移动通信抗衰落技术
移动通信抗衰落技术
OFDM在移动通信抗衰落中的应用摘要：针对移动通信信道的衰落，人们提出了许多解决方法。
OFDM是其中比较好的一种，文章简要论述了一下OFDM的基本原理，求出子载频正交的条件，并考察了OFDM在频域中的特点。
最后论述了OFDM在应用中的优缺点。
关键词：抗衰落OFDM原理优缺点移动通信信道是一个非常恶劣的通信环境，其中既有噪声、干扰也存在衰落，这三个方面的因素对移动通信系统的性能都会产生一定的负面影响，而其中衰落时我们最为关注的因素，因为衰落时移动信道的基本特性，信号在传输过程中会有信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量。
移动通信要得以实现也必须有相应的技术来克服这些因素的影响。
一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和信道编码。
分集是抗衰落的主要技术，均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰，如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。
而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。
若信道不理想，在已调信号频带上很那保持理想传输特性时，会造成信号的严重失真和码间串扰。
为了解决这个问题，除了采用均衡器外，途径之一就是采用多个载波，将信道分成许多子信道。
将基带马援均匀分散地对每个子信道的载波调制。
假设有10个子信道，若每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。
若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。
随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽，今日多媒体通信的信息传输速率已经到达若干Mb/s，并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。
为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视，正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。
OFDM也是一类多载波并行调制的体制。
为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠。
移动通信抗干扰与抗衰落技术
移动通信抗干扰与抗衰落技术在当今信息时代，移动通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
无论是日常的沟通交流、工作中的信息传递，还是娱乐休闲时的在线互动，都离不开稳定、高效的移动通信网络。
然而，在移动通信的过程中，信号会受到各种干扰和衰落的影响，导致通信质量下降，甚至出现通信中断的情况。
因此，研究移动通信中的抗干扰与抗衰落技术显得尤为重要。
干扰是指在通信过程中，无用的信号对有用信号造成的影响。
干扰的来源多种多样，比如同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。
同频干扰是指使用相同频率的信号之间相互干扰，这在频谱资源紧张的情况下尤为常见。
邻频干扰则是相邻频率的信号之间发生的干扰。
互调干扰则是由于多个信号在非线性器件中相互作用而产生的新频率分量对通信造成的干扰。
衰落则是指信号在传输过程中，由于多径传播、阴影效应等原因，导致信号强度的随机变化。
多径传播是指信号通过多条不同的路径到达接收端，这些路径的长度和传播条件不同，导致信号到达接收端的时间和相位不同，从而引起信号的衰落。
阴影效应则是由于建筑物、山丘等障碍物的遮挡，导致信号在传播过程中被衰减。
为了应对移动通信中的干扰和衰落问题，研究人员提出了多种抗干扰和抗衰落技术。
扩频技术是一种常见的抗干扰技术。
扩频通信通过将信号的频谱扩展到很宽的频带上，使得信号的功率谱密度降低，从而降低了被干扰的概率。
常见的扩频技术有直接序列扩频和跳频扩频。
直接序列扩频是将发送的信息与一个高速的伪随机码进行异或运算，将信号的频谱扩展。
跳频扩频则是通过不断地改变发送信号的频率，使得干扰信号难以跟上频率的变化，从而达到抗干扰的目的。
均衡技术是一种用于对抗多径衰落的技术。
由于多径传播导致信号在不同的路径上产生不同的延迟和衰减，接收端接收到的信号会出现码间干扰。
均衡技术通过对接收信号进行补偿和校正，消除码间干扰，提高信号的质量。
常见的均衡技术有线性均衡和非线性均衡。
线性均衡算法简单，但性能相对较差。
非线性均衡性能较好，但计算复杂度较高。
第四章 抗衰落技术
