无线通信技术4.3-分集技术
相关主题
- 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)。
合并方式 最大比合并
等增益合并
分集技术
分集合并技术
采用均衡的 单载波系统
直接序列频谱扩频
多载波系统： 具有ISI均衡的单载波： 通过发射预编码将ISI信道转换 在接收端通过线性和非线性 直接序列频谱扩展： 为一组无干扰、正交子载波， 处理，可以在某种程度上减轻 采用此方法时，信息码元被 其中各子载波经历窄带平坦 码间干扰。利用维比特法可以 伪噪声序列调制后通过远远 衰落。对不同子载波的码元进行 实现发射码元的最优ML检测。 大于数据速率的带宽W发射 编码就可以实现分集，这种方法 然而，维比特算法的复杂度 出去，因为码元速率低， 也称为离散多音（DMT）或 所以码间干扰小大大简化了 随着抽头的数量指数增加， 正交频分多路复用（OFDM） 并且通常仅用于有效抽头数量 发射机结构。 较小的情况。
通信与信息工程学院
分集技术
分集的种类
（2）微观分集 在一个局部区域，信号衰落 所呈现的独立性是多方面的， 如时间，频率，空间以及携 带信息的电磁波的极化方式 等。利用这些特点，采用相 应的方法可以得到来自 同一发射机衰落独立 的多个信号。 空间分集 分集
时间分集
频率分集
来自不同空间的多径信号
来பைடு நூலகம்不同频带的多径信号
2 N0
（II）
(II)式中’2’源于发送信号si的能量是总能量Es的一半.接收信 噪比等于各支路信噪比的和除以2.由(I)式可知,分集阶数可达到 2,(II)式说明阵列增益只能达到1.而MRC的阵列增益和分集阶数 均为2.
分集技术
空间分集—发送分集
MIMO仿真
分集技术
空间分集—接收分集
分集技术
空间分集
接收分集—单输入多输出 （SIMO）信道，实现独立的衰落路径 不需要增加发送功率或带宽，通 过分集信号进行相干合并还能提 高接收信噪比，获得阵列增益。
空间分集
benefit
发送分集—多输入单输出 （MISO）信道，发送分集的设计与 发送端是否知道复信道增益信息有关， 发送分集同样也能获得阵列增益。
原理 ： 利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号 的统计独立性进行合并，从而实现分集。
首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以是 不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。 其次要以某种方法进行合并。
分集的种类
通信与信息工程学院
分集技术
分集的种类
衰落的种类：大尺度衰落和小尺度衰落； 分集的种类：宏观分集和微观分集。 （1）宏观分集 为了消除阴影区域的信号衰落，可以在两个不同的地点分别设置 一个基站，这两个基站可以同时接收移动台的信号。由于两个基站接 收天线相距很远，所接收到的信号衰落是相互独立的，由此得到了两 个衰落独立并且携带同一信息的信号。 由于传播路径的不同，两个基站所得到的信号强度一般是不相等 的，通常用接收信号的平均功率来表征。对于移动台，可以选择两个 基站中信号强度较强的进行通信，并且当移动台位置不同时，可以选 择不同的基站进行通信，这就是宏观分集中所采用的信号合并技术。 宏观分集需要设置多个基站，因此也称为多基站分集。
在蜂窝系统的下行链 路常见，因为在基站 安装多副天线通常要 比在手机安装多副天 线便宜
发送分集最简单的两根发送天线模型
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
1.发送端已知信道信息 考虑有M根发送天线和一根接收天线的发送分集系统. j 假设发送端已知第i根天线上的路径增益ri e i,称此为发送 端已知信道边信息(channel side information,CSI),记为 CSIT. 记发送信号为s(t),总发送的符号能量为Es.信号乘以复增益 i ai e ji (0 ai 1) 后在第i根天线上发送.这个复数乘 法同时实现同相和信道增益加权的功能.由于总发送能量 M 是Es,加权值必须满足 i 1 ai2 1
通信与信息工程学院
抗衰落技术---分集技术
分集技术概述 时间分集 频率分集 空间分集—接收分集及发送分集 多用户分集
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.1 分集技术概述
分集的目的： 在无线通信的信道传输过程中，由于大气 及地面的影响而发生传播损耗及传播延时 随时间变化的现象叫做衰落。
M
通过设定合适的支路加权值使接收信噪比最大.按照接收 MRC分集中类似的方法可得知,使信噪比最大化的加权值ai ri 为: a
i
ri 2 i 1
M
相应的信噪比为:
ES M 2 M i 1 ri i 1 i ， i ri 2 Es N 0 N0
通信与信息工程学院
