第五章 抗衰落技术.ppt

1、第五章无线分集和抗衰落技术,内容,分集技术 时域分集技术 频域分集技术,5.1 分集技术,分集技术是抗衰落的有效措施之一 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 宏观分集 阴影衰落 微观分集 微观衰落 合并技术 获得M个相互独立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比的改善,5.1 分集技术,基本思想 把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。 作用 充分利用接收信号的能量,减小在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间.,5.1.1 宏观分集,图5-1 宏观分集,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

2、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。,5.1.1 宏观分集,5.1.2 微观分集的类型,信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度、以及携带信息的电磁波极化方向等等。常见的有： 1.时间分集 通过在不同的时间间隔多次传送同样的信号来实现的，且时间间隔大于信道的相干时间。时间分集对处于静止的移动台是无用的。 2.频率分集 两个载波的间隔大于信道的相干带宽。 3. 空间分集 使用多个发送或接收天线实现独立的衰落路径分集方式叫做空间分集。 接收分集中

3、不需要增加发射功率或带宽，通过分集信号进行相干合并能提高接收信号的信噪比。 发射分集中有很多根发送天线，总的发射功率是各天线上发送功率之和。 发送分集的设计与发送端是否知道信道信息有关；当已知信道信息时，发送分集与接收分集类似；当未知信道信息时，需借助Alamouti方案来获得发送增益。,5.1.2 微观分集的类型,4.极化分集 两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，发送端和接收端可以用两个位置很近但极化方式不同的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。 实际应用中通常采用正交极化分集，将两个相互正交的天线振子阵列集成在同一天线体内构成双极化天线，其安装使用均如同单根天线 5.角度分集 由于

4、地形环境不同，到达接收机的不同路径的信号可能来自不同的方向，在接收端采用方向性的天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性的天线接收到的多径信号是互不相关的。,空间接收分集,图5-2 空间分集示意图,对空间分集而言，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，d越大，相关性就越弱；分集的路数越多，分集效果也越好，当然系统也就越复杂。 实际应用时，通常在基站的每个扇区设置两副接收天线，接收移动台的信号，如图5-2所示。,极化分集,这种方法的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。,频率分集,频率分集的优点:与空间分集相比，减少了天线的数目。

5、 缺点:要占用更多的频谱资源，在发射端需要多部发射机。,5.1.3分集的合并方式及性能,M重分集对这些信号的处理概括为M条支路信号的线性叠加：,其中fk(t)为第k支路的信号；k(t)为第k支路信号的加权因子。 信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不同,形成3种基本的合并方式:选择合并、最大比值合并和等增益合并。 分集效果常用分集改善因子或分集增益来描述，也可以用中断概率来描述。,在下面的讨论中假设： 每支路的噪声与信号无关，为零均值、功率恒定的加性噪声。 信号幅度的变化是由于信号的衰落，其衰落的速率比信号的最低调制频率低许多。 各支路信号相互独立，服从瑞利分布，具有相同的平均功率

6、。,5.1.3分集的合并方式及性能,1. 选择合并,在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出，这相当于在M个系数k(t)中，只有一个等于1，其余的为0。,图5-3 分集的选择合并,1. 选择合并,设第i个支路的信号功率为 ，噪声功率为 ，第i个支路的瞬时信噪比 为 。 选择式合并方式中，只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会通信中断。若第i个支路中 （可检测的最小信噪比）的概率为 ，则M个支路中断概率以 表示可得,1. 选择合并,由于 可得： 设信号包络的起伏 服从瑞利分布，可得,则,1. 选择合并,若各支路的信号具有相同的方差，即 各支路的信号具有相同的噪声功率，即 令平均信

7、噪比为 ，由于M个分集支路的衰落是互不相关的，所有支路的i（i=1，2，,M）同时小于某个给定值 的概率为,1. 选择合并,为了比较不同合并方式的性能，可以比较它们的输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比。这个比值称作合并方式的改善因子，用D表示。 选择合并方式中，由信噪比 的概率密度 可求得平均信噪比为 对*式中的 进行微分得到 的概率密度函数 为 得到在独立同分布的瑞利衰落信道下，选择合并输出的平均信噪比为,例题1,设传输信道为瑞利衰落信道，各支路的平均信噪比相同，均为 。当发送端采用BPSK调制时，接收端每条支路所能接受的信噪比为7dB。试分别求出支路数M=1,2和3时选择分集合并方式的

