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第四章 抗衰落技术

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第四章 抗衰落技术

第四章 抗衰落技术
3
素有关。在移动通信中，通常取： 市区 d=0.5λ 郊区：d=0.8λ 满足上式的条件下， 两信号的衰落相关性已很弱了； d 越大， 相关性就越弱。 例如，在 900MHz 的频段工作时，两副天线的间隔约为 0.27m。 天线的间隔， 可以垂直间隔也可以水平间隔， 但垂直间隔分集性能较差。 在空间分集中，天线 N 越大，分集效果越好，但是分集与不分集差异很 大，属于质变；而分集增益正比于分集天线数，一般当 N 大于 3 时，增 益改善不再明显，且随着 N 增大而逐步减少，属于量变。然而 N 的增 大意味着设备复杂度的增大，所以在工程上要在性能与复杂度之间做一 折中，一般取 N＝2～4 即可。 2．极化分集 （1）概念 利用天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能的， 即利用极化 的正交性来实现衰落的不相关性。 电磁波的极化方向可分为水平极化和垂直极化，这两种极化波是正交的，利 用这一点，在发送端分别装上两副距离很近但极化方向不同的天线分别发送信 号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，在接收端同样用两副距离很近但极化 方向不同的天线来接收这两路不相关的衰落信号，就可获得分集的效果。 极化分集可看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集 情况） ，但它仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短 了天线之间的距离，在工程上常常将两副天线集成于一副天线内实现。从外观看 上去只是一副天线。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端的功率要 分配给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3dB。 3．角度分集 （1）概念 由于地形地貌和建筑物等环境的不同， 到达接收端的不同路径的信号可能来
最大比合并
照总信噪比最大化的 原则 将 M 重分集支路按 等权值相加

第4章 抗衰落技术

第4章 抗衰落技术

3.角度分集
由于地形地貌和建筑物等 环境的不同，到达接收 端的不同路径的信号可 能来自于不同的方向， 在接收端，采用方向性 天线，分别指向不同的 信号到达方向，则每个 方向性天线接收到的多 径信号是不相关的。 相关天线阵列：d<1/2 波长 >> c


4.频率分集



传输的信息以不同的载频发射出去，两 个频率成分具有相互独立的衰落特性。 条件：f2-f1 >> Bc 频率分集的优点是，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 射端需要多部发射机。
rmr k rk
k 1
M
3．等增益合并
在最大比合并中，实时改变αi是比较困
难的，通常希望αi为常量，取αi=1就是 等增益合并。
衰 落 信 号
接收机1 相位调整
r1 r2
1 1 2 1
r 1 r2

req
接收机2 相位调整
图 4.12
二重分集等增益合并
4.开关式合并
常用分集技术
分集技术的实质对传输信号进行过取样

空间分集技术——用2个以上的天线收同一个信号
频率分集技术——用2个以上的载波频率传输
时间分集技术——在不同时间接收同一个信号 极化分集——接收垂直和水平极化信号
A
d/f /t/p
1.空间分集
空间分集的原理如图4.2所示。 空间分集的依据在于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个信号，只要两个位置的 距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关 的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离 为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度 有关，在移动信道中， 通常取：

4、抗衰落技术

4、抗衰落技术

通 信
并技术，如图4-3所示。这两种技术都
原
得到了广泛的应用
理
29
4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
图4-3 空间分集的合并
30
4.2.2 分集信号的合并技术
• 对于具体的合并技术来说，通常有4类
移
–选择式合并（Selective Combining）
动
通
–最大比值合并（Maximum Ratio Combing）
倾斜 (+/- 45°)
23
3．角度分集（Angle Diversity）
• 由于地形地貌和建筑物等环境的不同，
移
到达接收端的不同路径的信号可能来自
动
于不同的方向
通
信
原 理
• 在接收端，采用方向性天线，分别指向
不同的信号到达方向，则每个方向性天
线接收到的多径信号是不相关的
24
4．频率分集（Frequency Diversity）
动
通 • 4.2.3 分集系统的性能 信 • *4.2.4 RAKE接收机
原
理 • *4.2.5 隐分集技术
13
4.2.1 分集技术的基本概念及方法
• 分集技术（Diversity Techniques）就是研究
移
如何利用多径信号来改善系统的性能。
动
通
信 • 分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相
• CDMA系统中的RAKE接收机如图4-7所示：
40
2．RAKE接收原理
移 动 通 信 原 理
图4-7 RAKE接收原理实现框图
1．空间分集（Space Diversity）
• 发射端采用一副发射天线，接收端采用多副天

