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基于多点协同中继的无线传输技术分析.pdf

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复 K 大 学.丨科 硕 士 0 位 论文A b stra ctIn recent years, w ith the developm ent of w ireless com m unications technologies,the requirem ent for higher transm ission speed has been raised. H ence, in the denselypopulated areas, how to design a good m ulti-access schem e attracts m ore and m oreattention. FD M A Frequency D ivision M ultiple A ccess and T D M A T im e D ivisionM ultiple Access adopted in the 1st and 2nd generation of mobile networks tend not tobe able to m eet the increasing needs of people now adays. Furtherm ore, C D M A C odeDivision M ultiple Access in 3rd mobile com m unication system always suffers fromthe M A IM ulti-A ccess Interference and ISIInter-Sym bol Interference. O n the otherhand, ID M A Interleave D ivision M ultiple-A ccess, w hich realizes m ultiple access byallocating different interleaver to each user, has gained m ore and m ore attention fromresearchers because of its efficient adoption of system resources and low er systemcom plexity.M oreover, in the m ore and m ore m ature field of optical com m unication,traditional fiber netw orks, enjoying very high transm ission speed, has been w idelyapplied in core netw orks by m ain operators. H ow ever, on account of the high cost offiber and lim ited resources of electrical w ireless connection, the “last-kilom eter’,access netw orks is constrained by these problem s. In addition, the em erging of FSOFree Space O ptical com m unication technology brings new heat to this researchingfield. FSO technology boasts strong security, open frequency resources andfacilitation of equipm ent setup. So it is believed to be a good solution of accessn etw o rk s.N evertheless, in the rem ote areas or the ones that have undesirable channelcondition, traditional cell com m unication system s fail to provide good com m unicationquality, high transm ission speed and w ide coverage. Therefore, m ore efficientw ireless netw orks organizing schem