分集合并技术研究论文.doc

江苏大学本科毕业论文摘 要 信道的衰落问题是限制移动通信系统性能提高的一个主要因素，本文所分析的分集技术正是抗衰落技术中的一种。本文首先对分集技术的产生背景，分集技术在工程和理论研究中的重要作用作了概要性的总结。 同时，文章也对已有的各种分集实现方法和分集支路处理方法进行了系统地总结和归纳，主要分析了它们的基本原理，并结合衰落信道的一般理论，对其中一些关键参数作了分析。这些分析的结论表明，分集技术能够有效的改善宽带移动通信系统的性能。最后，我也对RAKE接收机进行了简单仿真。 关键词：分集技术，宽带移动通信系统，衰落信道，分集实现形式ABSTRACT One major factor that degrades the performance of mobile communications system is fading，the diversity technique studied here is one of the anti-fading technologies. This paper first reviews and summarizes the background of the diversity technique, its importance in practical and theoretical use. A systematical study of the methods used to realize diversity and process sub-channel fading signals is also made, Their basic principles are analyzed. Some key parameters are discussions are used to compare these methods. The results show that diversity can greatly improve the performance of the system, for which it wins wide use. Finally, I simulated the RAKE receiver simply.KEY WORDS: diversity technique, wide-band mobile communications system, fading channel, form of realizing diversity目 录第一章 绪 论51.1 分集技术产生和研究的背景51.2 无线传输信道51.2.1 信道简述61.2.2 无线传输的多径和多普勒频移现象71.2.3 多径时变信道的统计参数71.2.4 衰落信道的几种幅度分布81.2.5 抗多径技术101.3 分集技术在理论和实际系统中的重要作用111.4 小结12第二章 分集技术的基本原理132.1 概述132.2 几种常用的分集实现方法142.2.1 天线分集(Antenna Diversity)142.2.2 频率分集(Frequency Diversity)142.2.3 码分集(Code Diversity)162.2.4 时间分集(Time Diversity)162.2.5 扫描分集(Switched Combining Diversity)172.2.6 极化分集182.2.7 发送分集182.2.8 其它的分集实现方法192.3 小结20第三章 目前分集技术的应用213.1 分集技术对第三代移动通信系统的影响213.2 第三代移动通信标准中的几种发射分集233.2.1 正交发射分集OTD233.2.2 选择式发射分集STD233.2.3 时间切换发射分集TSTD243.3 分集技术与其它技术的结合使用对第三代移动通信系统的影响253.4 小结25第四章 分集支路处理方法274.1 常用的分集支路的处理方法274.1.1 最大比值合并MRC (Maximum Ratio Combining)274.1.2 等增益合并EGC (Equal Gain Combining)284.1.3 选择式合并SC(Selective Combining)284.1.4 最大似然合并ML (Maximum Likelihood)304.1.5 最小均方误差合并MMSE (Minimum (lean Square Error)314.2 多径分集及RAKE处理技术314.3 小结32第五章 RAKE接收机的基本原理与简单的实现仿真335.1 RAKE接收的实质335.2 RAKE接收机的导出335.2.1 频率选择性信道的抽头延迟线模型335.2.2 二进制信号的RAKE接收机355.3 对其进行仿真实验365.4 小结37结束语38参 考 文 献40致 谢41附 录42第一章 绪 论1.1 分集技术产生和研究的背景移动通信由于灵活性和方便性，在过去几十年中得到了飞速发展。从以模拟技术为基础，以话音为主要业务的第一代移动通信系统，到以数字技术为基础，兼有话音和数据业务的第二代移动通信系统，再到以数字技术为基础，同时提供话音，数据，图像及其他多媒体高速业务的第三代移动通信系统，随着无线传输技术RTT(Radio Transmission Technology)的不断完善，系统性能不断的得到提高。与以往的系统相比，目前移动通信系统中信号的传输质量已经有了很大的改进，但是，与普通的有线电话相比，仍然存在一定的差距，这主要是受到了移动信道的限制。