第4章 抗衰落技术.ppt

1,第4章抗衰落技术,2,引言,移动信道存在3类损耗：最大,但不可避免。对传输可靠性影响最大的是,衰落深度可达30-40dB,所以抗衰落技术必不可少。抗衰落技术主要是抗空间选择性衰落(由天线点波束扩散引起的),抗频率选择性衰落(由多径效应引起的)。具体方法是分集接收，Rake接收和均衡技术。,路径损耗,快衰落损耗,3,引言,分集接收是抗空间选择性衰落的方法，GSM和IS-95在上行链路基站端广泛采用空间二重分集技术。Rake接收是CDMA采用的抗频率选择性衰落的方法。均衡技术是GSM采用的抗频率选择性衰落方法。,4,一、分集接收,一、分集接收是典型的抗衰落技术，可以大大提高信道传输的可靠性，其中空间分集技术早已成功应用于模拟短波通信和模拟移动通信，对于2G系统有了更广泛的应用，G、C网都使用空间分集技术。1、概念是指接收端对它收到的多个互相独立，且携带同一信息的衰落信号进行特定处理，以降低信号电平起伏的办法。必要条件:接收端必须能够接收到承载同一信息且在统计上相互独立的若干不同样值的信号。充分条件:如何将获得的样值加以有效且可靠利用。,5,分集接收,2、分类按“分”划分：按接收信号样值结构与统计特性，可分为空间分集、时间分集、频率分集。按“集”划分：按合并方式，可分为选择式合并、等增益合并、最大比值合并。按“合并位置”划分：射频合并、中频合并、基带合并。另外还有:接收端分集、发送端分集、收发联合分集(MIMO)-多输入输出系统。一般来说，采用多套设备来实现分集为传统的显分集，采用一套设备而利用信号统计与处理技术来实现的称隐分集。,6,分集接收,3、典型分集与合并技术空间分集：是利用接收地点位置不同，实现抗空间选择性衰落性能的。典型结构，发送端一副天线，接收端M副天线，天线间距离要满足不相关要求，d/。M越大,效果越好,但M4时,效果不明显。一般M=2-4,但分集与不分集差异很大,属于质变。GSM和IS-95系统M=2上行链路基站端采用空间二重分集技术，下行链路用户端可以采用空间分集技术吗？为什么?,7,分集接收,空间分集有两类变化形式:、极化分集：是利用单个天线水平、垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能。是因为不同的极化方向电磁波有不同的衰落性，它的分集支路只有两路，不用考虑天线间的距离，但性能较差。、角度分集:是利用天线不同角度相关性不同来实现分集功能的。在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。,8,分集接收,频率分集:利用不同频率信号经衰落在统计上不相关特性,实现抗频率选择性衰落。实现时可以将待发的信息分别调制在频率不相关的载波上发射。f1/LL=5s,f200kHz即载波间隔应大于200kHz特点:在接收端可以减少接收天线及相应的设备数量，但占用了更多的频带资源，需要多个发射机。,9,分集接收,时间分集:利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时,两个取样点在衰落统计上不相关，即利用时间上衰落统计特性的差异来实现抗时间选择性衰落。具体实现是将待发信息隔一定的时间间隔发送。t1/B=1/2fm=1/2（V/）V=80km/hf=900MHzt7.5ms当V=0时t=移动台处于静止或慢速状态时，时间分集是没有用处的。特点:占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。,10,合并技术,最大比值合并在接收端由N个统计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后相加，送入检测器进行检测。Gi=Ai/2Ai-支路信号强度2-各支路噪声功率合并后输出A=可以看出，合并后信号的幅度与各支路信噪比有关，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈大。在具体实现时，需要实时测量出每个支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。合并增益：Km=N,11,合并技术,等增益合并在最大比合并中，实时改变Gi是比较困难的，通常希望Gi为常量，取Gi=1就是等增益合并。A=合并增益：Ke=1+（N-1）/4选择式合并从N个分集支路的接收机中利用选择逻辑电路选择其中具有最大信噪比的某一路作为输出。A=AmaxKs=,12,合并技术,性能比较最大比值合并增益：Km=N等增益合并增益：Ke=1+（N-1）/4选择式合并增益：Ks=选N=5，Km=5Ke=4.14Ks=2.28说明最大比值合并最好，选择式合并最差，且最大比值合并与等增益合并相差不大，但等增益合并易实现，故使用最多。,13,二、Rake接收技术,二、Rake接收技术不同于传统的空间、频率与时间分集技术，是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集作用隐含在被传输的信号之中的技术，又称隐分集。1、基本原理没法将被扩散的信号能量充分利用起来，但实际收到的多径分量的数量、大小、时延、相位均为随机变量，因此合成后的矢量亦为一个随机变量。如果能够将各路多径信号加以分离，再将被分离的信号相位校准、幅度加权，将矢量和变为代数和。,14,Rake接收技术,多径分离的能力主要取决于带宽，在城区多径时延大约为5s，相关带宽为200kHz，即要求载波间隔为200kHz。