抗信道衰落技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,抗信道衰落技术,1,抗衰落技术,一般来说，为解决移通信系统的设计问题，必须搞清三个问题,：,(1),无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因,;,(2),对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响；,(3),有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。,2,抗衰落技术,为了提高移动通信系统的性能，采用以下技术在用来改进接收质量：,分集接收,用来补偿衰落信道损耗,信道均衡,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,通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。,交织编码,智能天线,空时编码,混合自动请求重传,这些技术，既可单独使用，也可组合使用。,3,分集接收技术,研究如何利用多径信号来改善系统的性能，是抗衰落、提高通信质量的一种有效措施。,利用多条传输相同信息,且具有近似相等的平均信号场强和相互独立衰落特性的信号路径,在接收端对这些信号进行适当的合并,以便大大降低多径衰落的影响,从而改善传输的可靠性,.,4,分集接收技术,分集按目的分可以为,:,宏（,macroscopic,）分集,“多基站”分集,以克服长期衰落为目的。,微（,microscopic,）分集,减小短期衰落影响,.,空间分集,频率分集,时间分集,场分量分集,角度分集,极化分集,5,分集接收技术,-,宏分集,把多个基站设置在不同的地理位置上和在不同方向上，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进行通信）。,6,分集接收技术,按信号的传输方式可以分为,:,显分集,构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集。,隐分集,分集作用含在传输信号中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术，跳频技术等。,隐分集一般用在数字移动通信中。,7,分集接收技术,分集有两重含义,:,分散传输,:,使接收端能获得多个统计独立,携带同一信息的衰落信号,.,集中处理,:,接收端对收到的多个衰落特性,互相独立,（携带同一信息）的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏，降低衰落的影响，提高灵敏度的办法。,8,分集接收技术,多个衰落特性互相独立互相独立,9,分集接收技术,-,空间分集,依据,快衰落的空间独立性,即在任意两个不同的位置上接收同一信号,只要两个位置的距离,d,大到一定程度,则两处所收信号的衰落是不相关的,.,理论上,足以保证各接收信号是不相关的,.,实际中,视地形地物而定,一般,市区,:,郊区,:,例如,900MHz,频段,d=0.27m,10,分集接收技术,-,空间分集,多传输天线,11,分集接收技术,-,空间分集,多接收天线,12,分集接收技术,-,空间分集,多传输天线、多接收天线,13,分集接收技术,-,频率分集,将要传输的信息分别以不同的载频发射出去,只要载频之间的间隔足够大,(,大于相干带宽,),则接收端就可以得到衰落特性不相关的信号,.,载频间隔,Bc,如市区,优点,:,减少天线数目,缺点,:,占用更多的频谱资源,14,分集接收技术,-,时间分集,对于一个随机衰落信号,若对其振幅进行顺序抽样,则在时间上间隔足够远,(,大于相干时间,),的两个样点是互不相关的,.,所以,将给定的信号在时间上相隔一定时间间隔重发传输,M,次,只要时间间隔大于相干时间,就可以得到,M,条独立的分集支路,.,要求重发时间间隔满足,:,f,m,:,衰落速率,对于移动台处于静止状态时,时间分集得益丧失,.,15,分集接收技术,-,极化分集,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,.,因此在收、发两端分别装上垂直极化和水平极化天线，就可以得到两路衰落特性不相关的信号。,是空间分集的特殊情况,优点： 结构紧凑，节省空间,发射功率要分配到两副天线上，发射信号功率将损失,3dB,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（,E,z,H,x,H,y,）,可获得分集增益。,适用于较低工作频段（低于,100MHz,）。,工作频率较高时（,800-900MHz),空间分集在结构上较易实现。,18,分集接收技术,-,合并方式,在接收端取得,M,条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。,根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为,:,检测前合并技术,检测后合并技术,19,分集接收技术,-,合并方式,线形合并器：把,M,个独立衰落信号相加后合并输出。,选择不同的加权系数,a,k,，就构成不同的合并方式。