31分集技術(shù)Diversity Reception

1、§3-1 分集技術(shù)（Diversity Reception）移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)是具有多徑效應(yīng)。多徑傳播（瑞利衰落衰落）時(shí)，信號(hào)瞬時(shí)值快速變動(dòng)，而陰影衰落（對(duì)數(shù)正態(tài)衰落）時(shí)，信號(hào)平均值（中值）慢速變動(dòng)。這兩者是構(gòu)成移動(dòng)通信接收信號(hào)不穩(wěn)定的主要因素，使接收信號(hào)被大大地惡化。雖然通過增加發(fā)信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善，但采用這些方法在移動(dòng)通信中比較昂貴，有時(shí)也顯得不切實(shí)際。而采用分集技術(shù)便可在接收終端上大大降低深衰落的影響，從而改善傳輸?shù)目煽啃?。所謂分集技術(shù)：就是利用多條路徑傳輸相同信息，且具有近似相等的平均信號(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立的衰落特性的信號(hào)路徑，在接收端通過適當(dāng)?shù)暮喜⒓夹g(shù)后輸出

2、。由此可以降低信號(hào)電平起伏，即衰落。 可見分集技術(shù)有二重含義：分散傳輸、集中處理。分集的基本思想：把接收到的多個(gè)衰落獨(dú)立的信號(hào)加以處理，合理利用這些信號(hào)的能量來改善接收信號(hào)的質(zhì)量。其通常可以減小平坦衰落信道上接收信號(hào)的衰落深度和衰落持續(xù)時(shí)間。分集的抗衰落原理：設(shè)其中某一信號(hào)分量的強(qiáng)度低于檢測(cè)門限的概率為p，則所有M個(gè)信號(hào)分量的強(qiáng)度都低于檢測(cè)門限的概率遠(yuǎn)低于p。對(duì)于陰影衰落造成的宏觀信號(hào)衰落可使用宏觀分集；對(duì)于多徑傳播造成微觀衰落可使用微觀分集。宏分集（也叫多基站分集）：為了消除陰影區(qū)域產(chǎn)生的信號(hào)衰落，將多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置和不同的方向上同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信。微分集：在一個(gè)局

3、部區(qū)域接收到無線信號(hào)在空間、角度、頻率、時(shí)間等方面呈現(xiàn)出獨(dú)立性，因此對(duì)應(yīng)的分集方法有空間分集、極化分集、角度分集、頻率分集、時(shí)間分集和分量分集等多種。 一、分集方法n 依照信號(hào)傳輸?shù)男问娇煞譃椋猴@分集和隱分集。顯分集：構(gòu)成明顯分集信號(hào)的傳輸形式，多指利用多付天線接收信號(hào)的分集。 隱分集：分集作用隱含在傳輸信號(hào)的方式中，而在接收端利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分集，一般只需一付天線。 1、空間分集(space diversity)利用不同接收地點(diǎn)收到的信號(hào)衰落的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)抗衰落的功能。場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。水平間隔效果好于垂直間隔?？臻g

4、距離相干距離，弱散射下天線的相干距離更大。經(jīng)過測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動(dòng)單元兩天線間距大于0.6個(gè)波長(zhǎng)，即d06l，并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近。若減小天線間距，即使小到l/4，也能起到相當(dāng)好的分集效果。 收端N （N=24）部天線接收，N越大，效果越好，但當(dāng)N較大時(shí)，分集增益的增加卻變得緩慢，且工程復(fù)雜。天線分集效果的好壞不僅與天線間的距離有關(guān)，還與天線的排列、合并方式，特別是天線的布置尤為重要。其實(shí)，空間分集還包括極化分集（在收端天線安裝水平與垂直極化天線）和角度分集（采用方向性天線）。極化分集在移動(dòng)環(huán)境下，兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出不

