無線通信中的分集技術(shù)

1、無線通信中的發(fā)射分集技術(shù)摘要:發(fā)射分集技術(shù)是無線通信中的一項關(guān)鍵技術(shù)， 在第三代移動通信技術(shù)中已經(jīng)普遍采用。 文章主要討論發(fā)射分集技術(shù)的研究背景與意義， 闡述各種發(fā)射分集技術(shù)的特點及比較不同發(fā) 射分集技術(shù)的性能與應用，最后對于該技術(shù)的應用前景進行了闡述。關(guān)鍵詞：發(fā)射分集開環(huán)發(fā)射分集 閉環(huán)發(fā)射分集一、發(fā)射分集技術(shù)的研究背景與意義無線通信技術(shù)面臨的最主要問題是時變的信道衰落，這也是它和光纖、銅線通信等相比面臨的一個重要挑戰(zhàn)。在衰落環(huán)境下降低誤碼率是相當困難的，需要發(fā)射端(基站)采用更高的功率進行發(fā)射或者采用額外的帶寬，但這在下一代通信系統(tǒng)中都是不合適的。理論上，抵抗信道衰落的最好方法是進行功控，也

2、就是如果發(fā)射端預先知道信道條件，那么在發(fā)射的時侯預先將信號變形來抵消衰落帶來的影響。但是這種方法需要發(fā)射端有較大的動態(tài)范圍，另外發(fā)射端也不知道信道的條件，因此在大多數(shù)散射環(huán)境中，是采用天線分集方法來抵抗信道衰落的。傳統(tǒng)的天線分集是在接收端(移動臺)采用多根天線進行接收分集的，并采用合并技術(shù)來獲得好的信號質(zhì)量，例如“ Rake接收機”。但是由于移動臺尺寸受限，采用接收天線分集技 術(shù)較困難，而且在移動臺端進行接收分集代價高昂，增加了用戶的設備成本。從理論與實際應用中都發(fā)現(xiàn)相同階數(shù)的發(fā)射分集與接收分集具有相同的分集增益。因此為了適應下一代移動通信的要求，只有增加基站的復雜度，在基站端采用發(fā)射分集技術(shù)

3、才是比較合適的方法。發(fā)射分集的概念實際上是由接收分集技術(shù)發(fā)展來的，是為減弱信號的衰落效應，在一副以上的天線上發(fā)射信號，并將發(fā)射信號設計成在不同的信道中保持獨立的衰落，在接收端再對各路徑信號進行合并，從而減少衰落的嚴重性。由于基站的復雜度較移動臺端限制少，且天線有足夠空間，因此通常在基站端采用多副天線進行發(fā)射分集提高下行性能，在接收端采用一副天線進行接收。發(fā)射分集的成本代價相對于接收分集來說，是移動通信業(yè)務運營商和用戶所較能接受的；而且發(fā)射分集能夠?qū)崿F(xiàn)同一發(fā)射信號使多個移動臺獲得發(fā)射增益(支持點對多點發(fā)射)，而傳統(tǒng)的接收分集的發(fā)射增益只是針對一個移動臺。二、發(fā)射分集技術(shù)分類發(fā)射分集技術(shù)是系統(tǒng)提高

4、下行鏈路性能，減小信道衰落影響的一項關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)是否需要反饋信息，將發(fā)射分集分為前饋分集(Feedforward Diversity ) 和反饋分集(FeedbackDiversity) 兩類，又分別稱為開環(huán)發(fā)射分集 (Open Loop Transmit Diversity) 和閉環(huán)發(fā)射分 集(Closed Loop Transmit Diversity) 。1. 開環(huán)發(fā)射分集開環(huán)發(fā)射分集主要有時空發(fā)射分集(STTD： Space Time Transmit Diversity) 、延遲分集(DD： Delay Diversity)、時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集(TSTD： Time Switched

5、 Transmit Diversity)、 相移發(fā)射分集(PSTD： Phase Sweeping Transmit Diversity)，相位結(jié)合發(fā)射分集(PATD： Phase Allgnment Transmit Diversity) 、正交發(fā)射分集(OTD： Orthogonal Transmit Diversity) 和極化分集(PD： Polarization Diversity)等幾種典型技術(shù)。(1)時空發(fā)射分集以兩副發(fā)射天線，一副接收天線為例來說明，即基站端用兩副天線進行發(fā)射，移動臺端采用一副天線進行接收。在這種分集方法中，信號經(jīng)過時空編碼，分別從兩副發(fā)射天 線發(fā)送出去，在接收

