移动通信系统中抗衰落技术的研究.doc

. . . . .目 录1.概述42.主要的抗衰落技术52.1.分集接收技术52.11 分集技术主要包含两方面62.12 分集方式62.13 合并方式82.2 RAKE接收102.3.纠错编码技术112.3.1分组码122.3.2卷积码122.3.3交织编码122.4. 均衡技术133.小结151.概述衰落是影响通信质量的主要因素。由于多径衰落和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易变。这些影响对于任何调制技术来说都会产生很强的负面效应。移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶劣的无线电传播环境中的链路性能。对路径传输损耗，主要靠增大发射功率，以提高接收信号的场强来解决。对慢衰落所造成的接收信号功率的波动，通常借助“宏分集”来解决。无线传输所面临的最大问题是信道的时变多径衰落，克服多径衰落主要用“微分集”来解决，这也是人们通常所说的分集技术。抗多径衰落还常用均衡技术和差错控制编码技术。均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰(ISI)。信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能的。均衡、分集和信道编码这三种技术都被用于改进无线链路的性能，也就是希望减小瞬时误码率。这三种技术在用来改进接收信号质量时，既可单独使用，也可组合使用。但是在实际的无线通信系统中，每种技术在实现方法、所需费用和实现效率等方面具有很大的不同。在下面的各节里，我们将分别介绍分集接收、交织与编码、均衡等抗衰落技术。2.主要的抗衰落技术2.1.分集接收技术基本思想把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量及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。作用充分利用接收信号的能量减小接收信号的衰落深度和衰落持续时间分集：接收多路不相关的信号并合并。目标：对抗多径信道造成的衰落和延时串扰。图21 选择式分集合并示意图2.11 分集技术主要包含两方面如何获得独立的多路信号分散传输如何合并独立的多路信号集中处理2.12 分集方式1、微分集系统中都经常使用。可以分为下列六种。（1）、空间分集空间分集，也被称为天线分集、空间位置分集，是无线通信中使用最多的分集形式。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。对空间分集而言，分集的支路数M越大，分集效果越好。但当M较大时(如M3)，分集的复杂性增加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢。（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，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号，以实现频率分集。这一技术比空间分集节省天线数目，缺点是不仅需要占用更多的频谱资源，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机。(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，因而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。优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率分配到两副天线上，信号功率将有3 dB的损失。(4)场分量分集场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。因此，通过接收不同的场分量，也可以获得分集的效果。场分量分集主要用于较低的工作频段，工作频率较高时，一般采用空间分集结构。(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，还具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，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。此外，时间分集也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。2、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和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。空间分集技术用两个以上的天线收同一个信号。图22 通信阴影区的形成设基站A接收到的信号中值为P1，基站B接收到的信号中值P2，均服从对数正态分布。若P1P2，则确定用基站A与移动台通信;若P1P2，则确定用基站B与移动台通信;如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。基站数视需要而定。2.13 合并方式接收端收到M(M2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。合并技术通常是应用在空间分集中的。在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。常用的有三种方式。(1)选择式合并选择式合并是指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.这种分集有M个接收机进行支路的解调，输出信号送入选择逻辑。选择逻辑从M个接收信号中选择具有最高基带信噪比（SNR）的基带信号作为输出。选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。(2)最大比值合并最大比值合并是一种最佳合并方式。M路信号进行加权的权重是由各路信号所对应的信号电压与噪声功率的比值所决定的。合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈大。最大比值合并的输出SNR等于各路SNR之和。所以，即使当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时，最大比值合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可以被解调的信号。 