4 移动通信原理 第四章 抗衰落技术

（2）平均输出信噪比
γ s = γ0∑
1 k =1 k
M
其中 γ 0 为每个支路的平均信噪比。该式表明每增加一条分集支路，它对输出信 噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 （3）合并增益
Gs =
2．最大比合并（MRC）
γs M 1 =∑ γ 0 k =1 k
在接收端，将 M 个分集支路经过相位校正后，按适当的可变增益加权再同 相相加后送入检测器进行检测。 （1）原理图
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主要用于蜂窝通信系统中，是一种减少慢衰落影响的分集技术。 2．按“集”划分，即按集合、合并方式划分。
三．典型的分集技术 1．空间分集 （1）概念 发射端采用一副发射天线，接收端采用多副天线。接收端天线之间的距离 d 应满足一定的条件（大于相干距离） ，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相 互独立的。 （2）典型结构
σ2
Ak
时，合并后的信噪比达到最大。因此上式（合并后的幅度）为：
A=∑
M
2 k =1 σ
Ak
Ak =
1
σ2
∑A
k =1
M
2 k
可见，信噪比越大的分集支路对合并后的信号贡献也就越大。 （3）平均输出信噪比
γ M = Mγ 0 γ 0 为合并前每个支路的平均信噪比。
（4）合并增益
GM =
3．等增益合并（EGC）
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（2）合并后的输出
A = ∑ α k Ak
k =1 M
， Ak 为第 k 条支路的信号幅度， α k 为 其中 A 为合并后的信号包络（幅度） 第 k 条支路的可变增益加权系数。 设每个支路的噪声功率为 σ 2 ，可以证明（利用许瓦兹不等式）当可变增益 加权系数 α k =
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举例说明，当基站用一根天线接收移动台发射的信号时，由于多径传播到达 基站天线的信号可能产生严重的衰落，将直接影响到系统的性能。假如基站用两 根天线同时接收移动台的信号，当两根天线满足一定距离时，接收到的两路信号 经历的路径是不同的，衰落特性也是不同的，我们一般认为两路衰落信号是不相 关的，那么接收信号在一个天线上衰落不一定同时在另一个天线上衰落。这样基 站的接收机可以在每个时刻选择幅度大的一个信号。 这样就可以充分利用信号的 能量，提高系统的性能。这就是分集接收的原理，例中用相距一定距离的两根天 线同时接收同一来源的信号，属于分集接收技术中的空间分集；而基站接收机选 择幅度较大的一个信号作为输出，属于合并技术中的选择式合并。 （如下图）
二．分集技术的分类 1．按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统计特性。
显分集：利用多副天线接收信号的分集，构成明显的分集信号的传输方式。 隐分集：只需一副天线来接收信号的分集，分集隐含在传输信号之中。 宏分集：也称为多基站分集，把多个基站设置在不同地理位置上和不同方向 上，同时和小区内一个移动台进行通信（可选用其中最好的一个基站进行通信）
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（2）原理及特点比较（朱世华等译，空时无线信道，西安交通大学出版社）
分集合并技术
选择式合并
如何工作
选择 M 重分集支路 中最好的一个 将 M 重分集支路按
优点
性能优于开关式合并
缺点
需要同时监视 M 条 支路上的信号
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第 4 章：抗衰落技术
引言
前面我们学习移动通信信道时已经知道：移动通信信道是一个非常恶劣的通 信环境，其中既有噪声、干扰也存在衰落，这三方面的因素对移动通信系统的性 能都会产生一定的负面影响，而其中衰落是我们最为关注的因素，因为衰落是移 动信道的基本特性，对移动通信系统的性能影响也是最大的。移动通信要得以实 现也必须有相应的技术来克服这些因素的影响。 一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和来自百度文库道编码。这三 类技术的作用和目的有所不同，对于具体的通信系统这些技术即可单独使用，也 可组合使用。 一．分集是抗衰落的主要技术。 二．均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰(ISI)。如果调 制带宽超过了无线信道的相干带宽， 将会产生码间干扰， 并且调制信号将会展宽。 而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。 三．信道编码是进行差错控制的主要技术，可以检测或纠正信道中由于随机 干扰而引入的一部分或全部误码。 本章我们重点学习分集技术，最后介绍一下均衡技术，信道编码技术我们下 一章重点学习。
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（3）缺点：占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。 四．常用的合并技术 接收端收到 M（ M ≥ 2 ）各分集信号后，如何利用这些信号以减少衰落的影 响，这就是合并技术。 常用的合并技术有四类：选择式合并（Selective Combining） 、最大比合并 （Maximum Ratio Combining） 、等增益合并（Equal Gain Combining）和开关式 合并（Switching Combining） 。 1．选择式合并（SC） 是指检测所有分集支路的信号， 以选择其中信噪比最高的那一支路的信号作 为合并器的输出。其原理图如下。 （1）原理图
4．1 分集接收技术
一．分集技术的基本概念（吴伟陵，移动通信原理 P205，电子工业出版社） 移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，又由于接收环 境的复杂性使信号往往多径传播，在接收点多径信号的叠加会产生严重的衰落， 接收信号质量严重下降。分集技术就是一种最重要、应用最广泛的抗衰落措施。 从概念上讲，我们可以将分集技术从两个方面来理解：即“分”和“集” 。 “分” ：分别接收，实质上，是利用接收信号在结构上和统计特性上的不同 特点将其加以区分； “集” ：集中处理，实质上，是按一定规律和原则（将分别接收的信号）进 行合并处理。 （从而充分利用信号能量，提高系统性能） 。
