工学移动通信第四章抗衰落技术详细课件

移动通信

MobileCommunications华南农业大学胡洁1移动通信

MobileCommunications1衰落的定义：

在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落。衰落的分类按频率特性：平坦衰落和频率选择性衰落。按时间特性：快衰落和慢衰落。衰落的影响：接收电平降低，无法保证正常通信。接收信号畸变，产生严重的误码。传播延时变化，破坏与时延有关的同步。在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。第四章抗衰落技术2衰落的定义：第四章抗衰落技术2非频率选择性衰落的对抗技术非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低。统计特性：平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以下的概率。抗衰落的原理：衰落储备法。衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增益、减少通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。

第四章抗衰落技术3非频率选择性衰落的对抗技术非频率选择性衰落主要体现为接收电平频率选择性衰落的对抗技术频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的。多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，使有效的Eb/No恶化。对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影响。对抗频率选择性衰落的主要方法： －分集技术； －瑞克技术； －均衡技术； －纠错技术。第四章抗衰落技术4频率选择性衰落的对抗技术第四章抗衰落技术4分集的基础：－－各独立的信号传播路径同时经历深度衰落的概率很低。4.1分集接收5分集的基础：4.1分集接收5原理：－－接收多路不相关的信号并进行合并。目标：－－对抗多径造成的衰落和延时串扰技术：－－如何获得独立多径信号－－如何合并获得独立多径信号本质：－－对同一信号在不同空间/频率/极化/时间的过取样4.1分集接收6原理：4.1分集接收6分集的两重含义一是分散传输，是接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，接收机将收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。分集方式

宏分集：“多基站分集”，把多个基站设置在不同的位置和不同的方向上，用来减小慢衰落。

微分集：减小快衰落，空间/频率/极化/角度/时间分集4.1分集接收7分集的两重含义4.1分集接收7设基站A接收到的信号中值为mA,基站B接收到的信号中值为mB,它们都服从对数正态分布。若mA>mB,则确定用基站A与移动台通信；若mA<mB,则确定用基站B与移动台通信。如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。基站数视需要而定4.1分集接收8设基站A接收到的信号中值为mA,基站B接收到的信号中值为m采用什么途径接收分集信号？空间分集：用2个以上的天线接收同一个信号频率分集：用2个以上的载波频率传输，两个载波的间隔大于信道的相干带宽。极化分集：发送接收垂直和水平极化信号角度分集：使电波通过几个不同路径，不同角度到达接收端时间分集：在不同时间重发同一个信号，大于信道的相干时间4.1分集接收9采用什么途径接收分集信号？4.1分集接收9空间分集（天线分集）－－是无线通信中使用最多的分集形式。－－发端采用一副发射天线，而接收端采用多副接收天线。－－接收端天线之间的间隔d应足够大，以保证各接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。－－在理想情况下，接收天线之间相隔距离：市区d为1/2波长，郊区d为0.8倍波长

4.1分集接收10空间分集（天线分集）4.1分集接收104.1分集接收114.1分集接收11频率分集将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那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。优点是与空间分集相比，减少了天线的数目。缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。4.1分集接收12频率分集4.1分集接收12频率分集--两个频率成分具有相互独立的衰落特性条件－－f2-f1>>Bcf1f24.1分集接收13f1f24.1分集接收13极化分集水平极化和垂直极化的信号相互正交。在发端和收端都装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到衰落特性不相关的信号。优点是结构比较紧凑，节省空间。缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3dB的损失。4.1分集接收14极化分集4.1分集接收14智能天线---空间角度分集利用天线阵的波束赋性产生多个独立的波束并自适应的调整波束方向来跟踪每一个用户形成方向图在不同的方向上给予不同的增益,可以提高接收信号的信噪比,从而提高系统的容量可以将频率相近但空间可分离的信号分离开分集技术15智能天线---空间角度分集分集技术15智能天线提高SINR改善通信质量增加系统容量提高用户数量提高频谱利用率扩大通信覆盖区域降低基站发射功率自动跟踪用户信号位置定位减小用户发射功率提高电池寿命4.1分集接收16智能天线4.1分集接收16时间分集对信号振幅进行顺序取样，在时间上间隔足够远的两个样点是互不相关的。将信号相隔一定的时间间隔重复传输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。当移动台处于静止状态时，时间分集基本是没有用处的。4.1分集接收17时间分集4.1分集接收17时间分集时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。

