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文档简介
_论文题目:移动通信系统中分集技术的分析专 业: 学 生:签 名:_指导教师: 签 名:_摘要本文第1章介绍了移动通信的基本概念,其中包括他的定义,工作方式,信道特点及无线信道的信号传播方式,同时提到了蜂窝移动通信系统。由于移动环境的复杂性,无线信号在发送传输和接收过程中有很明显的衰落现象。而分集技术是一种主要的抗衰落技术,它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性,本文第2,3章通过分集接收技术的介绍分析以及分集接收技术在移动通信特别是第三代移动通信中的应用,介绍了传统RAKE 接收机和WCDMA 中采用的典型RAKE 接收机。并且通过针对系统采用MPSK调制情况下,对合并方式性能进行了分析比较,得出MRC性能最好,EGC性能稍差,而SC性能较差的结论。空时编码技术,可以大幅度地提高无线通信系统的信息容量和传输速率,并能有效抵制多径衰落、抑制噪声和干扰。本文第4章着重讨论了空时分层编码,研究了它的模型,编码算法和译码算法,并得出了相应的结论。【关键词】:分集接收;第3代移动通信系统;RAKE ;空时编码技术;【论文类型】: 理论研究Title: mobile communication systems diversity technology analysis Major: communications technologies Name: signature: _Supervisor: signature: _ABSTRACTThis paper introduced chapter 1 the basic concept of mobile communication, including his definition, work methods and channel characteristics and wireless channels signal propagation mode, Also mentioned the cellular mobile communication system .Due to the complexity of the mobile environment, the wireless signals in sending transmission and reception in the process to have obviously decline phenomena. And diversity technology is a major fight decline technology, it can greatly improve the multipath fading channel, the transmission reliability,This paper first two or three chapters through diversity of receiving technique introduction and analysis of receiving technique and diversity in the mobile communication especially the third generation mobile communication application, this paper introduces the traditional RAKE receiver and WCDMA RAKE receiver adopted in the typical.Space-time coding technology, can greatly improve wireless communication system information capacity and transmission rate, and can effectively resist multipath fading, reduce the noise and interference. This paper focuses on the discussion in chapter 4, layered coding space-time of its model, coding algorithm and decoding algorithm, and draws a conclusion.【 key words 】 : diversity receiving; Third generation mobile communication system; RAKE; Space-time coding technology; 【 papers type 】 : theory research前言在过去的十几年中,个人通信和移动无线通信服务得到了极其迅猛的发展,而未来的无线通信服务的目标是要传输比现在通用系统高千倍以上速率的数据。随着无线通信技术的发展,人们对通信的质量以及信道的容量提出了比以往更高的要求,然而带宽的限制、传播的衰减、信道的时变特性、噪声、干扰(主要是公共信道干扰)以及多径问题,所有以上这些因素都严重制约着无线通信业务的发展。理论上,抵制信道衰落的最好方法是进行功率控制,也就是如果发射端预先知道信道条件,那么在发射的时候预先将信号变形来抵消衰落带来的影响。但是这种方法需要发射端有较大的动态范围,另外发射端也不可能知道信道的条件,因此在大多数散射环境中,是采用天线分集方法来抵制信道衰落的。传统的天线分集是在接收端(移动台)采用多根天线进行接收分集的,并采用合并技术来获得好的信号质量,例如RAKE接收机。但是由于移动台尺寸受限,采用接收天线分集技术较困难,而且在移动台端进行接收分集代价高昂,增加了用户的设备成本。从理论与实际应用中都发现,相同阶数的发射分集与接收分集具有相同的分集增益。因此为了适应下一代移动通信的要求,只有增加基站的复杂度,在基站端采用发射分集技术才是比较合适的方法。