5、相關(guān)的衰落特性。角度分集由于地形地貌的影響，多徑信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的方向可能不一樣，在接收端采用方向性天線，就可以實(shí)現(xiàn)角度分集。2、頻率分集(frequency diversity)將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在不同的載波上發(fā)送，載波間隔相干帶寬1/L（L為時(shí)延擴(kuò)散）。市區(qū)的時(shí)延擴(kuò)展相對(duì)郊區(qū)更大，因此載波間隔更小。市區(qū)的時(shí)延擴(kuò)展大于郊區(qū)和開闊地，因此，相干帶寬（市區(qū)）相干帶寬（郊區(qū)）應(yīng)用：與空間分集相比，減少了接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，但占用更多的頻率資源，且發(fā)端需要多部發(fā)射機(jī)。移動(dòng)通信中，常使用跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率分集 3、時(shí)間分集 (time diversity) （對(duì)靜止的MS無用）將待發(fā)送的信號(hào)每隔

6、一定時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送，在收端可得到N條獨(dú)立的分集支路，時(shí)間間隔相干時(shí)間1/B（B為多卜勒頻移的擴(kuò)散區(qū)間，與移動(dòng)臺(tái)的速度有關(guān)），處于靜止?fàn)顟B(tài)，時(shí)間分集基本不可實(shí)現(xiàn)。速度越快，最大多普勒頻移越大，相干時(shí)間越短，時(shí)間分集的時(shí)間間隔相對(duì)而言更小。應(yīng)用：與空間分集相比，減少了接收天線的數(shù)目，占用了更多的時(shí)隙資源，降低了傳輸效率。移動(dòng)通信中，大量應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)的RAKE接收機(jī)中，以處理多徑信號(hào)，有時(shí)也叫多徑分集。4、多用戶分集：利用不同用戶的信道衰落，好的多傳獲得大容量！二、合并方式(Combining Techniques of Diversity ) 信號(hào)合并的目的就是要使它他的信噪比有改善，分集

7、增益的效果常用分集增益或改善因子來描述，有時(shí)也用中斷概率來描述。最佳的分集就在于最有效的減小信噪比低于正常工作門限信噪比的時(shí)間。合并后信號(hào)表示式：-（3-1）其中分集的重?cái)?shù)為M，第i條分集支路上的信號(hào)電壓為ri(t)。 1、 選擇式合并：檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一支的信號(hào)作為合并器的輸出。也即式（3-1）的M個(gè)系數(shù)中只有一個(gè)等于1，其他為0。合并器的輸出信噪比為：s=maxk；其合并增益為：=-（3-2）分析：如果支路的瞬時(shí)信噪比SNR= i ， i的概率密度函數(shù)為：-（3-3）其中是每個(gè)信道的平均信噪比。對(duì)于單一支路，其信噪比小于某一閾值的概率為：-（3-4）因此，所

8、有M條獨(dú)立分集支路上接收信號(hào)的信噪比同時(shí)低于某一給定閾值的概率為：-（3-5）式(3-5)中的PM() 是各支路的信噪比都未達(dá)到的概率。如果有的支路實(shí)現(xiàn)了SNR，那么至少有一條支路的SNR的概率為： -（3-6）平均信噪比為： -（3-7）由式（3-7）易知：例3.1 假定使用的是4支路分集，每支路收到一個(gè)獨(dú)立的Rayleigh衰落信號(hào)。若信噪比的均值為20dB，判決閾值為SNR10dB。試將此情況與沒有使用分集的簡(jiǎn)單接收機(jī)相比。 解：由公式（5-5）計(jì)算得：P4（10dB）（1-e-10/100）4=0.000082若不用分集，則公式（ 5-5）計(jì)算得：P4（10dB）=（1-e-10/10

9、0）0.095可見，沒有分集時(shí)，信噪比低于指定閾值得概率，比采用4條支路分集時(shí)的概率要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。2、 最大比值合并（最佳合并）：合并后的振幅為各支路信噪比之和。（為支路信號(hào)包絡(luò)，為噪聲功率）， ，出發(fā)點(diǎn)：對(duì)各路同相后的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，從而充分利用各支路的可用信號(hào)，使得在任一時(shí)刻均會(huì)達(dá)到可實(shí)現(xiàn)的最大信噪比。信噪比大的支路加權(quán)大，相應(yīng)在合并器輸出中的貢獻(xiàn)也就大，反之也成立！分集之后，合成輸出信號(hào)的信噪比可被簡(jiǎn)化為各支路信噪比的和!其合并增益為：=M3、 等增益合并：無需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，仍可以利用同時(shí)收到的各路信號(hào)，其性能只比最大比率合并差一些，但比選擇分集要好