第4章 抗衰落技术

第4章 抗衰落技术
4
勤学 务实 开拓 创新
分集接收
2、分类 按“分”划分：按接收信号样值结构与统计特性，可分 为空间分集、时间分集、频率分集。 按“集”划分：按合并方式，可分为选择式合并、等增 益合并、最大比值合并。 按“合并位置”划分：射频合并、中频合并、基带合并。 另外还有:接收端分集、发送端分集、收发联合分集 (MIMO)-多输入输出系统。 一般来说，采用多套设备来实现分集为传统的显分集， 采用一套设备而利用信号统计与处理技术来实现的称隐分集。
合成矢量
2
13
1
2
3
Rake 接收
勤学 务实 开拓 创新
Rake接收技术
多径分离的能力主要取决于带宽，在城区多径时延 大约为5μ s，相关带宽为200kHz，即要求载波间隔为 200kHz。 GSM的载波间隔为200kHz，无法实现多径分离，不 能用Rake接收，而IS-95载波间隔为1.25MHz，理论上有 6重隐分集的可能。 但由于多径时延扩展是随机的，实际上有利用价值 的不超过3-4径，所以在C网中，基站接收机N=4，移动 台N=3。 Rake接收理论上属于频率分集，但从现象上看，是 利用多径时延进行的分集，有人认为称为多径分集更为 恰当。
{an} T T T
f 1
T
f0
T
f L1
f L1 1
f L2 1
f L2
{nn} {rn}

21
图 4.36 信道模型

{yn}
勤学 务实 开拓 创新
均衡技术
②判决反馈均衡器 由两个滤波器组成，前馈滤波器的作用和线性均衡器 的作用一样，反馈滤波器是将已检测符号的判别输出作为 它的输入，作用是从已检测的符号来估计当前检测符号的 码间干扰，然后将它与前馈输出相减，从而减少了当前输 出符号间的串扰。

4、抗衰落技术

4、抗衰落技术
2
本章提示
衰落有什么影响：
接收电平降低，无法保证正常通信 接收波形畸变，产生严重的误码 传播延时变化，破坏与延时有关的同步 在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某 些跟踪过程
因此，对抗衰落是无线通信必须认真解决 的问题
3
本章提示
为了提高移动通信系统的性能，采用 分集、均衡和信道编码三种技术来改善 接收信号质量。这三种技术的共同特点， 都是如何适应信道的衰落，时延扩展和 信道的时间特性。
移动通信 原理
第四章 抗衰落技术
本章提示
衰落定义：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 衰落是移动通信信道的基本特征
多径传播使接收信号不仅包含数量约为10Hz～ 100Hz的多普勒频移和几十分贝的深度衰落，而且 有数微秒的时延差。 阴影效应和气象条件的变化会造成信号幅度的降低 和相位变化。 这些都是移动信道独有的特性，它将影响移动通信 系统的接收性能。 这些影响会造成传输性能的下降和严重的码间干扰 ISI(InterSymbol Interference)使数字信号误码率 增加。
6
4.1 抗衰落技术概述
图4-1 移动信道中典型的衰落信号
7
4.1 抗衰落技术概述
• 在移动通信信道中，除了多径衰落还有 阴影衰落。 • 气象条件等的变化也都影响信号的传播， 使接收到的信号的幅度和相位发生变化。
8
1．分集技术
• 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的， 它通常要通过两个或更多的接收天线来 实现。
11
3．信道编码
• 信道编码是通过在发送信息时加入可控制的冗 余比特，使信息系列的各码元和添加的冗余码 元之间存在相关性，在接收端，信道译码器根 据这种相关性对接收的序列进行检查，从中发 现错误或者纠错 • 目的是为了尽量减小信道噪声或干扰的影响， 从而改善通信链路的性能。 • 分集、均衡和信道编码都被用于改进无线链路 的性能，以便减小瞬时误码率