t1t24.1分集接收--接收信号相互独立的条件:18时间分集t1t24.1分集接收--接收信号相互独立的条件Rake接收---时间分集对时间上扩散的多径信号进行分集，尽可能多的获取信号能量。根据信道估计的结果来进行多径信号合并。对于CDMA系统，当多径延时大于一个码片时，多径信号可以看成是不相关的。4.1分集接收19Rake接收---时间分集4.1分集接收19相关1相关2相关MRAKE接收机框图＋积分判决a1a2aMCDMA多径信号判决输出4.1分集接收20相关1相关2相关MRAKE接收机框图＋积分a1a2aMRAKE接收机工作过程假设接收信号中可以分离出M个不同延时的多径分量相关器1和支路1同步，相关器2和支路2同步对各个相关器的输出进行加权，然后相加进行判决再生，恢复出数字信息加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准则、最大信噪比准则等。4.1分集接收21RAKE接收机工作过程4.1分集接收21从分集信号中以什么方式作为输出？选择式合并：选择最好的支路作为输出，其它支路丢弃。等增益合并：调整各个支路的相位，使之同相，然后进行等增益相加。最大比合并：调整各个支路的相位，使之同相，然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加。4.1分集接收22从分集信号中以什么方式作为输出？4.1分集接收22合并性能：最大比>等增益>选择式合并4.1分集接收23合并性能：最大比>等增益>选择式合并4.1分集接收23分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,….ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。式中G为k×n的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)×n矩阵H满足4.3纠错编码技术24分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息分组码的基本描述H称作校验矩阵，它也满足任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。理论分析表明：①（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是或4.3纠错编码技术25分组码的基本描述H称作校验矩阵，它也满足任意两个码字之间汉分组码的基本描述②（n,k）线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是③（n,k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l>t）个错误的充分必要条件是译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码字为C,接收到的码字R=C+e,其中e为错误图样，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e为全零矢量。4.3纠错编码技术26分组码的基本描述②（n,k）线性分组码能发现接收码字中l分组码的基本描述定义接收码字R的伴随式（或校验子）为如果S=0,则R是一个码字；若S可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字无关；(n,k)线性码对接收码字的译码步骤如下：①

计算伴随式ST=HRT;②根据伴随式捡出错误图样e；③计算发送码字的估值0,则传输一定有错。由于4.3纠错编码技术27分组码的基本描述定义接收码字R的伴随式（或校验子）为如果S=分组码的例子1.汉明码

汉明码是最早(1950)出现的纠一个错误的线性码。其主要参数如下：码长n=2m-1;信息位数：k=2m-m-1=m-1;监督位数：n-k=m最小距离：dmin=3;4.3纠错编码技术28分组码的例子1.汉明码其主要参数如下：监督位数：n-k=m分组码的例子2.循环码

（n,k）线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码的码字循环码的编码步骤为：

①计算xn-km(x)；

②计算xn-km(x)/g(x)

得余式r(x)；

③得到码字多项式C(x)=xn-km(x)+r(x)；

循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循环码称作循环冗余校验码CRC(CyclicRedundancyCheck)。4.3纠错编码技术29分组码的例子2.循环码4.3纠错编码技术29分组码在移动通信中的应用1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和反向链路在信道中消息是以帧的形式来传送的。例如，图4.17是全速率（9600bit/s）前向业务信道的帧结构。这是一个（n,k）=(172+12,172)=(184,172)分组码。其生成多项式为：30分组码在移动通信中的应用1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中分组码在移动通信中的应用

2.

在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC码。例如话音编码采用规则脉冲激励－长期预测编码(RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260bit,即速率为13kbit/s。31分组码在移动通信中的应用2.在GSM系统中话音信息、控

卷积码编码器

卷积码编码器的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）。编码率r=k/n。图4.19是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2,m=3,所以是(2,1,3)编码。4.3纠错编码技术32卷积码编码器卷积码编码器的输出分支码字的每个码元不仅

卷积码编码器编码器只有一个输入序列a，它经过两条不同的路径到达输出端，对应两个长度K=4的响应序列,即对任意的输入序列a,对应两个输出的序列分别是a与g(1)、g(2)的离散卷积：4.3纠错编码技术33卷积码编码器编码器只有一个输入序列a，它经过两条不同的路径

