移动通信-Ch3-技术基础

这一章有笔记是因为院长w来听课了，所以写笔记还容易一点→_→….

无线信道的性质

信道均衡准则

在信号经过非理想信道时，会产生

下图就展示了信道(红色)，Zero-forcing equalizer（蓝色），Minimum mean squared error (MMSE) equalizer（绿色）的频响。可以看到，大体趋势上均衡器与信道频响相反。

均衡器通常加在接收端滤波器后，如下图所示

错误控制编码

错误控制编码可以大体上分为两类：

• Forward error-correction (FEC)：前向纠错
• Automatic-repeat request (ARQ)：错误重传

FEC

工作原理：

1. 发送端在每段数据中添加冗余的bit, 这些比特通过某些算法与数据比特关联，称为前向纠错码
2. 接收端根据收到的数据重新计算冗余比特
3. 如果受到的纠错码无法匹配，则出现错误，尝试通过冗余比特逆向计算纠错。

FEC还可分为 块码(block codes) 和 卷积码(convolutional codes) 。

块码

对于块码而言，有编码率(code rate) 一概念：

$$code\ rate =\frac{information\ bits\ length}{encoded\ block\ length}$$

由此可以将信道的数据速率和信源的数据速率关联起来：

$$R_0=\frac{R_s}{code\ rate}$$

其中$R_0$是信道速率，$R_s$是信源速率

卷积码

卷积码计算可以被视为输入序列与编码器的脉冲响应的离散时间卷积。脉冲响应的持续时间等于编码器的存储器。因此，在卷积码中，信道编码器将消息比特作为连续序列，并以更高的速率生成编码比特的连续序列

在离散时间系统中，通过延迟器抽头来进行卷积码计算。因此说系统有无存储器（Memory）是区分卷积码和块码的核心。下面是一个卷积码的例子：

ARQ

与FEC相反。在ARQ中，接收机尝试检测错误的存在，如果发现错误，则将请求发送回发射机以重新发送数据。因此，ARQ需要一个反馈信道。由于重传，ARQ有一定的延迟，这使得ARQ的使用不适合用于语音通信。在无线通信中，ARQ对于分组无线电网络是有用的。

最常见的ARQ技术是CRC：给定一个k比特的比特块（消息），发射机生成一个（n-k）比特序列，称为帧校验序列（FCS），这样由n个比特组成的结果帧就可以被某个预定的数整除。在接收机侧，输入的比特序列除以该数字，如果没有余数，则认为没有错误。(奇偶校验位是CRC的特殊情况)。

分集(Diversity)技术

分集的核心思想是：“不把鸡蛋放在同一个篮子里”。它使携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对这些信号进行特定的处理，从而减小衰落对信号影响的技术。也就是在发射机和接收机之间提供多个逻辑信道，然后在每个信道上发送部分信号。可以通俗地说是“分散传输，集中处理”。

空间分集

空间分集（space diversity）也叫天线分集（antenna diversity），是一种在发射端或（和）接收端安装多根不同位置的天线的分集技术。若这些天线的距离足够大，则电磁波受到衰落的影响就相互独立。用人话就是：用多个天线发送或接收同一个信号，然后集中处理。

时间分集

时间分集是通过对信道随时间的衰落进行平均来实现的。典型的就是交织技术。

频率分集

频率分集的一个典型是扩频通信，让原有信号带宽分散在更大的频带上。此处可以参考文章 [扩频通信简介]

另一个例子是OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用），OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。相较于频分复用（单纯使用频率划分子信道，而不正交），它可以实现更高的频谱利用率。下图是FDM的频谱和OFDM的频谱，可以看到，OFDM更为密集。

合并技术(Combining methods)

分集技术是在发射段而言的，而合并技术就是将分集发射的信号重新合并在一起的技术。

最大比合并 (MRC: Maximum Ratio Combining)

对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般总有一条路径的信号比其他信号好。在接收端使用某种算法，对各接收路径上的信号进行加权汇总，信号好的路径分配最高的权重，实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，通过MRC技术能够获得较好的接收信号

等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)

等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。并且，由于缺少对信道幅度的了解，该技术并不适用于所有调制类型，并且其性能比MRC差。

均方合并(SLC:Square Law Combining)

如果信道是高度时变的，并且其相位不能准确估计，那么可采用SLC合并方法。SLC简单地将接收信号的平方幅度相加，而不进行相干。此技术只能应用于正交信号的合并。

切换合并(Switching Combining)

接收机扫描所有的分集支路，并选择SNR 在特定的预设门限之上的特定分支。在该信号的SNR 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。当SNR 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支，该方案也称为扫描合并。这种方式降低了计算成本，甚至可能有比MRC更好的性能，因为SNR非常低的信道不仅不能准确还原信息，还贡献了很多噪声。

无线通信的复用技术

分集技术是将一个一个信号分散到不同的子信道传输，来提高该信号的传输质量。而复用技术是使用不同的子信道传输不同的信号，目的是提高频谱利用效率。

复用技术主要在一下四个方向上进行复用

• 时间 （时分复用 Time-Division Multiplexing TDM）
• 频率 （频分复用 Frequency-Division Multiplexing FDM）
• 编码 （码分复用 Code-Division Multiplexing CDM）
• 空间 （空分服用 Space-Division Multiplexing SDM）