移动通信第四章抗衰落技术

移动通信第四章抗衰落技术

S(
D) D g(D)
L
CL1DL1
...
C1D
C0
生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验 序列有很强的检错能力。 常用的几个L阶CRC生成多项式为：
CRC-16(L=16)： g(D)=D16+D15+D2+1 CRC-32(L=32)： g(D)= D32+D26+D23+D22+D16+D12+D11+D10
具有检错能力
一. 纠错编码
如果纠错编码可以纠正t个错码，检测e个错码（t<e）， 则： • 当接收码组在纠错能力范围之内：
按纠错方式工作 • 当接收码组在纠错能力范围之外，检错能力范围之内：
按检错方式工作
二. 常用的纠错编码：
▪ 奇偶校验码、CRC校验: 常用的检错码。
▪ 卷积码：主要可以纠随机差错，也具有一定 的纠正突发差错的能力。
得到：C(D)
S(D) ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱL
Remainder
g(D)
S(D) DL
C(D) Remainder
g(D)
D23 D21 D20 D18 D17 D16
Remainder
D16 D15 D2 1
(D7 D6 D4 D3 D)(D16 D15 D2 1) D9 D8 D7 D5 D4 D
第四章 抗衰落技术
二. 分集方式和方法 移动通信中有两类分集方式：
1. 宏分集
主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分 集。
其做法是把多个基站设置在不同的地理位置上 （如蜂窝小区的对角上）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通信）。

第四章抗衰落技术


12
合并问题
合并问题
–接收端收到M(M≥2)个分集信号后， 如何利用这些信号以减小衰落的影响 ，这就是合并问题。
一般均使用线性合并器， 把输入的M个独立衰落信号相加后合
并输出
假设M个输入信号电压为r1(t)， r2(t), …， rM(t)， 则合并器输出电压 r(t)为
M
r(t) a 1 r 1 (t) a 2 r 2 (t) a M r M (t)a kr k(t)
k 1
式中， ak为第k个信号的加权系数。
选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。
13
合并方式
合并方式
– 选择式合并 – 最大比值合并 – 等增益合并
选择式合并
– 检测所有分集支路的信号，选择其中信噪比最高的那一个支路的 信号作为合并器的输出。
– 在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。
M
rE rk
式中， 下标E表征等增益合并方式
k 1
优点：实现简单，性能接近于最大比值合并
17
分集合并性能的分析与比较
性能指标
– 信噪比
分集合并性能指标
– 分集合并前后信噪比的改善程度
三种合作方式性能比较的假设条件
– 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关， 噪声均值为零 ，
– 信号幅度的衰落速率 – 各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。
号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即
ak
rk Nk
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
rR
M
akrk
k1
M k1
rk2 Nk
式中， 下标R表征最大比值合并方式。
16
等增益合并

移动通信第4章抗衰落技术

Bc 1 2

如市区
3 s
Bc 53KHz
优点: 与空间分集相比，减少天线数目 缺点:占用更多的频谱资源，在发射端需要多部发射 机
18
分集接收技术--时间分集

用两个以上的时段传输同一组信息；如果各个时段之间的间隔 大于信道的相干时间，则每个时段所对应的信道衰落是相互独 立的；对这些不同时段的接收信号进行某种方式的合并，就可 以起到抗衰落的作用 要求重发时间间隔满足:

场分量分集 角度分集 极化分集

8
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）。
分集接收技术

按信号的传输方式可以分为:

显分集

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。 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、直接序列扩频等。 隐分集一般用在数字移动通信中。
31
信道编码技术—概述

在移动信道上,误码有两种类型:

随机性误码:

单个码元错误,并且随机发生,主要由噪声引起;

突发性误码:

连续数个码元发生错误,主要由于衰落或阴影造成
因此,信道编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)

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。 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。

