分集

移动通信2015年4月21日什么叫分集？分集技术包括2个过程，简言之就是“分”和“集”：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;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。分集的研究意义：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、增加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。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。分集的分类：1、空间分集：不同空间的多径信号2、场分量分集：不同的场分量2、极化分集：不同极化波的多径信号3、角分集：不同天线角度信号4、频率分集：不同频率的多径信号5、时间分集：不同时间的多径信号9.6极化分集在水平或垂直电场发射的信号正如在图中所示出的那样，移动台或基站接收机上都是不相关的。在第5.6节中已介绍了接收两个极化信号的机理。假定垂直极化信号是：cos111itiNjjViiaee而水平极化信号是：'cos'221itiNjjViiaee式中，ai和分别代表式（9.8)中所表明的每个波路径上的幅度和相位。ai'和是（9.9）中的对应部分。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。i'i（9.8）（9.9）在基站的极化分集在第5.6节中介绍了一个基站极化天线。假定在基站上使用该天线。按照推测，移动台所发射的信号来自一副倾斜的鞭天线。Ev和Eh或E-45和E45。两个分量只能使其中的一个增强。如果两个所接收到的信号之间的差大于2dB,分集增益则减少。如果移动台的信号全部是垂直极化，在接收期间，基站的极化分集通过合并E45。和E-45两个分量能获得最好的分集增益。如果移动台与垂直方向呈45度极化，在接收期间Ev和Eh将产生最好的分集增益。另一个设想是，在基站上用右旋圆极化和左旋圆极化天线，能从任何线性极化的移动信号中得到最好的分集增益。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。9.7角分集9.7.1在基站角度分集的做法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。在基站应用的角分集方案可能有几个问题，它们与叫分集的定义有关，有及时和过时两种分集。图9.9取基站上的两个对应波束的两个信号之间的信号强度差。基站天线的波束角为30度。两组数据：一组水平分隔的天线收集，另一组从角分隔天线（2个30度波束）收集到的。1.及时的角分集2.过时的角分集在基站上通过一个多波束天线系统中的每个波束不断地监视移动台的信号强度，将最强的波束用于当时的业务链路，当移动台移动到另一个站址时，将由另一个波束检测这个最强的信号强度，系统将把业务链路转接到其他波束上。这称为波束转换智能天线。波束转换智能天线9.7.2在移动台从定向天线J上所获得的信号能表达为：JJJsXjY（9.10）式中，11(cossin)()(cossin)()cosNJiiiiJiiNJiiiiJiiiXRSGYSRGVt()JiG是定向天线J指向一个角上的方向图，是第i个到达波的角，而N是散射波的总数。令：Ji()1JiAjBG则式（9.11）和式（9.12）变成：11(cossin)(cossin)jjNJjjjjjNJjjjjjXRSYSR(9.11)(9.12)(9.13)(9.14)(9.15)式中：cos360jtjAjBBAJVNN第6.2节中的理论模型已介绍了Rj和Sj的统计值。很容易证明，能把从另一副定向天线k上所接收到的信号SK=Xk+jYk表达为：11(cossin)(cossin)coskjNkkkkkkNkkkkkjktkXRSYSRV式中：360CkDDCkNN(9.16)(9.17)(9.18)(9.19)(9.20)(9.21)(9.22)9.8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，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集。由前面的学习，我们知道第i个波传输系数的变量：cosiVttiT随着时间t的增加，喜欢相位的变化与成正比，时间变量的相关性可以用多普勒S(f)来确定：costiv12ttt2()()cjftsRtSfedf其中：——车辆运动的时间增量——第i个波的时延把所有的波相加可得到合成信号：exp[(cos)()]iziciciEajwVttjwT1()exp[(cos)()]()()NicticiistajwvttjwTXtjYt(9.24)(9.25)——多普勒频移随着发射频率fc的变化，每个波的相位变化与Ti有关，所以频率变量相关性由不同的时延分布p(T)决定，它与频率的相关性为：12fff()()exp(2)sRtPTjfTdT时延分布P(T)的3种模型：（1）Maxwell分布模型3/222322/(38/)(38/)()exp[]02100()CTtTTpT式中，C是由天线接收到的总功率，T与基站移动台的定向路径有关，而是时延的标准偏差。