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1、第3讲无线信道问题及解决2022/9/172022/9/171 1第1页，共30页，编辑于2022年，星期一信道特点l l信道建模信道建模l l路径损耗路径损耗l l对数正态衰落对数正态衰落l l瑞利衰落瑞利衰落l l衰落的特性衰落的特性l l时间相干性：快衰落和慢衰落时间相干性：快衰落和慢衰落l l频率相干性：频率选择性和平坦衰落频率相干性：频率选择性和平坦衰落l l空间相干性：空间相干性：l l大尺度衰落和小尺度衰落、移动衰落大尺度衰落和小尺度衰落、移动衰落2022/9/172022/9/172 2第2页，共30页，编辑于2022年，星期一信源发射机路径损耗大尺度阴影衰落接收机信宿多个独立
2、径（小尺度移动慢）衰落AWGN信道模型2022/9/172022/9/173 3第3页，共30页，编辑于2022年，星期一1212接收功率基站移动台距离平均路径损耗对数正态大尺度衰落瑞利小尺度衰落大尺度衰落容限 610dB小尺度衰落容限2030dB2022/9/172022/9/174 4第4页，共30页，编辑于2022年，星期一信道模型l l移动无线信道可以用移动无线信道可以用“路径损耗对数正态衰落多径路径损耗对数正态衰落多径/瑞利衰落瑞利衰落”来表征来表征l l“路径损耗路径损耗”问题在网络规划时解决，基带部分仅解问题在网络规划时解决，基带部分仅解决决“对数正态衰落、频率选择性和慢衰落对数
3、正态衰落、频率选择性和慢衰落”引起的问引起的问题题l l移动无线系统的基带信道建模成权值为独立的移动无线系统的基带信道建模成权值为独立的瑞利随机变瑞利随机变量的量的FIRFIR滤波器滤波器l l最常用的信道仿真方法分为频域和时域最常用的信道仿真方法分为频域和时域最常用的信道仿真方法分为频域和时域最常用的信道仿真方法分为频域和时域2022/9/172022/9/175 5第5页，共30页，编辑于2022年，星期一链路预算l l路径损耗路径损耗l l噪声系数噪声温度噪声系数噪声温度l l链路余量链路余量2022/9/172022/9/176 6第6页，共30页，编辑于2022年，星期一信道物理机制
4、：多普勒扩展l l收发机的相对运动导致信道的时变特性（多普勒扩展）l l从频域角度看，当信道衰落率大于码元速率时信道成为快衰落信道，否则成为慢衰落信道l l从时间角度看，信道相关时间大于码元时间时信道为慢衰落，否则称为快衰落）2022/9/172022/9/177 7第7页，共30页，编辑于2022年，星期一例子：两个具有不同多普勒频移的信号2022/9/172022/9/178 8第8页，共30页，编辑于2022年，星期一2022/9/172022/9/179 9第9页，共30页，编辑于2022年，星期一信道物理机制：多径（1）l l多径传播的时间扩散导致频率选择性衰落l l在时域上引入（基
5、带）码间干扰l l在频域上造成峰和谷2022/9/172022/9/171010第10页，共30页，编辑于2022年，星期一信道物理机制：多径（2）l l多径传播的多径传播的空间空间方向上的扩散引起空间选择性方向上的扩散引起空间选择性l l该选择性可用大尺度衰落和小尺度衰落共同描述该选择性可用大尺度衰落和小尺度衰落共同描述l l当收发机相对位移与载波波长可比时，称为小尺度当收发机相对位移与载波波长可比时，称为小尺度波动，用瑞利分布变量描述波动，用瑞利分布变量描述l l当收发机相对位移大于多个载波波长时，称为大当收发机相对位移大于多个载波波长时，称为大尺度波动，用对数正态分布变量描述尺度波动，用
6、对数正态分布变量描述l l对于对于移动移动无线信道，空间不相干性导致时间不相干性，无线信道，空间不相干性导致时间不相干性，即小尺度衰落造成移动无线系统的时间选择性即小尺度衰落造成移动无线系统的时间选择性2022/9/172022/9/171111第11页，共30页，编辑于2022年，星期一例子：两径信道2022/9/172022/9/171212第12页，共30页，编辑于2022年，星期一2022/9/172022/9/171313第13页，共30页，编辑于2022年，星期一衰落信道描述2022/9/172022/9/171414第14页，共30页，编辑于2022年，星期一基带频域基带频域Ra