来自不同时间的多径信号
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.2 时间分集
基本思想：不同时间发送相同信息， 时间间隔必须大于信道相干时间
对信息进行编码并将编码后的码元分 散到不同的时间段，时间间隔大于相 干时间，从而使得码字的不同部分经 历相互独立的衰落。 通过编码和交织可以实现时间分集。
多载波系统
分集技术
4.2.4 空间分集
使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列， 其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做 空间分集。 如果天线安装的间隔足够大（对于均匀散射环 境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立需 要的最小间距近似为波长的一半），那么不同 天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关 的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。
衰落根据其频率 特性划分
衰落根据其时间 特性划分
对抗衰落的有效技术之一就是 对独立的衰落信号
非频率选择性衰落 平衰落 频率选择性衰落
进行分集合并
快衰落
慢衰落
分集技术
分集的概念
分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一 时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰 落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。
分集技术
时间分集
重复编码实现 示意图
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
时间间隔远远大于相干时间
在不同的时段中发射相同的信息 通信与信息工程学院
分集技术
时间分集
1 2 3 4 5 6
交织实现 示意图
7
8
9
10 11
12 13 14 15 16
1
5
9
13
以列写入、以行读出
交织之所以被称为隐分集是因为其 并没有采发送重复信息的方式，但是 它仍然利用了时间分集中将码字放入不同 的独立衰落的时间段的发送方式，
分集技术
空间分集—发送分集
高信噪比下,MRC发送分集的分集阶数是M,所以 发送和接收的MRC分集都达到了满分集阶数. 发送分集的主要困难是要让发送端获得信道的相 位和幅度信息.一种方法是,接收端利用导频测量信 道,再将测量结果反馈给发送端.
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
分集技术
空间分集—发送分集
由此可见,当发送端已知信道信息时,发送分集和 接收MRC分集完全类似,其接收信噪比也是各支 路信噪比的和. 当各天线的路径增益相同为ri=r时, M r 2 Es N0
采用M根发送天线时的信噪比是单天线时的M 倍, 即阵列增益为M.
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
re s t 1
j1
r2 e j2 s t
r3e j3 s t
rM e j M s t
1
2
3
M
r 2i
Ni
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
各天线发送的加权信号在空中相加,形成如下的接收信号
r (t ) i 1 ai ri s t
6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 1
2
3 4 1 5
6
7 8 9
10
11 12
14
15 16
13 2
深度衰落会导致连续码元整个码字消失，在交织码元中， 仅会导致各码字中的一个编码码元消失， 仍然可以从其他三个未衰落码元中恢复出各码字
通信与信息工程学院
分集技术
时间分集
重复编码可以获得分集增益，但由于只是相同码元 在L个码元时间的简单重复， 所以并没有有效地利用信道的可用自由度， 采用更为复杂的编码可以获得分集增益和编码增益
2 E[nn ] h12 h2 N 0 I 2
分集技术
空间分集—发送分集
z表达式中的对角阵特性使我们可以分离出两个符号的传输,z 的每个元素对应一个符号的发送:
2 zi h12 h2 si ni
i=1，2
(I)
对应zi的接收信噪比为:
i
h
2 1
2 h2 Es
2.发送端未知信道信息— Alamouti方案
hi re ji 考虑两根发送天线情况,假设每根天线的信道增益 i （i=1，2）
是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,发送信号s(t)的符 号能量为Es.
