移动通信第四章抗衰落技术

移动通信系统中采用的主要抗干扰措施利用信道编码进行检错、纠错，降低通信传输的差错率。克服多径衰落，广泛采用分集接收技术、自适应均衡技术和选用抗码间干扰和多径时散的调制技术。采用扩频和跳频技术，提高通信系统的综合抗干扰能力。采用扇区天线、多波束天线、自适应天线阵列等，减小同频干扰。在cdma系统中，采用干扰抵消和多用户检测器等技术减小多址干扰第四章抗衰落技术衰落：由于传输引起的信号电平起伏波动。多径衰落：由多径效应引起的衰落。为了对抗多径衰落：在cdma系统中：采用了RAKE接收技术（分集接收技术中的一种）；在GSM系统中：采用了自适应均衡技术。目录4.1分集接收4.2RAKE接收4.3纠错编码技术4.4均衡技术第四章抗衰落技术一.分集接收原理4.1分集接收将接收到的信号分离成多个衰落特性独立的信号（携带同一信息），然后将这些多路分离信号按一定规则合并起来，以降低信号电平起伏。分集接收技术包括两个方面：1）分散传输：如何把接收到的信号分离成多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；2）集中处理（合并）：怎样将这些多路分离信号合并起来，使接收的有用信号能量最大，以降低衰落的影响。第四章抗衰落技术第四章抗衰落技术二.分集方式和方法移动通信中有两类分集方式：1.宏分集主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。其做法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站通信）。2.微分集a空间分集第四章抗衰落技术空间分集的依据在于衰落的空间独立性，即在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。第四章抗衰落技术b频率分集由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。频率分集需要用两部以上的发射机（频率相隔53kHz以上）同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅设备复杂，频谱利用方面不经济。第四章抗衰落技术c时间分集同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。第四章抗衰落技术d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。极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集情况），但仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。极化分集可以看成空间分集的一种情况。第四章抗衰落技术e场分量分集在移动信道中，EZ、HX、HY的分量是互不相关，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。第四章抗衰落技术f角度分集使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量，由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。第四章抗衰落技术三.合并方式第四章抗衰落技术1.选择式合并2.最大比值合并第四章抗衰落技术第四章抗衰落技术3.等增益合并号加合并4.2RAKE接收所谓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。一般的分集技术是把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。第四章抗衰落技术RAKE：耙子（喻：横向滤波器的抽头类似于耙子的齿）第四章抗衰落技术例：高通公司的CDMA系统中第四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相干接收机的给构由匹配滤波器和包络检波器组成。如果r(t)中包括多条路径，图中x(t)中的每一个峰值对应一条多径。第四章抗衰落技术为了将这些多径信号作有效合并，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，按照最大比的方式合并，就可得到最佳的输出信号。4.3纠错编码技术为了提高传输可靠性，在信息码元中加入监督码元，让信号具有检（纠）错的能力，这称为差错控制编码，也称为纠错编码。举例：现在我们考察由2位二进制数字构成的码组，它共有4种不同的可能组合，若将其全部用来表示天气，则可以表示4种不同的天气情况，如：00=晴01=10=11=雨其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一信息码组。这时，接收端将无法发现错误。若增加一个比特用3位码组来表示天气，那么3位码组就有8种组合，我们限制只用其中四种来表示天气，其它码组禁用，譬如：000=晴011=101=110=雨具有检错能力如果纠错编码可以纠正t个错码，检测e个错码（te），则：•当接收码组在纠错能力范围之内：按纠错方式工作•当接收码组在纠错能力范围之外，检错能力范围之内：按检错方式工作一.纠错编码奇偶校验码、CRC校验:常用的检错码。卷积码：主要可以纠随机差错，也具有一定的纠正突发差错的能力。二.常用的纠错编码：Turbo码：具有较强的纠错能力，但译码复杂，时延大，适合数据业务。交织编码：主要纠正突发差错。奇偶校验码举例：设信息序列长K=3，校验序列长L=4；输入信息比特为{S1,S2,S3}，校验比特为{C1,C2,C3,C4}；校验的规则为：C1=S1⊕S3,C2=S1⊕S2⊕S3,C3=S1⊕S2,C4=S2⊕S3。