第3章-关键技术3分解.ppt

第3章关键技术,语音编解码技术调制与解调技术扩频通信分集接收技术链路自适应技术OFDM技术,软件无线电技术智能天线MIMO技术联合检测认知无线电技术（RC）,链路自适应技术5,链路自适应技术概述及关键技术链路自适应技术的应用与发展,链路自适应（LA：LinkAdaptation）技术动态地跟踪信道变化，根据信道情况确定当前信道的容量，进而改变传输信息的符号速率、发送功率、编码速率和编码方式、调制的星座图尺寸和调制方式等参数，因此可以最大限度地发送信息，实现更低的误码率，并减轻对其他用户的干扰，满足不同业务的需求，提高系统的整体吞吐量。,链路自适应技术5,传播环境和信道特性两个主要特点：慢时变性与传播环境的差异性。1.慢时变性移动信道的慢时变特性可分为两个层次，一个是慢阴影衰落，另一个是慢平坦衰落。(1)慢阴影衰落关于慢衰落可以有不同的定义和理解，传统的理解比如以一天为基准，或以一月/一年为基准，但是此处的慢是指电波在传播过程中受到大型建筑物和相应障碍物阻挡造成的“阴影”效应而引起的衰落现象，称为慢阴影衰落。慢阴影衰落的统计特性服从对数正态分布模型。,自适应传输的必要性,链路自适应技术5,(2)慢平坦衰落这类信道形成机理与慢衰落信道不一样，它主要是指，由于传播中的多径，亦即由于收、发天线的角度扩散，引入多径传输形成的空间选择性衰落，然而在时、频域上是平坦的，特别是在时域上是慢变化的。若多径传播模型中无直达路径，则在接收端收到的信号衰落幅度的服从Rayleigh分布；若多径传播模型中，存在一个主要直达路径，则信号衰落幅度遵从Rician分布。,链路自适应技术5,2.传播环境的差异性上行(反向)链路的“远近”效应，在上行链路中，由于小区内用户的随机移动，使各用户的移动台与基站间的距离不相同，若小区内各用户发射功率相同，则到达基站后信号强度不一样，离基站近的用户比离基站远的用户信号强，这样在基站接收端将会产生以强压弱的现象，同时由于通信系统中的非线性将进一步加强这一过程，这就是所谓的“远近”效应。下行(前向)链路的“角”效应，在下行链路中，当用户移动台位于小区边缘交界处，它接收到所属基站的信号比较弱，但同时还会受到邻近小区基站信号的较强干扰，特别是在六角形拐角边缘地区尤为严重，故称它为“角”效应。,链路自适应技术5,自适应传输的物理模型,链路自适应技术5,1、链路自适应技术概述及关键技术,链路自适应技术虽然是对物理层的传输参数进行调整，但它不仅仅需要物理层，也需要其他各层之间紧密配合。图3-30中可以看出：链路自适应技术需要物理层提供调制、编码和发射功率等参数信息；需要链路层提供一条可靠的信令链路，以便在发射参数改变时通知接收机和发射机，以协调它们之间的工作。,链路自适应技术5,图3-30链路自适应技术结构,链路自适应的关键技术包括自适应调制和编码等一系列算法和协议组成，随着对多天线（MIMO）和多载波（OFDM）等技术的大量采用，链路自适应设计将综合时域、频域和空域上的信道变化特性进行。链路自适应主要涉及以下关键技术：自适应调制技术自适应差错控制技术,（1）自适应调制技术,链路自适应技术5,调制方式的星座设计对无线通信系统的性能至关重要。不同的调制方式具有不同的传输速率，在同样误码率性能要求下所需要的发射功率也不相同。自适应调制根据信道的时间、频率和空间选择特性，将时、频、空域划分成多个子信道，根据各子信道的条件好坏，为它们分配不同数目的比特，进而映射为不同的调制方式，如图3-31所示。,Water-Filling算法,链路自适应技术5,此算法是最优链路自适应算法，它能使系统的频谱利用率逼近Shannon界。它的基本思想是给信道条件好的子信道多分配发射功率和数据比特，对信道条件差的子信道少分配或不分配发射功率和比特。但Water-Filling算法给每个子信道分配的比特数目可能为非整数，不存在相应的调制方式，而且其实现复杂度相当高，所以很少应用于高速无线数据传输中。,Hughes-Hartogs算法,Chow算法,该算法的优化准则是在约束总发射功率和维持目标误码率前提下使频谱效率最高。它是一种基于迭代的连续比特和功率分配算法。每一次迭代只分配一个比特，该比特分配给只需要增加最少发射功率就能维持目标误码率的子信道。迭代过程循环进行，直到所有功率被分配完毕。