chapter4antifadingtechniques

1、1,抗信道衰落技術(shù),2,抗衰落技術(shù),一般來說，為解決移通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，必須搞清三個問題：(1)無線電信號在移動信道中可能發(fā)生的變化以及發(fā)生這些變化的原因;(2)對于特定的無線傳輸技術(shù)，這些變化對傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能有什么影響；(3)有哪些方法或技術(shù)可供用來克服這些不利影響。,3,抗衰落技術(shù),為了提高移動通信系統(tǒng)的性能，采用以下技術(shù)在用來改進(jìn)接收質(zhì)量：分集接收用來補(bǔ)償衰落信道損耗信道均衡補(bǔ)償時分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼

2、間干擾（ISI）。信道編碼通過發(fā)送信息時加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。交織編碼智能天線空時編碼混合自動請求重傳……這些技術(shù)，既可單獨(dú)使用，也可組合使用。,4,分集接收技術(shù),研究如何利用多徑信號來改善系統(tǒng)的性能，是抗衰落、提高通信質(zhì)量的一種有效措施。利用多條傳輸相同信息,且具有近似相等的平均信號場強(qiáng)和相互獨(dú)立衰落特性的信號路徑, 在接收端對這些信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?以便大大降低多徑衰落的影響,從而改善傳輸?shù)目煽啃?

3、,5,分集接收技術(shù),分集按目的分可以為:宏（macroscopic）分集“多基站”分集, 以克服長期衰落為目的。微（microscopic）分集減小短期衰落影響.,空間分集頻率分集時間分集,場分量分集 角度分集 極化分集,分集接收技術(shù)---宏分集,把多個基站設(shè)置在不同的地理位置上和在不同方向上，同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進(jìn)行通信（可以選用其中信號最好的一個基站進(jìn)行通信）。,7,分集接收技術(shù),按信號的傳輸方式可以分為:顯分

4、集構(gòu)成明顯分集信號的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號的分集。隱分集分集作用含在傳輸信號中的方式，在接收端利用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集，它包括交織編碼技術(shù)，跳頻技術(shù)等。隱分集一般用在數(shù)字移動通信中。,8,分集接收技術(shù),分集有兩重含義:分散傳輸: 使接收端能獲得多個統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,攜帶同一信息的衰落信號.集中處理: 接收端對收到的多個衰落特性互相獨(dú)立（攜帶同一信息）的信號進(jìn)行特定處理，以降低信號電平起伏，降低衰落的影響，提高靈敏度的辦法

5、。,9,分集接收技術(shù),多個衰落特性互相獨(dú)立互相獨(dú)立,10,分集接收技術(shù)--空間分集,依據(jù) 快衰落的空間獨(dú)立性,即在任意兩個不同的位置上接收同一信號,只要兩個位置的距離d大到一定程度,則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的.理論上, 足以保證各接收信號是不相關(guān)的.實(shí)際中,視地形地物而定,一般 市區(qū): 郊區(qū):例如900MHz頻段,d=0.27m,11,分集接收技術(shù)--

6、空間分集,多傳輸天線,12,分集接收技術(shù)--空間分集,多接收天線,13,分集接收技術(shù)--空間分集,,多傳輸天線、多接收天線,14,分集接收技術(shù)--頻率分集,將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去,只要載頻之間的間隔足夠大(大于相干帶寬),則接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號. 載頻間隔>Bc 如市區(qū) 優(yōu)點(diǎn): 減少天線數(shù)目缺點(diǎn):占用更多的頻譜資源,15,分集接收技術(shù)--時間分集,對于一個

7、隨機(jī)衰落信號,若對其振幅進(jìn)行順序抽樣,則在時間上間隔足夠遠(yuǎn)(大于相干時間)的兩個樣點(diǎn)是互不相關(guān)的.所以, 將給定的信號在時間上相隔一定時間間隔重發(fā)傳輸M次,只要時間間隔大于相干時間,就可以得到M條獨(dú)立的分集支路.要求重發(fā)時間間隔滿足: fm:衰落速率對于移動臺處于靜止?fàn)顟B(tài)時,時間分集得益喪失.,16,分集接收技術(shù)--極化分集,在移動環(huán)境下,兩個在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落

