第四章 抗衰落和链路性能增强技术移动通信2主 要 内 容内容概述分集接收信道编码 与交织扩频通信均衡技术多天线和 空时编码链路自适 应技术Mobile Communication Theory3Mobile Communication Theory学习重点与要求分集接收技术的指导思想；获得多个衰落独立的信号的常用的几种 方法：频率分集、时间分集和空间分集；对衰落独立信号的处理方 式：选择合并、最大比值合并和等增益合并以及它们的性能。信道编码在移动通信中的应用；卷积码的编译码原理；Turbo码 的基本概念。掌握信道时域均衡的基本原理；移动通信中所采用的自适应均衡技 术的基本概念。直接序列扩频技术原理；直接序列扩频技术抗多径衰落原理； RAKE接收机原理。了解多天线和空时编码抗衰落的基本原理。了解MIMO的分集和复用方式分别起的作用。理解AMC和HARQ两种自适应链路性能增强技术的基本原理44.1 内 容 概 述分集接收技术信道编码技术扩 频 技 术多天线和空时编码链路自适应技 术均 衡 技 术Mobile Communication Theory5分 集 接 收n基本思想把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。n作用充分利用接收信号的能量，减小在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。Mobile Communication Theory6信 道 编 码n基本思想通过引入可控制的冗余比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。n作用尽量减小信道噪声或干扰的影响，是用来改善通信链路性能的技术。Mobile Communication Theory7信 道 均 衡 当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时，信号产生频率选择性衰落，接收信号就会产生失真，它在时域表现为接收信号的码间干扰。 所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器的网络，以补偿信道引起的失真。 均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变化而自行调整。Mobile Communication Theory8扩 频 技 术克服多径干扰 频率分集和时间分集第三代移动通信无线传输的主流技术 Mobile Communication Theory9多天线和空时编码 多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置，充分 利用空间信息，大幅度提高信道容量的一种技术。 之前所说的多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种 特例SIMO，它是一种抗衰落的传统技术。后续的研究表 明，如果采用多天线发送，并且发送天线数不太大时，随 着发送天线数的增加，信道容量也相应的增加。由此也推 动了无线通信领域对于MIMO技术研究的热潮。 此外，基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发 射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进 行分集接收，从而大大提高了信号质量。Mobile Communication Theory10链路自适应技术 由于无线信道的特性是复杂的，包含了时、频、空三维的衰落。如果能够根据信道的特性自适应地调整传输速率，在信道条件好时提高传输速率，信道条件差时降低传输速率，那么就可以有效地提高平均吞吐量。 在4.7节将具体介绍AMC和HARQ两种链路自适应技术。Mobile Communication Theory114.2 分 集 技 术 分集接收是抗衰落的有效措施之一 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 宏观分集 阴影衰落 微观分集 微观衰落 合并技术 获得M个相互独立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比的改善 Mobile Communication Theory124.2.1 宏 观 分 集Mobile Communication Theory134.2.1 宏 观 分 集 设基站A接收到的信号中值为mA, 基站B接收到的信号中值 为mB,它们都服从对数正态分布。若mA mB，则确定用 基站A与移动台通信；若mA2的情况，要求得 的累积分布函数和概 率密度函数是比较困难的，可以用数值方法求解 ，但M=2时其累积分布函数为（推导过程略）：设各支路噪声平均功率相等，输出的信噪比为Mobile Communication Theory263. 等增益合并F(x) x特性如图4.14所示： Mobile Communication Theory274.2.4 性能比较为了比较不同合并方式的性能，可以比较它们的 输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比。这 个比值称作合并方式的改善因子，用D表示。选择合并 最大比值合并 等增益合并 通常用dB表示：D(dB)=10lg(D) )，图4.15给出了各 种D(dB) M的关系曲线。Mobile Communication Theory284.2.4 性能比较从图中可以看出在 三种合并方式中， 最大比值合并改善 最多，其次是等增 益合并，最差是选 择合并，这是因为 选择合并只利用其 中一个信号，其余 没有被利用，而前 两者使各支路信号 的能量都得到利用 。Mobile Communication Theory294.2.5 分集对数字移动通信误码的影响把Pe看作是衰落信道中给定信噪比 的条件概率。 则平均错误概率式中PM（）即为M重分集的信噪比概率密度函数 。下面以二重分集为例说明分集对二进制数字传输 误码的影响。并以差分相干解调DPSK 为例进行说 明。DPSK的误码率为 Mobile Communication Theory304.2.5 分集对数字移动通信误码的影响1. 采用选择合并器的DPSK误码特性2 . 采用最大比值合并器的DPSK误码特性 3. 采用等增益合并器的DPSK误码特性 Mobile Communication Theory314.2.5 分集对数字移动通信误码的影响由图可见，二重分集对无分集误码特性有了很大的改善。