空时编码是应用于无线通信中的一种新的编码和信号处理技术,它将发射分集、信道编码技术以及调制技术有机结合,采用这种技术以后,可以大幅度地提高无线通信系统的信息容量和传输速率,并能有效抵制多径衰落、抑制噪声和干扰。目录1移动通信11.1移动通信基本概念11.2移动通信信道21.2.1移动通信信道主要特点21.2.2 无线信道的信号传播方式31.3蜂窝移动通信系统基本概念41.4 本章小结52分集接收技术62.1研究意义及原理62.2技术分类72.3合并方式性能比较102.3.1合并技术的统计特性102.3.2分集合并系统的性能分析142.3.3性能的数值结果和讨论152.4分级改善效果162.5本章小结173RAKE 接收机183.1定义183.2技术发展及研究现状193.3基本原理193.4数字实现模型213.5 移动通信中采用的 RAKE 接收技术223.5.1传统的 RAKE 接收机模型和算法223.5.2WCDMA 系统中的 RAKE 接收机223.6 本章小结234 空时编码技术244.1空时编码系统244.1.1空时编码系统的基本模型244.1.2 空时编码的研究现状254.1.3 应用前景和发展方向254.2分层空时编码研究264.2.1 分层空时码模型264.2.2 编码算法284.2.3 译码算法294.3 小结325结论35致 谢36参 考 文 献37精品资料1移动通信 移动通信是通信技术研究中最活跃,发展最为迅速的领域之一,也是21世纪对人类的生活和社会的发展有重大影响的科学技术领域之一。本章介绍了移动通信中的基本概念,使读者对移动通信有一点了解1.1移动通信基本概念1.1.1移动通信的定义及特点移动通信是指通信的双方或其中至少一方处于运动状态中进行信息交流的一种通信方式。他和其他类的通信形式相比具有几个明显的特点(1)电波传播条件恶劣(由多径传播造成的瑞利衰落,电平幅度起伏达30dB以上);(2)具有多普勒效应;(3)干扰严重(噪声干扰,电台干扰等);(4)接收设备动态范围大(由于接收机到发射机的距离不断变化,导致接收机接收电平不断变化);(5)需要采用位置登记,过区切换等移动管理技术;(6)综合了各种技术,包括交换机技术,计算机技术,传输技术等。(8)按信号形式可分为模拟网和数字网。1.1.2移动通信的工作方式移动通信的工作方式可根据通信时频道的使用方式不同分为双工,单工,半双工等三种制式。(1)双工通信双工通信是指通信的双方收发信机均同时工作,即任一方在发话的同时,也能收到对方的话音,也称为全双工通信,公用移动通信系统一般采用这种方式,全双工有频分双工(Frequency Division Duple, FDD)和时分双工(Time Division Duplet,TDD)两种实现方式 图1.1双工通信(2)单工通信单工通信是指通信双方电台交替的进行收信和发信,常用于点到点的同信。 图1.2单工通信(3)半双工通信半双工通信是介于单工通信和双工通信之间的一种通信方式,该方式通信的特点是:设备简单,功耗小,但操作不太方便,所以主要用于专用移动通信系统中。 图1.3半双工通信1.2移动通信信道1.2.1移动通信信道主要特点(1)传播的开放性有线信道中,电磁波被限定在导线内,而移动通信的信道是一个开放的空间。(2)接受环境的复杂性接受环境的复杂性是指接收点地理环境的复杂性与多样性。这与用户所处的位置直接相关,一般可将地理位置划分为3类典型区域:高楼林立的城市繁华区,以一般建筑物为主的近郊区,山丘,湖泊,平原为主的农村及远郊区。(3)通信用户的随机移动性作为移动用户,当其通话时,有可能出于室内静止状态,也有可能是室外慢步步行或高速车载状态。1.2.2 无线信道的信号传播方式 在无线环境下进行高效通信是一件很有挑战性的事,尤其在城市进行无线通信,想象设在高楼的基站与行人高度的手机通信,信号可能要经过许多的障碍物,如大楼、街道、树和移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种:(1) 直线传播。在较开阔的地区,基站和移动台可以直线传播,如郊区或农村。然而在城市环境中,直线传播很少见。(2) 反射。移动台的信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射而到达基站。反射是信号传播的一种重要途径。(3) 折射。信号经过障碍物的边界时,经折射绕过障碍物而到达目的地。信号经折射后衰减很大。因此,在无线信道模型中,一般忽略这种传播途径。(4) 散射。当信号遇到一个或多个较小的障碍物时,出现散射现象,即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测,因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。局部散射模型(Local scattering model)就是基于这一传播方式。图1.4 典型的无线多径传播环境在实际的蜂窝环境中,信号利用障碍物的反射、散射或直线传播经多条路径到达基站,图1.4为一个典型的无线传播途径。根据障碍物(由不同位置决定)所起的不同作用,分成几类:(1) 移动台本地散射物(local scatter at mobile)。本地散射区域的大小与移动台所处的环境和通信所用的波长有关。W.C.Y.Lee给出了用波长表示的散射区域半径范围,20100。移动台本地散射的一个最大特征是信号经本地散射后到达基站,多径信号的时延扩展相对于传送的基带信号符号持续时间非常小。因此当移动台移动时,信号会呈现高低起伏变化,即所谓的时间选择性衰落。(2) 远地反射物(remote scatter or dominate scatter),如大的建筑物,高山等。移动台的信号或经本地散射后的信号经远地反射物到达基站。与前面的多径信号相比,这种多径信号有较大的时延和角度扩展。因此,会引起信号的频率选择性衰落和空间选择性衰落。(3) 基站本地散射物(local scatter at base station)。