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无线通信技术中的分集技术研究综述
**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。
每个路径的衰减不相同但是在发射端预先设置好的。
采用BPSK的编码方式进行传播。
虽然接收机但不知道信道信息，所以信道的传播时延和衰减都可以通过PN序列估计出来。
假设最大的时延
，路径数目
。
图2.2是实验结果，可以看出接收端采用RAKE接收机比没有采用RAKE接收机的误比特率明显小了许多，接受信号质量较高。
图2.2有RAKE接收机和无RAKE接收机的BER
3.发射分集技术在3G中的应用
3.1研究背景及意义
无线通信技术采用天线分集方法抵抗信道衰落。
传统的天线分集是在接收端（移动台）采用多根天线进行接收分集的，并采用合并技术来获得好的信号质量。
但是由于移动台尺寸受限，很难获得等强度信号，且设备成本高，所以基站端通常采用发射分集技术。
发射分集是在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不同的信道中保持独立的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并，从而减少衰落的严重性。
基站的复杂度较移动台端限制少，且天线有足够空间，因此通常在基站端采用多副天线，在接收端采用一副天线。
发射分集成本代价比接收分集低，而且能够实现同一发射信号使多移动台获得发射增益（支持点对多点发射），传统的接收分集的发射增益只是针对一个移动台[6-7]。
3.2.发射分集技术分类
发射分集有很多种类，根据是否需要反馈，分为前馈分集与反馈分集，通常也被称为开环发射分集、闭环发射分集。
开环发射分集又分为空时发射分集、延迟分集、时间转换发射分集、相移发射分集、相位结合发射分集、正交发射分集、极化分集。
闭环发射分集为选择发射分集、Pre-Rake分集、发射自适应阵列等。
3.3.3G中的开环发射分集
第三代移动通信中的开环发射分集采用的是预置多天线分集方式[8-10]。
采用这种方式可获得增益，无需额外信令开销，且移动台复杂度仍然保持较低。
缺点是信道信息没有得到充分利用。
（1）时间转换发射分集
该分集方式是发射端以一个每帧固定的转换速率将用户的传输信号在两副天线间切换发射的，即天线的切换是以时隙为单位进行。
在不同的时隙使用不同的天线发射，例如奇时隙的数据在天线1上发射，偶时隙的数据在天线2上发射，如下图3.1所示。
图3.1时间转换发射分集
（2）正交发射分集
图3.2正交发射分集
和
是正交的长度为128的Walsh码（每个码元重复两次），
、
是信道复乘性系数。
编码比特b[n]被分成两路，令xo和xe分别表示奇、偶码元，则
天线发射信号为：
移动台接收到的信号为：
再使用同样的Walsh码对两路信号进行解扩并将其合并后就可恢复出原来的码元，如图3.2。
（3）空时发射分集
空时编码（spacetimecoding）是基于发射分集克服无线信道信号衰落的重要途径之一[11]。
空时码通过有效地分配不同的码元到不同的天线，并通过在天线间增加某种类型的时间冗余度以达到前向纠错目的。
空时码可以分为分组空时码和空时格码两种。
不管是哪种形式，L根发射天线的发射信号都可以用编码矩阵表示:
图3.3空时编码
列表示天线，每行则对应于调制码元出现时刻，
为第i根天线在第n时刻发射的码元。
一个编码矩阵从第k个码元开始，结束于（k+l-1），共有l个码元周期，这里l是有意义的码元周期数。
STTD则是基于空时编码的开环发射分集。
由于能够获得最大的分集增益，这种类型的开环发射分集已经被3GPP采用，如图3.4。
图3.4STTD发射机
xo和xe分别为奇偶码元，则两根天线上，如图3.4。
发射信号为：
（3-1）
（3-2）
接收码元：
（3-3）
发射信号估计为：
（3-4）
（4）空时扩频（STS）
space-timespreading码元采用多个Walsh码扩频，与STTD方式类似[12]。
发射码元表示为
（3-5）
（3-6）
恢复的数据流为
（3-7）
（3-8）
将
级联输入解调器进行解调。
STS以及STTD较OTD的优点在于所有的编码比特均在所有的天线上进行发射，因此在解码过程前还具有重复编码所获得的时间分集。
3.4.3G中的闭环发射分集
闭环发射分集在本质上是自适应的，其优点在于BS（基站）通过MS（移动台）反馈的信息已知下行链路信道状况，通过在下行链路周期性地发送训练信号，不同MS将其反馈发给BS[13-14]。
该信息被用来计算对每个移动台的最佳发射权重，这样在期望MS上接收功率最大，而对其他MS的干扰最小。
（1）选择发射分集（STD）
STD（selectivetransmitdiversity）是STTD的推广。
每个码元在任一个给定时刻通过一个天线发射。
MS使用每个天线发送的公共导频计算平均接收功率，并以此判断希望BS从该根天线发送信息，再将该判断通过反馈信道返回到BS。
（2）发射自适应阵列（TxAA）
TxAA是一种MS周期性的发射最佳发射权重的量化估计，并通过反馈信道发给BS。
发射机依据最佳权重使得发给MS的功率最大，如下图3.5：
图3.5发射自适应阵列法
假设两天线的发射信号到达时间很接近，单径情况，则MS接收的信号为：
（3-9）
为使接收功率最大，最佳的发射权重应该为；在多径的情况下H为矩阵而非向量，最佳权重将由信道相关矩阵给出。
STD实际上是TxAA的一种特例，它的权重为[0,1]或[1,0]。
假设TxAA的反馈机制能完全获得下行链路的信道信息，在解调和信道估计后信噪比为：
（3-10）
STTD可获得的最大信噪比为：
（3-11）
显然，STTD的最大SNR不可能大于TxAA的最大SNR。
（3）闭环发射分集存在的问题[15]
反馈精确性：
在慢平坦衰落环境中，具有精确反馈信息这一理想情况下闭环方案的性能明显要好于没有反馈的方案。
实际实现时反馈能力的有限性就使得反馈的精度成了一个很重要的因素
反馈误差：
反馈比特没有通过FEC（前向纠错）进行保护，因而BS采用的发射权重并不一定是MS期望的，有必要在MS进行权重修正，可采用公共导频信号来估计信道，也可利用业务信道内的导频码元来进行估计，实际应用的权重可以采用假设测试估计得到；另一个解决途径是使用直接判断法，在帧出错时，错误的输出比特用来创建帧的副本并与接收帧相比较，以决定帧中各时隙的权重。
