通信分集的分类介绍以及原理说明

摘要

随着信息技术和无线通信技术的飞速发展，人们对无线传输的数据速率和服务质量提出了更高的要求。分集技术作为无线和移动通信中对抗衰落的一种有效手段，可有效提升数据传输速率，对其进行相关研究具有非常重要的意义。

关键词：

引言

随着信息技术和无线通信技术的飞速发展，人们对无线传输的数据速率和质量提出了更高的要求。由于无线传输信道存在多径效应与时变性等待性，从而使得无线衰落信道中的信号由于受到这些因素的影响造成严重的衰减，进而使得接收端不可能正确地判断发送信号，严重阻碍了信道容量增加和服务质量的改善。为了克服各种衰落和提高无线传输系统性能，分集技术应运而生。

1.分集技术的研究意义

在散射传播中存在快衰落，其起因于随机的多径传输。信号的幅度不仅随时间起伏，也随频率和空间起伏，他们分别称为时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。时间选择性衰落是指当信号波形时间宽度较大时，信号前后部分受到不同步、无确定关系的衰落，它起因于传输媒质的时变性。频率选择性衰落是指当信号带宽较宽，信号频谱中频率间隔较大的分量有不同的并随时间而随机变化的衰减和相移，它起因于多径效应。空间选择性衰落是指在空间不同的位置上的不同地点，信号的衰落几乎是不相关的，它起因于空间的扩散效应。

由于对流层散射存在严重的快衰落现象，使得信号噪声比大幅度地变化，通信质量变坏，为了克服快衰落，一般采用分集接收技术。

2分集技术的原理

分集的基本原理是根据多个新的信道（频率、时间或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不相同，因此信号多个副本的衰落信号就不会相同，接收机使用包含多个副本的信息来恢复出原发送信号。分集技术主要包括分散传输和集中处理两个方面内容。分散传输是指接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；而集中处理是指把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。

3分集技术的分类

分集技术根据获得独立路径信号的方法不同，通常可以分为空间分集、频率分集、时间分集、协作分集、角分集等，其中空间分集、频率分集用得最广，下面对其进行简要的概述。

3.1空间分集

空间分集也称天线分集，是通信中使用较多的分集形式，简单的说，空间分集的方法就是利用信号空间选择性衰落这一特性，接收端使用两副（或多副）同样的天线，分散天线的位置就能降低各天线所接收信号间的相关性。显然，接收天线相距的越远，空间分集获得的各分支信号间的相关性就越小。另外，天线的分散方式不同，分集接收的效果也不同。

在实际使用中，平原地区分集接收时天线一般采用水平空间分集接收方式，山区可方便地利用地形采取垂直空间分集方式，当然也要视具体的地形条件而定。

当然，分集的效果还与接收天线的数目有关。一般来说，天线数目越多分集效果越好。但分集重数超过三以后，分集接收效果的改进并不十分明显。实用中，当使用单一分集方式时，一般不超过三重分集。

一个详细的空间分集的分集改善系数计算公式：

1004.148.012.087.014sd 10)])100(1034.3exp(1[V F t P d f S I ----⨯⨯⨯⨯⨯⨯--=

其中d 为站距（km ），F 为无分集时衰落深度（dB ），f 为工作频率（GHz ），

21G G V -=，1G 和2G 为两个空间分集天线的增益（dB ）

，t P 为衰落因子，S 为分集接收天线间的垂直距离（m ）。

3.2频率分集

频率分集是采用信号频率选择性衰落这一特性。实验证明，在同一通信电路中，不同频率的信号衰落的相关性随频率间隔的增加而迅速下降。因此，在一定频率间隔上进行分集接收也能达到抗衰落的目的。根据对流层散射电路频率相关性的实验证明，只要两个载频的间隔足够远，大约相距在几兆赫兹以上时，信号的相关性就可以忽略。当相关系数小于0.6时，大体上就能得到较好的分集效果。

当工作频率为2GHz ，频率间隔△z 3f MH ≥时，就可以得到0.6以下的相关系数。对于1GHz 以上的工作频率，用下式选择频率分集的△f 的近似值，即 △z 225d

f 44.1f 2MH D +∙=）（θ 式中，f 为载波频率，单位MHz ；θ为散射公共体积中心的散射角，单位为mrad ；d 为通信电路的大圆距离，单位为km ；D 为天线直径，单位为m 。

3.3协作分集

协作分集原理图如图3.1所示。由图可知，协作分析系统主要由源节点、中继节点和目的节点三部分构成。其具体的工作过程主要分为两部分：第一部分，首先源节点以广播形式向中继节点和目的节点发送信息，中继节点对收到的信息进行信号处理；第二部分，源节点和中继节点向目的节点发送信息，目的节点通过某种合并方式合并两步接收到的信号。

图3.1协作分集过程示意图

我们根据中继节点所进行的不同处理方式，通常协作分集可以分为放大中继、检测中继和编码协作三种模式。

（1）放大中继模式。放大中继作为最简单的协作方式。工作原理为：首先每个移动终端通过接收其伙伴传来的被噪声污染了的信号，然后直接将该信号进行放大处理后发送出去，最后基站接收来自发送端和中继节点的信号并对其进行合并。虽然在处理过程中放大信号将噪声一起进行放大，但是由于基站接收到了

两路经历独立衰落的信号，因此可以更好的对信号进行判决处理。在中继节点，我们通常根据自动增益控制来对接收到的信号进行功率调整，具体的调整系数为：o s s

r s r N P A P +≤，β 式中，s r ，A 表示源端与中继端之间的衰落系数，s P 表示信号功率，o N 表示两用户之间信道的噪声功率。

（2）检测中继模式。检测中继是最接近传统中继方法的一种工作模式。工作原理：通过在中继处消除噪声干扰，从而来避免放大中继模式中对噪声的放大。在这种工作模式下，移动终端总是试图对接收到的其合作伙伴的信号首先进行解码，然后再进行编码和转发给基站，这样就去除了中继端产生的噪声影响。检测中继模式具有简单、适应性好等优点。

（3）编码协作。编码协作是将协作技术和信道编码技术结合起来的一种技术。工作原理：首先对接收到的协作伙伴的信息进行正确解码，然后按照原编码方式进行编码并发送相应的冗余信息。各移动端通过重新编码发送了不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，从而达到了提升系统性能的目的。

3.4角分集

角分集是利用两个或两个以上天线波速指向不同方向时，其相关性随角度间隔增大而减小的特性进行分集的。为实现角分集，接收天线具有不止一个波束，以便从不同角度同时接收信息。在微波波段，通常是在一个抛物面天线上装有两个馈源，则两个信号的相关性将随着两波束的间隔（或空间散射角间隔）、波束宽度等因素的不同而不同，调整这些参数就可获得良好的分集效果。角分集使分集波束在水平面内排列时称为水平角分集或方位角分集，使分集波束在垂直面内排列时称为垂直角分集或仰角分集。

任何角分集系统都不可避免地存在着三种附加损耗，其中最重要的是角偏移损耗和相关损耗。角偏移损耗是由于角分集系统中的各波速都不可能像无分集系统那样波束都指向最佳方向（即最佳方位角和最佳仰角）。因此，实际波束接收的能量相对于最佳接收方向所收到的能量来说就小一些，这就相当于一种损耗，称之为角偏移损耗。另外，由于角分集信号之间具有一定的相关性，这种相关性对信号的合成效果有明显的影响。相对于理想分集（指分集系统中的各分集支路