浅谈无线通信中的协作分集技术

无线通信中的分集技术

引言

分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的(至少是高度不相关的)多径信号来实现,简单的说,如果一条无线传播路径中经历了深度衰落,而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号,因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并,这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比,一般可提高是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度改进无线链路性能的强有力的接收技术。分集技术就是利用两个或更多的不相关信号进行处理,不相关信号的采集可以通过空域、时域和频域3种方式实现,具体的实现方法有以下几种:空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集。

一、集中分集技术介绍

1.空间分集

也称天线分集，是移动通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长λ的一半就可以了。

2.极化分集

在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现不相关的衰落特性。这就可在发射和接收端各装两付天线，一个水平极化天线，一个垂直极化天线，这就可以得到两个不相关的信号。这一技术在蜂窝移动用户激增时，在改进链路的传输效率和提高容量方面有很明显的效果。

3.角度分集

信号在传输过程中受环境的影响，使得到达接收的信号不可能是同方向的，这样在接收端安装方向性天线就可得到不相关的信号进行合并。

4.频率分集

理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。频率分集是指在多于一个载频上传送信号，其原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。这一技术比空间分集节省天线数目，缺点是不仅需要占用更多的频谱资源，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机，但对于特殊业务，这个费用也许是值得的。这一技术经常用在频分双工（FDM）方式的视距微波链路中，在实际应用中，有一种工作方式被称作1:N保护交换方式。

5.时间分集

对于一个随机衰落的信号，若对其振幅进行顺序取样，对时间间隔大于相干时间的两个样点是互不相关的。这一技术是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号有独立的衰落环境，从而产生分集效果。时间分集的性能基本由移动台的运动速度决定，也就是说决定于重复发送信号之间的衰落特性，若移动台是静止的，时间分集就失效了，因为相干时间是和移动台的运动速度成反比的。实践证明，当移动台的运动速度大于40Km/h，时间分集能获得很好的效果。这一技术已经被大量应用于扩频CDMA的RAKE 接收机中，以处理多径信号。

二、无线通信中的分集技术——协作分集技术

随着移动通信、数据通信和Internet的飞速发展和日益结合,移动用户对于多种业务的需求不断增加,对通信速率的要求也不断提高。协作分集是一种全新的分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题，推进了MIMO技术的实用化。已有的研究表明：协作分集即使不能提升数据传输速率，也可以提高数据传输的稳定性。协作分集技术还可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。

协作分集(Cooperative Diversity)能通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构成虚拟多天线阵列,并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益。在无线网络中，由多径传播引起的信号衰落是一种严重的信道损失，这种损失可以通过应用分集技术来减轻。尽管现有的MIMO多天线技术具有明显的优势,但仍然存在问题。具体地讲，由于移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。

为了解决MIMO系统的限制，提出了协作分集技术。它的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。协作分集按照信号处理方式分为放大中继模式、解码中继模式和编码协作模式。

2、协作分集技术对通信起到的作用和增益

1.提高信息传输速率

研究证明，当两个用户到基站的信道统计特性相似，即有相同的均值，并且两用户间的信道质量较好时，协作方案提高信息传输速率的幅度就越大，系统性能的提升就越显著。当两个用户到基站信道统计特性不同时，协作依然能提高信息传输速率，且本身通信质量较差的用户受益较大，而相对通信质量较好的用户并没有受到不良的影响，可达速率区域仍然是有所增加的。

2.减少系统中断概率

实际系统中，时延要求常使我们不能够有一定长度的码序列，由此传信率就成为随衰落程度变化而变化的随机变量。有些无线系统对信息传输速率有最低要求，如果低于这个值即认为系统不可靠，无法继续运行。这时，如果得到的随机变化的

传信率低于一定的水平，即业务可靠速率，则发生“中断”。因而，中断概率也成为系统性能的一个评判标准。研究表明，如果两用户传

信率相等时，对所有业务的可靠速率，协作系统的中断概率都要小于非协作系统的中断概率。即便是传信率的提高并不多，但系统的健壮性却能提高很多。

3 .扩大覆盖范围

协作通信属于中继通信的一种，它也具有提高覆盖范围的特点。对于处于小区边缘外侧的用户，通过采用小区内的中继(移动或固定)使用协作通信方式提高上下行速度，从而达到小区的接入要求。从这个意义上说，在引入了协作通信之后，小区的覆盖范围可以较原有的通信蜂窝网络有所提高。同时，对于处于阴影效应下等通信盲区的用户，利用中继带来的分集效果，同样可以提高上下行速度。因而，协作通信还可以提高小区内的用户覆盖率。

4．减少传输的误码率

由于中继重传了源节点发送的信号，在接收端获得了空间分集增益，信道质量得到提升，接受信噪比上升，传输的可靠性可以得到明显提升。因而，在协作通信下，系统的误码率可以得到提升阎。

5．减少功率消耗

对于一些功率受限的很明显的网络，例如传感器网络，在满足传输需求的前提下降低节点的功率消耗，延长系统的生存时间非常重要。第 2 点中提到由于中继重传了源节点发送的信号，在接收端获得了空间分集增益，信道质量得到提升，接收信噪比上升，误码率下降。因此，当网络中存在最高信噪比要求时，功率的消耗可以通过协作通信得到降低，获得能量效应。另一方面，传统的直传通信，功率