8、特性.因此在收、發(fā)兩端分別裝上垂直極化和水平極化天線，就可以得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號。是空間分集的特殊情況優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間發(fā)射功率要分配到兩副天線上，發(fā)射信號功率將損失3dB,17,分集接收技術(shù)--角度分集,使電波通過幾個不同路徑，以不同角度到達(dá)接收端，接收端利用方向性天線分別指向不同的信號到達(dá)方向，每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。較高頻率時容易實(shí)現(xiàn)。,18,分集接收技術(shù)--場向量分集,接收端通過接收三

9、個互不相關(guān)的場向量（Ez,Hx,Hy）,可獲得分集增益。適用于較低工作頻段（低于100MHz）。工作頻率較高時（800-900MHz),空間分集在結(jié)構(gòu)上較易實(shí)現(xiàn)。,19,分集接收技術(shù)--合并方式,在接收端取得M條相互獨(dú)立的支路信號以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為:檢測前合并技術(shù)檢測后合并技術(shù),20,分集接收技術(shù)--合并方式,線形合并器：把M個獨(dú)立衰落信號相加后合并輸出。,選擇不

10、同的加權(quán)系數(shù)ak，就構(gòu)成不同的合并方式。 選擇合并 最大比合并 等增益合并,21,分集接收技術(shù)--合并方式,選擇式合并,22,分集接收技術(shù)--合并方式,等增益合并,信號包絡(luò),23,分集接收技術(shù)--合并方式,最大比值合并—最佳合并方式,,輸出信號SNR最大可等于各路支路SNR之和,信號包絡(luò),24,分集接收技術(shù)--合并方式,開關(guān)式合并．開關(guān)式合并與選擇合并非常相似，但是它不是總采用M個支路中信號最好的支路，而是以一個固定順序掃描 M

11、 個支路，直到發(fā)現(xiàn)某一支路的信號超過了預(yù)置的閾值，然后這路信號將被選中并送至接收機(jī)。一旦這路信號降低至閾值之下，那么掃描過程將重新開始。,25,分集接收技術(shù)--合并方式,檢測前二重開關(guān)式合并框圖:,26,分集接收技術(shù)--合并方式,該分集方式也稱為掃描式分集（Scanning Diversity）或者反饋分集，該方式的優(yōu)點(diǎn)是僅使用一套接收設(shè)備，非常易于實(shí)現(xiàn)。與其他方法相比較，它的抗衰落統(tǒng)計(jì)特性稍差一些。在監(jiān)視接收信號的瞬時包絡(luò)，當(dāng)支路1

12、的瞬時包絡(luò)低于預(yù)定門限時，將天線開關(guān)置到支路2上。若此時支路2的瞬時包絡(luò)也低于預(yù)定門限時，有兩種處理方法：第一種：天線開關(guān)在支路1和支路2之間循環(huán)切換，直到一個支路的包絡(luò)大于預(yù)先設(shè)定的門限；第二種：天線開關(guān)停留在支路2上，直到支路2大于預(yù)定門限后，再次低于預(yù)定門限時，天線開關(guān)再轉(zhuǎn)到支路1上。,27,分集接收技術(shù)--合并方式,上述第二種方法避免了在兩個支路都低于預(yù)定門限時，頻繁的開關(guān)倒換。它是實(shí)際中通常采用的方法。此時二重開關(guān)式合并后

13、輸出信號的包絡(luò)如圖。,28,分集接收技術(shù),帶反饋的空間分集與切換接收天線相類似，可以通過切換發(fā)射天線的方法來獲得合并增益，這種方法稱為帶反饋的空間分集。,29,分集接收技術(shù)--分集合并性能比較,平均信噪比的改善指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比 較 無分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù).,平均信噪比改善（dB）,分集重數(shù)M,最大比值合并,等增益合并,選擇式合并,30,分集接收技術(shù)--分集合并性能比較,選擇性合并：設(shè)備簡單，當(dāng)分集

