现代移动通信 第3版 教学课件 ppt 作者 蔡跃明 10次课 第05章 抗衰落技术-3_2013
10-1,Digital Mobile Communication,数字移动通信,第五章 抗衰落技术,抗衰落技术的基本原理 分集技术 自适应均衡技术 多径信号的分离与合并 发射分集与空时编码 补充：多址接入,10-2,第一次课,第二次课,第三次课,要求与重点,掌握多址接入的基本原理以及实现方式 理解RAKE机的原理与方法 了解发射分集的原理 重点：RAKE接收机原理 难点：扩频信号的相关函数 方法论：变换角度考虑问题,10-3,本节课主要解决的问题,1、基站如何区分手机-多址接入技术（多址技术） 2、码分多址下的抗衰落技术？,10-4,一、多址接入技术,问题的引入（基站如何区分手机？能同时区分多少手机）,10-5,已知条件：运营商使用的某一段频率。 问题：区分在同一频段下通信的不同终端。 解决这一问题的技术称为多址接入技术。,用什么来区分？,一、多址接入技术,频分多址（FDMA） 空分多址（SDMA） 时分多址（TDMA） 码分多址（CDMA）,5-6,一、多址接入技术,5-7,假设一间屋子中有很多人，每个人都想说话，如果所有人同时说话，那么想听清楚别人说什么很困难。 如果其中有人提高声音，其他人也会随之提高声音，最终没有人能听到别人在说什么。 如何解决这种状况？,一、多址接入技术,5-8,如何解决这种状况？ 每个人轮流说话 (TDMA) 分组，每组使用不同的语言 (CDMA) 分组，每组占居房间的一角 (SDMA),一、多址接入技术-频分多址,频分多址是最常用的多址接入方法。,5-9,核心思想：将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道供不同的用户使用。 应用实例: 广播、电视,一、多址接入技术-频分多址,基站怎么提取不同用户的信号呢？,5-10,采用不同载频的带通滤波器来提取用户的信号 各用户的信道真是无缝对接的吗？ 用户的信道之间通常设有保护频隙以防止相邻信道之间的混叠,一、多址接入技术-频分多址,移动通信系统能只采用频分多址来区分用户吗？,5-11,问题：广播、电视一个频点可以服务千万个用户，移动通信可不行，在频分多址方式下，用户要实现通信必须要独占某一个甚至某两个频点，容量限制太大了。 GSM：890915 124个频点,一、多址接入技术-频分多址,频率复用同频点位置不同,5-12,大区制-小区制（改变发射功率）,一、多址接入技术-时分多址,频分多址和空分多址结合，大大提高了系统容量，但前面提到的问题仍然没有解决。 这就有了时分多址。,5-13,在时分多址中，使用相同频率的用户是通过在不同的时间（时隙）里工作来区分的。 GSM8个时隙,一、多址接入技术-空分多址,空分多址是通过不同的空间来区分用户，采用的技术是智能天线。,5-14,全向-定向（改变天线发射方向）,一、多址接入技术-码分多址,谈到码分多址，就要谈到美国高通（Qualcomm）公司 一流的公司做标准，二流的公司做品牌，三流的公司做产品。,5-15,在码分多址中，用户是通过不同的扩频码里来区分的。,一、多址接入技术-码分多址,正交：数学的概念就是完全不相关，两个信号的乘积在某个区间的积分为零。（互相关性） 为了有效区分用户。,5-16,扩频码,什么是扩频？ 为什么用扩频？ 如何实现扩频？,一、多址接入技术-码分多址,扩频后，占用的带宽增加了，带宽上平均功率降低了。 理论基础：香农公式,5-17,CDMA中的扩频,一、多址接入技术-码分多址,5-18,CDMA的抗干扰特性,一、多址接入技术-码分多址,5-19,是不是随便什么码都能当扩频码？,扩频码用来区分用户的，显然两个用户使用的扩频码差别越大越好，完全不相关更好，就是正交更好。,一、多址接入技术-码分多址,5-20,码分多址的特点,软容量 多址干扰是限制容量提升的主要因素 远近效应 可以采用Rake接收机抑制多径传播问题,思考题,两个相近的概念：复用与多址 FDM、TDM、SDM FDMA、TDMA、SDMA 有什么区别与联系呢？