第11章多信道协同传输技术 第11章多信道协同传输技术 主委内容： ·信道复用 ·分集传输 ·OFDM技术 ·CWTDM技术 ·RAKE接收 ·MMO系统 多信道协同通信的两个目的： ,为了多路通信的业务调配服务 >在恶劣信道条件下改善传输性能 11.1信道复用与分集传输的意义 11.1.1信道复用 信道复用也称多路复用，是将一条信道用来传输多路数字调制信号的技术。这里的信 道指的是连续信道，或更具体的说是波形信道；一条信道指的是一个发射嘴与另一个接收 端之间的传输通道。 ◆信道复用的基本方式 频分复用(FDM、时分复用(TDM、空分复用(SDM)和码分复用(CDM) ·这几种方式还可以进行组合，以便扩展总的子信道数或提供应用灵活性和 传输效率。例如：将FDM、TDM与CDM组合起米运用，将总的信道频带划分为N, 个子带，每个子带中的一顿时间划分为N,个时隙，每个时隙传输N,个CDM通道， 那么就可以实现N,×N2×N,路信号的信道复用。 ■信道复用传输的多路信号有可能确实是多个不同的数据流，它们经信道复用方式传输到 接收端后可以方便地相互分离，这是为多路业务调配服务的。 ·信道复用传输的多路信号也有可能本来是一个数据流，为了改善传输特性而人为地将它 们分成多个较低速率的数据流，分别调制成数字调制信号，通过人为地构造的多条子信 道分别地同时进行传输。 西安电子科技大学
第 11 章 多信道协同传输技术 西安电子科技大学 1 第 11 章 多信道协同传输技术 主要内容： z 信道复用 z 分集传输 z OFDM 技术 z CWTDM 技术 z RAKE 接收 z MIMO 系统 多信道协同通信的两个目的： ¾ 为了多路通信的业务调配服务 ¾ 在恶劣信道条件下改善传输性能 11.1 信道复用与分集传输的意义 11.1.1 信道复用 信道复用也称多路复用，是将一条信道用来传输多路数字调制信号的技术。这里的信 道指的是连续信道，或更具体的说是波形信道；一条信道指的是一个发射端与另一个接收 端之间的传输通道。 信道复用的基本方式： 频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)和码分复用(CDM) 这几种方式还可以进行组合，以便扩展总的子信道数或提供应用灵活性和 传输效率。例如：将 FDM、TDM 与 CDM 组合起来运用，将总的信道频带划分为 N1 个子带，每个子带中的一帧时间划分为 N2 个时隙，每个时隙传输 N3个 CDM 通道， 那么就可以实现 N1× N2 × N3路信号的信道复用。 信道复用传输的多路信号有可能确实是多个不同的数据流，它们经信道复用方式传输到 接收端后可以方便地相互分离，这是为多路业务调配服务的。 信道复用传输的多路信号也有可能本来是一个数据流，为了改善传输特性而人为地将它 们分成多个较低速率的数据流，分别调制成数字调制信号，通过人为地构造的多条子信 道分别地同时进行传输
第11章多信道协同传输技术 11.1.2分集传输的意义 令分集传输主要是用来克服衰落信道的传输特性的。 ◇所谓分集传输是指将同一个数据流的数字调制信号同时通过多条信道传输 到接收端，将接收信号中表示同一符号的多路信号的特征矢量合并为一个 后再进行符号判决， ◇分集二字的含义可以理解为分散地传输、集中后判决的意思。 ◇要想通过分集传输获得信噪比增益（即分集增益），最重要的条件是各条子 信道应该是互不相关的。在平坦慢衰落信道下，通过分集可以使得系统性 能逼近AWGN信道下的性能。 ◆平坦瑞利衰落对比特误码特性的影响： 设接收信号的信噪比都为SNR>1,则在瑞利衰落和理想AWGN信道条件 下各种不同调制方式传输的误码特性都有明显劣化的现象：见如下图和表。这是 因为经衰落信道传输后的信号，其幅度变为瑞利分布随机变量。 1 信道 平坦瑞利衰落 理想AWGN信道 调制体制、 P(BER) 二进制正交 1 波形调制 Q(SNR/2) 2(1+SNR) BPSK相干解调 4SNR Q(V2SNR) QPSK相干解调 (2EIN) 2SNR 4-PAM 5 4SNR 16-QAM 5 2SNR 西安电子科技大学 3