es are expected to be proposed. It s deem ed tosolve the problem of covering shadow areas through the cooperative com m unicationm echanism w hich introduces relay nodes to netw orks and coordinates the source users,the relay ones and the base station. O n the other hand, the spatial-diversity technologyinvolving netw ork coding also receives deeper and deeper research. T his diversitym echanism can effectively reduce the channel fading influence w ith efficientlyadopting frequency resources.T hus, firstly,this thesis proposes a w ireless com m unication system based on2⑴ 丨人‘ I 科 硕 i 7 丨、 论 义ID M A and netw ork-coding relay cooperative m echanism under the m ulti-path channel.T he research of the B ER bit error rate per ance and m ulti-path contribution foranti-fading capability has been conducted w ith Turbo channel coding. Then anotherID M A system has been put forw ard in FSO environm ent w ith the com bination ofphoton counting technology. The m ulti-access decoding algorithm in thephoton-counting receiver is delivered and the research of how the netw ork-codingrelay cooperative m echanism enhances the anti-fading per ance of the systemunder G am m a-G am m a channel is conducted. A t last, m ore accuratepoisson-distribution quantum noise m odel is adopted to study the B ER per anceof M ISO FSO ID M A system .C L C T N 9 2K ey w ords ID M A ; N etw ork coding; Turbo coding; FSO ; Photon counting; M ISO3 W I.大‘y丨科硕1.7位论义第1章 绪论1.1 无线多用户通信技术及其发展1.1.1 多址接入技术在无线通信环境里 , 由于信道 的开放性 ,多用户共享信道 资源 ,多址干扰M A I 就成 为影响系统性能的- 个重要 因素 ,因此 ,如何设计 多址接入方案也便得到了人们越来越多的关注。以往的模拟信号无线移动网络通常采用的FDM A 频分多址技术,FD M A 技术将无线移动系统 中的可用频带资源划分 为若干个信道 ,每个信道 由于频率 的不同来 区分不 同用户 的信息 。然而 ,尽管每个用户 的频率带宽之 间互不重叠 ,并且会存在一定 的保护带宽 ,由于频偏等原因的影响 ,用户之间的信 息传递还 是有一定干扰 ,而且这样简单 的多址方式并不能有效地利用系统的资源 。第二代移动通信系统中,TD M A 时分多址的多址方式得到了采用。TD M A采用 了与 FD M A 相似 的原理 ,但其对信道进行划分的维度 是时间,也就 是按照时隙的不 同来 区分不 同用户 的信息 。因此 ,在移动系统 中,由于 时隙与频 带 的混合 多址机制 ,系统能够用更加有效地利用信道 资源 。3G 3「d-Generation 第三代移动通信系统中,CDM A码分多址成为了关键的多址技术 。C D M A 利用不同的扩频码来实现不同用户的多址接入 。C D M A 概念 的提 出与商用系统的实现为多址技术的发展提供 了一个新的信道 分配的角度 。