移动通信-抗衰落技术-20110536-周延文
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(西电第四版)第四章 抗衰落技术
20
(1)选择式合并
选择式合并是指检测所有分集支路的信号, 以选 择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并 器的输出。
a t max a1 t , a 2 t , a 3 t ,
某指标
21
这种分集有M个接收机进行支路的解调， 输出信号送入选择逻辑。选择逻辑从M个 接收信号中选择具有最高基带信噪比 （SNR）的基带信号作为输出，在选择性 合并器中，加权系数只有一项为1，其余 为 0。 选择式合并又称开关式相加。这种方式方 法简单，实现容易。但由于未被选择的支 路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两 种方式。
13
(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， 那么在接收端就可以得到衰落特性不相关 的信号，以实现频率分集（多路FSK）。 缺点：不仅需要占用更多的频谱资源，而 且需要有和频率分集中采用的频道数相等 的若干个接收机。
12
空间分集接收抗衰落的效果
某通信系统不采用分集接收时的中断率是P1=0.01，若采
用双重空间分集，并假设两路信号具有相同的中断率，求合
成信号的中断率？ 解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所以分集 合并后的中断率是
P=P1×P2=0.0001
即中断率降低了100倍，若等效成衰落储备，相当 于避免了将微波发信机的功率从1W提高到100W。
4
4.1 分集接收
4.1.1 分集接收原理 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（ Combining ）， 以降低信号电平起伏的办法。 分集：接收多路不相关的信号并合并。 目标：对抗多径信道造成的衰落和延 时串扰。
移动通信-抗衰落技术
16
d
• The basic concept is to send the same
information over independently fading radio
• Independent fading paths can be achieved by
separating the signal in time, frequency, space, polarization, etc.
•
形成方向图在不同的方向上给 予不同的增益,可以提高接收 信号的信噪比,从而提高系统 的容量
可以将频率相近但空间可分离 的信号分离开
•
4.1
分集接收（diversity reception）
Smart antenna can increase coverage and decrease transmit power
－－在理想情况下，接收天线之间相隔距离：市区 d 为1/2波长，郊区d为0.8倍波长
4.1
分集接收（diversity reception）
Space diversity
4.1
分集接收（diversity reception）
发 射 方 向
工程中空间分集相关因素
天线的高度h
分集接收天线间的距离d 接收信号到达角（来波角）а
--两个频率成分具有相互独立的衰落特性条件 －f2-f1>> Bc（coherence bandwidth）
f1
f2
4.1
分集接收（diversity reception）
Polarization diversity
• •
水平极化和垂直极化的信号相互正交。 在发端和收端都装上垂直极化天线和水平极 化天线，就可得到衰落特性不相关的信号。
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。
移动通信第四章抗衰落技术
S(
D) D g(D)
L
CL1DL1
...
