chapter4_Anti_fading_techniques

1、1抗信道衰落技术抗信道衰落技术2抗衰落技术抗衰落技术 一般来说，为解决移通信系统的设计问题，必须一般来说，为解决移通信系统的设计问题，必须搞清三个问题搞清三个问题：(1)无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因;(2)对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响；(3)有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。3抗衰落技术抗衰落技术l为了提高移动通信系统的性能，采用以下技术在用来改进接收质量：l分集接收分集接收l用来补偿衰落信道损耗用来补偿衰落信道损耗l信道均衡信道均衡l补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（

2、ISI）。）。l信道编码信道编码l通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。l交织编码交织编码l智能天线智能天线l空时编码空时编码l混合自动请求重传混合自动请求重传ll这些技术，既可单独使用，也可组合使用。4分集接收技术l研究如何利用多径信号来改善系统的性能，是抗衰落、提高通信质量的一种有效措施。l利用多条传输相同信息,且具有近似相等的平均信号场强和相互独立衰落特性的信号路径, 在接收端对这些信号进行适当的合并,以便大大降低多径衰落的影响,从而改善传输的可靠性.5分集接收技术l分集按目的分可以为:l宏（macroscopic）分集l

3、“多基站”分集, 以克服长期衰落为目的。l微（microscopic）分集l减小短期衰落影响.n空间分集n频率分集n时间分集n 场分量分集n 角度分集n 极化分集分集接收技术-宏分集把多个基站设置在不同的地理位置上和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站进行通信）。7分集接收技术l按信号的传输方式可以分为:l显分集l构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集。l隐分集l分集作用含在传输信号中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术，跳频技术等。l隐分集一般用在数字移动通信中。8分集接收技术l分集有两重含义:l分散传输:

4、 使接收端能获得多个统计独立,携带同一信息的衰落信号.l集中处理: 接收端对收到的多个衰落特性互相互相独立独立（携带同一信息）的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏，降低衰落的影响，提高灵敏度的办法。9分集接收技术多个衰落特性互相独立互相独立10分集接收技术-空间分集l依据 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信号,只要两个位置的距离d大到一定程度,则两处所收信号的衰落是不相关的.l理论上, 足以保证各接收信号是不相关的.l实际中,视地形地物而定,一般 市区: 郊区:l例如900MHz频段,d=0.27m0.8d0.5d2d11分集接收技术-空间分集多传输天线12分集接收技术-

5、空间分集多接收天线13分集接收技术-空间分集多传输天线、多接收天线14分集接收技术-频率分集l将要传输的信息分别以不同的载频发射出去,只要载频之间的间隔足够大(大于相干带宽),则接收端就可以得到衰落特性不相关的信号. 载频间隔Bc l如市区 l优点: 减少天线数目l缺点:占用更多的频谱资源3 s53cBKHz12cB15分集接收技术-时间分集l对于一个随机衰落信号,若对其振幅进行顺序抽样,则在时间上间隔足够远(大于相干时间)的两个样点是互不相关的.l所以, 将给定的信号在时间上相隔一定时间间隔重发传输M次,只要时间间隔大于相干时间,就可以得到M条独立的分集支路.l要求重发时间间隔满足: fm:

6、衰落速率l对于移动台处于静止状态时,时间分集得益丧失.1122( / )mTfv16分集接收技术-极化分集l在移动环境下,两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性.l因此在收、发两端分别装上垂直极化和水平极化天线，就可以得到两路衰落特性不相关的信号。l是空间分集的特殊情况l优点： 结构紧凑，节省空间l发射功率要分配到两副天线上，发射信号功率将损失3dB 17分集接收技术-角度分集l使电波通过几个不同路径，以不同角度到达接收端，接收端利用方向性天线分别指向不同的信号到达方向，每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。l较高频率时容易实现。 18分集接收技术-场向量分集l