一般当基站的天线的高度不太高时,还能接收到基站本地散射的信号。这类信号的一个特点是相对于移动台本地散射信号有较大的角度扩展,信号强度很弱。在不同的移动通信环境,上述的几种传播途径会呈现不同的变化。如,在宏蜂窝环境(10公里)一般有直线传播和远地散射或反射,没有基站本地散射;在城市蜂窝环境(几公里),一般以移动台本地散射最为典型,没有直线达到的路径。在微蜂窝(几百米)由于天线置于屋顶,因此存在大量的基站本地散射;在微微蜂窝(几十米一几百米)中,移动台本地散射和基站本地散射区域有部分重叠,且基站本地散射的信号强度也相当大,约低于移动台本地散射信号010dB。总体来说,无线环境对信号传播会产生如下四个影响:传播路径损耗、多径衰落、阴影衰落以及在移动状态下的多普勒效应。传播路径损耗是传播距离的函数,接收功率C (R为信号的传播距离),一般n在2-5之间取值。随机相位的多径信号的叠加,使得接收信号的幅度在一个相当于信号载波波长的距离范围内呈现明显的起伏变化,这种现象被称为多径快衰落。除了多径快衰落外,信号强度还会受周围大障碍物的变化而较慢地上下起伏,这种信号幅度的强弱变化称之为阴影衰落。阴影衰落一般满足对数正态分布。多普勒效应是由于移动台与基站之间的相对运动而引起的频谱小范围的波动,从而造成时间选择性衰落。多普勒效应受移动速度、相对位置和移动方向影响。1.3蜂窝移动通信系统基本概念蜂窝系统也叫“小区制”系统。是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区,每个小区的半径可视用户的分布密度在110千米左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服,并可通过小区分裂进一步提高系统容量。这种系统由移动业务交换中心(MSC),基站(BS)设备及移动台(MS)(用户设备)以及交换中心至基站的传输线组成,目前在我国运行的900MHZ第一代移动通信系统(TACS)模拟系统和第二代移动通信系统(GSM)数字系统都属于这一类。就是说移动台的移动交换中心与公共的电话交换网(就是我们平时所说的电话网PSTN)之间相连,移动交换中心负责联系基站之间的通信,通话过程中,移动台(比如手机)与所属基站建立联系,由基站再于移动交换中心进行连接,最后接入公共电话网1.4 本章小结 本章介绍了移动通信的概念,包括它的一些定义,特点,工作方式等,重点介绍了它的信道传播方式,为后面章节做了必要说明。2分集接收技术衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达3040dB,如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的,而且会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响,以获得分集增益,提高接收灵敏度,这种技术已广泛应用于包括移动通信,短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中,这些分集接收技术都已得到了广泛应用。 2.1研究意义及原理 分集接收技术是一项主要的抗衰落技术,他可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性,在实际的移动通信系统中,移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中,而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等的传播路径后,到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加,使接收到的信号幅度出现随机起伏变化,形成多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅,并附加有信道噪声,它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强,导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响,使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变,甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错,以至完全不能通信。此外,如果发射机或接收机处于移动状态,或者信道环境发生变化,会引起信道特性随时间随机变化,接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中,除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物(例如移动台移动到背离基站的大楼面前)或地形起伏等的阻挡,接收到的信号幅度将降低。另外,气象条件等的变化也都影响信号的传播,使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性,它给移动通信带来了不利的影响。 为了提高移动通信系统的性能,可以采用分集,均衡和信道编码这3种技术来改进接收信号质量,它们既可以单独使用,也可以组合使用。 根据信号论原理,若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机,则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的,它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点,使用一定的信号合并技术改善接收信号,来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落,但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。 