《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(huì)利用小尺度衰落在短距離、短時(shí)間上的快速波動(dòng)這個(gè)特點(diǎn)而采用各種信號(hào)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(duì)抗平坦衰落的分集技術(shù)、對(duì)抗頻率選擇性衰落的均衡技術(shù)以及對(duì)抗慢衰落的交織技術(shù)等。分集是對(duì)抗平坦衰落對(duì)信號(hào)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(duì)應(yīng)的一個(gè)概念為宏分集，宏分集用于對(duì)抗陰影衰落，具體做法是由多個(gè)位于不同地理位置的基站同時(shí)為同一個(gè)移動(dòng)臺(tái)提供服務(wù)，由于移動(dòng)臺(tái)同時(shí)處于多個(gè)基站信號(hào)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(duì)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(hào)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(shí)接收信號(hào)來獲取分集支路信號(hào)，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(hào)，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(hào)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(hào)，多個(gè)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(hào)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(hào)呈散射狀分布，這個(gè)條件對(duì)于移動(dòng)臺(tái)側(cè)是成立的，因此在移動(dòng)臺(tái)處可以采用上述Δz≥λ/4的條件作為相干距離。但是對(duì)于基站側(cè)，該條件不再滿足，此時(shí)信道中的相互作用體集中在移動(dòng)臺(tái)周圍，都從移動(dòng)臺(tái)的方向入射。因此基站側(cè)的相干距離要比移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)更大的天線間距。此外，實(shí)際測(cè)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(dòng)通信系統(tǒng)中，特別是劃分了扇區(qū)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，往往更多使用的是方向性天線。對(duì)于方向性天線的情況，多徑信號(hào)被限定在視距（LOS）路徑附近的一個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)所經(jīng)歷的衰落是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，這個(gè)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?；诘?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(gè)載頻上傳輸相同的信息，這會(huì)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(shí)間分集10時(shí)間分集通過在不同的時(shí)間傳輸相同的信號(hào)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(gè)最小的時(shí)間間隔，以保證不同時(shí)間的接收信號(hào)所經(jīng)歷的衰落是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，該時(shí)間間隔即為信道的相干時(shí)間Tc。與頻率分集類似，實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)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(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ機(jī)制，當(dāng)傳輸出錯(cuò)時(shí)，發(fā)端重新發(fā)送出錯(cuò)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(shí)間，因此相當(dāng)于提供了時(shí)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(shí)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(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(gè)極化方向上的散射角是隨機(jī)的，因此在兩個(gè)極化方向上收到的信號(hào)同時(shí)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(hào)經(jīng)歷的衰落可以看做是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。因此，可以將兩個(gè)不同極化方向的天線上的接收信號(hào)作為支路信號(hào)，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(duì)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(gè)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(gè)具有尖銳方向性的接收天線，分離出來自不同方向的信號(hào)分量，由于不同傳播路徑的特征相互獨(dú)立，這些信號(hào)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(duì)信道衰落互不相關(guān)的多個(gè)分集支路信號(hào)進(jìn)行合并，合并目的是得到優(yōu)于各個(gè)分集支路信號(hào)、信噪比大大改善的合并信號(hào)。對(duì)各個(gè)分集支路信號(hào)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(hào)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(cuò)編碼方案，解調(diào)器輸出端誤比特率為0.1的情況。對(duì)于隨機(jī)差錯(cuò)，由于錯(cuò)誤比特隨機(jī)分布在解調(diào)后的整個(gè)比特序列中，因此平均每10個(gè)比特中會(huì)出現(xiàn)1個(gè)錯(cuò)誤比特，(7,4)漢明碼的碼長(zhǎng)小于10，因此平均每個(gè)碼字內(nèi)出現(xiàn)的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)目不會(huì)超過1個(gè)。由于(7,4)漢明碼可以糾正1比特，在平均意義上每個(gè)碼字內(nèi)的錯(cuò)誤比特都可以被糾正，從而可以實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。若錯(cuò)誤類型為突發(fā)誤碼，則解調(diào)后的錯(cuò)誤會(huì)表現(xiàn)為連續(xù)若干個(gè)比特的錯(cuò)誤，此時(shí)，一旦在一個(gè)碼字長(zhǎng)度內(nèi)出現(xiàn)超過兩個(gè)比特的錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致譯碼失敗，最終無法保證無差錯(cuò)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(cuò)誤是造成誤碼的主要因素。只要我們能夠?qū)⑼话l(fā)錯(cuò)誤打散，變突發(fā)錯(cuò)誤為隨機(jī)錯(cuò)誤，就可以借助信道編碼來進(jìn)一步糾正隨機(jī)錯(cuò)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(jiǎn)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(cuò)誤分散為零星的隨機(jī)錯(cuò)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(duì)分組交織，交織器的原理為：將發(fā)送數(shù)據(jù)分為一定長(zhǎng)度的多個(gè)數(shù)據(jù)塊，這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)塊稱為交織塊，其長(zhǎng)度稱為交織長(zhǎng)度；在一個(gè)交織塊內(nèi)，通過對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)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(hào)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(gè)d行n列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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?chǔ)器，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(hào)為1、8、15的三個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)誤，即發(fā)生了連續(xù)3比特的差錯(cuò)；在接收端經(jīng)過解交織之后，3個(gè)比特的連續(xù)錯(cuò)誤被打散開來，此時(shí)接收端的交織矩陣中每一列中最多只會(huì)發(fā)生1個(gè)比特的錯(cuò)誤。如果采用(7,4)漢明碼，1比特的錯(cuò)誤在其糾錯(cuò)能力范圍之內(nèi)，因此可以實(shí)現(xiàn)有效地糾錯(cuò)。交織37實(shí)際使用時(shí)，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(zhǎng)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(cuò)誤持續(xù)時(shí)間和信道編碼的糾錯(cuò)能力有關(guān)，一般來講，突發(fā)錯(cuò)誤持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，n值應(yīng)該選取得越大，以保證交織對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤的分散能力；信道編碼