第 11 章 多信道协同传输技术 西安电子科技大学 2 11.1.2 分集传输的意义 分集传输主要是用来克服衰落信道的传输特性的。 所谓分集传输是指将同一个数据流的数字调制信号同时通过多条信道传输 到接收端，将接收信号中表示同一符号的多路信号的特征矢量合并为一个 后再进行符号判决； 分集二字的含义可以理解为分散地传输、集中后判决的意思。 要想通过分集传输获得信噪比增益(即分集增益)，最重要的条件是各条子 信道应该是互不相关的。在平坦慢衰落信道下，通过分集可以使得系统性 能逼近 AWGN 信道下的性能。 平坦瑞利衰落对比特误码特性的影响： 设接收信号的信噪比都为 SNR>>1, 则在瑞利衰落和理想 AWGN 信道条件 下各种不同调制方式传输的误码特性都有明显劣化的现象;见如下图和表。这是 因为经衰落信道传输后的信号，其幅度变为瑞利分布随机变量。 \ 信道 调制体制 \ 平坦瑞利衰落 Pe 理想 AWGN 信道 Pb (BER) 二进制正交 波形调制 1 2(1 ) + SNR Q SNR ( /2) BPSK 相干解调 1 4SNR Q SNR (2 ) QPSK 相干解调 1 2SNR 0 (2 / ) Q EN b 4-PAM 5 4SNR 0 3 4 ( ) 4 5 Eb Q N 16-QAM 5 2SNR 0 3 4 ( ) 4 5 Eb Q N
第11章多信道协同传输技术 10-2 10 Pe 10-10 10-2 10-4 10-120 .10 0 SNR (dB) 0 11.2分集传输 11.2.1多信道分集传输中的合并方法 ·研究分集合并方法的意义 虽然分集传输主要是用来改善衰落信道传输特性的，但是在某些场合的分 集传输并不是人为专门设计而成的，而是传输信道和接收信号处理方法自然形 成的内在特性；例如：在多输入多输出系统、或宽带频率选择性衰落信道的传 输中，就常常隐含了多个子信道分集传输的现象：其中分集合并方法也因为不 是专门选定的最佳方法，能否获得分集增益，如何获得最大分集增益，需要进 行研究和改进。因此分析各种分集合并方法的性能特点，具有重要意义：我们 在第10章中发现了信道匹配滤波具有对多径信号分量进行同相最大比合并作 用，正是这样的研究所得到的收获。 ·多条独立子信道分集传输合并的模型假定 假定分集传输系统中各条子信道是相互独立的平坦慢衰落AWGN信道： 设各信道同时基于M进制数字调制方式传输同一个数据符号序列化，片，： 设第n路发送信号的复数形式为 5)=50e n=01,2,.,L-1 (11.2-1a 其中 50=8-iD n=0,l2,.,L- (112-1b) 西安电子科技大学 3
第 11 章 多信道协同传输技术 西安电子科技大学 3 11.2 分集传输 11.2.1 多信道分集传输中的合并方法 z 研究分集合并方法的意义 虽然分集传输主要是用来改善衰落信道传输特性的，但是在某些场合的分 集传输并不是人为专门设计而成的，而是传输信道和接收信号处理方法自然形 成的内在特性；例如：在多输入多输出系统、或宽带频率选择性衰落信道的传 输中，就常常隐含了多个子信道分集传输的现象；其中分集合并方法也因为不 是专门选定的最佳方法，能否获得分集增益，如何获得最大分集增益，需要进 行研究和改进。因此分析各种分集合并方法的性能特点，具有重要意义；我们 在第 10 章中发现了信道匹配滤波具有对多径信号分量进行同相最大比合并作 用，正是这样的研究所得到的收获。 z 多条独立子信道分集传输合并的模型假定 假定分集传输系统中各条子信道是相互独立的平坦慢衰落 AWGN 信道； 设各信道同时基于 M 进制数字调制方式传输同一个数据符号序列 012 {, ,} vvv " ； 设第n路发送信号的复数形式为 c j , ( ) ( )e t n ln t t ω s s = n L = 0,1,2, , 1 " − (11.2-1a) 其中 , 0 () ( ) ln i i t g t iT ∞ = s v = − ∑ n L = 0,1,2, , 1 " − (11.2-1b)