8、中断概率。,解：由题设知，支路可接受的信噪比和平均信噪比分别为,例题2,设传输信道为瑞利衰落信道，各支路的平均信噪比相同，均为 。试分别求出支路数M=2和3时选择分集合并方式的输出平均信噪比，并计算M=3时输出平均信噪比相对M=2增加的百分比。,解：由题设知，各支路平均信噪比为,2. 最大比值合并,在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相，然后相加。这样合并器输出信号的包络为,图5-4 分集的最大比合并,输出的噪声功率等于各支路的输出噪声功率之和,于是合并器的输出信噪比为,希望输出的信噪比有最大值，使加权系数i满足,2.最大比值合并,最大比值合并,根据许瓦尔兹不等式 则有,结果表明，若第i

9、支路的加权系数i和该支路信号幅度ri成正比，和噪声功率Ni成反比，则合并器输出的信噪比有最大值,且等于各支路信噪比之和：,最大比值合并,由于 是服从瑞利分布的随机变量，假设每个支路有相同的平均信噪比 ，则 是服从卡方分布的随机变量，其数学期望为 ，方差为 ，可知其概率密度函数为,给定信噪比门限 下相应的中断概率为,例题3,考虑两支路的最大比合并方式，每条支路都是独立同分布的瑞利衰落信道，支路的平均信噪比为 ，当接收信噪比门限为7dB时，试计算采用最大比合并方式的输出平均信噪比，并比较最大比合并与选择合并方式的中断概率的大小。,解：由题设知，各支路平均信噪比为,采用最大比合并方式的输出平均信噪比

10、为,例题3,最大比合并的中断概率 选择合并方式的中断概率,3等增益合并,各支路的加权系数 都等于1，合并器输出的信号的包络等于,图5-5 分集的等增益合并,设各支路噪声平均功率相等，输出的信噪比为,3等增益合并,5.1.4 性能比较,等增益合并时由*式可知 假定各支路信号不相关，既有 根据瑞利分布性质确定的 可得出平均信噪比,5.1.4 性能比较,为了比较不同合并方式的性能，可以比较它们的输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比。这个比值称作合并方式的改善因子，用D表示。,等增益合并,最大比值合并,选择合并方式,通常用dB表示:D(dB)=10lg(D) ),图5-6给出了各种D(dB) M的关

11、系曲线。,从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合并改善最多，其次是等增益合并，最差是选择合并，这是因为选择合并只利用其中一个信号，其余没有被利用，而前两者把各支路信号的能量都得到利用。,5.1.4 性能比较,图5-6 三种合并方式的改善因子,5.1.5 分集对数字移动通信误码的影响,把Pe看作是衰落信道中给定信噪比,的条件概率。则平,式中 即为M重分集的信噪比概率密度函数。下面以二重分集为例说明分集对二进制数字传输误码的影响。并以差分相干解调DPSK 为例进行说明。DPSK的误码率为,均错误概率,1. 采用选择合并器的DPSK误码特性,2 . 采用最大比值合并器的DPSK误码特性,3. 采

12、用等增益合并器的DPSK误码特性,5.1.5 分集对数字移动通信误码的影响,5.1.5 分集对数字移动通信误码的影响,三种合并类型性能比较,信噪比的改善 不同分集重数其平均信噪比改善程度不同 相同分集重数下，最大比值合并改善信噪比最多，等增益合并接近最大比值合并，选择式合并改善最少。 误码率的改善 数字系统中衡量分集效果的指标是误码率 从误码率角度比较：最佳比值合并 -最好等增益合并 -其次选择式合并 -最差,内容,分集技术 时域分集技术 自动请求重传 Rake接收 交织编码技术 频域分集技术,5.2 隐分集技术,隐分集含义 是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的

13、方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集。 隐分集技术类型 自动请求重传 Rake接收 交织编码技术 跳频技术 直接序列扩频技术,时域分集,频域分集,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,差错控制技术是为了实现高速数据传输下的低误码率性能。发端根据反馈信道上的链路性能，自适应地发送相应的数据。 差错控制技术一般分为三类：自动请求重传（ARQ），前向纠错（FEC），混合自动重传（HARQ）。 ARQ方式是在发送端发送检错码，在接收端根据译码结果是否出错，然后通过反馈信道给发送端发送一个应答信号正确（ACK）或者错误（NACK）。发送端根据这个应答信号来决定是否重发数据帧，直到收到ACK或者发

