分集技术及应用

分集技术及应用
1　分集接收的概念
　　在移动通信系统中，移动台经常工作在各种复杂的地理环境中，移动的方向和速度是任意的，发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播，使到达接收机输入端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，从而形成短期衰落（快衰落）。此外，还有长期衰落（慢衰落），它是由于电磁场受到地形或高大建筑物的阻挡或者气象条件的变化而形成的，慢衰落的信号电平起伏相对较缓。分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起来的移动通信中的一项重要技术，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。
　
2　分集技术的分类
　　根据分集的目的可分为：
　　（1） 宏观分集
　　它以抗慢衰落为目的。由于地面等高线的多样性，局部地区有多种多样的变化。如果仅仅使用一个天线场地，由于地形是变化的，如丘陵或山坡，移动台接收不到中心位置地面信号，因此，必须采用两个独立天线场地来发射或接收两个或多个不同信号，并组合这些信号，以降低慢衰落。选择性组合技术是宏观分集方案中最受欢迎的技术之一，它意味着总是选择两个衰落信号中最强的一个。
　　（2） 微观分集
　　它是以抗快衰落为目的采用同一天线场地方式的分集技术。根据获得独立路径信号的方法又可分为：空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集等。
　　根据信号传输的方式可分为：
　　（1） 显分集
　　构成明显的分集信号的传输方式，指利用多副天线接收信号的分集。
　　（2） 隐分集
　　分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集是只需一副天线来接收信号的分集，因此，在数字移动通信中得到了广泛的应用。目前，主要的隐分集技术有交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术等。
　
3　几种常用的显分集技术
　　（1）空间分集
　　空间分集是利用多副接收天线来实现的。在发端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ/2（λ为工作波长），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，从而降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。该技术在频分（FDMA）移动通信系统、时分系统（TDMA）及码分系统（CDMA）中都有应用。
　　（2）时间分集
　　时间分集就是将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去，要求重发信号的时隙间隔要大于信道相干时间，以保证重发信号在时域上的独立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号。若将信号以大于相干时间的时间间隔重复传输M次，就可以得到M条独立的分集支路。
　　（3）极化分集
　　在移动信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性。利用这一特点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是结构紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，将有3 dB的信号功率损失。
　　（4）频率分集
　　频率分集就是将信息分别在不同的载频上发射出去，要求载频间的频率间隔要大于信道相关带宽，以保证各频率分集信号在频域上的独立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号。在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。
　　（5） 角度分集
　　由于地形地貌及建筑物等通信环境的不同，到达接收端的信号来自不同的方向。在接收端利用方向性天线，分别指向不同的方向，则每个方向性天线收到的信号是互不相关的。采用这种方案，移动台比基地台的电路更有效。
　　（6） 多径分集

　　由于地面上建筑物等的影响，以及移动台本身移动速度和方向的任意性，使得移动台接收到的信号是经过多路反射、散射的传播路径后信号的叠加。由于这些信号经过的路径不同，到达接收端的时延和幅度各不相同，使接收到的信号是一个多径衰落信号。通常这一多径衰落信号的时延差很小且是随机的，对于窄带系统（如模拟TACS、数字GSM系统），在同一地点，到达的各路信号是相关的，无法分离。只有特定设计的扩频信号才可以进行分离，分离的手段是相关接收。因此，多径分集也称码分集，它要求直扩系统的时间（T）与带宽（W）的积远大于1，即TW>>1，对于带宽为W的系统，所能分离的最小路径时延差为1/W，对于直扩序列的码片宽度为Tc的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc，并且要求直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。使用RAKE接收技术，利用伪随机码的相关性，对各路信号分别进行相关接收，提出不同时延的相关峰，然后进行适当的合并，再进行信息解调。从而既克服了多径效应问题，又等效增加了接收功率（或发射功率）。
　
4　交织编码技术
　　交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。在实际移动通信环境下的衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。
　
5　跳频技术