GSM的载波间隔为200kHz，无法实现多径分离，不能用Rake接收，而IS-95载波间隔为1.25MHz，理论上有6重隐分集的可能。但由于多径时延扩展是随机的，实际上有利用价值的不超过3-4径，所以在C网中，基站接收机N=4，移动台N=3。Rake接收理论上属于频率分集，但从现象上看，是利用多径时延进行的分集，有人认为称为多径分集更为恰当。,15,Rake接收技术,2、IS-95中的Rake接收机基站Rake接收,搜索其中4个最强路径进行数据解调,每个搜索器包含多个并行搜索单元。,4个解调器将结果输出给路径合并器合并。,16,Rake接收技术,移动台Rake接收机与基站的原理一样，只是在下行链路中，基站专门设置了导频信道，移动台可利用基站发送的导频信号进行同步码分，相干检测，不同的路径信号只需通过导频来搜索实现。移动台的解调器只能有一个，它是通过延时来分离多径信号。CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA系统也都使用Rake接收机。,17,三、均衡技术,三、均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法，多径效应引起严重的码间干扰，需要采用均衡技术来克服。实现均衡目前有两个基本途径：频域均衡：从频域角度来满足无失真传输条件，是能过校正系统的幅频特性和群时延特性来实现。主要用于早期有线传输网络中。时域均衡：从时间响应考虑整个系统的冲击响应满足理想的无码间串扰的条件，可以根据信道特性的变化而不断进行调整。实现比频域方便，性能也比频域好，故得到广泛的应用。,18,均衡技术,使用均衡器的目的是为了减轻或消除由于频率选择性衰落造成的符号间的干扰。并非所有移动系统均要求使用均衡器，若多径时散区间为Tm，传输的消息符号持续时间为Ts，当TsTm时，时延对传输符号影响可以忽略不计，不必使用均衡器。IS-95系统采用扩频码，带宽较宽，TsTm，所以不采用均衡技术，而使用Rake接收。GSM系统采用时分多址，其符号速率较高，TsTm，必须使用均衡技术。移动通信对均衡的要求：具有快速收敛特性，好的跟踪信道时变特性的能力，低的实现复杂度和低的运算量。,19,均衡技术,时域均衡器的分类,20,均衡技术,1、线性均衡器结构相对比较简单，主要实现方式为横向滤波器、格形滤波器，只能用于信道畸变不十分严重的情形，在移动信道中，通常尽量避免使用线性均衡器。但线性均衡器是时域均衡器的基础，特别是其横向滤波器的实现方式。,21,均衡技术,2、非线性均衡器最大拟然序列估值均衡器（MLSE）利用信道冲激响应估计器的结果，测试所有可能的数据序列，选择概率最大的数据序列作为输出，在最小序列误差概率准则下，是最优的。若消息的符号数为M，干扰符号长度为l，其复杂度正比于Ml+1，成指数增长，因此仅适合于l较小的情况。GSM系统l=4，可以使用。,22,均衡技术,判决反馈均衡器由两个滤波器组成，前馈滤波器的作用和线性均衡器的作用一样，反馈滤波器是将已检测符号的判别输出作为它的输入，作用是从已检测的符号来估计当前检测符号的码间干扰，然后将它与前馈输出相减，从而减少了当前输出符号间的串扰。其复杂度是前、反馈滤波器抽头总数目的线性函数，在l较大的情况下，其实现复杂度低，性能下降不明显。,23,均衡技术,3、横向滤波器是时域均衡的主要实现方式，由多级抽头延迟线、可变增益加权系数乘法器及相加器共同组成。,横向滤波器可以消除控制长度NN内的符号间干扰，从而使总的符号间干扰大为减少。横向均衡器的抽头越多，控制范围越大，均衡的效果就越好。但抽头越多，成本越高，调整也越困难，太多的抽头是不现实的。只要满足均衡器调节准则即可。,24,均衡技术,4、均衡器的算法最常用的算法有:基本型:LMS(最小均方算法)RLS(递归最小平方算法)改进型:F-RLS(快速)SR-RLS(平方根)各种算法用于判决反馈均衡器的复杂度为:,25,均衡技术,5、自适应均衡器在信道特性已知的情况下，均衡器设计就是要确定一组系数，使基带信号在抽样时刻消除码间串扰。实际信道的特性往往是不确定，要求均衡能够随时调整系数，以适应信道特性的变化。,为了获得信道参数信息，接收端需要对信道进行测量，自适应均衡器工作在两种模式：训练模式和跟踪模式。,在发送数据之前，发送端发送一个已知序列，开关置1，产生误差，能过它来算出均衡器系数，转入跟踪模式，开关置2，此时系数已最佳，判决器以很小的误差概率进行判决。,26,四、信道编码,四、信道编码移动通信系统主要使用卷积码、交织码和Turbo码1、卷积码卷积码编码器对输入的数据流每次1比特或k比特进行编码，输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为（n，k，m）。编码效率r=k/n。GSM使用的卷积码为（2,1,4）IS-95使用的卷积码为（2,1,8）,27,信道编码,2、交织编码是为了卷积码能纠正多个突发错误，它能把多个突发错误变为单个的随机错误。交绞编码的作用只能改造信道，不能单独使用。912=8114送入信道的顺序是,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,895,896,897,898,899,910,911,912,译码的顺序是,28,信道编码,输入的数据比特流直接输入到编码器1，同时也把这数据流经过交织器重