(9.26)(9.27)22()()TT（2）指数分布模型exp()0200()CTTTpT（3）近似模型3()[()(2)]2CpTTT(9.28)(9.29)9.8.2相关性与频率的关系为找出两个不同频率的传输系数的相关性，可采用下列的p(T)傅立叶变换：()[(,)(,)]()exp[2]()ccRfEsftsfftpTjftdt**()1/2Re{[(,)(,)]}()1/2Im{[(,)(,)]}ccccgfEsftsffthfEsftsfft归一化的相关系数为：**221/22|[(,)(,)]|()[(,)(,)]|()()|(0)ccccEsftsfftfEsftsftgfhfg其中，式（9.27）~（9.29）的时延分布的相关系数分别是：(9.30)(9.31)(9.32)(9.33)3/222222111223813()(1)(;;)2221()1(2())()|cos(2())|bbfebbFffff式中：238/fb(9.34)(9.35)(9.36)(9.37)9.8.3相干带宽一个信道的相干带宽是频带的最大带宽。在这个带宽上，两个CW信号传输系数的统计特性具有很大的相关性。相干带宽可定义为频率间隔，在这间隔上，归一化复合相关系数的数值首先下降到A的某个值以下，A始终小于1，则()AfA式中，是相干带宽。包络相位如式（6.136）所示，相位相关如式（7.73）所示时，A典型的假定值可能为0.5.eABf9.8.4具有两个不相干带宽的两个频率如果一个信道是频率选择，两个间隔大的频率将独立地产生衰落。这意味着两个频率有非相干的带宽。因此，如果在多个频率上同时发送相同信息的话音或数字信号。接收时衰落信号从统计上讲是独立的。由于频率选择性很大程度上是由不同的多径分量之间的时延扩展确定的，所以多径时延扩展越大，则两个CW频率之间的非相干带宽就越小。9.8.4具有相干带宽的两个频率如果导频与标准信号一起发射，那么导频不传输任何报文信息；但是，当接收两个频率时，如果频率间隔足够靠近并处在相干带宽范围内，则其衰落特性基本上是相同的。导频和信号频率之间的间隔必须在相干带宽范围内，以便校正由传输系数引起的振幅和相位变化。例9.3为了找出移动无线环境中与信号频率fc相关的导频fp的相干带宽，首先需要计算正在考虑的两个频率之间时延扩展。在不同移动环境中所测得的时延扩展可表达为：531.80.5318ccsBkHzsBkHz大城市郊区根据这些测量数据，大城市移动无线电环境的导频可能是：3131cpcfkHzffkHz对常规的FM来说，信号传输带宽约为25kHz。(9.39）(9.40)(9.41)9.9时间分集时间分集技术主要用于在衰落信道上传输数字数据。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：1122(/)smfV式中，fm为衰落频率，v为车速，为工作波长。若移动台处于静止状态，即v=0，由式(3.4)可知，要求ΔT为无穷大，表明此时时间分集的得益将丧失。换句话说，时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落。分集名称优点缺点空间分集空间独立性，支路数M越大，分集效果越好M较大，分集增益的增加变得缓慢场分集用于较低工作频段不适用于较高频段极化分集结构比较紧凑，节省空间发射功率分配到两幅天线上，信号功率损失3dB角分集较低频率难以实现在较高频率容易实现频率分集比空间分集节省天线数目。频谱利用率变低时间分集接收天线、设备减少占用时隙资源，增大开销。当移动台v=0,无效。分集在现实中的相关应用1、多天线无线路由器这些路由器采用MIMO(Multiple-inputandmultiple-output)技术。MIMO有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益，也就是说，通过空间复用，实现速率的提高；通过空间分集，实现了抗衰落性能的提升。2.多天线无线麦克风多天线无线麦克风也采用分集接收技术，其中，分集采用空间分集，合并方式选择式合并。空时编码CDMA系统采用路径分集技术（即RAKE接收），TDMA系统采用自适应均衡技术，各种移动通信系统使用不同的纠错编码技术、自动功率控制技术等，都能起到抗衰落的作用，提高通信的可靠性。MIMO（多入多出通信系统）技术已经成为4g关键技术之一。基本结构就是一个具有n个发射天线和m个接收天线的无线通信系统。它通过一个串/并转换器，将数据分割成n个数据流，由发射天线在同一频带发射出去。它的主要思想就是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，同时提供分集增益和编码增益，从而降低信道误码率。