该算法迭代的数目等于所需分配的总比特数，每次迭代都要在所有子信道间进行比较操作，因此运算复杂度高，导致实时性较差。而且，该算法造成系统设计的灵活性较差。,该算法是为了减少自适应比特和功率分配算法中的迭代次数和每次迭代中复杂的排序操作而被提出来的。其优化准则与Hughes-Hartogs算法相同算法首先经过迭代计算得到参数，然后直接通过闭式解为各子信道分配比特速率。由此分配的比特速率有可能是非整数，这时必须将其量化成整数，为了弥补比特量化带来的性能损失，在分配发射功率时必须保证各子信道的性能达到目标误码率。由于不要求复杂的迭代计算和比较操作，Chow算法的实现复杂度显著降低，而其性能比最优的WateFilling算法相差很小。,流水原理,（2）自适应差错控制技术,链路自适应技术5,自适应信道编码,固定的信道编码方式在信道条件恶化时无法保证数据的可靠传输，在信道条件改善时又会产生冗余，造成频谱资源的浪费。自适应信道编码将信道的变化情况离散为有限状态（如有限状态Markov信道模型），对每一种信道状态采用不同的信道编码方式，因此可以较好地兼顾传输可靠性和频谱效率。,（2）自适应差错控制技术,链路自适应技术5,反馈信令设计,决定传输模式转换的反馈信令一般是由接收机根据CSI测量结果产生，然后经由信令信道送回发射机告知其下一次传输时应采取的模式。因为反馈信令的传输也必须经过无线信道，所以发射机有可能检测出错误的信令信息，这对于链路自适应系统是灾难性的。因此，链路自适应系统中反馈信令的设计准则是保证信令在无线信道中无错传输。,单一调制符号,多数判决,离散Walsh码,非对称保护,设计非常简单直接，只用经过PSK或QAM调制的单个符号来承载信令信息。,将同样的信令信息传在收到这些信令信息后进行多数判错的联合概率肯定比单一检测的出多，可以提高反馈信令的传输可靠性。,将信令的状态信息用Walsh序列编码，对每个码元采用最低阶调制方式（如BPSK）。,该设计根据信道质应地选择不同的调制方式来传输反在时分双工（TDD）系统中，数据和信道上传输，但它们经历的信道特性具性。,2链路自适应技术的应用与发展,链路自适应技术凭借其在提高频谱利用率和数据传输速率方面的卓越性能日益赢得了人们的青睐，已成功应用于多种移动通信系统中，应用程度也逐渐从简单到复杂，成为提高系统性能的关键技术之一。,链路自适应技术5,GPRS标准定义了4种不同的编码方案：CS-1CS-4，数据速率分别为9.05kb/s，13.4kb/s，15.6kb/s和21.4kb/s，对应的码率分别为1/2，2/3，3/4和1。GPRS可根据数据速率要求和无线链路的质量来动态选择编码类型，以达到最大的无线吞吐量。CS1拥有最高的纠错能力和最低的速率，而CS4无纠错能力但编码速率最高。不同时隙可选择不同的信道编码，当网络传输质量较好时，可采用较高速的编码方式，反之采用较低速的编码方式。,Ericsson公司率先提出并且已经被ETSI（欧洲电信标准协会）采纳的EDGE（EnhancedDataRatesForGSMEvolution）技术应运而生，成为GSM未来的演进方向之一。EDGE包括增强的电路交换数据（ECSD）和增强的GPRS（EGPRS）两部分，二者分别以电路交换和分组交换为基础。,EDGE技术的核心就是链路自适应，与GPRS不同的是，EDGE技术不仅编码方案可以选择，调制方式也不再是固定的一种GMSK方式，而是引入了另一种调制方式，即八进制移相键控（8-PSK）。这种调制方式能提供更高的比特率和频谱效率，且实现复杂度属于中等。GMSK和8-PSK的符号速率都是271kbit/s，但由于8-PSK将GMSK的信号空间从2扩展到8，因此每个符号可以包括的信息是GMSK的4倍。,OFDM技术6,OFDM的原理OFDM的应用,OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。,OFDM技术6,主要思想,将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。,1OFDM的原理,传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，就如图3-33所示，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。