移动通信-抗衰落技术-20110536-周延文.docx

安徽财经大学
（《移动通信》课程论文）

抗衰落技术

学 院：管理科学与工程学院
专 业：电子信息工程
姓 名：周延文
学 号：20110536
任课教师：许晓丽
论文成绩：

2014年10月

卫星移动系统抗衰落技术

摘要:卫星通信以其覆盖面广，通信容量大、经济效益高等优点，已经运用到各个领域，如:军事、气象、海洋、科研、广播等。卫星通信也有其固有的缺点，即除了自由空间造成的传输损耗外，受大气层的影响较大。所以要采取一定的技术手段来克服大气层对信号造成的这种损耗。本文就大气层对信号造成的衰落做了详细的分析，并研究了抗衰落的技术措施。
关键词:卫星通信;信道衰落;抗衰落
1.引言
卫星通信以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优和经济效益高等特点，受到人们的关注，并迅速发展，与光纤通信、数字微波通信一起成为现代远距离通信的支柱。虽然地面宽带网络技术日新月异，但是它只能让经济发达、人口密集的城市地区的人们享受宽带服务，而对于农村、人烟稀少地区和经济落后的地区，仅靠地面网络是无法经济有效地提供宽带服务的。卫星作为惟一能够实现全球无缝隙覆盖的通信手段，其作用无可替代。
卫星通信现在已经应用到各个领域，按其业务种类可分为:商用卫星、军用卫星、气象卫星科研卫星、广播卫星等。目前卫星研究的热点和趋势是移动卫星通信和宽带通信。
然而卫星通信信道复杂，多径传播、多普勒频移、电离层闪烁、信道中不同媒质对电波产生的漫射与散射、遮蔽效应等，都将导致接收点的信号强度随时间随机地或慢地发生变化，亦即信号产生了衰落。
卫星移动通信信道是典型的衰落信道，在不同的环境中通常被表述为Rayleigh衰落Rician衰落和遮蔽Rician衰落。信号的衰落会降低信号的接收质量，严重时可能导致通信中断，常用的抗衰落技术主要有:分集抗衰落技术、自适应均衡抗衰落技术、编码抗衰落技术等。
2.分集接收抗衰落技术
分集技术(Diversity Techniques)的基本思想是利用分散传输和集中处理来降低多径衰落的影响，进而改善传输的可靠性，分集技术的要求使各衰落信号间不相关或相关性很小。
2.1分集信号的产生方法
理论研究表明，衰落具有时域、空域和频域的独立性，接收端可在空域、时域和频域得到互不相关的衰落信号。实现分集的方式有以下几种:
（1）空间分集(Space Diversity)

接收端在不同地点接收互相独立的多径信号，可通过发端采用一副发射天线，收端采用多副接收天线来实现。由于低轨卫星同时配置多副收、发天线比较困难，Sendonaris[2]等人提出了一种新的空间分集技术—协作分集技术，该技术使多个具有单天线的移动终端互为协作伙伴共享彼此的天线，以获得等效多天线系统带来的分集增益。
如图1所示，用户信号一方而可以直接到达接收端，另一方而可以通过协作后再到达接收端，在接收基站形成分集接收信号。文献[3]提出将协作分集技术应用在低轨卫星移动通信系统用户下行链路(卫星和终端用户之间的通信链路)中以减小信道衰落的影响，通过仿真结果证明了协作分集技术相对于传统无协作系统有较大的性能优势。
从图2可以看出，在同等误码条件10-4下，Rayleigh衰落信道协作误码率比无协作时提高大约11 dB，在Rician衰落信道下协作误码率比无协作时提高
2dB。

（2）频率分集((Frequency Diversity)