C1D
C0
生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验 序列有很强的检错能力。 常用的几个L阶CRC生成多项式为：
CRC-16(L=16)： g(D)=D16+D15+D2+1 CRC-32(L=32)： g(D)= D32+D26+D23+D22+D16+D12+D11+D10
具有检错能力
一. 纠错编码
如果纠错编码可以纠正t个错码，检测e个错码（t<e）， 则： • 当接收码组在纠错能力范围之内：
按纠错方式工作 • 当接收码组在纠错能力范围之外，检错能力范围之内：
按检错方式工作
二. 常用的纠错编码：
▪ 奇偶校验码、CRC校验: 常用的检错码。
▪ 卷积码：主要可以纠随机差错，也具有一定 的纠正突发差错的能力。
得到：C(D)
S(D) ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱL
Remainder
g(D)
S(D) DL
C(D) Remainder
g(D)
D23 D21 D20 D18 D17 D16
Remainder
D16 D15 D2 1
(D7 D6 D4 D3 D)(D16 D15 D2 1) D9 D8 D7 D5 D4 D
第四章 抗衰落技术
二. 分集方式和方法 移动通信中有两类分集方式：
1. 宏分集
主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分 集。
其做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通信）。
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
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
移动通信-第4章-抗衰落技术
4.3.6 最小码距不纠错能力
一个(n，k)码，不论码字如何选择
• 要能发现e个码位的差错，必须最小码距de+1 • 要能纠正t个码位的错误，必须最小码距d2t+1 • 要能纠正t个码位的错误，同时发现e个码位的差错，必 须最小码距dt+e+1，且et
50
接收CNR中心值/dB
20
第4章 抗衰落技术
4.1 4.2 4.3 4.4 分集接收 RAKE接收 纠错编码技术 均衡技术
21
4.2.1 多径信号的分离不合并
• 多径的分离不合并
– 原因：无线传输信道是一个多径信道 – 目标：分离+合并多径信号，矢量和→标量和；增强信号、减小 干扰、减轻衰落 – 方法：分离：特征码、扩频/解扩 合并：RAKE接收技术
• 信号合并准则
– 最大信噪比准则 – 眼图最大张开度准则
– 误字率最小准则
15
4.1.11 合并信号的表达式
M个分集信号经合并器后的输出为r(t)
r (t ) a1r1 (t ) a 2 r2 (t ) a M rM (t ) a k rk (t )
ak为第k个信号的加权系数
• 最大比值合并
– 对每一支路的信号迚行加权合并，是一种最佳合并方式 – 每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak不信号包络 rk成正比而不噪声功率Nk成反比，即
rk ak Nk
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
M M
r (t ) ak rk (t )
k 1
M
16
4.1.12 选择式合并
• 选择式合并（开关式合并）
– 检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的 信号作为合并器的输出。在选择式合并器中，加权系数只有一项为 1，其余均为0
移动通信技术 第四章 抗衰落技术PPT课件
图 4 - 13 分组码结构
图 4 - 14 码距的几何意义
分组码
一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这 种编码的检错和纠错能力。
一般情况下， 码的检、 纠错能力与最小码距 d0的关系可分为以下三种情况。
(1) 为检测e个错码， 要求最小码距d0≥e+1； (2) 为纠正t个错码， 要求最小码距d0≥2t+1； (3) 为纠正t个错码， 同时检测e个错码， 要求最
抗衰落技术
本章纲要
4.1 分集接收 4.2 RAKE接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术
分集接收
4.1.1 分集技术原理
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。
