第四章--抗衰落和链路性能增强技术

第四章抗衰落和链路性能增强技术程郁凡[e-mail]通信抗干扰技术国家级重点实验室衰落产生的原因第四章抗衰落和链路性能增强技术22021年3月不同信道条件对系统性能影响3差的信道极差的信道好的信道降低衰落影响的方法第四章抗衰落和链路性能增强技术4抗失真技术：减少或消除失真的技术抗SNR损耗：能最佳地达到AWGN系统性能的技术频率选择性失真自适应均衡扩频：DS或FHOFDM基于导频的信道估计平坦衰落和慢衰落纠错编码某种类型的分集获得附加的不相关信号估计时间分集(ARQ等)频率分集空间分集快衰落失真鲁棒调制(非相干或差分相干)提高信息传输速率纠错编码和交织2021年3月第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术52021年3月4.1分集技术分集技术的基本概念宏观分集微观分集分集的合并方式及性能第四章抗衰落和链路性能增强技术62021年3月4.1.1分集技术的基本概念深衰落决定了无线传输系统的误码率。第四章抗衰落和链路性能增强技术7深衰落图4.1衰落影响示意图2021年3月分集的原理原理：信号经过“复制”和映射，在多个独立信道上传播，则各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低。8两条路径同时出现深衰落的概率降低t/f/d/p接收信号功率2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术分集技术的概念概念：利用加性独立（或至少是不相关）的衰落路径传送相同的信号并合并，从而提高接收信号的信噪比。目标：对抗移动信道造成的各种衰落，既可抗失真又可抗SNR损耗。本质：对同一信号在不同时间、频率、空间、极化方向的采样。难点：如何得到多路信号？如何合并多路信号？第四章抗衰落和链路性能增强技术92021年3月4.1.2宏观分集多基站分集抗大尺度路径损耗第四章抗衰落和链路性能增强技术102021年3月4.1.3微观分集抗小尺度衰落空间分集用不相关的两个以上天线或者同一天线的不同极化方向传输同一个信号频率分集用两个以上载频传输同一个信号。时间分集在不同时间传输同一个信号。第四章抗衰落和链路性能增强技术112021年3月多天线分集发射分集接收分集获取空间分集的条件多个路径之间的距离空间相干距离12空间分集(1)接收机1(,)TMht发射机1(,)htTM……接收机(,)RMht发射机1(,)htRM……1图4.2多天线分集(a)发射分集(b)接收分集空间分集(2)第四章抗衰落和链路性能增强技术131s2s串并变换(向量编码)...TMs发送天线输入信号...接收天线输出信号数据处理(信道估计和解码)1r2rRMr图4.3发射分集和接收分集的联合MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)2021年3月ARQ：AutomaticRepeatreQuest频率分集和时间分集频率分集传输信息以不同的频率进行传输频率间距相干带宽常见方式：直接序列扩频DSSS、跳频FH时间分集传输信息在不同的时刻重复传输信号重发时间间隔相干时间常见方式：ARQ、Rake接收机、交织、重复编码等14DSSS：DirectSequenceSpreadSpectrumFH：FrequencyHopping举例[例4.1]工作频段为800~900MHz，典型的时延扩展值为5us，多普勒扩展为5Hz，采用重传获取分集增益，问能获取频率分集的载频间隔；能获取时间分集的重传时间间隔。解：信道相干带宽：信道相干时间:为获取频率分集，两次重传的载频间隔应远大于40kHz;为获取时间分集，两次重传的时间间隔应远大于84.6ms第四章抗衰落和链路性能增强技术151140555cBkHz0.4230.42384.65cmTmsf2021年3月123M…合并器输出4.1.4分集的合并方式及性能问题：接收到分集信号后，以什么方式作为输出？选择合并最大比合并等增益合并评价中断概率误比特率161Mkkkfxaxfx设：各支路信号相互独立，包络服从瑞利分布，具有相同的平均功率?M：分集支路0MbbPPpd0tMoutMtPPpdoutPbP选择合并(SC：SelectionCombining)选择具有最大SNR的分支2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术17图4.4选择合并示意图选择合并性能分析设：没有LOS，接收信号的包络呈瑞利衰落特性，第k条支路信号的包络为rk，则其概率密度函数为：信号的瞬时功率为rk2/2，设各支路的噪声平均功率相同，为Nk，则第k条支路的信噪比为：根据连续型随机变量的函数的概率密度函数，若随机变量X的概率密度函数为pX(x)，函数Y=g(