10次课 第05章 抗衰落技术-3_2013

1、10-110-1 数字移动通信 数字移动通信 第五章 抗衰落技术 n抗衰落技术的基本原理 n分集技术 n自适应均衡技术 n多径信号的分离与合并 n发射分集与空时编码 n补充：多址接入 10-10-2 2 第一次课 第二次课 第三次课 要求与重点 n掌握多址接入的基本原理以及实现方式 n理解RAKE机的原理与方法 n了解发射分集的原理 重点：RAKE接收机原理 难点：扩频信号的相关函数 方法论：变换角度考虑问题 10-10-3 3 本节课主要解决的问题 1、基站如何区分手机-多址接入技术 （多址技术） 2、码分多址下的抗衰落技术？ 10-10-4 4 一、多址接入技术 n问题的引入（基站如何区分

2、手机？能同时区分 多少手机） 10-10-5 5 n 已知条件：运营商使用的 某一段频率。 n 问题：区分在同一频段下 通信的不同终端。 n 解决这一问题的技术称为 多址接入技术。 用什么来区分？用什么来区分？ 一、多址接入技术 n频分多址（FDMA） n空分多址（SDMA） n时分多址（TDMA） n码分多址（CDMA） 5-5-6 6 一、多址接入技术 5-5-7 7 n假设一间屋子中有很多人，每个人都想说话，如果所 有人同时说话，那么想听清楚别人说什么很困难。 n如果其中有人提高声音，其他人也会随之提高声音， 最终没有人能听到别人在说什么。 n如何解决这种状况？ 一、多址接入技术 5-5

3、-8 8 n如何解决这种状况？ 每个人轮流说话 (TDMA) 分组，每组使用不同的语言 (CDMA) 分组，每组占居房间的一角 (SDMA) 一、多址接入技术-频分多址 n频分多址是最常用的多址接入方法。 5-5-9 9 核心思想：将给定的频谱 资源划分为若干个等间 隔的频道供不同的用户 使用。 应用实例: 广播、电视 一、多址接入技术-频分多址 n基站怎么提取不同用户的信号呢？ 5-5-1010 采用不同载频的带通滤 波器来提取用户的信号 n各用户的信道真是无缝 对接的吗？ 用户的信道之间通常设 有保护频隙以防止相邻信道 之间的混叠 一、多址接入技术-频分多址 n移动通信系统能只采用频分多址

4、来区分用户吗？ 5-5-11 11 问题：广播、电视一个频 点可以服务千万个用户，移 动通信可不行，在频分多址 方式下，用户要实现通信必 须要独占某一个甚至某两个 频点，容量限制太大了。 GSM：890915 124个频点 一、多址接入技术-频分多址 n频率复用同频点位置不同 5-5-1212 大区制-小区制（改变发射功率） 一、多址接入技术-时分多址 n 频分多址和空分多址结合，大大提高了系统容量，但 前面提到的问题仍然没有解决。 n 这就有了时分多址。 5-5-1313 在时分多址中，使用 相同频率的用户是通 过在不同的时间（时 隙）里工作来区分的。 GSM8个时隙 一、多址接入技术-空分

5、多址 n空分多址是通过不同的空间来区分用户，采用 的技术是智能天线。 5-5-1414 全向-定向（改变天线发射方向） 一、多址接入技术-码分多址 n 谈到码分多址，就要谈到美国高通（Qualcomm）公司 n 一流的公司做标准，二流的公司做品牌，三流的公司 做产品。 5-5-1515 在码分多址中，用户 是通过不同的扩频码 里来区分的。 一、多址接入技术-码分多址 n 正交：数学的概念就是完全不相关，两个信号的乘积 在某个区间的积分为零。（互相关性） n 为了有效区分用户。 5-5-1616 扩频码 什么是扩频？ 为什么用扩频？ 如何实现扩频？ 一、多址接入技术-码分多址 n 扩频后，占用的

6、带宽增加了，带宽上平均功率降低了。 n 理论基础：香农公式 5-5-1717 CDMA中的扩频 一、多址接入技术-码分多址 5-5-1818 CDMA的抗干扰特性 一、多址接入技术-码分多址 5-5-1919 是不是随便什么码都能当扩频码？ n扩频码用来区分用户的，显然两个用户使用的扩 频码差别越大越好，完全不相关更好，就是正交 更好。 一、多址接入技术-码分多址 5-5-2020 码分多址的特点 n软容量 n多址干扰是限制容量提升的主要因素 n远近效应 n可以采用Rake接收机抑制多径传播问题 思考题 n 两个相近的概念：复用与多址 n FDM、TDM、SDM n FDMA、TDMA、SDM

7、A n 有什么区别与联系呢？ 5-5-2121 5-5-2222 信号经过多径传播产生时延扩展信号经过多径传播产生时延扩展 二、多径信号分离与合并的概念 多径传播从分集的效果上来看相当于是？多径传播从分集的效果上来看相当于是？ (a) (b) (c) 0 tt 0 tta 0 ttb 1 t 111 tt 112 tt 2 t 221 tt 222 tt 223 tt 3 t 334 tt 图 215 时变多径信道响应示例 (a)N=3 (b)N=4 (c)N=5 在前一节讲述的内容中，直接在前一节讲述的内容中，直接 用均衡将多径消除，为什么不能利用均衡将多径消除，为什么不能利 用多径这种时间