14、重數(shù)>3,信噪比改善緩慢最大值合并:設(shè)備較復(fù)雜改善信噪比最多等增益合并在分集數(shù)M較小時，信噪比改善接近最大比合并電路實(shí)現(xiàn)比最大比合并簡單,31,信道編碼技術(shù),在移動信道上,誤碼有兩種類型:隨機(jī)性誤碼:單個碼元錯誤,并且隨機(jī)發(fā)生,主要由噪聲引起;突發(fā)性誤碼:連續(xù)數(shù)個碼元發(fā)生錯誤,主要由于衰落或陰影造成因此,信道誤碼應(yīng)有克服這兩類誤碼的能力.信道編碼主要是為了糾錯,也叫前向糾錯(FEC: Forward err

15、or correcting),32,信道編碼技術(shù)__線性分組碼,線性分組碼在一個碼字中,監(jiān)督元只由本組的信息碼元來決定. (n,k)碼:,,,信息碼元 監(jiān)督碼元,編碼效率: k/n,33,信道編碼技術(shù)__線性分組碼,循環(huán)碼: 任一碼字每一次向左(或向右)循環(huán)移位,就可以得到另一碼字. BCH碼能糾正多個隨機(jī)差錯的特殊循環(huán)碼碼長為 n=2m-1 (m為正整數(shù))R-S碼一種多進(jìn)制的BCH碼從二進(jìn)制碼

16、元來看,有糾正突發(fā)錯誤的能力,34,信道編碼技術(shù)__卷積編碼技術(shù),卷積編碼技術(shù) 任一組的監(jiān)督碼元不僅與本組信息碼元有關(guān),而且還和前面若干組的信息碼元有關(guān)是一種特殊的分組碼糾錯能力較強(qiáng), 能糾隨機(jī)和突發(fā)錯誤.,Yk,碼率為1/2約束長度k=4生成多項(xiàng)式: g1=37,g2=21,35,信道編碼技術(shù)__卷積編碼技術(shù),例:,u1 u2 1 1,u1 u2 1 0,u1 u2 0 0,u1 u2

17、 1 0,u1 u2 1 1,10100 11 10 00 10 11,,36,信道編碼技術(shù)_ Turbo編碼技術(shù),Turbo編碼技術(shù) 無論是從信息論還是從編碼理論看,要想提高編碼的性能,就必須加大編碼中具有約束關(guān)系的序列長度.但是直接提高分組碼編碼長度或卷積碼約束長度都使系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇上升.Forney提出了級聯(lián)碼的概念以多個短碼來構(gòu)造長碼,既能減小譯碼復(fù)雜性,又能得到等效長碼的性能級聯(lián)碼研

18、究的一個成果:Turbo碼,37,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),1993年C.Berrou等人提出基本思想 由兩個或更多的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器（RSC）并行組成，在兩個RSC之間加入交織器,兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼子編碼器的輸出由于交織而不具有相關(guān)性，從而可以互相利用對方提供的先驗(yàn)信息（extrinsic information）.,38,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),One RSC encoder with memory M=

19、4 obtained from an NSC encoder defined by generators G1=37,G2=21,39,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Turbo encoder example(1),,碼率為1/3的Turbo碼編碼器,40,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Turbo encoder example(2),,母碼率為1/3的Turbo碼編碼器,41,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Turbo

20、 encoder example,,,42,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Turbo decoder,Turbo譯碼利用兩個子譯碼器之間信息的往復(fù)迭代遞歸調(diào)用，來加強(qiáng)后驗(yàn)概率對數(shù)似然比LLR，提高判決可靠性。,43,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Turbo decoder,Turbo譯碼利用兩個子譯碼器之間信息的往復(fù)迭代遞歸調(diào)用，來加強(qiáng)后驗(yàn)概率對數(shù)似然比LLR，提高判決可靠性。,44,信道編碼技術(shù)__Turbo編碼技術(shù),Tu

21、rbo 碼性能,45,交織編碼技術(shù) Interleaving,把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機(jī)差錯,再用糾正隨機(jī)差錯的編碼(FEC)技術(shù)消除隨機(jī)差錯.交織編碼過程是將FEC碼子序列按行寫入而按列讀出.交織深度越大,離散度越大,抗突發(fā)差錯能力越強(qiáng).,,Information to be transmitted,,Source,coding,,Channel,coding,,Modulation,,Transmitter,,Chann