7、接收端通过接收三个互不相关的场向量（Ez,Hx,Hy）,可获得分集增益。l适用于较低工作频段（低于100MHz）。l工作频率较高时（800-900MHz),空间分集在结构上较易实现。 19分集接收技术-合并方式l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。l根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为:l检测前合并技术l检测后合并技术 20分集接收技术-合并方式线形合并器：把M个独立衰落信号相加后合并输出。1 12 21( )( )( ) .( )( )Mm mk kkr tar ta r ta r ta r t选择不同的加权系数ak，就构成不同的合并方式。 选择合

8、并 最大比合并 等增益合并21分集接收技术-合并方式选择式合并22分集接收技术-合并方式接收机1接收机212等增益合并1Mkkr信号包络23分集接收技术-合并方式111( )r taN21MkkkrN最大比值合并最佳合并方式( )MMMrtaN22max112MMiiiiirN输出信号SNR最大可等于各路支路SNR之和信号包络24分集接收技术-合并方式开关式合并开关式合并l与选择合并非常相似，但是它不是总采用M个支路中信号最好的支路，而是以一个固定顺序扫描 M 个支路，直到发现某一支路的信号超过了预置的阈值，然后这路信号将被选中并送至接收机。一旦这路信号降低至阈值之下，那么扫描过程将重新开始。

9、 25分集接收技术-合并方式l检测前二重开关式合并框图: 26分集接收技术-合并方式l该分集方式也称为扫描式分集（Scanning Diversity）或者反馈分集，该方式的优点是仅使用一套接收设备，非常易于实现。与其他方法相比较，它的抗衰落统计特性稍差一些。l在监视接收信号的瞬时包络，当支路1的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关置到支路2上。若此时支路2的瞬时包络也低于预定门限时，有两种处理方法：l第一种：天线开关在支路1和支路2之间循环切换，直到一个支路的包络大于预先设定的门限；l第二种：天线开关停留在支路2上，直到支路2大于预定门限后，再次低于预定门限时，天线开关再转到支路1上。27分集

10、接收技术-合并方式l上述第二种方法避免了在两个支路都低于预定门限时，频繁的开关倒换。它是实际中通常采用的方法。此时二重开关式合并后输出信号的包络如图。28分集接收技术l带反馈的空间分集l与切换接收天线相类似，可以通过切换发射天线的方法来获得合并增益，这种方法称为带反馈的空间分集。 29分集接收技术-分集合并性能比较l平均信噪比的改善l指分集接收机合并器输出的平均信噪比 较 无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数.平均信噪比改善（dB）分集重数M最大比值合并等增益合并选择式合并30分集接收技术-分集合并性能比较l选择性合并：l设备简单，l当分集重数3,信噪比改善缓慢l最大值合并:l设备较复杂l改善

11、信噪比最多l等增益合并l在分集数M较小时，信噪比改善接近最大比合并l电路实现比最大比合并简单31信道编码技术l在移动信道上,误码有两种类型:l随机性误码:l单个码元错误,并且随机发生,主要由噪声引起;l突发性误码:l连续数个码元发生错误,主要由于衰落或阴影造成因此,信道误码应有克服这两类误码的能力.信道编码主要是为了纠错,也叫前向纠错(FEC: Forward error correcting)32信道编码技术_线性分组码l线性分组码l在一个码字中,监督元只由本组的信息码元来决定. (n,k)码: 1 2 312kkknc c cc ccc信息码元 监督码元 编码效率: k/n33信道编码技术

12、_线性分组码l循环码: l任一码字每一次向左(或向右)循环移位,就可以得到另一码字. lBCH码l能纠正多个随机差错的特殊循环码l码长为 n=2m-1 (m为正整数)lR-S码l一种多进制的BCH码l从二进制码元来看,有纠正突发错误的能力34信道编码技术_卷积编码技术 l卷积编码技术 l任一组的监督码元不仅与本组信息码元有关,而且还和前面若干组的信息码元有关l是一种特殊的分组码l纠错能力较强, 能纠随机和突发错误.Yk码率为1/2约束长度k=4生成多项式: g1=37,g2=2135信道编码技术_卷积编码技术 l例:100+u1u21u1 u2 1 1010+u1u20u1 u2 1 0101

