第5章 抗衰落技术
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。
移动通信抗衰落技术
扩频技术的基本思想
? 在发射端使用传统的调制方式调制有效信号； 然后使用扩频编码调制载波，使其扩展到一 个非常大的带宽内，实现频谱展宽。在接收 端利用相反过程得到原始信号。
分集接收技术
分集方式主要有以下两种：
? 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和不 同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。
? 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。可以分为时间分集、 空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集和角 度分集六种，常用的只是前三种。
分集接收技术的适用范围
? ①在平坦性信道上接收衰落深度和衰落持续 时间大的信号
? ②来自地形地物造成的阴影衰落（宏观信号 衰落）
? ③在微波信号的传播过程中,由于受地面或 水面反射和大气折射的影响,会产生多个经 过不同路径到达接收机的信号,造成多径衰 落（微观衰落）
合并技术的适用范围
? 合并技术是对应分集技术而言的，在接收端 取得M条相互独立的支路信号以后，把经过 相位调整和试验后的各分集支路信号相加， 从而获得分集增益。，在所有的使用分集技 术的时候，对应的需要应用到合并技术。
Hale Waihona Puke 合并技术的基本思想? 合并技术是指在接收端取得M条相互独立的 支路信号以后，对各支路信号进行相位调整 和时延，然后根据一定的条件，运用一定的 方式、手段对信号进行选择、合并，从而获 得分集增益。
均衡技术的基本思想
? 在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正 和补偿系统特性，减少码间干扰的影响，这种起补 偿作用的滤波器称为均衡器。均衡器通常是用滤波 器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决 器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或 者清除了码间干扰之后的样本。
移动通信(第四版)第5章 抗衰落技术
– 盲均衡方式
• 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。
• 当信道特性随时间变化时 – 自适应均衡
• 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。
第5章 均衡和分集技术
第5章 均衡和分集技术
5.2 均衡基本概念
• 采用增加增加信号电平的方法来降低迟延扩展引 起的误码率是完全徒劳的， 起的误码率是完全徒劳的，只有采用自适应均衡 才是根本的解决办法。 才是根本的解决办法。
第5章 均衡和分集技术
均衡技术
在信道特性C(ω)确知条件下，人们可以精心设计接收和 确知条件下， 在信道特性 确.1 简介
• 均衡技术指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实 均衡技术指各种用来处理码间干扰 指各种用来处理码间干扰 的算法和实 现方法。在移动环境中， 现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 • 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的，它通常要通 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的， 过两个或更多的接收天线来实现。 过两个或更多的接收天线来实现。CDMA系统通常 系统通常 使用RAKE接收机，它能通过时间分集来改善链路 接收机， 使用 接收机 性能。 性能。
第5章 均衡和分集技术
• 移动通信抗干扰背景
