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第四章 抗衰落技术. 张燕 zy29209@163.com. 第 4 章 抗衰落技术. 4.0 概述 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 * 4.5 智能天线 * 4.6 发射分集与 空时编码. 4.0 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。
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第四章 抗衰落技术 张燕 zy29209@163.com
第4章 抗衰落技术 4.0 概述 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 *4.5 智能天线 *4.6 发射分集与空时编码
4.0 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。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、以及智能天线、空时编码等新出现的抗衰落技术。
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，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。
分集技术主要包含两方面 • 如何获得独立的多路信号——分散传输 • 如何合并独立的多路信号——集中处理 图4-1 选择式分集合并示意图
2、分集方式 • 宏分集：主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。 • 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。可以分为下列六种。
(1)空间分集 • 空间分集，也被称为天线分集、空间位置分集，是无线通信中使用最多的分集形式。 • 空间分集的依据在于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个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。 • 空间分集技术 ———用两个以上的天线收同一个信号。
对空间分集而言，分集的支路数M越大，分集效果越好。但当M较大时(如M＞3)，分集的复杂性增加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢。
(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。 • 这一技术比空间分集节省天线数目，缺点是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。
(3)极化分集 • 由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。 • 优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率分配到两副天线上，信号功率将有3 dB的损失。
(4)场分量分集 • 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。因此，通过接收不同的场分量，也可以获得分集的效果。 • 场分量分集主要用于较低的工作频段，工作频率较高时，一般采用空间分集结构。
(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。 • 角度分集在较高频率时容易实现。
(6)时间分集 • 快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。
现有的主要分集技术 • Rake接收机——时间分集 • 智能天线——空间角度分集 • 多天线阵——空间位置分集 • ARQ重传——时间分集 • 跳频扩频——频率分集+时间(隐分集) • 直接序列扩频——频率分集(隐分集) • 交织——时间分集(隐分集)
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。 • 合并技术通常是应用在空间分集中的。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。 • 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。常用的有三种方式。
(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。
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。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。 • 在实际应用中，由于难以测量SNR，因而实际上是用(S + N)/N作为参考的。 • 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。
(2)最大比值合并 • 最大比值合并是一种最佳合并方式。
M路信号进行加权的权重是由各路信号所对应的信号电压与噪声功率的比值所决定的。 • 合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈大。 • 最大比值合并的输出SNR等于各路SNR之和。所以，即使当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时，最大比值合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可以被解调的信号。 • 在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。
(3)等增益合并 • 按最大比值合并虽然性能优越，但需要适时改变加权系数，很多情况下实现起来比较困难。 • 等增益合并，这种方法也是把各支路信号进行同相后再相加，只不过加权时各路的权重相等，各支路的信号是等增益相加的。
等增益合并方式实现比较简单。当M较大时，等增益合并仅比最大比值合并差1.05dB。这样，接收机仍可以利用同时收到的各路信号，并且接收机从大量不能够解调出来的信号中合成出一个可解调信号的概率仍很大，其性能只比最大比合并差一些，但比选择分集要好很多。等增益合并方式实现比较简单。当M较大时，等增益合并仅比最大比值合并差1.05dB。这样，接收机仍可以利用同时收到的各路信号，并且接收机从大量不能够解调出来的信号中合成出一个可解调信号的概率仍很大，其性能只比最大比合并差一些，但比选择分集要好很多。