13、+u1u21u1 u2 0 0010+u1u20u1 u2 1 0001+u1u20u1 u2 1 110100 11 10 00 10 1136信道编码技术_ Turbo编码技术 lTurbo编码技术 l无论是从信息论还是从编码理论看,要想提高编码的性能,就必须加大编码中具有约束关系的序列长度.l但是直接提高分组码编码长度或卷积码约束长度都使系统的复杂性急剧上升.lForney提出了级联码的概念l以多个短码来构造长码,既能减小译码复杂性,又能得到等效长码的性能l级联码研究的一个成果:Turbo码37信道编码技术_Turbo编码技术 l1993年C.Berrou等人提出l基本思想 l由两个或更

14、多的递归系统卷积编码器（RSC）并行组成，在两个RSC之间加入交织器两个递归系统卷积码子编码器的输出由于交织而不具有相关性，从而可以互相利用对方提供的先验信息（extrinsic information）.38信道编码技术_Turbo编码技术 One RSC encoder with memory M=4 obtained from an NSC encoder defined by generators G1=37,G2=2139信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo encoder example(1)D a ta dkR S C c o d e C1R S C c o d e C

15、2N o n u n ifo rmin te rle a v in gdnXkY1 kY2 kre d u n d a n c y码率为1/3的Turbo码编码器40信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo encoder example(2)母码率为1/3的Turbo码编码器41信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo encoder example42信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo decoderTurbo译码利用两个子译码器之间信息的往复迭代递归调用，来加强后验概率对数似然比LLR，提高判决可靠性。43信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo decod

16、erTurbo译码利用两个子译码器之间信息的往复迭代递归调用，来加强后验概率对数似然比LLR，提高判决可靠性。44信道编码技术_Turbo编码技术 lTurbo 码性能45交织编码技术 Interleavingl把一个较长的突发差错离散成随机差错,再用纠正随机差错的编码(FEC)技术消除随机差错.l交织编码过程是将FEC码子序列按行写入而按列读出.l交织深度越大,离散度越大,抗突发差错能力越强.Information to be transmittedSource codingChannel codingModulationTransmitterChannelInformation recei

17、vedSource decodingChannel decodingDemodulationReceiverChannelcodingChannel decodingInterleavingDe-Interleaving47交织编码技术l以分组码(7,3)为例:1112131415161721222324252627313233343536371234567MMMMMMMaaaaaaabbbbbbbcccccccmmmmmmm写入读出行数123M交织编码输出序列为:11 121317 21 22 2327 31 32 3337a a aa b b bb c c cc交织编码矩阵:48交织编码技

18、术11 21 311 1222 32213 23 333MMMa b cma b cma b cm交织编码输出序列为:传输中出现突发错误则经解交织后,每一FEC码子中只发生2位差错.当纠错能力 时,即可消除差错.2t11 121317 21 22 2327 31 32 3337a a aa b b bb c c cc49Interleaving (Example)0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0,Transmitting Data0, 1, 0, 0 0, 1, 0, 0 0, 1, 0, 0 1, 0, 0, 0ReadWriteDe-Interleaving0

19、, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, Output DataBurst errorDiscrete error50交织编码技术若FEC纠错能力为t时,交织编码可纠正一次突发差错的长度为:tML 即可纠正t次突发差错长度为M位的差错.交织深度M越大,交织编码处理时间也越长,即是以时间为代价的.交织编码属于时间隐分集.51信道均衡技术l所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。l用于解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号的宽度。l由于信道

20、是时变的,要求均衡的特性能自动适应信道的变化而均衡.Equalization(均衡均衡) Effect of Multipath Propagation: Multiple copies of a signal may arrive at different phases: If phases add destructively, the signals may cancel out due to phase differences.Intersymbol interference (ISI, 码间干扰): One or more delayed copies of a pulse may a

21、rrive at the receiving antennas. Without proper recover, those delayed pulses act as noise, giving rise to the ISI.InterSymbol Interferenceq Inter-Symbol-Interference Cancellation: Equalization Technologies The general idea of equalization is to predict the ISI that will be encountered by a transmis