宽带 C D M A 系统 由于系统容量大,传输速度快,发射功率低等诸多优点 已经 以十分快速 的速度在各个 国家得到了部署搭建 ,并且在商用过程中,技术 日臻 成熟。以中国为例 ,在 2009 年 ,国家发放 了 3 张不 同的 3G 运营牌 照 C D M A 2000、W C D M A 和 TD S-C D M A ,各 大通 信 公司 都在 3G 领域投 入 了相 当大 的投 资 。C D M A 码分多址无线通信系统 中,每个用户的信息会经过一个扩频 的过程 ,在这个处理过程 中,系统为每个用户分配不 同的序列码 ,这些序列码一般是正交 的。接着 ,用户采用这一序列码将信息扩频之后进行发送。尽管多用户信息在开放 的无线信道中互相混叠,但 由于序列码的正交特性,接收端仍然能利用不同的序列码将对应用户 的信息解码 出来 ,从而实现多用户的接入检测 。并且 ,由于扩频 的关系 ,每个用户需要发送信号的功率可 以降到较低 的水平。然而 ,M A I 以及 ISI 符号 间干扰 )一直对系统性能有很大 的影 响。另一方面,关于利用不同的码片级交织器来区分多用户的多址接入方式在文献[1]-[3]中被提 出。在传统的 C D M A 系统里 ,扩频是用于在信道编码之后进行 多址的方法 ,而交织器 是位 于信道 编码模块 当 中,由于使用交织器之后减小 了信 息 比特之 间 的4 k a 大学丨科硕士学位论义相关性,从而能够提高编码的纠错能力,避免信道中的突发性干扰。文献[1]中提 出了一种设想,将传统的信道编码和扩频两个步骤合并为一个低速率 的编码器,而在多址方面则采用不同的交织器来检测区分多用户信息。后来,文献[2][3]中研究证明了这种新的设想模型是在一定程度上是可 以改善现有 C D M A 系统的性 能 的 。之 后 又有 很 多在这 个方 向的研 究成 果 ,但 真 正 明确 的提 出交 织 多址Interleave-D ivision M ultiple-A ccess, 丨D M A 的概念的是 Li Ping 等人所发表的一系列有关于 ID M A 的研究论文 在 1D M A 中,利用不 同的交织序列,每个用户的信息序列都被打乱,码片间的相关性非常小,而接收端采用迭代式的接收机结构对接收到的多用户叠加信息序列进行多次估计计算 ,从而得到多址接入 的效果 。在这些研究中发现 ,由于在 ID M A 系统中将扩频纳入 了信道编码的模块 ,所 以,可以认为将扩频的频带都用于了信道编码 ,而多用户检测则是采用逐码片的迭代检测方法,从而可以进行更好的信道编码,得到更高的编码增益。因此,ID M A 在拥有 C D M A 系统 良好的抗千扰抗多径衰落的众多优点的前提下,更高效地利用 了系统的频谱资源 ,并且因为是非正交多址接入方式,所 以系统的复杂度也得到了明显的降低。1.1.2 多用户协作通信随着移动通信技术的发展与人们对移动通信的需求 R 益增长 ,在一些信道环境较 为恶劣或是偏僻的地区,传统的基于蜂窝式的通信系统在通信质量 、传输速率 以及覆盖范围等方面变得有些无能为力了。因此 ,更高效的无线网络组 网方案的研究与应用变得更加的紧迫 。研究表 明,在现有网络系统中引入部署中继节点,利用源用户、中继节点以及 目标基站的协作通信机制,能够在较少改变现有网络结构的情况下 ,实现覆盖一些之前的阴影区域 ,提高通信质量。因此 ,引入中继的协作式通信己获得广泛研究和发展 。无线通信信道中,由于多径衰落的存在,系统性能服务质量的改善都受到了很大的限制。分集技术在克服多径衰落提高系统性能方面被证明是十分有效的分集通过在发射端发送多个同样的信总序列、接收端接收多个独立衰落的信息序列样本,由于信道衰落各 自独立不相关,所以能够从多个信号样本中合并得到接收性能增益,从而实现多径衰落的降低。目前,分集技术主要分为时域分集、频域分集以及空间分集,由于前两者会额外 占用无线系统的系统资源,所 以 目前空间分集得到了较多的关注。近年来 ,空间分集技术的主要实现形式是多输入多输出 (M IM O ,发射端和接收端都采取多天线的结构 。3G PP、3G PP2 研究标准 以及 1EEE 802.1 K 802.16 协议都将 M IM O 技术作为其关键技术之一 。然而 ,M M O5 复II.大 科硕士 7位论文系统 目前主要是在基站端釆取了多天线的模式,移动端 由于设备体积功耗 以及成本的限制,耍实现多天线的结构是相当困难的。关于这一点,很多人也进行了研究,然而成果却不是非常显著 。另一方面,多用户协作机制被提出并得到了越来越多的重视[9][iq。多用户协作机制中,通过不同用户间的合作,可 以在无线通信环境里构成一个虚拟多天线的分布式系统 ,从而得到空间分集 的系统增益 ,提高系统的抗衰落性能。在众 多多用户协作机制 中,融入网络编码的协作机制 由于其更好地利用了系统的资源 ,因此被认为能够更高效地获得分集增益⑴]。