無線通信課件chapter

1、無線通信基礎(chǔ)無線通信基礎(chǔ)無線通信基礎(chǔ)學(xué)科組學(xué)科組內(nèi)容p無線通信概論無線通信概論 p無線信道傳播機(jī)制無線信道傳播機(jī)制 p無線信道的統(tǒng)計(jì)描述無線信道的統(tǒng)計(jì)描述p寬帶和方向性信道的特性寬帶和方向性信道的特性 p信道模型信道模型p無線信道容量無線信道容量 p數(shù)字調(diào)制解調(diào)數(shù)字調(diào)制解調(diào)p信道編碼信道編碼 p分集分集p均衡均衡p擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)擴(kuò)展頻譜系統(tǒng) p正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用 p多天線系統(tǒng)多天線系統(tǒng)分集p概述p微分集（空間、時(shí)間、頻率、角度、極化） p宏分集和同播p信號的合并p衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率 p發(fā)射端分集分集的原理p衰落現(xiàn)象發(fā)射體反射體接收機(jī)從A移動(dòng)到B分集的原理p分集技術(shù)(Diversi

2、ty Technique)的基本原理n發(fā)射信號經(jīng)過獨(dú)立或高度不相關(guān)的兩個(gè)或多個(gè)傳播路徑到達(dá)接收機(jī)n接收機(jī)通過查找獨(dú)立或高度不相關(guān)的多徑信號，利用某種合并方式，對接收到的同一發(fā)射信號的多個(gè)樣本進(jìn)行合并來實(shí)現(xiàn)分集p分集的物理意義n從概率意義上講，多個(gè)接收樣本信號的功率同時(shí)低于給定門限的概率比任一單個(gè)信號功率低于給定門限的概率小得多,因此分級改變了檢測器輸入端SNR的統(tǒng)計(jì)特性.n某條傳播路徑中的信號經(jīng)歷了深度衰落，但另一條或多條相互獨(dú)立的路徑中可能仍包含著較強(qiáng)的信號，可以利用.分集的原理p例:系統(tǒng)噪聲功率50pW,平均接收功率1.11nW.90%時(shí)間,接收信號的平均功率1.11nW,SNR=13.5

3、dB,BER=10-1010%時(shí)間,接收信號的平均功率0nW ,BER=0.5此時(shí)平均誤比特率0.9 10-10+0.1 0.5=0.05采用空間分集,兩天線接收功率同時(shí)為0的概率0.1 0.1=0.01,同時(shí)為1.11nW的概率0.90.9=0.81,而一個(gè)為0另一個(gè)為1.11nW的概率為2(0.1 0.9)=0.18此時(shí)平均誤比特率0.8110-10+0.01 0.5+0.1810-10=0.005分集的效果p例:信號的關(guān)系p相關(guān)系數(shù)2222 ( )( ) 0 xyxyE x yE xE yE xE xE yE yE x yE xE y統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)：統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)：相關(guān)系數(shù)低于某一門限時(shí)相關(guān)系數(shù)

4、低于某一門限時(shí)(典型值典型值0.5或或0.7)，信號一般視為有效去相關(guān)。，信號一般視為有效去相關(guān)。分集p概述p微分集（空間、時(shí)間、頻率、角度、極化） p宏分集和同播p信號的合并p衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率 p發(fā)射端分集微分集p克服小尺度衰落(微分集)的幾種方法n空間分集:(Space diversity)也稱天線分集，通常采用多個(gè)收發(fā)天線實(shí)現(xiàn)分集，是無線通信中使用較多的分集形式n時(shí)間分集:(Time diversity)信號在不同的時(shí)隙上進(jìn)行傳輸，時(shí)隙最小間隔大于信道的相干時(shí)間n頻率分集:(Frequency diversity)信號通過多個(gè)不同頻帶進(jìn)行傳輸，且頻帶間的最小間隔大于信道的相干

5、帶寬n角度分集:(Angle diversity)使用不同天線方向圖的多的天線n極化分集:(Polarization diversity)用2根天線分別傳輸/接收水平極化和垂直極化的信號信號的關(guān)系p相關(guān)系數(shù)n假設(shè)兩個(gè)信號時(shí)間間隔為，頻率間隔為f1-f2p條件:n信道模型是寬平穩(wěn)不相關(guān)(WSSUS)模型n無視距傳播n入射功率各向同性分布n使用全向天線20022221()1(2 )()xyJk vSff信號的關(guān)系p例例:COST207的TU模型20022221()1(2 )()xyJk vSff0200()1Jk v66666666710710/102/1000710710/10/10000.97

6、7ededSededs 平均時(shí)延rms值總功率（時(shí)間積分）平均時(shí)延均值226221212132152111(2 )0.977 10()0.97300.42001 1051.3 1045xyffffkHzffkHzffMHzffMHzIS-136信道間隔GSM信道間隔WCDMA信道間隔GSM收發(fā)間隔取空間分集p空間分集的基本概念n也稱為天線分集n通過在發(fā)射端/接收端由空間上分開排列的多個(gè)天線或天線陣列來實(shí)現(xiàn)p各天線之間的空間間距使得每個(gè)天線接收到的信號相互獨(dú)立或互不相關(guān)n天線間距的大小隨天線的高度、傳播環(huán)境和頻率的不同而不同，一般間隔幾個(gè)波長就能獲得不相關(guān)的信號空間分集p空間分集的分類n發(fā)射分集