22、sion and accordingly modify the signal to be transmitted so that the signal reaching the receiver will represent the information the transmitter wants to send. 均衡器是传输信道的逆滤波器； 由于无线传输信道的时变性，均衡器必须是参数可变的自适应均衡器； 均衡器的效果是补偿信道的频率选择性，使衰落趋于平坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。 Linear and nonlinear equalization.线性均衡适用于衰落深度不是很

23、大的情况， 通常不适用于无线衰落信道.Channel with ISIChannel with ideal zero-forcing equalization tnthtstrc, thc tr ts tn ,1*1*1*thtntntththtntsthtrtrcccc, thc tr ts,1thc tn tr*, thc ts,1thc tn* tr* ts*54Automatic Repeat Request (ARQ)DemodulationData bitsData bitsCRCBufferModulationBufferErrorcheckARQ control gainnoi

24、seFeedbackChannelACK/NACK55Stop-And-Wait ARQ (SAW ARQ)Transmitting Data1323TimeReceived Data1 23TimeACKACKNAKOutput Data123TimeErrorRetransmissionACK: AcknowledgeNAK: Negative ACK56N信道SW ARQN子通道各子信道分别采用SW ARQN组缓存器N组缓存器自适应N子通道复用器N子通道解复用器(解码检测存储)码块数据EVEN DATAEVEN CONTROLEVEN DATAEVEN CONTROLEVEN DATAE

25、VEN CONTROLODD DATAODD CONTROLODD DATAODD CONTROLODD DATAODD CONTROLEVEN DATAEVEN CONTROLEVENACKODDACKEVENACKODDACKEVENACKODDACKODDACKDownlink ControlDownlink DataUplink Acknowledgement采用多通道停等协议后,可以利用单信道停等ARQ所存在的占空时间，信道利用率能大大提高，且较易实现。57Go-Back-N ARQ (GBN ARQ)Transmitting Data1TimeReceived DataNAKOut

26、put DataTimeErrorGo-back 32 3 4 5 3 4 4 5 6 7 51Time2 3 4 4 5ErrorNAKGo-back 51 23 4 4558Selective-Repeat ARQ (SR ARQ)Transmitting Data1TimeReceived DataNAKErrorRetransmission2 3 4 5 3 6 7 8 9 71Time2 4 3 6 8 7ErrorNAKRetransmission59Buffer1Time24 3 68 759Output Data1Time24 368 75959HARQ(Hybrid ARQ)

27、 混合ARQlChannel coding + Automatic Repeat reQuestlAdds redundancy only when needed lReceiver saves failed transmission attempts to help future decodinglEvery transmission helps increases the packet success probability60lCode Combining (Chase, 1985) 码合并lType I HARQ with soft combininglIncremental Redu

28、ndancy 递增冗余lType II HARQlType III HARQHybrid ARQ schemes61System ModelInformationsourceErrorcorrectionencodingErrordetectionencodingchannelErrorcorrectionandErrordetectionverificationInformationsinkACK/NACK signallingI(x)J(x)P(x)noisebufferbufferCombiningP(x)J(x)I(x)62ExamplelType I HARQ Coding rate

29、: 1/3 (Turbo coding) Puncturing patterns: Chase combining111111PRSC1RSC2交织穿孔63lType II HARQlType III HARQ 1010111P0101002P1000103P11 11 00 1P21 10 11 0PExample64l自适应调制编码技术使系统能根据信道变化情况，动态选择传输信号的调制和编码方式，可以进行快速数据速率选择，给系统带来很大的灵活性。但对信道估计误差和延时敏感，因此当接收数据错误时仍需进行自动重传请求（ARQ）。l在自适应技术中，通过自适应调制编码进行数据速率的粗选择和混合自动请求重传基于瞬时信道条件的数据速率的调整，可使链路自适应性能得到更好的体现。 自适应调制编码与HARQ结合技术数据分组 数据分组信道估计ARQ 重传控制AMC参数控制衰落噪声信道反馈信道信道预测缓存/合并自适应解调信道译码CRC效验缓存自适应调制信道编码CRC编码AMC/HARQ 系统模型系统模型 66智 能 天 线l通过设计天线的辐射特性