,5-21,5-22,信号经过多径传播产生时延扩展,二、多径信号分离与合并的概念,多径传播从分集的效果上来看相当于是？,在前一节讲述的内容中，直接用均衡将多径消除，为什么不能利用多径这种时间分解的好处呢？,5-23,时间分集的概念： 从时间上人为的产生多条路径 时间间隔是已知的，接收端便于进行合并 多径的时间分集效果与上述思想有什么不同呢？ 时间间隔随机性（不知道支路之间相差多少时间） 支路数目动态性（不知道需要合并多少支路）,二、多径信号分离与合并的概念,多径具备隐含的时间分集,二、多径信号分离与合并的概念,在一般的通信系统中，认为多径会产长码间串扰，通常采用均衡方式加以消除 多径信号真的无法利用吗？ 如果可以利用，有什么条件吗？,5-24,二、多径信号分离与合并的概念,关键点： 多径信号要可分离 一般通信系统-符号级串扰，不可分离 CDMA通信系统-码片级串扰,5-25,符号级不可分离，符号级扩频到码片级后可不可以分离了呢？条件是什么？,二、多径信号分离与合并的概念,分离的基础： 扩频码要求具有尖锐的自相关特性,5-26,保证多径时间对准后解扩，具有有尖锐的峰值特性，便于多径信号的分离。,思考：是不是不管多大的时延，都能分离呢？,二、多径信号分离与合并的概念,多径信号分离的条件： 如果要完成多径信号的分离，要求各径之间的时延差要大于一个码片宽度。,5-27,思考：各径的相关性？,三、多径信号分离与合并的原理,分离的基础： 1、扩频码要求具有尖锐的自相关特性。 2、各径之间的时延差要大于一个码片宽度。,5-28,3、分离的简单推导 设有两多径信号，平均功率为P0=Ey(t)2 ，则合成信号的总功率为：,所以，对于m序列有：,上式说明了什么？,三、多径信号分离与合并的原理,可见：在CDMA系统中当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。,三、多径信号分离与合并的原理,三、多径信号分离与合并的原理,4、扩频码的选择： 扩频码要有良好的自相关（抵抗多径干扰）和互相关特性（抵抗用户间干扰） 几种常用的扩频码： 1）m序列：容易产生，规律性强。 2）Gold码序列：基于m序列的，自相关不如m序列，互相关要优于m序列。 3）Walsh码：互相关完全正交，自相关差，一般需要加扰码。,5-31,三、多径信号分离与合并的原理,3 ） Walsh码 Walsh（沃尔什）函数可用Hadamard（哈达码）矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh函数序列族。 哈达码矩阵H是由“1”和“0”元素构成的正交方阵。 在哈达码矩阵中，任意两行（列）都是正交的。,5-32,三、多径信号分离与合并的原理,3 ） Walsh码 哈达码矩阵中的各行间都是正交的，即互相关函数为零。 将M阶哈达码矩阵中的每一行定义为一个Walsh序列时，可得到M个Walsh序列。,5-33,三、多径信号分离与合并的原理,3）Walsh码,5-34,三、多径信号分离与合并的原理,3）Walsh码 在IS-95 CDMA系统中，采用6464的Walsh序列 前向信道中实现码分，可提供多少的信道？ 反向信道中，利用Walsh序列的良好互相关特性用作编码调制，可传输几比特信息？,5-35,5-36,多径信号合并的方式与分集技术中介绍的合并方式一样,三、多径信号分离与合并的原理,分集合并方式,增益合并,开关式合并,最大比合并,等增益合并,纯选择（选择合并）,门限选择,切换和等待,切换和检验,5-37,典型结构,形状类似于农用工具耙子而得名：RAKE,四、RAKE接收机,对每个路径使用一个相关接收机,四、RAKE接收机,1、基本原理：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起,四、RAKE接收机,四、RAKE接收机,2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分集接收器 由于扩频码的自相关特性，当多径信号相互间的时延超过一个码片周期时，那么它们将被看作是互不相关的。