《无线通信技术》PPT课件.ppt

无线通信技术 武卓 2011-1-12 分集技术概述 时间分集 频率分集 空间分集接收分集及发送分集 多用户分集 通信与信息工程学院 抗衰落技术-分集技术 分集技术 4.2.1 分集技术概述 分集的目的： 衰落根据其频率 特性划分 非频率选择性衰落 平衰落 频率选择性衰落 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。 衰落根据其时间 特性划分 快衰落慢衰落 对抗衰落的有效技术之一就是 对独立的衰落信号 进行分集合并 分集的概念 分集技术 通信与信息工程学院 分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一 时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰 落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。 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。 分集的种类类 分集技术 分集的种类 通信与信息工程学院 分集的思想：在无 线通信系统中实现 独立的衰落信道 频率分集空间分集时间分集 分集 来自不同空间的多径信号 来自不同时间的多径信号 来自不同频带的多径信号 分集技术 4.2.2 时间分集 基本思想：不同时间发送相同信息， 时间间隔必须大于信道相干时间 对信息进行编码并将编码后的码元分 散到不同的时间段，时间间隔大于相 干时间，从而使得码字的不同部分经 历相互独立的衰落。 通过编码和交织可以实现时间分集。 分集技术 时间分集 通信与信息工程学院 重复编码实现 示意图 1234123412341234 时间间隔远远大于相干时间 在不同的时段中发射相同的信息 分集技术 通信与信息工程学院 时间分集 交织实现 示意图 12345678910111213141516 15913 261014 371115 4812 1 以列写入、以行读出15913 261014 371115 481216 交织之所以被称为隐分集是因为其 并没有采发送重复信息的方式，但是 它仍然利用了时间分集中将码字放入不同 的独立衰落的时间段的发送方式， 深度衰落会导致连续码元整个码字消失，在交织码元中， 仅会导致各码字中的一个编码码元消失， 仍然可以从其他三个未衰落码元中恢复出各码字 分集技术 通信与信息工程学院 时间分集 重复编码可以获得分集增益，但由于只是相同码元 在L个码元时间的简单重复， 所以并没有有效地利用信道的可用自由度， 采用更为复杂的编码可以获得分集增益和编码增益 时间分集缺陷：虽然不需要增加发送功率，但是降低了发送速率 分集技术 4.2.3 频率分集 通信与信息工程学院 基本思想：在不同的频带发送相同的窄带信号，载 波的间隔是信道的相干带宽 频率分集缺陷：因为要在多个频带上发射信号，所以需要增加发射功率 分集技术 频率分集 利用频率分集的同时 处理码间干扰的方法 采用均衡的 单载波系统 直接序列频谱扩频 多载波系统 具有ISI均衡的单载波： 在接收端通过线性和非线性 处理，可以在某种程度上减轻 码间干扰。利用维比特法可以 实现发射码元的最优ML检测。 然而，维比特算法的复杂度 随着抽头的数量指数增加， 并且通常仅用于有效抽头数量 较小的情况。 直接序列频谱扩展： 采用此方法时，信息码元被 伪噪声序列调制后通过远远 大于数据速率的带宽W发射 出去，因为码元速率低， 所以码间干扰小大大简化了 发射机结构。 多载波系统： 通过发射预编码将ISI信道转换 为一组无干扰、正交子载波， 其中各子载波经历窄带平坦 衰落。对不同子载波的码元进行 编码就可以实现分集，这种方法 也称为离散多音（DMT）或 正交频分多路复用（OFDM） 分集技术 4.2.4 空间分集 使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列， 其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做 空间分集。 如果天线安装的间隔足够大（对于均匀散射环 境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立需 要的最小间距近似为波长的一半），那么不同 天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关 的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。 