分集的基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空间)接收到承载相同信息的多个副本,由于多个信道的传输特性不同,信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术,在噪声受限的条件下,发射机必须要发送较高的功率,才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中,由于手持终端的电池容量非常有限,所以反向链路中所能获得的功率也非常有限,而采用分集方法可以降低发射功率,这在移动通信中非常重要。 分集技术包括2个方面:一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此,要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。 2.2技术分类分级技术按“分”和“集”有不同的划分方式。1.按“分”划分,即按照接收信号样值的结构与统计特性,可分为宏分集与微分集两大类。宏分集也称为多基站分集,即把多个基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上,同时和小区内一个移动台进行通信(可选用其中最好的一个基站进行通信)。其广泛应用于蜂窝通信系统中,主要用来抵抗阴影衰落。微分集包括空间分级.极化分集.角度分集.频率分集和时间分级等。微分集主要用来对抗多经衰落。(1)空间分集 我们知道在移动通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时,它们受到的衰落影响是不相关的,且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小,因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案,独立地接收同一信号,再合并输出,衰落的程度能被大大地减小,这就是空间分集。 空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的,空间距离越大,多径传播的差异就越大,所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语,表明信号间相似的程度,因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计,CCTR建议为了获得满意的分集效果,移动单元两天线间距大于0.6个波长,即d0.6。空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。 空间分集接收的优点是分集增益高,缺点是还需另外单独的接收天线。 空间分集还有两类变化形式: .极化分集:在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。 这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线上,将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。 而且若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120度扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。 .角度分集:由于地形、地貌、接收环境的不同,使得到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向,这样在接收端可以采用方向性天线,分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。优点:构紧凑、节省空间;缺点:实现工艺要求较高。 (2)频率分集 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息,然后进行合成或选择,利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性,即不同频段衰落统计特性上的差异,来实现抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射,所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间。 当采用两个微波频率时,称为二重频率分集。同空间分集系统一样,在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小),只有这样,才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落,并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差,即频率间隔 f=f2-f1越大,两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。 频率分集与空间分集相比较,其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量,缺点是要占用更多的频带资源,所以,一般又称它为带内(频带内)分集,并且在发送端可能需要采用多个发射机。 (3)时间分集 时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发,只要各次发送时间间隔足够大,则各次发送出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点,即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。时间分集与空间分集相比较,优点是减少了接收天线及相应设备的数目,缺点是占用时隙资源增大了开销,降低了传输效率。 2.