无线通信技术中的分集技术研究.docx

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无线通信技术中的分集技术研究

**大学2012～2013学年**学期研究生课程考试

课程名称：

无线通信系统课程编号：

题目:

无线通信技术中的分集技术研究

研究生姓名:

评语:

成绩:

任课教师:

评阅日期:

无线通信技术中的分集技术研究

2013-06-13

摘要：

在无线通信系统中，衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一，分集技术是现代移动通信中抗衰落技术的重要手段。

本文介绍了分集技术的研究背景以及分类，分析了分集技术的演进过程和趋势，比如在3G中的应用，多天线分集技术以及在3GPPLTE中的应用。

分集技术不仅为无线通信解决了难题，并且促进了无线通信系统的快速发展。

关键字：

分集技术；3G；多天线技术；协同分集；3GPPLTE

Abstract：

Inthewirelesscommunicationsystem,thefadingeffectisoneofthemainfactorsaffectingthequalityofwirelesscommunications;thediversityisanimportantmeansoftheanti-fadingtechnologyinmodernmobilecommunicationtechnology.InthispaperDiversitytechnology,theresearchbackgroundandtheclassificationareintroduced.Thepaperanalyzesevolutionandtrendsofthediversity,suchastheapplicationin3G,multipleantennadiversitytechniqueanditsapplicationinthe3GPPLTE.Towirelesscommunicationsystem，diversitytechnologynotonlysolvedtheproblemandpromotedtherapiddevelopment.

Keywords:

diversitytechnique;3G;MIMO;cooperativediversity;3GPPLTE

1.引言

在无线通信中，发射信号可能经过直射、反射、散射等多条路径到达接收端，这些多径信号相互叠加会形成衰落，其中快衰落的衰落深度可达40dB，偶尔可达80dB。

衰落会严重影响通信质量（如会导致数字信号的高误码率等）。

为了减小衰落对通信质量的影响，可采用加大发射功率的方法，但这种方法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰，因此加大发射功率的方法实际上是不可行的。

目前使用的抗衰落方法主要有信道编码、均衡、扩频和分集。

在众多的抗衰落方法中，分集的效果最好。

分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。

分集技术的应运而生使得无线通信技术的发展更为迅速。

研究表明,分集技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，由此人们引入了多输入多输出（MIMO）技术，它能够利用无线通信中的多径提供分集增益，从而提高通信速率和质量。

目前MIMO技术已经成为无线通信中的研究热点。

虽然MIMO技术能够使系统的性能得到提升。

但是移动终端由于受到体积和成本的限制，安装多个天线变得非常困难，这就限制了MIMO技术的应用。

因此人们提出了协作分集技术，即在多用户环境下，每个单天线用户在发送自己信息的同时也为自己的协作伙伴发送信息,这样就形成了虚拟多天线系统。

协同分集同样可以达到完全分集的效果，从而可以在不改变用户天线数目的情况下,提高系统的传输可靠性。

本报告分为六个部分，第一部分介绍分集技术的研究意义与背景，这部分由左子凤完成。

第二部分简单介绍了分集技术的分类及原理，并详细描述了RAKE接收机在DS—CDMA系统中的性能，这部分是由左子凤完成的；第二部分介绍了发射分集在3G中的运用，详细介绍了开环发射分集和闭环发射分集的原理和应用，这部分是由王洁同学完成的；第三部分简单介绍了多天线技术的原理及其模型，这部分是由樊登峰同学完成的；第四部分介绍了协同技术，本部分是由张英同学完成的；第五部分介绍了3GPP的应用，本部分是由周景超同学完成的。

此外，中英文摘要是由周景超同学负责的，中文结论是由张英和王洁两位同学合作给出的，樊登峰同学负责本文格式的修改和任务的分配，由左子凤完成文章最终的校队和修改。

2.分集技术

2.1分集原理

2.1.1分集方式

分集方式包括时间分集、频率分集、极化分集和空间分集[1]。

（1）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。

（2）频率分集

频率分集是采用两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。

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）空间分集

如果天线安装的间隔足够大，那么不同天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。

使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列，其阵元之间有一定的距离。

这种分集方式叫做空间分集。

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。

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。

2.1.2分集接收技术

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，在接收端获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。

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）[2]。

假设

个输入信号电压为

，

，…，

，则合并器输出电压

为：

（2-1）

（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。

等增益合并是各支路的信号等增益相加，即式中加权系数

。

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。

（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。

最大比合并是在接收端有

个分集支路，信号强的支路相应的加权较大，信号弱的支路加权小。

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。

（3）选择式合并

采用选择式合并技术时，

个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从

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

作为参考的。

分集接收技术早已在模拟无线通信系统中得到成功应用，近年来在数字无线通信领域得到了更加广泛的应用。

目前，在GSM系统中，基站广泛采用二重空间分集接收，提高系统性能；在CDMA系统中，手机和基站都采用RAKE（多径）接收机进行分集接收，来减小衰落的影响。

2.2.RAKE接收机

2.2.1RAKE接收机的原理

在CDMA移动通信系统中，由于采用扩频技术后会使信号带宽变得很宽，若信号带宽W大于通道的相干带宽

时，信号在经过无线通道时会遭受频率选择性衰落产生多径时延，由于多径信号中含有可以利用的信号。

如果采用一般的接收方法可能使有用信号丢失信噪比下降。

为了提高接受信号的信噪比就引入复杂的接收机（RAKEreceiver）来收集每个路径的信号这样就能克服多重路径的影响，提高接受性能，通信受到多径衰落的影响。

RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。

RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并（如最大比值合并），变矢量合并为代数求和，从而增加了信号抗干扰能力、减少干扰、减轻衰落[3]。

2.2.2RAKE接收机在DS-CDMA中的性能

RAKE接收机在多径衰落信道上合成信号能量。

根据最大比值合并原理，输出端的SNR是各分支的SNR之和，并且假设信道中只存在高斯白噪声且编码是正交的[4-5]。

我们参考文献[5]，对DS—CDMA系统的RAKE接收机的性能进行仿真。

实验步骤如下：

A、为每个用户随机产生15位的比特数；

B、为每个用户形成一个PN序列；

C、信道添加AWGN噪声，通过时间延时产生不同衰减的多径信道；

D、比较有RAKE接收机和没有RAKE接收机信号的情况。

图2.1RAKE接收机的实现框图

图2.1是设计的RAKE接收机。

其中

是L个接受终端，相关器通过和发射端相同的PN序列得到不同的合并因子至加法器进行合并输出。

每个多径信号都有一个不同的时延，并且有不同衰减因子

，衰减因子可以在接收端通过相关器correlator重新获得。

在RAKE接收机的接收端，从相应的时延和衰减可以估计出信道路径的数目。

在估计完时延和衰减系数后，再用和发送端同样的PN序列估计出第一个用户的数据。

最后不同路径的信号根据最大比值合并（MRC）形成一个新的信号序列。

在实验中，我们假设是瑞利信道，并且传播时间间隔是10ms。

信道路径的数目等于用户的个数。

每个路径的延时等于传播时间间隔的整数倍。

每个