,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,21,分集接收技术,-,合并方式,接收机,1,接收机,2,1,2,等增益合并,信号包络,22,分集接收技术,-,合并方式,最大比值合并,最佳合并方式,输出信号SNR最大可等于各路支路SNR之和,信号包络,23,分集接收技术,-,合并方式,开关式合并,开关式合并,与选择合并非常相似，但是它不是总采用,M,个支路中信号最好的支路，而是以一个固定顺序扫描,M,个支路，直到发现某一支路的信号超过了预置的阈值，然后这路信号将被选中并送至接收机。一旦这路信号降低至阈值之下，那么扫描过程将重新开始。,24,分集接收技术,-,合并方式,检测前二重开关式合并框图,:,25,分集接收技术,-,合并方式,该分集方式也称为扫描式分集（,Scanning Diversity,）或者反馈分集，该方式的优点是仅使用一套接收设备，非常易于实现。与其他方法相比较，它的抗衰落统计特性稍差一些。,在监视接收信号的瞬时包络，当支路,1,的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关置到支路,2,上。若此时支路,2,的瞬时包络也低于预定门限时，有两种处理方法：,第一种：天线开关在支路,1,和支路,2,之间循环切换，直到一个支路的包络大于预先设定的门限；,第二种：天线开关停留在支路,2,上，直到支路,2,大于预定门限后，再次低于预定门限时，天线开关再转到支路,1,上。,26,分集接收技术,-,合并方式,上述第二种方法避免了在两个支路都低于预定门限时，频繁的开关倒换。它是实际中通常采用的方法。此时二重开关式合并后输出信号的包络如图。,27,分集接收技术,带反馈的空间分集,与切换接收天线相类似，可以通过切换发射天线的方法来获得合并增益，这种方法称为带反馈的空间分集。,28,分集接收技术,-,分集合并性能比较,平均信噪比的改善,指分集接收机合并器输出的平均信噪比 较 无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数,.,平均信噪比改善（,dB,）,分集重数,M,最大比值合并,等增益合并,选择式合并,29,分集接收技术,-,分集合并性能比较,选择性合并：,设备简单，,当分集重数,3,信噪比改善缓慢,最大值合并,:,设备较复杂,改善信噪比最多,等增益合并,在分集数,M,较小时，信噪比改善接近最大比合并,电路实现比最大比合并简单,30,信道编码技术,在移动信道上,误码有两种类型,:,随机性误码,:,单个码元错误,并且随机发生,主要由噪声引起,;,突发性误码,:,连续数个码元发生错误,主要由于衰落或阴影造成,因此,信道误码应有克服这两类误码的能力,.,信道编码主要是为了纠错,也叫前向纠错,(FEC: Forward error correcting),31,信道编码技术,_,线性分组码,线性分组码,在一个码字中,监督元只由本组的信息码元来决定,.,(n,k),码,:,信息码元 监督码元,编码效率,: k/n,32,信道编码技术,_,线性分组码,循环码,:,任一码字每一次向左,(,或向右,),循环移位,就可以得到另一码字,.,BCH,码,能纠正多个随机差错的特殊循环码,码长为,n=2,m,-1 (m,为正整数,),R-S,码,一种多进制的,BCH,码,从二进制码元来看,有纠正突发错误的能力,33,信道编码技术,_,卷积编码技术,卷积编码技术,任一组的监督码元不仅与本组信息码元有关,而且还和前面若干组的信息码元有关,是一种特殊的分组码,纠错能力较强,能纠随机和突发错误,.,Y,k,码率为,1/2,约束长度,k=4,生成多项式,: g1=37,g2=21,34,信道编码技术,_,卷积编码技术,例,:,1,0,0,+,+,u1,u2,1,u1 u2,1 1,0,1,0,+,+,u1,u2,0,u1 u2,1 0,1,0,1,+,+,u1,u2,1,u1 u2,0 0,0,1,0,+,+,u1,u2,0,u1 u2,1 0,0,0,1,+,+,u1,u2,0,u1 u2,1 1,101 11 10 00 10 11,35,信道编码技术,_ Turbo,编码技术,Turbo,编码技术,无论是从信息论还是从编码理论看,要想提高编码的性能,就必须加大编码中具有约束关系的序列长度,.,但是直接提高分组码编码长度或卷积码约束长度都使系统的复杂性急剧上升,.,Forney,提出了级联码的概念,以多个短码来构造长码,既能减小译码复杂性,又能得到等效长码的性能,级联码研究的一个成果,:Turbo,码,36,信道编码技术,_Turbo,编码技术,1993,年,C.Berrou,等人提出,基本思想,由两个或更多的递归系统卷积编码器（,RSC,）并行组成，在两个,RSC,之间加入交织器,两个递归系统卷积码子编码器的输出由于交织而不具有相关性，从而可以互相利用对方提供的先验信息（,extrinsic information,）,.,37,信道编码技术,_Turbo,编码技术,One RSC encoder with memory M=4 obtained from an NSC encoder defined by generators G1=37,G2=21,38,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo encoder example(1),码率为,1/3,的,Turbo,码编码器,39,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo encoder example(2),母码率为,1/3,的,Turbo,码编码器,40,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo encoder example,41,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo decoder,Turbo,译码利用两个子译码器之间信息的往复迭代递归调用，来加强后验概率对数似然比,LLR,，提高判决可靠性。