7、(Transmit Diversity) 發(fā)射分集是在發(fā)射端使用多根天線，信號經(jīng)發(fā)射機(jī)處理后通過多根天線輻射出去n接收分集(Receive Diversity) 接收分集是在接收端使用多根天線接收發(fā)射信號的獨(dú)立副本，合理合并發(fā)射信號的副本以降低多徑衰落的影響，提高系統(tǒng)性能n注: 極化分集和角度分集可以作為空間分集的兩個(gè)示例，但在一個(gè)純粹的空間分集設(shè)計(jì)中，每根天線的方向圖和極化方式都是相同的發(fā)射分集接收分集空間分集200222121()1(2 )2()0 xyrJk vSffwhereff/4p移動(dòng)臺(電波從各方向進(jìn)入)n900MHz，最小距離8cmn1800MHz，最小距離4cmp基站(所有電

8、波從一個(gè)方向進(jìn)入)n15天線之間220個(gè)波長n到達(dá)角越小，要求間距越長n角度擴(kuò)展越小，要求間距越長時(shí)間分集p時(shí)間分集的基本概念n以超過信道相干時(shí)間的時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送信號，使在不同的時(shí)間間隔收到的信號具有獨(dú)立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果p實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集的方法n重復(fù)編碼n自動(dòng)重傳請求n一般使用差錯(cuò)控制編碼結(jié)合交織技術(shù)p當(dāng)MS、BS和IO靜止時(shí)，時(shí)間分集無效maxmax1/2最大多普勒頻移時(shí)間分集p時(shí)間分集的局限性n由于時(shí)間交織產(chǎn)生譯碼延遲，該技術(shù)一般在信道相干時(shí)間較小的快衰落環(huán)境中比較有效n對慢衰落信道，交織太大可能引起太大的延遲，對語音通信這樣對時(shí)延敏感的應(yīng)用是不適合的n例如，當(dāng)移動(dòng)無線終端靜止不

9、動(dòng)時(shí)，時(shí)間分集可能無法減少衰落p時(shí)間分集的缺點(diǎn)n在時(shí)域上引入冗余，使頻譜利用率受到損失頻率分集p頻率分集的基本概念n承載相同信息的信號通過多個(gè)不同頻帶進(jìn)行傳輸，且頻帶間隔大于信道的相干帶寬p頻率分集的原理n不相關(guān)信道產(chǎn)生同樣衰落的概率是各自產(chǎn)生衰落的概率的乘積n信道相干帶寬之外的頻率上出現(xiàn)同樣衰落的概率很小n接收機(jī)能得到衰落特性相互獨(dú)立或相關(guān)性很小的信號頻率分集p頻率分集的實(shí)現(xiàn)n在時(shí)間上壓縮信息-TDMA技術(shù)n直接序列擴(kuò)頻技術(shù)-CDMA技術(shù)n多載波-OFDM技術(shù)n帶編碼的跳頻技術(shù)p頻率分集的缺點(diǎn)n在頻域上引入冗余，使頻譜利用率受到損失p非選擇性信道(平衰落信道)，頻率分集無效角度分集p角度分集

10、n通常用于發(fā)射頻率大于10GHz的場合n兩個(gè)天線方向圖不同但在同一位置的天線對多徑分量的增益不同，因此多徑分量對兩天線的干擾也不同極化分集p極化分集的基本概念n通過使用兩根或者更多按不同方式極化的天線在接收端提供獨(dú)立的信道n一般通過兩根天線分別發(fā)射水平極化和垂直極化信號，接收端用兩根不同極化的天線接收p極化方式不同使天線不用相隔很遠(yuǎn)就可得到不相關(guān)信號n極化分集是空間分集的特例p極化分集的依據(jù)n不同極化方向電磁波的反射系數(shù)不同p在每一次反射或至少其中一些反射中，信號幅度和相位的變化產(chǎn)生了差異n足夠多的隨機(jī)反射導(dǎo)致不同極化方向的信號相互獨(dú)立p 實(shí)際上，收到的信號在不同極化方向上還是有一定相關(guān)性極化

11、分集p極化分集的應(yīng)用n在視距微波傳輸中，可用極化分集在一個(gè)無線信道中同時(shí)傳送兩個(gè)用戶的信號，由于信道的變化不大，兩個(gè)極化方向上信號的相互干擾很小n隨著移動(dòng)用戶的激增，在改進(jìn)鏈路的傳輸效率和提高容量方面，極化分集將會越來越重要分集的組合p在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，為滿足系統(tǒng)的性能要求,經(jīng)常將兩種或多種常規(guī)分集方式結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)多維分集n在GSM系統(tǒng)中，基站使用多個(gè)接收天線，并且結(jié)合交織和差錯(cuò)編碼共同實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間分集n在WCDMA的增強(qiáng)版本中，將MIMO技術(shù)與CDMA相結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間分集和頻率分集(RAKE接收機(jī))分集p概述p微分集（空間、時(shí)間、頻率、角度、極化） p宏分集和同播p信號的合并p衰落

