《移动通信概论》课件-移动通信课件-第5章

第五章抗衰落技术内容提要5.1抗衰落技术的基本原理5.2分集技术5.3

自适应均衡技术5.4RAKE接收机5.5空时编码技术

1-15.1抗衰落技术的基本原理移动通信系统利用信号处理技术可以改善无线电传播环境中的链路性能。采用分集技术和均衡技术就是用来克服衰落

、改进接收信号质量的。分集接收是指接收端信息的恢复是在多重接收的基础上，利用接收到的多个信号的适当组合来减少接收时窄带平坦衰落深度和持续时间，从而达到提高通信质量和可通率的目的。均衡是信道的逆滤波，用于消除由多径效应引起的码间干扰即符号间干扰。分集技术和均衡技术都被用于改进无线链路的性能，提高系统数据传输的可靠性5.2分集技术5.2.

1分集的基本概念和分类分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的多径信号来实现的

。好处：接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高，并且通常

可以提高20~30dB。必要条件：在接收端能够接收到承载同一信息内容且在统计上相互独立的若干

不同的样值信号，这若干个不同样值信号可以通过不同的方式获得，如空间

、频率

、时间

等

。5.2分集技术分类：从“分”的角度划分，若按照接收信号样值的结构与统计特性，可分为空间分集

、频率分集

、时间分集

、极化分集。从“分”位置划分，可分为发射分集、接收分集、收发联合分集

。从“集”的角度划分，即按集合、合并方式，可分为选择合并、等增益合并、最大比合并。从“集”的位置划分，可分为射频合并、中频合并、基带合并

。从分集的区域划分，又可以分为宏观分集和微观分集。5.2分集技术

5.2分集技术2.

时间分集时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。现在时间分集技术已经被大量地用于扩频CDMA的RAKE接收机中，以处理多径信号。3.

频率分集频率分集是指用若干个载波同时传送同一信号，各路载波之间的频率间隔要大于或等于相干带宽。在接收端对不同频率的信号进行合成。频率分集在相干(关)信道带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。5.2分集技术4.

极化分集当天线架设的场地受到限制，空间分集不易保证空间衰落独立时，可以采用极化分集替代或改进。5.角度分集在接收端使用方向性天线，使它们指向不同的波的方向6.场分量分集由电磁场理论可知，当电磁波传输时，电场E总是伴随着磁场H，且和磁场H携带相同的信息。若把衰落情况不同的E和H的能量加以利用，得到的就是场分量分集5.2分集技术5.2.

3

合并方式1.选择合并选择合并就是将天线接收的多路信号加以比较之后选取最高信噪比的分支。5.2分集技术2.最大比合并最大比合并是最佳的分集合并方式，因为它能得到最大的输出信噪比。5.2分集技术3.等增益合并等增益合并是指将各支路信号同相后等增益相加作为

合并后的信号，它与MRC类似，只是加权系数设置为1。以上这三种合并方式按照不同的合并原则，在分集接收的性能上有

一

定的差异

。分集

接收性能可以用分集增益

、中断率和误码率等指标描述

。分析对比这三种合并方式可得出，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最

差

。当分集支路数较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益

。5.3自适应均衡技术5.3.1自适应均衡原理为了在高速传输的条件下保持较好的移动通信质量，必须采用

一

些信号处理技术来对抗多径衰落

，自适应均衡技术就是对抗多径衰落的主要方法

。由于传输路径的差异，各路都有不同的幅度衰减ai和相位延迟θi，最终移动速度为u的手机接收到的信号为这些来自不同路径的信号的叠加，可以用如下简单的数学模型来

表示：5.3自适应均衡技术此模型如图5-3所示：实现均衡有两个基本途径：（1）频域均衡。（2）时域均衡

。5.3自适应均衡技术5.3.2

自适应均衡算法1.最小均方（LMS）类自适应均衡LMS算法是基于最小均方误差准则的算法，通过调解滤波器的权系数使输出信号>（n）与期望信号d（n）的均方误差

2E[e（n）]为最小

。5.3自适应均衡技术LMS算法原理如图5-4所示算法可以表示为：5.3自适应均衡技术LMS算法的优点：（1）不需要矩阵求逆就可以求解维纳方程，另外还不需要知道输入信号的自相关矩阵以及输入信号和期望信号的互相关矩阵。（2）结构简单易于实现，并且在自适应过程中能够获得较高的性能。（3）与最速下降法相比，不需要离线的梯度估计或者数据副本。（4）对许多输入信号来说,是稳定且鲁棒的。（5）计算复杂度低,多用于线性时不变系统。5.3自适应均衡技术LMS算法的改进：（1）为了解决收敛速度与稳态误差之间的矛盾，许多变步长算法相继被提出（2）为了克服梯度噪声放大的问题，提出了一种归一化最小均方算法（NLMS）（3）为了改进算法在强相关输入条件下的收敛性能，在时域可以采用去相关的LMS算法5.3自适应均衡技术2.