对于移动信道，它有两个主要特性：移动性。由于通信的一方或双方处于移动状态，整个通信过程中信道始终在变化，无法用单一的模型进行描述。这就给系统分析和设计带来了困难。衰落性。由于在移动的环境下，在接受端除了直射波外，还有各种反射波，绕射波和二次反射波等，它们在接收端合成后，会引起信号的剧烈变化，从而严重影响信号的传输质量。在衰落的情况下，系统的误码率和信噪比只成反比关系，这样，即使提高信噪比，系统性能的改善也相当有限，必须首先对衰落进行一定的处理。所以，对信道衰落的深入研究，必然会成为移动通信系统实现可靠传输的关键。 1.2 无线传输信道 在移动通信(特别是陆上移动通信)中，由于移动台的不断运动，导致接收信号强度和相位随时间、地点的不同而不断变化，场强衰落有时可达几十分贝，例如在城市环境中，一辆高速行驶的车辆上的移动台，其接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落严重破坏信号的传输质量，影响通信的可靠性。如何在恶劣的传播条件下保持可以接受的传输质量呢?必须采取各种技术措施来抵消电波衰落造成的不利影响，目前采用的技术有：分集，扩频，跳频，均衡，交织和纠错编码等。另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道中的衰落也有一定的适应能力，许多抗衰落的实用技术己经成功地应用于各种移动通信系统。这些抗衰落的技术并不是凭空想象的，必须基于对无线信道的研究。无线信道的研究成果往往用两种方式给出：一是对移动环境中电波传输特性给出某种统计描述，电波衰落特性的统计规律为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据；二是建立电波传播模型，包括图表、近似计算公式等，也可通过计算机建立模型。应用电波传播模型可对无线电波在传播中的损耗进行预测，直接为系统工程服务。 在移动通信系统的设计过程中，一般遵循以下步骤:首先，弄清电波在传输过程中可能发生的变化以及变化的原因;其次，弄清对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能的影响；最后，确定用什么方法或技术来克服这些不利影响。因此，本文虽然主要研究分集技术，但也必须了解相关的传输信道及其对传输质量和系统性能的影响，同时对RAKE接收机也进行了针对性的分析，并且对其进行了简单仿真实现。1.2.1 信道简述陆地无线移动信道是一种时变信道，当无线信号通过时，会受到很多方面的损害。接收信号的功率用公式表示为： （1-1）式中 表示移动台与基站的距离。表明接收信号功率是距离的函数，矢量表示了距离的方向性。当移动台运动时，距离又是时间的函数，因此上式可以表示成功率关于时间的函数。对于接收信号而言，知道其功率与知道其场强和幅度是等效的。 上式是信道对信号作用的一般表达式。式中的每一项代表一种衰落损耗。 其中自由空间传播损耗与弥散，用n表示，其中n=；阴影衰落，用S()表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落；多径衰落，用R()表示，这是由于移动环境的多径传输二引起的衰落，多径传输是移动信道中最具特色的部分。对于上述效应表现在三种不同的距离范围内：（1）.在几十个波长范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。这就是多径衰落，其衰落特性符合Rayleigh分布，这种衰落由于衰落速度较快，由可称为快衰落或短期衰落。在几十波长范围内对信号求平均，可得到短期中值。（2）.在几百波长的范围内，信号的短期中值也出现缓慢变化的特征，这就是阴影衰落，其衰落特性符合对数正态分布。这种衰落的速率较慢，又称作慢衰落。在较长的范围内对短期中值求平均可以得到长期中值。（3）.长期中值随基站的距离而变，其衰减特性一般服从d-n率。它体现的是以公里计的较大范围内的接收信号的变化特性。 从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，通过合理的设计，其不利影响总是可以消除的，而多径衰落严重影响信号的传输质量，并且是不可避免的，只能通过 抗衰落技术来减少其影响。 陆地移动信道的主要特征是多径传播，因此研究无线多径传播的基本特征是非常必要的，只有在了解多径衰落的基础上，才能提出解决办法。1.2.2 无线传输的多径和多普勒频移现象 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是从单一路径来的，而是从许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而来自各个路径的反射波的到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，会因同相叠加而增强，因反向叠加而减弱，从而引起接收信号的幅度急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径引起的，称为多径衰落。多径信号的各径在信到道中受到不同的时延，这样，接收机收到的信号就在时间上被展宽了，这叫多径展宽（或时延展宽）。由此引入多普勒现象，下面着重介绍一下多普勒频移。多普勒频移是由于移动台与基站间的相对运动引出的在接收信号上频移的改变。