该方案的基本思想是,若干个单天线用户合作 ,中继用户收到多个源用户的信息序列后对其进行 网络编码 处理 ,然后将编码后的信息序列再传输给 目标节点,在 目标节点处将对这些信息进行解码,这样类似虚拟多天线的结构 ,能够得到空间分集 的系统增益 。1.2 自由空间光通信1.2.1 自由空间光通信技术及其发展随着通信技术的 日益更新发展 ,人们对通信传输速率的需求也越来越高 。在有线通信领域 ,光纤 已经在近几年 中逐渐普及 ,通信 网络的骨千网基本都釆用 了光纤传输,如今骨千网络的 80 以上的数据流量都是经过光纤来进行传输的。“最后一英里”的接入网方面 ,各企业机构等办公场所基本实现了光纤接入,而家庭住宅的光纤接入推广工作也都在快速的开展之中。然而 ,由于光纤的耗材成本等原因,很多较老的小区不能实现短期 内的光纤铺设及付 费使用 的工作 。尽管很 多无线方式也可 以实现接入 ,但 由于无线 电资源 的有 限性 以及运营商的成本 问题 ,接入的申请 以及价格也都是一个瓶颈 。另一方面,自由空间光通信FSO[i2_I4]由于其频带的使用无需申请,并且有保密性强、架设便利等优点,正成为越来越多人关注 的一种更加灵活 的接入解决方案 。由于 FSO 设备可 自由搭设在室 内室外等地方 ,直接通过 自由空间大气介质进行传输 ,因此 ,相对于传统 的光纤通信而言 ,FSO 通信技术更加的方便快捷 ,搭建设备的时间能够得到相当大的缩减,这对于很多偏远地区或是密集老式的居 民区而言 ,是运营商更加好 的选择 。而与传统光纤通信相比,FSO 系统同样能够达到很高的带宽。目前而言,FSO产品的最高传输速率可以达到 2.5G bit/s,传输距离可达到 4km 。因此,在需要高带宽传输但又限于设备成木及难度的情况下 ,FSO 产品有着其突出的优势。目前的无线通信系统基本采用微波技术 ,而 FSO 设备大多利用红外线进行传6 复旦大学工科硕士学位论文输 。因此 ,在全世 界范围的使用过程 中,都不需要考虑无线 电资源 的使用授权许可,并且还享有非常丰富的带宽资源 。这也使 FSO 通信技术在与传统无线通信技术相 比较时,有 了更多的有利条件。最后,值得一提的是 ,无线通信环境屮,由于其传输介质是开放的,所 以在很 多对安全保密性要求较 高 的场合 ,更优 良的保密算法措施都是需要考虑 的 问题 。而 FSO 通信系统 中,由于发射波束通常很窄 ,并且又是很具有方 向性 ,因此想要栏截信号是有很高的难度 的,一旦栏截 ,由于其定向性 ,用户是很容易发觉 的。这也给保密措施有增加 了 1 道有力的防护 。从 以上这些优 点可 以看 出,在无线高带宽的通信技术领域 ,FSO 拥有别 的技术不能比拟的优势 。近年来 ,在最后一英里的接入、设备搭设困难的地区、光纤通信的冗余备份链路 、近距离高带宽网络的搭建以及军事通信等需要高保密性的场合 中,FSO 都 日渐得到人们 的关注 。另外 ,在移动通信系统 中,为了实现在人口稠密地区提供更优 良的网络服务,FSO 也被应用于微蜂窝系统中,对于高楼林立的密集环境中,FSO 也能 比传统无线传输提供更好的抗衰落性能。因此 ,FSO已成为运营商十分关注 的一大技术热点。1.2.2 光子计数技术在光电检测技术方面,如今主要分为光脉冲模拟信号检测以及光子计数[15】检测。模拟光脉冲信号检测技术在光信号强度大的时候是足够使用 的。然而 ,在低光照的情况下,由于其量子化的特性 ,光子计数检测技术便显示 出了更优越 的特性 。在光子计数接收机器件中,入射的光子束打到光电管的阴极上 ,从而激发 了光 电管发射 电子到阳极 (其 中,如果采用光电倍增管的话,电子在到达阳极之前还会经过倍增极 ),最终阳极发 出的电子束。由于这样的接收器件结构,相对于模拟光脉冲信号检测 ,光子计数检测器有更好的信噪比。这是因为,通常光子计数器中的接收噪声产生于阴极之后,而这个噪声的强度相对于接收信号所激发的电子束是相当小的;而另一方面,模拟光脉冲检测中,噪声信号是直接叠加在接收信号中,这样 即便在后级 电路中,噪声也是较难去 除的。传统模拟光脉冲检测技术中,降低噪声很多时候会依赖于 R C 时间常数 (与电路中电阻电容有关 ),这个常数将引入一个准确度的问题 。而这个 问题对于数字化的光子计数检测器是不存在的。另外 ,光子计数检测器 的精确度通常与光 电倍增管或者一级放大器带宽有关,因此,接收光子数的精确度通常能够在 0 到3x l06的范围内。而模拟光脉冲7 g ji.大‘71科硕士 7位论文检测技术 的精确范 围是 由数模转换器 A D C 决定的,而’个典型的数模转换器是12 位 的,只能提供 0 到 40 的范 围。所 以,光子计数检测可 以获得更精确地信号 区分性 能 。