移动通信——抗衰落技术.doc

目录抗衰落技术2一、概述21）引起衰落的原因22）抗衰落技术的种类2二、分集接收技术21）基本思想32）适用范围33）如何实现自身的功能3（1）时间分集3（2）空间分集4（3）频率分集54）各分集技术之间的优缺点5三、合并技术51）基本思想：52）适用范围：63）如何实现自身的功能：6四、均衡技术61）基本思想62）适用范围73）如何实现自身的功能7五、信道编码技术71）信道编码技术产生的原因与作用72）信道编码技术的基本思想及优缺点83）适用范围84）信道编码技术及功能的实现8（1）分组码9（2）卷积码9（3）Turbo码10（4）交织10（5）伪随机序列扰码11六、扩频技术111）基本思想122）适用范围123）如何实现自身的功能12（1）直接序列扩频与解扩的原理12（2）跳频扩频通信系统12抗衰落技术一、概述衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响，严重的衰落甚至会使传播中断，随着移动通信技术的发展，传输的数据速率越来越高，人们对信号正确有效地接收的要求也越来越重要，在移动通信中，移动信道的多径传播、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移会使接收信号产生严重衰落；阴影效应会使接收的信号过弱而造成通信中断；信道存在的噪声和干扰也会使接收信号失真而造成误码；为了改善和提高接收信号的质量，在移动通信中就必须使用到抗衰落技术。1）引起衰落的原因衰落主要由多径干涉和非正常衰减引起。多径干涉,即多条射线的相互干涉,是最常见的也是最重要的衰落成因。多条射线的产生，可能是由于地面、大气不均匀层或天线附近的地形地物的反射，也可能是由于电离层多次反射、电离层中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现。多径干涉形成的衰落通常称为多径衰落或干涉型衰落。非正常衰减发生时，接收信号电平低于正常值，从而形成衰落。这种衰落通常称为衰减型衰落。2）抗衰落技术的种类在移动通信中，为了改善接收信号的质量，所采取的一系列方法、手段、措施被称为抗衰落技术。常用的抗衰落技术包括分集接收技术、均衡技术、信道编码技术和扩频技术，在实际应用中根据信道情况来应用。二、分集接收技术 所谓分集接收技术是指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。分集方式：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。 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。可以分为时间分集、空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集和角度分集六种，常用的只是前三种。1）基本思想 分集接收是通过多个信道（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。即将接收到的信号分成多路的独立不相关信号，然后将这些不同能量的信号按不同的规则合并起来2）适用范围 在平坦性信道上接收信号的衰落深度和衰落持续时间大的信号 来自地形地物造成的阴影衰落（宏观信号衰落） 在微波信号的传播过程中,由于受地面或水面反射和大气折射的影响,会产生多个经过不同路径到达接收机的信号,造成多径衰落（微观衰落）3）如何实现自身的功能由于分集技术接收的信号涉及到时间、空间和频率，所以根据所涉及的资源的不同可划分为时间分集、空间分集和频率分集。以此对应实现自身的功能。（1）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，则各次发送降格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。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔应该满足：t=1/2fm, fm =/，其中fm为衰落频率，V为移动台运动速度，为工作波长。若移动台是静止的，则移动速度v=0，此时要求重复发送的时间间隔才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。（2）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，CCIR（国际无线电咨询委员会）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，并且最好选在/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到1/4，也能起到相当好的分集效果。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。空间分集还有两类变化形式:极化分集:它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点:结构紧凑、节省空间;缺点:由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB的损失。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。（3）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，即载波频率的间隔应满足: f=Bc=1/Tm式中：f为载波频率间隔，Bc为相关带宽，Tm为最大多径时延差。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。4）各分集技术之间的优缺点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。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。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。三、合并技术分集在获得多个独立衰落的信号后，需要对信号进行合并处理。利用合并器把经过相位调整和延时后的各分集支路相加。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。1）基本思想：合并技术是指在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，对各支路信号进行相位调整和时延，然后根据一定的条件，运用一定的方式、手段对信号进行选择、合并，从而获得分集增益。2）适用范围：合并技术是对应分集技术而言的，在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，把经过相位调整和试验后的各分集支路信号相加，从而获得分集增益。，在所有的使用分集技术的时候，对应的需要应用到合并技术。3）如何实现自身的功能：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。