卷积码编码器还可以用生成多项式来进行表述，它定义为沖激响应的单位时延变换。对应第i条路径的生成多项式定义为例如对图4.19编码器有相应的第i条路径输出序列多项式则等于4.3纠错编码技术34卷积码编码器还可以用生成多项式来进行表述，它定义为沖激响应卷积码在蜂窝移动通信系统的应用卷积码在GSM系统中得到广泛的应用。例如在全速率业务信道和控制信道就采用了（2,1,4）卷积编码。卷积码在CDMA/IS-95系统也得到广泛应用。例如在前向和反向信道，系统都使用了约束长度K=9的编码器。35卷积码在蜂窝移动通信系统的应用卷积码在GSM系统中得到广泛的码间干扰在数字传输系统中，一个无码间干扰的理想传输系统，在没有噪声干扰的情况下其冲激响应h(t)应当具有如图4.30的波形。由于实际信道传输特性并非理想，响应的波形失真是不可避免的，如图4.31的hd(t)，信号的抽样冲激在多个抽样时刻不为零。这就造成了码间干扰。因此采用信道均衡技术克服这种影响。4.3均衡技术36码间干扰在数字传输系统中，一个无码间干扰的理想传输系统，在没横向滤波器在信道特性给定的情况下，对均衡器传输函数的要求是其中H(z)是信道的传输函数。最基本的均衡器结构就是横向滤波器。它的结构如图4.33所示。对给定的输入X(z)，适当的设计均衡器的系数，就可以对输入序列均衡。4.3均衡技术37横向滤波器在信道特性给定的情况下，对均衡器传输函数的要求是评价均衡器性能的准则设均衡前后的抽样值序列分别为{xn}和{yn}。1.峰值畸变准则2．均方畸变准则对支路数为有限值2N+1的横向均衡器，式中yn

为

调整均衡器系数ck使D，e2有最小值，同时使y0＝1。4.3均衡技术38评价均衡器性能的准则设均衡前后的抽样值序列分别为{xn}和{DiversityTechnique39DiversityTechnique39DiversityTechnique40DiversityTechnique40DiversityTechnique41DiversityTechnique41DiversityTechnique42DiversityTechnique42DiversityTechnique43DiversityTechnique43移动通信

MobileCommunications华南农业大学胡洁44移动通信

MobileCommunications1衰落的定义：

在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落。衰落的分类按频率特性：平坦衰落和频率选择性衰落。按时间特性：快衰落和慢衰落。衰落的影响：接收电平降低，无法保证正常通信。接收信号畸变，产生严重的误码。传播延时变化，破坏与时延有关的同步。在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。第四章抗衰落技术45衰落的定义：第四章抗衰落技术2非频率选择性衰落的对抗技术非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低。统计特性：平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以下的概率。抗衰落的原理：衰落储备法。衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增益、减少通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。

第四章抗衰落技术46非频率选择性衰落的对抗技术非频率选择性衰落主要体现为接收电平频率选择性衰落的对抗技术频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的。多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，使有效的Eb/No恶化。对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影响。对抗频率选择性衰落的主要方法： －分集技术； －瑞克技术； －均衡技术； －纠错技术。第四章抗衰落技术47频率选择性衰落的对抗技术第四章抗衰落技术4分集的基础：－－各独立的信号传播路径同时经历深度衰落的概率很低。4.1分集接收48分集的基础：4.1分集接收5原理：－－接收多路不相关的信号并进行合并。目标：－－对抗多径造成的衰落和延时串扰技术：－－如何获得独立多径信号－－如何合并获得独立多径信号本质：－－对同一信号在不同空间/频率/极化/时间的过取样4.1分集接收49原理：4.1分集接收6分集的两重含义一是分散传输，是接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，接收机将收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。分集方式

宏分集：“多基站分集”，把多个基站设置在不同的位置和不同的方向上，用来减小慢衰落。

微分集：减小快衰落，空间/频率/极化/角度/时间分集4.1分集接收50分集的两重含义4.1分集接收7设基站A接收到的信号中值为mA,基站B接收到的信号中值为mB,它们都服从对数正态分布。若mA>mB,则确定用基站A与移动台通信；若mA<mB,则确定用基站B与移动台通信。如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。基站数视需要而定4.1分集接收51设基站A接收到的信号中值为mA,基站B接收到的信号中值为m采用什么途径接收分集信号？空间分集：用2个以上的天线接收同一个信号频率分集：用2个以上的载波频率传输，两个载波的间隔大于信道的相干带宽。极化分集：发送接收垂直和水平极化信号角度分集：使电波通过几个不同路径，不同角度到达接收端时间分集：在不同时间重发同一个信号，大于信道的相干时间4.1分集接收52采用什么途径接收分集信号？4.1分集接收9空间分集（天线分集）－－是无线通信中使用最多的分集形式。－－发端采用一副发射天线，而接收端采用多副接收天线。－－接收端天线之间的间隔d应足够大，以保证各接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。－－在理想情况下，接收天线之间相隔距离：市区d为1/2波长，郊区d为0.8倍波长

