无线通信抗衰落分集技术分析

无线通信抗衰落分集技术分析

作者：马晋辉

来源：《管理观察》2010年第16期

摘要:简述分集技术的基本概念及其具体方法,重点介绍隐性分集技术及原理,并对比分析几种分集合成技术的性能。最后实际说明使用分集技术对传输性能的改善,说明分集技术将得到广泛应用。

关键词:分集;隐分集;分集增益

1.概述

无线通信的最大特点是具有多径效应。多径传播使接收信号不仅包含数量为10-100Hz的多普勒频移和数十分贝的深度衰落,而且有数微秒甚至数十微秒的时延差。这些效应是造成传输性能下降,严重码间干扰,误码率增加的主要原因。另外,阴影衰落会使接收信号幅度降低,气象条件等的变化会影响信号的传播,使接收信号的幅度和相位发生变化,这些都是无线信道独有的特性,它将影响通信系统接收性能。

为了提高移动通信系统的性能,分集、信道编码和均衡这三种技术被用来改进接收信号质量。

2.分集技术

分集技术主要可分为两大类:显分集和隐分集。显分集最通用的分集技术是空间分集,其他的显分集技术包括天线极化分集、频率分集和时间分集等。隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输信号之中(如交织编码、直接扩频技术等),在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集只需一副天线来接收信号,因此在数字移动通信系统中得到了广泛的应用。

2.1显性分集技术的基本概念及方法

分集技术就是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。分集技术是通过传输多路相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性信号,在接收端对这些信号进行适当的合并,以便大大降低多径衰落的影响,从而改善传输的可靠性。

可以通过空域、时域和频域等方法在接收端得到相互独立的路径,具体的方法有如下几种:

空间分集

即几个天线被分隔开来,并被连到一个公共的接收系统中,当一个天线未检测到信号时,另一个天线却有可能检测到信号的峰值,而接收机可以随时把接收到的最佳信号作为输入。它是利用多副距离足够大的接收天线来接收和合并多路不相关性的信号。

极化分集

在发送端同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可得到两路衰落特性不相关的信号。

角度分集

在接收端,采用方向性天线,分别指向不同的信号到达方向,则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

频率分集

传输的信息分别以不同的载频发射出去,只要载频之间的间隔足够大(大于相干带宽),那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。频率分集的优点是,与空间分集相比,减少了天线的数目。但缺点是:要占用更多的频谱资源,在发射端需要多部发射机。

时间分集

给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次,只要时间间隔大于相干时间,就可以得到M条独立分集支路。当移动台处于静止状态时,时间分集基本上是没有用处的。

2.2隐分集技术

隐分集技术是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中,而在接收端利用信号处理技术实现分集。因此,在数字移动通信中得到了广泛的应用。所采用的技术主要有交织编码技术、跳频技术和RAKE接收技术。

2.2.1交织编码技术

在移动通信信道上,比特差错经常成串发生。信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。交织编码技术能把一条消息中的连续比特分开,使突发差错信道变为离散信道。这样,即使出现差错,也是单个或很短的比特出现错误,也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码,这时再用信道编码的纠错功能纠正差错,恢复原来的消息。

GSM系统中,在信道编码后进行交织,交织分两次,第一次交织为内部交织,第二次交织为块间交织。

2.2.2RAKE接收技术

多径信号中含有可以利用的信息,CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是:利用多个相关器分别检测多径信号中最强的M个支路信号,然后对每个相关器的输出进行加权,合并,然后再此基础上进行解调和判决。

在RAKE接收机中,如果一个相关器的输出被扰乱了,还可以用其他支路作出补救,并且通过改变被扰乱支路的权重,还可以消除此路信号的负面影响。由于RAKE接收机提供了对M路信号的良好的统计判决,因而它是一种克服衰落,专门改进CDMA接收性能的分集形式。

2.3跳频技术

数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落。

跳频工作方式实际是一位传输符号是在多个跳频载波上传输。跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。原理是:当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时,可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说,在不同的载波频上同时发生衰落的可能性很少。

为了更好地发挥跳频抗衰落的作用,可将慢跳频技术与交织编码技术相结合,构成具有时间分集和频率分集作用的隐分集

3.分集合并技术和它们的性能比较

接收端收到M(M≥2)个分集信号后,如何利用这些信号减小衰落的影响,这就是合并问题。常见的合并技术通常有四类:

3.1选择式合并

把M个接收机的输出信号送入选择逻辑,选择逻辑从M个接收信号中选择具有最高基带信噪比(SNR)的基带信号作为输出。

3.2最大比合并

它对多路信号进行同相加权合并,权重是由各支路信号对应的信噪比决定的。最大比合并的输出SN等于各路SNR之和。所以,即使当各支路信号都很差,没有一条信号可以被单独解调出时,最大比算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可被解调的信号。它是最佳的抗衰落线性分集合并技术。

3.3等增益合并

它是把各支路信号进行同相后再迭加,各路的加权权重相等,其性能只比最大比合并稍差一些,但比选择合并要好很多,是一种次最优的合并方案。

3.4 开关式合并

该分集也称为扫描式分集,与选择合并相似,但不是总采用信号的最好支路,而是以一个固定顺序扫描多个支路直到发现某一支路超过了预置的阀值,选中这路信号并送至接收机,一旦这路信号降至阀值之下,扫描重新开始。与选择和并相比,它的抗衰落统计特性稍差一些,但这种方法易于实现,仅需一个接收机。

这四种合并技术中,最大比合并技术是较优的一种方法。

4.分集改善效果

为了定量的衡量分集的改善程度,常用标称改善效果,即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。现用下图加以说明:

曲线A表示在深衰落情况下无分集时的相对电平累积分布曲线;曲线B表示采用分集接收的相对电平累积分布曲线。

分集增益是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平

差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。例如上图中,对应50%、5%、0.1%的累积时间

百分比时,这一电平差分别为3dB、5.5dB、14dB。累积时间百分比越小,分集增益越高。0.1%时间百分比的分集增益为14dB意味着:无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30dB;采用分集技术后,由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。

分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大,说明分集改善效果越好。在上图中,当收信电平低于自由空间收信电平20dB时,单一接收与分集接收对于同一收信电平,其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%,两者的比值为100,亦即分集改善为100。

结论

随着因特网和多媒体的结合,对提供高速可靠的数据业务的无线信道要求越来越高,在无线多径衰落信道中提高传输质量和降低误码率却变得困难,分集技术将发挥积极作用,因此将得到广泛应用。◆

参考文献:

1.啜刚,王文博,常永宇,移动通信原理与应用,北京邮电大学出版社,2002,10,1,89-98