多普勒频移与移动台的运动速度，运动方向，以及接收机多径波的入射角有关。 （1-2）其中，为移动台的运动速度，为电波的波长，为移动台运动方向与移动台到基站连线（这一连线，严格来说应叫波达）之间的角度。前面提到了多径信道的时变特性是由于信道物理结构的时变性引起的，其中由于移动台的运动造成的多普勒频移是最重要的原因。1.2.3 多径时变信道的统计参数前面提到的多径展宽是用来表征信道各径相对时延的大小。通俗地说，多径展宽指信道输入端施加一冲激，接收端收到第一个响应后(即最先到达接收机的那一径信号)，经过多长时间仍有对应于该冲激的响应(经过一定时延的路径信号)。多径展宽用来表示。相干带宽是由多径展宽导出来的。相干带宽的物理意义可描述为：信道对多大频率范围内的输入信号可视为“平坦”的(即信道以几乎相同的增益和线性相位通过这一频率范围内的所有频率分量)。相干带宽与多径展宽的关系常可简单地用下式来描述： （1-3）多径展宽对发送信号的影响与发送信号本身的特性有密切的关系，如记发送信号的周期为，带宽为，那么可依据发送信号本身特性与信道特性的关系，将多径衰落分为平坦衰落和频率选择性衰落两种类型。当，时，则发送信号就会在信道中受到平坦衰落；当，时，则发送信号就会在信道中受到频率选择性衰落。 平坦衰落使信号受到乘性失真。典型的平坦衰落信道会造成接收信号的深衰落，在深衰落期间，与非衰落信道相比，为获得较低的误比特率BER，常需要增加2030dB的发送功率，这在移动通信中是很不现实的。为了对抗深衰落，常采用大线分集、频率分集等技术。 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号的带宽，那么该信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。在此条件下，信道冲激响应的多径展宽大于信号周期，这样接收到的是发送信号的多个幅度受到衰减，时间上被延时的版本。一般来说，信道中就引入了符号间干扰。对GSM系统而言，就需要进行均衡。对CDMA系统而言，由于扩频序列设计得具有优良的自相关特性，即相邻码片的相关性很小，因此多径展宽造成的多径分量，如果两个多径分量的相对延时超过一个码片的宽度，在CDMA 接收机上就好像彼此不相关似的，这也就是RAKE接收机的基本原理所在，也是CDMA技术固有的对抗多径衰落的能力和优点。 在实际环境中，尤其是城市地区，由于存在各种建筑物，接收信号中含有大量反射波。环境虽然复杂，但并不是毫无规律可循，一般在离基站较远、反射物较多的地区，符合以下假设：（1）.发射机与接收机之间没有直射波通路；（2）.有大量反射波存在，到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，在之间均匀分布；（3）.各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。在这种情况下，接收信号包络的衰落服从Rayleigh分布，因而多径衰落通常又称为Rayleigh衰落。 在距离基站较近的区域中，通常有较强的直射波，这样就存在占支配地位的信号。理论上可以证明，当存在占支配地位的分量时，大量随机变量之和服从Rician分布。在微蜂窝环境中进行电波传播测试，并做统计分析，所得结果也表明，在有直射波存在的条件下，接收信号幅度服从Rician分布。下面将分别介绍三种幅度分布。1.2.4 衰落信道的几种幅度分布(1) . Rayleigh分布 Rayieigh分布是最常用的一种衰落幅度分布，主要用于没有直射分量存在的信道，这时接收信号主要由各种反射波、折射波和散射波组成。它的分布密度函数为： （1-4）为幅度，为均方差。对应的累积分布函数为： （1-5） 0. Rayleigh分布常用于描述电离层、对流层散射信道以及无视距传输的地面移动通信信道，它们都具有近似符合Rayleigh分布的衰落幅度。(2) . Rician分布 Rician分布也是一种比较常用的衰落幅度分布。它主要用于存在直射分量的信道中，这时，接收信号主要由直射波和各种反射波、折射波、散射波组成。它的幅度参数实际上由一个随机的衰落分量和一个固定的直射分量组成。它的分布密度函数为： （1-6） 从物理意义上说，是Rician信道中直射分量的强度，是Rician信道中衰落分量的强度。令，当H=0时，对应于Rayleigh分布。时，即为Rician分布。一般认为H在2-7dB时信道才是典型的Rician分布。 Rician分布常用于描述办公楼内，工厂厂房内及其它的一些室内传输环境。在这些传输环境中，信道中都存在固定的直射分量。(3) . Nakagami-m分布 Nakagami-m分布是另外一种比较常用的分布。在描述具体的实测数据结果时，由于它可通过调节m的大小来拟合数据，因此比其它分布更具灵活性。同时，Rayleigh分布和单边高斯分布都是它在m取特定值时的特殊情况，因此它的应用范围也较广。它的分布密度函数为： （1-7）m是Nakagami衰落参数，且，方差 （1-8） 当m=1/2时，Nakagami-m分布成为单边高斯分布。当m=1时，Nakagami-m分布又成为Rayleigh分布。当时，Nakagami-m分布表示无衰落时的情况。 有一点需要说明，移动信道的多径效应引起的多径衰落具有空间分布特征。在三维空间中，由于大量反射波相互干涉，形成不同衰落深度的空间梯度分布。有的区域衰落深一些，有的区域衰落浅一些。