4.1分集接收53空间分集（天线分集）4.1分集接收104.1分集接收544.1分集接收11频率分集将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那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。优点是与空间分集相比，减少了天线的数目。缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。4.1分集接收55频率分集4.1分集接收12频率分集--两个频率成分具有相互独立的衰落特性条件－－f2-f1>>Bcf1f24.1分集接收56f1f24.1分集接收13极化分集水平极化和垂直极化的信号相互正交。在发端和收端都装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到衰落特性不相关的信号。优点是结构比较紧凑，节省空间。缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3dB的损失。4.1分集接收57极化分集4.1分集接收14智能天线---空间角度分集利用天线阵的波束赋性产生多个独立的波束并自适应的调整波束方向来跟踪每一个用户形成方向图在不同的方向上给予不同的增益,可以提高接收信号的信噪比,从而提高系统的容量可以将频率相近但空间可分离的信号分离开分集技术58智能天线---空间角度分集分集技术15智能天线提高SINR改善通信质量增加系统容量提高用户数量提高频谱利用率扩大通信覆盖区域降低基站发射功率自动跟踪用户信号位置定位减小用户发射功率提高电池寿命4.1分集接收59智能天线4.1分集接收16时间分集对信号振幅进行顺序取样，在时间上间隔足够远的两个样点是互不相关的。将信号相隔一定的时间间隔重复传输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。当移动台处于静止状态时，时间分集基本是没有用处的。4.1分集接收60时间分集4.1分集接收17时间分集时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。

t1t24.1分集接收--接收信号相互独立的条件:61时间分集t1t24.1分集接收--接收信号相互独立的条件Rake接收---时间分集对时间上扩散的多径信号进行分集，尽可能多的获取信号能量。根据信道估计的结果来进行多径信号合并。对于CDMA系统，当多径延时大于一个码片时，多径信号可以看成是不相关的。4.1分集接收62Rake接收---时间分集4.1分集接收19相关1相关2相关MRAKE接收机框图＋积分判决a1a2aMCDMA多径信号判决输出4.1分集接收63相关1相关2相关MRAKE接收机框图＋积分a1a2aMRAKE接收机工作过程假设接收信号中可以分离出M个不同延时的多径分量相关器1和支路1同步，相关器2和支路2同步对各个相关器的输出进行加权，然后相加进行判决再生，恢复出数字信息加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准则、最大信噪比准则等。4.1分集接收64RAKE接收机工作过程4.1分集接收21从分集信号中以什么方式作为输出？选择式合并：选择最好的支路作为输出，其它支路丢弃。等增益合并：调整各个支路的相位，使之同相，然后进行等增益相加。最大比合并：调整各个支路的相位，使之同相，然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加。4.1分集接收65从分集信号中以什么方式作为输出？4.1分集接收22合并性能：最大比>等增益>选择式合并4.1分集接收66合并性能：最大比>等增益>选择式合并4.1分集接收23分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,….ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。式中G为k×n的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)×n矩阵H满足4.3纠错编码技术67分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息分组码的基本描述H称作校验矩阵，它也满足任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。理论分析表明：①（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是或4.3纠错编码技术68分组码的基本描述H称作校验矩阵，它也满足任意两个码字之间汉分组码的基本描述②（n,k）线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是③（n,k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l>t）个错误的充分必要条件是译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码字为C,接收到的码字R=C+e,其中e为错误图样，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e为全零矢量。4.3纠错编码技术69分组码的基本描述②（n,k）线性分组码能发现接收码字中l分组码的基本描述定义接收码字R的伴随式（或校验子）为如果S=0,则R是一个码字；若S可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字无关；(n,k)线性码对接收码字的译码步骤如下：①

计算伴随式ST=HRT;②根据伴随式捡出错误图样e；③计算发送码字的估值0,则传输一定有错。由于4.3纠错编码技术70分组码的基本描述定义接收码字R的伴随式（或校验子）为如果S=分组码的例子1.汉明码

汉明码是最早(1950)出现的纠一个错误的线性码。其主要参数如下：码长n=2m-1;信息位数：k=2m-m-1=m-1;监督位数：n-k=m最小距离：dmin=3;4.3纠错编码技术71分组码的例子1.汉明码其主要参数如下：监督位数：n-k=m分组码的例子2.循环码

（n,k）线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码的码字循环码的编码步骤为：

①计算xn-km(x)；

②计算xn-km(x)/g(x)

得余式r(x)；

③得到码字多项式C(x)=xn-km(x)+r(x)；

循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循环码称作循环冗余校验码CRC(CyclicRedundancyCheck)。4.3纠错编码技术72分组码的例子2.循环码4.3纠错编码技术29分组码在移动通信中的应用1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和反向链路在信道中消息是以帧的形式来传送的。例如，图4.17是全速率（9600bit/s）前向业务信道的帧结构。这是一个（n,k）=(172+12,172)=(184,172)分组码。其生成多项式为：73分组码在移动通信中的应用1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中分组码在移动通信中的应用

2.

在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC码。例如话音编码采用规则脉冲激励－长期预测编码(RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260bit,即速率为13kbit/s。74分组码在移动通信中的应用2.在GSM系统中话音信息、控

卷积码编码器

卷积码编码器的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）。编码率r=k/n。图4.19是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2,m=3,所以