• 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 除存在大量的环境噪声和干扰外， 除存在大量的环境噪声和干扰外，还存在大量电台产生的干 扰，如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 • 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时，必须预计 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时， 到网络运行环境中会出现的各种干扰(包括网络外部产生的 到网络运行环境中会出现的各种干扰 ( 包括网络外部产生的 干扰和网络自身产生的干扰)强度， 并采取有效措施， 干扰和网络自身产生的干扰 强度， 并采取有效措施， 保证 强度 网络在运行时， 网络在运行时，干扰电平和有用信号相比不超过预定的门限 通常用信噪比S／ 或载干比 或载干比C／ 来度量 来度量)， 值(通常用信噪比 ／N或载干比 ／I来度量 ， 或者保证传 通常用信噪比 输差错率不超过预定的数量级。 输差错率不超过预定的数量级。
10次课 第05章 抗衰落技术-2
BS：4个并行相关器+1个搜索相关器，非相关接收最大 比合并。
移动通信概论
四、RAKE接收机
3、IS-95系统中的RAKE接收
并行相关器 1 并行相关器 2 并行相关器 3 搜索相关器 合 并
搜索相关器用于搜索最强的多径信号，得到多路多径信 号的相位、到达时刻和强度等参数。
移动通信概论
四、RAKE接收机
• 远近效应
• 可以采用Rake接收机抑制多径传播问题
移动通信概论
思考题
• • • • 两个相近的概念：复用与多址 FDM、TDM、SDM FDMA、TDMA、SDMA 有什么区别与联系呢？
移动通信概论
二、多径信号分离与合并的概念
信号经过多径传播产生时延扩展
t t0
(a)
t1 t1
t 11
t1
t 12
信号中的各路信号，并把它们合并在一起
移动通信概论
四、RAKE接收机
移动通信概论
四、RAKE接收机
2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分
集接收器
由于扩频码的自相关特性，当多径信号相互
间的时延超过一个码片周期时，那么它们将
被看作是互不相关的。
移动通信概论
四、RAKE接收机
2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分
移动通信概论
二、多径信号分离与合并的概念
• 关键点： 多径信号要可分离
一般通信系统--------》符号级串 扰，不可分离 CDMA通信系统-----》码片级串扰
符号级不可分离，符号级扩频到码 片级后可不可以分离了呢？条件是什么？
移动通信概论
二、多径信号分离与合并的概念
• 分离的基础： 扩频码要求具有尖锐的自相关特性 保证多径时间对 准后解扩，具有有尖 锐的峰值特性，便于 多径信号的分离。
3.抗衰落技术
CDMA 移动通信技术
CDMA移抗动衰通落技技术术
精选完整ppt课件
清华大学
14
微波与数字通信技术国家重点实验室
对抗原理（续）
• 对抗频率选择性衰落的主要方法： －分集技术； －瑞克技术； －均衡技术； －纠错技术。
CDMA 移动通信技术
CDMA移抗动衰通落技技术术
精选完整ppt课件
清华大学
15
微波与数字通信技术国家重点实验室
• 对多径信号进行分离，根据信道估计的结果来进 行多径信号合并。
• 对于CDMA系统，当多径延时大于一个码片时， 多径信号可以看成是不相关的。
CDMA 移动通信技术
CDMA移抗动衰通落技技术术
精选完整ppt课件
清华大学
22
微波与数字通信技术国家重点实验室
瑞克接收的基本原理-多径
• 传输环境时变： 频率、相位、时间的变化
清华大学
13
微波与数字通信技术国家重点实验室
对抗原理
• 频率选择性衰落主要是由于多径效应引起的。 • 多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中
引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹 配滤波准则，从而产生码间串扰，使有效的Eb/No 恶化。 • 对抗频率选择性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影 响。
精选完整ppt课件
清华大学
32
微波与数字通信技术国家重点实验室
均衡器算法性能
• 算法性能参数：
