移动通信(第4章)

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作用 尽量减小信道噪声或干扰的影响,是用来改善通信链路 性能的技术。
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信道均衡
当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时,信 号产生频率选择性衰落,接收信号就会产生失真, 它在时域表现为接收信号的码间干扰。
所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器 的网络,以补偿信道引起的失真。
均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变化而自行调 整。
1. 什么是分集接收
所谓分集接收,是指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。为说明问题,图1 给出了一种利用“选择式”合 并法进行分集的示意图。图中,A与B代表两个同一来源的独立 衰落信号。如果在任意时刻,接收机选用其中幅度大的一个信 号, 则可得到合成信号如图中C所示。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小的,因此合 成信号C的衰落程度会明显减小。不过,这里所说的“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。
此外,基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发射的 信号之间引入时域和空域相关,使得在接收端可以进行分集 接收,从而大大提高了信号质量。
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链路自适应技术
由于无线信道的特性是复杂的,包含了时、频、空三 维的衰落。如果能够根据信道的特性自适应地调整 传输速率,在信道条件好时提高传输速率,信道条 件差时降低传输速率,那么就可以有效地提高平均 吞吐量。
均 衡 技 术
扩 频 技 术
多 天 线 和 空 时 编
术链 路 自 适 应 技

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分集接收
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
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信道编码
基本思想 通过引入可控制的冗余比特,使信息序列的各码元和添 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到的序列进行检查,从中发现错误 或进行纠错。
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(6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立性之外,
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。时间分集主要用于在衰落信道
中传输数字信号。 此外, 时间分集也有利于克服移动信道中
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4.2.4 性能比较
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。
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4.2.5 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。
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 fm 2( / )
(3)
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式中,fm为衰落频率,v为车速,λ为工作波长。例如,移动体 速度v=30km/h和工作频率为450MHz,可算得ΔT≥40ms。
的平均功率。
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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 αk(t)中,只有一个等于1,其余的为0。
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1. 选择合并
由于M个分集支路的衰落是互不相关的,所有支路 的ξk(k=1,2,…,M)同时小于某个给定值x的概 率为
若x为接收机正常工作的门限,F(x)就是通信中断 的概率。而至少有一支路信噪比超过x的概率就是 使系统能正常通信的概率(可通率)为
我们将具体介绍AMC和HARQ两种链路自适应技术。
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4.2 分 集 技 术 分集接收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
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分集接收原理
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面的讨论中假设: ① 每支路的噪声与信号无关,为零均值、功率恒定
的加性噪声。 ② 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。 ③ 各支路信号相互独立,服从瑞利分布,具有相同
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图 1 选择式分集合并示意图
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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。
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2. 分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式: 一类称为 “宏分集”; 另一类称为“微分集”。 “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, 其作法是把 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(基站天线的架设可以防止这种情况发生), 这种办法就能保持通信不会中断。
移动通信
朱仁祥
zhurx@
电子与信息工程学院
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第四章 抗衰落和链路性能增强技术
4.1 概述 4.2 分集技术 4.3 信道编码 4.4 均衡技术 4.5 扩频通信 4.6 多天线和空时编码 4.7 链路自适应技术
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4.1 内 容 概 述
分 集 接 收 技 术
信 道 编 码 技 术
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3. 等增益合并
F(x) -x特性如图4.14所示:
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4.2.4 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。 选择合并
最大比值合并
等增益合并
通常用dB表示:D(dB)=10lg(D) ),图4.15给出了各种 D(dB)- M的关系曲线。
若移动台处于静止状态,即v=0,由式(3)可知,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此种衰落。
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4.2.3 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; αk(t)为第k支路信 号的加权因子。
市区 d=0.5λ
(1)
郊区 d=0.8λ
(2)
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(2) 频率分集。 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。 根据相关带 宽的定义, 即
Bc
1 2π
式中,Δ为延时扩展。例如,市区中Δ=3μs,Bc约为53kHz ,
4.2.5 分集对数字移动通信误码的影响
10 0 10 -1
Pb
无分集
10 -2
10 -3 10 -4
最大比值合并
等增益合并 选择合并
10 -5
dB
10 -6
0
5
10
15
20
25
30
图 4.2-16 M=2各种合并方式DPSK的平均误码率
则平均错误概率 Pe
Pe Pe ( ) PM ( )d
0
式中PM(ξ)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
Pb
1 2
e
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4.2.5 分集对数字移动通信误码的影响
1. 采用选择合并器的DPSK误码特性
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“微分集”是一种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。 据此, 微分集又可分 为下列六种。
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(1) 空间分集。 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,
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(4) 场分量分集。由电磁场理论可知,
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。 场分量分集不要求天
这样频率分集需要用两部以上的发射机(频率相隔53 kHz 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。它不仅使设备复杂,而且在频谱利用方面也很不经 济。
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(3) 极化分集。 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。
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1. 选择合并
F(x)- x的关系如图4.8所示。
由此可以看出, 在给定的门限 信噪比情况下, 随着分集支路 数的增加,所 需支路接收信 号的平均信噪 比在下降。
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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
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扩频技术
频率分集和时间分集 克服多径干扰 第三代移动通信无线传输的主流技术
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多天线和空时编码
多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置,充分利用 空间信息,大幅度提高信道容量的一种技术。
之前所说的多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种特例 SIMO,它是一种抗衰落的传统技术。后续的研究表明,如 果采用多天线发送,并且发送天线数不太大时,随着发送天 线数的增加,信道容量也相应的增加。由此也推动了无线通 信领域对于MIMO技术研究的热潮。
2. 最大比值合并
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,根据许瓦兹不等式
若使加权系数αk满足
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2. 最大比值合并
则有
这结果表明,若第k支路的加权系数αk和该支路信 号幅度rk成正比,和噪声功率Nk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: 通信中断概率F(x):
Pb
0
1 2
es
P(s )ds
M 2
M1CMk 1(1)k
k 0
1
1 k
2 . 采用最大比值合并器的DPSK误码特性
Pb
0
1 2
emr
p mr
dmr
1
2 1
M
3. 采用等增益合并器的DPSK误码特性
Pb
0
1 2
eeq
p
eq
deq
1
ctg-1 1
2(1 ) 2 1 3
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线间有实体上的间隔,因此适用于较低工作频段(例如低于
100 MHz)。当工作频率较高时(800~900MHz),空间分集在结
构上容易实现。
场分量分集和空间分集的优点是这两种方式不像极化分 集那样要损失3 dB的辐射功率。
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(5) 角度分集。 角度分集的作法是使电波通过几 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; 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。
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2. 最大比值合并
F(x)- x的特性如图4.11所示:
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3. 等增益合并
合并器输出的信号的包络等于
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3. 等增益合并
设各支路噪声平均功率相等,输出的信噪比为
对于M>2的情况,要求得 的累积分布函数和概 率密度函数是比较困难的,可以用数值方法求解, 但M=2时其累积分布函数为(推导过程略):
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