《無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第05章 分集和交織技術(shù)

第六章分集與交織概述實(shí)際的無線通信系統(tǒng)中，通常會利用小尺度衰落在短距離、短時間上的快速波動這個特點(diǎn)而采用各種信號處理技術(shù)來緩解小尺度衰落造成的不利影響，其中包括對抗平坦衰落的分集技術(shù)、對抗頻率選擇性衰落的均衡技術(shù)以及對抗慢衰落的交織技術(shù)等。分集是對抗平坦衰落對信號產(chǎn)生的不利影響的最有效的一項(xiàng)技術(shù)。更嚴(yán)格的講，本章討論微分集技術(shù)，與微分集相對應(yīng)的一個概念為宏分集，宏分集用于對抗陰影衰落，具體做法是由多個位于不同地理位置的基站同時為同一個移動臺提供服務(wù)，由于移動臺同時處于多個基站信號陰影區(qū)的概率很小，從而可以有效地消除由陰影衰落所造成的影響。除非特別說明，后續(xù)討論中使用的分集概念指的都是微分集針對上述問題有多種解決途徑，無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用2例5-1

分集支路的獲取

(5?1)分集支路的獲取如果滿足以下條件：1）功率延遲分布呈指數(shù)規(guī)律衰減；2）入射信號呈散射狀分布，且不存在視距分量；3）收發(fā)天線都使用全向天線。則可由(51)式推得相關(guān)系數(shù)表達(dá)式如下：

(5?2)分集支路的獲取6

(5?3)空間分集7通過空間中多部具有一定空間間隔的天線同時接收信號來獲取分集支路信號，這種做法稱為接收天線分集。通過在發(fā)射端采用多部具有一定空間間隔的天線發(fā)射信號，這種技術(shù)稱為發(fā)射天線分集。本章中重點(diǎn)討論接收天線分集，發(fā)射天線分集將在9.2.2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。在接收天線分集中，分集支路的獲取不需要在發(fā)射端增加任何額外的信號處理，也無需更多的發(fā)射功率和帶寬，因此成為一種應(yīng)用最為廣泛的分集方式。為了獲取足夠獨(dú)立的分集支路信號，多個接收天線的間隔必須滿足一定的要求，我們把能夠保證分集支路信號足夠獨(dú)立性的最小天線間隔稱為相干距離。需要注意的是相干距離的大小取決于相關(guān)系數(shù)門限。在(5?3)式中取Δf=0，并設(shè)定相關(guān)系數(shù)門限為=0.5，可以算出天線間距至少需要滿足Δz≥λ/4的條件。

空間分集8(5?3)式的前提條件是要求接收信號呈散射狀分布，這個條件對于移動臺側(cè)是成立的，因此在移動臺處可以采用上述Δz≥λ/4的條件作為相干距離。但是對于基站側(cè)，該條件不再滿足，此時信道中的相互作用體集中在移動臺周圍，都從移動臺的方向入射。因此基站側(cè)的相干距離要比移動臺處大得多。若要在基站側(cè)使用接收天線分集，就需要比移動臺更大的天線間距。此外，實(shí)際測量表明，天線高度和空間相關(guān)性之間存在很強(qiáng)的耦合，較大的天線高度意味著較大的相干距離。通常，在郊區(qū)環(huán)境下的基站中，10λ到210λ的間隔就能夠達(dá)到ρ≥0.5的要求。(5?3)式還要求收發(fā)天線都使用全向天線，但是在陸地移動通信系統(tǒng)中，特別是劃分了扇區(qū)的移動通信系統(tǒng)中，往往更多使用的是方向性天線。對于方向性天線的情況，多徑信號被限定在視距（LOS）路徑附近的一個有限的角度內(nèi)，與前面的情況類似，這也意味著需要更大的天線間隔以保證所獲取的分集支路信號之間的獨(dú)立性。頻率分集9通過在不同的載波頻率上傳輸相同的窄帶信號就可以實(shí)現(xiàn)頻率分集，其中載波之間必須保證足夠的間隔以確保不同載頻上的接收信號所經(jīng)歷的衰落是統(tǒng)計獨(dú)立的，這個間隔可以由(5?2)式在一定的相關(guān)系數(shù)門限條件下求得。基于第3章小尺度衰落信道的內(nèi)容，這里的最小頻率間隔即為相干帶寬Bc。以顯分集的方式進(jìn)行頻率分集需要在多個載頻上傳輸相同的信息，這會導(dǎo)致頻譜效率的降低，因此工程中頻率分集往往以隱分集的形式出現(xiàn)，例如第7章的擴(kuò)頻技術(shù)通常被認(rèn)為能夠提供頻率分集的效果，這一點(diǎn)在第7章進(jìn)一步討論。

