3.1分集技术(Diversity Reception)

§3-1 分集技术（Diversity Reception）

移动通信的最大特点是具有多径效应。多径传播（瑞利衰落衰落）时，信号瞬时值快速变动，而阴影衰落（对数正态衰落）时，信号平均值（中值）慢速变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化。虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集技术便可在接收终端上大大降低深衰落的影响，从而改善传输的可靠性。

所谓分集技术：就是利用多条路径传输相同信息，且具有近似相等的平均信号强度和相互独立的衰落特性的信号路径，在接收端通过适当的合并技术后输出。由此可以降低信号电平起伏，即衰落。可见分集技术有二重含义：分散传输、集中处理。

分集的基本思想：把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。其通常可以减小平坦衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落持续时间。

分集的抗衰落原理：设其中某一信号分量的强度低于检测门限的概率为p，则所有M

p远低于p。

个信号分量的强度都低于检测门限的概率M

对于阴影衰落造成的宏观信号衰落可使用宏观分集；对于多径传播造成微观衰落可使用微观分集。宏分集（也叫多基站分集）：为了消除阴影区域产生的信号衰落，将多个基站设置在不同的地理位置和不同的方向上同时和小区内的一个移动台进行通信。微分集：在一个局部区域接收到无线信号在空间、角度、频率、时间等方面呈现出独立性，因此对应的分集方法有空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集和分量分集等多种。

一、分集方法

依照信号传输的形式可分为：显分集和隐分集。显分集：构成明显分集信号的传输形式，多指利用多付天线接收信号的分集。隐分集：分集作用隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现信号的分集，一般只需一付天线。

1、空间分集(space diversity)

①利用不同接收地点收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。

②场强随空间的随机变化，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。水平间隔效果好于垂直间隔。空间距离≥相干距离，弱散射下天线的相干距离更大。

③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＞0．6λ，并且最好选在λ/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到λ/4，也能起到相当好的分集效果。

④收端N （N=2～4）部天线接收，N越大，效果越好，但当N较大时，分集增益的增加却变得缓慢，且工程复杂。

⑤天线分集效果的好坏不仅与天线间的距离有关，还与天线的排列、合并方式，特别是天线的布置尤为重要。

其实，空间分集还包括极化分集（在收端天线安装水平与垂直极化天线）和角度分集（采用方向性天线）。极化分集在移动环境下，两个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。角度分集由于地形地貌的影响，多径信号到达接收点的方向可能不一样，在接收端采用方向性天线，就可以实现角度分集。

2、频率分集(frequency diversity)

①将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送，载波间隔≥相干带宽1/L（L为时延扩散）。市区的时延扩展相对郊区更大，因此载波间隔更小。

②市区的时延扩展大于郊区和开阔地，因此，相干带宽（市区）≤相干带宽（郊区）

③应用：与空间分集相比，减少了接收天线与相应设备的数目，但占用更多的频率资源，且发端需要多部发射机。移动通信中，常使用跳频技术实现频率分集

3、时间分集(time diversity) （对静止的MS无用）

①将待发送的信号每隔一定时间间隔重复发送，在收端可得到N条独立的分集支路，时间间隔≥相干时间1/B（B为多卜勒频移的扩散区间，与移动台的速度有关），处于静止状态，时间分集基本不可实现。

②速度越快，最大多普勒频移越大，相干时间越短，时间分集的时间间隔相对而言更小。

③应用：与空间分集相比，减少了接收天线的数目，占用了更多的时隙资源，降低了传输效率。移动通信中，大量应用于CDMA系统的RAKE接收机中，以处理多径信号，有时也叫多径分集。

4、多用户分集：利用不同用户的信道衰落，好的多传获得大容量！

二、合并方式(Combining Techniques of Diversity )

信号合并的目的就是要使它他的信噪比有改善，分集增益的效果常用分集增益或改善因子来描述，有时也用中断概率来描述。最佳的分集就在于最有效的减小信噪比低于正常工作门限信噪比的时间。

