分集技术.docx

分集技术.docx

《分集技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分集技术.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分集技术

扩频通信

学院：

计算机与通信工程学院

专业：

信息与通信工程

摘要…………………………………………………………………………………2

关键词…………………………………………………………………………………2

1、接收分集技术概述…………………………………………………………………3

1.2分集技术分类……………………………………………………………………3

1.3无线信道衰落的基本特征………………………………………………………5

1.4瑞利衰落信道简介………………………………………………………………6

2、接收分集技术………………………………………………………………………7

2.1基本原理…………………………………………………………………………7

2.2接收合并技术……………………………………………………………………8

2.3分集改善效果简介………………………………………………………………15

3、接收分集的性能仿真………………………………………………………………15

4、结束语……………………………………………………………………………18

参考文献…………………………………………………………………………………19

附录………………………………………………………………………………………20

摘要：

在通信系统中，衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一，接收分集技术是现代移动通信中抗衰落技术的重要研究对象，而本文就主要讲述接收分集技术的理论及研究。

本文对于接收分集技术的研究背景和无线信道的衰落特征做了简要介绍，对接收分集技术中分集技术和合并技术作了比较详细分类与研究，尤其对最大比值合并、等增益合并、选择式合并技术做了详细的推论与对比，并进行了几个方面的仿真研究，对比三种合并方式的性能，得出的结论是最大比值合并的抗衰落特性是最佳的，同时在使用合并技术时，所用接收天线越多，合并性能越好。

关键词：

分集接收衰落无线信道分集技术合并技术信噪比误码率

1.接收分集技术概述

1.1分集技术分类

总结起来,发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线技术。

根据所涉及资源的不同,可分为如下几个大类：

（1）空间分集

我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。

当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。

空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。

这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。

经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d>0.61，并且最好选在l/4的奇数倍附近。

若减小天线间距，即使小到1/4，也能起到相当好的分集效果。

空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。

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。

空间分集还有两类变化形式:

极化分集，它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。

优点:

结构紧凑、节省空间;缺点:

由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB的损失;

角度分集:

由于地形、地貌、接收环境的不同，使得到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向，这样在接收端可以采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。

而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

（2）频率分集

频率分集是采用个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。

实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射。

当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。

同空间分集系统一样，在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小（即频率相关性较小），只有这样，才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。

在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差，即频率间隔△f=f2-f1越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。

频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以，一般又称它为带内（频带内）分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。

（3）时间分集

时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。

时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。

时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率，同时对于静止状态的移动台是无效果的。

（4）极化分集

在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。

利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2路衰落特性不相关的信号。

所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2路。

这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。

分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。

而且若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。

对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。

该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。

两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120“扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。

为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。

双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。

为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。

1.2无线信道衰落的基本特征

无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。

无线信道衰落有如下基本特征：

1、电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。

2、信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，接收信号的功率可以表达为：

P（d）=|d|^（-n）*S（d）*R（d），式中|d|表示移动台到基站的距离。

（1）电波在自由空间中的传播损耗|d|^（-n），也被称为大尺度衰落，其中n一般为3~4。

（2）阴影衰落S（d）表示传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或屏蔽而引发的衰落，被称为中等尺度衰落。

（3）多径衰落R（d）表示无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以进过多条路径达到接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不同，因此在接收端对多个信号进行叠加时，会造成同相相加，异相相减的现象，这也被称作小尺度衰落。

3、无线信道的时间弥散性（timedispersion）：

发射端发送一个窄带脉冲信号，在接收端可以收到多个窄带脉冲，而每个窄带脉冲的衰落和时延以及脉冲的个数都是不同的。

（1）最大时延扩展τmax：

接收端接收到的第一个脉冲到最后一个脉冲之间的最大时间。

在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰（ISI）。

为避免ISI，应该使得符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，即符号速率要小于最大时延扩展的倒数。

（2）相干带宽：

在频域内，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽。

实际应用中常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即：

（ΔB）c=1/（τmax）。

（3）频率选择性衰落：

当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，造成ISI，此时就认为发生了频率选择性衰落。

1.3瑞利衰落信道简介

瑞利衰落信道（Rayleighfadingchannel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。

这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。

在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。

同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化，故称为瑞利衰落。

如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外，还有从发射机直接到达接收机（如从卫星直接到达地面接收机）的信号，那么总信号的强度服从莱斯分布，故称为莱斯衰落。

