分集技术
衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达30~40dB，如果想利用加大发射功率、增天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。 如何提高频谱效率和数据传输速率成为下一代无线通信系统的关键问题之一。提高通信速率和可靠性的办法之一就是使用多个发送和多个接收天线，也就是多输入多输出(MIMO，multiple-input multiple-output)的通信系统。这一点已经得到理论和实践的证明。 这一节我们考虑在多个发送天线单个接收天线的系统中不同信号发送形式时多用户分集问题，首先来看看2个发送天线1个接收天线的情形。当发送端没有信道信息，而接收端具有完全的信道信息时，最佳的单用户发送信号结构是Alamouti提出的时空正交码（STOBC）。这个码字占用两个连续的时刻，并且假定信道保持不变。 这种码字的构造形成了两个子信道 1 s ， 2 s 。这两个子信道具有相同的信道容量，调度的时候将它们分配给同一个用户。现在采用另外一种发送信号形式，也就是两个子流火锅餐具 1 s ， 2 s 轮流通过发送天线1 和发送天线2发送出去，也就是在连续的两个信道使用中，第一个时刻使用第一个发送天线，第二个时刻使 用第二个发送天线，这样也形成了两个子信道。这种轮流发送方式导致两个子信道的容量不等，一个子信道容量大于STOBC的容量，另一个小于STOBC的信道容量，并且导致了容量损失。从另外一方面看，采用这种信号结构之后，导致了子信道信噪比分布的尾部（tail）更大，这对于多用户分集是有利的。如果两个子信道独立调度，两个子信道可以选择各自最强的用户，从而提高了整个系统的吞吐量。 由于两个子信道具有对称性， 可以只求第一个子信道调度后的吞吐量。当用户数为1的时候，由于没有调度增益，轮流发送的吞吐量小于 STOBC，但是当用户数多于1个时，其吞吐量大于采用 STOBC信号结构的吞吐量。因此，采用 STOBC对于多用户分集是有害的。可以预见，由于 LD 码是单用户最优化的，因此，其信号结构形式对于多用户分集也是有害的。如果信道是各态历经的，则这种轮流发送的方式得到的平均吞吐量和单发单收相等。
图 1 接收天线为 1 时吞吐量与用户个数的关系(a=0.39)
胸章机
图 2 接收天线为 1 时吞吐量与权值 a 的关系
当接收天线为一个时，和其它发送信号结构相比，STOBC对于调度性能有着很大危害，其性能甚至低于单发送天线的性能。信道反馈信息越多，调度性能就越好，并且1 比特的反
馈可以获得最大部分的增益。当接收天线为两个时，可以看出，通过发送天线选择和不同的组合选择策略，在相同的反馈信息情况下，得到不同的性能。本文主要讨论了三种组合选择策略：max-max, max-sum和 max-min。由于 max-max选择子信道最大的那个组合，其动态范围相对最大，因而其调度性能优于其它两种策略。因此，在发送分集系统中，发送信号的结构，反馈信息量多少，接收机结构，选择策略都严重影响着多用户分集。
而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信，短波通信等随参信道中。在第二代和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已得到了广泛应用。
分集技术-研究意义
在实际的移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等的传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变
化，形成多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中，除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物（例如移动台移动到背离的大楼面前）或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。另外，气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性，它给移动通信带来了不利的影响。
为了提高移动通信系统的性能，可以采用分集，均衡和信道编码这3种技术来改进接收信号质量，它们既可以单独使用，也可以组合使用。
分集技术-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水化硅酸钙;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。
分集技术-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瓦特连杆，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。
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，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间。
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煤层注水器(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。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性。
若移动台是静止的，则移动速度v=0，此时要求重复发送的时间间隔才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。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。
4.智能浴缸极化分集
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。
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