最大比值合并：将所有具有能量且携带相同信息的信号，在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之相同，染后相加。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。四、均衡技术 数字通信系统中，由于多径传输、信道衰落等影响，在接收端会产生严重的码间干扰（ISI），增大误码率。为了克服码间干扰，提高通信系统的性能，在接收端需采用均衡技术。均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来减小或消除因信道的时变多径传播特性引起的码间干扰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。1）基本思想 在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。2）适用范围由传输信道的频带有限造成的码间干扰3）如何实现自身的功能自适应均衡：自适应均衡是指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。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，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。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，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。接收机处的均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正滤波器系数以对信道做出补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能通过这个训练序列获得正确的滤波系数。这样就可以在收到训练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。均衡器从调整参数至形成收敛，整个过程是均衡器算法、结构和通信变化率的函数。为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。均衡器一般被放在接收机的基带或中频部分实现，基带包络的复数表达式可以描述带通信号波形，所以信道响应、解调信号和自适应算法通常都可以在基带部分被仿真和实现。盲均衡：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。五、信道编码技术1）信道编码技术产生的原因与作用数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务，信道编码的本质是增加通信的可靠性。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。2）信道编码技术的基本思想及优缺点在早期的数字通信系统中，调制技术与编码技术是独立的两个设计部分。信道编码常是以增加信息速率（即增加信号的带宽）来获得增益的，编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这对频谱资源丰富但功率受限制的信道是很适合用的，但在频带受限的蜂窝移动通信系统中，其应用就受到很大的限制，目前广泛使用的是把调制和编码看做一个整体来考虑的网格编码调制（TCM）。网格编码调制技术是一种将编码与调制有机结合起来的编码调制技术，这种方法既不降低频带利用率，也不降低功率利用率，而是以设备的复杂化为代价换取编码增益。可使系统的频带利用率和功率资源同时得到有效利用。利用状态记忆和分集映射来增大编码序列之间距离的办法，来提高编码增益。信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的开销。这就好象我们运送一批玻璃杯一样，为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况，我们通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包装起来，这种包装使玻璃杯所占的容积变大，原来一部车能装5000个玻璃杯的，包装后就只能装4000个了，显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个数减少了。同样，在带宽固定的信道中，总的传送码率也是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了。将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了，不同的编码方式，其编码效率有所不同。3）适用范围传统的信道编码技术适用于高带宽的通信系统中，网格编码调制技术对信道带宽要求很低，适用于窄带通信系统中，如蜂窝移动通信系统。4）信道编码技术及功能的实现常用的信道编码技术包括分组码、卷积码、Turbo码、RS编码、交织等。（1）分组码分组码是一类重要的纠错码，它把信源待发的信息序列按固定的k位一组划分成消息组,再将每一消息组独立变换成长为n(nk)的二进制数字组,称为码字。如果消息组的数目为M(显然M2k),由此所获得的M个码字的全体便称为码长为n、信息数目为M的分组码,记为【n，M】。把消息组变换成码字的过程称为编码，其逆过程称为译码。组码就其构成方式可分为线性分组码与非线性分组码。线性分组码：线性分组码是指【n,M】分组码中的M个码字之间具有一定的线性约束关系,即这些码字总体构成了n维线性空间的一个维子空间。称此维子空间为(n，)线性分组码，n为码长，为信息位。此处M2。一个(n,k)分组码C，如果满足下列条件：（1）全零码组(0,0,0)在C中；（2）C中任意的两个码字之和，也在C中，则称C为线性分组码。非线性分组码：非线性分组码【n，M】是指M个码字之间不存在线性约束关系的分组码。d为M个码字之间的最小距离。非线性分组码常记为【n，M，d】。非线性分组码的优点是：对于给定的最小距离d,可以获得最大可能的码字数目。非线性分组码的编码和译码因码类不同而异。虽然预料非线性分组码会比线性分组码具有更好的特性，但在理论上和实用上尚缺乏深入研究（见非线性码）。分组码具有以下特点：（1） 分组码是一种前向纠错(FEC)编码。（2） 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) 。（3） 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。（4） 分组码包括汉明码、格雷码、Hadamard码、循环码、Reed-Solomon码等等。（2）卷积码若以（n,k,m）来描述卷积码，其中k为每次输入到卷积编码器的bit数，n为每个k元组码字对应的卷积码输出n元组码字，m为编码存储度，也就是卷积编码器的k元组的级数，称m+1= K为编码约束度m称为约束长度。卷积码将k元组输入码元编成n元组输出码元，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码编码生成的n元组元不仅与当前输入的k元组有关，还与前面m-1个输入的k元组有关，编码过程中互相关联的码元个数为n*m。