可以做这样的比喻，在电波覆盖的空间，分布着许多深浅不同的洞，移动台的接收天线一旦进入洞内，接收信号就会发生不同深度的衰落。在城市移动环境中，当接收信号恶劣时，也许移动台稍微移动一点位置，接收信号立刻变好了，这是由于接收天线稍做移动即离开了深度衰落区域的缘故。 还有一类是限定空间的无线传输环境，是指电波传播的非自由空间。例如高楼大厦的室内、地下商业街、地铁和隧道等。在这些场所，空间的大小和形状、墙体的厚度和材料、同时使用的用户密度等等，诸多因素影响着信号的传输，很难建立统一的信道模型，必须通过测试来确定。有时还会采取一些特殊的方式，以实现信号的覆盖。例如，在隧道中，可以用天线辐射方式或同轴电缆泄露电波的LCX方式。不同的方式效果不同，天线辐射方式在没有汽车行驶时，测得的信号还比较好，但有行驶的汽车等障碍物时，整个隧道内的电波会产生很深的衰落。如果隧道侧面敷设LCX辐射电波时，沿隧道方向接收的信号会非常平稳。 从上面的介绍我们可以看出，无线信道是复杂多变的，但多径衰落是其最主要的特征，那么应该采用什么技术来提高系统的抗多径性能呢?1.2.5 抗多径技术 由于多径衰落严重影响了信号传输的质量，因此对抗多径衰落技术的研究一直倍受关注，己经有很多研究成果，主要包括:自适应均衡、跳频/扩频、交织和分集技术等。其中主要且行之有效的技术之一是分集技术。（l）. 自适应均衡技术 均衡技术是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消由于多径传播引起的时延扩展所造成的码间干扰。由于信道是时变的，这就要求均衡器的特性能够根据信道的变化自适应地调节，因此称自适应均衡。 均衡用于解决符号间干扰问题，适合于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。它可分为时域均衡和频域均衡。频域均衡是使总的传输函数(包括信道传输函数和均衡传输函数)满足无失真传输条件，即校正幅频特性和群时延特性。模拟通信多采用频域均衡。时域均衡是总的冲击响应满足无码间干扰的条件。在GSM中主要采用判决反馈均衡器和最大似然序列估值器构成的自适应信道估值器。但在CDMA系统中，信号的多径是可以分离的，不使用自适应均衡，而是采用RAKE接收技术。（2）. 跳频/扩频技术 跳频抗多径的原理:若发射信号的载波频率为1，在多径传播环境中，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一个频率0，上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。为此要求跳频信号的驻留时间小于多径延迟的时间差。如果多径延迟的时间差为1 us，则要求跳频速率为106 跳/秒，目前要实现这样高的跳频在技术上还存在困难。但GSM中提供了可供选择的慢跳频，是在传输链路上的分集。慢跳频的原理是:每个移动台在每个TDMA帧的发送时隙改变一次频率。 直接扩频抗多径的原理:当发送的直接序列扩频信号的码片宽度TC小于等于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而达到了抗多径效果。若最小多径延迟时间差为1 us，则要求直扩信号的码片宽度TC小于等于1us，即要求码片速率RC大于等于1 M chip/s。在窄带CDMA系统标准IS-95中，采用的码片速率RC为1.23 M chip/s 。因此可以抗多径干扰的时延是1 us。跳频扩频技术是把直接序列扩频和跳频结合起来，使较宽的直接序列扩展频谱在更宽的频带范围内按一定是跳频规律跳变，在一段时间内均匀使用更宽的频带，跳频扩频技术兼具直扩和跳频的优点，在带宽允许的情况下，可以抗强噪声干扰。（3）. 交织交织是把一个序列重新组合，以获得时间分集，从而将较长的突发差错离散成随机差错。交织深度越大，离散度越大，抗突发差错的能力也越强，但需要处理交织编码的时间也越长。它是以时间为代价的，属于时间隐分集。常用的交织方法有分组交织和卷积交织。（4）. 分集技术 分集接收技术是将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将这些信号的按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪比，对数字信号而言，使误码率最小。 分集技术用来减小衰落的影响，在不增加发射机功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性。分集接收的基本思想，如果对同一信号做两个或多个采样，这些样本的衰落是互不相关的。这意味着所有样本同时低于一个给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小得多。如果其中单个样本低于给定值的概率是p，则L个样本同时低于该值的概率是pL，因此，在接收端将不同样本适当合并而成的信号比任何一个单个样本的衰落要小得多，从而改善了传输的可靠性。分集技术是抗衰落的最有效的方法，也是本文研究的重点，下面将详细介绍各种分集技术和性能。1.3 分集技术在理论和实际系统中的重要作用在现有的抗衰落手段中，分集技术是比较有效的一种。它的实现相对较为简单，不需要复杂的控制过程或算法结构，而得到的系统性能改善却较为令人满意，因此获得了广泛的应用。从后面有关分集技术在第三代移动通信系统中应用的研究中将会看到，不管无线传输技术的其他部分如何地有差别，所有第三代移动通信标准都采用了天线分集，频率分集和其它一些常用的分集技术，而且所有的第三代移动通信标准在接收端都采用了Rake处理。