数字移动通信第08讲 第05章 抗衰落技术-1
移动通信抗衰落技术
OFDM在移动通信抗衰落中的应用摘要：针对移动通信信道的衰落，人们提出了许多解决方法。
OFDM是其中比较好的一种，文章简要论述了一下OFDM的基本原理，求出子载频正交的条件，并考察了OFDM在频域中的特点。
最后论述了OFDM在应用中的优缺点。
关键词：抗衰落OFDM原理优缺点移动通信信道是一个非常恶劣的通信环境，其中既有噪声、干扰也存在衰落，这三个方面的因素对移动通信系统的性能都会产生一定的负面影响，而其中衰落时我们最为关注的因素，因为衰落时移动信道的基本特性，信号在传输过程中会有信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量。
移动通信要得以实现也必须有相应的技术来克服这些因素的影响。
一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和信道编码。
分集是抗衰落的主要技术，均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰，如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。
而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。
若信道不理想，在已调信号频带上很那保持理想传输特性时，会造成信号的严重失真和码间串扰。
为了解决这个问题，除了采用均衡器外，途径之一就是采用多个载波，将信道分成许多子信道。
将基带马援均匀分散地对每个子信道的载波调制。
假设有10个子信道，若每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。
若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。
随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽，今日多媒体通信的信息传输速率已经到达若干Mb/s，并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。
为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视，正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。
OFDM也是一类多载波并行调制的体制。
为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠。
移动通信中的衰落和抗衰落技术
移动通信中的衰落和抗衰落技术小结衰落的起因移动通信的传输媒介是发射机和接收机之间的无线信道，主要传播方式有直射、反射、绕射、散射等。
信号从发射机到接收机就会有很多不同的传播路径，信号经过每条路径的幅度和时延都不相同，多径分量之间有着不同的相移，这种现象叫做多径传播。
接收机无法辨别不同的多径分量，只是简单地把它们叠加起来，以至于彼此间相互干涉，这种干涉或相消或相长，会引起合成信号幅度的变化，这种效应-由不同的多径分量引起合成信号幅度的变化--称为小尺度衰落。
由于电磁波经过建筑传输，导致直射波的多径分量的幅度大大降低，这种效应叫做阴影效应，会导致大尺度衰落。
多径在宽带系统中的影响可采用两种不同的方式解释：1、信道传输函数随带宽而变化，也称为信道的频率选择性；2、信道的冲激响应会有延迟，即时延色散。
两种解释互为傅里叶变换。
相干带宽定义为相关系数小于一定门限的频率差，相干时间也是如此。
系统带宽大于相干带宽就会产生频率选择性衰落，小于相干带宽产生平坦衰落。
由相干时间决定的也会产生快衰落和慢衰落。
抗衰落技术♦分集技术♦RAKE接收♦纠错编码技术♦均衡技术分集分集的基本原理就是同一信息通过多个统计独立的信道到达接收机，用两个及以上的天线去接收，如果其中一路发生了衰落深陷，另外一路有可能没有，这样，就降低了中断概率，改善了接收端SNR的统计特性。
分集分为宏分集和微分集。
宏分集一般用于克服大尺度衰落，微分集用于克服小尺度衰落。
常见的微分集方法：空间分集：利用空间分离的天线。