7、yleighRayleigh衰落仿真衰落仿真2022/9/172022/9/171515第15页，共30页，编辑于2022年，星期一正弦波叠加的仿真模型2022/9/172022/9/171616第16页，共30页，编辑于2022年，星期一信道引起的问题l l由于信道衰落造成信号失真，系统性能可能达到不可减少的误比特率。此时，无论多大的Eb/No都无助于性能改善，唯一的方法是减少或消除失真l l一旦减少了信号失真，误比特率性能就可以转到瑞利界限曲线，从而可采用分集技术和纠错码进一步改善衰落的影响，使性能尽量达到AWGN系统2022/9/172022/9/171717第17页，共30页，编辑于2
8、022年，星期一2022/9/172022/9/171818第18页，共30页，编辑于2022年，星期一信道问题的一般解决方法l l抗失真抗失真l l抗频率选择性失真抗频率选择性失真l l均衡、均衡、RAKE+RAKE+信道估计（扩频信号导频信号）、信道估计（扩频信号导频信号）、OFDMOFDMl l快衰落快衰落l l非相干或差分相干方式的稳健调制、纠错编码降低对非相干或差分相干方式的稳健调制、纠错编码降低对E Eb b/N/N0 0的要求、多的要求、多相滤波均衡相滤波均衡l l抗抗SNRSNR损耗（单个可分辨径慢衰落、损耗（单个可分辨径慢衰落、AWGNAWGN）l l交织和纠错编码交织和纠错
9、编码l l分集分集l l抗衰落抗衰落l l利用加性独立（不相关）的信号来提高信号信噪比利用加性独立（不相关）的信号来提高信号信噪比l l实现代价较低实现代价较低2022/9/172022/9/171919第19页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中信道问题的解决l l为对抗频率选择性和慢衰落l l为对抗频率选择性和慢衰落，在信道估计基础上，用RAKE接收机进行分集接收l l为对抗慢衰落，用快速功控缓解信号功率问题l l采用交织、差错编码、ARQ增加信号冗余度和（时间分集）2022/9/172022/9/172020第20页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中信号干扰
10、特点l l上行链路的不同用户信号的到达时间不同，靠扩频码的部分相关上行链路的不同用户信号的到达时间不同，靠扩频码的部分相关隔离不同用户的信号；下行链路的同基站用户采用正交的隔离不同用户的信号；下行链路的同基站用户采用正交的OVSFOVSF码隔离；不同基站用户采用扰码隔离（码分多址码隔离；不同基站用户采用扰码隔离（码分多址CDMACDMA）l l扩频信号在可分辨的时刻到达接收机，如扩频信号在可分辨的时刻到达接收机，如WCDMAWCDMA是是78m78m、CDMA2000CDMA2000是是244m 244m，使，使RAKERAKE接收机成为可能接收机成为可能l lCDMACDMA系统中的主要干扰
11、为多址干扰系统中的主要干扰为多址干扰l l多径信号造成各码道不正交（上下行都存在）多径信号造成各码道不正交（上下行都存在）l l邻小区下行发射信号对当前小区下行信号的干扰邻小区下行发射信号对当前小区下行信号的干扰l l与前端热噪声相比，其他用户信号很强与前端热噪声相比，其他用户信号很强l l用户与基站距离不同导致的路径衰耗不同，加上多址干扰的存用户与基站距离不同导致的路径衰耗不同，加上多址干扰的存在，共同引起远近效应在，共同引起远近效应2022/9/172022/9/172121第21页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中解决信号问题的主要技术l lRAKERAKE接收机接收机l
12、 lChipChip均衡器干扰抵消器均衡器干扰抵消器l l远近效应（上行）、小区边缘强干扰（下行）要求精确功控远近效应（上行）、小区边缘强干扰（下行）要求精确功控l l软切换和更软切换软切换和更软切换l l20%20%40%40%的连接发生在小区的连接区、的连接发生在小区的连接区、5%5%15%15%的连接发生在的连接发生在扇区间扇区间l l对于下行来讲，有效利用多基站发射信号对于下行来讲，有效利用多基站发射信号l l（对邻小区）远近效应要求（对邻小区）远近效应要求2022/9/172022/9/172222第22页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中Rake接收技术（1）l l
