无线通信工程

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月8日第九讲无线通信的抗衰落技术内容提要概述非频率选择性衰落的对抗技术频率选择性衰落的对抗技术–均衡技术–分集技术–瑞克技术联合编码技术概述什么叫衰落？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。衰落根据其频率特性可以分为二类：非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落。衰落根据其时间特性可以分为二类：快衰落和慢衰落。衰落有什么影响？衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。如何对抗衰落？减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由；在移动通信中采用微蜂窝、直放站；采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等。非频率选择性衰落的对抗技术对抗原理非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低。统计特性：平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以下的概率。抗衰落的原理：衰落储备法。无线传播方程门限接收电平其中：Eb/N0为归一化门限信噪比的实际值，F为接收机噪声系数，k为玻尔兹曼常数，T0为绝对温度，fb为传输比特率。接收电平其中：Pt为发送功率，GA为收发天线增益，LA为收发天馈系统的损耗，LS为传播路径损耗。bbrfkTFNEP000sAAtrLLGPP22传播统计注意：LS是一个随机变量，存在平均传播损耗LS,平均及传播损耗大于某个值的概率P（LSa）。如果信道没有衰落，传播损耗取平均传播损耗，就有：令：Pr,平均＝Pro，即平均接收电平等于门限接收电平，无线通信系统就能正常工作。实际无线传播信道是有衰落的，因此在没有衰落时的平均接收电平必需大于门限接收电平，才能保证可靠通信。平均平均,22,sAAtrLLGPP衰落储备法令平均接收电平和门限接收电平之比值为：R＝Pr,平均/Pr0就有：称R为衰落储备。对抗非频率选择性衰落的主要方法是衰落储备法，即通过选择足够的衰落储备来保证接收电平降低到门限以下（这种事件可以称为中断）的概率小于某个值。平均,2002SAbbtALLfkTFNEPGR衰落储备法（续）接收电平比平均接收电平下降Fd(dB）的概率（或称为中断概率）为：其中A为和地形、气候有关的系数，m为频率因子，n为距离因子。若选择衰落储备量RFd，就可以保证通信中断率的要求。衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增益、减少通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。10/10dFnmdfAU中断频率选择性衰落的对抗技术对抗原理频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的。多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，使有效的Eb/No恶化。对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影响。对抗原理（续）对抗频率选择性衰落的主要方法：－分集技术；－瑞克技术；－均衡技术；－纠错技术。分集技术分集原理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。应该指出：分集技术不仅能改善频率选择性衰落，同时也能改善非频率选择性衰落。分集方式采用什么途径接收分集信号？空间分集：不同天线的接收信号相互独立；极化分集：水平极化和垂直极化的信号相互独立；频率分集：不同频率的接收信号相互独立；时间分集：不同时间的接收信号相互独立。合并方式从分集信号中以什么方式作为输出？选择式合并：选择最好的支路作为输出，其它支路丢弃。最大增益合并：调整各个支路主径的相位，使之同相，然后进行等增益相加。最小色散合并：调整各个支路次径的相位及幅度，使之反相抵销。最大比合并：调整各个支路的相位，使之同相，然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加。分集举例空间分集及其合并S1(t)S2(t)相加相位幅度控制检测分集后的接收信号S1(t)S2(t)最大增益合并最小色散合并瑞克技术一种时间分集：瑞克接收•对时间上扩散的信号进行分集，尽可能多的获取信号能量。•对多径信号进行分离，根据信道估计的结果来进行多径信号合并。•对于CDMA系统，当多径延时大于一个码片时，多径信号可以看成是不相关的。瑞克接收的基本原理-多径•传输环境时变：频率、相位、时间的变化t0t1t1t1t0t2t2t2t0t3t3t3时延扩展频率扩展瑞克接收机原理相关1相关2相关M接收机框图＋积分判决a1a2aMCDMA多径信号判决输出瑞克接收机工作过程假设接收信号中可以分离出M个不同延时的多径分量，每个分量用不同的相关器进行相关运算。