第7章 衰落信道的抗干扰技术.ppt

1、,第7章,衰落信道的抗干扰技术,内容提要,概述 分集技术 信道编码 信道均衡技术 瑞克技术,概述,多径干扰,1)信号在自由空间传播，加上物体的反射，形成路径损耗，与传输距离的24次方成比例。 2)由传播环境中的障碍物，如大型建筑物或山体，对电波遮蔽和绕射所引起阴影，导致阴影衰落或慢衰落。它服从对数正态分布。 3)由传播环境中的障碍物对电波的反射产生的多径传输，形成多径衰落或快衰落。 4)由于发送和接收终端的相对移动而产生的Doppler效应，导致信号频率扩展。,多用户干扰,这是一种由于无线网同时有多个用户的存在而产生的用户间的干扰。多用户干扰可以分为两种情况：一是由于系统的点对多点的通信性质，

2、称为多址干扰(Multiple Access Interference MAI)；另一种是载频相同的不同小区之间产生的干扰，常称为同信道干扰（Co-channel Interference CCI）。这些干扰通过多径传输形成更为复杂的干扰。,什么叫衰落？,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。 衰落根据其频率特性可以分为二类：非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落。 衰落根据其时间特性可以分为二类：快衰落和慢衰落。,衰落有什么影响？,衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。

3、衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。 所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。,抗干扰技术,减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由； 在移动通信中采用微蜂窝、直放站； 采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等。 书上列举的方法,非频率选择性衰落的 对抗技术,对抗原理,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。,无线传播方程,门限接收电平 其中：Eb/N0为归一化门限信噪比的实际值，F为接收机噪声系数，

4、k为玻尔兹曼常数，T0为绝对温度，fb为传输比特率。 接收电平 其中：Pt为发送功率，GA为收发天线增益，LA为收发天馈系统的损耗，LS为传播路径损耗。,传播统计,注意：LS是一个随机变量，存在平均传播损耗LS,平均及传播损耗大于某个值的概率P（LSa）。 如果信道没有衰落，传播损耗取平均传播损耗，就有： 令：Pr,平均Pro，即平均接收电平等于门限接收电平，无线通信系统就能正常工作。 实际无线传播信道是有衰落的，因此在没有衰落时的平均接收电平必需大于门限接收电平，才能保证可靠通信。,衰落储备法,令平均接收电平和门限接收电平之比值为： RPr,平均/Pr0 就有： 称R为衰落储备。 对抗非频率

5、选择性衰落的主要方法是衰落储备法，即通过选择足够的衰落储备来保证接收电平降低到门限以下（这种事件可以称为中断）的概率小于某个值。,衰落储备法（续）,接收电平比平均接收电平下降Fd(dB）的概率（或称为中断概率）为： 其中A为和地形、气候有关的系数，m为频率因子，n为距离因子。若选择衰落储备量RFd，就可以保证通信中断率的要求。 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。,频率选择性衰落的 对抗技术,对抗原理,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

6、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。,对抗原理（续）,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。,分集技术,分集原理,原理：利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号的统计独立性进行合并，从而实现分集。 首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以是不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。 其次要以某种方法进行合并。 应该指出：分集技术不仅能改善频率选择性衰落，同时也能改善非频率选择性衰落。,分集方式和方法,采用什么途径接收分集信号？ 空间分集：不同天线的接收信号相互独立； 极

7、化分集：水平极化和垂直极化的信号相互独立； 频率分集：不同频率的接收信号相互独立； 时间分集：不同时间的接收信号相互独立。,微分集和宏分集 微分集用于抗快衰落。由于快衰落是小尺度衰落，多径引起的时延差很小，因此，分集的距离很小，一般在同一地点使用两个或多个天线来进行。 宏分集用于减少由于阴影效应而引起的大尺度衰落。 发送分集和接收分集 发送分集与编码的结合 。 角度或方向分集,合并方式,从分集信号中以什么方式作为输出？ 最大比(Maximal ratio, MRC)合并 等增益(Equal gain，EGC )合并 选择(Selective，SC)合并 开关合并。 衡量分集合并的性能通常采用信

8、噪比(SNR)测度，但也有采用其他测度的，例如，适用于检测后合并的误码率(BER）测度。,检测与合并 选择合并,最大比合并,等增益合并 EGC分集比SC分集性能好，但比MRC分集差。 扫描合并,宏分集,宏分集主要用于克服阴影衰落，由不同的基站或无线端口（Radio Port，RP）实现。 宏分集对基站来说是接收分集，对移动终端来说是发送分集。通常CDMA系统都采用软切换技术，在切换的区内，系统采用宏分集技术。至于合并方法，则采用选择合并法，将信号强弱或信噪比大小作为判决的依据。 室外环境的 宏分集结构,室内环境的宏分集 宏分集的误码率,发送分集,闭环发送分集是由接收端按一定的准则评估接收信号，