時間分集10時間分集通過在不同的時間傳輸相同的信號來實(shí)現(xiàn)分集。與頻率分集的情況類似，同樣可以由(5?2)式得到一個最小的時間間隔，以保證不同時間的接收信號所經(jīng)歷的衰落是統(tǒng)計獨(dú)立的，該時間間隔即為信道的相干時間Tc。與頻率分集類似，實(shí)際應(yīng)用中，時間分集也經(jīng)常以隱分集的形式出現(xiàn)，例如通信中常用的自動請求重傳ARQ機(jī)制，當(dāng)傳輸出錯時，發(fā)端重新發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)，由于兩次數(shù)據(jù)發(fā)送的間隔超過了相關(guān)時間，因此相當(dāng)于提供了時間分集。此外，信道編碼和交織技術(shù)也是以隱含的方式來實(shí)現(xiàn)時間分集，交織技術(shù)將在5.4節(jié)進(jìn)行介紹。極化分集11極化分集可以看作是空間分集的特例，它使用兩個具有不同極化方向的發(fā)射天線或接收天線，天線的極化方向可以是垂直極化或水平極化，分別用于接收信號中的垂直極化的無線電波和水平極化的無線電波。研究表明，無論發(fā)射信號中兩種不同極化方向的電波的功率占比是多少，在經(jīng)過多徑傳播后，接收信號中兩種極化方向的電波的平均功率占比趨近于相同，即各占50%。并且在多徑傳播環(huán)境中，由于兩個極化方向上的散射角是隨機(jī)的，因此在兩個極化方向上收到的信號同時發(fā)生深度衰落的概率是極低的，也就是說，不同極化方向上接收信號經(jīng)歷的衰落可以看做是統(tǒng)計獨(dú)立的。因此，可以將兩個不同極化方向的天線上的接收信號作為支路信號，從而實(shí)現(xiàn)分集。由于極化分集利用了不同極化的電磁波所具有的不相關(guān)衰落特性，因而對不同極化的天線間的距離沒有要求。此外，無論是線極化還是圓極化，都只有兩種極化方向，因此最多只能獲得兩個分集支路。角度分集12角度分集利用了無線通信信道中大量存在的多徑傳播效應(yīng)，通常，無線電波通過若干不同的路徑，并以不同的角度到達(dá)接收端，而接收端可以利用多個具有尖銳方向性的接收天線，分離出來自不同方向的信號分量，由于不同傳播路徑的特征相互獨(dú)立，這些信號分量具有相互獨(dú)立的衰落特性，因而可以實(shí)現(xiàn)角度分集。分集合并算法13“分集”的“集”是指對信道衰落互不相關(guān)的多個分集支路信號進(jìn)行合并，合并目的是得到優(yōu)于各個分集支路信號、信噪比大大改善的合并信號。對各個分集支路信號進(jìn)行合并的算法有多種，本節(jié)首先給出合并的通用模型，然后再討論具體的合并算法。不失一般性，后續(xù)的討論均基于空間分集。通用模型14

(5?4)通用模型

15

(5?5)

(5?6)通用模型

16通用模型17

(5?7)通用模型18

(5?8)

(5?9)選擇合并

19

(5?10)

(5?11)選擇合并

20

(5?12)

(5?13)(5?14)

(5?15)選擇合并

21

(5?16)選擇合并22

選擇合并

23

(5?17)選擇合并24

圖5?6瑞利衰落信道下選擇合并的平均誤符號率選擇合并25

圖5?7門限合并示例選擇合并26基于門限合并的分集接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5?8所示，與圖5?4所示的選擇合并接收機(jī)相比，顯然切停合并具有更低的成本，因?yàn)槭÷粤烁鞣旨飞系腞SSI傳感器。圖5?8門限合并接收機(jī)最大比合并27

(5?18)

(5?19)

(5?20)最大比合并28

(5?21)