4.2 RAKE接收 • 一般的技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。 • 理论基础: 传播时延超过一个码片周期时,多径信号实际上可以看作是互不相关的。 • 所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。
关键技术 • 特征码的设计 • 要求直扩系统扩频码的自相关性能和互相关性能要好。 • 合并方法和准则 • 第一路径法、最强路径法、等增益合并法、最大比值合并法、自适应合并法等
4.3 纠错编码技术 • 编码分为信源编码和信道编码两大类，其中信源编码是为了提高信息传输的有效性，而信道编码，即差错控制编码，是为了提高信息传输的可靠性。 • 信道编码通过在被传输数据中引入冗余来来改进信道的质量。冗余的引入将增加信号的传输速率，也就会增加带宽。这会降低在高SNR情况下的频谱效率，但它却可以大大降低在低SNR情况下的误码率。
用于检测错误的信道编码被称为检错编码，而既可检错又可纠错的信道编码被称为纠错编码。用于检测错误的信道编码被称为检错编码，而既可检错又可纠错的信道编码被称为纠错编码。 • 按照信息码元和监督码元之间的检验关系，可以分为线性码和非线性码。若信息码元和监督码元之间的关系为线性关系，则称为线性码，反之，则称为非线性码。 • 按照对信源序列的处理方式，可以分为分组码、卷积码和级联码。 • 按照信息码元在编码后是否保持原来的形式不变，可分为系统码和非系统码。
1、分组码 • 分组码是一种前向纠错(FEC)编码。 • 分组码是长度固定的码组，k个信息位被编为n位码字长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错，可表示为(n,k) 。 • 在分组码中，监督位仅与本码组的信息位有关，而与其他码组的信息码字无关。 • 汉明码、格雷码、Hadamard码、循环码、Reed-Solomon码等等。
BCH码 • BCH码是循环码的一个重要子类，具有多种码率，可获得很大的编码增益，BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。 RS码 • RS码是Reed-Solomon（里德—索洛蒙）码的简称，它是一种多进制BCH码。 • 它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采用。
2、 卷积码 • 卷积码也是长度为k的信息段分为一组，编成长度为n的码字，但是这n个码元，不仅取决于当前的k个信息码元，还和前面L-1个信息段有关。因此通常把卷积码记作(n, k, L) 。 • 卷积码码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。卷积码根据需要，有不同的结构及相应的纠错能力。但都有类似的编码规律。
m1 m2 m0 输入 C0 输出 C1 例如：(2, 1, 2)卷积码，输入11010 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0
描述卷积码的方法有图解法和解析法。解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。描述卷积码的方法有图解法和解析法。解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。 • 例，(2,1,1)卷积码
卷积码的译码方法 • 任何信息序列和码序列将与网格图中的惟一一条路径相联系。因而，卷积译码器的工作就是找到网格图中的这一条路径。 • 代数译码 • 概率译码 • Viterbi译码 • 序列译码
3、交织与级联编码 • 数字移动信道中，传输过程中会出现成串的突发差错，这些突发差错，主要通过交织编码来解决。 • 通过交织，把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码)消除随机差错。 • 交织编码不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。
交织深度越大，即m的数字越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。交织深度越大，即m的数字越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。 • 在实际移动通信环境下的衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。
级联编码 • 级联码把两个编码以串联或者并联的方式结合在一起，这两个码（称为成员码或分量码）的复杂度在可接受的范围内，它们整体构成了一个更强大的编码。新一代高性能编码如低密度校验 (LDPC)码、Turbo码等都是级联码的例子。 Turbo码是两个卷积码级联。LDPC本质上是重复码级联了许多的偶校验码。
对于这些码，直接进行全局的最大似然(ML)译码是行不通的(复杂度过高)，因此最关键的技术问题是如何达到最佳或近似最佳的译码。对于这些码，直接进行全局的最大似然(ML)译码是行不通的(复杂度过高)，因此最关键的技术问题是如何达到最佳或近似最佳的译码。 • 目前人们所想到的方法是迭带形式的概率译码，它能可接近最佳译码。采用迭代译码的级联码的性能几近香农极限。这样的级联一般需要在两级之间加一个交织器。 串行级联码
*4.3.4 Turbo码 • Turbo码又称并行级联卷积码(PCCC)。 • 它将卷积码和随机交织器合并在一起，实现了随机编码的思想；采用软输出叠代译码来逼近最大似然译码。 • 模拟结果表明， 在一定条件下，Turbo码在AWGN信道上的误比特率，接近香农限的性能。在第三代移动通信中，非实时的数据通信广泛采用了Turbo码。
Turbo码的理论基础还不完善。 Turbo码的性能不是从理论研究的角度给出的，而是计算机仿真的结果。 • Turbo码的发现，标志着信道编码理论与技术的研究进入了一个崭新的阶段，它结束了长期将信道截止速率作为实际容量限的历史。 • Turbo码的提出，更新了编码理论研究中的概念和方法。
为了更好地利用译码器之间的信息，Turbo码的译码算法所用的是软判决信息。 • Turbo码译码器的基本工作原理：一个由两个分量码构成Turbo码的译码器是由两个与分量码对应的译码单元和交织器与解交织器组成的，将一个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的输入；为了获得更好的译码性能，将此过程迭代数次。