14、送次数超过预先设定的最大发送次数后再发下一个数据帧。 FEC方式是发端采用冗余较大的纠错编码，接收端译码后能纠正一定程度上的误码。 HARQ是把两种方式结合起来的一种差错控制技术，它能够使两者优势互补，提高链路性能。,HARQ的系统结构,1.HARQ的系统结构 采用HARQ技术的系统结构如图5-8所示，,图 5-8 HARQ的系统结构,HARQ的基本思想就是发送端发送纠错码组，发送之后并不马上删除而是存放在缓冲存储器中，接收端接收到数据帧后通过纠错译码纠正一定程度的误码，然后再判断信息是否出错。 如果译码正确就通过反馈信道发送一个ACK应答信号，反之就发送一个NACK。当发送端接收到ACK时就

15、发送下一个数据帧，并把缓存器里的数据帧删除；当发送端接收到NACK时，就把缓存器里的数据帧重新发送一次，直到收到ACK或者发送次数超过预先设定的最大发送次数为止，然后再发送下一个数据帧。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,传统的ARQ技术有三种典型技术： 停止等待方式(Stop and Wait ARQ，SW-ARQ) 回退N步方式(Go-Back-N-ARQ，GBN-ARQ) 选择重传方式(Select-Repeat-ARQ，SR-ARQ),5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,2.ARQ的重传机制 停止等待型（ SW-ARQ ） SW-ARQ方式就是发送端在发送一个数据帧后就处于等

16、待状态，直到收到ACK才发送下一个数据帧或者收到NACK之后发送上一帧数据。原理如图5-9所示。 其中 、 表示经过译码发现错误的数据帧。采用这种方式信道就会经常处于空闲状态，传输效率以及信道利用率很低，不过实现简单。,图5-9 SW-ARQ重传机制,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,回退N步型（GBN） 发送端将N个数据帧分为一组，当发送端发出第一个数据帧后，不停止等待，继续发下面的N个数据帧，当反馈回NACK时，发送方不但要重传错误的那一帧，还要同时将错误帧之后的N个数据帧进行重传。GBN-ARQ原理如图5-10所示。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,GBN-ARQ原理如图5

17、-10所示： （1）其中 ， 表示出错的数据帧。首先对数据帧编号，当接收端发现第3帧出错后，即使以后收到的数据帧通过CRC校验为正确，同样发送NACK应答帧。 (2)直到接收端收到CRC校验为正确的第3帧时才发送ACK应答帧。 (3)由于发端和收端都采用连续发送的方式，信道利用率比较高，但是一旦有传错的帧则会导致退回 N步重发，即使误帧后的 帧中有的帧CRC校验正确。这必然会导致资源的浪费，降低传输效率。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,选择重传型（SR） （1）由以上的分析可知GBN方式虽然实现了连续发送、信道利用率较高，但是会造成很多不必要的浪费，特别是在N比较大的时候。 （2）S

18、R方式做进一步的改进，并不是重传N个数据帧而是选择性地重传，仅重传出错的数据帧。那么就需要对数据帧进行正确的编号，以便在收发端对成功接收或重传的数据帧进行排序。 （3）为了保证发生连续错误时存储器仍然不会溢出，这就要求存储器的的容量相当大，理论上应该趋于无穷。在实际中就需要保证存储器足够大。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,GBN-ARQ以及SR-ARQ系统在有线环境下工作得相当好，但它们并不适应无线系统。 在无线数据通信系统中，需要高确认效率的自动请求重传机制。 在无线环境中，信道具有误码率高、时延时间长及不可靠等特点。若仍然采用标准的ARQ协议，势必会造成频谱资源效率低、系统吞吐量

19、小以及数据传递时延大等各种问题。HARQ技术又称混合自动重发请求，是无线通信领域主要的差错控制技术之一。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,HARQ技术综合了前向纠错与ARQ的优点，是前向纠错和ARQ相结合的一种纠错方法。 前向纠错技术根据接收数据中冗余信息来进行纠错，特点是“只纠不传”。 ARQ技术依靠错码检测和重发请求来保证信号质量，特点是“只传不纠”。 在HARQ中，发端会发送具有一定冗余信息的数据，接收端首先进行前向纠错，如果依然不能正确解调则要求发端重新发送数据。因此，HARQ避免了前向纠错需要复杂的译码设备和ARQ方式信息连贯性差的缺点，并能使整个系统误码率很低。,5.2.1