22、el,,Information received,,Source,decoding,,Channel,decoding,,Demodulation,,Receiver,Channelcoding,Channel decoding,,Interleaving,De-Interleaving,47,交織編碼技術(shù),以分組碼(7,3)為例:,,,寫入,讀出,,行數(shù)123M,,交織編碼輸出序列為:,交織編碼矩陣:,48,交織編碼技術(shù),

23、交織編碼輸出序列為:,傳輸中出現(xiàn)突發(fā)錯誤,,則經(jīng)解交織后,每一FEC碼子中只發(fā)生2位差錯.當(dāng)糾錯能力 時,即可消除差錯.,,,,49,Interleaving (Example),0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0,…,Transmitting Data,0, 1, 0, 0 0, 1, 0, 0 0, 1

24、, 0, 0 1, 0, 0, 0,,Read,,Write,,De-Interleaving,0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, …,Output Data,,,Burst error,,,,,,Discrete error,50,交織編碼技術(shù),若FEC糾錯能力為t時,交織編碼可糾正一次突發(fā)差錯的長度為:,即可糾正t次突發(fā)差錯長度為

25、M位的差錯.交織深度M越大,交織編碼處理時間也越長,即是以時間為代價的.交織編碼屬于時間隱分集.,51,信道均衡技術(shù),所謂均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來抵消信道的時變多徑傳播特性引起的干擾。即通過均衡器消除時間和信道的選擇性。用于解決符號間干擾的問題，適用于信號不可分離多徑的條件下，且時延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號的寬度。由于信道是時變的,要求均衡的特性能自動適應(yīng)信道的變化而均衡.,Equalization(均衡)

26、 Effect of Multipath Propagation: Multiple copies of a signal may arrive at different phases: If phases add destructively, the signals may cancel out due to phase differences.Intersymbol interference (ISI, 碼間干擾): One

27、or more delayed copies of a pulse may arrive at the receiving antennas. Without proper recover, those delayed pulses act as noise, giving rise to the ISI.,Inter-Symbol-Interference Cancellation: Equalization Technologies

28、,The general idea of equalization is to predict the ISI that will be encountered by a transmission and accordingly modify the signal to be transmitted so that the signal reaching the receiver will represent the informati

29、on the transmitter wants to send. 均衡器是傳輸信道的逆濾波器； 由于無線傳輸信道的時變性，均衡器必須是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器； 均衡器的效果是補(bǔ)償信道的頻率選擇性，使衰落趨于平坦、相位趨于線性。均衡器不能抵銷平衰落。 Linear and nonlinear equalization.線性均衡適用于衰落深度不是很大的情況， 通常不適用于無線衰落信道.,Channel with ISI,,Cha

30、nnel with ideal zero-forcing equalization,54,Automatic Repeat Request (ARQ),Demodulation,Data bits,Data bits,,CRC,Buffer,Modulation,Buffer,Errorcheck,ARQ control,,,,,gain,noise,,,,,FeedbackChannel,,,ACK/NACK,55,Stop-An

31、d-Wait ARQ (SAW ARQ),,Transmitting Data,1,3,2,3,Time,,Received Data,1,,2,3,Time,,,,ACK,,ACK,,,NAK,,,Output Data,1,2,3,Time,,Error,Retransmission,,,ACK: AcknowledgeNAK: Negative ACK,56,N信道SW ARQ,,采用多通道停等協(xié)議后,可以利用單信道停等

32、ARQ所存在的占空時間，信道利用率能大大提高，且較易實(shí)現(xiàn)。,57,Go-Back-N ARQ (GBN ARQ),,Transmitting Data,1,Time,Received Data,,,,NAK,,,,,Output Data,Time,Error,Go-back 3,2,3,4,5,3,4,4,5,6,7,5,,1,Time,2,,,3,4,4,,,5,,,,,,,,,,,,,Error,NAK,,,,,Go-back 5