– 收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收敛时间 ；
S2(t)
控制
CDMA 移动通信技术
CDMA移抗动衰通落技技术术
最大增益合并
最小色散合并
精选完整ppt课件
各种衰落和抗衰落技术
1、由于波长短绕射能力差,必须在无阻挡的视线内传播才能完成正常通信。
2、很小的发射功率一只有利用具有很强的方向性天线实现通信，要想实现较长距离通信，只有适当加大天线或加大功率。
3、工作波长短、克服障碍的能力差 在实际的工程勘察中，树高、无树山上的灌木都是不可忽略的影响通信质量的因数。
多径衰落
5、Flat fading(电平衰落) ：The loss is uniform across the frequency spectrum（损失一致在频谱）
Selective fading(频率选择性衰落)： The loss varies across the frequency spectrum（损失在有所不同的频率）
2、邻站干扰(Neighbouring Station Interference)
3、越站干扰
抗干扰的途径（方法）：
1、Transmitter attenuation(发射机衰减）
2、High performance antenna（高性能微波天线）
3、Polarization（ 极化方式）
一、各种衰落与抗衰落技术
K型衰落：
1、这是一种由多经传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的衰落。 其干涉的程度与行程差有关，而在对流层中行程差是随K值的变化的所以称为K型衰落。 这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠近一端减少反射波的影响，或采用高低天线加空间分集技术或抗反射波天线等来克服多经反射的影响。
微波设计目标：
第5章 抗衰落技术
性能上有一定的差异。
分集接收性能可以用信噪比改善因子、分集增益、中断 率(Outage Rate)和误码率等指标描述。 之前已经针对信噪比改善因子给出了比较，下面通过图 5-3给出各种合并方式的分集增益特性曲线。
4. 合并方式的性能比较
12 最大值合并
合并增益（dB）
9 等增益合并 6 选择合并 3
提高程度由分集方式、支路个数、合并方式、支路相关
性等因素共同决定。
分集技术的代价：
占用了更多的资源； 移动通信网因为资源问题，用的最多的是多天线分集。
5.2.3 空间分集
空间分集是利用相距足够远的不同天线产生的电场相互独 立 这 一 特 性 而 构 成 的 分 集 技 术 ， 也 称 为 天 线 分 集 (Antenna Diversity) 。接收天线之间的距离 d 只要足够大，就可以认为各 天线输出信号间衰落特性是相互独立的。
偿。均衡可分为两类：线性均衡和非线性均衡。均衡器的结
构可采用横向或格型等结构。由于无线衰落信道是随机的、 时变的，故需要研究均衡器自适应地跟踪信道的时变特性。
自适应均衡也可分成三类：基于训练序列的均衡、盲均衡
(Blind Equalization，BE)与半盲均衡。
信道编码与正交频分复用技术
信道编码技术的出发点是通过增加信息的冗余度来纠正衰 落引起的误码。常用的信道编码技术有分组编码、卷积编码 和交织技术。另外，利用编码调制技术，不需增加带宽就可 获得巨大的编码增益。 正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing Techniques)的出发点是将高速数据通过串并变换，
《移动通信》
第5章 抗衰落技术
移动通信基础课件-第5章 抗衰落技术
（1）空间分集。 （2）极化分集。 （3）角度分集。 （4）频率分集。 （5）时间分集。
5.1.2 接收分集系统模型
接收分集将多个接收天线上的独立衰落 信号按一定规则合并为一路，再送给解调器 解调。
大多数合并方式都是线性合并，即合并 输出的是各个不同支路的加权和，图5-1所示 的是M支路分集合并原理。
E
1 N0M
M i1
ri
2
（5-22）
等增益合并的输出信噪比 E 的概率
密度函数和累积分布函数都不存在一个显 式的表达，且推导复杂，此处省略。
5.1.7 分集方式比较
不同分集方式的性能比较一般用平 均信噪比的改善因子表示。
平均信噪比的改善因子，是指分集
