无线通信中的分集技术

无线通信中的分集技术
——浅谈空间发射分集和接收分集摘要：本文首先从无线信道的衰落特性引出分集技术，简要介绍了分集技术的分类和常用的合并方式，并在此基础上专门讨论了空间接收分集和发射分集，最后结合分集技术的应用进行了小结。

关键词：无线通信分集技术发射分集接收分集
一、无线信道的衰落和分集接收技术
无线衰落信道由于遭受多径衰落、时变性等的影响而使信道的传输性能变得很差。

要把误码率从10-2降到10-3在AWGN 信道中信噪比可能仅需增加1 到2 个dB就可以了,无线衰落信道中则要付出大约10 dB的代价[1]。

同时这种信噪比的提高不能通过提高发射功率或额外增加信号带宽来获得,因此对于无线衰落信道,需要寻找其它方法来对抗衰落。

分集接收就是为了克服各种衰落, 提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。

其基本思路是: 将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的)多路信号,然后将这些信号的能量按一定规则合并起来,使接收的有用信号能量最大,对数字系统而言,使接收端的误码率最小,对模拟系统而言, 提高接收端的信噪比。

分集技术包括2个方面：一是分散传输,使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;二是集中处理,即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。

因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。

二、分集技术的分类及合并方式
1.分集技术的分类
在移动通信系统中，分集广义上分为“宏分集”和“微分集”。

“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。

这是一种减小慢衰落影响的分集技术。

一般用于合并两个或多个长时限对数正态信号，是基站级的分集；而“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都有广泛应用。

具体的微分集又可分为：
（1）空间(天线)分集(Space Diversity)。

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。

（2）频率分集（Frequency Diversity）。

它是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频率大于信道相干带宽，则接收端接收到信号的衰落
就相互独立；
（3）时间分集(Time Diversity)。

利用时间间隔大于相干时间的两个样点互不相关的原理，用大于相干时间的间隔重复发送信号，在接收端独立地分集这多路信号。

时间分集的性能基本由移动台的运动速度决定，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；
（4）极化分集。

利用不同电波极化的不相关性和它们呈现的不相关衰落特性产生多路分集信号的技术，它可认为是空间分集的特例；
（5）角度分集。

利用不同方向到达的信号的不相关性产生多路分集信号的技术。

（6）场分量分集。

利用电波(E波)和磁波(H波)之间的非相干性来形成独立分集支路，由电磁场理论知，空间中一定方向的E波和H波之间存在着非相干性。

这种分集方法主要用于一些低频系统中。

2.分集技术的合并技术
在分集中，接收端取得多个不相关信号后要进行合并处理，合并又有分解调前或后之分，常见的线性合并技术有：
（1）选择式合并(SC)。

选择式合并结构最简单，它根据某种准则，从N个分集支路信号中选出一个作为下级处理的输入。

（2）等增益合并(EGC)。

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）最大比合并(MRC)。

它对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号所对应的信号功率与噪声功率的比值所决定的，最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和。

由于它采用了信道估计，可以根据信道的具体情况对各支路的信号进行处理，因此它是其中性能最好的一种，但它的实现也最复杂。

三、空间分集接收
空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益, 并且可以和其他信号处理方式相结合, 因此得到了广泛的关注。

其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。

接收端天线之间的距离应大于波长的一半，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。

这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。

空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。

四、空间发射分集
尽管接收分集可以很好地对抗衰落, 但是在下行链路中由于要受移动终端的成本、规模和功率等的限制, 显然在移动终端内使用多天线接收是不可能的。

于是,人们又开始研究发送分集,希望能有所发现。

所谓发送分集就是在发送端采用多副天线发送信号,每副天线平均分配信号的发射功率,而在接收端只采用一副天线来接收。

发射分集有：反馈过程的发射分集、前向或有训练序列的发射分集和盲发射分集三类。

第一类使用从接收端到发射端的隐含或明显的反馈序列来配置发射机。

如时分双工系统，天线既作为发射使用又作为接收使用，因此反馈过是隐含的二类在发射端使用线性过程将信息通过天线发射出去，在接收端利用一个最优的接收机来恢复信号，前向序列用来估计信道，在接收端对信道进行补偿。

第三类既不需要前向序列也不需要后向序列，它利用多发射天线和信道编码的连接来产生分集。

同前两类发射分集相比，第三类的带宽利用率降低，这是因为使用了信道编码的缘故。

若按接收机到发射机是否需要反馈电路，发送分集技术可分为开环和闭环两种类型，前者发射机不需要任何信道的知识，实现方式有：空时发送分集(STTD)、正交发送分集(OTD)、时间切换发送分集(TSTD)、延迟发送分集(DTD)以及分层的空时处理和空时栅格编码；闭环发送分集方式有选择发送分集(STD)。

五、分集技术的应用实例
主机：
*4通道接收机
*工作频率:550-980MHz
*32/64频道自由选择，液晶数字显示
*信噪比:&105dB
*T.H.D 失真:<0.5%
*杂讯锁定静噪控制+音码导航锁定静噪
控制
*动态音频压缩及自动电平控制电路
通道真分集红外对频无线会议麦克风
采用的是空间分集接收技术，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。

当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，将这些信号的能量按一定规则合并起来,使接收的有用信号能量最大，从而得到较高的信噪比和较好的音质。

六、小结
综上所述, 在无线衰落信道中,分集技术是抵抗衰落的一种有效手段。

本文在简要介绍常见的分集技术，由于空间分集可以不用牺牲信号频率带宽，在保证数据速率的同时获得极大的分集增益，因而是减小多径衰落的有效方法。

所以本文主要讨论了空间接收分集和发射分集技术。

最后结合应用实例，对分集技术的应用有了更多的了解。

七、参考文献
[1] S. M. Alamouti. A simple transmit diversity technique forwireless communications [ J] . IEEE Journal on selected areas in communications, 1998, 16( 8) : 1451~ 1458.
[2] 百度百科/view/2667013.htm
[3]《移动通信（第四版）》李建东，郭梯云编著西安电子科技大学出版社。