如果简单平分功率后用两个天线发射,那么天线i上的发送 信号为 si(t )= 0.5s(t ) ,接收信号为:
无线通信技术
翟旭平 zhaixp@shu.edu.cn
2012-5-15
本学期考试安排
1、《无线通信技术》 时间：6月12日 14:15-16:15 地点：I教116(学号小于等于09124046)， I教119(学号大于等于09124055) 2、《通信原理A2》 时间： 6月12日 11:45-13:45
分集技术
空间分集—发送分集
分集技术
空间分集—发送分集
这两个先后接收到的符号形成矢量 y [ y1 y2 ] ,可写为
h y 1 h2 h2 s1 n1 n H A s n h1 s2 2
T
T
式中 s [ s1 , s2 ] , n [n1 , n2 ] , H A
T
H 2 H A H A h12 h2 I 2 HA满足:
h1 h2
h2 h1
H 定义一个新变量: z H A y T 2 2 则: z [ z1 z2 ] h1 h2 I 2 s n H n H A n 是复高斯噪声矢量,均值为0,协方差矩阵为:
时间分集缺陷：虽然不需要增加发送功率，但是降低了发送速率
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.3 频率分集
基本思想：在不同的频带发送相同的窄带信号，载 波的间隔是信道的相干带宽
频率分集缺陷：因为要在多个频带上发射信号，所以需要增加发射功率
通信与信息工程学院
分集技术
频率分集
利用频率分集的同时 处理码间干扰的方法
1 2
分集技术
空间分集—发送分集
Alamouti方案:
该方案是针对有两根发送天线的数字通信系统设计的.它 占用两个符号周期并且假设在这段时间内信道增益不变.在 第一个符号周期,两个不同的符号s1和s2分别用天线1和天线 2同时发送,每个符号的能量为Es/2;在下一个符号周期,天线 1发送-s2 ,天线2发送s1 ,每个的符号能量同样也为Es/2.
阵列增益是指采用天线 分集增益定义为分集合 分集后相对于单天线 并后误码率斜率的变化 的信噪比增益
分集技术
空间分集—发送分集
发送分集：多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的 和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理能力方面 比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。 发送端已知信道信息，与接收分集类似 发送分集 发送端未知信道信息-Alamouti方案
接收分集：1副发射天线和L副接收天线，接收分集将多个接收天 线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。
合并
不同的合并方式
接收分集最简单的两根接收天线模型
分集技术
分集合并技术
接收分集的主要目的是对独立的衰落路径进 行相干合并来减轻衰落的影响，合并后的输 出是不同衰落支路的加权和。
选择合并
门限合并
r(t )= 0.5(h1 +h 2 )s(t )
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
两个复高斯随机变量的和（h1 + h2 ）本身也是 5 复高斯的,和的均值为0,方差为2,所以 0.（h +h ） 仍 然是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,这和单 根发送天线是一样的. 可见该方法既不能使两个天线同相,也不能对两 个天线加权分配能量,没有任何性能优点.
等增益合并
分集技术
分集合并技术
采用均衡的 单载波系统
直接序列频谱扩频
多载波系统： 具有ISI均衡的单载波： 通过发射预编码将ISI信道转换 在接收端通过线性和非线性 直接序列频谱扩展： 为一组无干扰、正交子载波， 处理，可以在某种程度上减轻 采用此方法时，信息码元被 其中各子载波经历窄带平坦 码间干扰。利用维比特法可以 伪噪声序列调制后通过远远 衰落。对不同子载波的码元进行 实现发射码元的最优ML检测。 大于数据速率的带宽W发射 编码就可以实现分集，这种方法 然而，维比特算法的复杂度 出去，因为码元速率低， 也称为离散多音（DMT）或 所以码间干扰小大大简化了 随着抽头的数量指数增加， 正交频分多路复用（OFDM） 并且通常仅用于有效抽头数量 发射机结构。 较小的情况。
通信与信息工程学院
分集技术
分集的种类
（2）微观分集 在一个局部区域，信号衰落 所呈现的独立性是多方面的， 如时间，频率，空间以及携 带信息的电磁波的极化方式 等。利用这些特点，采用相 应的方法可以得到来自 同一发射机衰落独立 的多个信号。 空间分集 分集
时间分集
频率分集
来自不同空间的多径信号
来பைடு நூலகம்不同频带的多径信号
2 N0
（II）
(II)式中’2’源于发送信号si的能量是总能量Es的一半.接收信 噪比等于各支路信噪比的和除以2.由(I)式可知,分集阶数可达到 2,(II)式说明阵列增益只能达到1.而MRC的阵列增益和分集阶数 均为2.