因此 ,从 以上这些特性可 以看 出,在远距离低光照等环境下 ,光子计数检测技术有着更加优 良的性能,近年来也被应用于越来越多的领域 ,例如 成像技术以及通信领域 。在 FSO 通信环境 中,由于传输距离较长,低功耗及信号带宽高等特 点,很多时候接收光强较低 ,采用传统的模拟光脉冲检测技术 的话需要引入更复杂的码型或者降噪技术 ,而光子计数检测技术将更加简便地实现准确接收信号的性能[16]。1.3 M IM O 技术介绍最早于 1908 年,M IM O m ultiple-/m ultiple-output, 多输入多输出)技术被 M arconi提 出,在上世纪 70 年代 M IM O 技术开始被用于通信领域 。M IM O技术有别于传统的 SISO single-/single-output, 单输入单输出)系统,其基本思想在于 ,在一个通倍系统 中,接收端和发射端都配置部署多个天线 ,这样 由于在传播 空间信道 中的散射和不 同的衰落特性 ,能够形成多个相互较 为独立 的射频链路,从而依靠获得空间自由度而改善系统的容量等特性[17]。由于 M IM O 技术 中多采用 的是空间天线的增加 ,每个发射天线在 同一个时隙中都还是采用 同一频段 ,因此 M IM O 能够更好地有效利用通信 系统 的频谱资源 。在 20 世纪 90 年代 的时候 ,由于当时移动通信领域 的迅速发展 ,人们 对与无线通信系统的传输速率也提 出了更高的需求 。而 当时传统的时频域信号设计技术不能再满足 日益高涨 的要求 ,因此 ,无线移动通信的研究热点便从 时频域和码域逐渐转 向了空域 ,而 M IM O 技术也就顺理成章地获得 了越来越高 的关注 。美 国贝尔实验 室的研 究学者就 M IM O 技术如何应用于无线移动通信领 域做 出了巨大的贡献 ,为将来 的实际商用 奠定了扎实 的基础 。Telatar 在 1995 年 分析 了高斯信道 中 M IM O 的系统容量 次年 Foschini就 M IM O 技术提 出了一种新 的信 号处理算法 D-BLAST 算法[19]; 1998 年,W olniansky 等研究人员又提出了新的基于V-BLA ST 算法的 M IM O 系统[2°],该系统在室内试验条件下实现了 20 bit/s/Hz以上 的频谱利用率 ,Tarokh 也于同年建立 了 M IM O 系统中的空时格码 (STTC 技术[21]。在 贝尔实验室的研究者所取得 的研究成果的推动下 ,M IM O 技术得到 了越来越多的各 国研究学者 的关注 ,逐渐成为了一个新的研究热点,从而 出现 了更 多的研究成果 ,推动 了 M IM O 技术的长足发展 。这其 中在 M IM O 通信系统信 息论8 复n大学工科硕士学位论文的研究上,在理论推导下 ,获得了不同估计信道环境下的系统容量的相关数值,为接下去的研究工作提供了良好的指导作用;M IM O 信道环境的估计与建模方面 ,通过实际环境的统计测量 ,得到信道 的相关参数数值,从而拟合 出与实际物理信道相近似 的 M IM O 信道模型,为将来的 M IM O 通信系统的开发研究提供了坚实的理论依据;关于 M IM O 空时处理技术,即 M 1M 0 技术的实际实现形式,也得到了充分的研究关注。釆用 M IM O 技术的系统所获得的主要增益包括空时复用增益与空时分集增益,前者的实现方式1要是分层空时复用 (BLA ST 技术[气 后者主要是采用空时块码 (STBC 技术而得以实现的[23][24]。BLA ST 计数包括 了 V -B A SLT 、H -B LA ST 、D -B LA ST , 其 中前两种技术没有信 息的冗余 。D -B LA ST 的解 码 复 杂 度 最 大 并 且 包 含 了冗 余 的信 息 ,但 其 性 能 最 优 ,而H -B LA ST 的复杂度最低 ,但性能在这三者之 中较低 。因此,综上所述 ,V -BLA ST技术 由于其适 当的解码复杂度和空时特性的平衡 ,被认为是最具价值 的 B LA ST技术 。STB C 技术相对于前面的 BLA ST 算法复杂度更低,但只能够获取空时分集增益,并且在天线数增多的情况下,STB C 的传输速率会比传统的单输入单输出系统更低 。另外,空时频编码能够获得空时分集和空时复用的增益,但无线信道模型的假设估计要求较为严格,且解码复杂度也很高。一对一的单用户 M IM O 通信系统得到了充分的研究,然而在实际环境 中,人们往往建立一个通信系统是用于一对多或多对多的情况,例如蜂窝无线通信系统以及无线局域 网。所 以一点对多点的 M IM O 通信系统 的研究也开始被关注 。而一对多的 M IM O 系统 由于存在多用户干扰,所 以其实现方式以及相应的算法也较为复杂,多用户信道编码、随机接入机制、接收端的多用户检测以及进一步的协同通信都是研究的方向[25] [26] [27][28]。