第11章多信道协同传输技术 ,∈{m,m=0l,2,M-1,即第1个符号的特征矢量y属于M种符号的基准矢量 之一。经这L条信道传输到接收端，设接收到的L个零中频复信号为 0=dc.5n0+,0）n=0L,2.,L-1 (11.2-2 其中”，)是第n条信道引入的均值为零、方差为。加性高斯白噪声：假定复增 益因子G,a,ca为均值非零、方差明显小于。2的复高斯随机变量。 对于同样的发送信号经不同子信道传输到接收端进行合并，当然应该在时 间上实现符号同步再加权合并。因此，要分析各种分集合并方法的信噪比增益， 只需要分析任意某个发送符号矢量，所对应的L个接收符号矢量进行加权合 并的信噪比增益。对于任意一个符号，L条信道传输简化表示为 =Gv+m n=0,12.,L-1 (11.2-4b) 设各子信道的。及发送符号矢量，的能量E,都相同，则各路信号的信噪比应为 .-IG.F n=0,12.,L-1 (11.2-5) 设合并时各路的加权值为复数{”，n=0,12,.,L-1,则进行加权合并的通式应为 -网 (11.2-6) ·下面分别讨论各种（共6种）不同的加权合并方式及其分集增益。 (①)等比合并法及其分集增益 等比合并中各个权值的幅度平方都相等，即1w,P=1L,n=0,1,2,L-1。根 据相位特性的不同，等比合并分为以下三种情况。 ①等比同相合并 G w.-G.IJL 等比同相合并的表达式为 -乐 (11.2-7) 其中各权值的模相等，即wP=1/L,而其相位因子G。八G=©的作用是使各路 西安电子科技大学
第 11 章 多信道协同传输技术 西安电子科技大学 4 i v ( ) { , 0,1,2, , 1} m ∈= − v m M " ，即第i 个符号的特征矢量 i v 属于 M 种符号的基准矢量 之一。经这 L 条信道传输到接收端，设接收到的 L 个零中频复信号为 j( ) 0, , () e () n n t n n ln ta t Δ + ω φ r s = + ( ) n η t n L = 0,1,2, , 1 " − (11.2-2) 其中 ( ) n η t 是第 n 条信道引入的均值为零、方差为 2 σ 加性高斯白噪声；假定复增 益因子Gn j( ) e n n t n a Δ + ω φ 为均值非零、方差明显小于 2 σ 的复高斯随机变量。 对于同样的发送信号经不同子信道传输到接收端进行合并，当然应该在时 间上实现符号同步再加权合并。因此，要分析各种分集合并方法的信噪比增益， 只需要分析任意某个发送符号矢量v 所对应的 L 个接收符号矢量 ˆn v 进行加权合 并的信噪比增益。对于任意一个符号v ，L 条信道传输简化表示为 ˆn v = ˆGn v +ηn n L = − 0,1,2, , 1 " (11.2-4b) 设各子信道的 2 σ 及发送符号矢量v 的能量 Es 都相同，则各路信号的信噪比应为 n γ = 2 2 ˆ | | s n E σ G n L = 0,1,2, , 1 " − (11.2-5) 设合并时各路的加权值为复数{ wn , n L = 0,1,2, , 1 " − }，则进行加权合并的通式应为 vˆ = 1 0 ˆ . L n n n − = ∑v w (11.2-6) z 下面分别讨论各种(共 6 种)不同的加权合并方式及其分集增益。 (1) 等比合并法及其分集增益 等比合并中各个权值的幅度平方都相等，即 2 | | wn =1/ L ，n L = 0,1,2, , 1 " − 。根 据相位特性的不同，等比合并分为以下三种情况。 ① 等比同相合并 wn = ˆ * ˆ | | n n L G G 等比同相合并的表达式为 vˆ = 1 0 ˆ L n n n − = ∑v w = 1 * 0 ˆ ˆ ˆ | | L n n n n L − = ∑ G v G (11.2-7) 其中各权值的模相等,即| wn | 2 =1/ L ,而其相位因子 ˆ ˆ * /| | G G n n = j ˆ e− ϕn 的作用是使各路