时间分集：接收不同时刻的发送信号。
频率分集：在不同载频上传输信号。
角度分集：使用不同天线方向图的多个天线。
极化分集：多个天线接收不同方向的信号。
分集后的处理：1、选择合并。
选择并处理最佳的副本信号，其余副本全部丢弃。
2、合并分集。
合并所有的信号，再对合并的副本进行解码。
RAKE接收RAKE接收本质上也是一种多径分集接收机。
RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。
移动通信的抗衰落与技术
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角度分集(Angle diversity)
角度分集是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。 这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可实 现角度分集并获得抗衰落的效果。 角度分集在较高频率时容易实现。
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分集的分类
按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统 计特性，可分为空间、频率、时间三大基本类型 ； 按“集”划分，即按集合、合并方式划分，可分 为选择合并、等增益合并与最大比值合并； 若按照合并的位置可分为射频合并、中频合并与 基带合并，而最常用的为基带合并； 分集还可以划分为接收端分集、发送端分集以及 发/收联合分集。即多入/多出(MIMO)系统；
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第五章 抗衰落技术
5.1 分集 5.2 编码 5.3 均衡
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分集
分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以大大提高多 径衰落信道下的传输可靠性。 空间分集技术早已成功应用于模拟的短波通信与模拟移 动通信系统，对于数字式移动通信，特别是第二代移动 通信，分集技术有了更加广泛的应用。 在GSM系统的上行链路基站端，广泛采用二重空间分 集接收。在IS-95系统中，除上行采用二重空间分集 接收以外，上下行链路均采用隐分集形式的RAKE接收 ，另外在小区软切换中也利用RAKE接收的宏分集。
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空间分集（space diversity）
空间分集是利用不同接收地点(空间)位置的不同，利用不同 地点接收到信号在统计上不相关性，即衰落性质上的不一样， 实现抗衰落的性能。 在空间分集中，由于在接收端采用了N副天线，若它们尺寸、 形状、增益相同，那么空间分集除了可以获得抗衰落的分集增 益以外，还可以获得由于设备能力的增加而获得的设备增益， 比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。 接收天线间隔d，与工作波长、地物及天线高度有关，在移动 信道中通常取 ： 0.5波长（市区） 0.8波长（郊区） 在900MHz的频段工作时，两副天线的间隔只需0.27m。
第05章抗衰落技术
➢ 从哪里可以获得不同的分集支路？ ➢ 如何使得各支路衰落尽可能不相关？ ➢ 如何处理多个不同分集支路获得的信息？
数字移动通信 5-14
5.2.1 分集原理及分类
一、分集原理
接收端对收到的经过多个相互独立路 径传输的信号（携带同一信息）进行特 定处理，来减小衰落的深度与持续时间。
Bc ➢f
数字移动通信 5-24
4、角度分集
基本原理
➢ 由于地形地貌和建筑物等环境因素不同，不同路径达 到接收端的信号可能来自于不同方向。
➢ 采用方向性天线，分别指向不同的信号达到角度，则 每个方向上的多径信号是不相关的，从而得到分集的 信号。
分集技术 (Diversity Techniques) —出发点：有意识地分离多径信号并恰当合并以提高接
收信号的信噪比来抗衰落 —常用的分集技术包括空间分集、频率分集和时间分集等 —CDMA系统常使用RAKE接收机来改善链路性能