随着 M IM O 技术的 日渐成熟,M IM O 技术的巨大优势也逐渐显现 。关于M IM O 技术的标准化工作也在 ITU 以及 3G PP 论坛中开始进行 在现有 的蜂窝 移 动 通 信 系 统 中 , 还 没 有 商 用 的 M IM O 系 统 , 但 有 一 些 M 丨SOm ultiple-/single-output. 多输入单输出)的发分集的系统已经在使用了,2002 年贝尔实验室 己经开发出了 B LA ST 芯片。虽然 M IM O 系统有其优 良的特性 ,然而手机 的接收复杂度 的限制以及实际通信信道环境的差异较大 ,实验得到的理论要得到实际的广泛商用还需要一定的研究实践工作。首先,天线的数 目以及天线之间的距离就是一个重要的问题。基站端如安装大量的天线对环境将有很大的影响,因此一般会釆用四天线,双极性天线间距离釆用十倍波长 1.5 米。终端端一般采用两个或是四个天线,双极性天线间距离为7.5 厘米 ,但一般这些天线安装在笔记本里还可 以实现 ,在手机中即使是两个天线仍然娃一个较 为困难的问题 。9 M U 大学1科硕士义fe论文另外 ,接收复杂度上 ,虽然 目前的技术实现上 已经可 以将计算的复杂度得 以控制到接受范 围内,然而仍然 比传统 的算法复杂度高 ,因此这对于手机 的 电池寿命也是一个不小 的挑 战 。除此 以外 ,M IM O 系统 的信令 、统一 的 M IM O 系统信道模 型 以及系统功率控制算法都还有待进一步 的研 究完善 。1.4 本文研究内容及组织结构基于 以上课 题背景 内容介绍 ,本文将主耍研究 ID M A 下 的多用户无线通信技术 。分别在传统 的电系统和 自由光通信系统 中,利用不 同的技术研究所提 出的系统 的性能 以及相应通信技术对于系统性能的改善程度 。第 2 章对无线衰落信道进行介绍分类 ,为接下来无线通信系统 的提 出 以及性能分析做好信道环境 的理论准备 。第 3 章将提 出一个 ID M A 网络编码 中继协作系统 ,利用 网络编码多用 户协作机制来改善 ID M A 系统性能,并且通过采用多径接 收 以及 Turbo 信道编码技术 ,研 究其对提高该系统性能的帮助 。第 4 章在 大气 自由空 间中,研究在 FSO 环境 中引入 丨D M A 多址接入技术 ,利用 网络编码 中继协作机制 的分集效应改善系统的抗衰落性 能,并且提 出了釆用光子计数技术 的接收机检测算法 ,其 中考虑了随光信号改变 的散弹噪声的影响。第 5 章中 ,采用更加准确 的泊松分布接收机量子 噪声模型 ,并且在上一章提出的 O ID M A FSO 系统 的基础之上 ,考虑现有实际应用 中的 M IM O 技术 ,将 在O ID M A 系统 中加入 M ISO 传输机制 ,从而研究其分集效应在衰落信道 中对 系统误码 率性 能的改善程度 ,这样对 于实际的应用也 能够起到一 定 的指 导性 参考 作用 。1 0 k .i I.大学i科硕 位论文第2章 无线衰落信道2.1 无线衰落信道 的基本特点2.1.1 无线信号传输方式与有线通信相 比,无线通信最重耍的区别在于其传输是在 自由空间中利用 电磁波来实现 的。而在 自由空闻中,电磁波的传输方式分为直射 、反射 、散射和衍射等 直射 ,即电磁波是沿直线传播的,而在 自由空间的传输环境 中,这种传输方式通常是和其他几种方式相伴发生的。反射 ,即无线 电磁波在长距离传输 中,在一些物体表面或者地面会发生反射现象 。散射,即电磁波在传输途 中遇到粗糖的表面,信号的能量会 出现 向各个方 向反射 的现象 。这种传输方式在人 口密集 的城市地区较为常见 。衍射 ,即电磁波遇到尺寸与波长相当的障碍物或是小孔后 ,绕过障碍物继续传播 的现象 。因此 ,在无线通信信道 中,信号会通过很多不 同的路径到达 目标端 ,从而将产生阴影效应和多径效应 ,带来各种衰落 ,加上一些其他信道 因素 ,信号的准确传输将 受到很大 的影 响 。2.1.2 无线信道衰落如上所述 ,无线信道衰落主要是因为不 同路径的传输 以及障碍物所带来的损耗 。其 中包括 自由空间的路径损耗主要是 由于平方律衰落 、大气和障碍物 的吸收 以及地表反射所 引起 的 ,并且与距离相 关 。阴影衰落 ,也称慢衰落 ,是一种大尺寸的衰落 ,是 由于 电磁波在传输途 中经过大小远大于波长的障碍物 ,例如 山丘建筑物 以及树林 的遮挡 ,从而形成了阴影区,造成了信号场强均值的缓慢衰落 。快衰落,由于信号传输的多径特点引起在接收端各条散射 、反射支路的信号相叠加 ,从而造成接收信号的快速变化现象 。另外 ,由于发射端的移动也会产生多普勒频移现象 ,从而引起接收信号在相位和频率上急剧变化 ,影响接 收端 的准确接 收解码 。1 1
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