21第4章抗衰落技术4.1分集接收——分集方式显分集和隐分集显分集：被传输信号可以按某个参量分成多径独立信号。例如：空间分集，天线极化分集、频率分集和时间分集等。例如：码分多址（CDMA）系统通常使用RAKE接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。隐分集：将分集作用隐含在被传输信号之中（直接扩频技术、信道交织编码），在接收端利用信号处理技术实现分集。第4章抗衰落技术②检测后合并根据合并位置分①检测（解调）前合并合并器检测器合并器检测器检测器4.1分集接收——合并方式图4-5检测前合并图4-6检测后合并第4章抗衰落技术4.1分集接收——合并方式根据合并技术分：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MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(选择式合并(SelectionDiversity)最大比合并(MaximumDiversity)等增益合并(EqualGainCombining)第4章抗衰落技术选择式合并特点：简单只利用一路信号能量，其他未利用，性能较差4.1分集接收——合并方式图4-7选择式合并第4章抗衰落技术最大比值合并优点：按信噪比加权各路信号后再合并，合并后信噪比大，衰落小。缺点：控制复杂4.1分集接收——合并方式图4-8最大比合并第4章抗衰落技术等增益合并MkkErr1RX1RX2r1r2检测器rE+4.1分集接收——合并方式图4-9等增益合并特点：a.性能与最大比合并接近b.电路简单第4章抗衰落技术分集合并的性能：指分集合并前、后信噪比的改善程度。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下列三个条件：(1)每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具(2)(3)各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。4.1分集接收——分集合并性能第4章抗衰落技术选择式合并的性能选择式合并器的输出信噪比：即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。设第k个支路的信号功率为r2k/2，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为kkkNr224.1分集接收——分集合并性能第4章抗衰落技术某一支路的信噪比必须达到某一门限值γt，才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。若第k个支路中γk＜γt的概率为Pk(γk＜γt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(γS＜γt)表示时，可得)()(1tkMkktSMPP4.1分集接收——分集合并性能第4章抗衰落技术γk≤γt，即r2k/2Nk≤γt，则MkNtSMktkeP1/)1()(2)2()(21MktkkktSMtkkNrPPNr设rk的起伏服从瑞利分布，即222/20)2/(21)()2()(ktktkkkNNkkktkkkrkkkkedrrpNrPerrp可得第4章抗衰落技术22221设各支路噪声功率相等：N1=N2=…=N各支路信号方差相同：平均信噪比为：M重选择式合并的中断率为：02/NMtSMteP)1()(0/4.1分集接收——分集合并性能第4章抗衰落技术)/exp()]/exp(1[)()(0100SMSSMSSMPddp平均信噪比的改善：指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。用平均信噪比改善因子表示。输出信噪比的概率密度函数：SSSSdp)(0MkSSkMD101)(输出平均信噪比：平均信噪比改善因子：4.1分集接收——分集合并性能选择式合并第4章抗衰落技术最大比值合并的性能MkkkMkkkRNrrar121MkkkMkkkRNara1221)2/(4.1分集接收——分集合并性能最大比值合并器输出的信号包络：接收机收到的最大比合并的信噪比：第4章抗衰落技术由于各支路信噪比为：kkkkkkNrNr222MkkkMkkkkRNaNa1221)(4.1分集接收——分集合并性能所以接收到的信号电平：所以最大比合并的信噪比：第4章抗衰落技术MkkMkkkMkkMkkkRNaNa112112))((又说明：最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和，即MkkR1max最大比值合并的改善因子01MMkkRMMDRR0)(第4章抗衰落技术4.2RAKE接收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。基本原理：将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。第4章抗衰落技术图4-11简化的RAKE接收机组成积分Tb保持至Tb＋NTbc1(t)积分Tb保持至Tb＋NTb＋2c1(t－2)积分Tb保持至Tb＋NTb＋3c1(t－3)…积分Tb保持至Tb＋NTb＋Nc1(t－N)∑判决cosct123路径N…RxTx第4章抗衰落技术在实际系统中，由于每条多径信号都经受着不同的衰落，具有不同的振幅、相位和到达时间。由于相位的随机性，其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。4.2RAKE接收图4-12最佳非相干接收机第4章抗衰落技术4.2RAKE接收图4-13最佳非相干接收机的输出波形扩频系统能分辨的最小多径间隔第4章抗衰落技术每一个峰值对应一条多径。每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。采用横向滤波器来实现时延和最大比合并：为了将这些多径信号进行有效的合并，可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的输出信号。然后再进行判决恢复发送数据。4.2RAKE接收第4章抗衰落技术图4-14QualComm的Rake接收机并行相关器结构移动台：3个并行相关器+多径搜索器相关接收最大比合并基站：4个并行相关器+多径搜索器非相关接收最大比合并4.2RAKE接收第4章抗衰落技术图4-15实现最佳合并的横向滤波器第4章抗衰落技术Rake接收机原理小结接收机相关器1相关器1相关器1搜索器计算相关时延合并Thecombinedsignaltts(t)s(t)基站采用双接收天线。在手机和基站采用RAKE接收，合并不同传输延时的信号。软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机。RAKE接收机有效克服多径衰落，提高接收性能第4章抗衰落技术分组码(n,k)线性分组码CRC(循环冗余校验码)卷积码交织编码4.3纠错编码技术第4章抗衰落技术4.3纠错编码技术——卷积码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，而且还与以前M个时刻若干组的信息元有关。用（n,k,M）表示卷积码。卷积码的编码效率卷积码的约束长度：输出的n个bit中，是由相关的M+1个时刻的输入信息决定的，所以称M+1为约束长度。卷积码编码器由若干位移位寄存器和模二加法器组成。%90且nk第4章抗衰落技术图4-16(3，1，3)卷积码编码器pj1=mj⊕mj-1⊕mj-3pj2=mj⊕mj-1⊕mj-2(3,1,3)卷积码的监督方程DDDmj－1mj－2mj－3mjpj1pj2输出mj＋1mjcj=(mjpj1pj2)第4章抗衰落技术例：求（1）上述(3,1,3)卷积码编码器，对应输入为100时的输出码字（2）该编码器的约束长度（3）该编码器的编码效率（4）输出的信息速率和输入的信息速率之间的关系解：(1)输入mmj-1mj-2mj-3状态方程输出cj=(mjpj1pj2)mj=1000pj1=mj⊕mj-1⊕mj-3pj2=mj⊕mj-1⊕mj-2111mj+1=0100011mj+2=0010001所以输出C=111011001第4章抗衰落技术(2)因为输出码组除了和本组的信息位相关外，还和以前3个时刻的输入信息位有关，即每个码组一共和相邻的4个信息位相关，所以该卷积码的约束长度为4。(3)该编码器的编码效率为31nk(4)在信号速率保持输入输出一致的情况下，输出的信息速率是输入信息速率的1/3。例：已知(2,1,1)卷积码的监督方程为pj=mj⊕mj-1。试画出该卷积码的编码器图。第4章抗衰落技术图4-17(2，1)(a)编码器；(b)译码器解：ojjjjojjjsmmsssppsˆ1译码方程思考译码SRSRSR{mj}pjmj{cj}(a){wj}mjpjpj′sj复位so纠错信号SR：移位寄存器}ˆ{jm已纠信