8、分解的好处呢？用多径这种时间分解的好处呢？ 5-5-2323 时间分集的概念：时间分集的概念： 从时间上人为的产生多条路径从时间上人为的产生多条路径 时间间隔是已知的，接收端便于进行合并时间间隔是已知的，接收端便于进行合并 多径的时间分集效果与上述思想有什么不同呢？多径的时间分集效果与上述思想有什么不同呢？ 时间间隔随机性时间间隔随机性（不知道支路之间相差多少时间）（不知道支路之间相差多少时间） 支路数目动态性支路数目动态性（不知道需要合并多少支路）（不知道需要合并多少支路） 二、多径信号分离与合并的概念 多径具备隐含的时间分集多径具备隐含的时间分集 二、多径信号分离与合并的概念 n在一般的通

9、信系统中，认为多径会产长码间串 扰，通常采用均衡方式加以消除 n多径信号真的无法利用吗？ n如果可以利用，有什么条件吗？ 5-5-2424 二、多径信号分离与合并的概念 n关键点： 多径信号要可分离 一般通信系统-符号级串扰，不可分离 CDMA通信系统-码片级串扰 5-5-2525 符号级不可分离，符号级扩频到码符号级不可分离，符号级扩频到码 片级后可不可以分离了呢？条件是什么？片级后可不可以分离了呢？条件是什么？ 二、多径信号分离与合并的概念 n分离的基础： 扩频码要求具有尖锐的自相关特性 5-5-2626 R() Tc- Tc 保证保证多径时间对多径时间对 准后解扩准后解扩，具有有尖，具有

10、有尖 锐的峰值特性，便于锐的峰值特性，便于 多径信号的分离。多径信号的分离。 思考：思考：是不是不管多大的时延，都能分离呢？是不是不管多大的时延，都能分离呢？ 二、多径信号分离与合并的概念 n多径信号分离的条件： 如果要完成多径信号的分离，要 求各径之间的时延差要大于一个码片 宽度。 5-5-2727 思考：思考：各径的相关性？各径的相关性？ 三、多径信号分离与合并的原理 n分离的基础： 1、扩频码要求具有尖锐的自 相关特性。 2、各径之间的时延差要大于 一个码片宽度。 5-5-2828 R() Tc- Tc 2 0 ( ( )()2 1( )p E y ty tpR 3、分离的简单推导 设有

11、两多径信号，平均功率为P0=Ey(t)2 ，则合成 信号的总功率为： 所以，对于m序列有： 上式说明了什么？ 0 0 21 (1) 2 c c c pT T pT p 三、多径信号分离与合并的原理 可见：在CDMA系统中当两信号的多径时延相差 大于一个扩频码片宽度时，这两个信号是不相关的， 或者说是可分离的。 0 0 21 (1) 2 c c c pT T pT p 三、多径信号分离与合并的原理 三、多径信号分离与合并的原理 n4、扩频码的选择： 扩频码要有良好的自相关（抵抗多径干扰）和 互相关特性（抵抗用户间干扰） n几种常用的扩频码： 1）m序列：容易产生，规律性强。 2）Gold码序列：

12、基于m序列的，自相关不如m序列，互相关要 优于m序列。 3）Walsh码：互相关完全正交，自相关差，一般需要加扰码。 5-5-3131 三、多径信号分离与合并的原理 3 ） Walsh码 Walsh（沃尔什）函数可用Hadamard（哈达码） 矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh函数 序列族。 哈达码矩阵H是由“1”和“0”元素构成的正交 方阵。 在哈达码矩阵中，任意两行（列）都是正交的。 5-5-3232 三、多径信号分离与合并的原理 3 ） Walsh码 哈达码矩阵中的各行间都是正交的，即互相关函 数为零。 将M阶哈达码矩阵中的每一行定义为一个Walsh序 列时，可得到M个Wals

13、h序列。 5-5-3333 三、多径信号分离与合并的原理 3）Walsh码 5-5-3434 02 22 42 2 22 44 82 44 00 (0)() 01 0000 0101 () 0011 0110 MM M MM = 骣 = 桫 骣骣 鼢珑 鼢 =鬃 鬃 鬃=珑 鼢 珑 鼢 珑 桫桫 HH HH HH HH HHHH HH HHHH 三、多径信号分离与合并的原理 3）Walsh码 在IS-95 CDMA系统中，采用6464的Walsh序列 p 前向信道中实现码分，可提供多少的信道？ p 反向信道中，利用Walsh序列的良好互相关特 性用作编码调制，可传输几比特信息？ 5-5-353