9、将结果反馈给发送端，用以选择链路好的发送天线(SC模式）或调节发射参数(MRC模式）。 开环发送分集没有反馈操作，有用时空编码发送技术的时空发送分集(Space-Time TD，STTD )和用两副天线按时间切换进行发送的时间交换发送分集(Time-Switched TD，TSTD）两种形式。,双天线发送分集,双发送天线与单接收天线,分集系统的功率分配 在发送分集中，多个发射形成人为多径传输，会增加干扰。如果所有天线有相同发射功率，增加的干扰可能抵消分集增益。有必要考虑发射功率在用户间的分配策略，减小人为多径干扰，以提高分集增益。,分集举例,空间分集及其合并,信道编码,三种基本差错控制方法 自

10、动请求重发方式(Automatic Repeat Request, ARQ) 前向纠错方式(Forward Error Correction, FEC) 混合检错方式(Hybrid Error Correction),信道编码概述,基本概念,仙侬定理指出带宽和功率的互换性。当带宽为无限大时，Eb/N0趋于-1.6dB，这就是仙侬极限。 如何实现带宽和功率的互换，仙侬定理本身没有指明。 能否用扩频技术实现带宽与功率的互换？不能！在高斯白噪声信道上，扩频技术没有任何功率增益。 要实现带宽和功率的互换，可以采用纠错技术。纠错属于一种信道编码。,基本概念,信道编码的目的 信道编码是为了保证信息传输的可

11、靠性、提高传输质量而设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余码元，使码字具有一定的抗干扰能力。 信道编码的实质 信道编码的实质就是在信息码中增加一定数量的多余码元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。 举例而言，欲传输k位信息，经过编码得到长为n(nk)的码字，则增加了 n - k = r 位多余码元，我们定义 R = k / n 为编码效率。,基本概念,信道编码公式 令信息速率为fb，经过编码以后的速率为ft，定义：Rfb/ft为编码率。则对于任何一个信道，总存在一个截止速率R0，只要RR0，总可以达到：BERCR2-nR0

12、，其中CR为某个常数，n为编码的约束长度。 对于等概二进码、AWGN信道，有：,基本概念,基本概念,从图可以看出：当带宽，R00，得到Eb/N0 1.4dB，信道编码所能达到的极限比仙侬极限差3dB。 从图可以看出：若R01，即不加任何信道编码，这时Eb/N0 ，说明在有限信噪比情况下无法达到无差错传输。 从图可以看出：对于一定的R0，相当于一定的带宽扩展率，存在一个有限的Eb/N0 ，这时可以通过选择适当的n达到任意低的差错率。,性能指标,编码率、编码效率、码率 编码增益 编码延时 编译码器的复杂度,分类,根据码的规律性可分为：正交编码和检、纠错码 根据监督元与信息组之间关系可分为：分组码和

13、卷积码 根据监督元与信息元之间关系可分为：线性码和非线性码 根据码的功能可分为：检错码和纠错码,分类（续）,分组码,k,k,k,k,k,k,k,k,n,工作原理,图中，n k，Rk/n，称为编码率。 分组码的基本原理是将信息码分成K比特一组，然后将每组的比特数扩展成n（ n k），也就是说在信息比特中插入n-k个比特。 另一种看法：将2k矢量空间映射到2n矢量空间。,工作原理（续）,定义几个参数： 码重：一组二进制码中“1”的个数 码距d：二组二进制码之间“0”或“1”不同的位数 定理： （1）为检查出e个错误，要求：dmin e+1 （2）为纠正t个错误，要求：dmin 2t+1 （3）为纠

14、正t个错误，同时检查出e个错误，要求： dmin e+t+1 （e t） 用图说明,A,A,B,B,码字是n维矢量 生成矩阵可以通过基本矩阵运算变成系统形式,线性分组码-举例,奇偶监督码 汉明码 BCH码 RS码 CRC码,奇偶监督码,采用奇偶校验原理。 只能检错，不能纠错。 只能检查出某一分组的单个错误或奇数个错误，而不能发现偶数个错误。 最小码距为2。 水平奇偶监督码 水平垂直奇偶监督码。,汉明码 （Hamming码）,是一种纠正单个错误的线性分组码。 特点： 码长 n = 2m-1 信息码位 k = 2n-m-1 监督码位 r = n-k = m 最小码距 d = 3 纠错能力 t =

15、1 扩展的汉明码：将监督码位由m增至m+1，信息位不变，这时最小码距增加到d = 4，能纠正1位错误同时检查出2位错误。,BCH码 （Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码）,是线性分组码中循环码的一种重要子类，有严密的代数结构，是目前研究较多、应用较广的一种线性分组码。 具有纠正多个随机错误的能力。 根据对纠错能力的要求，选择参数，并根据代数结构构造编译码算法。 如：n = 7, k = 4, t = 1; n = 15, k = 7, t = 2; n = 31, k = 16, t = 3; n = 127, k = 50, t = 13。,RS码 （Reed-Solom