6、端采用一副天線進行合并。兩副天線的傳輸信道使用長度為M bit(圖l中M=4)的相同Walsh碼字進行擴頻，在第n比特發(fā)送時間內(nèi)兩副天線上發(fā)送的是bn和-bn,在第(n+1)比特時間則發(fā)送 bn+1與bn,每個比特都經(jīng)過2L個分集數(shù)，即每個比特都從兩副天線上發(fā)送，每副天線上經(jīng)過L個路徑數(shù)。由于每個碼元重復兩次，所以兩副天線上總的 Walsh碼長度是2Mbit ,但是兩副天線上的 Walsh碼字一樣，因此可有效使用的 Walsh碼字與不采用 發(fā)射分集系統(tǒng)數(shù)目是一致的。時空發(fā)射分集方法對信道衰落的抑制能力使它能夠使用高級的調(diào)制手段減少復用因子，用來提高系統(tǒng)容量?？偟膩碚f這種方法增益高，適合于解決因

7、衰落信道影響而系統(tǒng)容量受限的問題。(2)延遲分集在這種發(fā)射分集技術(shù)中，發(fā)送信號依次延遲K個碼元，相當于Ds的延時，分別在N®發(fā)射天線上發(fā)射數(shù)字信號 S(t)?？偟陌l(fā)射功率P均勻分配在所有天線上。對延遲的選擇應當使得 每副天線間的信號傳輸都是不相關(guān)的，但是過長的延遲會增加接收端均衡的復雜度，并不能提高發(fā)射增益，因此通常選擇 Ds為信息比特周期。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是對于 延遲估計誤差比較敏感，誤差帶來的性能降低有可能超過分集帶來的增益，而且這種方法在接收端由于信號延遲傳送的關(guān)系無法實時地達到最大合并增益。(3) 時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集方法也稱為天線跳變分集(Anten

8、na Hopping Diversity)。這種方式中，基站是以一個每幀固定的轉(zhuǎn)換速率將用戶的傳輸信號在兩副天線間切換發(fā)射的。這種方式下，在不同的時隙使用不同的天線發(fā)射，即奇時隙的數(shù)據(jù)在天線l上發(fā)射，偶時隙的數(shù)據(jù)在天線2上發(fā)射，天線的切換是以時隙為單位進行的。(4) 相移發(fā)射分集相移發(fā)射分集在射頻功放前將數(shù)據(jù)分成兩部分：一部分放大從天線A發(fā)射，另一部分移動載波頻率接著放大從天線 B發(fā)射出去。這種方式中，兩副天線上使用相同的導頻(pilot)信道和傳輸信道walsh碼，兩副天線之間存在一個時變的相位差。在接收端看來，分集天線 上的信號是經(jīng)過一個快速衰落的信道產(chǎn)生了多普勒頻移到達接收端的。在接收端

9、再利用這一多徑信號，對多副天線傳輸?shù)男盘栠M行合并。(5) 相位結(jié)合發(fā)射分集考慮兩副發(fā)射天線、多用戶的分集系統(tǒng)，每一用戶從每一天線接收獨立的信道信息。兩副天線發(fā)出的信號為兩個矢量，用戶接收的結(jié)合信號為兩矢量的和。如果其中一副發(fā)射天線的信號相位旋轉(zhuǎn).另一副保持相對不變， 那么結(jié)合信號的軌跡為一圓。相位結(jié)合發(fā)射分集的思想是調(diào)整兩天線發(fā)射信號的相位差，從而使接收端合并后的信號強度達到最大值。兩副天線上的相位調(diào)整差值根據(jù)每一用戶的信道傳播環(huán)境，由最大合并準則給出。在時分復用系統(tǒng)中，由于上下行信道同頻率，因此可以將上行鏈路信道估計作為對下行信道的估計，以此作為最大合并準則中所需的一個參量。因此相位結(jié)合發(fā)射

10、分集更適用于時分雙工系統(tǒng)。(6) 正交發(fā)射分集正交發(fā)射分集有兩種方式，一是在發(fā)射端將數(shù)據(jù)分成兩部分數(shù)據(jù)流，分別用兩個正交的walsh碼擴頻調(diào)制后用不同的天線發(fā)送。在接收端，再分別用正交的walsh碼擴頻解調(diào)這兩副天線上的信號，從而恢復出兩個相同的編碼比特，再進行合并。這種方式雖然在衰落信道下性能比較好，但是它減少了可用的Walsh碼字，即減少了系統(tǒng)容量，系統(tǒng)總的性能不一定好。針對這一弱點，正交發(fā)射分集還有第二種方式。編碼后的信號被劃分，并依次在兩副天線上發(fā)送，每副天線上的傳輸速率因此會降低一半，相當于進行了串并轉(zhuǎn)換。由于速率降低了，因此Walsh碼字的長度就增加了一倍，可用的 walsll碼字