卷积码的纠错性能随m的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。编码原理：以二元码为例，编码器如图。输入信息序列为u=(u0，u1，），其多项式表示为u(x)=u0+u1x+ulxl+。编码器的连接可用多项式表示为g(1,1)(x)=1+x+x2和g(1,2)(x)=1+x2，称为码 的子生成多项式。它们的系数矢量g(1,1)=(111）和g(1,2)=(101）称作码的子生成元。以子生成多项式为阵元构成的多项式矩阵G(x)=g(1,1)(x),g(1,2)(x)，称为码的生成多项式矩阵。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。表示方法：描述卷积码的方法有图解法和解析法。解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。（3）Turbo码Turbo码又称并行级联卷积码(PCCC)，是一类应用在外层空间卫星通信和设计者寻找完成最大信息传输通过一个限制带宽通信链路在数据破坏的噪声面前的其它无线通信应用程序的高性能纠错码。有两类 Turbo 码在那里，块 Turbo 码和卷积 Turbo 码（CTCs），它们是相当不同的，因为它们使用不同的构件码，不同的串联方案和不同的 SISO 算法。它巧妙地将两个简单分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软入/软出（SISO）译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。Turbo码有一重要特点是其译码较为复杂，比常规的卷积码要复杂的多，这种复杂不仅在于其译码要采用迭代的过程，而且采用的算法本身也比较复杂。这些算法的关键是不但要能够对每比特进行译码，而且还要伴随着译码给出每比特译出的可靠性信息，有了这些信息，迭代才能进行下去。模拟结果表明， 在一定条件下，Turbo码在AWGN信道上的误比特率，接近香农限的性能。在第三代移动通信中，非实时的数据通信广泛采用了Turbo码。Turbo码的特点：它将卷积码和随机交织器合并在一起，实现了随机编码的思想；采用软输出叠代译码来逼近最大似然译码。 （4）交织在实际应用中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效（如RS只能纠正8个字节的错误）。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成短串差错，从而可以用前向码对其纠错。交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更深的交织深度。（5）伪随机序列扰码进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大的低频成分，不适应信道的传输特性,也不利于从中提取出时钟信息。解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。扰码不但能改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列（PRBS）再与输入数据逐个比特作运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与TS的数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模2相加，就可将原信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上（模2和）同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。在DVB-C系统中的CA系统原理就源于此，只不过为了加强系统的保密性，其伪随机序列是不断变化的（10秒变一次），这个伪随机序列又叫控制字（CW)。现在出现一种新的信道编码方法。LDPC编码。LDPC编码是最接近香农定理的一种编码。六、扩频技术 扩频技术，它是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。1）基本思想在发射端使用传统的调制方式调制有效信号；然后使用扩频编码调制载波，使其扩展到一个非常大的带宽内，实现频谱展宽。在接收端利用相反过程得到原始信号。2）适用范围 由于扩频调制使信号抗干扰能力强且隐蔽性好，最初用于军事通信，后来由于其高频谱效率带来的高经济效益而被应用到民用通信，移动通信的码分多址就是建立在扩频通信的基础上。而且还能有效的抑制窄带干扰。3）如何实现自身的功能 （1）直接序列扩频与解扩的原理扩频：由于X（t）=b(t)c(t)的频谱等于b(t)的频谱与c(t)的频谱的卷积，b(t)和c(t)相乘的结果使携带信息的基带信号的带宽被扩展到近似为c(t)的带宽Bc，扩展的倍数就等于PN序列一周期的码卷积，N=Bc/Bb=Tb/Tc，而信号的功率谱密度下降到原来的1/N。信号这样的处理过程就是扩展，C(t)在这里起着扩频的作用，称作扩频码，这种扩频方式就是直接序列的扩频解扩：在接收端，接收机接收到的信号r(t)一般是有用的信号和噪声及各种干扰信号的混合，为了突出解扩的感念，暂不考虑他们的影响，即r(t)=s(t)，接收机将接受到的信号首先和本地产生的PN码c(t)相乘，由于c(t)2=（+-1）2=1，所以r(t)c(t)=s(t)c(t)=b(t)c(t)cosWct*c(t)=b(t)cosWct,相乘所得信号显然是一个窄带2PSK信号，它的带宽等于2Rb=2/Tb，这样的信号恢复为一个窄带信号，这一操作过程就是解扩。（2）跳频扩频通信系统跳频（FH）是一种无线通信中最常用的扩频方式。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律（一组伪随机码PN，Pseudo-Noise）进行离散变化，通信中使用的载波频率受伪随机码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式；从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。因此，跳频通信在某一特定频点上仍为普通调制技术。跳频系统根据频率变化的快慢，通常分为快跳频和慢跳频。目前在军事领域广泛应用了快跳频通信技术。随着电子对抗的加剧，在快跳频的基础上，产生了自适应跳频，进一步提高抗截获和抗干扰目的。慢跳频则主要应用于民用领域。跳频系统的原图及跳频信号数学描述：跳频系统的简单原理图如图1-1所示其数学模型如（1-1）。在发送端，输入信息码序列进行基带调制得到宽度为的调制信号。独立产生的伪随机码序列作为跳频序列去控制频率合成器，使其输出频率按不同的跳频图案或指令随机跳跃地变化。调制信号m(t)对随机载频进行调制，得到跳频信号，可表示为: （1-1）调制器震荡器伪码发生器时钟伪码发生器时钟震荡器信码m(t)S1(t)Cos(0+n)t+n频率合成器Cos(0+n)t+n频率合成器S1(t)m(t)信码调制器图1-1