☺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。
小码距d0≥e+t+1 (e＞t)
图 4 - 15 码距与检、 (a) 检测e个错码； (b) 纠正t个错码； (c) 纠正t个错码， 同时检测e个错码
奇偶校验码
表4-3 奇 偶 校 验 码
CRC校验
CRC(循环冗余校验)根据输入比特序列(SK-1,
SK-2, …, S1, S0)通过CRC算法产生L位的校验 比特序列 (CL-1, CL-2, …, C1, C0)。
纠错编码技术
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。
传统的信道编码通常分成两大类即分组码和 卷积码。
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
第4章抗衰落技术数字移动通信PPT课件
第4章 抗衰落技术
相对电平/dB
10 0
－10 －20
C
B A
信号A 信号B 合成信号C
t
图 4 - 1 选择式分集合并示意图
第4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。
可以看成是空间分集的一种特殊情况。也需要两 幅天线。
优点：利用了不同极化的电磁波所具有的不相关 衰落特性，因此缩短了天线间的距离。
第4章 抗衰落技术
(4) 场分量分集。 由电磁场理论可知， 电磁波的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波的驻波图形相差 90°相位，即当E波为最大时，H波维最小。
若移动台处于静止状态，即v=0， ∆T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这种衰落。
第4章 抗衰落技术
3. 合并方式
接收端收到M(M≥2)个分集信号后， 如何利用这些 信号以减小衰落的影响， 这就是合并问题。 一般均使 用线性合并器， 把输入的M个独立衰落信号相加后合 并输出。
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，这种办法就能保持通信不会中断。
第4章 抗衰落技术
（2）“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。
第4章 抗衰落技术
西安电子科技大学移动通信课件_第7章-抗衰落技术
因此，哪怕我们只是选择信噪比高的那个信号 用于解调，这样得到的总的接收信号也将具有 比使用单个接收天线时的接收信号更好的平均 信噪比，这必将有利于提高接收性能。
谢谢大家！
而实际的移动无线信道都是时变信道，自适应均 衡器通过跟踪信道变化来使得上述频域特性得到 近似地满足。 常见的实现方法：无线通信中，由于信道是未知 且时变的。要按上述原理实现均衡首先就必须解 决如何获取信道的冲激响应的问题（“变未知为
已 知”），这叫作信道估计，通常通过发送端发送
已 知序列（称作“训练序列”），接收端通过对训
经选择后得到 的接收信号
分集的概念
分集主要是信号接收时的概念，用来对 抗小尺度衰落所引起的包络起伏变化。 分集接收机可以获取由同一发送信号形 成的不同分集支路，各支路信号的包络 （幅度）不具有相关性，从而就可以通 过对它们进行一定的处理来提升接收信 噪比，从而改善接收质量。
（分
集）
分：
同样的发送信息
码间干扰（不可减轻 错误）
衰落余量——增加发 射功率或减小小区半 径
差错控制编码 交织 跳频 分集
均衡 DS扩频 OFDM 定向天线
相互独立的衰落实现1
右图显示了接收端设 置两部天线时，当天 线距离足够远的情况 下，就同一发射信号 而言，它们分别接收 到的信号的信噪比在 小尺度上的变化情况。
相互独立的衰落实现2
信源比特 编码器
交织器
调制器
信道
恢复出的 译码器
信源比特
解织器
解调器
发送端：交织器位于编码器之后，调制器之前；接收 端：解织器位于解调器之后，译码器之前。
4 移动通信原理 第四章 抗衰落技术
（2）平均输出信噪比
γ s = γ0∑
1 k =1 k
M
其中 γ 0 为每个支路的平均信噪比。该式表明每增加一条分集支路，它对输出信 噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 （3）合并增益
Gs =
2．最大比合并（MRC）
γs M 1 =∑ γ 0 k =1 k
在接收端，将 M 个分集支路经过相位校正后，按适当的可变增益加权再同 相相加后送入检测器进行检测。 （1）原理图
4