素有关。在移动通信中，通常取： 市区 d=0.5λ 郊区：d=0.8λ 满足上式的条件下， 两信号的衰落相关性已很弱了； d 越大， 相关性就越弱。 例如，在 900MHz 的频段工作时，两副天线的间隔约为 0.27m。 天线的间隔， 可以垂直间隔也可以水平间隔， 但垂直间隔分集性能较差。 在空间分集中，天线 N 越大，分集效果越好，但是分集与不分集差异很 大，属于质变；而分集增益正比于分集天线数，一般当 N 大于 3 时，增 益改善不再明显，且随着 N 增大而逐步减少，属于量变。然而 N 的增 大意味着设备复杂度的增大，所以在工程上要在性能与复杂度之间做一 折中，一般取 N＝2～4 即可。 2．极化分集 （1）概念 利用天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能的， 即利用极化 的正交性来实现衰落的不相关性。 电磁波的极化方向可分为水平极化和垂直极化，这两种极化波是正交的，利 用这一点，在发送端分别装上两副距离很近但极化方向不同的天线分别发送信 号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，在接收端同样用两副距离很近但极化 方向不同的天线来接收这两路不相关的衰落信号，就可获得分集的效果。 极化分集可看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集 情况） ，但它仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短 了天线之间的距离，在工程上常常将两副天线集成于一副天线内实现。从外观看 上去只是一副天线。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端的功率要 分配给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3dB。 3．角度分集 （1）概念 由于地形地貌和建筑物等环境的不同， 到达接收端的不同路径的信号可能来
最大比合并
照总信噪比最大化的 原则 将 M 重分集支路按 等权值相加
移动通信(第四版)第5章 抗衰落技术
– 盲均衡方式
• 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。
• 当信道特性随时间变化时 – 自适应均衡
• 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。
第5章 均衡和分集技术
第5章 均衡和分集技术
5.2 均衡基本概念
• 采用增加增加信号电平的方法来降低迟延扩展引 起的误码率是完全徒劳的， 起的误码率是完全徒劳的，只有采用自适应均衡 才是根本的解决办法。 才是根本的解决办法。
第5章 均衡和分集技术
均衡技术
在信道特性C(ω)确知条件下，人们可以精心设计接收和 确知条件下， 在信道特性 确.1 简介
• 均衡技术指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实 均衡技术指各种用来处理码间干扰 指各种用来处理码间干扰 的算法和实 现方法。在移动环境中， 现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 • 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的，它通常要通 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的， 过两个或更多的接收天线来实现。 过两个或更多的接收天线来实现。CDMA系统通常 系统通常 使用RAKE接收机，它能通过时间分集来改善链路 接收机， 使用 接收机 性能。 性能。
第5章 均衡和分集技术
• 移动通信抗干扰背景
• 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 除存在大量的环境噪声和干扰外， 除存在大量的环境噪声和干扰外，还存在大量电台产生的干 扰，如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 • 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时，必须预计 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时， 到网络运行环境中会出现的各种干扰(包括网络外部产生的 到网络运行环境中会出现的各种干扰 ( 包括网络外部产生的 干扰和网络自身产生的干扰)强度， 并采取有效措施， 干扰和网络自身产生的干扰 强度， 并采取有效措施， 保证 强度 网络在运行时， 网络在运行时，干扰电平和有用信号相比不超过预定的门限 通常用信噪比S／ 或载干比 或载干比C／ 来度量 来度量)， 值(通常用信噪比 ／N或载干比 ／I来度量 ， 或者保证传 通常用信噪比 输差错率不超过预定的数量级。 输差错率不超过预定的数量级。
移动通信第四章抗衰落技术
▪ Turbo码：具有较强的纠错能力，但译码 复杂，时延大，适合数据业务。
▪ 奇偶校验码
K个码元
k个码元＋ L个校验码元＝N个码元
举例：设信息序列长K=3， 校验序列长L=4；输入信息比特 为{S1, S2, S3}， 校验比特为{C1, C2,C3, C4}；
校验的规则为：
Remainder
D16 D15 D2 1
= D9+D8+D7+D5+D4+D = 0·D15+0·D14+0·D13+0·D12+0·D11+0·D10+1·D9+1·D8+1·D7+0·D6+1·D5
+1·D4+0·D3+0·D2+1·D1+0
输出： 101101110000001110110010