20、 时域分集-自动请求重传技术,3. HARQ重传数据帧的构成 在发送端需要重传时，传输的数据既可以是同样的数据，也可以是不同的数据。 这是因为在编码时会出现信息位和校验位之分，而信息位对于译码来说是最重要的。为了匹配某个确定的编码速率，就需要对校验位打孔，就是说放弃传送某些校验比特。 那么重传的数据相同，就是说每次发送的是相同的信息位和校验位，而重传的数据不同，是说可以通过改变打孔的位置来重传不同的校验位。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,HARQ分为三类 I型HARQ(HARQ-I) II型HARQ(HARQ-II) III型HARQ(HARQ-III),5.2.1 时域分集-自动请

21、求重传技术,（1）重传相同数据的HARQ Type-I HARQ 就是采用的这种方式，它是单纯的把ARQ和FEC相结合，在发送端发送纠错码，在接收端译码并纠正错误，如果错误在纠错码的纠错范围内并成功译码则发送一个ACK应答帧，反之则发送一个NACK应答帧，同时丢弃出错的帧。在重发时仍然发送相同的数据帧，携带相同的冗余信息。 （2）重传不同数据的HARQ Type-II HARQ和Type-III HARQ都属于这种方式。这时重传的数据又有全冗余和部分冗余之分。冗余指的是编码带来的校验比特，那么全冗余的意思就是重传的数据帧是与上一帧位置不完全相同的校验比特，并且不再发送信息位，而部分冗余就是说重

22、发的数据帧既包括信息位又包括与上一帧位置不完全相同的校验比特。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,Type-II HARQ属于全冗余方式的HARQ，由于重传的数据帧都是校验位,那么它的数据帧是非自解码的。 对于不能正确译码的数据帧，并不是简单地做丢弃处理而是保留下来，等到重发的数据帧到达时，再把他们合并译码，这样就可以很好地利用这些有效的信息。这种方式相当于获得了时间分集的增益，可以提高接收数据的信噪比。 冗余的形式因打孔方式的不同而不同，每次重发的都一种形式的冗余版本，在接收端先进行合并再译码。如果所有形式的冗余版本都发完后仍然不能成功译码，则再次发送第一次传的包含系统位的数据，在合并

23、译码时用这次传的数据帧代替之前那次传送的包含系统位的数据帧。,5.2.1 时域分集-自动请求重传技术,Type-III HARQ属于半冗余的HARQ，就是说重发的数据既包含信息位又包含校验位，因而重传数据帧是自解码的。 因为如果传送过程中的噪声和干扰很大，第一次传送的数据被严重破坏，并且信息位对译码又很重要，即使后来增加了正确的冗余信息还是不能正常译码。 并且所有版本的冗余形式是互补的，就是说当所有的冗余形式都发送完后，能够保证每个校验比特都被至少发送了一遍。,5.2.2 Rake接收机,Rake接收机原理：将幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行时延和相位校正，使之在时间上对齐，并且按

24、一定的规则进行合并，变矢量合并为代数合并，有效地利用多径信号分量的能量，改善接收信号的质量。,图5-11 Rake接收机原理,5.2.2 Rake接收机,在接收端的多径传播信号可用矢量图图5-12（a）来表示（假设有3条主要的传播路径）。若采用扩频信号设计与Rake接收的信号处理后，3条路径信号矢量图可改变成如图5-12 （b）所示的形式。,图5-12多径信号的矢量合成,（a）无Rake的接收机,（b）有Rake的接收机,5.2.2 Rake接收机,在CDMA扩频系统中，码片的速率远远大于信道的平坦衰落带宽。 不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时

25、就要求它有很好的自相关特性，这样在无线信道中出现的时延扩展就可以被看作只是被传信号的再次传送。 如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声而不再需要均衡了。(参考直接序列扩频抗干扰原理),5.2.2 Rake接收机,接收机所做的就是为每一个多径信号提供一个单独的接收机。 利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率 （Tc很小）有效抑制与PN序列不同步的多径信号分量的干扰,特别是多径时延大于扩频码的码片周期时。 每个相关器在时延上进行调整，不同的相关接收器在不同的时间窗上寻找最佳的多径。 多径信号的分离接收也是一种时间分集。,5.2.2 R

26、ake接收机原理,.,5.2.2 Rake接收机原理,由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。 下图是专为CDMA系统设计的分集接收器，其理论基础为：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可看做互不相关的。,5.2.2 Rake接收机性能,假定CDMA接收机有M个相关器，每个相关器与其中一个多径分量强相关，而与其他多径分量弱相关，各个相关器的输出经过加权后同相相加，总的输出信号 为,加权系数由相应多径信号能量在总能量中所占比例决定,无线信道中存在着严重的衰落及干扰，深度衰落和强干扰会造成连续性的码元错误，这就是所谓的突发错误。 为