,四、RAKE接收机,2、RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分集接收器 在室外环境中，多径信号间的延迟通常较大，如果码片速率选择得当，可以确保多径信号相互间表现出较好的非相关特性。,IS-95系统中的码片速率为1.2288Mchip/s ，是否合适？,四、RAKE接收机,在RAKE接收机中，如果一个相关器的输出被扰乱了，可以用其他支路作出补救，并且可以通过改变被扰乱支路的权重来消除该路信号的负面影响。 RAKE接收是一种时间分集，并采用最大比合并，将各多径信号进行有效合并。,四、RAKE接收机,3、IS-95系统中的RAKE接收,MS：3个并行相关器+1个搜索相关器,可利用BS发送的导频信号，相关接收最大比合并。,四、RAKE接收机,3、IS-95系统中的RAKE接收,BS：4个并行相关器+1个搜索相关器，非相关接收最大比合并。,四、RAKE接收机,3、IS-95系统中的RAKE接收,搜索相关器用于搜索最强的多径信号，得到多路多径信号的相位、到达时刻和强度等参数。,5-46,4、RAKE接收机区别与一般时间分集,1）延时不能由人为决定。 2）分集的阶数也不确定 3）需要估计多径的到达时刻，并确定由哪几路多径完成合并。,四、RAKE接收机,5-47,5、均衡与RAKE接收的异同,均衡是一种时间隐分集，它从多径中选取一条最佳路径的信号，并通过均衡器抵消其它路径信号，采用选择式分集方法。 RAKE接收则是一种时间显分集，采用最大比率合并，将各多径信号进行有效合并。,四、RAKE接收机,5-48,5、均衡与RAKE接收的异同,均衡希望多径数量少，时延小；RAKE希望可分辨的多径数量多。 均衡通过消除ISI来提高SINR；RAKE通过分离多径，合并来对抗多径衰落。,四、RAKE接收机,五、发射分集与空时编码,1、采用发射分集的原因： 为了满足用户需求，必须使移动台尽量简单和便宜，这样只有增加基站的复杂度才比较合适。 传统的空间分集是在接收端采用多根天线，然后进行综合或者选择来获得更好的信号质量，但是移动端采用接收天线分集技术较困难。 能实现同一发射信号使多个移动台获得发射增益，而其它技术的发射增益只是针对一个移动台。,5-49,五、发射分集与空时编码,2、发射分集的原理： 通过多副天线（间距足够大使得信道互不相关）发射同一信息序列，使每副天线上的信号在到达接收端时经过独立的衰落，人为造成可区分的多径信号，从而使接收方增强接收效果，改进下行链路的性能。 通过空时编码实现,5-50,五、发射分集与空时编码,3、空时编码的实质： 空间和时间二维信号处理的结合，即在空间上将一个数据流在多个天线上发射，在时间上把信号在不同的时隙内发射，从而建立了空间分离信号（空域）和时间分离信号（时域）之间的关系。 基于发送分集的空时编码可以分为空时格码（Space Time Trellis Code，STTC）和空时块码（Space Time Block Code，STBC）。空时块码又称空时分组码。,5-51,五、发射分集与空时编码,4、空时块码原理： 将发送数据在时间域和空间域上进行正交设计，形成一个数据编码块。以两发一收为例，假定发送的数据分别为x1和x2 ，则空时块码块为,5-52,上式称为一个码字，它具有如下性质：,其中I2是22的单位矩阵。,五、发射分集与空时编码,5-53,说明：码字G共有K=2个符号，需P=2个时间片（每一个发送称为一个时间片）才能发送完。,五、发射分集与空时编码,时刻1和时刻2的接收信号分别为：,5-54,其中n1 、n2表示第一个符号和第二个符号的加性高斯白噪声样值。 假设接收机可以获得理想的信道估计，则对接收信号做如下线性处理来分别进行译码：,5-55,1、抗衰落技术的原理？ 2、分集技术的原理，分类，合并方式，影响分集性能的因素？ 3、均衡技术的原理，均衡准则，自适应均衡算法及优缺点？ 4、多径分集与