16、on码）,是一种非二进制的BCH码。即：在（n,k）RS码中，输入信息被分成km比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成。 纠正t个符号错误的RS码参数如下： 码长 n = 2m-1符号， 或m(2m-1)比特 信息段 k符号， 或km比特 监督段 n-k=2t符号， 或m(n-k)比特 最小码距 d=2t+1符号， 或m(2t+1)比特,CRC码 （循环冗余校验码）,是一种循环码，用于检错。 具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容易实现。因而在数据通信中得到广泛应用。 可以检测出的错误如下： （1）突发长度n-k的突发错误； （2）大部分突发长度n-k+1的错误； （3）大部分

17、突发长度n-k+1的错误； （4）所有与许用码组的码距dmin-1的错误； （5）所有奇数个随机错误。,卷积码,概述,分组码卷积码 固定窗型滑动窗型 卷积码是有记忆编码，对于任一阶段，编码器的n个输出不仅与该阶段的k个输人有关，而且与编码器中存储的前k(K-1)个输人有关。,概述（续）,例：R1/2卷积码,Ik,ak,bk,编码原理,原理图,编码原理（续）,几个例子,编码原理（续）,卷积码的参数 约束长度K， 输入比特k， 输出比特n， 编码率Rk/n 卷积码可以记作(n, k, K) 为了描述卷积编码，可以采用分析法和图解法。分析法有冲激法、生成矩阵法、生成多项式法。图解法有树形图(Tree

18、 Diagram.),网格图(Trellis Diagram)和状态图(StateDiagram）。,树形图、网格图和状态图,树形图 树形图以树根（单个节点）a开始生长树枝。编码器输人0，树枝向上；输人1，树枝向下，如此重复生长。以(3，1，4)为例 见图。,网格图 将树形图同状态的节点合并可以简化图形。 状态图 1)输人一组k比特序列，输出一组n比特序列。 2)树形图有K层，每层的每一个节点发出2*k条树枝。 3)网格图和状态图都有2*(k(K-1)种可能状态。每个状态发出2*k条树枝，同时接收2*k条从其他状态或本状态发出的树枝。,树形图和网格图在K层达到稳定,打孔卷积编码 开状态图和转移

19、函数,译码算法-方法分类,代数译码：纠错译码的经典方法。利用纠错码的代数结构，经过一定的代数运算，消除误差，恢复正确的信息。常用的有：大数译码逻辑。特点：电路简单，编码增益低。 概率译码：纠错译码的新方法。考虑到信道的统计特性。常用的有：序列译码、维特比译码。特点：电路复杂，编码增益高。,译码算法-序列译码,原理：在码树图中每向前走一步，在决定走哪一个分支时根据该分支子码与该时刻接收子码之间的相似程度来判断。亦称为逐分支译码。 一般采用对数似然值度量该相似程度 log P(R|C)=logiP(ri|ci)=ilog(p(ri|ci) 堆栈译码和费诺译码,译码算法-序列译码（续）,优点 运算量

20、和约束长度无关。 缺点 运算量和信道质量有关。 没有利用卷积码的记忆特性，不是最优算法。,译码算法-维特比译码,最大后验与最大似然译码 MAP: ML: 硬判决和软判决 硬判决：解调器直接判0，1 软判决：解调器对输出进行量化,译码算法-维特比译码（续）,Viterbi译码原理 Viterbi译码是建立在最大似然译码基础上的译码方法 在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些能使似然函数最大的路径 最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷积码来说，要求能收尾,译码算法-维特比译码（续）,Viterbi译码举例 设对于编码前信息比特为(0,0,0,0,0,0)的接收序列为 则硬判结果为 基于软判决时，

21、采用如下路径度量,译码算法-维特比译码（续）,Trellis图,译码算法-维特比译码（续）,译码算法-维特比译码（续）,Viterbi译码的特点 维特比算法是最大似然的序列译码算法 译码复杂度与信道质量无关 运算量和存贮量都与码长呈线性关系 运算量和存贮量都与状态数呈线性关系 状态数随k及m呈指数关系,格码调制,联合设计编码和调制的思想，即格码调制(Trellis Coded Modulation，TCM) TCM有两类：一是将卷积码与 多进制调制结合设计；二是采 用具有特定调制指数或频偏 的连续相位移频键控。 TCM有3个基本运作： 1)采用扩展的信号星座，其信 号集大于同样的数据率对非格

