第5讲(无线信道、问题及解决)

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上讲内容（2）
建立和维持通信链路所需的技术 检测 反向接入 估计 16QAM软解调 AFC
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本讲内容
移动通信系统所处的信道环境
信道引起的问题及其一般解决方法 CDMA系统信道问题的解决
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信道环境
模型 物理机制 特点 仿真
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传播的物理机制：多径（2）
多径传播造成空间上的扩散，引起空 间选择性
对于移动无线信道，空间不相干性导 致时间不相干性，即小尺度衰落造成 移动无线系统的时间选择性
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例子：两径信道
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传播特点（1）：衰落
时间相干性：快衰落和慢衰落 频率相干性：频率选择性和平坦衰落 空间相干性：大尺度衰落和小尺度衰
,
, n 1,2,...,M n M 1
,
n
d d
cos 2n , n
N ,n M 1
1,2,...,M
, n
( , ),
d 2fd , N 4M 2
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本讲内容
移动通信系统所处的信道环境
信道引起的问题及其解决方法
CDMA系统信道问题的解决
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信道仿真
移动无线系统的基带信道建模成权 值为独立的瑞利随机变量的FIR滤波 器
最常用的信道仿真方法分为频域和 时域
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基带频域Rayleigh衰落仿真
g*
g*
N 1 2
N
2
g g N 1
2 N 2
-fm
0
fm
1、互相独立的复高斯 样本的线谱 2、负频率分量是其正 频率分量的共轭
信道造成的问题
卷积/滤波
收发机带限和多径信道造成信号失真（提高Eb/No 达到性能要求无效）
唯一的方法是减少或消除失真
乘性
误比特率性能转到瑞利界限曲线 可采用分集技术和纠错码（+交织）进一步改善衰
落的影响
加性
性能达到“噪声中确知信号”系统 可采用相干/非相干积累技术
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CDMA系统中的软切换和更软切换技术
特点
移动台和基站同时通过多条空中接口信道通信
二者异同点
移动台侧类似 软切换时上行信号在RNC进行选择性合并，且
有两个功控环路 更软切换时，上行信号送入基站的同一基带
RAKE接收机进行合并，仅有一个功控环路
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采用交织、差错编码、ARQ增加信号冗余度和（时 间分集）
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CDMA系统中Rake接收技术（1）
rl (t) 1W
Bello在1963
年针对衰落 S* dpch,n
(k
)
d
(c
)
(k
)
SFc
现象提出的
k 1
宽平稳不相
c1 (t)
关散射概念 （WSSUS）
rl (t) 1W
S
* dpch,n
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解决方法（1）：链路预算
路径损耗 噪声系数／噪声温度 链路余量
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基站
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链路余量
移动台
平均路径损耗
对数正态／大尺度衰落
≈1％～2％
大尺度衰落容限 6～10dB
瑞利／小尺度衰落 小尺度衰落容限 20～30dB
≈1％～2％
接收功率
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解决方法（2）：信号处理
AC t cos 2 f0t t
其中，
C t a12 2a1a2 cos 2 fdt a22
t
tan
1
a1
a2 sin 2 fd a2 cos 2
t fdt
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传播的物理机制2：多径（1）
多径传播的时间扩散导致频率选择 性衰落 在时域上引入（基带）码间干扰 在频域上造成峰和谷
(k
)
SFd
k 1
c1* (t)
1W
1W
SFc
k1
c2 (t)
SFc
k1
c3 (t)
1W
1W
SFd
k 1
c2* (t)
SFd
k 1
c3* (t)
1W
SFc
k1
cL (t)
1W
SFd
k 1
cL* (t)
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d
(d j
)
(m)
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CDMA系统中Rake接收技术（2）
利用宽带信号的高分辨率分离多径信号
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信道模型（1）
信源
发射机
路径损耗
加性噪声（干扰） 信号传输：卷积/滤波
信宿
接收机
对数正态分布 （阴影衰落）
瑞利分布 （多普勒扩展）
独立多径 （时延扩展）
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AWGN
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信道模型（2）
移动无线信道模型用同态（乘和卷积）性的传播特 性和加性的噪声（干扰）特性两部分表示
抗卷积性失真：脉冲成形、均衡、RAKE+信道估计（扩 频信号＋导频信号）、OFDM
抗乘性失真 快衰落 非相干或差分相干方式的稳健调制 纠错编码降低对Eb/N0的要求 慢衰落 信道估计、分集 交织+纠错编码
抗加性噪声（干扰） 交织+纠错编码 分集（利用加性独立的信号来提高信号信噪比）
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CDMA系统中的功率控制技术
开环功率控制技术
利用下行信号功率，预测路径损耗，计算发送功率 FDD方式时，上下行频段不同，误差大
闭环（内环）功率控制
对上行信号的接收信干比进行实时计算，产生功率控制比特发到 移动台控制其发射功率
需要占用信道资源，存在反应时间问题 对不同类型的信道所需信干比不同（导致采用外环功控）
收发机的相对运动导致信道的时变特性 （多普勒扩展）
