XXXX移动通信_第四章

第四章通信抗干扰技术国家级重点实验室移动通信抗衰落和链路性能增强技术主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.6链路自适应技术34.1概述移动信道三大效应形成衰落：阴影效应多径效应多谱勒效应多径衰落的基本特征相干时间相干带宽44.1概述抗衰落三大措施：分集(Diversity)均衡(Equalization)信道编码(ChannelCoding)主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.6链路自适应技术6分集原理各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低分集概念：多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并两条路径同时出现深衰落的概率降低74.2.2微观分集的类型分集目标：对抗移动信道造成的各种衰落和码间串扰分集本质：对同一信号在不同时间、频率、空间方向的过采样分集的技术难点：如何得到多路信号？如何合并多路信号？84.2.2微观分集的类型1，空间分集多天线分集发射分集接收分集获取空间分集的条件多次路径间距离空间相关距离MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多入多出)91.空间分集角度分集利用天线波束方向使信号不相关极化分集水平极化和垂直极化波相关性极小2.频率分集传输信息以不同的频率进行传输传输之间的频率间距相干带宽3.时间分集传输信息在不同的时刻重复传输信号重发时间间隔相干时间4.2.2微观分集的类型10例：工作频段为800~900MHz，典型的时延扩展值为5us，多普勒扩展为10Hz，采用重传获取分集增益，问能获取频率分集的载频间隔；能获取时间分集的重传时间间隔11分集合并技术：利用多个分集信号来减少衰落影响并获得增益的技术1.最大比合并（maximumratiocombining）所有分支依据信噪比（SNR）进行加权相干合并接收信号强度时间/空间/频域1()()()Mkkkftatft121.最大比合并M路合并信号的包络正弦信号的瞬时功率合并输出的噪声总功率为合并器输出的信噪比1Mkmkkrarr22mrmrmrrN22/mrsPr21MmkkkraNN21122MkMkkkkkaraN21212/kkkkMkMkkkaNaNrN1()()()Mkkkftatft131.最大比合并由许瓦兹不等式上式在满足右式时取等号因此，当取最大值对输出的合路信噪比进行整理各支路具有相同的平均信噪比合并增益，GM=M22112/kkMMmrkkkkykkkxkarNNaN222111MMMkkkkkkkxyxy1212()MMxxxCyyy常数()kkkkkrraCNN支路瞬时信噪比2211122/MmMMkkkkkkrkkkrNaNaN212MkkkrN1()Mkk支路信噪比之和mrM22kkrN141.最大比合并举例假设信号包络服从瑞利分布，可以得到中断概率固定为1e-3，相对无分集，M=2能获取16.5dB增益M=3能获取22.8dB增益M=4能获取26.3dB增益152.选择式合并选择具有最大SNR的分支GM=M合并增益Gs=k=1~M(1/k)M为分集支路数3.等增益合并（equalgaincombining）所有分支等权重相干合并,a=1GE=1+(M-1)·/4接收信号强度时间/空间/频域1()()()MkkkftatftGsMGEM4.2.3分集的合并方式及性能合并增益1.最大比合并G=M2.选择式合并Gs=k=1~M(1/k)3.等增益合并GE=1+(M-1)·/4174.2分集隐分集技术交织编码技术跳频技术直接序列扩频技术编码交织解交织译码突发信道输入输出调制解调4.2分集---隐分集技术交织：把一条消息中的比特以非连续方式传送，使突发差错信道变为离散信道，便于利用纠错码消除随机错独立无记忆信道19交织方法：行列交织、卷积交织、随机交织4d,…6,5,4,3,2,1124567891011124d-34d-24d-14d34d…10,6,2,4d-3,…,9,5,14d…10,6,2,4d-3,…,9,5,1124567891011124d-34d-24d-14d34d,…6,5,4,3,2,1d,交织深度n=4,交织宽度交织延迟=n×d204.2分集---隐分集技术交织深度(交织矩阵的行数乘符号周期)交织前相邻两符号在交织后的间隔距离交织宽度：交织后相邻两符号在交织前的间隔距离交织延迟：每个符号从交织器输出时相对于输入交织器时的时间延迟要求：交织深度远大于相干时间时间分集21系统采用行列交织器来对抗衰落，Rs=30kbit/s，瑞利信道的fD=80Hz，试求能使符号衰落独立所需要的最小交织深度？是否有可能利用交织得到频率或空间分集效果？OFDM多载波的并行传输MIMO空间频率时间空间频率时间4.2分集---隐分集技术主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.6链路自适应技术244.6多天线和空时编码MIMO系统提高无线通信系统容量它可以在不用增加系统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率。