(5?22)

(5?23)最大比合并29

(5?24)

(5?25)最大比合并

30

(5?26)

(5?27)

(5?28)最大比合并31

(5?29)等增益合并32

(5?30)

(5?31)

(5?32)等增益合并33

(5?33)

(5?34)交織例5?3考慮以(7,4)漢明碼作為糾錯編碼方案，解調(diào)器輸出端誤比特率為0.1的情況。對于隨機(jī)差錯，由于錯誤比特隨機(jī)分布在解調(diào)后的整個比特序列中，因此平均每10個比特中會出現(xiàn)1個錯誤比特，(7,4)漢明碼的碼長小于10，因此平均每個碼字內(nèi)出現(xiàn)的錯誤比特數(shù)目不會超過1個。由于(7,4)漢明碼可以糾正1比特，在平均意義上每個碼字內(nèi)的錯誤比特都可以被糾正，從而可以實(shí)現(xiàn)無差錯傳輸。若錯誤類型為突發(fā)誤碼，則解調(diào)后的錯誤會表現(xiàn)為連續(xù)若干個比特的錯誤，此時，一旦在一個碼字長度內(nèi)出現(xiàn)超過兩個比特的錯誤就會導(dǎo)致譯碼失敗，最終無法保證無差錯傳輸。例5?3可以看出，在衰落信道下，由深度衰落導(dǎo)致的突發(fā)錯誤是造成誤碼的主要因素。只要我們能夠?qū)⑼话l(fā)錯誤打散，變突發(fā)錯誤為隨機(jī)錯誤，就可以借助信道編碼來進(jìn)一步糾正隨機(jī)錯誤，從而提高通信系統(tǒng)的性能。交織技術(shù)就是一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的技術(shù)，它通過發(fā)送端的交織處理和接收端的解交織（簡稱解織）處理，可以在不額外增加任何冗余的前提下將信道衰落引起的突發(fā)錯誤分散為零星的隨機(jī)錯誤。

34交織交織器和解交織器通常具有相同的結(jié)構(gòu)，因此我們后續(xù)重點(diǎn)介紹交織器。交織器的類型有兩種，即分組交織和卷積交織。對分組交織，交織器的原理為：將發(fā)送數(shù)據(jù)分為一定長度的多個數(shù)據(jù)塊，這樣的一個數(shù)據(jù)塊稱為交織塊，其長度稱為交織長度；在一個交織塊內(nèi)，通過對數(shù)據(jù)符號的次序按照一定規(guī)則進(jìn)行重組，即可完成交織；在接收端，按照相反的規(guī)則恢復(fù)數(shù)據(jù)符號的原有次序即可完成解交織。35交織36分組交織的一種最常見的實(shí)現(xiàn)方式為行列交織器，其結(jié)構(gòu)如圖5?12所示，交織器和解交織器都由一個d行n列的數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成。在發(fā)送端，發(fā)送比特按先列后行的順序?qū)懭?，再按照先行后列的順序讀出，這樣就完成了交織；在接收端，接收數(shù)據(jù)先按照先行后列的次序?qū)懭氪鎯ζ?，再按照先列后行的次序讀出，這樣就完成了解交織。圖5?12中假設(shè)d=7，經(jīng)信道傳輸后編號為1、8、15的三個數(shù)據(jù)發(fā)生了錯誤，即發(fā)生了連續(xù)3比特的差錯；在接收端經(jīng)過解交織之后，3個比特的連續(xù)錯誤被打散開來，此時接收端的交織矩陣中每一列中最多只會發(fā)生1個比特的錯誤。如果采用(7,4)漢明碼，1比特的錯誤在其糾錯能力范圍之內(nèi)，因此可以實(shí)現(xiàn)有效地糾錯。交織37實(shí)際使用時，交織矩陣行數(shù)d的選取與系統(tǒng)所采用的信道編碼方案有關(guān)，可以選取為信道編碼的碼字長度，例如圖5?12中采用(7,4)漢明碼且選取d=7；交織矩陣的列數(shù)n（也稱為交織深度）與突發(fā)錯誤持續(xù)時間和信道編碼的糾錯能力有關(guān)，一般來講，突發(fā)錯誤持續(xù)時間越長，n值應(yīng)該選取得越大，以保證交織對突發(fā)錯誤的分散能力；信道編碼