接收机合并器输出的平均信噪比与无分 集时接收机的输出平均信噪比相比改善 量，一般用分贝表示。
假设发端的信号为 x(t) ，则接收端的均衡器 接收到的信号为
y(t) x(t) h(t) n(t)
（5-62）
式中，n(t) 是等效噪声， 表示卷积运算，
等效的无线通信系统的结构如图5-18所示。
图5-18 等效的无线传输系统的结构
图5-19是采用数字均衡器时，系统端 到端的等效基带框图。Βιβλιοθήκη 各个支路同相相加，因此合并输出
的包络是
r
M
ai ri
。
假设每个i1 支路的噪声功率谱密度都
是
N0
/
2
，则合并输出的总噪声功率谱密 M
度是
Ntot / 2
a2 i
N0
/
2
，这样，可得MRC合
并输出的信i噪1 比为
r2
1
抗衰落技术
(4 - 5)
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
M M
(4 - 6)
式中， 下标R表征最大比值合并方式。
第4章 抗衰落技术
图 4 - 3 最大比值合并方式
第4章 抗衰落技术
图 4 - 4 等增益合并
第4章 抗衰落技术
(3) 等增益合并。 等增益合并无需对信号加权，
t / 0 M
)
(4 - 15)
由此可得M重选择式分集的可通率为
T PM ( S t ) 1 (1 e
增大，可通率T随之增大。
t / 0 M
)
(4 - 16)
由于(1-e-γt/γ0)的值小于1，因而在γt/γ0一定时，分集重数M
第4章 抗衰落技术
图4-5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线
M
2
则有
M
p ak N k
2
q k
M 2 M a k N k k ak N k k k 1 k 1 k 1
(4 - 19)
第4章 抗衰落技术
利用上述关系式， 代入式(4 - 18)得
R
( a N k )( k )
第4章 抗衰落技术
(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。
第4章 抗衰落技术
(6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立性之外，
第4章 抗衰落技术
第5章 抗信道衰落技术
选择合并有检测前合并与检测后合并两种方式， 如图5.3所示。
图5.4 检测前与检测后合并方式
2．最大比合并： Maximal Ratio Combining
最大比合并（Maximal Ratio Combining，MRC） 是最佳的分集合并方式，因为它能得到最大的输出信 噪比。
均衡器通常是在数字域中实现，其采样信号被存
储于移动寄存器中。对于模拟信号，均衡器输出的连
续信号波形将以符号速率被采样，并送至判决器。
线性横向均衡器最大的优点就在于其结构非常简 单，容易实现，因此在各种数字通信系统中得到了广 泛的应用。但是其结构决定了它有两个难以克服的缺 点：
① 噪声的增强会使线性横向均衡器无法均衡具有 深度零点的信道；
分集的概念可以简单解释如下：一条无线传 播路径中的信号经历了深度衰落，而其他相对 独立的路径中仍可能含着较强的信号，因此可 以在多径信号中选择多个信号，通过在接收端 进行适当地合并来提高接收端的瞬时信噪比和 平均信噪比，通常可以提高20dB到30dB。
分集的必要条件：在接收端必须能够接 收到承载同一信息内容且在统计上相互独 立的若干个不同的样值信号，这若干个不 同样值信号的获得可以通过不同的方式， 如空间、频率、时间等。
4）极化分集：Polarization Diversity
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、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。
5）角度分集：Angle Diversity
角度分集的原理是使电波通过几个不同路径 、以不同角度到达接收端，接收端利用多个方向 性尖锐的接收天线将来自不同方向的信号分量进 行分离。
抗衰落技术
抗衰落技术在微波通信中，收信机的接收电平会发生变化，有时会降低到接收门限电平以下而导效通信中断。
这是由于电被在传播中，发生了各种各样的衰落的缘故。
衰落是影响微波进信传输质量的一个重要因素。
衰落的大小与气候条件、站距的长短有关。