利用空间分集对抗衰落利用空间复用提高频谱效率上节内容分集的种类1.空间分集的概念和获取方法角度分集，利用天线波束方向使信号不相关极化分集，水平极化和垂直极化波相关性极小2.频率分集的概念和获取方法传输信息以不同的频率进行传输传输之间的频率间距相干带宽3.时间分集的概念和获取方法传输信息在不同的时刻重复传输信号重发时间间隔相干时间隐分集技术:交织编码技术,跳频技术,直接序列扩频技术MIMO系统框图可用矩阵方式表示发送和接收信号4.6多天线和空时编码111112213311...TTnnyhxhxhxhxn=111112213311221122223322112233...............===TTTTRRRRRTTRnnnnnnnnnnnnyhxhxhxhxnyhxhxhxhxnyhxhxhxhxn12111211..,....TTnnhhhnxxx11121322122111213221211213,,,,,,,,,RRRRRRTRRTTTTRTnnnnnnnnnnnnnnnynhhhhyhhyhhhhxxxhhnn•信道单径•多天线间干扰274.6多天线和空时编码VBLAST分层空时码分层空时码最早是由贝尔实验室提出的一种MIMO系统的空时编码技术，即BLAST系统VBLAST系统框图28接收信号模型最优接收：BPSK，N=M=2，状态数2^216QAM，N=M=2，状态数16^24.6多天线和空时编码•MIMO往往和OFDM相结合•M=N•与天线数呈指数关系•低复杂度29STBC：空时分组码空时分组码则是根据码字的正交设计原理来构造空时码最早由Alamouti提出的接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。4.6多天线和空时编码304.6多天线和空时编码STBC系统框图22*11*2,,xxxcx1121212**21122[][]rhhntxxrhhntTxxr=Hx+n31STBC接收机**11122**22112rhrhrrhrhr111221**212212[][]rhxhxntrhxhxntT22**112112222**212211212rhhhnhnrhhhnhnxx2ˆCˆ=argminxxrHx32多天线技术分类空间分集（传输速率没有提高，误码率降低）STBC：空时分组码空间复用(传输速率提高牺牲误码率)V-BLAST：空时分层码波束赋形Smartantenna：智能天线4.6多天线和空时编码334.6多天线和空时编码不同天线配置下的信道容量N=1,M=1N=2,M=1N=1,M=2N=2,M=2N=4,M=4主要内容4.1概述4.2分集技术4.3信道编码4.4均衡技术4.5扩频通信4.6多天线和空时编码4.6链路自适应技术354.3信道编码为什么引入信道编码？移动信道是变参信道，会引起随机错误与突发错误信道编码的定义在信息码元中增加一些冗余码元，用来在接收端检测或纠正在有噪信道中引入的误码信道编码分类：按码结构分：分组码和卷积码4.3.2分组码分组码将信息码分成k比特一组，插入n-k个冗余比特，扩展成n,记为(n,k)线性分组码nk，R＝k/n，称为编码率典型线性分组码：循环码，汉明码kkkkkn-kkn-kkn-kkn-k4.3.3卷积码卷积码的监督码元与当前码元和前m个码元有关记为(n,k,m)卷积码。k:输入信息长度n:输出码字长度m:记忆深度约束长度：l=m+1生成多项式对信息序列信息多项式第i路的输出122211()()()()gDDDgDD011a(,,...,)Naaa1011()...NNaDaaDaD()()()()()iibDgDaD1Z1Z1()b2()ba举例，输入序列101011时，寄存器初值为0，二进制(2,1,2)卷积编码器信息多项式编码输出()()()()()iibDgDaD122211()()()()gDDDgDD2451()aDDDD1Z1Z1()b2()ba二进制(2,1,2)卷积编码器39卷积码的状态图编码器的状态取决于记忆深度m举例，二进制(2,1,2)卷积编码器初始状态00，输入1状态转移后：10输出：11初始状态10，输入0状态转移后：01输出：10初始状态01，输入1状态转移后：10输出：001Z1Z1()b2()ba二进制(2,1,2)卷积编码器输入0输入100100140卷积码的状态图某一时刻，寄存器状态只有4种可能对任何输入，寄存器状态的变化只有2种可能对任何输入，输出的分支码字只有2种可能1Z1Z1()b2()ba二进制(2,1,2)卷积编码器输入序列1010114.3.3卷积码维特比译码是一种最大似然序列译码维特比算法在每一个节点上把汇聚在该节点上的两条路径的度量值进行比较把具有较大度量值的路径保存下来，丢弃另一条，作为下一个节点路径判断的根据。每个节点处只保留每个状态的当前最有可能的一条路径顺序计算完所有节点后，再根据度量值从N个状态中选择最有可能路径回溯。4.3.3卷积码度量值硬判决：汉明距每节点“加-比-选”：取出两个分支在节点i的路径度量值PM（PathMerit）；计算两个分支在节点i+1改变的分支度量值BM（BranchMerit）；相加得到两个分支的新PM值；比较两个PM值，选出较大可能者；1/2码率卷积码，编码前6个信息比特为(0,0,0,0,0,0)，编码后为12个全0序列，采用BPSK调制，接收序列则硬判结果为0,01,10,00,00,11,0~r~1.1,0.30.1,0.90