,42,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo decoder,Turbo,译码利用两个子译码器之间信息的往复迭代递归调用，来加强后验概率对数似然比,LLR,，提高判决可靠性。,43,信道编码技术,_Turbo,编码技术,Turbo,码性能,44,交织编码技术,I,nterleaving,把一个较长的突发差错离散成随机差错,再用纠正随机差错的编码,(FEC),技术消除随机差错,.,交织编码过程是将,FEC,码子序列按行写入而按列读出,.,交织深度越大,离散度越大,抗突发差错能力越强,.,45,Information to be transmitted,Source,coding,Channel,coding,Modulation,Transmitter,Channel,Information received,Source,decoding,Channel,decoding,Demodulation,Receiver,Channel,coding,Channel,decoding,Interleaving,De-Interleaving,46,交织编码技术,以分组码,(7,3),为例,:,写入,读出,行数,1,2,3,M,交织编码输出序列为,:,交织编码矩阵,:,47,交织编码技术,交织编码输出序列为,:,传输中出现突发错误,则经解交织后,每一,FEC,码子中只发生,2,位差错,.,当纠错能力 时,即可消除差错,.,48,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, 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,49,交织编码技术,若,FEC,纠错能力为,t,时,交织编码可纠正一次突发差错的长度为,:,即可纠正,t,次突发差错长度为,M,位的差错,.,交织深度,M,越大,交织编码处理时间也越长,即是以时间为代价的,.,交织编码属于时间隐分集,.,50,信道均衡技术,所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。,用于解决符号间干扰的问题，适用于,信号不可分离多径,的条件下，且,时延扩展远大于符号的宽度,。,由于信道是时变的,要求均衡的特性能自动适应信道的变化而均衡,.,51,Equalization(,均衡,),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,码间干扰,):,One or more delayed copies of a pulse may arrive at the receiving antennas. Without proper recover, those d,elayed,pulses act as noise, giving rise to the ISI.,InterSymbol Interference,52,Inter-Symbol-Interference Cancellation:,Equalization Technologies,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 information the transmitter wants to send.,均衡器是传输信道的,逆滤波器,；,由于,无线传输,信道的时变性，均衡器必须是参数可变的自适应均衡器；,均衡器的效果是补偿信道的,频率选择性，使衰落趋于平坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。,L,inear and nonlinear equalization,.,线性均衡适用于,衰落深度不是很大的情况， 通常不适用于无线衰落信道,.,Channel with ISI,Channel with ideal zero-forcing equalization,53,Automatic Repeat Request (ARQ),Demodulation,Data bits,Data bits,CRC,Buffer,Modulation,Buffer,Error,check,ARQ control,gain,noise,Feedback,Channel,ACK/NACK,54,Stop-And-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: Acknowledge,NAK: Negative ACK,55,N,信道,SW ARQ,N,子通道,各子信道分别,采用,SW ARQ,N,组,缓存器,N,组,缓存器,自适应,N,子通道复用器,N,子通道解复用器,(,解码检测,存储,),码块,数据,采用多通道停等协议后,可以利用单信道停等,ARQ,所存在的占空时间，信道利用率能大大提高，且较易实现。