移动通信—第4章抗衰落.ppt

第4章 抗衰落技术,4.1 分集接收 4.2 RAKE接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术,4.1 分 集 接 收,衰落是影响通信质量的主要因素，快衰落的深度可以达到3040dB，利用加大发射功率（100010000倍）来克服这种深度衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。 TDMA系统中采用自适应均衡技术，各种移动通信系统使用不同的纠错编码技术、自动功率控制技术等，都能起到抗衰落、提高通信质量的作用。分集接收是抗衰落的一种有效措施，CDMA采用的是路径分集（即RAKE接收）。,4.1.1 分集接收原理,1. 什么是分集接收 所谓分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。 分集的含义：（1）分散传输：接收端能获得统计独立的、携带同一信息的的衰落信号；（2）集中处理：接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落的影响；,图 3 37 选择式分集合并示意 “非相关”条件必不可少,2. 分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。 “宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作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进行通信)。,显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种情况发生)，这种办法就能保持通信不会中断。 “微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。据此，微分集又可分为下列六种：,(1)空间分集：空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，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。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中， 通常取： 市区 d=0.5 郊区 d=0.8 在满足上式的条件下，两信号的衰落相关性已很弱；d越大，相关性就越弱。 由上式可知，在900MHz的频段工作时，两副天线的间隔也只需0.27m。因此空间分集不仅可以用于基站还可用于移动台。,(2)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。根据相关带宽的定义，即 式中，为延时扩展。例如，市区中=3s, Bc约为53kHz。这样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。它不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。,(3)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，所以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)，但仅仅是利用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。 在极化分集中，由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3 dB。,天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化和水平极化。,(4)场分量分集：由电磁场理论可知，电磁波由两个相互正交的振荡场组成，E场（电场）和H场（磁场），它们载有相同的消息，而反射机理是不同的。在移动信道中，多个E波和H波叠加，结果表明EZ、HX和HY的分量是互不相关的，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。 场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，适用于较低工作频段，空间分集适用于较高工作频段（容易实现）。场分量分集和空间分集的优点是这两种方式不像极化分集那样要损失3 dB的辐射功率。,(5)角度分集：角度分集的作法是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。 角度分集在较高频率时容易实现。,(6)时间分集：快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间上的独立性。同一信号在不同的时间多次重发，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。 时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号（数据通信中对延时的要求要稍微低一些）。,时间分集有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。由于多普勒效应的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：,若移动台处于静止状态，即v0，则要求时间间隔无穷大，表明此时时间分集的增益将丧失。换句话说，时间分集对静止状态的移动台无助于减小多普勒效应引起的衰落。,3. 合并方式,接收端收到M个分集信号之后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t), ，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为,式中，ak为第k个信号的加权系数。