得 到 ：C(D)
S(D) DL
Remainder
g(D)
S(D) DL
C(D) Re D21 D20 D18 D17 D16
Remainder
D16 D15 D2 1
(D7 D6 D4 D3 D)(D16 D15 D2 1) D9 D8 D7 D5 D4 D
一. 原理
4.4 均衡技术
均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法。
m(t)
r(t) cp(t)
t1
t2
t3
码间串扰
如果要消除码间干扰，需要系统传输特性满足无码间串扰条 件，即奈奎斯特第一准则。
第四章 抗衰落技术
二. 无码间串扰条件
1. 频域：系统传输特性满足：
4、抗衰落技术
图4-3 空间分集的合并
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4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• 对于具体的合并技术来说，通常有4类： 选择式合并（Selective Combining）、最 大比合并（Maximum Ratio Combing）、 等增益合并（Equal Gain Combining）和 开关式合并（Switching Combining）。
移 动 通 信 原 理
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2．极化分集（Polarization Diversity）
• 在移动环境下，两个在同一地点极化方 向相互正交的天线发出的信号呈现出不 相关衰落特性。 • 极化分集实际上是空间分集的特殊情况， 其分集支路只有两路。
移 动 通 信 原 理
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3．角度分集（Angle Diversity）
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4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• 根据在接收端使用合并技术的位置不同， 可以分为检测前（Predetection）合并技 术和检测后（Postdetection）合并技术， 如图4-3所示。这两种技术都得到了广泛 的应用
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4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• （1）直接序列扩频抗多径的原理是：当 发送的直接序列扩频信号的码片（chip） 宽度Tc小于或等于最小多径时延差时， 接收端利用直扩信号的自相关特性进行 相关解扩后，将有用信号检测出来，从 而具有抗多径的能力。
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3．直接序列扩频技术
移 动 通 信 原 理
Hale Waihona Puke • （2）直接序列扩频抗干扰 • 直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干 扰的原理，也是利用直扩信号的自相关 特性，经相关接收和窄带通滤波后，将 有用信号检测出来，而那些窄带干扰和 多址干扰都处理为背景噪声。其抗干扰 的能力可用直接序列扩频处理增益来表 征。
第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术
——空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集
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频率分集(Frequency Diversity)
频率分集是将待发送的信息分别调制到频率不相关的载 波上发送，只要载频间隔大于相干带宽，则接收端所接 收到信号的衰落是相互独立的。 在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频 谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频 率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多 的频谱资源，在发端需要多部发射机。
CDMA网络与GSM网络完全不同，由于不再把信道和用户分开考 虑，也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别。一个小区的业务 量越大，小区面积就越小。因为在CDMA 网络中业务量增多就意 味着干扰的增大。这种小区面积动态变化的效应称为小区呼吸。 “小区呼吸”动态分配小区负荷，改善网络覆盖，增加系统容量
5．空分多址
2．CDMA系统地址码和扩频码的应用
主要可以分为3类: （1）用户地址码。 （2）信道地址码。 （3）小区地址码。
3 扩频通信的主要性能指标
(1)．扩频处理增益
处理增益G定义为频谱扩展后的信号带 宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即