可以得出结论，宽带移动通信系统中分集技术的研究具有重要的实际应用价值。从移动通信本身来说，分集技术是整个移动通信系统无线传输技术中不可缺少的部分。其他技术，如调制，编码等应用到移动通信系统中时，都会遇到信道衰落引起的性能恶化。如果与分集技术相结合，则可以扩大它们原有的一些研究成果的应用范围。另外，分集技术更具有普遍的适用性。在雷达探测目标时，为了提高雷达的检测概率，可以采用积累脉冲的方法，这种处理与分集的原理类似，在水下通信中，由于海水盐度，温度的不均及其它一些原因，信道也存在与地面移动通信中类似的衰落问题，也必须采用一定的分集技术加以解决。在微波通信中，在高空平台通信中，采用分集技术，系统的性能都能得到有效的改善。因此，研究宽带移动通信系统中的分集技术，也能用于改善其它通信方式的性能。综上所述，分集技术的研究有着重要的理论意义和实际价值。对于分集技术在目前的应用以及具体作用体现会在第三章中作详细介绍。1.4 小结 这一章首先对分集技术的产生背景和无线传输信道做了简单的介绍，在无线信道中主要讲了多径衰落及其衰落信道的几种幅度分布。从而进一步讲抗多径衰落技术，在各种技术中得出分集技术是最有效的一种，这也正是本文的研究重点所在。下面一章中我们主要介绍分集技术的基本原理及其各种分集的实现方法。第二章 分集技术的基本原理2.1 概述在不采取任何措施的情况下，衰落会使移动通信系统的性能严重恶化。分集技术正是解决这一问题的有效途径。它的出发点是构造多条具有独立衰落特性的分集支路，由于所有独立支路都遭到深衰落的概率远远低于一条支路的情况，通过对分集支路进行处理，当某支路遭到深衰落时，减少其在总输出信号中的权值或选择其它衰落较轻的支路作为输出信号，使衰落的影响大大降低。下图给出了Rayleigh信道中，采用相干PSK检测，有分集及无分集时系统性能的比较。Rayleigh信道中相干PSK检测有分集与无分集之比较 （ 图2-1）由图可以看出，分集技术的采用有效地改善了移动通信系统的性能。根据获得分集支路的方法的不同，分集实现方法分为：天线分集，频率分集，码分集，时间分集，角度分集，极化分集，场分量分集以及发送分集等。对于宽带信号，还可以采用多径分集，对于快衰落信道中的宽带信号，还可以采用联合多径-多普勒分集。形成的多个独立分集的处理方法也有多种：最大比值合并，等增益合并，选择式合并，最小均方误差合并，最大似然合并等。分集又常常分为宏分集、微分集两类。宏分集：对抗大尺度衰落(由陆地地貌或周围环境的特征引起的阴影效应，在深阴影下，接收信号场强可能会远低于自由空间信号场强)如CDMA系统中，移动台在切换时，相邻基站同时发送承载相同信息的信号，提供宏分集，与软切换结合在一起。 微分集：用于对抗小尺度衰落，如天线分集(空间分集)、时间分集、极化分集等。这一章研究分集技术的基本原理。第二节讨论几种常用的分集实现方法的一般原理和特点。2.2 几种常用的分集实现方法2.2.1 天线分集(Antenna Diversity) 天线分集是最常用的一种分集技术，通常大家会把它直接称为空间分集。它利用电磁波的非相干性得到具有独立衰落特性的分集支路。具体地讲，天线分集在相距d的地方各放置若干天线，相邻天线间的距离可以相等，也可以不等。通过适当选择天线的间距d，使每个天线的发射信号互不相干.当所有的天线发射的都是同一信号时，就形成了分集。 理论和工程实际中己经证明，信号的相关系数主要和天线间距跟波长的比值/ 有关，.理想情况下，通过天线间距的选择，可以使信号间的相关系数等于0。工程实践中，综合考虑各种因素，常取0.3到0.7之间。 天线分集由于是利用电磁波的非相干性，一般较多用于高频系统中。它的优点是占用的频率资源较少，实现较为简单.它的缺点是会引起通信设备的大型化，功耗也会增加。从用户的角度考虑，总希望移动终端体积越小越好，其功耗也要尽可能小。在第三代移动通信系统中，这作为系统实现的一个要求已经明确提出。这种情况下，如果要继续使用天线分集，传统的接收分集的实现形式必须有所改变。一个办法是引入天线的发射分集。第三章将会对与此有关的问题进行深入地研究。2.2.2 频率分集(Frequency Diversity) 频率分集也是一种比较常用的分集实现方法。它利用频率的正交性形成具有独立衰落特性的分集支路。具体地说，频率分集用频率间隔为的不同载频发送同一信号，接收端对各支路上的信号进行处理.通过频率间隔的选择，可以保证不同载频的信号互相独立。 前面衰落信道的理论指出，当信号不同分量的频率间隔大于信道相干带宽（）C 时，各分量受信道的影响独立。如果使发送同一信号的不同载频的间隔也大于信道的相干带宽，这些载频形成的分集支路也是独立的。所以实现频率分集的一个简单的方法就是使不同载频的频率间隔（）C, W. C. Jakes已经证明，利用信道的频率选择性实现频率分集时，不同载频的信号间的相关系数满足： （2-1）为频率间隔，Tm为信道时延扩展。给定Tm时, 与的关系如图所示：与的关系图 图（2-2）Tm为信道时延扩展，单位为秒、毫秒或微秒，为频率间隔，对应的单位为赫兹、千赫或兆赫。利用信道的频率选择性形成频率分集时，信号相关系数与频率间隔、信道时延扩展有关。工程上常取信道的相干带宽为： （2-2） 频率分集的优点是使用的天线数目少，不占用太多的空间，需要的功耗也较少。它的缺点是占用的频率资源太多。