移動第4講衰落.ppt

1、,移動通信,中南民族大學(xué)電子與信息工程學(xué)院唐紅文,通信技術(shù),移動通信-第四講 平坦衰落對策,內(nèi)容,分集技術(shù) 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE接收 信道編碼與交織技術(shù) 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術(shù) 均衡原理 自適應(yīng)技術(shù) 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用,4.1 分集技術(shù),分集概念：接收多路 不相關(guān)的信號并合并. 目標(biāo)：對抗多徑信道造成的衰落和延時串?dāng)_ 技術(shù)-兩方面 如何獲得獨(dú)立多路信號 如何合并獨(dú)立多路信號 本質(zhì)：對同一信號在不同時間/空間/頻率的過采樣。,4.1.1 分集接收原理,各獨(dú)立的信號傳播路徑同時經(jīng)歷深度衰

2、落的概率很低。,1. 分集技術(shù)分類,分集技術(shù),分集的目的,宏分集(抗長期衰落),微分集(抗短期衰落),信號傳輸方式,顯分集,隱分集,交織和編碼技術(shù),調(diào)制技術(shù),直接序列擴(kuò)頻技術(shù),獲得多路 信號的方式,空間位置分集(多天線，宏分集),空間角度分集(智能天線),頻率分集(調(diào)頻或DSSS),時間分集(TTC),極化分集,2.常用分集技術(shù),分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)對傳輸信號進(jìn)行過取樣 空間分集技術(shù)-用2個以上的天線收同一個信號 頻率分集技術(shù)-用2個以上的載波頻率傳輸 時間分集技術(shù)-在不同時間接收同一個信號 極化分集-接收垂直和水平極化信號,(1) 時間分集技術(shù)-時間獨(dú)立性,多徑的每一徑時延不同進(jìn)行多徑分離合并-R

3、AKE接收機(jī) 重發(fā)時間大于信道的相關(guān)時間-ARQ技術(shù) 用信道相關(guān)時間設(shè)計(jì)交織編碼的深度,(2) 空間位置分集空間獨(dú)立性,多天線陣元分集 多天線發(fā)射分集 多天線接收分集 條件ddc dc為空間相關(guān)距離 移動信道中 市區(qū)： d=0.5 郊區(qū)： d=0.8,(3) 頻率分集技術(shù)頻率獨(dú)立性,將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載波發(fā)射出去 兩個頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性 條件f2-f1 Bc Bc為相關(guān)帶寬,（4）角度擴(kuò)展-空間角度分集,使電波通過不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，在接收端，采用方向性 天線，分離出不同方向 來的信號分量。 相關(guān)天線陣列：d c,（5）極化分集,不同極化方向（垂直極化和水平極

4、化）的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性。 空間分集的特殊情況（兩路分集支路） （6）場分量分集 電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機(jī)理不同。從而在接收端獲得互不相關(guān)的場分量。 場分量分集不要求天線間有實(shí)體上的間隔，因此適用于較低的工作頻率。,2.現(xiàn)有的主要分集技術(shù),Rake接收-時間分集 智能天線-空間角度分集 多天線陣-空間位置分集 ARQ重傳-時間分集 (重發(fā)時間大于信道的相關(guān)時間) 跳擴(kuò)頻-頻率分集+時間(隱分集) 直接序列擴(kuò)頻-頻率分集(隱分集),隱分集隱含在信號傳輸方式中的分集技術(shù)。,3. 合并技術(shù)通過合并技術(shù)獲得分集增益,合并信號的表達(dá)式信號,合并技術(shù),信號合并準(zhǔn)則利用各種合并準(zhǔn)則確

5、定加權(quán)系數(shù) 最大信噪比準(zhǔn)則 眼圖最大張開度準(zhǔn)則 誤字率最小準(zhǔn)則 分類： 選擇性合并(Selective Combining):選擇具有最大SNR的分枝。 等增益合并(Equal-Gain Combining):所有分枝等權(quán)重相干合并。 最大比合并(maximal Ratio Combining ):所有分枝依其SNR進(jìn)行加權(quán)相干合并.,1. 選擇式合并,選擇式合并原理圖如下所示。,2.最大比值合并(MRC),在接收端由個統(tǒng)計(jì)不相關(guān)的分集支路，經(jīng)過相位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測器進(jìn)行相干檢測。最大比值合并的原理圖如下所示。,3. 等增益合并(EGC),4.1.2 分集合并性能,

6、4.1.3 分集重?cái)?shù)和數(shù)字傳輸性能,L： 分集 重?cái)?shù),即使只有兩路分集信號進(jìn)行選擇合并，性能改善也很顯著。 在1差錯率時，所需SNR減小約10dB。因而可以降低發(fā)射功率或增大覆蓋范圍或提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 最大比合并輸出SNR隨合并分支數(shù)線性提高。 復(fù)雜度成為限制因素。,內(nèi)容,分集技術(shù) 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術(shù) 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術(shù) 均衡原理 自適應(yīng)技術(shù) 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用,概念：隱含在信號傳輸方式中的分集技術(shù)。 接收端通過信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集。 包括： RAK