Bc =
1 2πΔ
式中， Δ 为时延扩展，例如，市区中 Δ = 3 μ s ， Bc 约为 53kHz，这样频率分集需 要用两部以上的且频率间隔大于 53kHz 的发射机同时发送同一信号，并且用两 部以上的独立接收机来接收信号。 （2）优点：减少了天线数目（与空间分集相比较） （3）缺点：占用更多的频谱资源；需要多部发射机和接收机，设备复杂。 5．时间分集 （1）概念 将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大 （大于相干时间） ，那么各次发送信号所出现的衰落是彼此独立的。 由于时间间隔大于相干时间的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 利用这一点可以实现抗信道中时间选择性衰落的功能。 （2）优点：减少了天线及相应设备的数目；
（3）讨论 无论从概念还是结构图，我们可知要实现空间分集需要多副天线，并且天线 要相距一定的距离，那么下面我们讨论天线的距离间隔及天线的数目。 空间分集是利用空间不同的位置，其接收信号到的信号在统计上是不相 关性，来实现抗（空间选择性）衰落的目的。因此要达到分集的效果， 基站接收天线之间的距离要满足基本上的不相关的要求。根据第二章中 分析， 衡量空间选择性衰落的一个重要指标是相干距离， 在相干距离内， 信号的衰落特性是相同的， 因此分集天线之间的距离 d 应大于相干距离。 相干距离与工作波长、环境等因素有关，所以线之间的距离 d 也这些因
γM =M γ0
在最大比合并中，实时改变可变增益加权系数 α k 比较困难，于是若在上述 最大比合并中，取 α k = 1 （k＝1,2,3…M） ，即为等增益合并。 （1）平均输出信噪比
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π⎤ ⎡ γ E = γ 0 ⎢1 + ( M − 1) ⎥ 4⎦ ⎣
获得 M 重分集支路 通信系统的最优性能
（2）合并增益
GE =
4．开关式合并
γE π = 1 + ( M − 1) γ0 4
开关式合并的原理图如下所示。
该方式工作时，监视接收信号的瞬时包络，当本支路的瞬时包络低于预定门 限时，将天线开关置于另一个支路上。当开关从支路 1 转到支路 2 时，若支路 2 的瞬时包络也低于预定门限时，有两种处理方法： （1）天线开关在支路 1 和支路 2 之间循环切换，直到一个支路的包络大于 预先设定的门限； （门限选择——切换和检验） （2）天线开关停留在支路 2 上，直到支路 2 大于预定门限后再次低于预定 （门限选择——切换和等待） 门限时，天线开关再转到支路 1 上； 5．几种合并方式的比较 （1）三种合并方式的性能比较 由下图可见，在相同分集支路数（即 M 相同）情况下，以最大比方式改善 信噪比最多，等增益方式次之；在分集支路数 M 较小时，等增益合并的信噪比 改善接近最大比值合并。选择式合并所得到的信噪比改善量最少，其原因在于合 并器输出只利用了最强一路信号，而其它各支路都没被利用。
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素有关。在移动通信中，通常取： 市区 d=0.5λ 郊区：d=0.8λ 满足上式的条件下， 两信号的衰落相关性已很弱了； d 越大， 相关性就越弱。 例如，在 900MHz 的频段工作时，两副天线的间隔约为 0.27m。 天线的间隔， 可以垂直间隔也可以水平间隔， 但垂直间隔分集性能较差。 在空间分集中，天线 N 越大，分集效果越好，但是分集与不分集差异很 大，属于质变；而分集增益正比于分集天线数，一般当 N 大于 3 时，增 益改善不再明显，且随着 N 增大而逐步减少，属于量变。然而 N 的增 大意味着设备复杂度的增大，所以在工程上要在性能与复杂度之间做一 折中，一般取 N＝2～4 即可。 2．极化分集 （1）概念 利用天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能的， 即利用极化 的正交性来实现衰落的不相关性。 电磁波的极化方向可分为水平极化和垂直极化，这两种极化波是正交的，利 用这一点，在发送端分别装上两副距离很近但极化方向不同的天线分别发送信 号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，在接收端同样用两副距离很近但极化 方向不同的天线来接收这两路不相关的衰落信号，就可获得分集的效果。 极化分集可看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集 情况） ，但它仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短 了天线之间的距离，在工程上常常将两副天线集成于一副天线内实现。从外观看 上去只是一副天线。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端的功率要 分配给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3dB。 3．角度分集 （1）概念 由于地形地貌和建筑物等环境的不同， 到达接收端的不同路径的信号可能来
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自不同的方向。在接收端，采用多个方向性很强（方向性尖锐）的接收天线就能 分离出衰落特性不相关的多个信号。 角度分集也是一种特殊的空间分集，它也要用多副天线，但它是利用多副天 线尖锐的方向性接收来自不同方向的不相关衰落信号。 同样多副方向性天线的间 距可以很近。也可将多副定向天线等效为不同角度的馈源集成于一副天线内实 现。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：实现工艺要求较高，且性能比空间分集差。 4．频率分集 （1）概念 将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只有载频之间间隔足够大（大 于相干带宽） ，那么在接收端就可得到衰落特性不相关的信号。 由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 利用这一点可以实现抗信道中频率选择性衰落的功能。 根据相干带宽的定义，即