B2 R2 T1 G B1 R1 T2
（4-23）
（3）．频带利用率
频带利用率就是传输的数据率（bit/s） 与数字信号所占的频带（Hz）之比单位为 bit/s/Hz。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
多址技术主要是解决如何使多用户共享系统无线资源的问题。 必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基 站能从众多移动台的信号中区分出哪一个移动台发出来的信 号，而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自 己的信号。
显分集
微分集
移动通信中的衰落和抗衰落技术
移动通信中的衰落和抗衰落技术小结衰落的起因移动通信的传输媒介是发射机和接收机之间的无线信道，主要传播方式有直射、反射、绕射、散射等。
信号从发射机到接收机就会有很多不同的传播路径，信号经过每条路径的幅度和时延都不相同，多径分量之间有着不同的相移，这种现象叫做多径传播。
接收机无法辨别不同的多径分量，只是简单地把它们叠加起来，以至于彼此间相互干涉，这种干涉或相消或相长，会引起合成信号幅度的变化，这种效应-由不同的多径分量引起合成信号幅度的变化--称为小尺度衰落。
由于电磁波经过建筑传输，导致直射波的多径分量的幅度大大降低，这种效应叫做阴影效应，会导致大尺度衰落。
多径在宽带系统中的影响可采用两种不同的方式解释：1、信道传输函数随带宽而变化，也称为信道的频率选择性；2、信道的冲激响应会有延迟，即时延色散。
两种解释互为傅里叶变换。
相干带宽定义为相关系数小于一定门限的频率差，相干时间也是如此。
系统带宽大于相干带宽就会产生频率选择性衰落，小于相干带宽产生平坦衰落。
由相干时间决定的也会产生快衰落和慢衰落。
抗衰落技术♦分集技术♦RAKE接收♦纠错编码技术♦均衡技术分集分集的基本原理就是同一信息通过多个统计独立的信道到达接收机，用两个及以上的天线去接收，如果其中一路发生了衰落深陷，另外一路有可能没有，这样，就降低了中断概率，改善了接收端SNR的统计特性。
分集分为宏分集和微分集。
宏分集一般用于克服大尺度衰落，微分集用于克服小尺度衰落。
常见的微分集方法：空间分集：利用空间分离的天线。
时间分集：接收不同时刻的发送信号。
频率分集：在不同载频上传输信号。
角度分集：使用不同天线方向图的多个天线。
极化分集：多个天线接收不同方向的信号。
分集后的处理：1、选择合并。
选择并处理最佳的副本信号，其余副本全部丢弃。
2、合并分集。
合并所有的信号，再对合并的副本进行解码。
RAKE接收RAKE接收本质上也是一种多径分集接收机。
RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。
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扩频技术的基本思想
? 在发射端使用传统的调制方式调制有效信号； 然后使用扩频编码调制载波，使其扩展到一 个非常大的带宽内，实现频谱展宽。在接收 端利用相反过程得到原始信号。
分集接收技术
分集方式主要有以下两种：
? 宏分集：主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基 站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术， 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上和不 同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。
? 微分集：是一种减小快衰落影响的分集技术，在各 种无线通信系统中都经常使用。可以分为时间分集、 空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集和角 度分集六种，常用的只是前三种。
分集接收技术的适用范围
? ①在平坦性信道上接收衰落深度和衰落持续 时间大的信号
? ②来自地形地物造成的阴影衰落（宏观信号 衰落）
? ③在微波信号的传播过程中,由于受地面或 水面反射和大气折射的影响,会产生多个经 过不同路径到达接收机的信号,造成多径衰 落（微观衰落）
合并技术的适用范围
? 合并技术是对应分集技术而言的，在接收端 取得M条相互独立的支路信号以后，把经过 相位调整和试验后的各分集支路信号相加， 从而获得分集增益。，在所有的使用分集技 术的时候，对应的需要应用到合并技术。
Hale Waihona Puke 合并技术的基本思想? 合并技术是指在接收端取得M条相互独立的 支路信号以后，对各支路信号进行相位调整 和时延，然后根据一定的条件，运用一定的 方式、手段对信号进行选择、合并，从而获 得分集增益。
均衡技术的基本思想
? 在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正 和补偿系统特性，减少码间干扰的影响，这种起补 偿作用的滤波器称为均衡器。均衡器通常是用滤波 器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决 器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或 者清除了码间干扰之后的样本。