按“集”划分,即按集合,合并方式划分,可分为4种:最大比值合并(MRC:Maximal Ratio Combining)、等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)、选择式合并(SC:Selection Combining)和切换合并(Switching Combining)。 (1)最大比合并 在接收端由多个分集支路,经过相位调整后,按照适当的增益系数,同相相加,再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正,并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。 最大比合并方案在收端只需对接收信号做线性处理,然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N 成正比。 (2)等增益合并 等增益合并也称为相位均衡,仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式,只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下,在信噪比最大化的意义上,它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。对CDMA系统,它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态,即认可衰落在各个通道间造成的差异,也不影响系统的信噪比。当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用EGC。 当N (分集重数)较大时,等增益合并与最大比值合并后相差不多,约仅差1dB 左右。等增益合并实现比较简单,其设备也简单。 (3)选择式合并 采用选择式合并技术时, N 个接收机的输出信号先送入选择逻辑,选择逻辑再从N 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分集支路,对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 (4)切换合并 接收机扫描所有的分集支路,并选择信噪比SNR在特定的预设门限之上的特定分支。在该信号的SNR 降低到所设的门限值之下之前,选择该信号作为输出信号。当SNR 低于设定的门限时,接收机开始重新扫描并切换到另一个分支,该方案也称为扫描合并。由于切换合并并非连续选择最好的瞬间信号,因此他比选择合并可能要差一些。但是,由于切换合并并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路,因此这种方法要简单得多。 对选择合并和切换合并而言,两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的一个信号。另外,它们也不需要知道信道状态信息。因此,这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。 2.3合并方式性能比较 在移动通信中,分集技术是一种最有效的抗衰落技术。本文对3种常见的线性合并分集技术进行简要分析,给出它们的基带表示和合并器输出信噪比的概率密度函数(pdf),由此给出它们的合并增益。针对系统采用MPSK调制的情况,对瑞利衰落信道的3种合并分集系统的比特误码率(BER)性能进行理论研究,分别给出选择性合并(SC)和最大比合并(MRC)系统的理论比特误码率表达式;对于等增益合并(EGC)分集,给出了一种近似的EGC系统的输出信噪比的pdf,由此导出EGC的一种近似的BER表达式。2.3.1合并技术的统计特性1分集信号的基带表示(1)瑞利分布统计值若随机变量r服从瑞利分布,则r的概率密度函数为p(r)= r0 (2.1)式中 =E/2是高斯方差。这样r的均值和二阶原点分别为E(r)=, E=2 (2.2)(2)分集支路的信号表示图2.1分集信号合并工作框图图2.1所示是分集系统采用预检测法后对分集的信号进行合并工作框图,图中的合并器可以是SC、MRC和EGC中的任何一种。在瑞利衰落信道中,假设L条支路是iid,每维高斯方差为,每个支路的高斯白噪声是零而方差为N。2,N。为单边功率谱密度。如图所示,令发射信号为s(t),则第j分集支路的检波器的输出基带信号复包络为 (t)=+ n =1,2,L (2.3)其中为发送信号的能量, = exp()是第j条支路信道的衰落因子,是衰落因子幅度,而是衰落因子的相位差,在0,2内服从均匀分布;是第j分集支路的高斯白噪声,其统计特性为E=0,E=2 (2.4)定义第j分集支路的信噪比(SNR)为该支路的瞬时符号能量与噪声功率谱密度之比,则有=()/E=/ (2.5)式中=是第j支路的瞬时有用信号。故第j支路的平均SNR为=E= (2.6)对于MPSK调制,若每比特能量为,即符号能量=m,由式(2.2)和式(2.6)知,所有的支路的平均SNR相等,并用表示,即:=E()/=2=2m (2.7)式中 =和 =分别称为符号能量SNR和比特能量SNR。在BPSK调制下,=即=,此时,式(2.5)和式(2.7)可分别简化成 =/= (2.8)= =2 (2.9) 可见,第j分集支路输出SNR的pdf为指数分布,即:P()=,0,,j1,L (2.1O)2SC的统计特性选择性合并是最简单的一种合并方式,它是在合并器中选择一路瞬时SNR最大的信号,即合并器的输出SNR等于最好的输入SNR。假设规定SC的门限值为,则SC的pdf为()= (2.11)式中与式(2.7)的或式(2.9)的是一样的(下同)。下面我们将以BPSK调制作为分析。在分集系统中,通常我们定义合并器的平均输出信噪比与支路的平均信噪比的比值为分集增益,则由式(2.11)我们很容易求得SC的分集增益为= = (2.12)3MRC的统计特性最大比率合并是每个分集支路有一个自适应的可变增益放大器,用以调整各个支路的增益。