10、不少。，其合并增益為：=1+（M-1）4、 開關(guān)式合并（掃描式分集scanning diversity）：以一個(gè)固定順序掃描N個(gè)支路，一旦發(fā)現(xiàn)某一支路的信號(hào)超過了預(yù)置的閾值，就將這路信號(hào)將被選中并送至接收機(jī)。而當(dāng)這路信號(hào)降低至閾值之下，則那么掃描過程將重新開始。 只有當(dāng)瞬時(shí)信號(hào)包絡(luò)負(fù)向跨越預(yù)定門限時(shí)，將天線切換到另一支路上去。其優(yōu)點(diǎn)是僅使用一套接收設(shè)備。原理結(jié)構(gòu)示意圖圖3-1 掃描分集原理圖 圖3-2 帶反饋的掃描分集原理圖帶反饋的開關(guān)式合并：通過切換發(fā)射天線的方法來獲得合并增益,基站發(fā)射機(jī)采用兩副天線，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)包絡(luò)低于預(yù)定門限時(shí)，移動(dòng)臺(tái)向基站發(fā)出更換天線的指令，基站收到指令后，將發(fā)

11、射天線開關(guān)倒換到另一副天線上。這種方法稱為帶反饋的空間分集。分集效果：信噪比的改善隨著分集的重?cái)?shù)增加而增加，在M=23時(shí)，增加很快，隨著M的繼續(xù)增加，改善的速度放慢，特別是選擇合并。考慮到隨著M的增加電路的復(fù)雜程度也增加，實(shí)際的分集重?cái)?shù)一般最高為34。在合并方式中，最大比值合并改善信噪比最多，最差是選擇合并，只是因?yàn)檫x擇合并只利用其中一個(gè)信號(hào)，其余沒有被利用。分集重?cái)?shù)較少時(shí)，等增益合并的效果接近最大比值合并，且電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用很廣，尤其在基站側(cè)。實(shí)際當(dāng)中，一般在基站采用二重空間分集，其分集增益一般可達(dá)10dB。分集效果不佳表現(xiàn)：各支路的衰落信號(hào)相關(guān)性不為0，如空間分集中空間位置不合適，或

12、者頻率分集中兩載波間隔不夠大；合并的動(dòng)作根源是接收信號(hào)，由于接收信號(hào)的錯(cuò)誤可能導(dǎo)致誤操作；合并中的一些瞬時(shí)過程和合并延時(shí)都將影響結(jié)果三、隱分集技術(shù)1、交織技術(shù)(Interleaving Techniques ) 的一般原理在陸地移動(dòng)通信這種變參信道上，比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)較長(zhǎng)的深衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到相繼一串的比特。然而，信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才有效。為了解決這一問題，希望能找到把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣，在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，差錯(cuò)也就變成單個(gè)(或長(zhǎng)度很短)，這

13、時(shí)再用信道編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò)，恢復(fù)原消息。這種方法就是交織技術(shù)。交織深度：交織前相鄰的兩符號(hào)在交織后的間隔距離；交織寬度：交織后相鄰兩符號(hào)在交織前的間隔距離。因此對(duì)于一個(gè)的交織陣列，若是行讀入列讀出的話，其交織深度為m，交織寬度為n。假定由一些4比特組成的消息分組，把4個(gè)相繼分組中的第1個(gè)比特取出來，并讓這4個(gè)第1比特組成一個(gè)新的4比特分組，稱作第一幀，4個(gè)消息分組中的比特24，也作同樣處理，如圖3-3所示。 然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀，。在傳輸期間，幀2丟失，如果沒有交織，那就會(huì)丟失某一整個(gè)消息分組，但采用了交織，僅每個(gè)消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼， 全部分組