第11章多信道协同传输技术 有用信号的相位旋转到相同的角度。于是·的均值为 的-艺贼立是6 z26世26l 等比合并所得的方差仍为。于是的信噪比为 其中，1GP1o2=y,于是合并后信号的信噪比为： 学数阿 e-空cr2 (11.2-8) -0期 当各路信号的信噪比，都相等时，等比合并所得信号的信噪比为y=L以. ②等比随机相位合并：w,=1/N厂 -公品 (11.2-9) 等比随机相位合并所得信号的信噪比，为各路信号信噪比倒数之和的倒数： (11.2-10) 显然，y一般都小于{。}中的最大值：因此分集传输的特性还不如选择信噪比最 高的一条子信道进行传输， ③等比平方律合并 等比平方律合并是对于非相干解调信号进行分集传输的合并，其表达式为 A=24 (11.2-11) 下面估计它的分集增益。 西安电子科技大学
第 11 章 多信道协同传输技术 西安电子科技大学 5 有用信号的相位旋转到相同的角度. 于是vˆ 的均值为 1 1 * * 0 0 ˆ ˆ 1 1 [( ) ] ˆ [] [ ] ˆ ˆ ˆ ˆ || || L L n nn n n n n n n E E E L L − − = = + = = ∑ ∑ G v η G v vG G G 1 1 * * 0 0 ˆˆ ˆ 1 1 [ ] () ˆ | | ˆ | | L L nn n n n n n n E E L L − − = = + = = ∑ ∑ GGv G η v G G 等比合并所得vˆ 的方差仍为 2 σ 。于是vˆ 的信噪比为 2 2 2 1 1 2 22 0 0 | [ ]| 1 1 1 ˆ ˆ ˆ || || L L n n n n E L L γ σ σσ − − = = ⎡ ⎤ ⎡⎤ == = ⎢ ⎥ ⎢⎥ ⎣ ⎦ ⎣⎦ ∑ ∑ v vG vG 其中， 2 22 ˆ | || | / v Gn σ = n γ ，于是合并后信号的信噪比为： γ = 1 11 0 00 1 L LL n nk n kn k n L γ γ γ − −− = == ≠ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ + ⎣ ⎦ ∑ ∑∑ 2 2 2 1 1 11 2 2 2 0 0 00 || || ˆ ˆ ˆˆ | | | | | || | L L LL n n nk n n kn k n L L σ σ − − −− = = == ≠ ⎡ ⎤⎡ ⎤ = =+ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ∑ ∑ ∑∑ v v G G GG (11.2-8) 当各路信号的信噪比 n γ 都相等时，等比合并所得信号的信噪比为γ = L n γ 。 ② 等比随机相位合并: wn =1/ L vˆ = 1 0 ˆ L n n n − = ∑v w = 1 0 ˆ L n n L − = ∑ v (11.2-9) 等比随机相位合并所得信号的信噪比，为各路信号信噪比倒数之和的倒数： γ = 1 1 1 0 L n n γ − − − = ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ∑ (11.2-10) 显然，γ 一般都小于{ n γ }中的最大值；因此分集传输的特性还不如选择信噪比最 高的一条子信道进行传输。 ③ 等比平方律合并 等比平方律合并是对于非相干解调信号进行分集传输的合并，其表达式为 Rˆ = 1 2 0 | | ˆ L n n n − = ∑ v w = 1 2 0 | | ˆ L n n L − = ∑ v (11.2-11) 下面估计它的分集增益