移动通信-第4章-抗衰落技术


4.3.6 最小码距不纠错能力
一个(n，k)码，不论码字如何选择
• 要能发现e个码位的差错，必须最小码距de+1 • 要能纠正t个码位的错误，必须最小码距d2t+1 • 要能纠正t个码位的错误，同时发现e个码位的差错，必 须最小码距dt+e+1，且et
50
接收CNR中心值/dB
20
第4章 抗衰落技术
4.1 4.2 4.3 4.4 分集接收 RAKE接收 纠错编码技术 均衡技术
21
4.2.1 多径信号的分离不合并
• 多径的分离不合并
– 原因：无线传输信道是一个多径信道 – 目标：分离+合并多径信号，矢量和→标量和；增强信号、减小 干扰、减轻衰落 – 方法：分离：特征码、扩频/解扩 合并：RAKE接收技术
• 信号合并准则
– 最大信噪比准则 – 眼图最大张开度准则
– 误字率最小准则
15
4.1.11 合并信号的表达式
M个分集信号经合并器后的输出为r(t)
r (t ) a1r1 (t ) a 2 r2 (t ) a M rM (t ) a k rk (t )
ak为第k个信号的加权系数
• 最大比值合并
– 对每一支路的信号迚行加权合并，是一种最佳合并方式 – 每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak不信号包络 rk成正比而不噪声功率Nk成反比，即
rk ak Nk
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
M M
r (t ) ak rk (t )
k 1
M
16
4.1.12 选择式合并
• 选择式合并（开关式合并）
– 检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的 信号作为合并器的输出。在选择式合并器中，加权系数只有一项为 1，其余均为0

4 移动通信原理 第四章 抗衰落技术


（2）平均输出信噪比
γ s = γ0∑
1 k =1 k
M
其中 γ 0 为每个支路的平均信噪比。该式表明每增加一条分集支路，它对输出信 噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 （3）合并增益
Gs =
2．最大比合并（MRC）
γs M 1 =∑ γ 0 k =1 k
在接收端，将 M 个分集支路经过相位校正后，按适当的可变增益加权再同 相相加后送入检测器进行检测。 （1）原理图
4
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自不同的方向。在接收端，采用多个方向性很强（方向性尖锐）的接收天线就能 分离出衰落特性不相关的多个信号。 角度分集也是一种特殊的空间分集，它也要用多副天线，但它是利用多副天 线尖锐的方向性接收来自不同方向的不相关衰落信号。 同样多副方向性天线的间 距可以很近。也可将多副定向天线等效为不同角度的馈源集成于一副天线内实 现。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：实现工艺要求较高，且性能比空间分集差。 4．频率分集 （1）概念 将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只有载频之间间隔足够大（大 于相干带宽） ，那么在接收端就可得到衰落特性不相关的信号。 由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 利用这一点可以实现抗信道中频率选择性衰落的功能。 根据相干带宽的定义，即
4．1 分集接收技术
一．分集技术的基本概念（吴伟陵，移动通信原理 P205，电子工业出版社） 移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，又由于接收环 境的复杂性使信号往往多径传播，在接收点多径信号的叠加会产生严重的衰落， 接收信号质量严重下降。分集技术就是一种最重要、应用最广泛的抗衰落措施。 从概念上讲，我们可以将分集技术从两个方面来理解：即“分”和“集” 。 “分” ：分别接收，实质上，是利用接收信号在结构上和统计特性上的不同 特点将其加以区分； “集” ：集中处理，实质上，是按一定规律和原则（将分别接收的信号）进 行合并处理。 （从而充分利用信号能量，提高系统性能） 。
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合并问题
合并问题 接收端收到M(M≥2)个分集信号后， 如何利用这些信号以减小衰落的影响 ，这就是合并问题。
一般均使用线性合并器，
把输入的M个独立衰落信号相加后合
并输出
假设M个输入信号电压为r1(t)， r2(t), …， rM(t)， 则合并器输出电压 r(t)为
r (t ) a1r1 (t ) a2 r2 (t ) aM rM (t ) ak rk (t )
小的，因此合成信号C的衰落程度会明显减小。
3
分集接收
重要的前提条件
“非相关”条件是必不可少的，倘若两个衰落信号同步起伏，那 么这种分集方法就不会有任何效果。
分集有两重含义：
一是分散传输， 使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， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行 合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。
k 1
M
式中， ak为第k个信号的加权系数。
选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。

