无线通信中的分集技术

无线通信中的发射分集技术

摘要：发射分集技术是无线通信中的一项关键技术，在第三代移动通信技术中已经普遍采用。文章主要讨论发射分集技术的研究背景与意义，阐述各种发射分集技术的特点及比较不同发射分集技术的性能与应用，最后对于该技术的应用前景进行了阐述。

关键词：发射分集开环发射分集闭环发射分集

一、发射分集技术的研究背景与意义

无线通信技术面临的最主要问题是时变的信道衰落，这也是它和光纤、铜线通信等相比面临的一个重要挑战。在衰落环境下降低误码率是相当困难的，需要发射端(基站)采用更高的功率进行发射或者采用额外的带宽，但这在下一代通信系统中都是不合适的。理论上，抵抗信道衰落的最好方法是进行功控，也就是如果发射端预先知道信道条件，那么在发射的时侯预先将信号变形来抵消衰落带来的影响。但是这种方法需要发射端有较大的动态范围，另外发射端也不知道信道的条件，因此在大多数散射环境中，是采用天线分集方法来抵抗信道衰落的。

传统的天线分集是在接收端(移动台)采用多根天线进行接收分集的，并采用合并技术来获得好的信号质量，例如“Rake接收机”。但是由于移动台尺寸受限，采用接收天线分集技术较困难，而且在移动台端进行接收分集代价高昂，增加了用户的设备成本。从理论与实际应用中都发现相同阶数的发射分集与接收分集具有相同的分集增益。因此为了适应下一代移动通信的要求，只有增加基站的复杂度，在基站端采用发射分集技术才是比较合适的方法。

发射分集的概念实际上是由接收分集技术发展来的，是为减弱信号的衰落效应，在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不同的信道中保持独立的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并，从而减少衰落的严重性。由于基站的复杂度较移动台端限制少，且天线有足够空间，因此通常在基站端采用多副天线进行发射分集提高下行性能，在接收端采用一副天线进行接收。发射分集的成本代价相对于接收分集来说，是移动通信业务运营商和用户所较能接受的；而且发射分集能够实现同一发射信号使多个移动台获得发射增益(支持点对多点发射)，而传统的接收分集的发射增益只是针对一个移动台。

二、发射分集技术分类

发射分集技术是系统提高下行链路性能，减小信道衰落影响的一项关键技术。根据是否需要反馈信息，将发射分集分为前馈分集(Feedforward Diversity )和反馈分集(Feedback Diversity)两类，又分别称为开环发射分集(Open Loop Transmit Diversity)和闭环发射分集(Closed Loop Transmit Diversity)。

1．开环发射分集

开环发射分集主要有时空发射分集(STTD：Space Time Transmit Diversity)、延迟分集(DD：Delay Diversity)、时间转换发射分集(TSTD：Time Switched Transmit Diversity)、相移发射分集(PSTD：Phase Sweeping Transmit Diversity)，相位结合发射分集(PATD：Phase Allgnment Transmit Diversity)、正交发射分集(OTD：Orthogonal Transmit Diversity)和极化分集(PD：Polarization Diversity)等几种典型技术。

(1)时空发射分集

以两副发射天线，一副接收天线为例来说明，即基站端用两副天线进行发射，移动台端采用一副天线进行接收。在这种分集方法中，信号经过时空编码，分别从两副发射天

线发送出去，在接收端采用一副天线进行合并。两副天线的传输信道使用长度为M bit(图l 中M=4)的相同Walsh码字进行扩频，在第n比特发送时间内两副天线上发送的是b n 和-b n，

在第(n+1)比特时间则发送b n+1与b n，每个比特都经过2L个分集数，即每个比特都从两副天线上发送，每副天线上经过L个路径数。由于每个码元重复两次，所以两副天线上总的Walsh 码长度是2M bit，但是两副天线上的Walsh码字一样，因此可有效使用的Walsh码字与不采用发射分集系统数目是一致的。时空发射分集方法对信道衰落的抑制能力使它能够使用高级的调制手段减少复用因子，用来提高系统容量。总的来说这种方法增益高，适合于解决因衰落信道影响而系统容量受限的问题。

(2)延迟分集

在这种发射分集技术中，发送信号依次延迟K个码元，相当于Ds的延时，分别在N恻发射天线上发射数字信号S(t)。总的发射功率P均匀分配在所有天线上。对延迟的选择应当使得每副天线间的信号传输都是不相关的，但是过长的延迟会增加接收端均衡的复杂度，并不能提高发射增益，因此通常选择D s为信息比特周期。这种方法的优点是实现简单，但是对于延迟估计误差比较敏感，误差带来的性能降低有可能超过分集带来的增益，而且这种方法在接收端由于信号延迟传送的关系无法实时地达到最大合并增益。

(3)时间转换发射分集

时间转换发射分集方法也称为天线跳变分集(Antenna Hopping Diversity)。这种方式中，基站是以一个每帧固定的转换速率将用户的传输信号在两副天线间切换发射的。这种方式下，在不同的时隙使用不同的天线发射，即奇时隙的数据在天线l上发射，偶时隙的数据在天线2上发射，天线的切换是以时隙为单位进行的。

(4)相移发射分集

相移发射分集在射频功放前将数据分成两部分：一部分放大从天线A发射，另一部分移动载波频率接着放大从天线B发射出去。这种方式中，两副天线上使用相同的导频(pilot)信道和传输信道walsh码，两副天线之间存在一个时变的相位差。在接收端看来，分集天线上的信号是经过一个快速衰落的信道产生了多普勒频移到达接收端的。在接收端再利用这一多径信号，对多副天线传输的信号进行合并。

(5)相位结合发射分集

考虑两副发射天线、多用户的分集系统，每一用户从每一天线接收独立的信道信息。两副天线发出的信号为两个矢量，用户接收的结合信号为两矢量的和。如果其中一副发射天线的信号相位旋转．另一副保持相对不变，那么结合信号的轨迹为一圆。相位结合发射分集的思想是调整两天线发射信号的相位差，从而使接收端合并后的信号强度达到最大值。两副天线上的相位调整差值根据每一用户的信道传播环境，由最大合并准则给出。在时分复用系统中，由于上下行信道同频率，因此可以将上行链路信道估计作为对下行信道的估计，以此作为最大合并准则中所需的一个参量。因此相位结合发射分集更适用于时分双工系统。

(6)正交发射分集

正交发射分集有两种方式，一是在发射端将数据分成两部分数据流，分别用两个正交的walsh码扩频调制后用不同的天线发送。在接收端，再分别用正交的walsh码扩频解调这两副天线上的信号，从而恢复出两个相同的编码比特，再进行合并。这种方式虽然在衰落信道下性能比较好，但是它减少了可用的Walsh码字，即减少了系统容量，系统总的性能不一定好。针对这一弱点，正交发射分集还有第二种方式。编码后的信号被划分，并依次在两副天线上发送，每副天线上的传输速率因此会降低一半，相当于进行了串并转换。由于速率降低了，因此Walsh码字的长度就增加了一倍，可用的walsll码字又提高了一倍，正好可以抵消由于进行发射分集而减少的