频分复用

频分复用将信道在频域上划分成不同子信道，每一个信号占用一个频率。如下图是信号k1-k6在频域上的分布图。

优点：

• 不需要动态协调，因为一个信号固定使用一个子频，该频永远属于该信号。
• 数字信号和模拟信号都可使用

缺点

• 信道利用率低：不同信号之间的流量可能分布不均匀，造成部分子信道闲置，此时会浪费带宽
• 灵活性差：每一个信号的频率固定
• 频率间需要设置过渡带，不同频率需要有一个小间隔，造成资源浪费

时分服用

不同时间段发不同的信号，单一信号可占用介质中所有的可用带宽。

优点：

• 不存在频间干扰：介质中只同时存在一个频率，因此不会有FDM中频率间相互干扰的问题。
• 对多用户场景，它有很高的吞吐量。

缺点：

• 需要非常精确的同步：需要从不同时间信道中分离出来自己的信号，因此对时间同步的要求非常高。

时频复用

将时分复用和频分复用结合起来。如下图所示，下图k1-k6被成为资源块，每一个资源块可以划分给一个用户。

优点

• 对于频率选择性干扰有一定保护效果。因为频率选择性干扰只在一个频率上持续。

缺点：

• 在时间和频率上都需要设置间隔带，会造成资源额外开销

码分复用

码分复用使得每一个子信道有自己的一段编码，通过该编码分离子信道信号。一个例子是直序扩频。在该复用模式下，用户可在同一时间使用同一频谱。

优点：

• 频谱利用率高
• 不需要动态协调
• 抗干扰能力强

缺点：

• 需要在信号检测上引入更复杂的设计。

空分复用

空分复用使用空间划分频谱资源，在一定区域内，用户使用的频谱可与另一不互相影响区域重合。

一些其他的概念

多址接入

多址是一个MAC层的概念，蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通信，许多同时进行通信的用户，互相以信道来区分，这就是多址。它可以采用上面几种复用来实现，称为FDMA、TDMA、CDMA和SDMA（其中 MA 是Multiple Access，而不是上面的Multiplexing）

双工

双工（duplex）， 指二台通信设备之间，允许有双向的资料传输。也就是存在上行和下行两个信道。

上面提到的复用技术同样可用于双共，给上行和下行划分不同的子信道。分别称之为：频分双工（FDD），时分双共（TDD），码分双共（CDD），其中DD是Division Duplex的缩写。

调制基础

基础的调制方式

PSK，AM；ISI以及Raised-cosine pulse的频谱最窄，在通信原理已经学习，这里不再赘述。

QAM

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)：“正交振幅调制”，其幅度和相位同时变化。它将ASK和PSK汇合到一个信道。正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度。QAM一般使用格雷码进行映射。

如下图是16-QAM的波形图

下图是16QAM的星座图

这一部分讲的比较快，因为通信原理已经讲过

扩频通信

扩频通信的优势：

• 原本窄带信号频谱被扩宽之后，具有更好的抗窄带噪声的特性
• 扩频之后频谱隐藏在噪声中，难以监听
• 利用扩频码可以进行码分复用
• 良好的抗多径效应

凡是看到码分的，就是用了扩频技术的。例如重庆邮电大学的第一颗TD-SCDMA3G芯片

这一部分更详细的内容请参考LoRa定位开发-扩频通信简介中跳频扩频和直序扩频；传送门：扩频通信简介%E5%AE%9A%E4%BD%8D/%E6%89%A9%E9%A2%91%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%AE%80%E4%BB%8B/)

直序扩频

原理

请参考LoRa定位开发-扩频通信简介中直序扩频；传送门：扩频通信简介%E5%AE%9A%E4%BD%8D/%E6%89%A9%E9%A2%91%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%AE%80%E4%BB%8B/)

Rake接收器（还在用传统接收器？）

在前面直序扩频中介绍，DSSS抗多径效应的原理是选择信号功率最强的一个解扩，而其他路径分量相当与进行了扩频。这恰好就像是在做分集接收。Rake接收器就是将这个过程认为是分集来处理。

Rake接收机假设每个多径分量间隔一定时延，因此有多条接收之路，分别对不同时延迟的信号进行接扩，最后进行合并。理想来说，瑞刻接收机使用MRC的方式进行合并，但具体的方式需要根据特定场景优化。

下图为瑞刻接收机模型，可以看到，支路间有一定延迟。

跳频扩频

原理

请参考LoRa定位开发-扩频通信简介中跳频扩频；传送门：扩频通信简介%E5%AE%9A%E4%BD%8D/%E6%89%A9%E9%A2%91%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%AE%80%E4%BB%8B/)

多址接入(Multiple Access)

多址接入是位于MAC层，物理层之上的一种实现点到多点的通信的技术。它可以分为竞争协议和非竞争协议，如下图。

竞争

网络中的节点在网络中的地位是等同的，各节点通过竞争获得信道的使用权，类似与谁喊得大谁就能发。典型的协议是Aloha。

非竞争

所有设备依据某一规则，编排发信顺序。有统一调度。这里面又可以分为

• Dynamic allocation（动态分配）：有一中心节点根据当前状况，动态分配信道资源。
• Static allocation（静态分配）：根据某种恒定的规则发信。例如前面提到的CDMA，SDMA等。

SDMA

TDMA

时分多址允许多个用户在不同的时间片（时隙）使用相同的频率传输数据。每个用户使用他们自己的时间片

他的显著优势是它的共品行

CDMA

DS-CDMA