12
合并方式
合并方式
选择式合并 最大比值合并 等增益合并
选择式合并
检测所有分集支路的信号，选择其中信噪比最高的那一个支路的 信号作为合并器的输出。
在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。
极化分集是空间分集的特例
二重空间分集：采用两副天线 天线间的距离可缩短：仅利用不同极化的不相关衰落特性
缺点：
发射功率损失3dB：射频功率分给两个不同的极化天线
8
场分量分集
场分量分集的依据
利用电场和磁场在任何一点都不相关来进行分集。 由电磁场理论可知， 电磁波的E场和H场载有相同的消息， 而 反射机理是不同的。 例如，一个散射体反射E波和H波的驻波 图形相位差90°， 即当E波为最大时， H波为最小。 在移动信道中， 多个E波和H波叠加， 结果表明EZ、HX和HY的 分量是互不相关的， 因此， 通过接收三个场分量，也可以获 得分集的效果
抗衰落技术
衰落是影响通信质量的主要因素
快衰落的深度可达30~40dB,利用加大发射功率（1000~10000倍 ）来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰
抗衰落技术
分集接收
RAKE接收
均衡技术 纠错编码技术
1
主要内容

分集接收 RAKE接收 纠错编码技术 均衡技术
4
分集方式
在移动通信系统中可能用到两类分集方式
宏分集
主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。 这是一种减小 慢衰落影响的分集技术， 设置在不同地理位置、不同方向的多个基站，同时和小区内的一个 移动台进行通信。 显然， 只要在各个方向上的信号传播不是同时受 到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种办法就能保持 通信不会中断。
2
分集接收
什么是分集接收
接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行 特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。
举例：“选择式”合并法进行分集
A与B代表两个同一来源的独立衰落信号。在任意时刻，接收机选用其中
幅度大的一个信号， 可得到合成信号C。
由于在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极
13
选择式合并
举例：二重分集选择式合并
接收机 1
接收机 2
选择式合并又称开关式相加
优点：方法简单，实现容易 缺点：性能较差，未被选择支路的信号没有充分利用
优点
和空间分集一样，不需要象极化分集那样要损失3 dB的辐射功 率
9
角度分集
角度分集
使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端 利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量 由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集 并获得抗衰落的效果
较高频率容易实现
频率越高，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的信 号的相关性越弱
10
时间外，
还具有时间独
立性
即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间 隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收 机将重复收到的同一信号进行合并， 就能减小衰落的影响。
微分集
减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。 理论和实践都表明， 在空间、 频率、 极化、 场分量、 角度及时间 等方面分离的无线信号， 都呈现互相独立的衰落特性。
5
空间分集
空间分集的依据
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个信号，只要两个位置的距 离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。
空间分集的要求
接收机至少需要两副相隔距离为d的天线
间隔距离d与工作波长、 地物及天线高度有关 在移动信道中， 通常取：
市区 d=0.5λ
郊区 d=0.8λ

工作于高频段，空间分集更容易实现
6
频率分集
频率分集的依据
由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相 关的， 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集 。 回顾相关带宽的定义， 即 1 Bc 2 π
时间分集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
由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关， 因而为 了使重复传输的数字信号具有独立的特性， 必须保证数字信号的重 发时间间隔满足以下关系：
T
1 1 2 f m 2( / )
若移动台处于静止状态，即v=0，要求ΔT为无穷大，表明此时 时间分集的得益将丧失。换句话说，时间分集对静止状态的移动台 无助于减小衰落。
频率分集的要求
举例，市区中Δ=3μs,Bc约为53kHz，这样频率分集需要用两部以上的 发射机(频率相隔53kHz以上)同时发送同一信号，并用两部以上的独立接 收机来接收信号。
缺点：
设备复杂 频谱利用方面不经济
7
极化分集
极化分集的依据
由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和 接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收 信号，以获得分集效果。