分集技术 空间分集 空间分集 接收分集单输入多输出 （SIMO）信道，实现独立的衰落路径 不需要增加发送功率或带宽，通 过分集信号进行相干合并还能提 高接收信噪比，获得阵列增益。 阵列增益是指采用天线 分集后相对于单天线 的信噪比增益 分集增益定义为分集合 并后误码率斜率的变化 发送分集多输入单输出 （MISO）信道，发送分集的设计与 发送端是否知道复信道增益信息有关， 发送分集同样也能获得阵列增益。 benefit 空间分集发送分集 分集技术 通信与信息工程学院 发送分集：多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的 和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理能力方面 比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。 发送分集 发送端已知信道信息，与接收分集类似 发送端未知信道信息-Alamouti方案 在蜂窝系统的下行链 路常见，因为在基站 安装多副天线通常要 比在手机安装多副天 线便宜 发送分集最简单的两根发送天线模型 分集技术 空间分集发送分集 1.发送端已知信道信息 考虑有M根发送天线和一根接收天线的发送分集系统. 假设发送端已知第i根天线上的路径增益 ,称此为发送 端已知信道边信息(channel side information,CSI),记为 CSIT. 记发送信号为s(t),总发送的符号能量为Es.信号乘以复增益 后在第i根天线上发送.这个复数乘 法同时实现同相和信道增益加权的功能.由于总发送能量 是Es,加权值必须满足 分集技术 空间分集发送分集 通信与信息工程学院 分集技术 空间分集发送分集 通信与信息工程学院 各天线发送的加权信号在空中相加,形成如下的接收信号 通过设定合适的支路加权值使接收信噪比最大.按照接收 MRC分集中类似的方法可得知,使信噪比最大化的加权值ai 为: 相应的信噪比为: 分集技术 通信与信息工程学院 空间分集发送分集 由此可见,当发送端已知信道信息时,发送分集和 接收MRC分集完全类似,其接收信噪比也是各支 路信噪比的和. 当各天线的路径增益相同为ri=r时, 采用M根发送天线时的信噪比是单天线时的M 倍, 即阵列增益为M. 分集技术 通信与信息工程学院 空间分集发送分集 高信噪比下,MRC发送分集的分集阶数是M,所以 发送和接收的MRC分集都达到了满分集阶数. 发送分集的主要困难是要让发送端获得信道的相 位和幅度信息.一种方法是,接收端利用导频测量信 道,再将测量结果反馈给发送端. 分集技术 空间分集发送分集 通信与信息工程学院 2.发送端未知信道信息 Alamouti方案 考虑两根发送天线情况,假设每根天线的信道增益 是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,发送信号s(t)的符 号能量为Es. 如果简单平分功率后用两个天线发射,那么天线i上的发送 信号为 ,接收信号为: 分集技术 空间分集发送分集 两个复高斯随机变量的和h1和h2本身也是复高 斯的,和的均值为0,方差为2,所以 仍 然是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,这和单 根发送天线是一样的. 可见该方法既不能使两个天线同相,也不能对两 个天线加权分配能量,没有任何性能优点. 分集技术 空间分集发送分集 Alamouti方案: 该方案是针对有两根发送天线的数字通信系统设计的.它 占用两个符号周期并且假设在这段时间内信道增益不变.在 第一个符号周期,两个不同的符号s1和s2分别用天线1和天线 2同时发送,每个符号的能量为Es/2;在下一个符号周期,天线 1发送 ,天线2发送 ,每个的符号能量同样也为Es/2. 分集技术 空间分集发送分集 分集技术 空间分集发送分集 这两个先后接收到的符号形成矢量 ,可写为 式中 HA满足: 定义一个新变量: 则: 是复高斯噪声矢量,均值为0,协方差矩阵为: 分集技术 空间分集发送分集 z表达式中的对角阵特性使我们可以分离出两个符号的传输,z 的每个元素对应一个符号的发送: 对应zi的接收信噪比为: (II)式中2源于发送信号si的能量是总能量Es的一半.接收信 噪比等于各支路信噪比的和除以2.由(I)式可知,分集阶数可达到 2,(II)式说明阵列增益只能达到1.而MRC的阵列增益和分集阶数 均为2. 