分集技术介绍

Posted 2021-01-06 mway

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原理概述

在移动通信系统中，受多径衰落和阴影衰落等快衰落的影响，在信号接收端多个幅度和相位不同的信号相叠加，不同信号的叠加使得复合信号相互抵消或增强，产生较严重的失真。为了克服快衰落带来的影响，通常采用的抗衰落和抗干扰技术有：分集技术、均衡技术、编码技术等。

分集的基本原理是通过信道特性不同的多个信道（时间、频率或者空间特性等不同），接收到承载相同信息的多个发送信号的副本。由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本受衰落的影响就不会相同。使用接收到的多个信号副本，帮助接收端正确恢复出原发送信号。分集技术充分利用之前造成干扰的信号的多径特性，来提高接收信号的正确判决率，这要求不同信号副本之间具有不相关性。

如果不采用分集技术，为了克服快衰落影响，发射端必须要提高发射功率。而手持移动终端的电池容量有限，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，延长移动终端使用时间。

分集技术包括空间分集、频率分集、时间分集、极化分集等。

原理介绍

一、空间分集

空间分集是一种常用的分集形式。所谓空间分集，指将同一信息进行编码后从多根天线上发射出去的方式，接收端将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益，其模型如下图所示：

在空间分集系统模型中，当发射天线间距大于长度d时，我们可以认为不同子信道的信道增益相互独立，产生的信号路径也是不相关的。d是与天线所处的散射环境和载波频率有关的常数。例如移动台接近地面散射丰富时，信道在很短的空间距离下就可以达到不相关，典型的天线间距为

对于位置比较高的基站来说，将需要几个到十几个波长的天线距离。空间发射分集技术经常用于城市蜂窝系统中，因为它可以通过选择最好的接收信号或其合成信号以减少衰落的影响。随着环境密度的增加，为使链路预算达到平衡，可以通过改善移动台接收增益(3～5dB)。安装天线空间较大是空间分集的一大缺点。实际中分集支路数目受到较大的天线单元间距的限制，系统成本随着大间距增大，各支路之间的平均接收功率的差异也因大间距而变大，而较小的天线间距又会让各单元间的相关性变大，因而天线单元间距过大或者过小均导致空间分集性能下降。

二、频率分集

频率分集主要应用于频率衰落型信道，就是在多于一个载频上对同一信号进行重复发送，发送信号副本以频率冗余的方式到达接收端，形成独立的衰落，然后对接收信号进行合成或选择。频率分集需要利用不同频段的信号经衰落信道后在特性上的差异来实现。其模型如图所示：

频率分集的效果取决于两频道信号的相关系数，相关系数越小，分级效果越好。频率分集两频道信号的相关系数可以表示为：

式中，d为电路长度，单位为km；f为频率，单位为GHz；△f为两频道中心频率之差的绝对值，单位为GHz。频率分集可以通过直接序列扩频(DS-SS)、多载波调制和调频来实现。相比空间分集，它使用的设备更少，然而由于引入了频率冗余，就占用了更多的频带资源，这对宝贵的频带资源来说，是致命的。

三、时间分集

时间发射分集是将同一信号以超过信道相干时间的时间间隔进行重复发送，则各次发送间隔出现相互统计独立的的衰落。在实现抗时间选择性衰落时，就是通过时间分集利用时间上衰落在统计上互不相关的特性上的差异。其模型如下图所示：

重复发送的时间间隔必须保证发送出去的信号副本保持不相干的衰落，此时时间间隔△T应该满足：

 

式中，fm是与信道环境相关的衰落频率，为统计测量值；v发端的相对移动速度，λ为工作波长。若收发端的相对移动速度v=0，即收发端相对静止时，△T为无穷大。这说明当，当收发端相对静止时，不能取得时间分集增益。在数字通信系统中，通常使用差错控制编码以获得时域上的冗余，由时间交织提供发射信号副本之间的时间间隔。时间分集由于引入了时间冗余，使得带宽利用受损，降低了传输效率。

四、极化分集

极化分集就是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，目前我们最常用的双极化天线多采用±45°双线极化，即在收发端天线上安装± 45°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。

由于一根双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间。

图1：基站天线常用极化方式

图2：双极化基站天线示意

极化分集天线通过使用的正交极化天线来获得独立的衰落信号，因此不需要空间分集。在市区基站，要安装满足空间分集距离要求的天线比较困难，此时极化分集方式就成为重要选择。