从频域角度看，当信道衰落率大于码元速率时 信道成为快衰落信道，否则成为慢衰落信道
从时间角度看，信道相关时间大于码元时间时 信道为慢衰落，否则称为快衰落
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例子：两个具有不同多普勒频移的信号
y(t) A a1 cos 2 f0t a2 cos 2 f0 fd t
上讲内容（1）
CDMA RF载波选择
调谐到CDMA载波
移动台获取导 频信道和同步信道
移动台获取寻呼 信道并且对消息进行监控
系统初始化状态 系统空闲状态
移动台通过反向接入信道发送信息； 基站通过寻呼信道发送信息
系统接入状态
业务信道状态
在下行和上行专用信道上 进行语音和数据通信。
相关的控制信息： — 传输格式 — 功控比特
• 共享频谱 • 上行的干扰：多径和非同步发射 • 下行的干扰：多径和邻小区下行发射信号 • 与前端热噪声相比，其他用户信号的干扰很强 • 用户与基站距离不同导致远近效应
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CDMA系统中解决 信道问题的主要技术（1）
RAKE接收机 扩频序列的高距离分辨力使之成为可能 由于信道具有慢衰落特点，可以采用信道估计， 从而实现最大比合并 一举解决信道的卷积、乘性和加性引起的问题
数字无线通信系统中，系统带宽与信道传 递函数相比，如果传递函数在系统带宽范 围内有明显变化（频率选择性信道），称 该系统是宽带系统
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度（时间、频率）规划有更大的容量 由于共享频谱和PN序列的非理想自相关特性导致
了远近效应等副作用，从而需要精确功控和软切换 技术
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“宽带”的三种含义
射频工程中，如果信息带宽比中心频率大， 称为宽带系统
模拟调频中，描述的是调制方式的一种属 性：如果调制带宽大于调制信号的带宽， 称为宽带调频
Chip均衡器 干扰抵消器
解决信道问题的同时，也可解决远近效应问题
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CDMA系统中解决 信道问题的主要技术（2）
精确功控 远近效应（上行）、小区边缘强干扰（下行） 对抗慢衰落，缓解加性信道问题
软切换和更软切换 20%～40%的连接发生在小区的连接区、5%～ 15%的连接发生在扇区间 对于下行来讲，有效利用多基站发射信号 （对邻小区）远近效应要求
传播特性可以用“路径损耗＋对数正态分布＋瑞利 分布”+“独立多径”来表征
加性的噪声或干扰一般用高斯白噪声表征 网络规划和信号处理技术共同解决问题
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加性噪声（干扰）（1）
种类 邻道干扰（ACI） 同道干扰：多址干扰（MAI） 热噪声
热噪声的功率谱密度 0～1012Hz内可近似为常数（N0） 自相关函数为N0/2 δ (τ) N0=kT，k=1.37×10-23Ws/K，是Boltzman 常数
闭环（外环）功率控制
根据实测误帧率实时改变功控门限 补偿环境变化引起的慢衰落
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CDMA系统的技术总结
多径分辨能力，可采用RAKE接收机 扩频增益（以增加带宽为代价）使小区间的频率复
用因子为1（一个频率用于每个小区/扇区） 采用功控技术是多个用户的多址干扰被平均 扩频增益和高效纠错码技术使得按干扰规划比按尺
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本讲内容
移动通信系统所处的信道环境 信道引起的问题及其解决方法
CDMA系统中问题的解决
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CDMA系统信号特点
• 具有扩频增益 • 采用扩频信号，具有高时间/距离分辨能力
• WCDMA是78m、CDMA2000是244m • CDMA系统中的加性噪声主要为多址干扰
通过导频信道估计信道系数 将每个径上的相关接收机输出进行相位/幅度（最大比）合并，
并送给解码器 多径引起的多址干扰，由扩频比抑制 比均衡接收计算量小（1G左右）
在切换区接收多个基站信号进行分集合并
相邻基站采用相同载频 不同PN码偏移区分不同基站信号 可进行不同基站的信道估计 从而实现软切换（不间断通信）
uc (t)
2 N
M 1
an cos(nt n ), us (t)
n1
2 N
M 1
bn cos(nt n )
n1
an
2
c os n , 2 cos
n
M
1,2,. 1, n
..,M M
, 1
bn
2sin n , n 1,2,...,M
2 sin M 1, n M 1
n
n
M
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级联系统的噪声系数
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加性噪声（干扰）（2）
级联系统的噪声系数
(F-1)N0
N0
G
GFN 0
G1 F1 N 0
N0
G1 ， F1
G2 ， F2
输出噪声： G2G1F1N0 (F2 -1)N 0
F
F1
F2 1 G1
F3 1 G1G2
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高斯白噪声的仿真
产生均匀分布的随机变量 Knuth 算法 Mersenne Twister(MT)算法
产生（m，σ）高斯变量 Box-Muller 算法
经过低通滤波器
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研究信道的两种工具
确定性（物理） 自由空间传播 反射 衍射 折射
非确定性 经验公式 不同环境的中值路径损耗 统计方法（概率分布和时间相关特性） 衰落
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传播的物理机制1：移动
落、移动衰落
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传播特点（2）：描述
发射码元间隔
Ts
平坦慢衰落
平坦快衰落
频率选择性
频率选择性
慢衰落
Tcoh
快衰落
T 发射码元s 间隔
发射基带信号带宽
Bs
频率选择性
频率选择性
快衰落
慢衰落
Bcoh
平坦快衰落
平坦慢衰落
D
Bs
发射基带信号带宽
Tcoh 相干时间 D 多普勒扩展 多径时延扩展 Bcoh 相干带宽
SE ( f )
-fm
fm
1.5
SE( f )
f m
1
f
fc fm
fm是最大多普勒频移 fc是载频
IFFT
2
2
g*
g*
N 1 2
N
2
g g N 1
2 N 2
-fm
0
fm
SE ( f )
-fm
fm
IFFT
-900
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正弦波叠加的仿真模型
u(t) uc (t) jus (t)