14、5 5-5-3636 多径信号合并的方式与分集技术中介绍的合并方式一样多径信号合并的方式与分集技术中介绍的合并方式一样 三、多径信号分离与合并的原理 分集合并方式 增益合并开关式合并 最大比合并 等增益合并 纯选择（选择合并） 门限选择 切换和等待 切换和检验 5-5-3737 n典型结构典型结构 形状类似于形状类似于农用工具耙子农用工具耙子而得名：而得名：RAKERAKE 四、RAKE接收机 对每个路径使用一个相关接收机对每个路径使用一个相关接收机 加权相加 解调判决 四、RAKE接收机 1、基本原理：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 四、RAKE接收机 四、

15、RAKE接收机 2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分 集接收器 由于扩频码的自相关特性，当多径信号相互 间的时延超过一个码片周期时，那么它们将 被看作是互不相关的。 四、RAKE接收机 2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分 集接收器 在室外环境中，多径信号间的延迟通常较大， 如果码片速率选择得当，可以确保多径信号相 互间表现出较好的非相关特性。 IS-95系统中的码片速率为 1.2288Mchip/s ，是否合适？ 四、RAKE接收机 在RAKE接收机中，如果一个相关器的输出被扰 乱了，可以用其他支路作出补救，并且可以通 过改变被扰乱支路的权重来消除该路信号的负 面影响。 RA

16、KE接收是一种时间分集，并采用最大比合 并，将各多径信号进行有效合并。 四、RAKE接收机 3、IS-95系统中的RAKE接收 并行相关器 1 并行相关器 2 搜索相关器 并行相关器 3 合 并 MS：3个并行相关器+1个搜索相关器,可利用BS发送 的导频信号，相关接收最大比合并。 四、RAKE接收机 3、IS-95系统中的RAKE接收 并行相关器 1 并行相关器 2 搜索相关器 并行相关器 3 合 并 BS：4个并行相关器+1个搜索相关器，非相关接收最 大比合并。 四、RAKE接收机 3、IS-95系统中的RAKE接收 并行相关器 1 并行相关器 2 搜索相关器 并行相关器 3 合 并 搜索

17、相关器用于搜索最强的多径信号，得到多路多径 信号的相位、到达时刻和强度等参数。 5-5-4646 n4 4、RAKERAKE接收机区别与一般时间分集接收机区别与一般时间分集 1 1）延时不能由人为决定。）延时不能由人为决定。 2 2）分集的阶数也不确定）分集的阶数也不确定 3 3）需要估计多径的到达时刻，并确定由）需要估计多径的到达时刻，并确定由 哪几路多径完成合并。哪几路多径完成合并。 四、RAKE接收机 5-5-4747 5 5、均衡与、均衡与RAKERAKE接收的异同接收的异同 均衡是一种均衡是一种时间隐分集时间隐分集，它从多径中选取一条最，它从多径中选取一条最 佳路径的信号，并通过均衡

18、器抵消其它路径信号，佳路径的信号，并通过均衡器抵消其它路径信号， 采用选择式分集方法。采用选择式分集方法。 RAKERAKE接收则是一种接收则是一种时间显分集时间显分集，采用最大比率合，采用最大比率合 并，将各多径信号进行有效合并。并，将各多径信号进行有效合并。 四、RAKE接收机 5-5-4848 5 5、均衡与、均衡与RAKERAKE接收的异同接收的异同 均衡希望均衡希望多径数量少多径数量少，时延小；，时延小；RAKERAKE希望可分辨希望可分辨 的的多径数量多多径数量多。 均衡通过消除均衡通过消除ISIISI来提高来提高SINRSINR；RAKERAKE通过分离多通过分离多 径，合并来对

19、抗多径衰落。径，合并来对抗多径衰落。 四、RAKE接收机 五、发射分集与空时编码 1、采用发射分集的原因： n为了满足用户需求，必须使移动台尽量简单和便宜 ，这样只有增加基站的复杂度才比较合适。 n传统的空间分集是在接收端采用多根天线，然后进 行综合或者选择来获得更好的信号质量，但是移动 端采用接收天线分集技术较困难。 n能实现同一发射信号使多个移动台获得发射增益， 而其它技术的发射增益只是针对一个移动台。 5-5-4949 五、发射分集与空时编码 2、发射分集的原理： n通过多副天线（间距足够大使得信道互不 相关）发射同一信息序列，使每副天线上 的信号在到达接收端时经过独立的衰落， 人为造成

20、可区分的多径信号，从而使接收 方增强接收效果，改进下行链路的性能。 n通过空时编码实现 5-5-5050 五、发射分集与空时编码 3、空时编码的实质： n空间和时间二维信号处理的结合，即在空间上将一 个数据流在多个天线上发射，在时间上把信号在不 同的时隙内发射，从而建立了空间分离信号（空域 ）和时间分离信号（时域）之间的关系。 n基于发送分集的空时编码可以分为空时格码（Space Time Trellis Code，STTC）和空时块码（Space Time Block Code，STBC）。空时块码又称空时分组码。 5-5-5151 五、发射分集与空时编码 4、空时块码原理： n 将发送数据在时间域和空间域上进行正交设计，形成 一个数据编码块。以两发一收为例，假定发送的数据 分别为x1和x2 ，则空时块码块为 5-5-5252 * 12 * 21 xx xx G n 上式称为一个码字，它具有如下性质： 22 2212 122 22 12 + 0 (+) 0 + H xx xx xx G G