为了形成不同的分集支路，必须使用多个频率，并且这些频率的间隔必须大于一定的值。 频率分集在移动通信系统中有着广泛的应用。例如，对于跳频通信，它的基本原理是通过随机跳频图案的控制，从一组频率中选择部分来发送信号。如果这些不同的频率发射的是同一信号时，相当于就是频率分集。再如后面将要介绍的多径分集，它实际上也是一种频率分集，不同的是它的独立衰落特性的分集支路是利用从同一宽带信号中分离出来的不同多径分量来形成的，而不是用不同的载频形成的。频率分集技术经常用在频分双工（FDM）方式的视距微波链路中。由于对流层的传播和折射，有时会在传播中发生深度衰落。在实际应用中，有一种工作方式被称为1：N保护交换方式。在这种方式中，有一个频道是空闲的，但它只是名义上的空闲，实际上是一个备用频道，可以用来提供和同一链路上N个载频（这些载频上的业务是相互独立的）中任一载频间的频率分集切换。当需要分集时，相应的业务被切换到备用频率上。这项技术的缺点是，它不仅需要备用带宽，而且需要有和频率分集中采用频道数相等的若干个接收机。但是，对于特殊业务，这个费用也许是划算的。频率分集也常常与天线分集结合使用。例如，在第三代移动通信系统中采用的多载波(Multi-Carrier)技术，如果结合发射端的多个天线，实际上就可以构成所谓的空间一频率分集(Space-Frequency Diversity)。2.2.3 码分集(Code Diversity) 码分集在扩频通信系统中比较常用。它利用码字的正交性获得具有独立衰落特性的分集支路。具体地说，码分集用正交的伪随机码对同一信号进行扩频,接收端对各支路进行处理。通过伪随机码的设计，可以保证不同伪随机码扩频的信号间的独立性。 目前比较常用的是Walsh码。对于一般的多用户系统，每个用户都会分配一个伪随机码W。采用码分集后，由于每个分集支路要一个正交伪随机码，如果是N重分集，必然要求有N倍的正交伪随机码，这样会影响多用户系统的容量。第三代移动通信系统采用码扩展的方法解决这一问题，例如，在两重分集时，令W1和W2分别等于和, W1为W的取反扩展，W2为W的原码扩展。这样，伪随机码的长度增加了，而有效数目不变。可以预料，码分集的重数不能太大。 码分集的优点与频率分集的类似，可以节省空间，把空间上的复杂性变成算法上的复杂性。它的缺点是消耗了正交码资源，给系统容量的提高，伪随机的设计提出了更高的要求，并且当正交码有残余的相关性时，系统中的多用户干扰会加剧。2.2.4 时间分集(Time Diversity) 时间分集利用时间的正交性形成具有独立衰落特性的分集支路。具体地说，时间分集把同一码元以一定的时间间隔重复发射若干次，在接收端再进行相应的处理。通过选择时间间隔，就能保证不同分集支路间的独立性。 一种简单的时间分集实现方法是利用信道的时间选择性。由衰落信道的理论，当码元间隔大于信道的相干时间()c时，同一码元内间隔大于()c的时间分量受信道的影响将独立。如果使传送同一信号的不同码元的时间间隔也大于信道的相干时间，则这些不同码元形成的分集支路也是独立的。所以只要令发送同一信号的不同码元的时间间隔()c,就能实现时间分集。W. C. Jake:证明，在利用信道的时间选择性实现时间分集时，信号间的相关系数满足： （2-3） J0(.)为0阶第一类贝塞尔函数，为波长，为移动终端的移动速度。信号的相关系数与波长，时间间隔和移动速度有关。当=0，即移动终端静止时，=1，这时，利用信道的时间选择性形成的时间分集完全失效。 实际系统中，时间分集常常通过采用各种交织和编码技术来实现，又称为隐分集。从编码理论的角度看，时间分集与编码的思路是一致的，它们都是通过在信号中加入一定的冗余度来改善系统的性能。前述的时间分集实际上是一种简单的重复编码。 时间分集在移动通信中也有较多的应用，如跳时通信等。另外，时间分集也常与频率分集结合使用，在整个时频域分配时频单元，称为时频分集(Time-Frequency Diversity)。 2.2.5 扫描分集(Switched Combining Diversity)扫描分集也称反馈分集，它是开关型技术。任何情况下系数只有一个等于1。选择设备以一定顺序扫描信道直到有一个信号大于门限值。然后使用该信号直到它低于门限值。这时恢复扫描并选择新的信道。优点只需一个测量电路，缺点门限值的设置困难。如果设得太高会不停的从一个信道切换到另一信道。设得太低，就起不到分集的效果。但这种分集方式实现简单。合并简图如下：扫描分集实现合并简图图（2-3）2.2.6 极化分集在基站使用空间分集时，需要对分集技术进行改进，以降低成本。 对空间分集的直接改进是采用正交极化，这种分集技术称为极化分集。当路径被堵塞时，极化分集能够明显地减小多径时延扩展，而又不会明显减小接收地功率。下面介绍基站极化分集接收方法。假定信号以垂直极化方式从一移动台发射到基站。该信号在基站由具有两个支路地极化分集天线所接收。极化分集天线由两个天线元组成，它们与y轴地夹角为，称为极化角。假设一移动台的多径方向与分集天线主波束方向的夹角为。由于多径传播的原因，某些发射的垂直极化信号变成了水平极化信号。到达基站的信号可以表达为： （2-4）式中x ,y是偏移角时接收到的信号电平。假定具有独立的Rayleigh分布，而具有独立的分布。极化分集利用不同极化方向的信号互不相关的特性来形成具有独立衰落特性的分集支路。与空间分集比，它不需要天线间隔d,整个系统的结构较为紧凑，但是它的分集重数有限，不能满足大多数系统的性能要求。一些实际结果表明，极化分集是一种可行的分集接收技术。