7、E技術(shù), 利用多徑現(xiàn)象來增強(qiáng)信號 交織編碼技術(shù)，抗深衰落、抗突發(fā)干擾； 跳頻技術(shù)，抗多徑、抗衰落、抗干擾； 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗多徑、抗衰落和干擾。,隱分集技術(shù),多徑信號分離與合并的關(guān)鍵技術(shù),多徑信號分離與信號設(shè)計(jì) 多徑信號分離的基礎(chǔ)是采用直接擴(kuò)展頻譜信號。對于直擴(kuò)序列的碼片（chip）寬度為Tc 的系統(tǒng)，所能分離的最小路徑時延差為Tc。并且所采用的直擴(kuò)序列信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性要好。 多徑合并與合并準(zhǔn)則 多徑合并是指：接收端對多徑信號檢測獲得的多個相互獨(dú)立的峰值包絡(luò)，并對多個峰值進(jìn)行采樣，再以適當(dāng)?shù)姆绞胶喜⑦@些采樣值。 多徑合并準(zhǔn)則有：第一路徑準(zhǔn)則，最強(qiáng)路徑準(zhǔn)則，檢測后積分準(zhǔn)則，等增益合并

8、準(zhǔn)則，最大比合并準(zhǔn)則，自適應(yīng)合并準(zhǔn)則。具體采用何種準(zhǔn)則應(yīng)依電波傳播環(huán)境 、系統(tǒng)性能要求等而定。,Rake接收機(jī),RAKE接收機(jī)： 利用多個并行相關(guān)器檢測多徑信號，按照一定的準(zhǔn)則合成一路信號供解調(diào)用的接收機(jī)。 利用多徑現(xiàn)象來增強(qiáng)信號 移動通信信道是一種多徑衰落信道,RAKE接收技術(shù)就是分別接收每一路的信號進(jìn)行解調(diào),然后疊加輸出達(dá)到增強(qiáng)接收效果的目的,這里多徑信號不僅不是一個不利因素, 變成一個可供利用的有利因素。 目前的CDMA接收機(jī)都是基于RAKE接收機(jī)原理,Qualcomm RAKE接收機(jī),QualcommRAKE接收機(jī)采用的是并行相關(guān)RAKE接收機(jī) 移動臺中的RAKE接收機(jī)是由三個并行相關(guān)

9、器和一個搜索器構(gòu)成。搜索器用于搜索最強(qiáng)的多徑信號，可搜索3路多徑信號，包括多徑信號的相位、到達(dá)時刻和強(qiáng)度參數(shù)，可利用系統(tǒng)中基站發(fā)送的導(dǎo)引信號（pilot） 得到它們的估值，搜索相關(guān)器的輸出控制三路并行相關(guān)器，使它們對三路最強(qiáng)的多徑信號進(jìn)行相關(guān)，并采用了相關(guān)最大比合并準(zhǔn)則。 基站中的RAKE接收機(jī)是由4個并行相關(guān)器和一個搜索相關(guān)器構(gòu)成。因?yàn)橐苿优_不發(fā)送導(dǎo)引信號，基站接收機(jī)無法得到多徑信號的相位信息，因此采用非相關(guān)最大比合并準(zhǔn)則。,小區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面是多個基站同時收到一個移動臺的信號，每個基站有兩副天線，進(jìn)行空間分集。又進(jìn)行四路徑信號的并行相關(guān)RAKE接收和非相關(guān)最大比合并。各基站的信

10、號在基站控制器按照“擇大”準(zhǔn)則完成多徑分集。 移動臺方面，是有二個或 多個基站同時向它發(fā)射信號，搜索相關(guān)器選擇兩路或三路信號按最大比合并準(zhǔn)則來完成多徑分集。,扇區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面，兩個扇區(qū)同時收到移動臺的信號，所接收的信號在 信道接收機(jī)按照“最大比合并”準(zhǔn)則完成多徑分集。 移動臺方面，有二個或多個區(qū)同時向 它發(fā)射信號，搜索相關(guān)器選擇兩路或三路信號按“最大比合并”準(zhǔn)則來完成多徑分集。 在Qualcomm RAKE接收機(jī)中，最多只用4個并行相關(guān)器，是基于他們對多徑特性的現(xiàn)場測試結(jié)果。分析表明，多徑分集的路徑數(shù)的概率分布有：3路徑為20；2路徑為50；1路 徑為28。所以，至少需要具有處理