衰落的持续时间长短不一，有的衰落持续的时间程想，只有儿沙忡，这种让我你为快是然:有的就燕持体的时间没长，可快儿分钱甚至几小时，这就是慢衰落。
因多经传播而造成的衰落被称为频率选择性衰落。
衰落的出现将使收信机的接收电平起伏变化，显然慢衰落和下衰落对微波通信将产生较大影响，尤其是下衰落中的接收电平任于收信机门限电平的深衰落，将导致通信信号的中断。
微被传播中的软落现象给中维传输带来了不利影响，所以人们在研究电波传播统计规律的基础上提出了各种对付电波装品的技术指施，即抗衰落技术。
(一)空间分集空间分集分为空间分集发信和空间分集接收两种系统，通常使用空间分集接收方式即在接收晚安装几副高度不同的天线，利用电磁波到达各接收天线的不同行程来减少或消除衰落的影响。
这种方法通常应用在微波干线上。
(二)频率分集利用两个成两个以上具有一定频率间隔的微频率问时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集。
备用波道工作就属于频本分集方式。
(三)自适应均衡技术高性能的敷学微波信道往往把空间分集和自适应均衡技术配合使用，以最大限度地减少通信中断时间。
自适应均衡技术有频城自适应和时城自适应之分。
(1自适均衡器。
这种均街器是一个诺振频率/和网路值可变的中预请报电路。
用该中频谐振电路产生的与多径衰落造成的幅频特性相反的特性，去抵消带内振福偏差，使带内失真减至最小。
当电波衰落的结果使干涉波与直射波的时延差非常大时，可能造成接收机的输人频诺中有两个凹陷点，这时再用这种只有一个诺振电路的频城自适应均衡器就无法补偿其幅频特性了，而必须采用能适应时间变化的时城自适应均衡器。
(2衡器。
时自适应衡器的方案很多，常使用加在基带电路中的横向滤波器式均衡器。
移动通信——抗衰落技术
目录抗衰落技术 (2)一、概述 (2)1）引起衰落的原因 (2)2）抗衰落技术的种类 (2)二、分集接收技术 (2)1）基本思想 (3)2）适用范围 (3)3）如何实现自身的功能 (3)（1）时间分集 (3)（2）空间分集 (4)（3）频率分集 (5)4）各分集技术之间的优缺点 (5)三、合并技术 (5)1）基本思想： (5)2）适用范围： (6)3）如何实现自身的功能： (6)四、均衡技术 (6)1）基本思想 (6)2）适用范围 (7)3）如何实现自身的功能 (7)五、信道编码技术 (7)1）信道编码技术产生的原因与作用 (7)2）信道编码技术的基本思想及优缺点 (8)3）适用范围 (8)4）信道编码技术及功能的实现 (8)（1）分组码 (9)（2）卷积码 (9)（3）Turbo码 (10)（4）交织 (10)（5）伪随机序列扰码 (11)六、扩频技术 (11)1）基本思想 (12)2）适用范围 (12)3）如何实现自身的功能 (12)（1）直接序列扩频与解扩的原理 (12)（2）跳频扩频通信系统 (12)抗衰落技术一、概述衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响，严重的衰落甚至会使传播中断，随着移动通信技术的发展，传输的数据速率越来越高，人们对信号正确有效地接收的要求也越来越重要，在移动通信中，移动信道的多径传播、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移会使接收信号产生严重衰落；阴影效应会使接收的信号过弱而造成通信中断；信道存在的噪声和干扰也会使接收信号失真而造成误码；为了改善和提高接收信号的质量，在移动通信中就必须使用到抗衰落技术。
1）引起衰落的原因的也是最重要的衰落成因。
多条射线的产生，可能是由于地面、大气不均匀层或天线附近的地形地物的反射，也可能是由于电离层多次反射、电离层中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现。
多径干涉形成的衰落通常称为多径衰落或干涉型衰落。
非正常衰减发生时，接收信号电平低于正常值，从而形成衰落。
第五讲 衰落和抗衰落的方法
短波信道的特点
由于短波传播一般是通过F2层反射实现的，
因此受电离层变化的影响大，信号不稳， 衰落严重。所以在进行短波通信电路设计 时,必需正确选择与适时更换工作频率；必 需有效克服衰落的影响，以提高通信的可 靠性；还要考虑短波通信电路中的多径时 延的影响和短波传播中的多普勒频移。
短波信道工作频率的选择原则
微波波段，对流层大气对其衰减的 主要因素