数字移动通信
5.1 概述
均衡技术(Equalization Techniques) —出发点：通过补偿信道衰落引起的畸变来减小
数字移动通信 5-20
1、空间分集
实例:假定短波电台的传输频率为20MHz，依据空 间分集的要求，如何使用两根接收天线，天线之间至 少需要相隔多远？ 对应的波长为15m 天线之间至少相距7.5m
数字移动通信 5-21
仍然未解决的问题
为什么要让天线相距这么远呢？ 为了保证各天线收到信号的非相关性 如果各路信号具有一定相关性会对分集性能产生什 么影响呢？
数字移动通信 5-15
一、分集原理
分集的概念包含了两层意思（分开+集合）
➢ 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；
抗衰落技术无线通信ppt课件
T
T
T
T
C1
C2
C3
CN
横向滤波均衡器原理框图
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时域均衡器（2）：非线性均衡器
• 适用于衰落深度很大的情况。但算法相对
复杂，且稳定性差和收敛时间长。
•判决反馈均衡器（DFE）； •最大似然符号检测（ML）； •最大似然序列检测（MLSE）。
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时域均衡器（2）：非线性均衡器（续）
T
T
T
T
C1
Z zk nz t n e z j0n t kt c
n
n e j0n R z n kt c
n
如果对某些n（记为n1），存在某个n1使得 n1 / tc k，就1有：
Z zk ne j0n R z n ktc
计平方误差最小。
• 特点：收敛速度快，跟踪性能好。 • 缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问
题。
• 在无线中适用于快衰落信道。
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瑞克技术
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什么叫瑞克（Rake）技术
• 抗多径技术的回顾： －时域均衡适合于信号不可分离多径的场合，在接收端解决符号间干 扰问题。 －一般分集适合于能建立多个相互独立的路径，在接收端进行最佳合 并。 －瑞克技术既不同于均衡，也不同于分集，它由多径分离和多径合并 两部分组成。
Rc Rc01 / t0 , t0
-tC
0
tC
24
多径信号的分离（续）
• 多径信号的相关分离
考虑一个具有n条路径的扩频多径信号：
Z t nz t n ej2f0n
n
此信号和扩频信号的本地码zk=z(t-ktC)进行相关运算，得到：
北京工业大学移动通信作业答案
北京⼯业⼤学移动通信作业答案第⼀章绪论1、移动通信的⼯作⽅式主要有⼏种？蜂窝式移动通信系统采⽤哪种⽅式？双⼯⽅式分类。
答：移动通信的⼯作⽅式：单⼯、双⼯、半双⼯。
蜂窝式移动通信系统采⽤双⼯。
双⼯⽅式分类：时分双⼯（TDD）、频分双⼯（FDD）。
2、什么叫移动通信？有哪些主要特点？答：移动通信是指通信双⽅中⾄少有⼀⽅在移动中(或暂时停留在某处)进⾏信息传递的通信⽅式，成为现代通信中发展最快的通信⼿段之⼀。
特点：利⽤⽆线电波进⾏信息传输；在强⼲扰环境(外部⼲扰+内部⼲扰)下⼯作；⽆线电频率资源⾮常有限；提⾼通信容量；对移动终端设备要求⾼，必须适合移动环境；系统复杂，⽹络管理和控制必须有效。
3、1G、2G、3G、4G移动通信系统的主要特点对⽐。
答：1G：全⾃动拨号，全双⼯⽅式，越区频道转换，⾃动漫游。
是模拟通信系统，采⽤⼩区制，蜂窝组⽹，多址接⼊⽅式为频分多址FDMA，调制⽅式为FM。
2G：数字移动通信系统；采⽤⼩区制，微蜂窝组⽹；能够承载低速的数据业务；调制⽅式有GMSK、QPSK等；多址接⼊⽅式为时分多址TDMA和码分多址CDMA；采⽤均衡技术和RAKE接收技术，抗⼲扰多径衰落能⼒强；保密性好。
3G：微蜂窝结构，宽带CDMA技术；调制⽅式QPSK⾃适应调制；多址⽅式主要是CDMA，电路交换采⽤分组交换；具备⽀持多媒体传输能⼒的要求。