,(1)选择式合并：选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。 选择式合并又称为开关式相加，方法简单，容易实现，但未被选用支路信号被弃置不用，因此抗衰落特性不强。 如果在中频或高频中实现合并，则必须保证各支路的信号同相，这常常会导致电路的复杂度增加。,图 3 38 二重分集选择式合并,(2)最大比值合并：最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如下。为了书写简便，每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即,由此可得最大比值合并器输出的信号包络为,式中，下标R是表征最大比值合并方式。,图 3 39 最大比值合并方式,(3)等增益合并：等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，其方框图如下。,等增益合并器输出的信号包络为,式中，下标E表征等增益合并。,图 3 40 等增益合并,4.1.2 分集合并性能的分析与比较,在通信系统中，信噪比是一项十分重要的性能指标，它决定了系统的话音质量（模拟）和误码率（数字）。分集合并的性能是指合并前后信噪比的改善程度。为了比较三种合并方式，作如下假设： 每支路噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具有恒定的均方根值； 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率； 各支路信号的衰落互不相关，彼此独立；,根据推导，等增益合并的各种性能与最大比值合并相比，低得不多，但从电路实现上看，较最大比值合并简单，尤其是加权系数的调整，前者远较后者简单，因此等增益合并是一种较实用的方式，而当分集重数不多时，选择式合并方式仍然是可取的。,4.2 RAKE接收,1、为什么要用到Rake接收机？ 因为陆地无线电传播过程（无线传播）和有线传播的方式是有很大不同的，无线的传播的传播路径是有不确定性的，在从一个点传播到另一个点的过程中可能会经过反射、衍射、折射等形式。这样的过程称为“多径传播”。既然存在多径传播，那么从信号源（比如说我们这里就看作是基站）发出的某一个信号，因为经过的路径是不同的（不一样长），所以到达信号接收点的时刻是不同的，有个先来后到的问题。,在之前的系统中，比如说GSM系统或者CDMAone(IS95A)系统，都没有采用Rake接收机的这种技术，这两个系统都选取接收到的多径信号中的某一个作为接收信号，而把其他径的信号作为干扰处理了。这样当然存在明显的不足：第一是接收到的信号比较弱；第二是噪声也就是干扰比较大。 所以说现在WCDMA采用了Rake接收机技术，在接收到的多径信号中选取若干个经处理之后合并起来（术语称为”加权向量求和“），这样增加了有用信号，减少了干扰。,2、为什么WCDMA系统采用Rake接收机技术而GSM和CDMAone不采用这么好的技术呢？ WCDMA的码片速率是3.84Mcps,所以每个码片的持续时间是1/3.84Mcps=0.26us。如果多径分量之间的时间差至少是0.26us时，WCDMA接收机就能把这些多径分量区分开来并结合在一起以取得多径分集，而这个0.26us这个时间差意味着路径的长度差l=v*t=3*10e8*0.26us=300*0.26=78m，就是说无线传播路径之间差值在78m以上这个范围上的多径才是可以被WCDMA系统分辨和接收合并的。从WCDMA小区半径为300m，500m这个一般值来讲这个条件是满足的，所以WCDMA可以采用Rake接收机技术。,相反的，IS95A的码片速率时1.2288M,按照刚才的算法，路径之差要达到l=v*t=3*10e8*1/1.2288M=244m,各位想想，一个半径才300到500m的小区，要求达到路径差值为244m，不是说没有但肯定不普遍满足，所以IS95A是不适合用Rake接收机技术的。同样的，GSM的更不具备条件了，它的载波间隔也才200K，那么调制速率（不是码片速率）怎么也不可能超过200K，所以他们不是不想用Rake接收机技术，而是不能用。,小区半径并不能决定RAKE的使用啊！当然chip rate越大分集的效果越明显。城市中的高楼林立，各种反射折射信号可能迂回几次才能到达接收机，因此跟小区半径的关系不是很明显。 再说，GSM即使是很宽的带宽也不能使用RAKE，因为信号是相关的！,RAKE接收机工作原理： （1）发送端Tx发出的信号经N条路径到达接收端，相对于第一条路径的时延差依次为 ； （2）接收端通过解调后送入N个并行相关器； （3）经过相关解扩（解扩码为 ）后送入积分器（积分时间为Tb）； （4）积分器的输出进入电平保持电路，直到延时最大的一路信号输出（ ） （5）相加求和后，最后进行抽样判决产生输出数据；,原理图中各条路径加权系数为1，属于等增益合并方式，实际中应该采用最大比值合并，利用多个并行相关器，获得各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量； 在具体实现最大比值合并的过程中应该估计每一条路径的延时与权值，如果延迟线的某一抽头的延迟与多径时延相同，其输出就乘以相应的权值；如果延迟线抽头无多径对应，则输出就乘以零或者说该抽头就不输出。最后将所有有多径时延对应的抽头求和就得到总的输出。 由于该接收机中，横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，因此称为RAKE（耙）接收机。,4.3 纠错编码技术,数字信号或信令在传输过程中，由于受到噪声和干扰的影响，传输到接收端的时候可能会出现误判，这就需要用纠错编码技术来进行检查与纠正。 在信息码元序列中插入监督码元就称为差错控制编码，也称为纠错编码； 监督码元的多少用冗余度来衡量； 通过编码效率可以发现，纠错编码是以降低信息传输速率为代价来提高传输可靠性的。,4.4 均衡技术,均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来克服码间干扰。 在一个通信系统中，我们可以将发射机、信道和接收机，等效为一个冲激