移動通信原理第9次課-第8章分集與均衡

第8章

分集與均衡移動信道的快衰落對傳輸可靠性影響較大，本章將介紹分集和均衡技術，它們是對抗短期快衰落最有效的方法。第2章指出移動傳輸信道具有3類損耗和衰落：1）路徑傳播損耗路徑傳播損耗是電波在空中傳播時由距離因素產(chǎn)生的損耗，一般稱為衰耗，它隨接收點距發(fā)射臺的距離（以千米數(shù)量級）而變化。在自由空間傳播情況下，接收電平的平均值隨距離的平方衰減。2）長期慢衰落長期慢衰落是由陰影效應產(chǎn)生的損耗。當陰影長度達到數(shù)百波長以上時，陰影效應使得接收電平的平均值出現(xiàn)值得關注的隨機起伏。其變化速率比傳輸信號速率低，變化周期長。陰影效應引起的慢衰落為無線通信所特有，它服從對數(shù)正態(tài)分布。因移動通過的陰影長度達數(shù)百波長以上時才有顯著變化，故也稱之為大尺度衰落。3）短期快衰落短期快衰落是由多經(jīng)效應和多普勒效應引起的。當移動距離達到數(shù)十波長時，接收電平的平均值就將發(fā)生值得關注的隨機起伏。接收信號電平一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或萊斯(Rice)分布。因快衰落的變化速率較快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引起這種衰落出現(xiàn)的移動距離短，這種衰落又叫做小尺度衰落。這種衰落由于與空間位置和頻率等有關，又稱之為選擇性衰落。它包括空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落，如表所示。短期快衰落選擇性衰落空間選擇性衰落：不同地點和空間位置衰落特性不同頻率選擇性衰落：不同頻段的衰落特性不同時間選擇性衰落：不同時間衰落特性不同大尺度衰落和小尺度衰落示意圖針對不同的衰落特性，可以采用不同的技術來克服它們對移動通信系統(tǒng)性能的影響。8.1分集技術的基本原理

分集技術是一項典型的抗快衰落技術，它可以大大提高多徑衰落信道的傳輸可靠性。其中空間分集技術早已成功應用于模擬短波通信與模擬移動通信系統(tǒng)。對于數(shù)字移動通信，特別是第二代移動通信，分集技術有了更廣泛的應用。在GSM系統(tǒng)的上行鏈路基站端，廣泛采用二重空間分集接收。在IS-95系統(tǒng)中，除上行采用二重空間分集接收外，上下行鏈路均采用隱分集形式的RAKE接收，另外在小區(qū)軟切換中也利用RAKE接收的宏分集。本節(jié)將主要討論分集的基本概念、分類以及分集合并技術。8.1.1基本概念與分類