? 自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某 种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化， 使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真 补偿性能。
信道编码技术的基本思想
? 信道编码常是以增加信息速率（即增加信号 的带宽）来获得增益的，编码的过程是在源 数据码流中加插一些码元，从而达到在接收 端进行判错和纠错的目的
移动通信——抗衰落技术
通信工程 2班 刘真伟、王道发、杨兴旺、李福、朱顺宝
通信中引起衰落的原因
? 衰落主要由多径干涉和非正常衰减引起。多 径干涉,即多条射线的相互干涉,是最常见的 也是最重要的衰落成因。
? 衰落是影响通信质量的主要因素。由于多径 衰落和多普勒频移的影响，移动无线信道极 其易变。这些影响对于任何调制技术来说都 会产生很强的负面效应。
各抗衰落技术如何的实现自身功能
? 分集接收技术 ? 合并技术 ? 均衡技术 ? 信道编码技术 ? 扩频技术
分集接收技术
? 所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个 衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进 行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。
? 分集：接收多路不相关的信号并合并。 ? 目标：对抗多径信道造成的衰落和延时串扰。 分集技术主要包含两方面： ? 如何获得独立的多路信号——分散传输 ? 如何合并独立的多路信号——集中处理
均衡技术的适用范围
? 由传输信道的频带有限造成的码间干扰
信道编码技术的适用范围
? 传统的信道编码技术适用于高带宽的通信系 统中，网格编码调制技术对信道带宽要求很 低，适用于窄带通信系统中，如蜂窝移动通 信系统。
扩频技术的适用范围
? 由于扩频调制使信号抗干扰能力强且隐蔽性 好，最初用于军事通信，后来由于其高频谱 效率带来的高经济效益而被应用到民用通信， 移动通信的码分多址就是建立在扩频通信的 基础上。而且还能有效的抑制窄带干扰。
扩频技术
? 扩频技术，它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；频带的展宽是通过编码及调制的方 法实现的，并与所传信息数据无关；在接收 端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及 恢复所传信息数据。
分集接收技术的基本思想
? 分集接收是通过多个信道（时间、频率或者 空间）接收到承载相同信息的多个副本，由 于多个信道的传输特性不同，信号多个副本 的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包 含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。 即将接收到的信号分成多路的独立不相关信 号，然后将这些不同能量的信号按不同的规 则合并起来
合并技术
? 分集在获得多个独立衰落的信号后，需要对 信号进行合并处理。利用合并器把经过相位 调整和延时后的各分集支路相加。接收端收 到M(M≥2)个分集信号后，如何利用这些信 号以减小衰落的影响，这就是合并问题。
均衡技术
? 数字通信系统中，由于多径传输、信道衰落 等影响，在接收端会产生严重的码间干扰 （ISI），增大误码率。为了克服码间干扰， 提高通信系统的性能，在接收端需采用均衡 技术。均衡是指对信道特性的均衡，即接收 端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用 来减小或消除因信道的时变多径传播特性引 起的码间干扰
? 对路径传输损耗，主要靠增大发射功率，以 提高接收信号的场强来解决。
常用的抗衰落技术有哪些？
? 分集接收技术 ? 合并技术 ? 均衡技术 ? 信道编码技术 ? 扩频技术
各抗衰落技术的基本思想
? 分集接收技术 ? 合并技术 ? 均衡技术 ? 信道编码技术 ? 扩频技术
各抗衰落技术的适用范围
? 分集接收技术 ? 合并技术 ? 均衡技术 ? 信道编码技术 ? 扩频技术
信道编码技术
? 编码技术分为信源编码和信道编码两大类，其 中信源编码是为了提高信息传输的有效性，而 信道编码，即差错控制编码，是为了提高信息
传输的可靠性 。
? 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在 传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生 图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以 通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的 处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能 力，可极大地避免码流传送中误码的发生。