4G：是⼀个可称为宽带接⼊和分布式⽹络，是功能集成的宽带移动通信系统，是⼴带⽆线固定接⼊、⼴带⽆线局域⽹、移动⼴带系统和互操作的的⼴播⽹络，是⼀个全IP的⽹络结构，包括核⼼⽹和⽆线接⼝，采⽤多种新的技术和⽅法来⽀撑。
4、移动通信中的⼲扰主要有哪些，哪种⼲扰是蜂窝移动通信系统所特有的？答：互调⼲扰：两个或多个信号作⽤在通信设备的⾮线性器件上，产⽣同有⽤信号频率相近的组合频率，从⽽构成⼲扰，如：接收机的混频。
邻道⼲扰：相邻或邻近的信道(或频道)之间，由于⼀个强信号串扰弱信号⽽造成的⼲扰。
移动通信第5章 抗衰落技术
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。
5.1.1 独立衰落路径的实现
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。 据此，微分集又可分为下列6种。
5.2 纠错编码
为了降低比特或者数据帧的错误概 率，在传送数字信号时往往要根据不同 情况进行各种编码。 在信息码元序列中加入监督码元就 称为差错控制编码，也称为纠错编码。 通过纠错编码，信道中的比特差错 可以通过接收端的译码器进行检测或者 纠正。
无线通信系统采用纠错编码的目标主 要是为了降低误码率或误帧率，而衡量不 同纠错编码对这些错误概率降低程度的指 标是编码增益。 为了说明信道编码的作用，图5-6给出 了两条描述通信系统误比特率与 Eb / N0 的 关系曲线，其中一条代表了一种典型的未 编码的情况而另一条为采用某种编码后的 情况，两者采用相同的调制方法和同样的 信道。
0
由图5-5可见，在相同分集重数（即M 相同）情况下，最大比值合并方式对信噪 比的改善最多，等增益合并方式次之，选 择式合并最差。 在分集重数M较小时，等增益合并的 平均信噪比改善与最大比值合并接近，而 等增益合并的运算复杂度要比最大比合并 低得多，因此实际系统中一般都采用等增 益合并。
图5-5 3种合并方式的D(M)与M关系曲线
各个支路同相相加，因此合并输出 M 的包络是 r ai ri 。 i 1 假设每个支路的噪声功率谱密度都 是 N 0 / 2 ，则合并输出的总噪声功率谱密 M 2 N / 2 a N 0 / 2 ，这样，可得MRC合 度是 tot i 1 并输出的信噪比为 M 2 ai ri 2 r 1
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纠正衰落引起的误码 信道编码技术
二、分集技术的基本概念
具体研究点： 从哪里可以获得不同的分集支路？ 怎么获得好的分集效果？ 怎样合并来自多个分集支路的信息？
二、分集技术的基本概念
1、采用分集提高接收性能的原理 思考：通过多重接收来对抗衰落，前提是什么？
承载同一信息，统计上相互独立的传输信号样值
{0} {0} {0} {0} {0}
t1
t2
t3
t4
t5
t
四、典型的分集方式
2、时间分集
实例分析
数据速率 （bps）
2400 1200 600 300 150
75
编码效率
差错编码方式
1/2 1/2 1/2 1/4 1/8 1/16
编码率为1/2的卷积码 编码率为1/2的卷积码 编码率为1/2的卷积码 编码率为1/2的卷积码（重复2次） 编码率为1/2的卷积码（重复4次）
四、典型的分集方式
1、空间分集
思考：怎样获得好的空间分集效果？ 天线间距大 GSM系统（900MHz）：天线间隔大于4米 3G系统：天线间隔大于2米 天线数量多
四、典型的分集方式
2、时间分集
理论依据：以超过信道相干时间的时间间隔重复发送 信号，则多次接收信号间具有一定的非相关性。 分集出发点：在多个时刻重复发送同一信息。 实现途径：发送信号的时间间隔大于信道的相干时间 －> 得到独立的时间分集支路。
编码率为1/2的卷积码（重复8次）
四、典型的分集方式
3、频率分集
理论依据：以超过信道相干带宽的频率间隔重复发送 信号，则多次接收信号间具有一定的非相关性。 分集出发点：将信息用不同的载频发送出去实现分集。 实现途径：载频的频率间隔大于信道的相干带宽 －> 信号在频域上的独立性。
{0} {0} {0} {0} {0}
t
一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落， 而另一条与之相互独立的路径中可能仍包含着较强的信 号。