13、Bello在1963年针对衰落现象提出的宽平稳不相关散射概念（WSSUS）2022/9/172022/9/172323第23页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中Rake接收技术（2）u 利用宽带信号的高分辨率分离多径信号u通过导频信道估计信道系数u将每个径上的相关接收机输出进行相位/幅度（最大比）合并，并送给解码器u多径引起的多址干扰，由扩频比抑制u比均衡接收计算量小（1G左右）u 在切换区接收多个基站信号进行分集合并u相邻基站采用相同载频u不同PN码偏移区分不同基站信号u可进行不同基站的信道估计u从而实现软切换（不间断通信）2022/9/172022/9/172424第24页
14、，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中的软切换和更软切换技术l l特点l l移动台和基站同时通过多条空中接口信道通信l l二者异同点uu移动台侧类似uu软切换时上行信号在RNC进行选择性合并，且有两个功控环路uu更软切换时，上行信号送入基站的同一基带RAKE接收机进行合并，仅有一个功控环路2022/9/172022/9/172525第25页，共30页，编辑于2022年，星期一2022/9/172022/9/172626第26页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA系统中的功率控制技术u开环功率控制技术u利用下行信号功率，预测路径损耗，计算发送功率uFDD方式时，上下行频段不同
15、，误差大u 闭环功率控制u对上行信号的接收信干比进行实时计算，产生功率控制比特发到移动台控制其发射功率u需要占用信道资源，存在反应时间问题u对不同类型的信道所需信干比不同（导致采用外环功控）u 外环功率控制u补偿环境变化和速度变化引起的慢衰落u根据实测误帧率实时改变功控门限2022/9/172022/9/172727第27页，共30页，编辑于2022年，星期一CDMA的特点总结l l处理增益（以增加带宽为代价）使小区间的频率复用因子为1（一个频率用于每个小区/扇区）l l多个用户的多址干扰被平均，按干扰规划比按尺度（时间、频率）规划有更大的容量l lPN序列的相关特点导致了远近效应等副作用，从
16、而需要精确功控和软切换技术l l多径分辨能力，可采用RAKE接收机，扩频/解扩要求相干检测2022/9/172022/9/172828第28页，共30页，编辑于2022年，星期一“宽带”的三种含义l l射频工程中，描述的是信息带宽与载波频率的相对大射频工程中，描述的是信息带宽与载波频率的相对大小：如果其比值与小：如果其比值与1 1相比小很多，称为宽带系统相比小很多，称为宽带系统l l模拟调频中，描述的是调制方式的一种属性：如果调制模拟调频中，描述的是调制方式的一种属性：如果调制带宽大于调制信号的带宽，称为宽带调频带宽大于调制信号的带宽，称为宽带调频l l数字无线通信系统中，系统带宽与信道传递函
17、数相数字无线通信系统中，系统带宽与信道传递函数相比，如果传递函数在系统带宽范围内有明显变化比，如果传递函数在系统带宽范围内有明显变化（频率选择性信道），称该系统是宽带系统（频率选择性信道），称该系统是宽带系统l lCDMACDMA系统包含了后两种含义系统包含了后两种含义2022/9/172022/9/172929第29页，共30页，编辑于2022年，星期一参考资料l lGregory D.Durgin，空时无线信道，西安交通大学出版社 l lBernard Sklar，数字通信基础与应用（第二版），电子工业出版社l lHolma,H.，Toskala,A.，WCDMA技术与系统设计，机械工业出版社2022/9/172022/9/173030第30页，共30页，编辑于2022年，星期一