分集就是將接收的同一信號在統(tǒng)計上相互獨立(或近似獨立)的若干不同樣值集中起來加以有效利用。統(tǒng)計上相互獨立的不同樣值可以是不同空間的、不同頻率的和不同時間的信號分量。分集技術的分類按“分”劃分，即按照接收信號樣值特性，可分為空間、頻率和時間三大基本類型；按“集”劃分，即按集合和合并方式劃分，可分為最大比值合并、等增益合并和選擇合并；按照合并的位置可分為射頻合并、中頻合并和基帶合并，而最常用的為基帶合并；分集還可以劃分為接收端分集、發(fā)送端分集以及發(fā)/收聯(lián)合分集，如多入/多出(MIMO)系統(tǒng)；也可以劃分為顯分集與隱分集：一般稱采用多套設備來實現(xiàn)分集為傳統(tǒng)的顯分集，空間分集是典型的顯分集；稱采用一套設備而利用信號設計與處理來實現(xiàn)的分集為隱分集。68.1.2典型的分集與合并技術空間分集空間分集是將不同空間位置上的天線接收到的在統(tǒng)計上不相關的信號集中起來實現(xiàn)抗衰落的技術。為了使基站接收天線之間的距離基本滿足接收信號不相關的要求，天線之間的距離d須大于信號的相關區(qū)間。市區(qū)兩天線距離d≥2.86λ。空間分集接收天線的數(shù)量N=2~4，當N增加到3以上時，分集增益增加緩慢?？臻g分集有兩類形式。1)極化分集在同一位置安裝一副與地面成±450的正交雙極化接收天線，分別接收不同的極化波，然后合并。2)角度分集基站安裝天線主瓣指向不同的定向天線，接收來自不同角度的多徑信號。在空間分集中，由于在接收端采用了N副天線，若它們尺寸、形狀、增益相同，那么空間分集除了可以獲得抗衰落的分集增益以外，還可以獲得設備增益，比如二重空間分集的兩套設備，可獲3dB設備增益。2.頻率分集頻率分集利用不同頻段衰落上的差異，來實現(xiàn)抗(頻率選擇性)衰落。方法是發(fā)射機將信號調制到不同的載波頻率上發(fā)射出去，接收終端將接收到的衰落各不相同的載波合并起來抗頻率選擇衰落。不同的載波之間的間隔Df大于第二章分析中所指出的頻率相干區(qū)間DF，即其中L為接收信號的時延功率譜寬度。對城市中使用800~900MHz頻段的IS-95和GSM來說，L≈5ms。因此，不同載波之間的間隔只有不小于200kHz，才能有理想的分集效果。3.時間分集當取樣時間間隔足夠大時，一個隨機衰落信號兩個相鄰取樣值間的衰落是互不相關的。時間分集就是利用這種不同時間上的衰落差異來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落。發(fā)射機將同一信號多次重發(fā)，接收機重復接收同一信號。為了使重發(fā)信號的衰落互不相干，重發(fā)的時間間隔Dt必須大于時間相關區(qū)間DT,即，Dt≥DT≈1/B式中，B是移動用戶高速移動時產(chǎn)生的多普勒頻移的擴散區(qū)間?？梢?，時間分集對于靜止和準靜止狀態(tài)的低速用戶幾乎無用。接收機可以同時采用上述幾種分集技術以便獲得盡可能大的分集增益和抗快衰落能力。4.最大比值合并(MRC)最大比值合并的原理圖如下所示。接收端的多個統(tǒng)計不相關的分集支路信號經(jīng)過相位校正，并按可變加權值求和后送入檢測器進行檢測。利用切比雪夫不等式可以證明，當可變加權系數(shù)Gi=Ai/r2時，分集合并后的信噪比達到最大值。其中，Ai表示第i個分集支路的信號幅度，表示每個分集支路噪聲功率相等；i=1、2、...、N。經(jīng)最大比值合并后的輸出為，信噪比越大的分集支路對

合并信號的貢獻就越大。5.等增益合并(EGC)若在上述最大比值合并中，取Gi＝1，即為等增益合并。當N(分集重數(shù))較大時，等增益合并與最大比值合并兩者的合并信噪比相差不多，大約在1dB左右。但是，等增益合并實現(xiàn)起來比較簡單。6.選擇合并選擇合并原理圖如下所示。選擇電路從分集支路中選擇信噪比最大的基帶信號作為輸出。7.三種主要合并方式性能比較下列圖形給出三種合并方式平均信噪比的改善程度。a曲線是最大比值合并的平均信噪比增益，增益最高；b曲線是等增益合并的平均信噪比增益；c曲線是選擇合并的平均信噪比增益，其增益最低。8.2RAKE接收8.2.1RAKE接收的基本原理RAKE接收是一種實用的分集技術。移動信道中多徑衰落引起的信號時延功率譜擴散有兩類。一類是連續(xù)時延功率譜，它一般出現(xiàn)在繁華市區(qū)，由密集建筑物反射形成。另一類是離散型時延功率譜，一般出現(xiàn)在城市邊沿和郊區(qū)。數(shù)字1、2、3、4表示4條傳輸路徑。到達接收端的多徑信號可以用下列矢量圖表示，這里只畫出了三條主要傳輸路徑。若采用頻率分集和RAKE接收技術，三條路徑信號的矢量和可改變成代數(shù)和的形式。8.2.2IS-95中RAKE接收原理對于IS-95系統(tǒng)，射頻帶寬為1.25MHz，在繁華市區(qū)的多徑時延Dt大約為5ms。由(8.1.4)式求出頻率分集的載波間隔應大于200kHz。理論上可提供1.25MHz/200kHz≈6(重)隱分集載波。由于多徑時延的隨機性，經(jīng)過不同路徑傳播的有實際利用價值的分集載波不超過3~4重。1.IS-95移動終端RAKE接收原理IS-95移動終端RAKE接收原理框圖如圖所示?；綬AKE接收原理與移動終端RAKE接收原理基本一樣。8.3均衡技術均衡是改造限帶信道傳輸特性的一種有效方法，它起源于對有線傳輸網(wǎng)絡的頻域均衡濾波器。均衡目前有兩個基本途徑：頻域均衡，它主要從頻域角度來滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，它是通過分別校正系統(tǒng)的幅頻特性和群時延特性來實現(xiàn)的。主要用于早期的有線傳輸網(wǎng)絡。時域均衡，它主要從時間響應考慮使包含均衡器在內的整個系統(tǒng)的沖擊響應滿足無碼間干擾條件。目前廣泛利用橫向濾波器來實現(xiàn)時域均衡，它可以根據(jù)信道傳輸特性的變化不斷自動調整均衡參數(shù)。與頻域均衡相比較，時域均衡調整方便，性能好，故得到廣泛應用。特別是在時變移動信道中，幾乎都采用時域均衡器，因此下面僅討論時域自適應均衡技術。

