第5章 抗衰落技术

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
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，
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。
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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。
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。
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影区引起的大尺度衰落。
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；
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。
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。
分集的分类
从“分”的角度划分，若按照接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
分，可分为射频合并、中频合并、基带合并。
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
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。
k 1
M
…
rM(t)
合 并
Rx
aM
其中M为分集重数，ak为加权系数(k=1,2,3,…M )
选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。
常见的分集合并方式
分集合并方式 增益合并 最大比合并 等增益合并 开关式合并 纯选择（选择合并）
门限选择
切换和等待 切换和检验
1. 选择合并
选择合并(Selection Combining，SC)就是将天线接收的多路 信号加以比较之后选取最高信噪比的分支。这种方式实际并 非是合并，而是从中选一，因此又称选择分集 (SD)或开关分
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。
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。
一般为40~50dB，偶尔可达80dB微分集、均衡
、信道编码技术。
分集技术(Diversity Techniques)
分集接收是指接收端信息的恢复是在多重接收的基础上， 利用接收到的多个信号的适当组合来减少接收时窄带平坦衰 落深度和持续时间，从而达到提高通信质量和可通率的目的。 在其他条件不变的情况下，由于改变了接收端输出信噪比的 概率密度函数，从而使系统的平均误码率下降 1~2 个数量级， 中断率也明显下降。 最通用的分集技术是空间分集，其他分集技术还包括天 线极化分集、频率分集和时间分集。码分多址(CDMA)系统常
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
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
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
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 )
内容安排
5.1 概述 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
5.1 概述
回顾：移动通信信道中的传播特性 ？ 传播损耗|d|-n 增大发射功率，代价过高；
S(d)阴影衰落：地形起伏、建筑物及障碍物的遮
蔽引起多基站宏分集；
K(d) 多径衰落：多径及多普勒频移，衰落深度
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