22、码调制所需的信号集，从而得 到冗余信号点，以便用以代替 冗余码。 2)将扩展的信号星座进行逐级分割，以使每一级子集的最小Euclide距离最大。 3)进行卷积编码和信号映射，只应用某些信号点的序列，以达到尽量增大Hamming距离。,以8PSK为例说明集分割原理,TCM编码器 格码调制既可以 采用卷积编码， 也可以采用分组 编码。但前者在 编码增益和译码 方面优于后者。,交织技术,交织(Interleaving)是将编码后的数据序列的顺序进行交换，重新组合。它的作用是构成时间分集，使信道对传输的数据序列随机化，降低信道的记忆，从而将较长的突发差错离散成随机差错。 （属于时间隐分集。 ） 分组交

23、织器,卷积交织器 卷积交织有好的时延特性，可以减少一半时延。 随机交织,级联编码产生背景,交织 块交织：行写入，列读出 卷积交织：,串行级联码 优点：性能较一般短码有很大改善 缺点：编码效率低；当R/C 1时性能迅速恶化,软输入软输出和迭代译码 对数似然比LLR,软输入软输出和迭代译码,返回,编译码原理,编码原理,编译码原理（续）,译码原理,迭代译码,几点说明,Turbo码具有优越性能的原因 寻找构造好码的规律（分量码构造，交织器构造等） 译码延时大，译码算法复杂 广泛应用于移动通信、军事通信、深空及卫星通信等,联合编码技术,联合编码说明,什么叫联合编码？经典的无线通信系统是将信源编码和信道编

24、码分别进行的。信源编码主要考虑信源的统计特性，信道编码主要考虑信道的统计特性。 优点是设计简单、通用性好，可以分别形成标准。 缺点是没有充分利用各自的优势，因而不是最佳的。,联合编码说明,无线系统的信源编码由于压缩比很高，对差错十分敏感；而信道编码面临十分恶劣的传播环境，但提供的带宽冗余度很小。 在这种背景下，需要将信源编码和信道编码综合考虑。这就是联合编码的基本思路。 在无线多媒体通信中，联合编码是抗衰落的一种十分有效的措施。,信源信道联合编码的系统模型,信源信道译码联合优化,利用信源编码后的残留冗余度进行联合优化 利用信道译码的软输出进行联合优化,联合编码总结,无线视频传输中存在的主要问题

25、 错误在空间上的传播 错误在时间上的传播 同步信息和头信息的丢失 可能的解决方法 减小错误空间传播 减小错误的时间传播 增强不等长译码的鲁棒性 不均等差错保护的方法 差错隐藏方法,编码性能,编码增益 估计编码的编码增益，采用渐近编码增益，定义为 分组码差错概率,卷积码差错概率,时空编码,网格时空编码,分层时空编码,瑞克技术,一种时间分集：瑞克接收,对时间上扩散的信号进行分集，尽可能多的获取信号能量。 对多径信号进行分离，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。,瑞克接收的基本原理-多径,传输环境时变： 频率、相位、时间的变

26、化,瑞克接收机原理,相关1,相关2,相关M,接收机框图,积分 判决,a1,a2,aM,CDMA 多径信号,判决输出,瑞克接收机工作过程,假设接收信号中可以分离出M个不同延时的多径分量，每个分量用不同的相关器进行相关运算。 相关器1和支路1同步，相关器2和支路2同步，等等，这样不同相关器就可以检测出各个支路的CDMA信号能量。 对各个相关器的输出进行加权，然后相加，就得到发送信号的最大可能的能量输出，对此输出进行判决再生，就可以恢复出数字信息。 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。,另一种时间分集：交织技术,原理：在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发干扰，误码的分布

27、就不是平稳、纯随机的，而是存在随机误码和突发误码。采用交织可以减少突发误码的影响。 交织不增加额外开销。 交织可以保护信源编码中的特殊比特。 交织与纠错编码同时使用，进一步提高传输质量。 交织器二种类型：分组交织、卷积交织。 交织器会引入时延（对语音不能超过40ms）。,信道的均衡,均衡技术,自适应均衡器：减少码间干扰。 工作模式：训练模式和跟踪模式。 均衡器分类 频域均衡器，时域均衡器； 线性均衡器，非线性均衡器。 均衡器实现方法 中频均衡器； 基带均衡器。,均衡原理,符号间干扰(Intersymbol Interference, ISI ),一个既照顾到频带，又不造成干扰的方法是在采样点让人侵的干扰恰为零点。这就是Nyquist准则，要求等效波形为 波形在t=0时是1,正好在自己的时隙中心；在t = n Ts ，n=1，2,时是0，恰好是其它时隙的中心。这样在时隙中心采样就不会碰到干扰，这时信道的频带是 f =1/Ts。 另一办法是基于采样准则，采样频率至少大于信号最高频率2倍。发送成形滤波器，一般采用升余