在100GHz以下的三个大气窗口频率 大气对电波的吸收和衰减主要是由大气中的各种 气体以及降水而引起，随着频率的升高，这些影 响愈来愈严重。从海平面起算起直到大约90km高 度范围内的大气成分，除水汽外，主要还有氮与 氧气。其中水汽和氧分子对微波起主要吸收作用。 如果把吸收最小的频率称为大气的传播“窗口”， 在100GHz以下的频段共有三个“窗口”频率， 分别为19GHz、35GHz、90GHz。在10GHz以上 的频段，雨对电波的影响非常严重，影响主要在 三个方面：降雨引起的衰减；雨引起电波的去极 化；降雨引起的散射，从而对其它接收站形成干 扰等。
频段名称 极低频 超低频 特低频 甚低频 低频 中频 高频 甚高频 特高频 超高频 极高频 超级高频 频率范围 3-30Hz 30-300Hz 300-3000Hz 3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz 300-3000GHz 波段名称 极长波 超长波 特长波 甚长波 长波 中波 短波 超短波 分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波
陆地移动通信环境的特点2
传播的开放性 空间干扰现象严重，比较常 见的有同频干扰、邻频干扰； 还有互调干扰等；随着频率 复用系数的提高，同邻频干 扰将成为主要因素。
《抗衰落技术总汇》课件
欢迎阅读《抗衰落技术总汇》PPT课件，本课件将带您深入了解衰落技术及其 对通信系统的影响，以及各种抗衰落技术的应用与发展趋势。
什么是衰落？
衰落是指信号在传输过程中因信号的幅值、相位、频率等参数变化而引起的信号强度的衰减或变化的现 象。
衰落对通信的影响
1 信号质量下降
衰落会导致信号的强度 变弱，从而影响通信质 量，增加误码率和丢包 率。
2 传输速率下降
衰落增加了信道的噪声 和干扰，降低了通信系 统的传输速率。
3 信号延迟增加
衰落还会导致信号经过 多次反射或绕射而产生 多路径传播，增加信号 的传播延迟。
抗衰落技术
信道编码技术
通过添加冗余码来 增强信号的抗干扰 能力，如卷积码和 纠正码。
5
频率选择和频率再使用
选择合适的频率带宽和频率再使用方案，减小频率选择性衰落。
应用举例
移动通信
抗衰落技术广泛应用于移动通 信，提高信号的稳定性和通信 质量。
无线数据通信
无线数据通信需要抗衰落技术 来保证数据传输的可靠性和速 率。
卫星通信
卫星通信面临多路径传播和频 率选择性衰落，抗衰落技术能 提高通信效果。
衰落环境下通信系统的优化
1
功率控制
通过动态调整传输功率，实现信号质量的优化。
2
编码技术的选择
根据衰落环境的特点选择合适的编码技术，提高信号的抗干扰能力和纠错能力。
3
天线配置和天线策略
合理配置天线，选用适当的天线策略，提高信号的接收和发送性能。
4
调度算法的优化
通过优化调度算法，合理分配资源，提高系统的容量和性能。
发展趋势
5 G网络
5G技术将进一步提高抗衰落 能力，在更复杂的衰落环境 下实现更可靠的通信。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以用相对低廉的
投资大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。与均衡不同，
分集技术不需要训练序列，因而发送端不需要发送训练码， 从而节省开销。分集技术应用非常广泛。
5.2.1 分集的基本概念与分类
分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的 （至少是高度不相关）多径信号来实现的。这些多径信号在 结构上和统计特性上具有不同的特点，对这些信号进行区分， 并按一定规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰落。在 许多实际应用中，分集各个方面的参数都是由接收机决定的， 而发射机并不知晓分集的情况。 分集的概念可以简单解释如下：如果一条无线传播路径中 的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍 包含着较强的信号。因此可以在多径信号中选择两个或两个 以上的信号。这样做的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和 平均信噪比都有提高，并且通常可以提高20~30dB。
