移动通信原理第9次课-第8章分集与均衡

第8章分集与均衡移动信道的快衰落对传输可靠性影响较大，本章将介绍分集和均衡技术，它们是对抗短期快衰落最有效的方法。第2章指出移动传输信道具有3类损耗和衰落：1）路径传播损耗•路径传播损耗是电波在空中传播时由距离因素产生的损耗，一般称为衰耗，它随接收点距发射台的距离（以千米数量级）而变化。在自由空间传播情况下，接收电平的平均值随距离的平方衰减。2）长期慢衰落•长期慢衰落是由阴影效应产生的损耗。当阴影长度达到数百波长以上时，阴影效应使得接收电平的平均值出现值得关注的随机起伏。其变化速率比传输信号速率低，变化周期长。阴影效应引起的慢衰落为无线通信所特有，它服从对数正态分布。因移动通过的阴影长度达数百波长以上时才有显著变化，故也称之为大尺度衰落。3）短期快衰落•短期快衰落是由多经效应和多普勒效应引起的。当移动距离达到数十波长时，接收电平的平均值就将发生值得关注的随机起伏。接收信号电平一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或萊斯(Rice)分布。因快衰落的变化速率较快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引起这种衰落出现的移动距离短，这种衰落又叫做小尺度衰落。这种衰落由于与空间位置和频率等有关，又称之为选择性衰落。它包括空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落，如表所示。短期快衰落选择性衰落空间选择性衰落：不同地点和空间位置衰落特性不同频率选择性衰落：不同频段的衰落特性不同时间选择性衰落：不同时间衰落特性不同大尺度衰落和小尺度衰落示意图针对不同的衰落特性，可以采用不同的技术来克服它们对移动通信系统性能的影响。8.1分集技术的基本原理•分集技术是一项典型的抗快衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道的传输可靠性。其中空间分集技术早已成功应用于模拟短波通信与模拟移动通信系统。对于数字移动通信，特别是第二代移动通信，分集技术有了更广泛的应用。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。8.1.1基本概念与分类•分集就是将接收的同一信号在统计上相互独立(或近似独立)的若干不同样值集中起来加以有效利用。统计上相互独立的不同样值可以是不同空间的、不同频率的和不同时间的信号分量。•分集技术的分类•按“分”划分，即按照接收信号样值特性，可分为空间、频率和时间三大基本类型；按“集”划分，即按集合和合并方式划分，可分为最大比值合并、等增益合并和选择合并；按照合并的位置可分为射频合并、中频合并和基带合并，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，如多入/多出(MIMO)系统；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。68.1.2典型的分集与合并技术1.空间分集•空间分集是将不同空间位置上的天线接收到的在统计上不相关的信号集中起来实现抗衰落的技术。•为了使基站接收天线之间的距离基本满足接收信号不相关的要求，天线之间的距离d须大于信号的相关区间。市区两天线距离d≥2.86λ。空间分集接收天线的数量N=2~4，当N增加到3以上时，分集增益增加缓慢。•空间分集有两类形式。1)极化分集•在同一位置安装一副与地面成±450的正交双极化接收天线，分别接收不同的极化波，然后合并。2)角度分集•基站安装天线主瓣指向不同的定向天线，接收来自不同角度的多径信号。•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，还可以获得设备增益，比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。2.频率分集•频率分集利用不同频段衰落上的差异，来实现抗(频率选择性)衰落。方法是发射机将信号调制到不同的载波频率上发射出去，接收终端将接收到的衰落各不相同的载波合并起来抗频率选择衰落。不同的载波之间的间隔Df大于第二章分析中所指出的频率相干区间DF，即•其中L为接收信号的时延功率谱宽度。对城市中使用800~900MHz频段的IS-95和GSM来说，L≈5ms。因此，不同载波之间的间隔只有不小于200kHz，才能有理想的分集效果。1fFLDD3.时间分集•当取样时间间隔足够大时，一个随机衰落信号两个相邻取样值间的衰落是互不相关的。时间分集就是利用这种不同时间上的衰落差异来实现抗时间选择性衰落。发射机将同一信号多次重发，接收机重复接收同一信号。为了使重发信号的衰落互不相干，重发的时间间隔Dt必须大于时间相关区间DT,即，Dt≥DT≈1/B•式中，B是移动用户高速移动时产生的多普勒频移的扩散区间。可见，时间分集对于静止和准静止状态的低速用户几乎无用。•接收机可以同时采用上述几种分集技术以便获得尽可能大的分集增益和抗快衰落能力。4.最大比值合并(MRC)•最大比值合并的原理图如下所示。接收端的多个统计不相关的分集支路信号经过相位校正，并按可变加权值求和后送入检测器进行检测。•利用切比雪夫不等式可以证明，当可变加权系数Gi=Ai/r2时，分集合并后的信噪比达到最大值。其中，Ai表示第i个分集支路的信号幅度，表示每个分集支路噪声功率相等；i=1、2、...、N。经最大比值合并后的输出为，信噪比越大的分集支路对合并信号的贡献就越大。