分集接收基本原理

《移动通信技术》通信工程学院代才莉模块一移动通信基本技术整体结构概述基本技术单元1：发展概述单元2：特点组成单元3：双工技术单元4：多址技术单元5：编码技术单元6：调制技术实训项目通信全网认知实训单元7：分集技术单元8：蜂窝组网技术单元9：功率控制技术单元10：信道共用技术单元11：移动性管理教学单元引入衰落是影响移动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。那么，在移动通信里边是采用什么技术来克服衰落，将不利的衰落转为有利于移动通信通信的呢？本次课将介绍一种很重要的抗衰落技术。单元7移动通信的分集技术学习目标熟悉分集接收技术目的和分类；掌握空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、RAKE接收的基本原理；比较分析合并方式的合并性能；了解发射分集技术。重点与难点重点：掌握空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、RAKE接收的基本原理以及比较分析三种合并方式难点：RAKE接收分集接收：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。1.分集接收基本概念分集接收的目的：由于传播环境的恶劣，微波信号会产生深度衰落和多普勒频移等，使接收电平下降到热噪声电平附近，相位亦随时间产生随机变化，从而导致通信质量下降。采用分集接收技术可以减轻衰落的影响，提高通信质量和可通率。1.分集接收基本概念分集接收的双重含义：（1）分散接收，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；（2）集中合并，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落的影响。1.分集接收基本概念显分集隐分集分集作用含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现的分集，交织编码技术，跳频技术等等构成明显分集信号的传输方式宏分集微分集以克服长期衰落为目的,一般称为多基站分集,以减小短期衰落（快衰落）为目的空间分集时间分集频率分集极化分集角度分集场分量分集分集1.分集接收基本原理——分类目的：减小慢衰落的影响；应用：蜂窝通信系统，也称为“多基站”分集方法：把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和不同方向上，同时和小区的一个移动台进行通信（可选择其中信号最好的一个基站通信）。只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落（基站天线架设可以防止这种情况发生），这种方法就能保持通信不会中断。宏分集2.分集接收基本原理——宏分集微分集1.空间分集2.频率分集3.时间分集4.极化分集5.角度分集6.场分量分集目的：减小快衰落的影响2.分集接收基本原理——微分集依据快衰落的空间独立性，即在任意不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度（d≥0.6λ），则两处所收到信号的衰落是不相关且相互独立的。（1）空间分集2.分集接收基本原理——微分集在发射端将要发射的信息以不同的载频发射出去。载频之间的间隔大于相关带宽，接收端就可以得到衰落特性相互独立的信号，减小信号的衰落，提高通信质量。一般的窄带通信系统的带宽是不能满足相关带宽的要求的，因而不能使用频率分集。可以说，频率分集是扩频通信系统所特有的。2.分集接收基本原理——微分集（2）频率分集利用频率分集的同时处理码间干扰的方法采用均衡的单载波系统直接序列频谱扩频多载波系统具有ISI均衡的单载波：在接收端通过线性和非线性处理，可以在某种程度上减轻码间干扰。利用维比特法可以实现发射码元的最优ML检测。然而，维比特算法的复杂度随着抽头的数量指数增加，并且通常仅用于有效抽头数量较小的情况。直接序列频谱扩展：采用此方法时，信息码元被伪噪声序列调制后通过远远大于数据速率的带宽W发射出去，因为码元速率低，所以码间干扰小大大简化了发射机结构。多载波系统：通过发射预编码将ISI信道转换为一组无干扰、正交子载波，其中各子载波经历窄带平坦衰落。对不同子载波的码元进行编码就可以实现分集，这种方法也称为离散多音（DMT）或正交频分多路复用（OFDM）2.分集接收基本原理——微分集快衰落具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够长，那么各次发送信号所出现的衰落是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。（3）时间分集2.分集接收基本原理——微分集基本思想：不同时间发送相同信息，时间间隔必须大于信道相干时间对信息进行编码并将编码后的码元分散到不同的时间段，时间间隔大于相干时间，从而使得码字的不同部分经历相互独立的衰落。通过编码和交织可以实现时间分集。2.分集接收基本原理——微分集1234123412341234时间间隔远远大于相干时间在不同的时段中发射相同的信息2.