x)处处可导，且导数0，若h(y)是g(x)的反函数，则Y的概率密度函数为18222exp2kkkrrpr22kkkrNYXpyphyhy22,22kkErEr19Yxfyfhyhy222exp2kkkkNNp222212e2xp22kkkkkkkkNNpNN1expkcckp2ckcN令，为每一个支路的平均信噪比222exp2kkkrrpr22kkkrN2kkkrN,2kkkkyrNhy20设：选择合并输出的信噪比：M正常工作的信噪比门限：t当某个支路的信噪比kt时，该支路发生深衰落，某支路发生深衰落的概率为：当Mt时，通信中断，中断概率为：Mt的概率（正常工作的概率）为：001expttckktkkckPpdd0exp1exptktkcctP121e,,x,poutMtMMttcPPP11expMtMtcP通信中断的概率21图4.5选择合并的通信中断概率22因为通信中断的概率为：M的概率密度函数为：求出M的均值：121e,,x,poutMtMMttcPPP1expMMcdFdpdd11expexpMMcccMp,ccuddu令有011011MMuccuMMkEpdMueedku选择合并性能分析选择合并的增益GS为：特点：实现简单，但不是最优的。2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术2311MMMckEk11MMSkcGkM为分集支路数最大比合并(MaximalRatioCombining)所有分支依据信噪比（SNR）进行加权相干合并（调整同相后再相加）2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术24图4.6最大比合并示意图最大比合并性能分析251Mkkkfxaxfx1MmrkkkrarM路合并输出信号的包络：合并信号的瞬时功率：合并输出的噪声总功率：合并器输出的信噪比2/2smrPr21MmrkkkNaN22mrMmrrN21212MkkkMkkkaraN2121/2MkkkkkMkkkaNrNaN由许瓦兹不等式：若满足，等式成立。因此，当下式成立时，M最大：262211/2MMMkkkkkkkkaNrNaN222111MMMkkkkkkkxyxy1212()MMxxxCyyy常数121221/2MMkkkMkkkkkkMrNaNaN/kkkkkkkkkkkkkkaNxaNrCyrraCNNrNkxky2112MMkMkkkkrN即是一个由两个零均值，方差为的高斯随机变量构成的自由度为2的中心2分布（也是指数分布）。则M是一个由2M个零均值，方差为的高斯随机变量构成的自由度为2M的中心2分布，概率密度函数为：中断概率：272112MMkMkkkkrNk1101!cMMMcpeM222122kkcskkrTTNN2c2c10111!ttcMkMtcoutMtkPPpdek2ckN最大比合并性能分析若各支路具有相同的平均信噪比合并增益：特点：性能最优，实现复杂。2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术282112MMkMkkkkrN1MMkckMMMcGM2ckNc等增益合并所有分支等权重相干合并等增益合并输出的包络设各支路噪声平均功率相等，则输出的信噪比为：2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术291ka1Meqkkrr21112MkkMMkkrN22111122MkMkkMkkkkrrMNN各支路不相关，所以又rk都为瑞利分布，且均值相同，方差相同：302112MMkkkrMN2211,11122MMMMkkkjkkjkkkjkrrrrMNMNkjkjrrrrExyExEy即2212122MkMMMMN114McM2ckN114MEcMG22,22kkErEr不同合并性能比较2021年3月第四章抗衰落和链路性能增强技术3111MMSkcGkMMcGM图4.7各种合并方式的改善114MEcMG分集对数字移动通信误码的影响平均误符号率：为AWGN信道下的误符号率无分集时的平均信噪比（符号、比特）：M分集时每条支路的平均信噪比（符号）：320MeePPpd200cssckEENNMNM,sbcePebPP33以DPSK非相干解调、选择合并为例：1)AWGN信道下：2)Rayleigh信道，无分集：12ePe1expkccp0kbeePPPpd0112cceed10112ccced1012cuedu10121cuce121c121bbPcb无分集时:ccuddu令，有340MbeePPPpd10112ccMcMeeed1012cMuuuMeeeduccuddu令，有1101012cMkukkuMkMeCedu11+10012cMkkukMkMCedu11+1001121+c