,OFDM技术6,当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波，再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。,图3-33正交频分复用信号的频谱示意图,OFDM技术6,OFDM调制器如图3-34所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。OFDM解调器如图3-35所示。,OFDM技术6,图3-34OFDM调制器,OFDM技术6,图3-35OFDM解调器,OFDM技术6,然而上述方法所需设备非常复杂，当M很大时，需要大量的正弦波发生器，滤波器，调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵。为了降低OFDM系统的复杂度和成本，我们考虑用离散傅立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。如果在发送端对D（m）做IDFT，把结果经信道发送到接收端，然后对接收到的信号再做DFT，取其实部，则可以不失真地恢复出原始信号D（m）。这样就可以利用离散傅立叶变换来实现OFDM信号的调制和解调。实现框图如图3-36和图3-37所示。用DFT和IDFT实现的OFDM系统，大大降低了系统的复杂度，减小了系统成本，为OFDM的广泛应用奠定了基础。,OFDM技术6,图3-36用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器,图3-37用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器,OFDM技术6,理论推导：,调制原理：设OFDM系统中有N个子信道，第K个子信道采用的子载波为：OFDM信号N路子信号之和,一个码元时间内任意两个子载波正交条件：,子载频条件：,子载频最小间隔：,OFDM信号,复数形式,离散傅里叶变换,离散傅里叶逆变换,通过各个子载波的联合编码，OFDM具有很强的抗衰落能力，同时也有很强的抗窄带干扰能力，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。OFDM系统可以有效地抗信号波形间干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM信道利用率高，这在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。,OFDM技术6,2OFDM的应用,为了达到高速传输以及高QoS的保障，必须使频谱利用率提高、信号抗衰落能力增强、抗码间干扰能力显著增强等，因此需要OFDM等先进技术。OFDM技术除频谱利用率高和较强的带宽扩展性外，由于其采用了子载波传输，使其在抗多径衰落性能方面的优势非常明显，另外，OFDM系统可灵活选择各子载波进行传输，使其具有灵活分配频谱资源的性能，所以它越来越得到人们的重视，各项产业化工作也在不断开展中。,OFDM技术6,在未来的宽带无线通信中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。因此，802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。这是因为，OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响；而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。因此，OFDM和MIMO相结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。,OFDM技术6,软件无线电7,软件无线电的基本结构软件无线电的特点、应用和存在的问题,将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台通信，还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”，使两者能够互通互连。这样就解决了由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。