发射机输入移动台（发端）可变增益加权G1A1可变增益加权G2A2可变增益加权An同相相加检测器输出基站（收端）Gn======NiiNiiiNiiiAAAAGA1221211rr22rr=i5.等增益合并(EGC)•若在上述最大比值合并中，取Gi＝1，即为等增益合并。当N(分集重数)较大时，等增益合并与最大比值合并两者的合并信噪比相差不多，大约在1dB左右。但是，等增益合并实现起来比较简单。6.选择合并•选择合并原理图如下所示。选择电路从分集支路中选择信噪比最大的基带信号作为输出。发射机1R2RNR选择电路检测器7.三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。•a曲线是最大比值合并的平均信噪比增益，增益最高；b曲线是等增益合并的平均信噪比增益；c曲线是选择合并的平均信噪比增益，其增益最低。1234567891024681012N(分集支路数）abc8.2RAKE接收8.2.1RAKE接收的基本原理•RAKE接收是一种实用的分集技术。•移动信道中多径衰落引起的信号时延功率谱扩散有两类。一类是连续时延功率谱，它一般出现在繁华市区，由密集建筑物反射形成。另一类是离散型时延功率谱，一般出现在城市边沿和郊区。数字1、2、3、4表示4条传输路径。12341234()P()P•到达接收端的多径信号可以用下列矢量图表示，这里只画出了三条主要传输路径。若采用频率分集和RAKE接收技术，三条路径信号的矢量和可改变成代数和的形式。第1径第2径第3径Rake接收后合成矢量代数和8.2.2IS-95中RAKE接收原理•对于IS-95系统，射频带宽为1.25MHz，在繁华市区的多径时延D大约为5ms。由(8.1.4)式求出频率分集的载波间隔应大于200kHz。理论上可提供1.25MHz/200kHz≈6(重)隐分集载波。由于多径时延的随机性，经过不同路径传播的有实际利用价值的分集载波不超过3~4重。1.IS-95移动终端RAKE接收原理•IS-95移动终端RAKE接收原理框图如图所示。•基站RAKE接收原理与移动终端RAKE接收原理基本一样。8.3均衡技术•均衡是改造限带信道传输特性的一种有效方法，它起源于对有线传输网络的频域均衡滤波器。均衡目前有两个基本途径：•频域均衡，它主要从频域角度来满足无失真传输条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的有线传输网络。•时域均衡，它主要从时间响应考虑使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足无码间干扰条件。目前广泛利用横向滤波器来实现时域均衡，它可以根据信道传输特性的变化不断自动调整均衡参数。与频域均衡相比较，时域均衡调整方便，性能好，故得到广泛应用。特别是在时变移动信道中，几乎都采用时域均衡器，因此下面仅讨论时域自适应均衡技术。•当符号持续时间Ts小于衰落信道最大多径扩展时延max时，衰落信道就需要引入自适应均衡，以便减轻或消除由于频率选择性衰落造成的符号间干扰ISI。•GSM系统采用时分多址TDMA技术，对各用户信息传送是采用时分方式，符号速率比较高，一般满足条件Tsmax，所以必须使用自适应均衡技术。北美的IS-54、IS-136等系统也满足这一条件，也需要采用自适应均衡器。•IS-95系统采用码分多址CDMA，各业务信道数据并行传输，符号持续时间Tsmax，因此CDMA系统一般不采用自适应均衡技术。正交频分复用OFDM的符号持续时间Tsmax，亦可不采用自适应均衡技术，时延扩散对传送符号的影响可以忽略不计。8.3.2横向滤波器•横向滤波器是实现时域均衡的主要设备。它由多级抽头延迟线、可变增益加权系数乘法器以及相加器共同组成。横向滤波器结构如下图所示。•输入信号x(t)进入2N级延迟线，每级的群时延为Ts=1/2fH,fH为信号x(t)的最高频率。•每一级延迟线的输出端都引出信号x(t-nTs)，并分别与可变加权系数Wk(k=0、±1、…、±N)相乘送入求和电路，形成输出信号y(t)。•其中滤波器抽头共有2N+1个，加权系数Wk可变、可调且取正负值，并对中心抽头系数归一化。•若横向滤波器的冲击响应为g(t)，则：••这时，输出响应就成为：••或•可见，横向滤波器的接入将使系统的输出波形y(t)成为输入波形x(t)多达2N+1个不同多径时延分量的加权和。对于一个实际波形(一单个符号)x(t)，只要适当选择抽头增益系数就可以使输出波形在各个奈氏取样点(除k=0外)趋于零。•当t=nTs时，•或简写为()()NkSkNgtWtkT==0()()()ttytxgtd=()()()ytxtgt=()NkSkNWxtkT==()[()]NSkSkNynTWxnkT==NnknkkNyWx==•上述公式中的xn-k表示以n为中心的前后k个符号(k=0、±1、…、±N)在取样时刻t=nTs时对第n个符号所造成的ISI。横向滤波器的作用就是要调节抽头增益系数Wk(不含W0)使得以n为中心的前后符号在取样时刻t=nTs的样值趋于零，消除它们对第n个符号的干扰。所以横向滤波器可以控制并消除±N个符号内的符号间干扰。横向滤波器的这一特性称之为“收敛”特性。显然，横向滤波器抽头越多即N越大，控制范围也就越大，均衡的效果也就越好。但是N越大、抽头越多，调整也就越困难，工程上应在性能与实现复杂性上进行合理的折中。思考题1.技术上这样抗移动信道的小尺度快衰落？2.空间分集、频率分集和时间分集必须分别满足什么空间、频率和时间条件，才可能取得好的分集效果？3.哪种分集合并方法最好？其合并原理是什么？4.IS-95有几重隐分集载波？它的移动终端RAKE接收基本原理是什么？5.什么情况下会出现符号间干扰？可采用什么方法削弱和消除？6.什么是横向滤波器的‘收敛’特性？