相关器1和支路1同步，相关器2和支路2同步，等等，这样不同相关器就可以检测出各个支路的CDMA信号能量。对各个相关器的输出进行加权，然后相加，就得到发送信号的最大可能的能量输出，对此输出进行判决再生，就可以恢复出数字信息。加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准则、最大信噪比准则，等。另一种时间分集：交织技术原理：在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发干扰，误码的分布就不是平稳、纯随机的，而是存在随机误码和突发误码。采用交织可以减少突发误码的影响。交织不增加额外开销。交织可以保护信源编码中的特殊比特。交织与纠错编码同时使用，进一步提高传输质量。交织器二种类型：分组交织、卷积交织。交织器会引入时延（对语音不能超过40ms）。均衡技术均衡技术自适应均衡器：减少码间干扰。工作模式：训练模式和跟踪模式。均衡器分类–频域均衡器，时域均衡器；–线性均衡器，非线性均衡器。均衡器实现方法–中频均衡器；–基带均衡器。均衡原理均衡器频域表达：信道时域响应f(t)，均衡器时域响应heq(t)，希望均衡后的信道响应为：g(t)=f*(t)heq(t)=(t)就有：Heq(f)F*(-f)=1Heq(f)为均衡器频域响应，F(f)为信道频域响应。均衡器是传输信道的逆滤波器；由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适应均衡器；均衡器的效果是补偿信道的频率选择性，使衰落趋于平坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。频域均衡器频域均衡器一般在中频上实现。举例：中频幅度倾斜均衡器幅度倾斜校正网络f1f2检波检波差分放大器中频输入中频输出时域均衡器（1）：线性均衡器横向滤波器；–适用于衰落深度不是很大的情况。均衡器对深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从而增加噪声。–结构简单。格型均衡器；–数值稳定性好；–收敛速度快。时域均衡器（2）：非线性均衡器适用于深度衰落很大的情况。但算法相对复杂，且稳定性差和收敛时间长。判决反馈均衡器（DFE）；最大似然符号检测（ML）；最大似然序列检测（MLSE）。均衡器算法性能算法性能参数：–收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收敛时间；–失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的差距；–计算复杂度：完成迭代的运算次数；–数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计算引起的误差，影响算法稳定性。均衡器算法分类迫零算法；最小均方算法；递归最小二乘算法；其它算法。迫零算法调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出响应完全消除码间串扰，即除中心点外，其它抽样点的数值全部为0。特点：简单，均衡效果较好。缺点：没有考虑噪声的影响，在深衰落的频率点处，会出现很大的噪声增益。因此，不太适用于在无线信道。最小均方算法调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的期望值和实际值之间的均方误差最小。特点：是一种最简单的均衡算法。算法的稳定性好。缺点：收敛速度不高，均衡能力有限。在无线中适用于较慢的、不太深的衰落。递归最小二乘算法调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的累计平方误差最小。特点：收敛速度快，跟踪性能好。缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问题。在无线中适用于快衰落信道。联合编码技术联合编码说明什么叫联合编码？经典的无线通信系统是将信源编码和信道编码分别进行的。信源编码主要考虑信源的统计特性，信道编码主要考虑信道的统计特性。优点是设计简单、通用性好，可以分别形成标准。缺点是没有充分利用各自的优势，因而不是最佳的。联合编码说明无线系统的信源编码由于压缩比很高，对差错十分敏感；而信道编码面临十分恶劣的传播环境，但提供的带宽冗余度很小。在这种背景下，需要将信源编码和信道编码综合考虑。这就是联合编码的基本思路。在无线多媒体通信中，联合编码是抗衰落的一种十分有效的措施。信源信道联合编码的系统模型)(RcRsk调制+解调)(tnxvkRsw信源编码器量化信道编码器wˆvˆxˆ信源译码器反量化信道译码器vkRsw信源编码器量化信道编码器yyˆ2ˆ)ˆ,(xxxxd信源信道译码联合优化利用信源编码后的残留冗余度进行联合优化利用信道译码的软输出进行联合优化联合编码总结无线视频传输中存在的主要问题错误在空间上的传播错误在时间上的传播同步信息和头信息的丢失可能的解决方法减小错误空间传播减小错误的时间传播增强不等长译码的鲁棒性不均等差错保护的方法差错隐藏方法