當符號持續(xù)時間Ts小于衰落信道最大多徑擴展時延tmax時，衰落信道就需要引入自適應均衡，以便減輕或消除由于頻率選擇性衰落造成的符號間干擾ISI。GSM系統(tǒng)采用時分多址TDMA技術，對各用戶信息傳送是采用時分方式，符號速率比較高，一般滿足條件Ts<tmax，所以必須使用自適應均衡技術。北美的IS-54、IS-136等系統(tǒng)也滿足這一條件，也需要采用自適應均衡器。IS-95系統(tǒng)采用碼分多址CDMA，各業(yè)務信道數(shù)據(jù)并行傳輸，符號持續(xù)時間Ts>>tmax，因此CDMA系統(tǒng)一般不采用自適應均衡技術。正交頻分復用OFDM的符號持續(xù)時間Ts>>tmax，亦可不采用自適應均衡技術，時延擴散對傳送符號的影響可以忽略不計。8.3.2橫向濾波器

橫向濾波器是實現(xiàn)時域均衡的主要設備。它由多級抽頭延遲線、可變增益加權系數(shù)乘法器以及相加器共同組成。橫向濾波器結構如下圖所示。輸入信號x(t)進入2N級延遲線，每級的群時延為Ts=1/2fH,

fH為信號x(t)的最高頻率。每一級延遲線的輸出端都引出信號x(t-nTs)，并分別與可變加權系數(shù)Wk(k=0、±1、…、±N)相乘送入求和電路，形成輸出信號y(t)。其中濾波器抽頭共有2N+1個，加權系數(shù)Wk可變、可調且取正負值，并對中心抽頭系數(shù)歸一化。若橫向濾波器的沖擊響應為g(t)，則：

這時，輸出響應就成為：

或可見，橫向濾波器的接入將使系統(tǒng)的輸出波形y(t)成為輸入波形x(t)多達2N+1個不同多徑時延分量的加權和。對于一個實際波形(一單個符號)x(t)，只要適當選擇抽頭增益系數(shù)就可以使輸出波形在各個奈氏取樣點(除k=0外)趨于零。當t=nTs時，或簡寫為上述公式中的xn-k表示以n為中心的前后k個符號(k=0、±1、…、±N)在取樣時刻t=nTs時對第n個符號所造成的ISI。橫向濾波器的作用就是要調節(jié)抽頭增益系數(shù)Wk(不含W0)使得以n為中心的前后符號在取樣時刻t=nTs的樣值趨于零，消除它們對第n個符號的干擾。所以橫向濾波器可以控制并消除±N個符號內的符號間干擾。橫向濾波器的這一特性稱之為“收斂”特性。顯然，橫向