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自不同的方向。在接收端，采用多个方向性很强（方向性尖锐）的接收天线就能 分离出衰落特性不相关的多个信号。 角度分集也是一种特殊的空间分集，它也要用多副天线，但它是利用多副天 线尖锐的方向性接收来自不同方向的不相关衰落信号。 同样多副方向性天线的间 距可以很近。也可将多副定向天线等效为不同角度的馈源集成于一副天线内实 现。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：实现工艺要求较高，且性能比空间分集差。 4．频率分集 （1）概念 将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只有载频之间间隔足够大（大 于相干带宽） ，那么在接收端就可得到衰落特性不相关的信号。 由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 利用这一点可以实现抗信道中频率选择性衰落的功能。 根据相干带宽的定义，即
4．1 分集接收技术
一．分集技术的基本概念（吴伟陵，移动通信原理 P205，电子工业出版社） 移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，又由于接收环 境的复杂性使信号往往多径传播，在接收点多径信号的叠加会产生严重的衰落， 接收信号质量严重下降。分集技术就是一种最重要、应用最广泛的抗衰落措施。 从概念上讲，我们可以将分集技术从两个方面来理解：即“分”和“集” 。 “分” ：分别接收，实质上，是利用接收信号在结构上和统计特性上的不同 特点将其加以区分； “集” ：集中处理，实质上，是按一定规律和原则（将分别接收的信号）进 行合并处理。 （从而充分利用信号能量，提高系统性能） 。
移动通信系统中抗衰落技术的研究
目录1.概述 (4)2.主要的抗衰落技术 (5)2.1.分集接收技术 (5)2.11 分集技术主要包含两方面 (6)2.12 分集方式 (6)2.13 合并方式 (8)2.2 RAKE接收 (10)2.3.纠错编码技术 (11)2.3.1分组码 (12)2.3.2卷积码 (12)2.3.3交织编码 (12)2.4. 均衡技术 (13)3.小结 (15)1.概述衰落是影响通信质量的主要因素。
由于多径衰落和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易变。
这些影响对于任何调制技术来说都会产生很强的负面效应。
移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶劣的无线电传播环境中的链路性能。
对路径传输损耗，主要靠增大发射功率，以提高接收信号的场强来解决。
对慢衰落所造成的接收信号功率的波动，通常借助“宏分集”来解决。
无线传输所面临的最大问题是信道的时变多径衰落，克服多径衰落主要用“微分集”来解决，这也是人们通常所说的分集技术。
抗多径衰落还常用均衡技术和差错控制编码技术。
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(ISI)。
信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能的。
均衡、分集和信道编码这三种技术都被用于改进无线链路的性能，也就是希望减小瞬时误码率。
这三种技术在用来改进接收信号质量时，既可单独使用，也可组合使用。
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。
在下面的各节里，我们将分别介绍分集接收、交织与编码、均衡等抗衰落技术。
2.主要的抗衰落技术2.1.分集接收技术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及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。
作用①充分利用接收信号的能量②减小接收信号的衰落深度和衰落持续时间分集：接收多路不相关的信号并合并。
目标：对抗多径信道造成的衰落和延时串扰。
第4章抗衰落技术
1．选择式合并
M个接收机的输出信号送入选择逻辑，选择 逻辑从M个接收信号中选择具有最高基带信 噪比（SNR）的基带信号作为输出。
1．选择式合并
图4-4 选择式合并的原理
1．选择式合并
令Γ为每个支路的平均信噪比，则可以证明：选择 式合并的平均输出信噪比为
1 s k 1 k
2．跳频技术
（2）跳频抗同信道干扰 采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，可 以避免频率复用引起的同频干扰。 利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同 频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重合次 数，从而减少同频干扰的影响。
