无线通信技术XXXX_51

无线通信技术武卓[e-mail]2011-1-12分集技术概述时间分集频率分集空间分集—接收分集及发送分集多用户分集通信与信息工程学院抗衰落技术---分集技术分集技术4.2.1分集技术概述分集的目的：衰落根据其频率特性划分非频率选择性衰落平衰落频率选择性衰落在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落。衰落根据其时间特性划分快衰落慢衰落对抗衰落的有效技术之一就是对独立的衰落信号进行分集合并分集的概念分集技术通信与信息工程学院分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。原理：利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号的统计独立性进行合并，从而实现分集。首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以是不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。其次要以某种方法进行合并。分集的种类分集技术分集的种类通信与信息工程学院分集的思想：在无线通信系统中实现独立的衰落信道频率分集空间分集时间分集分集来自不同空间的多径信号来自不同时间的多径信号来自不同频带的多径信号分集技术4.2.2时间分集基本思想：不同时间发送相同信息，时间间隔必须大于信道相干时间对信息进行编码并将编码后的码元分散到不同的时间段，时间间隔大于相干时间，从而使得码字的不同部分经历相互独立的衰落。通过编码和交织可以实现时间分集。分集技术时间分集通信与信息工程学院重复编码实现示意图1234123412341234时间间隔远远大于相干时间在不同的时段中发射相同的信息分集技术通信与信息工程学院时间分集交织实现示意图123456789101112131415161591326101437111548121以列写入、以行读出15913261014371115481216交织之所以被称为隐分集是因为其并没有采发送重复信息的方式，但是它仍然利用了时间分集中将码字放入不同的独立衰落的时间段的发送方式，深度衰落会导致连续码元整个码字消失，在交织码元中，仅会导致各码字中的一个编码码元消失，仍然可以从其他三个未衰落码元中恢复出各码字分集技术通信与信息工程学院时间分集重复编码可以获得分集增益，但由于只是相同码元在L个码元时间的简单重复，所以并没有有效地利用信道的可用自由度，采用更为复杂的编码可以获得分集增益和编码增益时间分集缺陷：虽然不需要增加发送功率，但是降低了发送速率分集技术4.2.3频率分集通信与信息工程学院基本思想：在不同的频带发送相同的窄带信号，载波的间隔是信道的相干带宽频率分集缺陷：因为要在多个频带上发射信号，所以需要增加发射功率分集技术频率分集利用频率分集的同时处理码间干扰的方法采用均衡的单载波系统直接序列频谱扩频多载波系统具有ISI均衡的单载波：在接收端通过线性和非线性处理，可以在某种程度上减轻码间干扰。利用维比特法可以实现发射码元的最优ML检测。然而，维比特算法的复杂度随着抽头的数量指数增加，并且通常仅用于有效抽头数量较小的情况。直接序列频谱扩展：采用此方法时，信息码元被伪噪声序列调制后通过远远大于数据速率的带宽W发射出去，因为码元速率低，所以码间干扰小大大简化了发射机结构。多载波系统：通过发射预编码将ISI信道转换为一组无干扰、正交子载波，其中各子载波经历窄带平坦衰落。对不同子载波的码元进行编码就可以实现分集，这种方法也称为离散多音（DMT）或正交频分多路复用（OFDM）分集技术4.2.4空间分集使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列，其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做空间分集。如果天线安装的间隔足够大（对于均匀散射环境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立需要的最小间距近似为波长的一半），那么不同天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。分集技术空间分集空间分集接收分集—单输入多输出（SIMO）信道，实现独立的衰落路径不需要增加发送功率或带宽，通过分集信号进行相干合并还能提高接收信噪比，获得阵列增益。阵列增益是指采用天线分集后相对于单天线的信噪比增益分集增益定义为分集合并后误码率斜率的变化发送分集—多输入单输出（MISO）信道，发送分集的设计与发送端是否知道复信道增益信息有关，发送分集同样也能获得阵列增益。benefit空间分集—发送分集分集技术通信与信息工程学院发送分集：多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理能力方面比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。发送分集发送端已知信道信息，与接收分集类似发送端未知信道信息-Alamouti方案在蜂窝系统的下行链路常见，因为在基站安装多副天线通常要比在手机安装多副天线便宜发送分集最简单的两根发送天线模型分集技术空间分集—发送分集1.发送端已知信道信息考虑有M根发送天线和一根接收天线的发送分集系统.假设发送端已知第i根天线上的路径增益,称此为发送端已知信道边信息(channelsideinformation,CSI),记为CSIT.记发送信号为s(t),总发送的符号能量为Es.信号乘以复增益后在第i根天线上发送.这个复数乘法同时实现同相和信道增益加权的功能.由于总发送能量是Es,加权值必须满足ijire(01)ijiiiaea211Miia分集技术空间分集—发送分集通信与信息工程学院11jrestMjMrest22jrest33jrest12M32iirN分集技术空间分集—发送分集通信与信息工程学院各天线发送的加权信号在空中相加,形成如下的接收信号通过设定合适的支路加权值使接收信噪比最大.