2.2.7 发送分集 发送分集用于下行是利用基站的多单元天线阵列完成的。一般认为发送分集比接收分集难于实现。因为一方面我们对信道情况不了解，另外分集信号的设计也是一大难题。与接收分集不同，发送信号在到达接收机之前已经合并在一起。接收机不知道组合系数。怎样设计信号使之保持正交性以使收端能有效的分离多天线信号并将其有效组合是提高性能的关键。 发送分集示意图 图（2-4）M个天线单元发空间分集如图所示。在k时刻其基带接收信号为： （2-5） 它是所有M个传输符号经过信道后的和。每根天线信号受到的信道影响可用复信号，来表示。是方差为N0/2的白高斯噪声。我们认为信道影响在一个符号时间内是恒定的，这对于静止或慢速移动情况下是适用的。 一组N个符号要符合以下约束条件： （2-6） 即无论每个要发送的符号在M个天线上怎样分布，其平均能量不变。 我们把用于CDMA的空间发送分集进行如下分类。根据是否知道信道信息可分为:闭环空间分集、开环空间分集。开环分集中根据发送编码情况分为:非编码分集、编码分集。非编码分集有以下几种方式时分、频分、码分、时移、频移。编码分集有以下几种:正交编码分集、时空编码分集。2.2.8 其它的分集实现方法 其它的分集实现方法包括，角度分集和场分量分集。相对于前面几种，它们在通信系统中用得并不多，这里只作简单地介绍。 角度分集利用不同到达方位角的电磁波间的正交性形成具有独立衰落特性的分集支路。它也能节省空间，提高天线的利用率，但是，它对天线的方向性要求较高，主要用于一些比天线分集频率更高的系统中。 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。2.3 小结 以上对各种不同的分集实现方法作了介绍。在产生多个独立的分集支路后，还要对这些支路上的信号进行处理才能最终获得分集增益，处理的结果直接决定了分集技术的性能。下面对目前分集技术的应用和影响做一点介绍和分析，尤其是发射分集在第三代移动通信中的应用将做重点介绍。第三章 目前分集技术的应用 采用分集技术，系统的性能得到了有效地改善，所以分集技术获得了越来越广泛的应用。第三代移动通信系统作为一种宽带移动通信系统。它的关键特性包括提供高质量、高可靠性的业务，世界范围内使用小型的便携式终端，在各种环境下都能可靠地工作，为了实现这些关键特性，就对移动通信系统的无线传输技术RTT提出了苛刻的要求。 本章以第三代移动通信系统为例，研究分集技术在宽带移动通信系统中的应用。第一节讨论分集技术对第三代移动通信系统的影响。第二节介绍几种发射分集的基本原理及其应用。第三节简单介绍了分集技术与其他技术相结合使用对第三代移动通信系统的影响。3.1 分集技术对第三代移动通信系统的影响 从制定第三代移动通信标准到目前分集技术在通信系统中应用的实际中体现出：分集技术的使用较大地改善了第三代移动通信系统的性能。它也绝对可以称之为是抗衰落的关键技术。天线分集能够获得分集增益是由于它能保证总有一路信号在最佳信道上传输。在总的干扰和噪声 固定的情况下，相对地减少了分布在每个分集支路上干扰和噪声的功率，提高了支路的信干比SIR. CDMA2000标准在反向链路的基本和补充业务信道上引入了天线分集，这时，即使在时延扩展很小(小于1 chip,使Rake处理机无法正常工作)的环境中也可以对接收信号进行分集处理。这时，天线分集提供的增益对CDMA2000系统来说已经是必不可少的。 天线分集也常与其它分集技术，如频率分集，时间分集等结合使用。同样在CDMA2000中，它采用了多载波，多天线组合，相当于天线分集与频率分集的结合，这种组合提高了系统结构的灵活性。而且由于第三代移动通信系统是一种宽带移动通信系统，正如研究的，第三代移动通信系统中的天线分集一般情况下都与Rake处理同时使用。下面给出了一种基站结构：天线与Rake处理同时使用基站结构图 图（3-1） Rake处理取两抽头，DPSK调制，扩频码长N=63, Rayleigh衰落信道，并设信道参数确知，它的性能仿真结果如图所示： 两抽头Rake处理性能仿真结果图 图（3-2）3.2 第三代移动通信标准中的几种发射分集传统的天线分集使用接收分集的形式。在前向链路中，由于接收端是移动台，必须把多天线放在移动台上，这样必然会增加移动台的体积、功耗等。针对这一问题，第三代移动通信系统采用了发射分集的形式。目前，第三代移动通信系统中的发射分集主要有两种:正交发射分集OTD(Orthogonal Transmission Diversity)、时分发射分集TDTD(Time Division Transmission Diversity)。根据天线的选择方式，TDTD又分两类:时间切换发射分集TSTD(Time Switched Transmission Diversity)和选择式发射分集STD ( Selectable Transmission Diversity)。下面介绍它们的基本原理。3.2.1 正交发射分集OTD 正交发射分集同时利用伪随机码间的正交性和不同的天线来实现分集，是码分集与天线分集的一种结合。对单个用户，卷积和交织后的数据成为已编码码流输入后，被复制成相同的多路.每一路由一个正交伪随机码扩频。设两个正交伪随机码分别为W0 ，W1第三章中已经讨论过，第三代移动通信系统采用码扩展的办法来获得WO , W1，以避免影响多用户系统的容量。 经过WO , W1,扩频后的信号再进行串/并变换，各被分成I, Q两路，让它们的同相分量、正交分量分别用伪随机码PN1， PNQ。