编码器{S1,S2,S3}{S1,S2,S3,C1,C2,C3,C4}K个码元k个码元＋L个校验码元＝N个码元表4-3奇偶校验码CRC码K个码元k个码元＋L个校验码元＝N个码元CRC(循环冗余校验)根据输入信息比特序列(SK-1,SK-2,…,S1,S0)，通过CRC算法产生L位的校验比特序列(CL-1,CL-2,…,C1,C0)。CRC算法如下：将输入比特序列表示为下列多项式的系数：S(D)=SK-1DK-1+SK-2DK-2+…+S1D+S0设CRC校验比特的生成多项式(即用于产生CRC校验比特的多项式)为：1DgDgD)D(g11L1LL则校验比特对应下列多项式的系数：011L1LLCDC...DC)D(gD)D(SmainderRe)D(C生成多项式的选择不是任意的，它必须使得生成的校验序列有很强的检错能力。常用的几个L阶CRC生成多项式为：CRC-16(L=16)：g(D)=D16+D15+D2+1CRC-32(L=32)：g(D)=D32+D26+D23+D22+D16+D12+D11+D10+D8+D7+D5+D4+D2+D+1……举例：设输入比特序列为(10110111)，采用CRC-16生成多项式，求其校验比特序列。编码器(10110111){10110111C0C2C3…..C15}输入比特序列可表示为：S(D)=D7+D5+D4+D2+D1(K=8)采用CRC-16生成式：g(D)=D16+D15+D2+1(L=16))D(gD)D(SRemainder)D(CL得到：1DDDDDDDDD)1DDD)(DDDDD(Remainder1DDDDDDDDDRemainder)D(gD)D(SRemainder)D(C215164578921516346721516161718202123L=D9+D8+D7+D5+D4+D=0·D15+0·D14+0·D13+0·D12+0·D11+0·D10+1·D9+1·D8+1·D7+0·D6+1·D5+1·D4+0·D3+0·D2+1·D1+0输出：101101110000001110110010卷积码k个码元n个码元m是约束长度举例：图为(2，1)卷积码、约束长度m=2的编码器和解码器，设输入信息元序列为100(1为先输入)，求编码以后的输出。SRSRSR{mj}pjmj{cj}(a){wj}mjpjpj′sj复位so纠错信号SR：移位寄存器}ˆ{jm已纠信息比特(b)监督码元：pj=mj⊕mj-1编码器{S1}{S2}{S3}{S1,P1}{S2,P2,}{S3,P3}SRSRSR{mj}pjmj{cj}(a){wj}mjpjpj′sj复位so纠错信号SR：移位寄存器}ˆ{jm已纠信息比特(b)输入mj=1，pj=1⊕0=1,所以输出为11；输入mj+1=0，pj+1=mj+1⊕mj=0⊕1=1，所以输出为01；输入mj+2=0，pj+2=mj+2⊕mj+1=0⊕0=0，所以输出为00。输入：100，输出：110100。100交织编码交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。存入顺序第1排C11C12C13C14C15C16C17第2排C21C22C23C24C25C26C27第3排C31C32C33C34C35C36C37……………………第m排Cm1Cm2Cm3Cm4Cm5Cm6Cm7读出顺序*4.3.4Turbo码1993年，Berrou等人提出了一种新的编码结构，称为“Turbo-codes”。在“1/2码率下信噪比Eb/N0=0.7dB”时可以取得“误比特率BER为10-5”的优异特性，与香农容量极限仅0.7dB的差别。这是令当时信息论和编码界激动人心的结果。Turbo码采用反复迭代的译码方式，所以得名Turbo（英文：涡轮，反复迭代）码。由于Turbo码的优异性能，广泛用于3G移动通信系统中。由于分组码和卷积码的复杂度随码组长度或约束长度的增大按指数规律增长，所以为了提高纠错能力，人们大多不是单纯的增大一种码长度，而是将两种或多种简单的编码组合成为复合编码。其中链接码是复合编码中的一种，包括一个内码和一个外码。内编码器(n,k)调制器信道解制器内解码器(n,k)外解码器(N,K)外编码器(N,K)输入输出Turbo码：是一种特殊的链接码。它在两个并联或串联的编码器之间增加一个交织器，使之具有很大的码组长度和在低信噪比条件下得到接近理想的性能。Turbo码的编码器可以有多种形式，如采用并行级联卷积码（PCCC）和串行级联卷积码(SCCC)等。编码器1编码器2交织器删余矩阵复接器输出码元输入信息图4-19PCCC编码器框图外码编码器交织器内码编码器ukOkcO)(kIcIkc图4-21SCCC的编码器结构ukcPc1Pc2PcSc第四章抗衰落技术4.4均衡技术一.原理均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法。码间串扰m(t)r(t)cp(t)t1t2t3如果要消除码间干扰，需要系统传输特性满足无码间串扰条件，即奈奎斯特第一准则。第四章抗衰落技术二.无码间串扰条件1.频域：系统传输特性满足：2.时域：满足skTh0k00k)1，＝，（归一化值smsTnffH为任意值f,第四章抗衰落技术三.方法H(w)G(w)H’(w)符合无码间串扰条件可使用频域均衡器或时域均衡器第四章抗衰落技术时域均衡器第四章抗衰落技术横向滤波器：图4-28自适应均衡器的基本结构z－1z－1z－1修正每一个加权系数wNk的自适应算法∑∑输入信号ykyk－1…yk－2yk－Nw0kw1kw2k…wNk误差ek－＋dk设置为xk或已知的发送序列kdˆ均衡器的输出例如,我们关心均衡器的输出采样点（波形）与发端波形是否一致，此时可使xk和的均方误差最小。如果我们将上述准则进行扩展，不直接关心波形而关心单个输出的符号dk或输出符号的序列dk，则我们可以采用最大后验概率（MAP）准则或最大似然（ML）准则，即kdˆ2ˆkkdxE)~|(maxarg)|~(maxarg)~|(maxarg