分集技术 空间分集发送分集 MIMO仿真 分集技术 空间分集接收分集 接收分集：1副发射天线和L副接收天线，接收分集将多个接收天 线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。 不同的合并方式 接收分集最简单的两根接收天线模型 合并 分集技术 空间分集接收分集 接收分集的主要目的是对独立的衰落路径进 行相干合并来减轻衰落的影响，合并后的输 出是不同衰落支路的加权和。 合并方式 门限合并 最大比合并 等增益合并 选择合并 分集技术 空间分集接收分集 选择合并 输出信噪比最高的那个支路上的信号。 若各支路的噪声功率都相等，即 ，则等价于选择 最大的支路。 特点：选择合并只需要一个接收机，随时切换到被选的天线支路上 ； 选择合并输出的信噪比等于各支路信噪比的最大值； 不需要各支路同相，可以采用相干调制或差分调制。 分集技术 空间分集接收分集 瑞利衰落下选择合并的中断率 分集技术 空间分集接收分集 例：设信道为瑞利衰落，调制方式为BPSK调制，可接受的 误码率为 。求 （无分集）、 及 时选择分 集的中断率。假设各支路的平均信噪比相同，为 。 解：BPSK调制信号在 时达到 ，因此 将 和 代入 得： 时， 时， 时， 分集技术 空间分集接收分集 门限合并是一种比选择合并更简单的合并方法。 它用同一个接收机顺序监测每个支路，输出第一 个信噪比高于门限值 的信号，从而避免了在每 个支路上都安装一个接收机。 门限合并和选择合并一样，每个时刻只有一路信 号输出，不需要各路同相，因此相干调制和差分 调制都可以采用门限合并。 分集技术 空间分集接收分集 门限合并的原理 一旦选定支路后，只要该支路的信噪比一直高于门限值，合并 器就始终输出这个支路上的信号。当这个支路上的信噪比低于门 限值时，就切换到其他支路。 决定切换到哪一个其他支路上有一些不同的方法，最简单就是 随机切换。只有两个支路时，就是直接切换到另一个支路上。这 种方法叫做切停合并（SSC），SSC并不是选择信噪比最高的支 路，所以性能介于无分集和理想选择合并之间。 分集技术 空间分集接收分集 SSC中的信噪比 分集技术 4.2.5多用户分集机会通信 单单用户户分集基本思想： 通过不同的路径 发送载有相同信息的 信号，在接收端就可 以得到数据码元的多 个相互独立的副本， 从中选择信号最强的 或者采用加权和方式 得到发送信息，从而 实现更为可靠的检测 ，改善系统的性能。 用于点对点通信 多用户户分集基本思想： 当网络中存在大量 衰落相互独立的用户时 ，在任意时刻都将有很 高的概率存在一个用户 拥有强信号信道。如果 仅允许该 用户发 射信号 ，那么会以最高效的方 式利用信道资源，从而 使总的系统吞吐量最大 化，用户数量越多，信 号较强的信道更容易成 为信号最强的信道，于 是多用户分集增益也就 越大。 分集技术 单单用户户分集目的： 传统 的分 集技术的主要 目的是改善慢 衰落信道中通 信的可靠性； 是为了抵消衰 落的负面影响 ，适用于点对 点链路， 多用户户分集目的： 多用户分集 的作用则是增加 快衰落信道中的 总的吞吐量，利 用信道衰落来改善 系统性能；多用 户增益的好处是 系统级 的，惠及 网络中的所有用 户。机会通信就 是利用多用户分 集增益，人为地 制造出随机波动 范围大的信道， 来提高系统总 的 吞吐量。 多用户分集机会通信 分集技术 在一个多用户系统中，若各用户的信道衰落互相独立，则 任何时刻都会有一部分用户的信道条件好于其他用户，只 向信道条件最好的那些用户发送，就是把系统资源分配给 了最有效率的用户，从而提高了系统的容量和性能。 多用户分集机会通信 分集技术 最大化信道吞吐量的方法 下行链路-把系统的全部带宽分配给信道条件最好的用户 上行链路 各用户衰落分布和平均功率相同 把系统的全部带宽分配给信道条件最好的用户 选择加权信道增益最大的用户，加权值取决于 信道增益、衰落分布、平均功率约束条件 各用户衰落分布和平均功率不同 根据信道条件调度用户发 送的方法为机会调度 多用户分集机会通信 分集技术 机会调度存在两个问题：公平性和延时 如果信道衰落很慢，某一用户可能会长期占用信道， 使其他用户相邻两次发送的时间间隔相当长 平均信噪比很低的用户的信道变为瞬时信噪比最高的机 会很低，发送机会很少，造成系统资源的分配不公平 正比公平调调度 多用户分集机会通信 分集技术 时刻m，用户k，可支持最大下行速率 实际实现的指数加权平均吞吐量 正比公平调度选择 最大的用户在m时刻 发送 若m时刻用户 的 值最大，则下 一时隙的吞吐量更新为 多用户分集机会通信 分集技术 图1 若m时刻所有用户吞吐量相同，即 系统调度到的就是信道条