,56,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 5,1,2,3,4,4,5,57,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,1,Time,2,4,3,6,8,7,5,9,Output Data,1,Time,2,4,3,6,8,7,5,9,58,HARQ(Hybrid ARQ),混合,ARQ,Channel coding + Automatic Repeat reQuest,Adds redundancy only when needed,Receiver saves failed transmission attempts to help future decoding,Every transmission helps increases the packet success probability,59,Code Combining (Chase, 1985),码合并,Type I HARQ with soft combining,Incremental Redundancy,递增冗余,Type II HARQ,Type III HARQ,Hybrid ARQ schemes,60,System Model,Information,source,Error,correction,encoding,Error,detection,encoding,channel,Error,correction,and,Error,detection,verification,Information,sink,ACK/NACK,signalling,I(x),J(x),P(x),noise,buffer,buffer,Combining,P(x),J(x),I(x),61,Example,Type I HARQ,Coding rate: 1/3 (Turbo coding),Puncturing patterns:,Chase combining,RSC1,RSC2,交织,穿孔,62,Type II HARQ,Type III HARQ,Example,63,自适应调制编码技术使系统能根据信道变化情况，动态选择传输信号的调制和编码方式，可以进行快速数据速率选择，给系统带来很大的灵活性。但对信道估计误差和延时敏感，因此当接收数据错误时仍需进行自动重传请求（,ARQ,）。,在自适应技术中，通过自适应调制编码进行数据速率的粗选择和混合自动请求重传基于瞬时信道条件的数据速率的调整，可使链路自适应性能得到更好的体现。,自适应调制编码与,HARQ,结合技术,64,数据分组,数据分组,信道,估计,ARQ,重传控制,AMC,参数控制,衰落,噪声,信道,反馈信道,信道,预测,缓存,/,合并,自适应解调,信道译码,CRC,效验,缓存,自适应调制,信道编码,CRC,编码,AMC/HARQ,系统模型,65,智 能 天 线,通过设计天线的辐射特性，控制无线成形波束电磁能的空间分布,可以有效地解决时延扩散、瑞利衰落、多径、同信道干扰等使通信质量受到严重的影响的问题。,66,智 能 天 线,智能天线的信号处理结构,智能天线是通过反馈控制去自动调整自身天线波束成型模式的自适应天线阵,.,67,智 能 天 线,关键技术,天线阵的结构及设计,确定加权因子的算法（阵列处理算法）,发射端：形成窄波束,接收端：抑制非期望方向的信号, DOA,（波达方向）估计方法,68,智 能 天 线,在无线基站中使用了智能天线技术后，将带来如下主要结果：,提高了基站接收机的灵敏度,提高了基站发射机的等效发射功率,降低了系统的干扰,增加,CDMA,系统的容量,改进了小区的覆盖,降低了天线基站的成本,69,发射分集与空时编码,在实际的移动通信系统中，移动台尺寸、电池能量及多媒体业务的不对称性,最佳的方式,基站使用多根天线实现接收分集和发射分集,移动台不强求使用多根天线,目前的商用系统采用的主要方式是接收分集。,70,发射分集与空时编码,发射分集是近年来才发展起来的一种技术,是为减弱信号衰落的效果，在一根以上的天线上发射信号。,同样阶数的发射分集具有与接收分集相似的分集增益，只是在高误码率的情况下，接收分集的分集增益较发射分集大。,在发射延迟分集的基础上提出的基于发射分集的空时码是能够有效提高无线频谱利用率的最重要的方案之一。,71,发射分集与空时编码,空时分组编码调制框图,输入的码元每两个划分为一组,空时编码,72,发射分集与空时编码,接收译码框图,73,MIMO,（,Multiple Input Multiple Output,）,74,本章主要内容,分集接收：,用来补偿衰落信道损耗,分集合并的概念、分集方式、合并方式,均衡：,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：,通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。,交织编码技术,:,把一个较长的突发差错离散成随机差错,.,HARQ,75,