分集技术
空间分集—发送分集
MIMO仿真
分集技术
空间分集—接收分集
分集技术
空间分集
接收分集—单输入多输出 （SIMO）信道，实现独立的衰落路径 不需要增加发送功率或带宽，通 过分集信号进行相干合并还能提 高接收信噪比，获得阵列增益。
空间分集
benefit
发送分集—多输入单输出 （MISO）信道，发送分集的设计与 发送端是否知道复信道增益信息有关， 发送分集同样也能获得阵列增益。
原理 ： 利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号 的统计独立性进行合并，从而实现分集。
首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以是 不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。 其次要以某种方法进行合并。
分集的种类
通信与信息工程学院
分集技术
分集的种类
衰落的种类：大尺度衰落和小尺度衰落； 分集的种类：宏观分集和微观分集。 （1）宏观分集 为了消除阴影区域的信号衰落，可以在两个不同的地点分别设置 一个基站，这两个基站可以同时接收移动台的信号。由于两个基站接 收天线相距很远，所接收到的信号衰落是相互独立的，由此得到了两 个衰落独立并且携带同一信息的信号。 由于传播路径的不同，两个基站所得到的信号强度一般是不相等 的，通常用接收信号的平均功率来表征。对于移动台，可以选择两个 基站中信号强度较强的进行通信，并且当移动台位置不同时，可以选 择不同的基站进行通信，这就是宏观分集中所采用的信号合并技术。 宏观分集需要设置多个基站，因此也称为多基站分集。
在蜂窝系统的下行链 路常见，因为在基站 安装多副天线通常要 比在手机安装多副天 线便宜
发送分集最简单的两根发送天线模型
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
1.发送端已知信道信息 考虑有M根发送天线和一根接收天线的发送分集系统. j 假设发送端已知第i根天线上的路径增益ri e i,称此为发送 端已知信道边信息(channel side information,CSI),记为 CSIT. 记发送信号为s(t),总发送的符号能量为Es.信号乘以复增益 i ai e ji (0 ai 1) 后在第i根天线上发送.这个复数乘 法同时实现同相和信道增益加权的功能.由于总发送能量 M 是Es,加权值必须满足 i 1 ai2 1
通信与信息工程学院
抗衰落技术---分集技术
分集技术概述 时间分集 频率分集 空间分集—接收分集及发送分集 多用户分集
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.1 分集技术概述
分集的目的： 在无线通信的信道传输过程中，由于大气 及地面的影响而发生传播损耗及传播延时 随时间变化的现象叫做衰落。
M
通过设定合适的支路加权值使接收信噪比最大.按照接收 MRC分集中类似的方法可得知,使信噪比最大化的加权值ai ri 为: a
i
ri 2 i 1
M
相应的信噪比为:
ES M 2 M i 1 ri i 1 i ， i ri 2 Es N 0 N0
通信与信息工程学院
来自不同时间的多径信号
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.2 时间分集
基本思想：不同时间发送相同信息， 时间间隔必须大于信道相干时间
对信息进行编码并将编码后的码元分 散到不同的时间段，时间间隔大于相 干时间，从而使得码字的不同部分经 历相互独立的衰落。 通过编码和交织可以实现时间分集。
多载波系统
分集技术
4.2.4 空间分集
使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列， 其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做 空间分集。 如果天线安装的间隔足够大（对于均匀散射环 境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立需 要的最小间距近似为波长的一半），那么不同 天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关 的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。
衰落根据其频率 特性划分
衰落根据其时间 特性划分
对抗衰落的有效技术之一就是 对独立的衰落信号
非频率选择性衰落 平衰落 频率选择性衰落
进行分集合并
快衰落
慢衰落
分集技术
分集的概念
分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一 时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰 落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。
分集技术
时间分集
重复编码实现 示意图
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
时间间隔远远大于相干时间
在不同的时段中发射相同的信息 通信与信息工程学院
分集技术
时间分集
1 2 3 4 5 6
交织实现 示意图
7
8
9
10 11
12 13 14 15 16
1
5
9
13
以列写入、以行读出
交织之所以被称为隐分集是因为其 并没有采发送重复信息的方式，但是 它仍然利用了时间分集中将码字放入不同 的独立衰落的时间段的发送方式，
分集技术
空间分集—发送分集
高信噪比下,MRC发送分集的分集阶数是M,所以 发送和接收的MRC分集都达到了满分集阶数. 发送分集的主要困难是要让发送端获得信道的相 位和幅度信息.一种方法是,接收端利用导频测量信 道,再将测量结果反馈给发送端.
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
分集技术
空间分集—发送分集
由此可见,当发送端已知信道信息时,发送分集和 接收MRC分集完全类似,其接收信噪比也是各支 路信噪比的和. 当各天线的路径增益相同为ri=r时, M r 2 Es N0
采用M根发送天线时的信噪比是单天线时的M 倍, 即阵列增益为M.