　　由于移动通信电波传播多径效应引起的瑞利衰落与传输的发射频率有关，不同频率的信号遭受的衰落不同，而且随着频率差别增大时，衰落更加独立，当两个频率相距足够远时（如1 MHz），可认为它们是完全独立的（不相关的）。通过跳频，包含字码一部分的所有突发脉冲不会被瑞利衰落以同一方式破坏，从而提高系统的抗干扰能力。可见，跳频相当于频率分集。
　　跳频有慢跳频（SFH）和快跳频（FFH）两种。慢跳频的跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次。GSM系统中，传输频率在一个完整的突发脉冲传输期间保持不变，属于慢跳频。快跳频的跳频速率高于或等于信息比特率，即每个信息比特跳频一次以上。跳频的实现方式有两种，一是基带跳频，其原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率的发射机发射，基带跳频适合于发射机数量较多的高话务量小区。二是射频跳频，又称合成器跳频，它是话音信号使用固定的发射机，在一定跳频序列的控制下，频率合成器合成不同的频率来进行发射。射频跳频比基带跳频有更高的性能改善和抗同频干扰能力，但它只有当每个小区有4个以上频率时效果才比较明显，且需使用HIBRID合成器，会引入一定的衰耗，减小覆盖范围。
　　GSM系统的跳频是在时—频域内的时隙和频隙上进行的，换句话说，是在一定的时间间隔不断地在不同的频隙上跳变。为了保证在小区内的跳频信道之间不发生干扰，采用正交跳频组网方式，即小区内的跳频图案是相互正交的，从而不会使频率不同用户的通信在同一个时—频隙内发生碰撞。由于使用了跳频技术，不同的频率组中可以包含相同的频率，而能保证平均C/I值达到系统要求，从而提高了系统频谱利用率。从跳频组网而言，相邻小区为非正交跳频网。因此，相邻小区用户通信期间必然会发生时—频隙的重叠（碰撞）而形成干扰，一个好的跳频网的设计可使这种干扰降至最小。
　
6　应用实例
　　中国联通东营分公司使用的是北方电讯的GSM设备，基站有S8000型等。它采用了极化分集、空间分集、交织编码、跳频等多种显分集和隐分集技术。经实际应用与测试证明，在基站间距较小、高楼林立的市区，若安装环境较差，可采用体积较小的极化分集天线，它可以获得与空间分集同样甚至更好的效果；而在开阔的郊区及农村，则应采用增益较高的空间分集天线。
　　主集天线，同时作为TX1和TX2两个载频的发射天线，天线2为分集天线，同时作为TX3和TX4两个载频的发射天线。射频模块包括三部分：一是双工器，为接收频带和发射频带分别提供通道，从而使同一根天线既可接收信号又可发射信号，互不干扰；二是低噪声放大器（LNA），其主要作用是把天线接收下来的信号进行放大；三是合路器，它是把两个或更多个TX信号合到一起用一根天线发射出去。分离器的作用是把同一根天线接收到的不同频率的信号进行分离。这样，主集、分集两根天线分别接收的四个频率的信号，经过主集、分集两个分离器分别分离，然后分别送到各个收信机（RX1、RX2、RX3、RX4），每个收信机比较来自主集天线和分集天线的两路信号，选择较好的一路送回基站控制器（BSC），直至交换机。
分集接收就是采用两种或两种以上的不同的方法接收同一信号，以减少衰减带来的影响，是一种有效的抗衰落的措施。其基本思想是将接收到的信号分成多路的独立不相关信号，然后将这些不同能量的信号按不同的规则合并起来。分集依目的分可以为宏观分集（macroscopic ）和微观（microscopic ）分集。宏观分集是以克服长期衰落为目的的。按信号的传输方式可以分为显分集和隐分集两种。显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集。隐分集：分集作用含在传输信号中的方式，在接受端利用信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术，跳频技术等。隐分集一般用在数字移动通信中。显分集包括以下几种：
    利用地形无源反射器抵抗衰落。在微波路由设计中，我们可以利用地形地物来阻挡反射波，使反射波不能直接到达接收机，从而达到减少衰落的目的。同时，也可以用无源反射器来改变微波的射线方向，绕开障碍物，达到克服绕射衰落。
    极化分集。通过发射端的天线发射两个极化垂直的信号，接收端分集接收，这样可以在一定程度上减少多径的影响。不过，极化会产生3db 的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同的极化天线。
    角度分集。当工作频率高于10GHz 时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的互不相关的信号。这样在同一位置有指向不同方向的两个或更多的有向天线能向合成器提供信号，达到克服衰落的目的。
    时间分集。即在不同的时间内发相同的信号，接收信号是互不相关的。
    此外还有：
    （1 ）空间分集空间分集。在接收端架几副高度不同的天线，利用电磁波到达各接收天线的不同行程来减少衰减。这种方法通常应用在大通路的微波干线上。实践表明，分集接收对相位干扰型衰落是非常有效的，但对绕射衰落，雨雾吸收衰落的抵抗作用不明显，这时只有依靠适当改变天线增大发信功率来实现。
    （2 ）频率分集频率分集。用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用电磁波在不同频率下的不同行程来减少或消除影响。这种方法效率较好，且只需一副天线，但在频率十分紧张的无线频段，频率的使用效率就显得不太高了。
    （3 ）自适应均衡技术另外还有一种就是信道均衡技术。所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。它用于解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号的宽度。可分为时域均衡和频域均衡两种。
    频域均衡指的是总的传输函数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性。时域均衡是使总冲击响应满足无码间干扰的条件，数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均衡