,软件无线电7,软件无线电的基本思想：,1、软件无线电的基本结构软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构，其无线功能通过加载软件来实现，从而提供多种无线电通信业务。软件无线电的基本平台包括：天线、多频段射频（RF）转换器、宽带A/D（D/A）转换器和DSP处理器等，如图3-38所示。,软件无线电7,图3-38软件无线电基本平台,将A/D和D/A向RF端靠近，由基带到中频对整个系统频带进行采样；用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做A/D后的一系列处理。,软件无线电7,其关键思想和与传统结构的主要区别：,典型的软件无线电台的工作模块：,实时信道处理：实时信道处理包括天线、射频变换、A/D和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。环境管理：在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信道识别和估计其它参数。在线和离线的软件工具：在线和离线系统分析、信号处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。,宽带/多频段天线与宽带射频模块：,软件无线电7,软件无线电技术的各个模块的作用：,软件无线电台覆盖的频段从2-2kMHz，要求宽带射频模块和低损耗宽带天线，就目前水平而言要研制出一种全频段天线是不可能的。研究最佳多频段天线的主要障碍是当两个频率的频谱十分靠近时，不能设计出同时在两个频率上工作的多频段天线。对于大多数系统只需覆盖不同频程的几个窗口，而不必覆盖全部频段，故可以采用组合式多频段天线的方案。,模数转换部分：,目前在通用移动通信系统（UMTS）、未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）和蜂窝移动通信系统中，均用一个高速A/D转换器使整个频带数字化。对A/D的要求主要是采样速率和位数。现有的A/D转换器还不能同时满足速率与采样位数的要求。解决方法：一方面考虑用多个高速的采样保持电路和模数转换ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率；另外也可考虑研究适合于低分辨率、高采样率的A/D编码调制方案。,高速并行DSP技术：A/D变换后首先要完成的处理工作包括数字下变频、滤波和二次采样，这些是是系统数字处理运算量最大的部分。由于数字信号处理器的限制，只能对几百kHz的滤波信号进行运算，即使采用较快的设备，数字信号处理软件仍不能用于下变频。这就必须采用高速并行DSP组成的多处理器模块（MCM）或专用集成电路。数字下变频后的高速信号处理部分主要完成中频处理、基带处理、比特流处理和信源编码等其它功能工作。,软件无线电7,2、软件无线电的特点、应用和存在的问题,软件无线电最突出的特点是：（1）软件无线电具有完全可编程特性，包括可编程的无线波段、信道接入方式、信道调制、数据速率等，通过软件提供信令与控制、操作和管理以及维护功能。（2）A/D和D/A尽可能地向RF靠近，以便充分利用DSP器件的速度和软件资源，尽量通过软件编程完成从信源基带直至射频的波形变换和相关处理。,软件无线电7,软件无线电主要的特征：业务多样化，新业务、新技术的引入更加方便和经济；优越的低截获概率、低探测概率、抗干扰性能；自动选择通信模式，无感觉地自动选择接入不同的通信网络，选择最佳的通信模式，发送探寻信号去建立通信链路，采用合适的通信协议和信号格式与远端进行通信，通信模式可以根据业务可用性或信号质量来选择；可作为网关站加入全球栅格通信网。例如在移动通信或PCS中，它可解决传统基站和移动终端的单一模式而造成的不兼容问题，使基站和移动终端能够满足多种标准，能应付当前和将来复杂的通信模式和信令结构。,软件无线电7,软件无线电一些缺点：很难设计宽频带、低损耗天线和射频变频器；很难估计在实用中对处理能力的需求和可再编程DSP/CPU处理能力的配置；较难保证内部处理器接口的数据速率。目前软件无线电结构关键部件还没有开放结构标准。DSP功能库还不能象混合和匹配VME板那样，对来自不同软件供应商的实时软件进行混合和匹配。