小山
小山
路
顶点激励消除障碍物阴影
分集的分类
微分集：一种减小深度衰落的分集技术。为了达到信号之
间的不相关，可以从时间、频率、空间、极化、角度等方面
实现这种不相关性，因此微分集的主要方式有：时间分集、 频率分集、空间分集（天线分集）、极化分集、角度分集等， 其中以前三种方式比较常用。 这种分集主要克服小尺度衰落。
《移动通信》
第5章 抗衰落技术
第5章 抗衰落技术
在移动通信中，由于电波的反射、散射和绕射 等，使得发射机和接收机之间存在多条传播路径， 并且每条路径的传播时延和衰耗因子都是时变的，
这样就造成了接收信号的衰落。衰落可分为平坦衰
落和选择性衰落；快衰落和慢衰落。本章主要介绍
抗衰落技术的基本原理以及典型的抗衰落技术。
由图还可以得出以下结论：在相同分集重数情况下，最大 比值合并方式改善最多，等增益合并方式次之，选择式合并方 式最少。
分集合并技术
最大比合并
分集合并技术概述
如何工作
优点
缺点
需要同时解调M条 信道，需要信干噪 比估计算法
将M重分集的支路按照 获得M支路通信系 总信干噪比最大化的原 统的最优性能 则合并
切换和检验
如果当前支路信号衰落 使用简单的单信道 到门限以下，则选取另 接收机 一支路 一旦切换，一直等待到 使用简单的单信道 当前支路信号强度由门 接收机 限以上衰落到门限以下 再切换到下一支路
切换和等待
新选择的支路信号 可能比前一支路更 差
5. 分集合并小结
分集技术的优点：
有效的提高了系统抗衰落性能；
0
1
2
3 分集支路数 M
4
5
图5-3 分集增益特性曲线
4. 合并方式的性能比较
由图5-3可以看出，三种分集合并方式较无分集对系统的性 能都有不同程度的改善，其中分集增益随分集支路数的增加呈 线性递增，但是当支路数大于 5以后，分集增益增长缓慢，趋 于门限值，这是因为随着支路数的增加，分集的复杂性也随之 增加，所以通常采用二重、三重或四重分集。
提高程度由分集方式、支路个数、合并方式、支路相关
性等因素共同决定。
分集技术的代价：
占用了更多的资源； 移动通信网因为资源问题，用的最多的是多天线分集。
5.2.3 空间分集
空间分集是利用相距足够远的不同天线产生的电场相互独 立 这 一 特 性 而 构 成 的 分 集 技 术 ， 也 称 为 天 线 分 集 (Antenna Diversity) 。接收天线之间的距离 d 只要足够大，就可以认为各 天线输出信号间衰落特性是相互独立的。
在理想的情况下，接收天线之间的距离应满足半波长条件， 即d>λ/2 (λ为波长)。
实际上，不同的天线接收的信号间总是存在一定的相关性， 而且d越大，各支路信号的相关性就越弱。
5.2.3 空间分集
对于天线分集，分集的支路数越多，即天线根数越多，分 集的效果越好，但分集的复杂性也随之增加。在天线分集中， 一般发射端使用一根发射天线，接收端采用多根接收天线。发 射分集是近年来才发展起来的一种新兴技术，在后面还要讲到。 天线分集在 FDMA 、 TDMA 以及 CDMA 通信系统中都有应 用。经验表明：天线分集效果的好坏不仅与天线间的距离有关， 而且和天线的排列、合并方式有关，特别是天线的布置尤为重 要。 对于二重分集来说，两幅天线的排列应与来波方向平行， 天线间的距离不应过大，否则效果增加不明显相反却增加了场 地占用面积和馈线损耗，另外所选的天线形式应尽可能一致， 应力求使其电性能相接近，否则会影响分集的效果。
分集的基本概念
分集的必要条件是在接收端必须能够收到承载同一信息内
容且在统计上相互独立的若干不同的样值信号，这若干个不 同样值信号的获得可以通过不同的方式，如空间、频率、时
间等。它主要是指如何有效地区分可接收的含同一信息内容
但统计独立的不同样值信号。 分集的充分条件是如何将可获得的含有同一信息内容但 统计上独立的不同样值加以有效且可靠的利用，它是指分集 中的集合与合并。
在某些情况下，对真实的最大比合并提供可变化的加权系 数是不方便的，所以将加权系数设为1，简化了设备，也保持 了从一组不可接受的输入产生一个可接受的输出信号的可能性。 等增益合并的性能比最大比合并稍差，但优于选择合并。对于 二重分集，其平均信噪比改善了2.52dB。
4. 合并方式的性能比较
以上三种合并方式按照不同的合并原则，在分集接收的
集。选择合并的实现最为简单，但在射频实现时高频开关的