11、23個路徑的分集能力。,RAKE接收機(jī)的框圖,RAKE接收機(jī)采用L個相關(guān)器，相鄰相關(guān)器所處理的時延之差為1/W，每個相關(guān)器只從總的接收信號中提取相應(yīng)延時的那部分多徑信號。,內(nèi)容,分集技術(shù) 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術(shù) 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術(shù) 均衡原理 自適應(yīng)技術(shù) 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用,4.3.1 信道編碼的基本原理,信道編碼是為了降低誤碼率，提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。 根據(jù)一定的規(guī)律，在待發(fā)送的信息碼元中加入一些冗余的碼元，以換取信息碼元在傳輸中的可靠性。 稱

12、信源待發(fā)送的碼元為信息碼元； 稱加入的冗余碼元為監(jiān)督(校驗(yàn))碼元。 信道編碼的目的是以加入最少的冗余碼元為代價(jià)，換取提高最大的可靠性。 按照加入冗余碼元的規(guī)律，信道編碼可以分為線性和非線性兩大類，分別稱為線性碼和非線性碼。 按照監(jiān)督位完成的功能可劃分為僅具發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯碼和具有糾正差錯功能的糾錯碼兩類。,4.3.2 信道編碼的類型,線性分組碼：按照代數(shù)規(guī)律構(gòu)造，故又稱為代數(shù)編碼。一般可記為(n,k)碼，其中k為信息碼長度，n為碼組長度，而監(jiān)督位長度為n-k。編譯碼時按每k個信息碼元一組進(jìn)行。它包括漢明碼、BCH碼、Fire碼、和RS碼等。 卷積碼：一種非分組的有記憶編碼，是以編碼規(guī)則遵從卷

13、積運(yùn)算而得名?？捎洖?n,k,m)碼，其中k表示輸入信息的位數(shù)，n表示輸出碼元的位數(shù)，m表示編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。輸出碼元n不僅與輸入信息位k有關(guān)，而且與編碼器中記憶的m位有關(guān)，通常稱l=m+1為約束長度(記憶長度)。其譯碼既可采用傳統(tǒng)的代數(shù)方法，也可采用概率方法，而常用的是概率方法。 在數(shù)字移動通信中，GSM和IS-95主要采用卷積碼，在第三代移動通信中，話音采用卷積碼，數(shù)據(jù)則既可采用卷積碼也可采用TURBO碼。,4.3.3 卷積碼,不僅可糾正隨機(jī)差錯，而且可糾正突發(fā)差錯。 優(yōu)點(diǎn)： 編碼直接了當(dāng) 輸出增加了冗余（時間域擴(kuò)展），因而具有抗噪聲能力 缺點(diǎn) 解碼復(fù)雜 卷積碼的表示方法有圖解表示法和

14、解析表示法兩種,（3,1,3）卷積編碼器,（3，1，3）卷積碼的約束長度為3，編碼效率為1/3，,GSM系統(tǒng)中的卷積碼,（1:2,約束長度為5） GSM系統(tǒng)首先將話音分成20ms的音段，這20ms的音段通過話音編碼器被數(shù)字化話音編碼，產(chǎn)生260個比特流，并被分成： 50個最重要比特加上3個奇偶校驗(yàn)比特(分組碼) 132個重要比特加上4個尾比特 78個不重要比特,IS95中的卷積碼,IS95標(biāo)準(zhǔn)對正反向信道采用不同的編碼方式。 正向信道除導(dǎo)頻信道外的所有信道均使用（2，1，9）卷積編碼；卷積碼的碼率為1/2. 反向信道使用（3，1，9）卷積編碼, 碼率為1/3。,卷積碼譯碼,大數(shù)邏輯譯碼,又稱門

15、限譯碼； 該譯碼方法是從線性碼的伴隨式出發(fā)，找到一組特殊的能夠檢查信息位置是否發(fā)生錯誤的方程組，從而實(shí)現(xiàn)糾錯譯碼。 概率譯碼 維特比譯碼 序列譯碼 門限譯碼方法是以分組理論為基礎(chǔ)的，其譯碼設(shè)備簡單，速度快，但其誤碼性能要比概率譯碼法差。,Viterbi 譯碼,維特比譯碼是1967年維特比提出的一種概率譯碼法，實(shí)質(zhì)上就是最大似然譯碼。 譯碼準(zhǔn)則： 在數(shù)字與數(shù)據(jù)通信中，通信的可靠性一般用平均誤碼率Pe來度量。 由概率論知，最小的Pe等效于最大后驗(yàn)概率。 在信源先驗(yàn)等概的條件下，最大后驗(yàn)概率等效于最大似然概率。 對于無記憶二進(jìn)制對稱信道(BSC)，最大似然概率又等效于最小漢明距離。因此硬判決維特比譯