,软件无线电7,智能天线8,智能天线的原理智能天线的接收准则智能天线中常用的自适应算法智能天线的作用,在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，为使接收到的有用信号不至于低于门限，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效的抑制干扰，更大比例的降低频率复用因子，和同时支持更多用户。从某种角度可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。,另外，智能天线可以通过形成多波束来获得额外信道，而不需要分配额外频谱，从根本上增加了频谱效率。智能天线的又一个好处是可减小多径效应。在移动通信系统中，接收天线接收的多径信号随着环境而变化，信号瞬时值和延迟失真的变化非常迅速。如果采用智能天线控制接收方向，自适应的形成指向性方向图，就能减小信号衰落的影响。,智能天线8,智能天线之所以称其为智能天线，“智能”不是在于天线，而在于信号处理。在最简单的情况下，天线信号的合并是采用权值矢量进行线性合并，如图3-40所示。,图3-40智能天线结构,1、智能天线的原理,智能天线8,作为不同天线输出信号的合并器。智能天线定义强调的是利用从不同空间位置得到的信号，或者也可以说智能天线利用了信道的方向性。具有多天线的接收机能区分不同到达方向的多径分量。因此我们可以将智能天线看做一个空间Rake接收机，它能区分不同到达方向的多径分量，并分别进行处理。这使得接收机能对不同的多径分量进行相干合并，因此可以减小衰落，同时还可以抑制来自其它干扰的多径分量。,智能天线8,对一个等间距的M元直线阵，如果阵元间距为d，信号波长为，信号X从相对阵轴法线夹角为的方向入射，如图3-41所示，则t时刻M个阵元信号的向量和是（式3-26）式中，(式3-27）天线阵的方向图仅由下式确定（式3-28）归一化方向图以分贝表示为（式3-29）,智能天线8,若保持间距不变，增加无方向性的阵元数，由上式可推得当阵元数增加时，方向图主瓣的宽度将减小，并且零点和旁瓣增加。如果天线阵阵元数少，那么对干扰信号进行抑制的零点形成明显减少，这样就减小了在所希望的方向上作用区的灵敏度。克服这种情况的方法之一是使用大型天线阵，提高自适应零点控制的能力。当然随阵元数的增加，费用和复杂性也随之增加。因此在阵的分辨能力、旁瓣电平以及对具体方向上的作用区内所要求的阵元数之间，应该进行综合考虑。,智能天线8,在波束形成中，权向量通过代价函数的最优化来确定，代价函数的不同，分别对应着不同的方法，这些方法都是通过求合适的权向量来最优化代价函数。自适应波束形成技术经过了几十年的发展，已有许多文献专著专门来介绍波束形成的基本原理和准则。常用的基本准则包括：最小均方误差准则最大信噪比准则最小方差准则,智能天线8,2、智能天线的接收准则,最小均方误差准则旨在使估计误差的均方值最小化，是应用最广泛的一种最佳准则。定义参考信号为d（t），则阵列输出与参考信号的均方误差为为使它的均方值最小，代价函数取为展开得,最小均方误差准则,其中，为输入信号的自相关矩阵，为输入信号和参考信号的互相关矩阵。取最小值的最佳权，可由令其对的梯度为零求得得到最小均方误差准则下的最优全向量,智能天线8,最大信噪比准则旨在使有用信号功率和干扰噪声功率之比最大，常用于通信系统中，以实现系统误码率的要求。它的代价函数为据此代价函数求出最优权向量。,最大信噪比准则,最小二乘准则旨在使如下的加权平方误差累计代价函数最小，由此得出代价函数为：同理求出最优权向量。,最小二乘准则,智能天线8,通过算法可以自动地调整天线增益的权值以便实现所需要的空间滤波和频率滤波。通常对算法的基本要求是收敛快、稳定性好、计算量不能太大、硬件实现容易。目前己经提出的算法有很多，根据计算权矢量所必需的参考信号信息形式大体可分为三种：时间参考方式、盲处理方式和空间参考方式。,智能天线8,3、智能天线中常用的自适应算法,基于时间参考方式的算法根据最小均方误差准则，利用导引信号来恢复信号。这类算法收敛速度较快，可以实现实时跟踪，非常适合多径丰富且信道特性变化剧烈的环境，缺点是需要系统发射训练序列，会占用一定的系统频谱资源。下面列举几种常用的算法:最小均方误差算法（LMS一