33、,,,1,2,3,4,4,5,,58,Selective-Repeat ARQ (SR ARQ),,Transmitting Data,1,Time,Received Data,,,,NAK,,,,Error,Retransmission,2,3,4,5,3,6,7,8,9,7,,1,Time,2,,4,3,6,,8,7,,,,,,,,,,,,Error,NAK,,,,,,Retransmission,5,9,,,,,,Buffer,,

34、1,Time,2,4,3,6,8,7,5,9,Output Data,,1,Time,2,4,3,6,8,7,5,9,59,HARQ(Hybrid ARQ) 混合ARQ,Channel coding + Automatic Repeat reQuestAdds redundancy only when needed Receiver saves failed transmission attempts to help future

35、 decodingEvery transmission helps increases the packet success probability,60,Code Combining (Chase, 1985) 碼合并Type I HARQ with soft combiningIncremental Redundancy 遞增冗余Type II HARQType III HARQ,Hybrid ARQ schemes,61

36、,System Model,,,,,62,Example,Type I HARQ Coding rate: 1/3 (Turbo coding) Puncturing patterns: Chase combining,63,Type II HARQType III HARQ,Example,64,自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)使系統(tǒng)能根據(jù)信道變化情況，動態(tài)選擇傳輸信號的調(diào)制和編碼方式，可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)速率選

37、擇，給系統(tǒng)帶來很大的靈活性。但對信道估計(jì)誤差和延時敏感，因此當(dāng)接收數(shù)據(jù)錯誤時仍需進(jìn)行自動重傳請求（ARQ）。在自適應(yīng)技術(shù)中，通過自適應(yīng)調(diào)制編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)速率的粗選擇和混合自動請求重傳基于瞬時信道條件的數(shù)據(jù)速率的調(diào)整，可使鏈路自適應(yīng)性能得到更好的體現(xiàn)。,自適應(yīng)調(diào)制編碼與HARQ結(jié)合技術(shù),AMC/HARQ 系統(tǒng)模型,66,智 能 天 線,通過設(shè)計(jì)天線的輻射特性，控制無線成形波束電磁能的空間分布可以有效地解決時延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、同信道

38、干擾等使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響的問題。,67,智 能 天 線,智能天線的信號處理結(jié)構(gòu),智能天線是通過反饋控制去自動調(diào)整自身天線波束成型模式的自適應(yīng)天線陣.,68,智 能 天 線,關(guān)鍵技術(shù)– 天線陣的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)– 確定加權(quán)因子的算法（陣列處理算法）發(fā)射端：形成窄波束接收端：抑制非期望方向的信號– DOA（波達(dá)方向）估計(jì)方法,69,智 能 天 線,在無線基站中使用了智能天線技術(shù)后，將帶來如下主要結(jié)果： 提高了基站接收機(jī)的靈敏度

39、提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率降低了系統(tǒng)的干擾增加CDMA系統(tǒng)的容量改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋降低了天線基站的成本,70,發(fā)射分集與空時編碼,在實(shí)際的移動通信系統(tǒng)中，移動臺尺寸、電池能量及多媒體業(yè)務(wù)的不對稱性最佳的方式基站使用多根天線實(shí)現(xiàn)接收分集和發(fā)射分集移動臺不強(qiáng)求使用多根天線目前的商用系統(tǒng)采用的主要方式是接收分集。,71,發(fā)射分集與空時編碼,發(fā)射分集是近年來才發(fā)展起來的一種技術(shù)是為減弱信號衰落的效果，在一根以上的天線上發(fā)射信

40、號。 同樣階數(shù)的發(fā)射分集具有與接收分集相似的分集增益，只是在高誤碼率的情況下，接收分集的分集增益較發(fā)射分集大。在發(fā)射延遲分集的基礎(chǔ)上提出的基于發(fā)射分集的空時碼是能夠有效提高無線頻譜利用率的最重要的方案之一。,72,發(fā)射分集與空時編碼,空時分組編碼調(diào)制框圖,輸入的碼元每兩個劃分為一組,,空時編碼,,73,發(fā)射分集與空時編碼,接收譯碼框圖,74,MIMO（Multiple Input Multiple Output）,75,本章主要內(nèi)容