合并后信号表示式：)(i

M

i i i M t r G r ∑=--------------------------------------------------------（3-1） 其中分集的重数为M ，第i 条分集支路上的信号电压为ri(t)。

1、 选择式合并：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的信号作为合

并器的输出。也即式（3-1）的M 个系数中只有一个等于1，其他为0。合并器的输出信噪比

为：ξs =max{ξk }；其合并增益为：s G =∑=M k k

11--------------------------------------------------------（3-2）

分析：如果支路的瞬时信噪比SNR= γi ， γi 的概率密度函数为：

Γ-

Γ

=i e p i γγ1)(-------------（3-3） 其中Г是每个信道的平均信噪比。对于单一支路，其信噪比小于某一阈值γ的概率为： ---------------------------------（3-4） 因此，所有M 条独立分集支路上接收信号的信噪比同时低于某一给定阈值的概率为：

)()1(],...,[/1γγγγγM M m r P e P =-=≤Γ---------------------------------------（3-5）

式(3-5)中的PM (γ) 是各支路的信噪比都未达到γ的概率。如果有的支路实现了

SNR ＞γ，那么至少有一条支路的SNR ＞γ的概率为：

M T M i r e

P P )1(1)(1][/γγγγ---=-=> -----------------------（3-6） 平

均信噪比为：

dx e e Mx d d dP d p x M x M M --∞∞-∞???-Γ===1000)1()()(γγγγγγγγ----------（3-7）

由式（3-7）易知：∑==ΓM

k k 11γ 例3.1 假定使用的是4支路分集，每支路收到一个独立的Rayleigh 衰落信号。若信噪比的均值为20dB ，判决阈值为SNR ＝10dB 。试将此情况与没有使用分集的简单接收机相比。 解：由公式（5-5）计算得：P4（10dB ）＝（1-e -10/100）4=0.000082

若不用分集，则公式（ 5-5）计算得：P4（10dB ）=（1-e -10/100）＝0.095

可见，没有分集时，信噪比低于指定阈值得概率，比采用4条支路分集时的概率要高三个数001[]()i r i i i i P p d e d γγγ

γγγγγ-Γ≤==Γ??

量级。

2、 最大比值合并（最佳合并）：合并后的振幅为各支路信噪比之和。

k k k N r a =（k r 为支路信号包络，k N 为噪声功率）， ∑∑====M k k

k M k k k R N r r a r 121， 出发点：对各路同相后的信号进行加权，从而充分利用各支路的可用信号，使得在任一时刻均会达到可实现的最大信噪比。信噪比大的支路加权大，相应在合并器输出中的贡献也就大，反之也成立！

分集之后，合成输出信号的信噪比可被简化为各支路信噪比的和!

其合并增益为：M G =M 3、 等增益合并：无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，实现较简单，仍可以利

用同时收到的各路信号，其性能只比最大比率合并差一些，但比选择分集要好不少。

∑==M k k E r r 1，其合并增益为：E G =1+（M-1）

4

π 4、 开关式合并（扫描式分集scanning diversity ）：以一个固定顺序扫描N 个支路，一旦发现

某一支路的信号超过了预置的阈值，就将这路信号将被选中并送至接收机。而当这路信号降低至阈值之下，则那么扫描过程将重新开始。 只有当瞬时信号包络负向跨越预定门限时，将天线切换到另一支路上去。其优点是仅使用一套接收设备。原理结构示意图

1N

M i i γγ==∑

图3-1 扫描分集原理图图3-2 带反馈的扫描分集原理图

带反馈的开关式合并：通过切换发射天线的方法来获得合并增益,基站发射机采用两副天线，当移动台接收的信号包络低于预定门限时，移动台向基站发出更换天线的指令，基站收到指令后，将发射天线开关倒换到另一副天线上。这种方法称为带反馈的空间分集。