一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时（间）延（迟）。

如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。

这种情况下多径不会造成符号间的干扰。

这种衰落称为平坦衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。

相反地，如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符号就会重叠在一起，造成符号间的干扰。

这种衰落称为频率选择性衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是不平坦的。

瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。

密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。

瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。

接收分集技术就是一种用来对抗瑞利衰落等信道衰落的技术，它使相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性，因而具有很重要的研究意义。

2.接收分集技术

2.1基本原理

根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。

这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。

空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。

分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）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同，信号多个副本的衰落就不会相同。

接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。

如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。

在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。

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。

2.2接收合并技术

2.2.1接收合并技术意义

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。

“分”与“集”是一对矛盾，在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。

从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。

合并时采用的准则与方式主要分为四种：

最大比值合并（MRC:

MaximalRatioCombining）、等增益合并（EGC:

EqualGainCombining）、选择式合并（SC:

SelectionCombining）和切换合并（SwitchingCombining）。

（1）等增益合并

等增益合并（EGC）也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。

等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。

它输出的结果是各路信号幅值的叠加。

对CDMA系统，它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态，即认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。

当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用EGC。

等增益合并的具体算法：

采用EGC时，第i个子载波上的增益因子可选为：

●

（2-1）

该方法仅考虑了相位偏移，没有考虑信道的幅度衰减对一接收信号的影响实现起来比较简单。

采用该方法后，判决变量可表示为:

（2-2）

其中噪声

可以近似为零均值的高斯随机变量，其方差为:

（2-3）

令

（2-4）

因为ρaj，ρbj，j=0，1，…，N/2-1为独立同分布（瑞利分布）的随机变量。

由中心极限定理可知，I包括（M-1）×N个独立同分布的随机变量，所以I是一高斯变量。

（2-5）

（2-6）

由式（2-2）可以看出，判决时的错误概率取决于信号的幅度

、干扰和噪声，假设ao=-1，则判决错误概率为：

（2-7）

因为am以相同的概率取1和-1，可知此时将-1判为1的错误概率就等于平均比特错误率。

由于干扰项和噪声项是独立的高斯变量，因此它们的和还是高斯变量，均值为0，方差为两者的和。

令，

即

（2-8）

采用互补误差函数对其进行变换：

（2-9）

得到

（2-10）

将（2-3）（2-6）代入（2-10）得到

（2-11）

为了得到平均错误概率的表达式，式（2-10）必须对幅度

求平均。

对

采用不同的近似时，可以得到不同的分布，采用中心极限定理CLT近似。

（2-12）

对采用CLT近似时的误码率的化简：

（2-13）

利用上式得到：

（2-14）

令平均信噪比

（2-15）

则

（2-16）

（2）最大比值合并（MRC）

在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。

在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。

上图即为结构图，由于各路信号在叠加时要求保证是同相位的（不同于选择式合并），因而每个天线通常都要有各自的接收机和调相电路。

最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和。

所以，即使当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时，最大比合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可以被解调的信号。

在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。

现在的DSP技术和数字接收技术，正在逐步采用这种最优的合并方式。

最大比值合并的具体算法：

对接收信号乘以增益系数后，相当于接收信号的平方，增益系数为：

（2-17）

用MRC的考虑是幅度比较大的接收信号所包含的噪声相对来说也比较小，对幅度取平方相当于增强了这种效果。

其相应的判决量为：

（2-18）

噪声可以近似为零均值的高斯随机变量，可知其方差为：

（2-19）

I包含（M-1）×N个独立同分布的随机变量，因此I可以近似为零均值的高斯随机变量：

（2-20）

（2-21）

其中

（2-22）

将（2-19）和（2-21）代入（2-10），得到

（2-23）

（2-10）

采用CLT近似后

（2-24）

根据（2-23）（2-24）可得

（2-25）

将（2-15）代入（2-25），得到

（2-26）

（3）选择式合并

采用选择式合并技术时，N个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从N个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。

每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。

但是在实际应用中，由于难以测量信噪比，因而实际上是用（S+N）/N作为参考的。

另外，实际所用的选择分集系统是无法以瞬时信噪比为基础进行工作的，但是它又必须被如此设计，以便择优电路的内部时间常数小于信号衰落速率的倒数。

（4）切换合并（SwitchingCombining）是选择式合并的简化版本！

接收机扫描所有的分集支路，并选择SNR在特定的预设门限之上的特定分支。

在该信号的SNR降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。

当SNR低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支，该方案也称为扫描合并。

由于切换合并并非连续选择最好的瞬间信号，因此他比选择合并可能要差一些。

但是，由于切换合并并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路，因此这种方法要简单得多，易于实现，只需要一个接收机。