ห้องสมุดไป่ตู้
二、分集技术的基本概念
1、采用分集提高接收性能的原理
分集接收的基本原理： 接收端对收到的经过多个相互独立路径传输的信号 （携带同一信息）进行特定处理。 减小衰落的深度与持续时间对信号传输的不利影响。
我们关注的重点：微分集！
小山
小山
路
顶点激励消除障碍物阴影
四、典型的分集方式
1、空间分集
理论依据：天线间的相隔距离等于或大于半波长，则 从不同的天线上收到的信号包络基本上是非相关的。 分集出发点：通过多个天线形成多个相互独立的路径。 实现途径：天线的间隔d足够大，接收（或发射）天线 至少2个。
二、分集技术的基本概念
2、分集的含义
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，把收到的多个统计独立的衰落信
需要号解进决行两合并方以面降的低衰问落题的影响。 如何获得多路独立的信号－>多径分离 如何合并多路独立的信号－>信号合并
三、分集技术的分类
蔽引起；
衰落余量
R(d) 多径衰落：多径时延及多普勒频移。
思考：需对要信利号的用影信响号有处多理大技？ 术改进移动 信可道达的40链～路50d传B，输偶性尔能可！达80dB！
一、 抗衰落技术的基本原理
2、抗衰落技术的原理
针对衰落信号特点，采取相应 措施。典型措施有：
多重接收 补偿信道失真
分集技术 均衡技术
上次课重点回顾
1、什么是多信道共用？多信道共用的容量受到哪些因素 的影响？
2、如何计算多信道共用的容量和信道利用率？ 3、位置更新是如何完成的？ 4、越区切换的控制策略有哪几种？
第5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 5.4 多径信号的分离与合并 5.5 发射分集与空时编码
分集出发点：用两付极化方向相互正交的天线实现分 集。
实现途径：垂直极化和水平极化等。
四、典型的分集方式
4、极化分集
思考：采用极化分集有什么好处？ 可用于天线架设场地受限的场景，空间分集不易获 得衰落独立信号的情况下。 在天线距离较小的情况下，二重极化分集可能比二 重空间分集更合适。
电话打不通 通话断断续续 手机没信号 信号忽好忽坏 … 思考：为什么会出现这些现象？ 提示：第2章对移动通信信道 的学习给我们哪些启示？
一、抗衰落技术的基本原理
1、回顾移动信道特性
P(d) d n S(d) R(d)
自由空间传播损耗|d|-n ； 增大发射功率
S(d)阴影衰落：地形起伏、建筑物及障碍物的遮
第一次课 第二次课 第三次课
本章解决的主要问题
本章围绕如何在复杂无线电波传播环境下， 可靠有效地传输信号展开讨论。
抗衰落技术基本原理 分集技术 自适应均衡技术 RAKE接收 空时分组码
本次课的内容及要求
内容：抗衰落技术基本原理及分集技术
要求： 1. 掌握分集的基本概念、基本原理及方法。 2. 理解常用的分集与合并方式原理。
1、从“分”的角度划分
按接收信号样值的结构和统计特性 空间分集 频率分集 时间分集 极化分集
三、分集技术的分类
2、从“集”的角度划分
按集合、合并方式 选择式合并 等增益合并 最大比合并
三、分集技术的分类
3、从分集区域划分
宏分集：抗慢变衰落，多基站分 集。
微分集：抗快速变化的衰落，时 间分集、空间分集、极化分集和角 度分集等。
重点：分集的基本概念 难点：典型分集技术的使用条件、分集合并方法
本次课需要解决的主要问题
1、分集技术的基本原理是什么？ 2、典型的分集方式有哪些？实现途径是什么？ 3、合并方式可以分为哪几种类型？
一、抗衰落技术基本原理
当你处于以下场景时
电梯里
高铁上
高山上
地铁里
一、抗衰落技术基本原理
你是否经常遇到以下情况：
f1
f2
f3
f4
f5
f
四、典型的分集方式
3、频率分集
实例分析 跳频：跳频频率间隔大于相关带宽 扩频：CDMA系统中多个用户共享同一宽带载波，把 有用信号扩展到一个较宽的频带上，也可以起到频率 分集的效果。
扩频前带宽
扩频后带宽
四、典型的分集方式
4、极化分集
理论依据：在移动环境中，两个在同一个地点，但极 化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落 特性。