作二次扩频，然后加到载频上发射出去，从而完成正交发射分集.伪随机码PN 1,PNQ分别由同一伪随机码发生器产生。它们之间也应该是正交的。 正交发射分集主要用于在导频信道(Pilot Channel)上传送导频信号。这时导频信号根据天线的数目被复制成多路，使得接收端的多天线信号可同时进行相干检测。在第三代移动通信标准中，作为一种可选功能，OTD还可扩展为4或8天线。 第三代移动通信标准提供的仿真结果表明，在高速传输时，OTD有2.5dB的分集增益。在低速时，这一增益可增至7dB。3.2.2 选择式发射分集STD 选择式发射分集是通过选择信道条件较好的天线发射信号以减轻衰落的影响。经过卷积和交织后的数据先与伪随机码WN相乘，WN对同一个小区是相同的，这样就消除了小区间用户信号的干扰。所得的信号再用伪随机码PN二次扩频后，送入选择开关，由选择开关决定从哪根天线发射。对于选择式发射分集，选择的决定是建立在移动台发来的切换控制指令SCC(Switching Control Command)的基础上。发射端先利用正交发射分集发送导频信号，接收端设置对应不同信道的信道估计器，利用接收的导频信号对信道条件进行估测，从中选出一个，并通过反向链路向发射端发送SCC指令。 为了使基站尽快作出天线选择，SCC与反向链路上的其它信息不同。SCC不进行纠错编码，以尽可能减少中间的时延。同时又考虑到这一信息比较重要，因此SCC又采用简单的重复编码，使误码率控制在可接受的范围内。 这样，选择式发射分集首先通过导频信道导频信号的正交发射分集发送到移动台，由移动台选出信道条件好的天线，再通过SCC告知基站发射端，然后基站选择适当的天线发送用户数据。 选择式发射分集主要用于除导频信道以外的业务信道，信令信道等。它与闭环功率控制结合，在低速的场合如室内，步行时等，比其它发射分集方式的性能都要好。另外选择式发射分集只适于发射和接收都在同一频率上，即时分复用TDD的方式。3.2.3 时间切换发射分集TSTD 时间切换发射分集的结构与选择式发射分集的很相似，只是它没有导频信号的发送，也不需要SCC指令。这是因为时间切换发射分集中，天线的选择是由基站根据某个固定的图案或随机的图案直接作出的，因此不需要接收端进行天线选择。除了没有导频发送外，时间切换发射分集其它部分的结构与选择式发射分集相同。两种切换图如图所示： 采用固定间隔切换图案的时间切换发射分集 图（3-3）采用随机间隔切换图案的时间切换发射分集 图（3-4）时间切换发射分集主要用于业务信道，信令信道和同步信道。3.3 分集技术与其它技术的结合使用对第三代移动通信系统的影响 分集技术对第三代移动通信系统性能的影响还体现在它与其它技术的结合使用和对其它技术的影响上。在越区切换中采用宏分集，可以减小切换时的误帧率，提高灵活性，实现系统在不同的无线环境下的有效通信。在W-CDMA中，它在越区切换中使用了宏分集技术，主要用于小区内和小区间的软切换。而且它的无线网络控制器中有专门的宏分集控制部分。 分集技术与功率控制相结合.在CDMA2000中，前向链路采用分集技术，可以减少移动端MS接收处信号的瞬时波动，这样在移动端即使只使用开环功率控制，也能获得有效的传输功率控制，因为信号的动态范围己大大减小，较易预设控制电平范围。由于分集技术与其他技术的结合使用不做此次论文的重点，这里将不详细介绍。3.4 小结 这一章主要以第三代移动通信系统为例，分析了分集技术目前的应用情况。可以看出，分集技术作为一种高性价比的技术，己经广泛用于第三代移动通信系统中，为第三代移动通信系统总体目标的实现提供了有力的保证。尤其是分集支路的各种处理方法，尽管实现很复杂，但其确实是无以代替的。下一章我们就分析分集技术中的支路处理方法。 第四章 分集支路处理方法4.1 常用的分集支路的处理方法4.1.1 最大比值合并MRC (Maximum Ratio Combining) 最大比值合并是目前应用最广泛的一种分集支路处理方法，它在第二代、第三代移动通信系统中都得到了大量的使用。与其它的传统的分集支路处理方法相比，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。MRC的基本原理如图所示： MRC的基本原理图 图（4-1）MRC的合并表达式为： （4-1）N为分集支路的数目，an为加权系数。实际应用中常通过信道估计器不停地对信道进行采样估计来获得。如果加权系数取相应支路信号复幅值的共扼，则信号强的支路相应的加权大，信号弱的支路相应的加权也小，最后保证总有质量相对较高的信号进入下级处理，衰落的影响因此减少许多。可以证明，采用MRC后，系统的误码率降为与信噪比的N次方成反比。 最大比值合并充分利用了所有分集支路的有用能量，并通过加权系数a，对不同的分集支路根据信道实际情况作不同的处理，因此它的性能较好。W. C. Y. Lee给出了MRC时合并增益为： G=N （4-2） 由于要对信道进行估计以确定加权系数a., MRC的实现比较复杂，且在快衰落的环境中，它的性能会有所恶化。所以在实际环境中会考虑具体的支路处理方法。4.1.2 等增益合并EGC (Equal Gain Combining) 等增益合并是对最大比值合并性能和复杂度的种折中。 其合并表达式为： （4-3） 这里存在一个问题:由于每个支路信号的相位可能不同，直接相加会产生信号间的干涉。解决的办法是进行同相调整或者直接采用非相干接收去掉相位。等增益合并一般都在检测后进行，以避免调相类的调制方