分集接收基本原理——微分集时间分集——重复编码通信与信息工程学院123456789101112131415161591326101437111548121以列写入、以行读出15913261014371115481216交织并没有采发送重复信息的方式，但是它仍然利用了时间分集中将码字放入不同的独立衰落的时间段的发送方式，深度衰落会导致连续码元整个码字消失，在交织码元中，仅会导致各码字中的一个编码码元消失，仍然可以从其他三个未衰落码元中恢复出各码字时间分集——交织2.分集接收基本原理——微分集通信与信息工程学院重复编码可以获得分集增益，但由于只是相同码元在L个码元时间的简单重复，所以并没有有效地利用信道的可用自由度，采用更为复杂的编码可以获得分集增益和编码增益。时间分集缺陷：虽然不需要增加发送功率，但是降低了发送速率2.分集接收基本原理——微分集由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。2.分集接收基本原理——微分集（4）极化分集2.分集接收基本原理——微分集电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度）方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。垂直极化Vertical水平极化Horizontal2.分集接收基本原理——微分集V/H(垂直/水平极化)倾斜(+/-45°极化)2.分集接收基本原理——微分集单极化天线多采用垂直线极化双极化天线多采用45双线极化双极化天线单极化天线单极化天线2.分集接收基本原理——微分集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。（5）角度分集2.分集接收基本原理——微分集电磁场理论可知，电磁场的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。因此可以通过接收EZ、HX、HY和三个场分量来获得分集的效果。2.分集接收基本原理——微分集（5）场分量分集常用的合并方式有哪些，各自有什么合并特点？2.分集接收基本原理——合并接收端收到Ｍ（Ｍ≧２）个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的Ｍ个独立衰落信号相加后合并输出合并方式2.分集接收基本原理——合并选择式合并最大比值合并等增益合并2.分集接收基本原理——合并选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一支路的信号作为合并器的输出。选择式合并2.分集接收基本原理——合并最大比值合并KKKNraMKKKKMKKRNrrar1212.分集接收基本原理——合并把各支路信号进行同相后再叠加，加权时各路信号的权重相等。这样，其性能只比最大比值合并方式差一些，但比选择合并方式性能要好得多。等增益合并2.分集接收基本原理——合并图中给出3种合并方式平均信噪比的改善程度。性能最好的为曲线a，即最大比值合并；性能次之的为曲线b，即等增益合并；性能最差的为曲线c，即最佳选择式。2.分集接收基本原理——合并什么是隐分集技术？3.隐分集与RAKE接收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.隐分集与RAKE接收移动通信中传播的多径效应接收信号时延功率谱的扩散，其中最典型的有两类：（1）连续型时延功率谱：它一般出现在繁华市区，由密集建筑物反射而形成。（2）离散型时延功率谱：一般非繁华、非密集型建筑群区．时延功率谱是离散型的。3.隐分集与RAKE接收如何能设法将被扩散的时延功率充分利用起来，这是工程设计者要重点研究的问题3.隐分集与RAKE接收Rake接收用信号的矢量的直观表示Rake接收将被分离的各条路径信号相位校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和，从而加以充分利用。3.隐分集与RAKE接收接收方将各个RAKE接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相），每个接收机可单独接收一路多径信号，这样接收方就可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。3.隐分集与RAKE接收发射分集：多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理能力方面比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。发送分集发送端已知信道信息，与接收分集类似发送端未知信道信息-Alamouti方案在蜂窝系统的下行链路常见，因为在基站安装多副天线通常要比在手机安装多副天线便宜发送分集最简单的两根发送天线模型4.发射分集单元小结这次课介绍了移动通信系统的分集接收技术，主要包括分集接收的基本概念、基本原理、隐分集与Rake接收、发射分集等，通过本单元的学习同学们对移动通信系统分集接收技术的知识做初步学习，为以后本课的学习程打下理论基础。课后作业1.时间分集常采用哪些方式，时间分集的缺点是什么？2.什么是隐分集？什么是Rake接收？3.试分析比较三种合并方式的特点。