频率分集在发送端用多个载波发送携带相同信息的信号，相邻载波之间的间隔应大于信道的相关带宽，频率分集是克服频率选择性衰落的有效途径。时频调制技术[4]叮SK, Time- frequency shift keying)将时移键控（TSK)和频移键控（FSK）组合起来，是目前广泛采用的抗衰落和抗多径技术之一，时频调制信号按一定的规则在一个或一组二进制符号的不同时隙发射不同频率信号来实现信号传输。
尽管，时频调制方式有较好的抗衰落和抗多径性能，但是调制后的分集信号频谱展宽，宽度与分集重数成正比，尤其在多重频率分集和传输速率较高时，实现困难。文献[s]提出了正交调幅相加法、正弦调相法、线性调频法等几种利用恒幅多频载波来实现频率分集的方法避免了非恒幅多载波的功率分散以及时频调制载波频谱展宽的特点，使得调制后的分集信号具有恒幅特性和较高的频谱利用率，适用于多重频率分集的通信系统。
（3）时间分集(Time Diversity)
时间分集将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的快衰落、慢衰落，其缺点是浪费时间资源。由于时间分集的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是有用处的。
（4）极化分集(Polarization Diversity)
极化分集是指发送端用两个正交极化波发射，接收端用两个正交极化的天线接收。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例，其分集支路只有两路。文献[6]的实验和仿真结果说明了在提高信道容量和通信性能方而极化分集和空间分集具有相同的效果。
2.2分集信号的合并技术
任何一种分集方式，接收机都必须将收到的互不相关的M条路径的衰落进行合并，并通过合并技术得到抵消了衰落的信号，从而获得分集增益。对于具体的合并技术可分为选择式合并、最大比合并、等增益合并和开关式合并。
选择式合并是从M 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出;而最大比合并是将M个接收信号的平方按不同的系数进行加权，加权系数与接收信号的强度A;成正比而与噪声功率N,成反比，信噪比越大的支路对最终接收信号的贡献越大;最大比合并可以获得较高的分集增益，但实现加权系数的调整需要付出较高的代价;等增益合并是将M个接收信号按相同的系数进行加权后输出，其合并性能仅次于最大比合并，但易于实现，因此应用较多。开关式合并是接收机将接收的信号的瞬时包络与预定的开关门限相比较来选择哪一条支路接收。
2.3 RAKE接收机
Rake接收机的原理是在每条路径采用一个相关接收机，与同一期望信号的多径分量之一相关，根据每个相关输出的相对强度加权后合成一个输出，加权系数的选择原则一般是使得输出信噪比最大。其理论基础是当传输时延超过一个码片周期时，多径信号可以看成是互不相关的，因此，传统的Rake接收机在多径时延大于码片间隔情况下分离多径信号，在通过合并来改善接收端的信噪比性能。
Rake接收机利用多径来增强信号，将扩频信号设计与Rake接收的信号处理结合在一起，并通过扩频信号的设计在接收端将各条路径信号加以分离，再利用Rake接收机将被分离的各个路径信号相位校准，幅度加权，将矢量和变成代数和，从而加以充分利用。
从图3可以看出，不同合并方式的分集效果是不同的，最大比合并性能最好，但最复杂;选择式合并性能最差，但最简单，两者性能相差1.5dB。
从图4可以看出在使用合并技术中采用的分集重数越多，性能效果越好，说明Rake分集接收能有效地克服多径衰落的影响，降低误码率。
在低轨卫星低仰角通信时，通常利用高增益扩频技术来消除多径衰落和干扰，因此，需要对长周期扩频序列进行捕获，文献[7]提出了一种基于并行数字匹配滤波器组的Rake接收机，并对其在瑞利衰落信道中的性能进行了分析。该接收机能在确保对长扩频码的整周期自相关的基础上，对各多径信号进行最大比合并，提高了信噪比，有效地对抗衰落。
3.自适应均衡抗衰落技术
均衡是一种改造信道的手段，自适应均衡则是根据无线信道的时变多径传播特性引入的码间干扰，自适应地进行补偿，使其接近不失真传输要求。均衡器从理论上可以分为线性和非线性，线性均衡一般适用于信道畸变不大的场合，对深衰落的均衡能力不强;非线性均衡器可用于高速数据在严重畸变信道上传输。
3.1线性均衡器
线性均衡结构相对简单，常用于信道失真不十分严重的情况下，由于线性均衡器受频率选择性衰落的影响，性能一般，往往需要和其他技术结合起来使用。
线性均衡器可以用FIR滤波器实现，也称横向滤波器。常用自适应算法来调整滤波器的抽头系数，主要有以最小峰值畸变为准则的迫零算法、以最小均方误差为准则的均方误差算法(即LMS算法),RLs算法及它们的各种改进算法。
由图5可见，采用了基于LMS算法的自适应均衡器可以较大地降低误比特率，因此性能较好。

文献[8]提出了一种基于 Laguerre滤波器结构的衰落信道自适应均衡的新方法。由于Laguerre滤波器同时具有FIR和IIR结构的特点，在信噪比低、信道多径条件复杂的情况下，可以获得比通常的线性自适应均衡器和判决反馈均衡器(DFE)更好的抗符号间干扰的效果。
3.2非线性均衡器
目前的非线性均衡器主要包括两大类:一类是基于最小序列误差概率准则的最大似然序列估计接收机(MLSE);另一类是判决反馈均衡器O)FE, Decide Feedback Equalization)。前者性能最优，但是其复杂度随着多径干扰符号长度的增长而呈级数性增长，后者由前馈滤波器和反馈滤波器两部分组成，可通过多种方式实现。
(1)坚决反馈均衡器
在判决反馈均衡器中，均衡信号的输出是前向滤波器和反向滤波器两部分之和，均衡后的判决信号再反馈到反向滤波器中，其基本思想是:如果检测信号已知(假设过去的判决是正确的)，那么通过从均衡器输出中减去过去符号值与适当权重的乘积，这些符号中的码间干扰可以完全消除。
文献[9]针对传统判决反馈均衡器设计所用的误差函数在信号星座图点的周围发生跳变而引起误码率增大的的情况提出了一种新型的判决反馈均衡器，该均衡器通过修改误差函数，以平滑的误差函数取代有跳变点的误差函数，从而得到性质更好的代价函数，通过求代价函数的最优解，就得到了新的基于最小二乘的自适应判决反馈均衡器(NDFE)。
(2)最大似然序列估计接收机
NIL,SE均衡器中信道预测期通常是一个具有可调增益抽头的FIR横向滤波器，可用梯度LMS算法或快速收敛的RLS算法来调节其抽头增益。这些估计值为维特比算法提供需要的参数。在维特比算法中，除了需要信道特性的有关参数外，还需要干扰信号的噪声统计分布参数。因此，噪声的统计分布特性决定着接收信号的最佳解调形式