结构如下图：

2.2.2合并方式性能比较

最大比合并方案在收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。

其译码过程简单、易实现。

合并增益与分集支路数N成正比。

等增益合并，当N（分集重数）较大时，等增益合并与最大比值合并后相差不多，约仅差1dB（1.2589倍）左右。

等增益合并实现比较简单，其设备也简单。

对选择合并和切换合并而言，两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的一个信号。

另外，它们也不需要知道信道状态信息。

因此，这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。

考虑差分相移键控（DPSK）多重分集系统在恒参信道下误码率为：

而在瑞利衰落信道下，平均误码率为：

，其中r（g）为g的概率密度函数。

当无分集时（M=1），平均误码率为：

以选择式合并为例，当二重分集（M=2）时，平均误码率为：

当平均信噪比时，则有：

当M=3时，则有：

同理可得出等增益合并与最大比值合并技术的平均误码率，如下表：

分集信号数

选择式合并

最大比值合并

等增益合并

M=2

M=3

由表格对比可知，使用分集合并技术后误码率得到明显改善，而最大比值合并在三种合并技术中的平均误码率最小，性能最佳。

2.3分集改善效果简介

分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果（好处）。

为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。

分集增益是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。

这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。

分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。

其比值越大，说明分集改善效果越好。

在数字微波系统中，不管采用哪一种分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强。

还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。

3.接收分集合并技术的性能仿真

3.1分别采用三种合并方式性能的比较

分别单独使用三种合并技术中的一种在二相相移键控（BPSK）瑞利衰落信道下二重分集的平均误码率进行仿真。

图3.1等增益合并（EGC）

图3.2最大比值合并（MRC）

图3.3选择式合并（SC）

通过仿真对比我们可以发现，通过合并技术，随着信噪比的增加，对误码率的改善效果逐步增加，采用三种合并方式均能比不使用合并技术获得更好的传输效果，达到抗衰落功效。

3.2三种合并技术的性能仿真对比

用接收分集技术的三种合并技术（最大比值合并，等增益合并，选择式合并）仿真Rake接收机进行性能对比，得到如下图：

图3.4

仿真结果表明：

最大比合并（MRC）在所有已知的线性分集合并方法中，抗衰落特性是最佳的，随着信噪比的增加曲线会更加陡峭，也就是说误码率随信噪比的增加而下降的速度会比采用另外两种时更快。

3.3采用多天线接收的性能仿真

这里以等增益合并为例采用多天线接收时的性能模拟，以单天线发射，不同数量的N根天线接收来进行对比。

分别用2根、4根、6根接收天线接收，仿真后效果如图所示：

图3.5

由此得出结论：

在使用合并技术中采用的天线数越多，性能效果越好。

4、结束语

现代通信的发展情况日新月异，各种高新技术不断涌现，尤其是接收分集技术特别突出，它可以在不断增加发送功率或系统带宽的情况下，克服多径衰落，达到分集增益，提高系统的通信性能。

本文对接收分集技术作了简单的概述，对三种合并技术进行了比较和仿真，取得了一定的收获和结论，使我对接收分集技术有了更全面的掌握。

参考文献

[1]，樊昌信，《通信原理》，电子工业出版社，2008

[2]，陈怀琛、吴大正、高西全，《Matlab》，电子工业出版社，2006

[3]，范哲源，《分集技术接收端三种合并方式的比较及仿真研究》，学位论文，2010

[4]，齐丽娜，《超宽带无线通信系统分集接收性能仿真与分析》，学位论文，2005

[5]，朱中华，《瑞利信道中的选择合并技术》，期刊论文，桂林电子工业学院学报，2004

[6]，熊宁，陈永志．宽带无线接入技术及其现状[J]．法制与社会，2008，1：

295-296．

[7]，赵慧玲．以软交换为核心的下一代网络技术[M]．北京：

人民邮电出版社，2002．

[8]，尤克，胡智娟，陈曦．现代数字移动通信原理及实用技术[M]，北京：

北京航空

[9]，汤一彬，范乐昊.协作分集技术中的分集协议.重庆邮电学报2003，6

[10]，G.卡尔霍恩著,何英姿等译.数字蜂窝移动通信[M].人民邮电出版社,1997:

208-224.

附录

附文中所用仿真程序：

图3.1如下

%bpsk.m

%SimulationprogramtorealizeBPSKtransmissionsystem

%********************Prep