瑞利衰落的概念及应对技术——信道编码、交织、跳频

• 无线信道的衰落：无线信道的物理特性总是处于变化中，称为变参信道。对于无线信道，最要命的特性莫过于衰落现象：由于多径效应引起的小尺度效应；由于距离衰减引起的路径损耗或者障碍物造成的阴影等大尺度效应。大小尺度时按照波长进行划分的。
• 瑞利衰落：在无线通信信道中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，使得总信号的强度服从瑞利分布（Multipath）。同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化（Doppler），故称为瑞利衰落。
• 瑞利衰落/莱斯衰落: 瑞利衰落是一个用来描述信道传播规律的数学分布，适用于在从发射机到接收机之间没有强视距(Line-of-sight)路径的情况。若信道中存在强视距（LOS）,则信道响应的包络服从莱斯分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。
• 为了应对瑞利衰落，GSM采用了一系列技术手段，比如信道编码（增加信息冗余度）、交织技术（时间分集，用于克服信道编码不能还原长串信息丢失的弱点）、跳频技术（频率分集，降低瑞利衰落发送的可能性，以及将干扰平均化）。

一、语音编码与信道编码

​ 语音编码与多径及瑞利衰落没有关系，但是在传统的无线通信中，信源编码和信道编码总是放在一起阐述。联合编码，即不区分信源编码和信道编码，采用统一的综合编码。但这并不容易，信源编码要减少冗余，提高有效性，但信道编码要增加冗余度，提高可靠性。

1. 语音编码

• GSM系统语音编码采用混合编码，即速率为13kbit/s的RPE-LTP（规则脉冲激励-长期预测）。

• 采样：参数编码器首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8kHz进行采样，可以得到8000Hz/s*0.02s=160个样本。（人耳敏感的语音频率一般为20~3400Hz，按照奈奎斯特定理，二倍频采样，所以用8kHz进行采样。）

• 量化：每个样本再经过A律13bit（μ律14bit）的量化（GSM定位的是全球漫游通信，必须考虑欧洲A律和美国μ律标准不一的情况），所以在A律之后加3bit，μ律之后加2bit，采样后就形成了16bit。

  如果不经过信源编码，16bit/样本 * 160样本 * （1s/20ms）= 128kbit/s。即按这样的编码方式，每时隙的空中接口速率要达到128kbit/s，是不可接受的，需要进行压缩。

• GSM采取LPC（线性预测编码）、LTP（长期预测）和RPE规则脉冲激励）为波形编码器，编码结果再通过复用器混合完成语音信号的编码。编码器模仿了人类发音器官的组合，其工作原理是将该组合看成一个滤波器，人类发出的声音相当于激励脉冲。滤波器的参数一直在变，但从很短的时间（比如10—30ms）看它，基本不变。

• 经过语音编码的压缩后，每20ms的比特为260bit，从而计算得出数据率是260bit *（1s/20ms）= 13kbit/s。我们知道，Abis口和A口之间每时隙的速率为16kbit/s。为了便于在Abis口和A口上传送，通常给其加一个3kbit/s的信令。

2. 信道编码

• 信道编码的本质：通过增加信息的冗余来实现对信息的保护，代价是增加了开销，降低了信息量。
• 在原始数据上附加一些冗余信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余比特检测误码并尽可能纠正。如果收到的数据经过同样的计算得到的冗余比特和收到的不一样，可以确定信息有误。
• GSM使用的编码方式主要由块卷积码、纠错循环码和奇偶码。
  • 块卷积码主要用来纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。
  • 纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用。
  • 奇偶码则是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。

3. 全速率TCH信道编码

在对全速率语音编码时，将信息比特分为最重要、重要和不重要的比特。划分的原则是根据编码器的高位和低位进行的。

• 将260bit分为3类，最重要50bit，重要132bit，不重要78bit。
• 首先把最重要的50bit加上3bit奇偶检验位，这53bit连同132个重要bit与4个尾比特一起进行1:2的卷积码，得到(53+132+4)*2=378bit，另外78bit不予保护，则共378+78=456bit。每20ms发送456bit，则可以得出 456bit *（1s/20ms）= 22.8kbit/s。

注意：

• 语音编码后的速率为13kbit/s，之后进行信道编码，因此语音在空中接口中的发送速率为22.8kbit/s。
• 语音编码在基站侧还原之后，考虑到Abis口和A口的传输特点，给它加上了3kbit/s的信令，因此语音编码在Abis接口的传输速率为16kbit/s。

二、分集技术之交织

​ 对于GSM而言，信道编码无法应对成串的突发脉冲序列丢失，因此需要交织技术。交织技术，是为了应对无线变参信道而设计的一种干扰平均化的手段。

• 为了克服某一条无线路径的衰落带来的失真，采用接收多条无线信道的方法，使得空间路径带来的干扰平均化，称为空间分集。

• 为了克服某个频率的干扰带来的失真，采用跳频的方法来使得干扰在几个载频之间平均化，称为频率分集；

• 把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的临近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大。这种交织称为时间分集。

  3种分集技术本质上都一样，即通过技术手段使得在空间、时间、频率上的干扰变得平均化来克服无线变参信道的影响。

三、分集技术之跳频

• 在GSM系统中，干扰可能来自系统内部，比如一个用户占用无线信道发射信号时其他用户的干扰；干扰也可能来自系统外部，比如高频噪声、汽车点火装置，甚至是信号屏蔽干扰器。当某个频点收到干扰时，我们希望换到另一个频点上，以避开干扰。实际上，跳频技术最早用于军事上，GSM不过是借鉴。
• GSM的跳频主要分为基带跳频和射频跳频两种。没有经过调制的信号叫基带信号；经过调制后的信号叫频带信号。基带跳频和射频跳频本质上一样，都是把1s的信号分为217份，每一份都通过不断变化的频率上发送出去，即所谓的跳频。
  • 基带跳频：基带信号在调制之前就完成了时隙交换，送到了各块载频，实现了每时隙发射频率的不断变化。
  • 射频跳频：BCCH载频用于向移动台广播信息，如果BCCH载频的频率变化，移动台无法锁定某个频道来接收系统信息。TCH载频在接收基带信号之后，每个TDMA帧时间变换一次频率，将信号以不同的频率送到耦合器，再通过天线发射出去。
• 跳频的作用：干扰源分集；频率分集。
• GSM中跳频所采用的参数：终端跳频的频点用MA描述，MA是基站小区配置频点CA的子集，MA可以包含N个频点（可取1_{64）。跳频方法由跳频算法决定，可以用两个主要参数描述。**跳频序列号HSN**和**移动分配指数偏置MAIO**。HSN的取值为0}63，MAIO的取值为0~N-1。因此，跳频算法允许有64种不同的跳频序列，HSN的取值决定了具体的跳频序列，MAIO决定了跳频序列的起始位置。
• 跳频序列有两种，分别为循环跳频和伪随机序列跳频。HSN=0为循环跳频，HSN≠0为伪随机序列跳频方式，可以根据一个伪随机序列表求出相应的跳频序列。
• 通常在一个小区内不同的终端使用同样的HSN和不同的MAIO，这样可以避免小区内不同的终端之间的信道干扰。相邻小区之间不会有干扰，因为它们使用不同的频率组，即不同的MA。使用同样频率组的其他小区应该和本跳频小区采取不同的HSN。