当第j支路权重取=时,MRC合并器的输出 为最大,这里N=N。2,则有= (2.13)式中服从式(2.10)的分布。可见,MRC合并后是各分集支路的SNR之和。由于瑞利分布的包络平方是自由度为2的分布,因此,是一个自由度为2L的分布,其pdf为 为P()= 0 (2.14)同样,由式(2.13)很容易求得MRC的分集增益= = L (2.15)4EGC的统计特性EGC的工作原理是先将各分集支路信号进行同相处理,然后再合并叠加,相当于MRC中的权重=1(j=1,2,L)。由式(2.3)很容易求得EGC合并器的输出SNR为 (2.16)式中,即为 (2.17)求上式的pdf是相当有难度的,原因是求L个iid的随机变量(j=1,2, ,L)之和的pdf难度很大,一般L2的pdf数学表达式不存在,下面给出一种EGC输出SNR 的pdf近似式 令 (2.18)其中。与式(2.13)求MRC的pdf相似,由式(2.18)可求得 的pdf为 0(2.19)式中。同样,由式(2.16)可求出EGC的分集增益为 (2.20)2.3.2分集合并系统的性能分析假设系统的L条分集支路都经历相同的平坦瑞利衰落,我们将就多进制相移键控(MPSK)数字调制的情况对3种合并系统的性能进行理论研究。(此处只给出了SC.MRC.EGC的BER的最终表达式,推导过程省略。)1SC的BER (2.21)式中。2MRC的BER (2.22)式中 , 同上。3EGC的BER理论近似表达式为 = (2.23)其中。2.3.3性能的数值结果和讨论在平坦的瑞利衰落信道中,假设L条空间分集支路是相互独立的。不失一般性,这里以BPSK调制为例对3种合并技术的BER性能进行讨论,如果没有特别说明,均假设高斯方差 =05。在BPSK调制和L=1,2,3,4,5的情况下,图2.2和2.3分别给出了SC系统和MRC系统的BER理论值随的变化曲线。由图可见,与没有分集的情况相比,随着分集支路L增大,两合并系统的误码率越小;若L进一步增大,改善的效果则不明显,一般情况下L不大于4。此外,由图可见,在相同的接收合并分集支路L数目下,MRC系统的BER改善比SC系统来得明显。图2.2 L=1,2,3,4,5时,BPSK的SC BER理论值图2.3 L=1,2,3,4,5时,BPSK的MRC BER理论值假设高斯方差=02,当分集支路L=2,3,4,5时,图2.4给出了近似理论式的数值结果。与SC和MRC系统一样,随着分集支路L增大,EGC系统的性能越好。为了验证式给出的近似理论值的准确性,图2.4也给出了采用计算机蒙特卡罗方法(MCM)仿真EGC接收分集系统的BER性能曲线。由图可见,近似法的性能曲线与MCM基本吻合,故在EGC的应用场合,可以用近似理论值定性地描述EGC的性能。图2.4 BER的仿真值与近似值比较为了便于比较,在L=1,2,3,4,5和=05的相同条件下,图2.5给出了SC、EGC和MRC的BER性能曲线。由图可以看出:无论是SC合并,或者是MRC以及EGC合并,分集技术能极大提高系统性能,有极强的抗衰落能力;MRC是最优合并技术,而EGC是一种次最优合并技术;由合并器的实现看,EGC实现容易,性能很好,故其更有实用价值。图2.5 3种分集合并技术的BER比较数值结果显示:MRC性能最好,EGC性能稍差,而SC性能较差。2.4分级改善效果 分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比,对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度,常用标称改善效果,即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。 分集增益是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大,说明分集改善效果越好。在数字微波系统中,不管采用哪一种分集接收方式,都会使系统的有效衰落储备增加,即抗频率选择性衰落的能力增强。还能不同程度地改善带内失真,改善交叉极化鉴别度。2.5本章小结分集是一种有效的抗信道衰落技术,对分集系统进行研究是非常重要的。本章介绍了各种分集技术,并从分集系统所采用的合并方法人手,对3种常见的合并技术SC、MRC和EGC的性能进行系统的分析研究,包括合并器输出信噪比的统计分布、分集增益以及系统的BER性能。当系统采用MPSK调制或MQAM调制时,在分析系统BER性能时会出现积分上的困难;而对于EGC的情况,又会遇到其合并器输出SNR的概率密度函数无法求解的问题,这些都是本论文所分析的问题。文中给出的3种分集合并技术的数值结果均表明了分集能提高无线移动链路的性能,是一种有效的抗信道衰落技术。文中给出的研究方法对于一般分集系统性能研究具有理论的指导意义,对于MQAM调制和其它衰落信道(如莱斯信道或Nagakami信道)也同样适用。3RAKE 接收机由于无线信号在发送传输和接收过程中会有明显的衰落,而RAKE接收机可以通过接收多路信号来改善信噪比。RAKE 接收机算法就是通过多个相关接收器接收多径信号中各路信号,并把他们合并在一起,以此为原理基础的。3.1定义RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA 图3.1 RAKE接收机移动通信系统中,由于信号带宽较宽,存在着复杂的多径无线电信号,通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术,可以在时间上分辨出细微的多径信号,对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。由于该接收机中横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头,就像耙子一样,故称该接收机为RAKE接收机。 3.2技术发展及研究现状1956年,Prcie和Green提出了具有抗多径衰落的RAEK 接收机概念:1937年,Forney提出的基于已知信道特性的最大似然序列检测器(MLSD),这是一种最优的单用户接收机。