文献[10]在加性高斯白噪声信道下研究了判决反馈均衡器(DFE)和最大似然序列估计(MLSE)均衡器，在DFE和线性均衡器(LE)中都是使用递归最小二乘(RLS)算法和最小均方(LMS)算法对数据进行分块处理，而在MLSE均衡器中使用了维特比最佳译码算法。
通过图6比较可得，判决反馈均衡器(DFE)消除码间干扰的性能好于线性均衡器LE，而最大似然序列估计(MLSE)均衡器的性能更是优于DFE，在误比特率为10-2时，MLSE对于DFE均衡器有大约3.5dB的性能提升，代价是计算量增加和跟踪时间的延长。
4．编码抗衰落技术
4.1交织技术
卫星移动信道的衰落特性会导致较长的突发误码，能够有效地纠检突发差错的编码方式是交织编码。交织技术将数据按照一定规则打乱，把原先聚集成片的误码分散，使得突发错误转化为随机错误，使错误码字个数在纠错码的纠错范围内，接收端就可以用较短的码字进行纠错。在发端，交织编码在分组编码或卷积编码之后进行，在收端，先解交织，然后再进行纠错检错译码。
4.2空时分组码
空时分组编码(Space-TimeBlockCode ,STBC)在空间上采用多发多收天线的空间分集，在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收，是空间传输信号和时间传输信号结合的二维处理方法。
由于卫星移动通信信道中存在由直射分量和大量散射分量的和组成的服从Rician分布信号，因此，文献[l l]在对瑞利衰落条件下正交空时分组码研究的基础上，分析了在Rician衰落信道下的性能，并推广到高阶调制下对各信道中码的性能进行比较。研究表明，采用STBC在各衰落信道中传输信号，增加发送天线和接收天线都能有效地改善系统的差错性能，且对Rician衰落信道的传输性能比Rayleigh衰落信道要好。但对于发射天线来说，当发送天线数增多到一定值，系统的差错性能没有明显改善。
4.3网格编码调制
网格编码调制技术(Trellis Coded Modulation, TCM)突破了传统的调制和编码相互独立的模式，将两者作为一个整体来考虑。编码器对信号点编码，引入信号冗余使得自由距离最大。
文献[12]在AWGN信道中对8PSK- TCM与4PSK,8PSK的性能进行了仿真和比较，在信噪比一定的条件下8PSK- TCM相比于其他两种调制方式可获得更低的误码率，在不增加信道带宽、不降周期，通过一些EDA工具进行充分的功能仿真和时序仿真，使一些设计缺陷去除在设计早期，从而提高了产品的可靠性
在AWGN信道下，借用Turbo码的强纠错性能，将Turbo码和TCM技术有机结合起来所取得的性能是非常有效的，研究表明Turbo- TCM性能明显优于常规的TCM，代价是编码调制和译码解调的复杂性增加[13]。经过多年的研究，基于该技术的V.34建议得到了国际电信联盟ITL]的通过，其理论和应用趋于成熟。TCM技术以其能充分利用频率资源的特点在未来高速数据传输、移动通信及卫星通信领域中有着良好的发展前景。

5.结论
本文针对卫星移动通信复杂的信道条件下存在的衰落特性，综述了分集接收抗衰落技术、自适应均衡抗衰落技术、编码抗衰落技术等，结合研究现状进行分析比较，总结了相应的抗衰落性能。而且，通过这次论文的撰写，让我了解到了卫星通信出现信号衰落的原因，同时通过上网查询资料获知了目前常用的几种抗衰落技术。这些技术在用来改进接收信号质量时，即可单独使用，也可以组合使用。但在实际应用中，每种技术在实现方法、所需费用和实现效率等方面具有很大不同。所以我们在实际应用中必须得权衡这两方面的因素才能是这些技术得到更加广泛的应用，这必将成为我们下一步努力和奋斗的目标！

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