在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。(3)等增益合并按最大比值合并虽然性能优越，但需要适时改变加权系数，很多情况下实现起来比较困难。等增益合并，这种方法也是把各支路信号进行同相后再相加，只不过加权时各路的权重相等，各支路的信号是等增益相加的。 a=1a等增益合并方式实现比较简单。当M较大时，等增益合并仅比最大比值合并差1.05dB。这样，接收机仍可以利用同时收到的各路信号，并且接收机从大量不能够解调出来的信号中合成出一个可解调信号的概率仍很大，其性能只比最大比合并差一些，但比选择分集要好很多。图23 三种合并方式的D(M)与M关系曲线2.2RAKE接收一般的技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。理论基础: 传播时延超过一个码片周期时,多径信号实际上可以看作是互不相关的。所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。T xN图24 简化的RAKE接收机组成2.3.纠错编码技术编码分为信源编码和信道编码两大类，其中信源编码是为了提高信息传输的有效性，而信道编码，即差错控制编码，是为了提高信息传输的可靠性。信道编码通过在被传输数据中引入冗余来来改进信道的质量。冗余的引入将增加信号的传输速率，也就会增加带宽。这会降低在高SNR情况下的频谱效率，但它却可以大大降低在低SNR情况下的误码率。用于检测错误的信道编码被称为检错编码，而既可检错又可纠错的信道编码被称为纠错编码。按照信息码元和监督码元之间的检验关系，可以分为线性码和非线性码。若信息码元和监督码元之间的关系为线性关系，则称为线性码，反之，则称为非线性码。按照对信源序列的处理方式，可以分为分组码、卷积码和级联码。按照信息码元在编码后是否保持原来的形式不变，可分为系统码和非系统码。2.3.1分组码分组码是一种前向纠错(FEC)编码。分组码是长度固定的码组，k个信息位被编为n位码字长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错，可表示为(n,k) 。在分组码中，监督位仅与本码组的信息位有关，而与其他码组的信息码字无关。汉明码、格雷码、Hadamard码、循环码、Reed-Solomon码等等。2.3.2卷积码卷积码也是长度为k的信息段分为一组，编成长度为n的码字，但是这n个码元，不仅取决于当前的k个信息码元，还和前面L-1个信息段有关。因此通常把卷积码记作(n, k, L) 。卷积码码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。卷积码根据需要，有不同的结构及相应的纠错能力。但都有类似的编码规律。2.3.3交织编码数字移动信道中，传输过程中会出现成串的突发差错，这些突发差错，主要通过交织编码来解决。通过交织，把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码)消除随机差错。交织编码不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。在实际移动通信环境下的衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。2.4. 均衡技术在信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使在接收时发生误码。码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是对付码间干扰的一项技术。 从广义上讲，均衡可以指任何用来削弱码间干扰的信号处理操作。LMSRLS快速RLS平方根RLS梯度RLSRLS快速RLS平方根RLSRLS梯度LMSRLS快速RLS平方根RLS图41均衡器类型、结构和算法示意图均衡技术可以分为线形均衡和非线性均衡。如果接收信号经过均衡后，再经过判决器的输出被反馈给均衡器，并改变了均衡器的后续输出，那么均衡器就是非线性的，否则就是线性的。常用的非线性算法有判决反馈均衡(DFE)、最大似然符号检测及最大似然序列估值(MLSE)。显然，非线性均衡有着比线性均衡更好的性能，尤其是在信道中有深度衰落导致失真太严重的时候。由于移动衰落信道具有随机性和时变性，这就要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性，这种均衡器被称为自适应均衡器。GSM系统就采用了自适应均衡技术降低多径带来的码间串扰。自适应均衡器一般包含两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。首先，发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收机的均衡器可以完成正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位。而紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据。接收机的均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正均衡滤波器的参数以对信道进行补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能够通过这个序列得到正确的滤波器系数，从而在收到训练序列后，均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。当接收用户数据时，均衡器通过均衡的自适应算法不断改变滤波特性，从而跟踪不断变化的信道。近年来，盲均衡在通信和信号处理领域受到了普遍关注，盲均衡是指均衡器能够不借助训练序列，而仅仅利用所接收到的信号序列即可对信道进行自适应均衡，从而节省带宽。随着数据传输速率的不断提高，传统的均衡技术已经很难消除多径效应带来的码间串扰了。但随着OFDM技术的出现，由于OFDM调制系统本身的特点决定了其均衡结构可以作得非常简单。降低了均衡技术的难度。3.小结通过这次论文的撰写，让我了解了影响无线通信质量的主要原因是信号的衰落和了解到移动通信系统中信号出现衰落的原因，同时也通过上网查询资料和翻阅书籍获知了目前几种常用的抗衰落技术。这三种技术在用来改进接收信号质量时，既可单独使用，也可组合使用。但是在实际的无线通信系统中，每种技术