分集技術(shù)原理

分集技術(shù)原理一、分集技術(shù)誕生背景無線通信環(huán)境比較復(fù)雜，存在著大量的直射波、反射波和繞射波等，由于信號經(jīng)過多條路徑打到接收端的時(shí)間、幅度和相位不同，導(dǎo)致疊加后的信號幅度急劇變化，從而產(chǎn)生多徑衰落。針對多徑效應(yīng)，人們曾提出了一系列的抗衰落的技術(shù)以減小多徑衰落的影響，如抗衰落性能好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、功率技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯(cuò)控制編碼技術(shù)以及分集接收技術(shù)等。其中分級接收技術(shù)是一種有效的抗衰落結(jié)束，其基本思想是發(fā)送端采取某種方式通過相互獨(dú)立的衰落新到傳送同一信號的多個(gè)副本，降低信號分量同時(shí)陷入深度衰落的概率；在接收端在對接收到的多個(gè)衰落獨(dú)立的信號進(jìn)行處理，合理地應(yīng)用這些信號的能量來改善接收信號的質(zhì)量。二、分集概念分集的基本原理是通過多個(gè)信道（時(shí)間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機(jī)必須要發(fā)送較高的功率，才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。在移動(dòng)無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動(dòng)通信中非常重要。分集接收包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是如何把接收的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)，二是將分離出來的多徑信號恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。單天線信號與采用最大比合并方式的分集接收后的信號比較三、分集方式分集分為宏觀分集和微觀分集兩大類。宏觀分集也稱為多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，把多個(gè)基站設(shè)置在不同的物理位置上（如蜂窩小區(qū)的對角線上），同時(shí)發(fā)射相同的信號，小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺選擇其中最好的基站與之通信，以減小地形、地物及大氣等對信號造成的慢衰落。微觀分集的主要作用是抗快衰落。理論與實(shí)驗(yàn)都證

明，當(dāng)信號在空間、頻率及時(shí)間等方面分離時(shí)，都會(huì)呈現(xiàn)出互相獨(dú)立的衰落特性，由此按路徑分離的不同，微觀分集可分為以下幾種：3.1空間分集我們知道在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的場強(qiáng)變化。當(dāng)使用兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線的方案，獨(dú)立地接收同一信號，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集?？臻g分集是利用場強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān)性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語，表明信號間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經(jīng)過測試和統(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，即d>0.61，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1/4,也能起到相當(dāng)好的分集效果。空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應(yīng)大于波長的一半，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。3.2頻率分集頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。實(shí)現(xiàn)時(shí)可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足：T整射機(jī)IEJ3-23贛率丹集接收式中甘——兩個(gè)裁頻撅率之差T整射機(jī)IEJ3-23贛率丹集接收式中甘——兩個(gè)裁頻撅率之差（GHi）；F——衰落因子。式0-1$）只有滿足上乒5時(shí)有效，它的適用范圍為WGHz可WIIGHhd^70km頊亦Q05A式中：△f為載波頻率間隔，Bc為相關(guān)帶寬，^Tm為最大多徑時(shí)延差。當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。同空間分集系統(tǒng)一樣，在頻率分集系統(tǒng)中要求兩個(gè)分集接收信號相關(guān)性較小（即頻率相關(guān)性較?。挥羞@樣，才不會(huì)使兩個(gè)微波頻率在給定的路由上同時(shí)發(fā)生深衰落，并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個(gè)微波頻率f1與f2相差，即頻率間隔△f=f2-f1越大，兩個(gè)不同頻率信號之間衰落的相關(guān)性越小。頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源，所以，一般又稱它為帶內(nèi)（頻帶內(nèi)）分集，并且在發(fā)送端可能需要采用多個(gè)發(fā)射機(jī)。3.3時(shí)間分集時(shí)間分集是將同一信號在不同時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的。時(shí)間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時(shí)間上衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異來實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落的功能。若移動(dòng)臺是靜止的，則移動(dòng)速度v=0，此時(shí)要求重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔才為無窮大。這表明時(shí)間分集對于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺是無效果的。時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。3.4極化分集在移動(dòng)環(huán)境下，兩副在同一地點(diǎn)，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線就可以得到2路衰落特性不相關(guān)的信號。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過極化分集接收來達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有2路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將會(huì)造成3dB的信號功率損失。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實(shí)現(xiàn)空間分集。而且若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來說，天線中兩個(gè)交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強(qiáng)。兩個(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)120“扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達(dá)到30dB以上。四、發(fā)射分集概念：利用線性系統(tǒng)的互易性，將在體積和復(fù)雜度嚴(yán)重受限的移動(dòng)臺上難以實(shí)現(xiàn)的分集接收技術(shù)，搬至基站發(fā)射端來實(shí)現(xiàn)。、4.1開環(huán)方式（空時(shí)分組碼）：發(fā)射端不需要知道信道信息無反饋回路，典型的空間發(fā)射分集4.2閉環(huán)方式（利用信道狀態(tài)信息）：（1）發(fā)射端需要知道信道信息（2）利用上行信道從移動(dòng)臺向基站及時(shí)報(bào)告信道信息，用于發(fā)射加權(quán)。（3）閉環(huán)發(fā)射分集信號在接收端的平均SINR是開環(huán)發(fā)射分集信號在接收端的平均SINR的兩倍方式一：只對發(fā)射天線的相位進(jìn)行調(diào)整，不對發(fā)射天線的幅度進(jìn)行調(diào)整

方式二：既對發(fā)射天線的相位進(jìn)行調(diào)整，也對發(fā)射天線的幅度進(jìn)行調(diào)整閉環(huán)發(fā)射分集發(fā)射端甘琢/加擾登胃用卷稅編碼反饋FBI權(quán)值估計(jì)輸出符號閉環(huán)發(fā)射分集接收端五、信號的合并（接收分集）5.1最大比合并方式二：既對發(fā)射天線的相位進(jìn)行調(diào)整，也對發(fā)射天線的幅度進(jìn)行調(diào)整閉環(huán)發(fā)射分集發(fā)射端甘琢/加擾登胃用卷稅編碼反饋FBI權(quán)值估計(jì)輸出符號在接收端由多個(gè)分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加，再送入檢測器進(jìn)行檢測。在接受端各個(gè)不相關(guān)的分集支路經(jīng)過相位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測器進(jìn)行相干檢測。在做的時(shí)候可以設(shè)定第i個(gè)支路的可變增益加權(quán)系數(shù)為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。最大比合并方案在收端只需對接收信號做線性處理，然后利用最大似然檢測即可還原出發(fā)端的原始信息。其譯碼過程簡單、易實(shí)現(xiàn)。合并增益與分集支路數(shù)N成正比。CPICH信道擴(kuò)頻/擾碼5.2等增益合并等增益合并原理一度不做校正。等增益合同的情況下，在信噪比牝曾益合并.也稱為相位均衡，"對信道的.相位偏移進(jìn)行校正而幅是任何意義上的最佳合并方式，只有假設(shè)每一路信號的信噪比相:化的意義上，它才是最佳的。它輸出的結(jié)果是各路信號幅值的疊加。對CDMA系統(tǒng)，它維持了接收信號中各用戶信號間的正交性狀態(tài)，-?—的信噪比。當(dāng)在某些系統(tǒng)中對接收信曷積編碼用EGCo三種合并方式性能比較to等增益合并與備也簡單。復(fù)并與最大比值合并后才即認(rèn)可衰落在各個(gè)通丁的幅度測量不便時(shí)選目差不多約僅差!叫擇式合并技術(shù)時(shí)，N個(gè)接收機(jī)