2．跳频技术
（3）跳频抗衰落 跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。 跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大 于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间 内的信号相互独立。换句话说，在不同的载 波频率上同时发生衰落的可能性很小。
2．跳频技术
数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干 扰和抗衰落。
2．跳频技术
（1）跳频抗多径 跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频 率为0，当存在多径传播环境时，因多径延 迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。 若接收机在收到最先到达的信号之后立即将 载波频率跳变到另一频率1上，则可避开由 于多径延迟对接收信号的干扰。
合并后信号的包络为
ai ri
i 1
M
式中，ri为第i条支路的信号振幅；ai为第i条 支路的增益系数。
2．最大比合并
设每个支路的噪声功率为σ2，则可以证明： r ai i2 时，合并后的信噪比达到最大，合并 当 后输出为 M T 1 M
i 1 i 2 i
移动通信抗衰落技术课件
t 0.1 0
由式 (4-15) ,即M条支路的中断概率为：
1. 选择式合并的性能：
（1）使用 4 支路分集, 即 M= 4, 可得 :
P4 (10dB) (1 e
0.1 4
) 0.000082
（2）如果不用分集 , 令 (4-15) 式中 M = 1:
P 10dB) (1 e 1(
• 选择合并
• 最大比合并 • 等增益合并
20
分集接收技术--合并方式
选择式合并
选择式合并是指检测所有分集支路的
信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路
的信号作为合并器的输出。 在选择式合并器中，加权系数只有一 项为1， 其余均为0。
21
分集接收技术--合并方式
等增益合并
等增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是 等增益相加的。
16
分集接收技术--角度分集
使电波通过几个不同路径，以不同角度到达接收端， 接收端利用方向性天线分别指向不同的信号到达方向， 每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。
较高频率时容易实现。
17
分集接收技术--场向量分集
接收端通过接收三个互不相关的场向量（Ez,Hx,Hy）, 可获得分集增益。
)
(4 - 16)
由于(1-e-γt/γ0)的值小于1，因而在γt/γ0一定时，分
1. 选择式合并的性能：
由此图 我们可以 得出什么 结论？
图4-5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线
1. 选择式合并的性能：
例: 假定使用 4 支路分集，每支路收到1个独立的 Rayleigh衰落信号。若信噪比的均值 0 为20dB，判 决阈值 t =10dB. 试将此情况与没有使用分集的简 单接收机相比。 解：根据题意，有：
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安徽财经大学（《移动通信》课程论文）抗衰落技术学院：管理科学与工程学院专业：电子信息工程******学号：********任课教师：***论文成绩：2014年10月卫星移动系统抗衰落技术摘要:卫星通信以其覆盖面广，通信容量大、经济效益高等优点，已经运用到各个领域，如:军事、气象、海洋、科研、广播等。
卫星通信也有其固有的缺点，即除了自由空间造成的传输损耗外，受大气层的影响较大。
所以要采取一定的技术手段来克服大气层对信号造成的这种损耗。
本文就大气层对信号造成的衰落做了详细的分析，并研究了抗衰落的技术措施。
关键词:卫星通信;信道衰落;抗衰落1.引言卫星通信以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优和经济效益高等特点，受到人们的关注，并迅速发展，与光纤通信、数字微波通信一起成为现代远距离通信的支柱。
虽然地面宽带网络技术日新月异，但是它只能让经济发达、人口密集的城市地区的人们享受宽带服务，而对于农村、人烟稀少地区和经济落后的地区，仅靠地面网络是无法经济有效地提供宽带服务的。
