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移动通信原理学习笔记之三——抗衰落和链路性能增强技术

分类: 文章 • 2024-03-02 13:18:16

抗衰落和链路性能增强技术

第4章抗衰落和链路性能增强技术

第4章抗衰落和链路性能增强技术
- 4.1 引言、直接序列扩频原理
  - 学习重点及要求
    - 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
    - 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；线性分组码、卷积码的编译码原理；
    - 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。
    - 理解AMC和HARQ两种自适应链路性能增强技术的基本原理
  - 分集接收
    - 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。
    - 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。
  - 信道编码
    - 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。
    - 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。
  - 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。
  - 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。
  - 扩频通信
    - 4.2.1 扩频通信原理
      - 扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽
      - 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关
      - 在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据
      - 扩频通信的两大特点：伪随机编码调制－－扩频；信号相关处理－－解扩
      - 扩频信号的三大特性：扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；扩频信号带宽远大于欲传输数据（信息）带宽；接收机中必须有与宽带载波同步的副本
    - 4.2.2 伪随机（PN）序列
      - 1
    - 4.2.3 抗多径干扰和RAKE接收机
      - 抗多径干扰
      - 多径分离接收机(RAKEreceiver)
        
        利用各多径信号分量的能量，改善接收信号的质量
        
        信号的频谱扩展使信号获得了频率分集的好处
        
        多径信号的分离接收也是一种时间分集
        
        RAKE接收机的原理图如下
    - 4.2.4 跳频扩频通信系统FHSS
      - 基本概念：跳频扩频就是使窄带数字已调信号的载波频率在一个很宽的频率范围内随时间跳变，跳变的规律称作跳频图案；接收机也按照这规律同步跳变调谐；跳频的规律实际上是可以重覆的伪随机序列；瞬时带宽B；跳频信号的总带宽W；跳频系统的抗干扰性能和在GSM系统的应用；跳频处理增益—GH=W/B=N；跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力；一般采用FSK的数字调制方式和非相干解调；跳频器由PN码发生器和频率合成器组合而成，完成扩频和解扩；慢跳频和快跳频；在扩频信号带宽比较宽的情况下，跳频扩频比直接序列扩频更容易实现。
- 4.2 M序列、GOLD序列、WALSH码
  - m序列的含义：m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器中，若n为移位寄存器的级数，n级移位寄存器共有2n个状态，除去全零状态外，还剩下2n-1种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为2n-1位。故产生m序列的线性反馈移位寄存器称做最长线性移位寄存器。
    - m序列的产生
    - 产生m序列的移位寄存器的电路结构，即反馈线连接不是随意的，m序列的周期P也不能取任意值，而是必须满足: n是移位寄存器的级数
    - m序列的特性
    - m序列的功率谱
  - Gold序列
    - 虽然m序列有优良的自相关特性，但是使用m序列作CDMA（码分多址）通信的地址码时，其主要问题是由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少，对于多址应用来说，可用的地址数太少了。而Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列的地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到了广泛的应用。
    - Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中m序列优选对是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。这里我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所产生的m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的m序列，当他们的互相关函数满足：
  - Walsh码
- 4.3 分集技术
  - 概述：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
  - 宏观分集
  - 微观分集
    - 时间分集：移动的时间足够长（或移动的距离足够大），大于信道的相干时间。
    - 频率分集：两个载波的间隔大于信道的相干带宽。
    - 空间分集：相隔足够大的距离。实际测量表明，通常在市区，取d=0.5λ，在郊区可以取d=0.8λ
  - 分集的合并方式及性能
    - 选择合并
    - 最大比值合并
    - 等增益合并
    - 性能比较
    - 分集对数字移动通信误码的影响
- 4.4 线性分组码、卷积码
  - 分组码：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k×n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
    - (n，k)线性码对接收码字的译码步骤：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
  - 卷积码
  - 维特比译码的基本原理
- 4.5 交织技术、均衡技术基本原理、非线性均衡
  - 交织技术：在移动通信这种变参信道上，持续较长的深衰落会影响到相继一串的比特，使比特差错常常成串发生。然而，信道编码仅能检测和校正单个差错和不太长的差错串。为了解决成串的比特差错问题，则需要联合使用交织技术。交织技术可分为块交织、卷积交织和随机交织；n交织技术就是把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条信息中的相继比特以非相继方式发送，这样即使在传输过程中发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个（或者长度很短）的错误比特，这时再用信道编码（FEC）纠正随机差错
  - 交织器中最常用的结构是分组结构；v这种交织器把待编码的m×n个数据位放入一个m行n列的矩阵中，即每次是对m×n个数据位进行交织
  - 均衡技术基本原理
  - 评价均衡器性能的准则
  - 迫零算法
  - 非线性均衡器
    - 判决反馈均衡器DFE
    - 最大似然估计均衡器MLSE
- 4.6 自适应均衡、AMC、HARQ
  - 自适应均衡器
  - - 自适应均衡器的工作模式
      - 训练模式
      - 跟踪模式
    - 自适应均衡器工作过程
      - 均衡器开关置1，也产生同接收端相同的训练序列。
      - e(n)和x(n)作为某种算法的参数，把均衡器的系数ck调整到最佳，使均衡器满足峰值畸变准则或均方畸变准则。此阶段均衡器的工作方式就是训练模式。
      - 在训练模式结束后，发送端发送数据，均衡器转入跟踪模式，开关置2位置。
  - 链路自适应技术
    - 自适应调制编码（AMC）
      - AMC技术的系统结构
      - AMC技术特点
        
        AMC技术随信道状态的变化而改变数据传输的速率，不能保证数据固定的速率和延时，仅适用于对数据率和延时没有要求的分组交换业务
        
        AMC技术发射功率保持恒定，从而避免了功率控制技术中存在的“远近效应”，提高了系统平均吞吐量。
        
        AMC技术发射功率保持恒定，克服了一个用户对其它用户的干扰的变化问题，可以降低网络中的干扰量，从而提高了系统的吞吐量
        
        AMC技术和数据包调度算法结合使用时，选择小区内当前载干比最大的用户传输数据，可以得到一定的快衰落波峰增益
      - AMC技术关键问题
        
        信道预测的准确性
        
        反馈过程中的误差和延时
        
        MCS 切换门限值的确定
    - 混合自动请求重传（HARQ）
      - 差错控制技术分类
        
        重传反馈（ARQ）
        
        前向纠错（FEC）
        
        混合自动重传请求（HARQ）
      - HARQ的系统结构
      - HARQ的重传机制
        
        停止等待型（SAW）
        
        回退N步型（GBN）
        
        选择重传型（SR）
      - HARQ重传数据帧的构成
        
        （1）重传相同数据的HARQ：Type-IHARQ 就是采用的这种方式，它是单纯的把ARQ和FEC相结合，在发送端发送纠错码，在接收端译码并纠正错误，如果错误在纠错码的纠错范围内并成功译码则发送一个ACK应答帧，反之则发送一个NACK应答帧，同时丢弃出错的帧。在重发时仍然发送相同的数据帧，携带相同的冗余信息。
        
        （2）重传不同数据的HARQ：Type-II HARQ和Type-III HARQ都属于这种方式。这时重传的数据又有全冗余和部分冗余之分。冗余指的是编码带来的校验比特，那么全冗余的意思就是重传的数据帧是与上一帧位置不完全相同的校验比特，并且不再发送信息位，而部分冗余就是说重发的数据帧既包括信息位又包括与上一帧位置不完全相同的校验比特。