16、碼的判決度量值是漢明距離，判決準(zhǔn)則是最小漢明距離準(zhǔn)則。 軟判決維特比譯碼基于離散無記憶信道(DMC)模型， 判決度量值是似然概率值，判決準(zhǔn)則是最大似然準(zhǔn)則。 軟判決比硬判決的復(fù)雜性增加不多，但性能提高1.52dB。故目前的維特比算法中常采用軟判決。,4.3.3 交織編碼技術(shù),目的：把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機(jī)差錯，再利用糾正隨機(jī)差錯的編碼技術(shù)消除隨機(jī)誤差。 原因：深度衰落時間較長， 人為干擾大， 自然突發(fā)噪聲。 交織器結(jié)構(gòu)：交織深度 交織深度越大， 抗突發(fā)差錯能力 越強(qiáng)。,交織器原理,交織器原理,交織、解交織步驟： 發(fā)送數(shù)據(jù)（塊）信道編碼； 發(fā)送端交織存儲器為一個行列交織矩陣存儲器，它按列寫

17、入，按行讀出 交織器輸出后并送入突發(fā)信道的信號 在接收端，將受突發(fā)干擾的信號送入解交織器，解交織器也是一個行列交織矩陣的存儲器，它是按行寫入，按列讀出（正好與交織矩陣規(guī)律相反），,4.3.4 Turbo碼及其關(guān)鍵技術(shù),在ICC93由C. Berrou等人提出 具有接近仙農(nóng)極限的編碼性能 關(guān)鍵技術(shù) 遞歸系統(tǒng)卷積碼 非均勻交織器 軟輸出譯碼算法 迭代譯碼 3G 非實(shí)時數(shù)據(jù)通信廣泛采用了TURBO碼,多徑衰落信道Turbo碼的性能,重點(diǎn)和難點(diǎn)： 信道估計(jì) 多徑信道信道信息在Turbo碼譯碼中的應(yīng)用 概率計(jì)算的閉合形式及簡化 解決辦法： 將單徑瑞利信道譯碼方法推廣 不利用信道信息，通過高斯函數(shù)逼近接收

18、機(jī)輸出的判決變量分布的譯碼方法,內(nèi)容,分集技術(shù) 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術(shù) 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術(shù) 均衡原理 自適應(yīng)技術(shù) 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用,4.4 均衡技術(shù),概念：對移動信道特性進(jìn)行均衡，矯正信道傳輸函數(shù)使其滿足無失真?zhèn)鬏敆l件。 目標(biāo)：抵消信道的時變,多徑傳播特性引起的碼間串?dāng)_，消除信道的頻率選擇性和時間選擇性。 分類：頻域均衡校正幅頻特性和群延時，模擬通信 時域均衡使沖擊響應(yīng)無碼間串?dāng)_，數(shù)字通信 應(yīng)用：信號不可分離多徑，時延擴(kuò)展足夠大。 抗時變性：自適應(yīng)參數(shù)調(diào)

19、整自適應(yīng)均衡,4.3.1 時域均衡原理,Nyquist第一準(zhǔn)則， 理想傳輸，信道失真 均衡：利用信道均衡器使總的脈沖響應(yīng)函數(shù)接近理想狀態(tài)，消除非理想信道引起的碼間串?dāng)_。 實(shí)現(xiàn)方法：橫向?yàn)V波器，調(diào)節(jié)權(quán)系數(shù)使其它時刻的信號在分析時為零。,均衡準(zhǔn)則與分類,均衡準(zhǔn)則-“估計(jì)”問題系數(shù)收斂 最小峰值失真準(zhǔn)則, 使干擾的峰值最小 最小均方誤差準(zhǔn)則, 估值的誤差均方值最小 分類:,4.4.2 自適應(yīng)均衡器時變?yōu)V波器,動態(tài)調(diào)整濾波器的特性和參數(shù),使其能跟蹤信道的變化. 自適應(yīng)均衡算法 自適應(yīng)均衡器工作狀態(tài)：訓(xùn)練方式自適應(yīng)均衡工作狀態(tài)和跟蹤方式自適應(yīng)均衡狀態(tài)。在訓(xùn)練方式工作狀態(tài)，發(fā)送已知的測試序列啟動均衡器并使之迅速收斂，完成抽頭系數(shù)加權(quán)的初始化。跟蹤方式工作狀態(tài)，均衡器直接利用通信中傳輸?shù)臄?shù)字信號的判決形成誤差信號，并依據(jù)自適應(yīng)算法跟蹤調(diào)節(jié)抽頭系數(shù)。因此它能自動適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，保持在最佳均衡準(zhǔn)則下的信道均衡。,最小均方誤差算法(LMS) 遞歸最小二乘算法(RLS) 快速遞歸最小二乘算法 (F-RLS) 平方根遞歸最小二乘算法 (SR-RLS),梯度遞歸最