11、又提高了一倍，正好可以抵消 由于進行發(fā)射分集而減少的 walsh碼字。這種方式也可以看成是一種無限交織。在無限交織 和相同編碼增益的情況下，這兩種方式的最終性能是相同的。(7) 極化分集在移動環(huán)境下.兩副在同一地點、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān) 的衰落特性。利用這一特點，在發(fā)射端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，在接收端也分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可以得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號，對這兩路信號進行合并，從而得到分集增益。 極化分集實際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間。2. 閉環(huán)發(fā)射分集閉環(huán)發(fā)射分集主要包括選擇發(fā)射分

12、集(STD： Selective Transmit Diversity) , PreRake發(fā)射(PRT： Pre Rake Transmission)和發(fā)射自適應陣列(TXAA： Transmit AdaptiveArrays)等三種技術(shù)。(1) 選擇發(fā)射分集選擇發(fā)射分集的基本思想是選擇最佳發(fā)射天線來進行數(shù)據(jù)發(fā)射。移動臺測量收到的兩 副天線上導頻信號的強度，然后周期性地向基站匯報哪副天線當前傳輸信道的質(zhì)量更好，基站根據(jù)這些反饋回來的信息，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)從最好的天線發(fā)送出去。(2) Pre Rake發(fā)射這種方法是將接收端的 Rake合并過程放在發(fā)射端來做，預先在發(fā)射端對信號進行變形， 以抵消未

13、來信道衰落的影響。每一徑Rake信號在發(fā)射端都體現(xiàn)為一副天線。接收端將每一徑估計出來的信道復增益反饋給發(fā)射端，發(fā)射端用該反饋值對每副天線上的幅度與相位進行調(diào)整，使得天線上發(fā)進出去的信號到達接收端時，可以將信道的變形抵消掉。Pre Rake發(fā)射還有一些改進的發(fā)射分集方法， 例如 Pre Rake與選擇天線發(fā)射分集結(jié)合 (Pre Rake Selection Transmit Diversity) , Pre Rake與最大合并比(MRC£吉合的發(fā)射分集(Pre Rake MRC Transmit Diversity) 等。(3) 發(fā)射自適應陣列(以兩副發(fā)射天線為例)。在這種方式下，兩副

14、天線上傳送相同的比特，采用相同的Walsh碼。復值的陣列調(diào)整加權(quán)因子 h1和h2從移動臺反饋信息得出，用以調(diào)整得到最大的接收功率。兩副天線上的相位和幅度是不斷進行調(diào)整的，其最佳的天線增益和相位是能夠使接收 端(移動臺)收到的信號功率最大的增益與相位。在平坦衰落條件下，最優(yōu)的天線陣列調(diào)整加權(quán)因子是信道復增益的共軸。由于在把它傳遞給基站端時存在時延和信道估計誤差，因此基站端收到的不一定是此刻最佳的陣列調(diào)整加權(quán)因子。發(fā)射自適應陣列的理論增益與天線數(shù)目成正比。三、各類發(fā)射分集技術(shù)比較與應用總的來說，閉環(huán)發(fā)射分集的性能較開環(huán)發(fā)射分集的性能好。閉環(huán)發(fā)射分集中，移動臺將測量值反饋回基站，基站調(diào)整發(fā)射天線上的

15、幅度、相位，從而最好地利用不同的發(fā)射路徑。 閉環(huán)技術(shù)在付出吞吐量降低的代價后，獲得比開環(huán)分集高的增益。在第三代移動通信系統(tǒng)中，時空發(fā)射分集、時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集與發(fā)射自適應陣列等已經(jīng)被納入3GPP勺標準，經(jīng)仿真驗證有較高的增益。1. 開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)比較在開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)中，時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集是最為簡單的發(fā)射分集技術(shù)，因此被用在第三代移動通信系統(tǒng)的同步信道中。時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集對于天線的選擇完全采用時間片輪詢的方式，因此非常簡單。但是它的缺點也在于簡單的天線選擇方法導致了其對功率控制會產(chǎn)生 一定的影響。因為功率控制需要對信噪比進行測量，對信道進行估計。一個好的測量需要對多個時隙的信號進行綜合或者平均后

16、才能得到，因此在接收端(移動臺端)進行信道估計的時候，是對多個時隙中的導頻比特 (導頻信號)進行估計，而采用時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集后，由于不同時隙的信號是在不同天線上發(fā)射，經(jīng)歷了不同的傳輸路徑，因此在移動臺對信道進行估計的時候，無法對一個單一的信道進行準確的估計，信道估計的性能會有所下降。因此時間轉(zhuǎn) 換發(fā)射分集更適合于功率控制算法對于信噪比誤差不敏感的情況。延遲分集是時間分集與空間分集的結(jié)合，其優(yōu)點同樣在于實現(xiàn)比較簡單，但是它對于延遲估計誤差比較敏感，誤差帶來的性能降低有可能超過分集帶來的增益，而且這種方法在接收端由于信號延遲傳送的關(guān)系，無法實時的達到最大合并增益。因此延遲分集較適合于系統(tǒng)對于延時估