Mobile Communication Theory324.3 信 道 编 码 与 交 织概述分组码 卷积码 Turbo码信道 编码Mobile Communication Theory交织 334.3.1 内 容 概 述u传统的信道编码：分组码和卷积码 u上世纪90年代出现Turbo码 u交织技术 Mobile Communication Theory344.3.2 分 组 码分组 码基本描述例 子在移动通信 中的应用Mobile Communication Theory35分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息 矢量a=(a1,a2,.ak),它通过一个线性变换，输出一个 长度等于n的码字C。式中G为kn的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作 编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码 得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分 组码，即(n, k) 分组码。对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)n 矩阵H满足 Mobile Communication Theory36分组码的基本描述H称作校验矩阵，它也满足 任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最 小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（ 检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干 扰能力就越强。理论分析表明： （n, k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要 条件是或Mobile Communication Theory37分组码的基本描述 （n, k）线性分组码能发现接收码字中l个错误 的充分必要条件是 （n, k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l t）个错误的充分必要条件是 译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的 码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码 字为C，接收到的码字R=C+e，其中e为错误图样 ，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时 ，e为全零矢量。Mobile Communication Theory38分组码的基本描述定义接收码字R的伴随式（或校验子）为如果S=0,则R是一个码字；若S可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字 无关；(n，k)线性码对接收码字的译码步骤如下： 计算伴随式 ST=HRT ; 根据伴随式捡出错误图样e； 计算发送码字的估值 0,则传输一定有错。 由于Mobile Communication Theory39分组码的例子1.汉明码 汉明码是最早(1950)出现的纠一个错误的线性码。其主要参数如下：码长 n=2m-1; 信息位数：k=2m-m-1;监督位数：n-k=m最小距离：dmin=3;Mobile Communication Theory40分组码的例子2.循环码（n，k）线性分组码的每个码字经过任意循环移 位后仍然是一个分组码的码字循环码的编码步骤为： 计算xn-km(x)； 计算xn-km(x)/g(x) 得余式r(x)； 得到码字多项式 C(x)= xn-km(x)+ r(x)；循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循 环码称作循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check) 。Mobile Communication Theory41分组码在移动通信中的应用1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和 反向链路在信道中消息是以帧的形式来传送的 。例如，图4.17是全速率（9600bit/s）前向业务 信道的帧结构。这是一个（n，k）=(172+12,172)=(184,172)分 组码。其生成多项式为：Mobile Communication Theory42分组码在移动通信中的应用2. 在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在 传输过程中都使用了CRC码。例如话音编码采用规 则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)。它以20ms 为一帧，共260 bit,即速率为13kbit/s。Mobile Communication Theory434.3.3 卷积码蜂窝移动通信 系统中的应用状态图 ( State Diagram )维特比(Viterbit) 译码网格图( Trellis Diagam )卷积码的 自由距离 卷积码编码器Mobile Communication Theory44卷积码编码器卷积码编码器的输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入 的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。 通常卷积码表示为（n，k，m）。编码率r=k/n。图4.19是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2，m=3， 所以是(2,1,3)编码。 Mobile Communication Theory45卷积码编码器编码器只有一个输入序列a，它经过两条不同的 路径到达输出端，对应两个长度K=4的响应序 列,即对任意的输入序列a, 对应两个输出的序列分别是 a与g(1)、g(2)的离散卷积： Mobile Communication Theory46卷积码编码器还可以用生成多项式来进行表述，它定义为沖 激响应的单位时延变换。对应第i条路径的生成 多项式定义为 例如对图4.19编码器有相应的第i条路径输出序列多项式则等于 Mobile Communication Theory47状态图（State Diagram）编码过程可以用状态图来表示，它描述了编码 器每输入一个信息元时，编码器各可能状态以 及伴随状态的转移所产生的分支码字。Mobile Communication Theory48状态图（State Diagram）上图是一个（2,1,2）卷积码编码器。它的状态图为 图中小圆内的数字表示状态，连接小圆的箭头表示 状态转移的方向，用连线的格式表示状态转移的条 件（输入的信息比特）：若输入信息比特为1，连 线为虚线；若为0则实线。连线旁的两位数字表示 相应输出分