反馈时延：
MS利用信道状态信息来估计反馈信息，但是在它将信息反馈给BS时总会有一定的时延。
解决途径是将信道建模为AR（自回归）过程，线性预测法可以用来估计AR系数，也可预测信道的未来状态。
移动台根据预测计算出反馈信息，这样就可减少反馈时延的影响。
4.MIMO技术
4.1MIMO技术的发展现状
随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的瓶颈，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
研究表明：
多天线技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发送功率的情况下，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量，是新一代无线通信系统（即所谓的Beyond3G/4G）可能采用的关键技术之一。
多输入多输出（MIMO）系统是近年来无线通信领域的一个重大突破，它通过在发送端和接收端分别安置多幅天线来实现，故称之为“多天线”技术，它可以看做是分集技术的一种衍生[16]。
目前，世界各国学者都在对MIMO的理论、性能、算法和实现等各方面进行着广泛的研究，MIMO技术已成为通信技术发展中最为炙手可热的课题。
纵观多天线技术的历史，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。
到20世纪70年代，由于军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天线阵列研究的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能降低了干扰。
到20世纪90年代初，人们发现使用多天线可以增加无线信道的容量。
1994年，Paul由和Kailath提出在发送端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容量[17]。
1996年，Roy和Ottersten提出在基站使用多天线可在同一信道上支持多个用户使用[18]。
随后，Bell实验室在20世纪90年代中后期一系列研究成果的出现，对多天线的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革。
Foshinia给出了一种MIMO处理算法——对角-贝尔实验室分层空时（D-BLAST）算法。
分层空时编码将信源数据分为若干字数据流，独立的进行编码、调制，频谱利用率可达40bps/Hz以上，但它较适于窄带系统和室内环境，不太适合应用于室外移动环境。
1998年，Tarokh等提出空时编码技术。
2003年，AirgoNetworks推出了世界上第一款集成MIMO技术的芯片AGN100（应用了MIMO技术的WiFi芯片，每信道108Mbps。
2006年，第三代TrueMIMO芯片，240Mbps）。
近年来，Agrawal等提出了一种OFDM与空时编码结合的MIMO方案[19]。
4.2MIMO技术原理
MIMO技术为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。
信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多条路径，MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的“虚拟信道”。
在接收端可用单一天线，也可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。
图4.1MIMO系统原理图
传输信息流经过空时编码等处理，形成M（k）个信息子流，这M（k）个信息子流由M（k）根天线发送出去，经过空间信道后由k根接收天线接收。
多天线接收机利用空时信号处理，能够分开并解码这些数据子流，从而实现高容量的最佳接收。
每个收发天线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成信道矩阵H，在某一时刻t,信道矩阵为：
（4-1）
其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。
4.3MIMO技术的优势
MIMO系统发展如此迅速，必然有其优势[21]
利用了多径效应，抵抗瑞利衰落。
多径衰落是影响通信质量的主要因素，也是通信中无法避免的问题。
MIMO技术不但没有设法消除多径信号，而是充分利用空间传播中的多径矢量，将信道与发射、接收视为一个整体进行优化——即当两处信号在被认为完全不相关的情况下实现多径信号的空间分集接收。
更优的频带利用率。
MIMO技术通过增大天线的数量来传输信息子流，多个数据子流同时发送到信道上，各发射信号占用同一频带，从而在不增加频带宽度的情况下增加频谱利用率。
更高的数据吞吐量。
MIMO技术在同一个频带上利用多个天线创造多个并行的空间信道，通过多个而且相对独立的数据子信道来发送信息。
在发射功率和带宽固定时，系统的容量随最小天线数的增加而线性增加。
更广的信号覆盖范围。
MIMO技术能将遇到反射体后产生的发射波、折射波或散射波来组合信号，扩大了单一流量的传输距离和天线的接受范围。
无线信号扩展到原本单一发射端的直接信号无法覆盖的范围，特别是覆盖到室内容易出现信号盲点的死角，真正让你无“盲区”之忧。
抗干扰能力强。
4.4MIMO信道模型及信道容量分析
4.4.1MIMO系统模型
MIMO即多发射天线多接收天线技术，NT副发射天线，NR副接收天线，系统模型图如下：
图4.2MIMO系统模型
MIMO系统输入输出关系可以写为：
（4-2）
4.4.2MIMO信道模型
无线通信系统的性能主要受到移动无线通信信道的制约。
在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路
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