27、对抗突发错误对通信质量的影响，单靠单个码字本身的纠错能力是不够的，最为有效的办法是采用交织编码。,5.2.3 交织编码技术,5.2.3 交织编码技术,交织编码的目的是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。 交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出（或者按列写入而按行读出）。 交织编码属于时间隐分集。,5.2.3 交织编码技术,5.2.3 交织编码技术,交织是一种信道改造技术，它通过信号设计将一个原来属于突发差错的有记忆信道改造为基本上是独立差错的随机无记忆信道。,图5-13 交织原理图,5.2.3 交织编码技术,5.2.3分组周期交织器

28、,若分组长度 ,即由M列N行的矩阵构成，称之为（M,N）分组交织器。 （M,N）分组交织器特性 (1)任何长度 的突发差错，经交织变换后，至少被N-1位隔开后的一些单个独立差错。 (2)任何长度 的突发性差错，经去交织后，可将长突发变成短突发，其突发长度为 。 (3)完成交织与去交织变换在不计信道时延的条件下，两端间的时延为2MN个符号，而交织与去交织各时延MN个符号，即要求各存储MN个符号。 (4)在很特殊的情况下，周期为M个符号单个独立差错序列经去交织后，会产生相应序列长度的突发错误。,5.2.3 交织编码技术,作用：减小信道快衰落带来的影响。 优点 交织技术改变数据流传输顺序，将突发错误

29、随机化。 提高纠错编码的有效性。 缺点 由于改变数据流传输顺序，必须等整个数据块接收后才能纠错，带来了附加的额外延时。因此交织深度应根据不同业务要求有不同的选择。 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错,5.2.3卷积交织器,卷积交织器其原理图如图5-14所示。,5.2.3卷积交织器,卷积交织器将来自于编码器的信息符号序列，经过同步序列模二加后送至一组级数逐渐增加的M个并行寄存器群，每当移入一个新的信息符号，旋转开关旋转一步与下一个新的寄存器相连，移入一个新的信息符号，并使最早存在该组并行寄存器的信息符号移出，再送入突发信道，同时从突发信道输出信息序列通过旋转开关同步输入去交织器

30、，去交织器通过相反的操作，再通过旋转开关同步输出，并与同步序列模二加，最后再送至译码器。,内容,分集技术 时域分集技术 频域分集技术 直接序列扩频通信抗干扰、抗衰落 跳频扩频通信系统抗干扰、抗衰落,5.3.1直扩系统抗干扰、抗衰落,直接序列扩频抗多径 直接序列扩频抗多径的原理是：当发送的直接序列扩频信号的码片宽度小于或等于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力。 直接序列扩频抗干扰 直接序列扩频干扰的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都处理为背景噪声。 直接

31、序列扩频抗衰落 直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰落。,5.3.1直扩系统-抗多径干扰(1),利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率 （Tc很小）,有效抑制与PN序列不同步的多径信号分量的干扰。特别是多径时延大于扩频码的码片时 具有二径传输信道的扩频通信系统如图,二径传输信道的扩频通信系统,5.3.1直扩系统-抗多径干扰(2),5.3.1直扩系统-抗多径干扰,5.3.1直扩系统-抗多径干扰(3),5.3.1直扩系统-抗窄带干扰的能力(1),扩频信号的一个重要特点就是抗窄带干扰的能力。分析抗窄带干扰的模型如图。,设i(t)为一窄带干扰信号,其频率接近信号的载波频率。解扩后最终最终扩频系

32、统的输出干扰功率是输入干扰功率的1/N ，即扩频系统的处理增益为Gp,通过下图来说明扩频系统抗窄带干扰的能力,解调前后信号和干扰频谱的变化,5.3.1直扩系统-抗窄带干扰的能力(2),5.3.2跳频通信系统抗干扰、抗衰落,跳频系统的抗干扰原理与直扩系统的不同：直扩是靠频谱的扩展和解扩处理来提高信噪比的；跳频没有分散窄带干扰信号功率谱的能力，它是靠躲避干扰来达到提高信噪比的。 跳频系统能大大减少“远-近”效应带来的干扰。 对跳频系统来说，根据跳变速率可以分为慢跳变与快跳变。 慢跳变比较容易实现，但抗干扰性能也较差，跳变的速率远比信号速率低，可能为数至数十秒才跳变一次。 快跳的速率接近信号的最低频率，可达每秒几十跳、上百跳或上千跳（毫秒级）。快跳的抗干扰和隐蔽性能较好，但实