17、計比較精確的情況。極化分集實現(xiàn)也比較簡單，這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間。但是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，信號功率將有3 dB的損失。而且這種方法受到天線極化的影響，只能分為水平極化與垂直極化兩種，分集的天線數(shù)也只能為兩副，限制了其分集增益的進一步提高。因此極化分集較適用于對于分集增益要求不高的系統(tǒng)。相移發(fā)射分集、相位結(jié)合發(fā)射分集、正交發(fā)射分集相對于時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集、延遲分集與極化分集而言復雜一些。相移發(fā)射分集是頻率與空間分集的結(jié)合，兩副天線采取不同的頻率，接收端根據(jù)不同的頻率區(qū)分兩副天線上的信號，可合并得到分集增益。 這種方法類似于在信道中人為地產(chǎn)生了一個多普勒頻移，由此帶來的優(yōu)

18、勢在于， 可以預先抵消由于移動臺的快速移動導致的信道快速衰落所帶來的多普勒頻移。因此這種方法更加適合于移動臺在高速運動的狀態(tài)。相位結(jié)合發(fā)射分集是相位分集與空間分集的結(jié)合，接收方根據(jù)發(fā)送方對天線上相位的配置來實現(xiàn)接收端接收到的信號能量和最大。由于這種方法將上行鏈路中的信道估計作為對下行鏈路的信道估計，因此適合于時分雙工系統(tǒng)。因為在時分雙工系統(tǒng)中，上下行鏈路采用相 同的頻率傳輸，上下行鏈路基本對稱，上行的信道估計能夠作為下行信道的估計。正交發(fā)射分集則是碼字分集與空間分集的結(jié)合，發(fā)送方通過在多根天線上配置相同或者不同的碼字，來使接收端得到大的分集增益。正交發(fā)射分集與時空發(fā)射分集方式類似，不同點在于時

19、空發(fā)射分集還進行了時空正交編碼，而且時空發(fā)射分集方式下兩副天線上的Walsh擴頻碼是相同的，而正交發(fā)射分集中Walsh碼字是正交的。對正交發(fā)射分集的仿真表明，正交發(fā)射分集在萊斯信道中比瑞利信道下有更好的性能，這說明正交發(fā)射分集更適用于在郊外通信的環(huán)境。時空發(fā)射分集是時間、空間、編碼相結(jié)合的發(fā)射分集方法，得到的分集增益比較高，對 于時空發(fā)射分集的仿真表明，即使在低信噪比的情況下也可以達到5dB以上的增益。這是因為時空發(fā)射分集帶來的增益中不僅有時空信號分集的增益，而且有時空正交編碼的增益。在第三代移動通信系統(tǒng)中，大部分物理信道上都采用了這種分集方法。它的缺點在于，由于在發(fā)送端對信號進行了編碼，在接

20、收端需要進行解碼，因此系統(tǒng)有一定的延時另外由于兩副天線上采用了相同的擴額碼字， 時空發(fā)射分集中可用的擴頻碼字數(shù)為不采用發(fā)射分集的系統(tǒng) 中可用擴頻碼字數(shù)的一半。時空發(fā)射分集在多徑衰落信道中才能達到較高的增益，表明時空發(fā)射分集更適用于實際的多徑衰落信道環(huán)境。2. 閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)比較閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)中， 選擇發(fā)射分集是最簡單的閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)，它根據(jù)反饋的信息來選擇發(fā)送時采用的天線。移動臺測量收到的兩副天線上導頻信號的強度，然后周期性地向基站匯報哪副天線更好，基站根據(jù)這些信息，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)從最好的天線發(fā)送出去。選擇發(fā)射分集與時同轉(zhuǎn)換發(fā)射分集類似，但是選擇發(fā)射分集是有選擇性的跳變，而時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集是無選擇的跳變； 在天線功率方面，選擇發(fā)射分集方式下的天線功率應該比時間轉(zhuǎn)換發(fā) 射分集高一些。因為在時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集方式下，每副天線上的功率可以保持一個常數(shù)；而在選擇發(fā)射分集方式下， 可能一副天線上發(fā)送的信號比另一副高很多，這就意味著選擇發(fā)射分集的功率放大器應當比時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集的功率變化范圍大一些。另外很重要的一點是， 選擇發(fā)射分集在信道變化緩慢的情況下，對于信噪比的估計可以比較精確因此它更適用于移動臺運動速度不高，信道變化緩慢的環(huán)境。Pre Rake比選擇發(fā)射分集實現(xiàn)起來復雜一些。Pre