14、中的消息仍能得以恢復(fù)，這就是交織技術(shù)的基本原理。     圖3-3 交織原理 可見，交織是以時(shí)延為代價(jià)的，因此屬于時(shí)間隱分集。n 交織器的實(shí)現(xiàn)n 原理：一個(gè)（I，J）的塊交織器可以看成是一個(gè)I行J列的存儲(chǔ)矩陣。數(shù)據(jù)a11 a12 a13 a14 a1J a21 a22 a23 a24 a2J a31 a32 a33 a34 a3J aI1 aI2 aI3 aI4 aIJ按行寫入，按列讀出，如下圖3-4所示。連續(xù)的數(shù)據(jù)處理要有兩個(gè)矩陣，其中一個(gè)用于數(shù)據(jù)寫入，另一個(gè)用于數(shù)據(jù)讀出。解交織也要有兩個(gè)矩陣，用于反交織處理。圖（a）交織 圖（b）解交織圖3-4 交織

15、原理圖交織陣越大，傳輸特性越好，但傳輸時(shí)延也越大，所以在實(shí)際使用中必須作折衷考慮。 2GSM系統(tǒng)中交織方式 在GSM系統(tǒng)中，信道編碼后進(jìn)行交織，交織分為兩次，第一次交織為內(nèi)部交織，第二次交織為塊間交織。 a)TCH信道的交織：GSM系統(tǒng)首先是把話音分成20ms的音段,這20ms的音段通過話音編碼器被數(shù)字化和話音編碼，產(chǎn)生260個(gè)比特流，并被分成： ·50個(gè)最重要比特·132個(gè)重要比特 ·78個(gè)不重要比特。GSM數(shù)字話音的信道編碼如下圖所示：對(duì)上述50個(gè)比特添加上3個(gè)奇偶檢驗(yàn)比特(分組編碼)，這53個(gè)比特同132個(gè)重要比特與4個(gè)尾比特一起卷積編碼，比率1：2，因而得

16、378個(gè)比特，另外78個(gè)比特不予保護(hù)。圖3-5 GSM 20ms話音編碼首先對(duì)它進(jìn)行內(nèi)部交織，即將456個(gè)比特分成8幀，每幀57比特，見圖3-6所示。 圖3-6 GSM 20ms話音編碼交織 如果將同一20ms話音的2組57比特插入到同一普通突發(fā)脈沖序列中(見圖3-7)，那么該突發(fā)脈沖串丟失則會(huì)導(dǎo)致該20ms的話音損失25的比特，顯然信道編碼難以恢復(fù)這么多丟失的比特。因此必須在兩個(gè)話音幀間再進(jìn)行一次交織，即塊間交織。 圖3-7 普通突發(fā)脈沖串 因此把每20ms話音456比特分成的8幀，分別插入8個(gè)不同普通突發(fā)脈沖序列中，然后一個(gè)一個(gè)突發(fā)脈沖序列發(fā)送。當(dāng)前幀的456bit 分別與第n-1幀的后半

17、幀的228bit和第 n+1幀的前半幀228bit交織，即當(dāng)前幀的1、2、3、4段與n-1幀的5、6、7、8段組成時(shí)隙1、2、3、4；當(dāng)前幀的5、6、7、8段與n+1幀的1、2、3、4段組成時(shí)隙5、6、7、8 。這樣就實(shí)現(xiàn)了將符號(hào)交織后分散到8個(gè)TDMA時(shí)幀幀中的時(shí)隙來傳輸?shù)哪康摹?若假設(shè)當(dāng)前語音塊為B塊，前一語音塊為A塊，后一語音塊為C塊；則為了打破相連比特的相鄰關(guān)系，TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6、TS7、TS8的組成依次為B1A5、B2A6、B3A7、B4A8、C1B5、C2B6、C3B7、C4B8。這樣發(fā)送的突發(fā)脈沖序列首尾相接處不是同一話音塊，這樣即使在傳輸中丟失一個(gè)脈沖串，只影響每一話音比特?cái)?shù)的12.5，而這能通過信道編碼加以校正。二次交織經(jīng)得住喪失一整個(gè)突發(fā)脈沖串的打擊，但增加了系統(tǒng)時(shí)延。因此，在GSM系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)和中繼電路上增加了回波抵消器，