美国QUALCOMM公司在80 年代坚持研究DS-CDMA技术,1989年,QUALCOMM公司进行了首次CDMA实验。验证了DS扩频信号波形非常适合多径信道的传输,以及RAKE接收机、功率控制和软切换等CDMA的关键技术 。在 1996年推动了窄带CDMA IS-95商用运行,让RAKE接收机产业化,同时也推动了RAKE接收技术的长足发展。 RAKE接收机将同三项关键革新技术相结合:智能天线技术、多用户检测、MIMO系统。目前研究的热点包括:RAKE接收机如何降低复杂度;多用户检测的最优算法;MIMO系统与OFDM的结合等。 3.3基本原理在CDMA扩频系统中,信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰,CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样,在无线信道中出现的时延扩展,就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度,那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声,而不再需要均衡了。 图3.2 RAKE接收机框图由于在多径信号中含有可以利用的信息,所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是:通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号,并把它们合并在一起。图为一个RAKE接收机,它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器,其理论基础就是:当传播时延超过一个码片周期时,多径信号实际上可被看作是互不相关的。 带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差1/2(或1/4)个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 由于信道中快速衰落和噪声的影响,实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化,因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转,实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频,可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。 基于连续导频信号的使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法(图3.3) 图3.3 信道估计方法LPF是一个低通滤波器,滤除信道估计结果中的噪声,其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时,在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计,采用判决反馈技术时,先硬判决出信道中的数据符号,在已判决结果作为先验信息(类似导频)进行完整的信道估计,通过低通滤波得到比较好的信道估计结果,这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术,使噪声比较大的时候,信道估计的准确度大大降低,而且还引入了较大的解码延迟。 延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布,识别具有较大能量的多径位置,并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/41/2码片,而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中,如果延迟估计的更新速度很快(比如几十ms一次),就可以无须迟早门的锁相环。 图3.4 匹配滤波器的基本结构延迟估计的主要部件是匹配滤波器(图3.4),匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关,取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时,其相关能力最大,在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量,延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。 从实现的角度而言,RAKE接收机的处理包括码片级和符号级,码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计,相位旋转和合并相加。码片级的处理一般用ASIC器件实现,而符号级的处理用DSP实现。移动台和基站间的RAKE接收机的实现方法和功能尽管有所不同,但其原理是完全一样的。 对于多个接收天线分集接收而言,多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理,RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径,也可以接收来自不同天线的多径,从RAKE接收的角度来看,两种分集并没有本质的不同。但是,在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理,增加了基带处理的复杂度。 3.4数字实现模型由推导可以得到RAEK接收机的一种实现模型,如图3.5所示。图中把接收数据送入RA此接收机的各指峰finger,在每个fillge
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