12、信道中分集接收的差錯(cuò)概率 p發(fā)射端分集宏分集p宏分集原理n一種減小慢衰落影響的分集技術(shù),如把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上和在不同方向上， 同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺進(jìn)行通信(可以選用其中信號最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。 顯然， 只要在各個(gè)方向上的信號傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落(基站天線的架設(shè)可以防止這種情況發(fā)生)， 這種辦法就能保持通信不會中斷。p宏分集實(shí)現(xiàn)n中繼p中繼器接收信號,進(jìn)行放大再發(fā)送n同播(單頻網(wǎng)SNF)pSNF是由多個(gè)不同地點(diǎn)的處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)發(fā)射機(jī)在“同一時(shí)間、以同一頻率發(fā)射同一比特”，以實(shí)現(xiàn)對一定服務(wù)區(qū)的可靠覆蓋。分集p分集的原理

13、p微分集（空間、時(shí)間、頻率、角度、極化） p宏分集和同播p信號的合并p衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率 p發(fā)射端分集分集合并技術(shù)選擇式分集p跟蹤監(jiān)視所有分集支路,選擇指示參量最好的支路p 接收信號強(qiáng)度指示控制p誤比特率指示控制控制BER由噪聲決定,該方式最好BER由信道間的相互干擾決定,該方式不好BER由信道的頻率選擇性引起,該方式是次最佳最佳分集解調(diào)器增多,RX復(fù)雜訓(xùn)練序列重復(fù)發(fā)送,效率下降選擇式分集的性能p瑞利分布條件下第n個(gè)分集支路概率分布p累積分布p所選信號1()exp()nnnpdf()1exp()nnncdf ()1exp()nNnncdf開關(guān)分集p開關(guān)切換和檢驗(yàn)n只監(jiān)視有效分集支路，

14、當(dāng)有效分集支路的質(zhì)量低于某一門限時(shí)，接收機(jī)轉(zhuǎn)向另一支路。 n主要缺點(diǎn)p不保證下一條支路在該時(shí)刻具有在門限以上的信號強(qiáng)度p在分集支路之間會產(chǎn)生大量的無效而繁瑣的切換p開關(guān)切換和等待n接收機(jī)切換到一條新的支路上后，并不再切換直到當(dāng)前信噪比由高到低通過門限n主要缺點(diǎn)p接收機(jī)可能“停留”在某一條衰落的分集支路上，而不得不在下一次切換之前等待接收信號上升并再次衰落 1rNMRCnn/iiGrNp最大比值合并(MRC)n最大比值合并時(shí)各支路被調(diào)整為同相信號,作相關(guān)電壓的疊加。n疊加時(shí)，每條支路加權(quán)系數(shù)不同,加權(quán)系數(shù)與本路信號幅度成正比,而與本路的噪聲功率成反比, 合并后可獲得最大信噪比輸出。 n若各路噪聲

15、功率相同,則加權(quán)系數(shù)僅隨本路的信號振幅而變化， 信噪比大的支路加權(quán)系數(shù)就大,信噪比小的支路加權(quán)系數(shù)就小。高斯信道Rayleigh信道合并分集MRCrN11( )exp()1 !rrNNrpdfNRSSI選擇合并與最大比值合并(MRC)p兩種方法在多根天線的性能比較合并分集p等增益合并(Equal Gain Combining)n將N條支路信號進(jìn)行同相處理n各路信號包絡(luò)以相等的權(quán)重加權(quán)后疊加n性能比最大比合并差一些n復(fù)雜度比最大比合并低很多211(1)4rNnnEGCrMRCrNN1/iGN高斯信道Rayleigh信道合并分集p最佳合并n確定不同天線的干擾和噪聲的相關(guān)矩陣n確定各分集之路的復(fù)傳輸

16、函數(shù)hdn最佳接收權(quán)重21KTnkkkERr r1optdwR hp混合合并(選擇-最大值合并H-S/MRC)或稱通用合并(GSC)n選擇Nr個(gè)天線中的最佳的L個(gè),他們的SNR有序n提供的分集重?cái)?shù)與Nr成正比,而不是與L成正比n輸出的均值和方差合并分集(1)(2).()rN/122/211111rrNHS MRCn LNHS MRCn LLnLLn /1( )LHS MRCnn分集p概述p微分集（空間、時(shí)間、頻率、角度、極化） p宏分集和同播p信號的合并p衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率 p發(fā)射端分集在衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率p在平衰落信道中的差錯(cuò)概率0( )( )SERpdfSERd若( )( 2 )SERQ11( )exp()1 !rrNNrpdfN若采用MRC1011122rrNnNrnNnbbSERn 其中1b若 較大2114rNrrNSERN隨SNR的 次方下降rN在衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率p在衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率MSKMSK在衰落信道中分集接收的差錯(cuò)概率p例13.2題n1、對10-2的中斷率,查圖13.10n2 、對10-3誤比特率