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
re s t 1
j1
r2 e j2 s t
r3e j3 s t
rM e j M s t
1
2
3
M
r 2i
Ni
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
各天线发送的加权信号在空中相加,形成如下的接收信号
r (t ) i 1 ai ri s t
6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 1
2
3 4 1 5
6
7 8 9
10
11 12
14
15 16
13 2
深度衰落会导致连续码元整个码字消失，在交织码元中， 仅会导致各码字中的一个编码码元消失， 仍然可以从其他三个未衰落码元中恢复出各码字
通信与信息工程学院
分集技术
时间分集
重复编码可以获得分集增益，但由于只是相同码元 在L个码元时间的简单重复， 所以并没有有效地利用信道的可用自由度， 采用更为复杂的编码可以获得分集增益和编码增益
2 E[nn ] h12 h2 N 0 I 2
分集技术
空间分集—发送分集
z表达式中的对角阵特性使我们可以分离出两个符号的传输,z 的每个元素对应一个符号的发送:
2 zi h12 h2 si ni
i=1，2
(I)
对应zi的接收信噪比为:
i
h
2 1
2 h2 Es
2.发送端未知信道信息— Alamouti方案
hi re ji 考虑两根发送天线情况,假设每根天线的信道增益 i （i=1，2）
是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,发送信号s(t)的符 号能量为Es.
如果简单平分功率后用两个天线发射,那么天线i上的发送 信号为 si(t )= 0.5s(t ) ,接收信号为:
无线通信技术
翟旭平 zhaixp@shu.edu.cn
2012-5-15
本学期考试安排
1、《无线通信技术》 时间：6月12日 14:15-16:15 地点：I教116(学号小于等于09124046)， I教119(学号大于等于09124055) 2、《通信原理A2》 时间： 6月12日 11:45-13:45
分集技术
空间分集—发送分集
分集技术
空间分集—发送分集
这两个先后接收到的符号形成矢量 y [ y1 y2 ] ,可写为
h y 1 h2 h2 s1 n1 n H A s n h1 s2 2
T
T
式中 s [ s1 , s2 ] , n [n1 , n2 ] , H A
T
H 2 H A H A h12 h2 I 2 HA满足:
h1 h2
h2 h1
H 定义一个新变量: z H A y T 2 2 则: z [ z1 z2 ] h1 h2 I 2 s n H n H A n 是复高斯噪声矢量,均值为0,协方差矩阵为:
时间分集缺陷：虽然不需要增加发送功率，但是降低了发送速率
通信与信息工程学院
分集技术
4.2.3 频率分集
基本思想：在不同的频带发送相同的窄带信号，载 波的间隔是信道的相干带宽
频率分集缺陷：因为要在多个频带上发射信号，所以需要增加发射功率
通信与信息工程学院
分集技术
频率分集
利用频率分集的同时 处理码间干扰的方法
1 2
分集技术
空间分集—发送分集
Alamouti方案:
该方案是针对有两根发送天线的数字通信系统设计的.它 占用两个符号周期并且假设在这段时间内信道增益不变.在 第一个符号周期,两个不同的符号s1和s2分别用天线1和天线 2同时发送,每个符号的能量为Es/2;在下一个符号周期,天线 1发送-s2 ,天线2发送s1 ,每个的符号能量同样也为Es/2.
阵列增益是指采用天线 分集增益定义为分集合 分集后相对于单天线 并后误码率斜率的变化 的信噪比增益
分集技术
空间分集—发送分集
发送分集：多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的 和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理能力方面 比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。 发送端已知信道信息，与接收分集类似 发送分集 发送端未知信道信息-Alamouti方案
接收分集：1副发射天线和L副接收天线，接收分集将多个接收天 线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。
合并
不同的合并方式
接收分集最简单的两根接收天线模型
分集技术
分集合并技术
接收分集的主要目的是对独立的衰落路径进 行相干合并来减轻衰落的影响，合并后的输 出是不同衰落支路的加权和。
选择合并
门限合并
r(t )= 0.5(h1 +h 2 )s(t )
通信与信息工程学院
分集技术
空间分集—发送分集
两个复高斯随机变量的和（h1 + h2 ）本身也是 5 复高斯的,和的均值为0,方差为2,所以 0.（h +h ） 仍 然是均值为0,方差为1的复高斯随机变量,这和单 根发送天线是一样的. 可见该方法既不能使两个天线同相,也不能对两 个天线加权分配能量,没有任何性能优点.