卫星作为惟一能够实现全球无缝隙覆盖的通信手段，其作用无可替代。
卫星通信现在已经应用到各个领域，按其业务种类可分为:商用卫星、军用卫星、气象卫星、科研卫星、广播卫星等。
目前卫星研究的热点和趋势是移动卫星通信和宽带通信。
然而卫星通信信道复杂，多径传播、多普勒频移、电离层闪烁、信道中不同媒质对电波产生的漫射与散射、遮蔽效应等，都将导致接收点的信号强度随时间随机地或慢地发生变化，亦即信号产生了衰落。
卫星移动通信信道是典型的衰落信道，在不同的环境中通常被表述为Rayleigh衰落Rician衰落和遮蔽Rician衰落。
信号的衰落会降低信号的接收质量，严重时可能导致通信中断，常用的抗衰落技术主要有:分集抗衰落技术、自适应均衡抗衰落技术、编码抗衰落技术等。
2.分集接收抗衰落技术分集技术(Diversity Techniques)的基本思想是利用分散传输和集中处理来降低多径衰落的影响，进而改善传输的可靠性，分集技术的要求使各衰落信号间不相关或相关性很小。
2.1分集信号的产生方法理论研究表明，衰落具有时域、空域和频域的独立性，接收端可在空域、时域和频域得到互不相关的衰落信号。
实现分集的方式有以下几种: （1）空间分集(Space Diversity)接收端在不同地点接收互相独立的多径信号，可通过发端采用一副发射天线，收端采用多副接收天线来实现。
由于低轨卫星同时配置多副收、发天线比较困难，Sendonaris[2]等人提出了一种新的空间分集技术—协作分集技术，该技术使多个具有单天线的移动终端互为协作伙伴共享彼此的天线，以获得等效多天线系统带来的分集增益。
如图1所示，用户信号一方而可以直接到达接收端，另一方而可以通过协作后再到达接收端，在接收基站形成分集接收信号。
文献[3]提出将协作分集技术应用在低轨卫星移动通信系统用户下行链路(卫星和终端用户之间的通信链路)中以减小信道衰落的影响，通过仿真结果证明了协作分集技术相对于传统无协作系统有较大的性能优势。
从图2可以看出，在同等误码条件10-4下，Rayleigh衰落信道协作误码率比无协作时提高大约11 dB，在Rician衰落信道下协作误码率比无协作时提高2dB。
（2）频率分集((Frequency Diversity)频率分集在发送端用多个载波发送携带相同信息的信号，相邻载波之间的间隔应大于信道的相关带宽，频率分集是克服频率选择性衰落的有效途径。
时频调制技术[4]叮SK, Time- frequency shift keying)将时移键控（TSK)和频移键控（FSK）组合起来，是目前广泛采用的抗衰落和抗多径技术之一，时频调制信号按一定的规则在一个或一组二进制符号的不同时隙发射不同频率信号来实现信号传输。
尽管，时频调制方式有较好的抗衰落和抗多径性能，但是调制后的分集信号频谱展宽，宽度与分集重数成正比，尤其在多重频率分集和传输速率较高时，实现困难。
文献[s]提出了正交调幅相加法、正弦调相法、线性调频法等几种利用恒幅多频载波来实现频率分集的方法避免了非恒幅多载波的功率分散以及时频调制载波频谱展宽的特点，使得调制后的分集信号具有恒幅特性和较高的频谱利用率，适用于多重频率分集的通信系统。
（3）时间分集(Time Diversity)时间分集将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的快衰落、慢衰落，其缺点是浪费时间资源。
由于时间分集的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是有用处的。
（4）极化分集(Polarization Diversity)极化分集是指发送端用两个正交极化波发射，接收端用两个正交极化的天线接收。
在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性。
极化分集实际上是空间分集的特例，其分集支路只有两路。
文献[6]的实验和仿真结果说明了在提高信道容量和通信性能方而极化分集和空间分集具有相同的效果。
2.2分集信号的合并技术任何一种分集方式，接收机都必须将收到的互不相关的M条路径的衰落进行合并，并通过合并技术得到抵消了衰落的信号，从而获得分集增益。
对于具体的合并技术可分为选择式合并、最大比合并、等增益合并和开关式合并。
选择式合并是从M 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出;而最大比合并是将M个接收信号的平方按不同的系数进行加权，加权系数与接收信号的强度A;成正比而与噪声功率N,成反比，信噪比越大的支路对最终接收信号的贡献越大;最大比合并可以获得较高的分集增益，但实现加权系数的调整需要付出较高的代价;等增益合并是将M个接收信号按相同的系数进行加权后输出，其合并性能仅次于最大比合并，但易于实现，因此应用较多。