分集效果：

①信噪比的改善随着分集的重数增加而增加，在M=2~3时，增加很快，随着M的继续增加，改善的速度放慢，特别是选择合并。考虑到随着M的增加电路的复杂程度也增加，实际的分集重数一般最高为3~4。

②在合并方式中，最大比值合并改善信噪比最多，最差是选择合并，只是因为选择合并只利用其中一个信号，其余没有被利用。分集重数较少时，等增益合并的效果接近最大比值合并，且电路实现简单，所以应用很广，尤其在基站侧。实际当中，一般在基站采用二重空间分集，其分集增益一般可达10dB。

③分集效果不佳表现：各支路的衰落信号相关性不为0，如空间分集中空间位置不合适，或者频率分集中两载波间隔不够大；合并的动作根源是接收信号，由于接收信号的错误可能导致误操作；合并中的一些瞬时过程和合并延时都将影响结果

三、隐分集技术

1、交织技术(Interleaving Techniques )的一般原理

在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。

交织深度：交织前相邻的两符号在交织后的间隔距离；交织宽度：交织后相邻两符号在

m 的交织阵列，若是行读入列读出的话，其交织深度交织前的间隔距离。因此对于一个n

为m，交织宽度为n。

假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4，也作同样处理，如图3-3所示。

然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧，……。在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那就会丢失某一整个消息分组，但采用了交织，仅每个消息分组的第2比特丢失，再利用信道编码，全部分组中的消息仍能得以恢复，这就是交织技术的基本原理。

图3-3 交织原理

可见，交织是以时延为代价的，因此属于时间隐分集。

?交织器的实现

?原理：一个（I，J）的块交织器可以看成是一个I行J列的存储矩阵。数据

{a11a12a13a14…a1J a21a22a23a24 …a2J a31a32a33

a34…a3J…………………a I1a I2a I3a I4…a IJ}按行写入，按列读出，如下图

3-4所示。连续的数据处理要有两个矩阵，其中一个用于数据写入，另一个

用于数据读出。解交织也要有两个矩阵，用于反交织处理。

图（a）交织图（b）解交织

图3-4 交织原理图

交织阵越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。

2．GSM系统中交织方式

在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。

a)TCH信道的交织：GSM系统首先是把话音分成20ms的音段,这20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码，产生260个比特流，并被分成：·50个最重要比特·132个重要比特·78个不重要比特。GSM数字话音的信道编码如下图所示：对上述50个比特添加上3

个奇偶检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。

图3-5 GSM 20ms话音编码

首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图3-6所示。

图3-6 GSM 20ms话音编码交织

如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中(见图3-7)，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25％的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。

图3-7 普通突发脉冲串

因此把每20ms话音456比特分成的8帧，分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一个突发脉冲序列发送。当前帧的456bit 分别与第n-1帧的后半帧的228bit和第n+1帧的前半帧228bit交织，即当前帧的1、2、3、4段与n-1帧的5、6、7、8段组成时隙1、2、3、4；当前帧的5、6、7、8段与n+1帧的1、2、3、4段组成时隙5、6、7、8 。这样就实现了将符号交织后分散到8个TDMA时帧帧中的时隙来传输的目的。

若假设当前语音块为B块，前一语音块为A块，后一语音块为C块；则为了打破相连比特的相邻关系，TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6、TS7、TS8的组成依次为B1A5、B2A6、B3A7、B4A8、C1B5、C2B6、C3B7、C4B8。这样发送的突发脉冲序列首尾相接处不是同一话音块，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5％，而这能通过信道编码加以校正。

二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。因此，在GSM系

统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。

※b) GSM的控制信道（SACCH、FACCH、SDCCH、BCCH、PCH和AGCH）的交织情况如下：

?456比特的消息块在经过内部交织并分为8组（这一过程同话音的内部交织一样）

?前四组与后四组进行交织（交织方法也与话音的交织一样），最后获得了4个整突发脉冲。

3、跳频技术

采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，后来在GSM标准中也被采纳。跳频功能主要是：抗同信道干扰和改善频率选择性衰落。处于多径环境中的慢速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。