切换会引起附加的噪声，对系统的性能会有一定的影响。 选择合并的性能与平均信噪比有关。对于二重分集，其平 均信噪比可以改善1.76dB。
2. 最大比值合并
最大比合并(Maximal Ratio Combinig ，MRC)是最佳的分集 合并方式，因为它能得到最大的输出信噪比。最大比合并是通 过各分集分支采用相应的衰落增益求权然后再合并的。 最大比合并是由 Kanhn最早提出的，它的实现要比其他两 种合并方式困难，因为此时每一支路的信号都要利用，而且要 给予不同的加权，使合并输出的信噪比最大。每一支路的加权 系数与信号功率成正比，而与噪声功率成反比；信噪比越高的 支路在合并中的贡献越大，加权系数也越大。
分割成若干低速数据传输，以增大信息码元周期来达到减少
多径时延扩展影响的目的。
5.1 概述
上述各种技术都被用于改进无线链路的性能，提高系统 数据传输的可靠性。 但是在实际的无线通信系统中，每种技术在实现方法、 所需费用和实现效率等方面具有很大的不同，在不同的场合
需要采用不同的技术或技术组合。
5.1
5.2 分集技术
现在的DSP技术和数字接收技术正逐步采用这种最佳合并 方式。最大比合并可以在中频合并，也可以在基带合并，合并 时需要保证各支路信号的相位保持一致。
3. 等增益合并
等增益合并(Equal Gain Combining，EGC)就是使各支路信 号同相后等增益相加作为合并后的信号，它与 MRC 类似，只 是加权系数设置为 1。等增益合并是目前使用比较广泛的一种 合并方式，因为其抗衰落性能接近最大比合并，而实现由比较 简单。
5.2.3 空间分集
『实例』对于第三代移动通信系统而言，其载波频率为
2GHz，依据空间分集的要求，如果使用两根接收天线，天线
之间至少需要相隔多远？ 对应的波长为0.15m； 天线之间至少应相距7.5cm。
使用RAKE接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。
均衡技术(Equalization Techniques)
均衡是信道的逆滤波，用于消除由多径效应引起的码间干 扰，即符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。如前所述， 如果调制信号带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码 间干扰，并且调制信号会展宽。 而接收机内的均衡器可以对信道中的幅度和延迟进行补
性能上有一定的差异。
分集接收性能可以用信噪比改善因子、分集增益、中断 率(Outage Rate)和误码率等指标描述。 之前已经针对信噪比改善因子给出了比较，下面通过图 5-3给出各种合并方式的分集增益特性曲线。
4. 合并方式的性能比较
12 最大值合并
合并增益（dB）
9 等增益合并 6 选择合并 3
5.2.2 分集信号的合并
分集信号的合并是指接收端收 到多个独立衰落的信号后如何 合并的问题。 问题的描述：合并信号的表达 式如下 Tx
r1(t)
Rx
r2(t)
a1 r (t)
Rx
a2
r (t ) a1 r1 (t ) a2 r2 (t ) ...... aM rM (t ) ak rk (t )
M重分集的支路按等权 重相加 选取M条可用信道中最 好的一个
等增益合并
获得M支路通信系 统接近最优的性能， 需要同时解调M条 不需要信干噪比估 信道 计算法 在开关式合并接收 机中有最好的性能 需要同时监视M条 支路上的信号 各支路的同时衰落 会导致突发的无效 快速切换，大多数 应用取M=2
纯选择性合并
分集的分类
从分集的区域划分，又可以分为两类： 宏分集和微分集。 宏分集：主要用于蜂窝移动通信系统中， 也称为多基站分集，这是一种减少慢衰落影 响的分集技术，其做法是将多个基站设置在 不同的地理位置上和不同的方向上，同时与 小区内的一个移动台进行通信。显然，只要 各个方向上的传播信号不是同时受到阴影效 应或是地形的影响而出现严重的慢衰落，就 能保证通信不会中断。 这种分集主要是克服由周围环境地形和 地物差别而导致的阴收信号样值的结构与统
计特性，可分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集；
若按“分”的位置，可分为发射分集、接收分集、收发联合 分集。 从“集”的角度划分，即按集合、合并方式，可分为选 择式合并、等增益合并、最大比值合并；按“集”的位置划