递归最小二乘法（RLS）自适应均衡最小二乘算法旨在使期望信号与滤波器输出的平方和达到最小将误差测度函数写成J(N):其中：为了获得J(n)最小值，可使J(n)梯度为0，即：

5.3自适应均衡技术wopt是RLS均衡器的最佳抽头增益向量，q（n）是输入向量X（n）和期望d（n）之间的确定互相关矩阵。令：得到W(n)递推表示式：λ是一个可以改变均衡器性质的系数。5.3自适应均衡技术RLS算法广泛的应用于自适应滤波，系统辨识与信号预测。但是该算法只有在方程误差为0均值的高斯白噪声以及系统模型非时变时才能保证渐进趋于真值。

该算法的另一个显著特点是，为了减小预测中的噪声影响，当参数慢慢趋向于真值时，增益向量便接近于0。因此，RLS算法就有可能跟踪不上信道参数的变化。为了解决这一问题，在实践当中，人们提出了许多改进的RLS算法。

例如：指数遗忘的加窗RLS算法，避免了增益向量变成0。5.4RAKE接收机

RAKE接收机是用于CDMA中的分集接收机，其概念是1958年由R.Price和P.E.Green在《多径信道中的一种通信技术》中提出来的。由于这种接收机收集许多路径上的信号，其作用与农用多齿草耙（英文为“Rake”）的作用相似，故称为Rake接收机，该接收方法涉及几个相关器的使用，每个都可以形象地看作是花圃的耙爪（Finger）或叉（Tine）。这种接收机不是减弱或削除多径信号，而是充分利用多径信号的能量。RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。5.4RAKE接收机

RAKE接收机的基本原理对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关，然后对每个相关器的输出进行加权，并把加权后的输出相加合成一个输出，以提供优于单路相关器的信号检测，然后在此基础上进行解调和判决。其结构如下图5-7所示：5.4RAKE接收机

RAKE接收机的几种形式RAKE接收机存在不同的实现形式，常见的有：检测后积分（PDI，PostDetectionIntegration）多径接收机、具有信道参数测量的DPSK

RAKE接收机、并行相关RAKE接收机等，下面分别进行介绍。图5-8PDI接收机5.4RAKE接收机

图5-10并行相关RAKE接收机图5-9DPSK

RAKE接收机5.5空时编码技术

5.5.1空时编码的概念1.空时编码提出从信源给出的信息数据流，到达编码器后，形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出，称这些调制符号为空时符号或者空时矢量符号。与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示)，一个空时矢量符可以表示成为一个复数的矢量，矢量中数的个数等于发射天线的个数。5.5空时编码技术

2.空时编码分类从设计目的的角度，目前已提出的各种空时编码方法可分为3类：第1类以改善传输性能为目的，利用MIMO系统所能提供的分集度，设计具有满分集度的空时码，以提高信息传输的可靠性，代表性的有空时网格码(STTC)、空时正交设计(STOD)码以及对角代数空时(DAST)块码等。第2类以提高信息符号传输速率为目的，利用MIMO系统所能提供的传输自由度，设计达到全速率信息传输的空时码，以提高信息传输的有效性，典型的有贝尔分层空时结构(BLAST)、线性弥散(LD)码等。第3类是最近两三年提出的，同时以提高信息传输性能和速率为目的，力图设计达到满分集度全速率的空时码，如线状代数空时(TAST)块码、线性复数域预编码(LFC)空时码等。5.5空时编码技术

3.空时编码模型空时编码模型可以表示如图5-11所。5.5空时编码技术

5.5.2常见的空时编码当前比较成熟的空时编码技术是：空时网格型码(Space-TimeTrellisCode，STTC，或简称为：空时格码)和空时分组码(Space-TimeBlockCode，STBC，或简称为：空时块码)。STTC在编码时考虑了前后输入的关联，因此其性能是比较好的，但是由于STTC的复杂度是与传输数据速率呈指数关系上升的，因此在提高性能的同时，整个系统的复杂度也大大提升。STBC通常利用其正交性，采用最大似然译码，使得译码复杂度大大下降，同时还能够获得最大的分集增益。5.5空时编码技术

STTC是一种将差错控制编码、调制、发射和接收分集联合在一起进行设计的空时编码。STTC是较早提出的一类空时编码技术，适用于多种无线信道环境。STTC把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折中，是一种最佳码(工作过程如图5-12所示)。5.5空时编码技术

5.5空时编码技术

STBC是用于在多个天线上发送数据流的多个副本，并利用各种接收的数据版本来提高数据传输的可靠性。传输信号必须穿过具有散射，反射，折射等的潜在困难环境，然后可能被接收器中的热噪声进一步破坏，这意味着一些接收到的数据副本将比其他更好。这种冗余导致能够使用一个或多个接收到的副本来正确解码接收信号的机会更高。实际上，空时编码以最佳方式组合所接收信号的所有副本，以尽可能多地从每个副本中提取信息。5.5空时编码技术

5.5空时编码技术

其它种类的空时编码技术不论是STTC、STBC这样的基于发射分集的空时码，还是分层空时码，在接收端译码时都需要了解信道状态信息(CSI