开关式合并是接收机将接收的信号的瞬时包络与预定的开关门限相比较来选择哪一条支路接收。
2.3 RAKE接收机Rake接收机的原理是在每条路径采用一个相关接收机，与同一期望信号的多径分量之一相关，根据每个相关输出的相对强度加权后合成一个输出，加权系数的选择原则一般是使得输出信噪比最大。
其理论基础是当传输时延超过一个码片周期时，多径信号可以看成是互不相关的，因此，传统的Rake接收机在多径时延大于码片间隔情况下分离多径信号，在通过合并来改善接收端的信噪比性能。
Rake接收机利用多径来增强信号，将扩频信号设计与Rake接收的信号处理结合在一起，并通过扩频信号的设计在接收端将各条路径信号加以分离，再利用Rake接收机将被分离的各个路径信号相位校准，幅度加权，将矢量和变成代数和，从而加以充分利用。
从图3可以看出，不同合并方式的分集效果是不同的，最大比合并性能最好，但最复杂;选择式合并性能最差，但最简单，两者性能相差1.5dB。
从图4可以看出，在使用合并技术中采用的分集重数越多，性能效果越好，说明Rake分集接收能有效地克服多径衰落的影响，降低误码率。
在低轨卫星低仰角通信时，通常利用高增益扩频技术来消除多径衰落和干扰，因此，需要对长周期扩频序列进行捕获，文献[7]提出了一种基于并行数字匹配滤波器组的Rake接收机，并对其在瑞利衰落信道中的性能进行了分析。
该接收机能在确保对长扩频码的整周期自相关的基础上，对各多径信号进行最大比合并，提高了信噪比，有效地对抗衰落。
3.自适应均衡抗衰落技术均衡是一种改造信道的手段，自适应均衡则是根据无线信道的时变多径传播特性引入的码间干扰，自适应地进行补偿，使其接近不失真传输要求。
均衡器从理论上可以分为线性和非线性，线性均衡一般适用于信道畸变不大的场合，对深衰落的均衡能力不强;非线性均衡器可用于高速数据在严重畸变信道上传输。
3.1线性均衡器线性均衡结构相对简单，常用于信道失真不十分严重的情况下，由于线性均衡器受频率选择性衰落的影响，性能一般，往往需要和其他技术结合起来使用。
线性均衡器可以用FIR滤波器实现，也称横向滤波器。
常用自适应算法来调整滤波器的抽头系数，主要有以最小峰值畸变为准则的迫零算法、以最小均方误差为准则的均方误差算法(即LMS算法),RLs算法及它们的各种改进算法。
由图5可见，采用了基于LMS算法的自适应均衡器可以较大地降低误比特率，因此性能较好。
文献[8]提出了一种基于 Laguerre滤波器结构的衰落信道自适应均衡的新方法。
由于Laguerre滤波器同时具有FIR和IIR结构的特点，在信噪比低、信道多径条件复杂的情况下，可以获得比通常的线性自适应均衡器和判决反馈均衡器(DFE)更好的抗符号间干扰的效果。
3.2非线性均衡器目前的非线性均衡器主要包括两大类:一类是基于最小序列误差概率准则的最大似然序列估计接收机(MLSE);另一类是判决反馈均衡器O)FE, Decide Feedback Equalization)。
前者性能最优，但是其复杂度随着多径干扰符号长度的增长而呈级数性增长，后者由前馈滤波器和反馈滤波器两部分组成，可通过多种方式实现。
(1)坚决反馈均衡器在判决反馈均衡器中，均衡信号的输出是前向滤波器和反向滤波器两部分之和，均衡后的判决信号再反馈到反向滤波器中，其基本思想是:如果检测信号已知(假设过去的判决是正确的)，那么通过从均衡器输出中减去过去符号值与适当权重的乘积，这些符号中的码间干扰可以完全消除。
文献[9]针对传统判决反馈均衡器设计所用的误差函数在信号星座图点的周围发生跳变而引起误码率增大的的情况提出了一种新型的判决反馈均衡器，该均衡器通过修改误差函数，以平滑的误差函数取代有跳变点的误差函数，从而得到性质更好的代价函数，通过求代价函数的最优解，就得到了新的基于最小二乘的自适应判决反馈均衡器(NDFE)。
(2)最大似然序列估计接收机NIL,SE均衡器中信道预测期通常是一个具有可调增益抽头的FIR横向滤波器，可用梯度LMS算法或快速收敛的RLS算法来调节其抽头增益。
这些估计值为维特比算法提供需要的参数。
在维特比算法中，除了需要信道特性的有关参数外，还需要干扰信号的噪声统计分布参数。
因此，噪声的统计分布特性决定着接收信号的最佳解调形式文献[10]在加性高斯白噪声信道下研究了判决反馈均衡器(DFE)和最大似然序列估计(MLSE)均衡器，在DFE和线性均衡器(LE)中都是使用递归最小二乘(RLS)算法和最小均方(LMS)算法对数据进行分块处理，而在MLSE均衡器中使用了维特比最佳译码算法。
通过图6比较可得，判决反馈均衡器(DFE)消除码间干扰的性能好于线性均衡器LE，而最大似然序列估计(MLSE)均衡器的性能更是优于DFE，在误比特率为10-2时，MLSE对于DFE均衡器有大约3.5dB的性能提升，代价是计算量增加和跟踪时间的延长。