按照接收MRC分集中类似的方法可得知,使信噪比最大化的加权值ai为:相应的信噪比为:1()Miiirtarst21iiMiirar220110MMSiiiiiiErrEsNN，分集技术通信与信息工程学院空间分集—发送分集由此可见,当发送端已知信道信息时,发送分集和接收MRC分集完全类似,其接收信噪比也是各支路信噪比的和.当各天线的路径增益相同为ri=r时,采用M根发送天线时的信噪比是单天线时的M倍,即阵列增益为M.20MrEsN分集技术通信与信息工程学院空间分集—发送分集高信噪比下,MRC发送分集的分集阶数是M,所以发送和接收的MRC分集都达到了满分集阶数.发送分集的主要困难是要让发送端获得信道的相位和幅度信息.一种方法是,接收端利用导频测量信道,再将测量结果反馈给发送端.分集技术空间分集—发送分集通信与信息工程学院2.发送端未知信道信息—Alamouti方案考虑两根发送天线情况,假设每根天线的信道增益是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,发送信号s(t)的符号能量为Es.如果简单平分功率后用两个天线发射,那么天线i上的发送信号为,接收信号为:ijiihre（i=1，2）istst()=0.5()rthhst12()=0.5(+)()分集技术空间分集—发送分集两个复高斯随机变量的和h1和h2本身也是复高斯的,和的均值为0,方差为2,所以仍然是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,这和单根发送天线是一样的.可见该方法既不能使两个天线同相,也不能对两个天线加权分配能量,没有任何性能优点.hh120.（5+）分集技术空间分集—发送分集Alamouti方案:该方案是针对有两根发送天线的数字通信系统设计的.它占用两个符号周期并且假设在这段时间内信道增益不变.在第一个符号周期,两个不同的符号s1和s2分别用天线1和天线2同时发送,每个符号的能量为Es/2;在下一个符号周期,天线1发送,天线2发送,每个的符号能量同样也为Es/2.2-s1s分集技术空间分集—发送分集分集技术空间分集—发送分集这两个先后接收到的符号形成矢量,可写为式中HA满足:定义一个新变量:则:是复高斯噪声矢量,均值为0,协方差矩阵为:12[]Tyyy12112122AhhsnyHsnhhsn12121221[,],[,],TTAhhsssnnnHhh22122HAAHHhhIHAzHy2212122[]TzzzhhIsn221202[]EnnhhNIHAnHn分集技术空间分集—发送分集z表达式中的对角阵特性使我们可以分离出两个符号的传输,z的每个元素对应一个符号的发送:对应zi的接收信噪比为:(II)式中’2’源于发送信号si的能量是总能量Es的一半.接收信噪比等于各支路信噪比的和除以2.由(I)式可知,分集阶数可达到2,(II)式说明阵列增益只能达到1.而MRC的阵列增益和分集阶数均为2.2212iiizhhsni=1，2(I)221202sihhEN（II）分集技术空间分集—发送分集MIMO仿真分集技术空间分集—接收分集接收分集：1副发射天线和L副接收天线，接收分集将多个接收天线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。不同的合并方式接收分集最简单的两根接收天线模型合并分集技术空间分集—接收分集接收分集的主要目的是对独立的衰落路径进行相干合并来减轻衰落的影响，合并后的输出是不同衰落支路的加权和。合并方式门限合并最大比合并等增益合并选择合并分集技术空间分集—接收分集选择合并输出信噪比最高的那个支路上的信号。若各支路的噪声功率都相等，即，则等价于选择最大的支路。特点：选择合并只需要一个接收机，随时切换到被选的天线支路上；选择合并输出的信噪比等于各支路信噪比的最大值；不需要各支路同相，可以采用相干调制或差分调制。iNN2iirN分集技术空间分集—接收分集瑞利衰落下选择合并的中断率分集技术空间分集—接收分集例：设信道为瑞利衰落，调制方式为BPSK调制，可接受的误码率为。求（无分集）、及时选择分集的中断率。假设各支路的平均信噪比相同，为。解：BPSK调制信号在时达到，因此将和代入得：时，时，时，310bP1M310bP2M3M15dB7bdB7bdB0.70101.5100/00()()[1]MoutPpe0.1466outp0.0215outp0.0031outp1M2M3M分集技术空间分集—接收分集门限合并是一种比选择合并更简单的合并方法。它用同一个接收机顺序监测每个支路，输出第一个信噪比高于门限值的信号，从而避免了在每个支路上都安装一个接收机。门限合并和选择合并一样，每个时刻只有一路信号输出，不需要各路同相，因此相干调制和差分调制都可以采用门限合并。i分集技术空间分集—接收分集门限合并的原理一旦选定支路后，只要该支路的信噪比一直高于门限值，合并器就始终输出这个支路上的信号。当这个支路上的信噪比低于门限值时，就切换到其他支路。决定切换到哪一个其他支路上有一些不同的方法，最简单就是随机切换。只有两个支路时，就是直接切换到另一个支路上。这种方法叫做切停合并（SSC），SSC并不是选择信噪比最高的支路，所以性能介于无分集和理想选择合并之间。分集技术空间分集—接收分集SSC中的信噪比分集技术4.2.5多用户分集—机会通信单用户分集基本思想：通过不同的路径发送载有相同信息的信号，在接收端就可以得到数据码元的多个相互独立的副本，从中选择信号最强的或者采用加权和方式得到发送信息，从而实现更为可靠的检测，改善系统的性能。用于点对点通信多用户分集基本思想：当网络中存在大量衰落相互独立的用户时，在任意时刻都将有很高的概率存在一个用户拥有强信号信道。如果仅允许该用户发射信号，那么会以最高效的方式利用信道资源，从而使总的系统吞吐量最大化，用户数量越多，信号较强的信道更容易成为信号最强的信道，于是多用户分集增益也