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第三讲 GSM关键技术
| 3.4 空间分集 多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落 随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成 移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。 分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。在移动通信中，通常采用空间分集，因此这里也就此方法进行讨论。 我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集，见图3－19所示。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d＞0．6 l，并且最好选在 l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到 l/4，也能起到相当好的分集效果。 图3-19 空间分集 3.5 时间色散和均衡 数字传输的引入带来了另一问题是时间色散。这一问题也起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体约在几千米远处，图3－20为时间色散一例。由基站发送“1”、“0”序列，如果反射信号的达到时间刚好滞后直射信号一个比特的时间，那么接收机将在从直射信号中检出“0”的同时，还从反射信号中检出“1”，于是导致符号“1”对符号“0”的干扰。 图3－20 时间色散 在GSM系统中，比特速率为270kbit／s，则每一比特时间为3.7 m s。因此，一比特对应1.1km。假如反射点在移动台之后lkm，那么反射信号的传输路径将比直射信号长2km。这样就会在有用信号中混有比它迟到两比特时间的另一个信号，出现了码间干扰。时间色散似乎是个很棘手的问题，不过在GSM系统中采用了自适应均衡技术，这一问题的严重性得以缓解。 均衡有两个基本途径：一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。二为时域均衡，就是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。目前我们面临的信号是时变信号，因此需要采用第二个均衡途径时域均衡来达到整个系统无码间串扰。 时域均衡系统的主体是横向滤波器，也称横截滤波器，它由多级抽头延迟线、加权系数相乘器（或可变增益电路）及相加器组成，如图3-21。 图3－21 横向滤波器 自适应均衡器所追求的目标就是要达到最佳抽头增益系数，是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工作状态，有更好的失真补偿性能，自适应均衡器需有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和低的运算量。因此，实际使用的自适应均衡器系统除在正式工作前先发一定长度的测试脉冲序列，又称训练序列，以调整均衡器的抽头系数，使均衡器基本上趋于收敛，然后再自动改变为自适应工作方式，使均衡器维持最佳状态。自适应均衡器一般还按最小均方误差准则来构成，最小均方算法采用维特比（“Viterbi）算法。维特比算法其实质就是最大似然比算法，维特比均衡器的方框图如图3-22。 图3－22 维特比均衡器 GSM数字移动通信系统中的训练序列如表3-1，它们具有很好的自相关性，以使均衡器具有很好的收敛性。 表3-1 GSM系统的训练序列
序数 | 十进制 | 八进制 | 十六进制 | 二进制
1 | 9898135 | 45604227 | 970897 | 00100101110000100010010111
2 | 12023991 | 55674267 | B778B7 | 00101101110111100010110111
3 | 17754382 | 103564416 | 10EE90E | 01000011101110100100001110
4 | 18796830 | 107550436 | 11ED11E | 01000111101101000100011110
5 | 7049323 | 32710153 | 6B906B | 00011010111001000001101011
6 | 20627770 | 116540472 | 13AC13A | 01001110101100000100111010
7 | 43999903 | 247661237 | 29F629F | 10100111110110001010011111
8 | 62671804 | 357045674 | 3BC4BBC | 11101111000100101110111100
下面简单介绍一下均衡技术的原理。信道可以是金属线、光缆、无线链路等，每种信道有其自己的特性，如带宽、衰减等等。因此，最佳接收机应适合用于特殊类型传输信道，这就意味着该接收机应知道信道是什么样的，否则就不是最佳接收机：我们要做的事情就是建立一个传输信道（即空中接口）的数学模型，计算出最可能的传输序列，这就是均衡器。传输序列是以突发脉冲串的形式传输，在突发脉冲串的中部，加有已知方式的且自相关性强的训练序列，利用这一训练序列，均衡器能建立起该信道模型。这个模型随时间改变，但在一个突发脉冲串期间被认为是恒定的。建立了信道模型，下一步是产生全部可能的序列，并把它们馈入通过信道模型，输出序列中将有一个与接收序列最相似，与此对应的那个输入序列便被认为是当前发送的序列，见图3-23。 图3-23 均衡器工作原理 例中序列长度N ＝ 3，接收序列为010。N ＝ 3给出了馈入信道模型的8种可能的输入系列： 输入000，输出100； 输入001，输出010； 输入010，输出：110等等。 显然，第二个输入系列001产生了最相似输出序列010，因此认为001＝为发送序列。 这看起来似乎很简单，不过问题是通常不会有N＝3的情况。例如在GSM中，N ＝ 116，这就需要相当大量的比较。假如每秒钟比较1千万个组合，计算全部组合将要花费1029年。由此导致的话音时延是绝对不能容忍的，所以实际使用的均衡器中使用了维特比算法就是这个道理。 GSM规范要求均衡器应能处理时延高达15 m s左右的反射信号，15 m s约对应4比特时间。此外，由于近区（相对于接收机）反射，反射信号本身易受到瑞利衰落的影响。然而，与直射信号相比，反射信号具有不相关性衰落图形，困而能被均衡器利用，从而改善性能。因此只要反射信号的时延不超过15 m s就可以得到很好的信号质量。 |
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