現代移動(dòng)通信中發(fā)射分集技術(shù)研究

　　0 引言

　　無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境中影響信號質(zhì)量的主要因素是信道的衰落，而采用多天線(xiàn)分集方法能夠有效地對抗無(wú)線(xiàn)信道的衰落，為系統提供可靠的信息傳輸。在移動(dòng)通信系統中，傳統的天線(xiàn)分集是在接收端——移動(dòng)臺采用多天線(xiàn)進(jìn)行接收分集，典型的如Rake接收機采用多徑合并技術(shù)來(lái)獲得高的分集增益和良好的接收性能。目前已有大量的理論研究表明相同階數的發(fā)射分集和接收分集具有相同的分集增益。因此，為了適應第3代移動(dòng)通信系統的要求，在發(fā)射端——基站采用發(fā)射分集方案將是一個(gè)更有效、更切實(shí)可行的方法。

　　綜合近幾年發(fā)射分集的研究現狀，本文概括介紹了多天線(xiàn)分集技術(shù)的原理和概念，從頻率、時(shí)間、空間、極化、角度、調制等多個(gè)角度重點(diǎn)論述各類(lèi)發(fā)射分集的典型方案，分析了多種發(fā)射分集技術(shù)的特點(diǎn)和性能，旨在推動(dòng)發(fā)射分集技術(shù)在未來(lái)移動(dòng)通信系統中的應用。

　　1 多天線(xiàn)分集技術(shù)的原理和分類(lèi)

　　多天線(xiàn)分集技術(shù)其基本原理是通過(guò)多個(gè)信道(時(shí)間、頻率或者空間等)承載相同信息的多個(gè)信號副本，由于各信道的傳輸特性不同，信號多個(gè)副本的衰落也不盡相同，然后接收機將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的多路信號，并將多路信號的能量按照一定的規則合并起來(lái)，使接收的有用信號能量最大。

　　分集技術(shù)包括2個(gè)方面：一是分散傳輸，使接收機能夠獲得多個(gè)統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即把接收機收到的多個(gè)統計獨立的衰落信號進(jìn)行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個(gè)信號之間應該是“不相關(guān)”的。

　　2 發(fā)射分集技術(shù)的發(fā)展現狀

　　2.1 分類(lèi)

　　發(fā)射分集作為抗衰落的主要方法，已成為近年來(lái)討論的技術(shù)熱點(diǎn)，并在一些移動(dòng)通信中得到了很好的應用。此外，發(fā)射分集技術(shù)還易于與空時(shí)編碼、OFDM、干擾抑制以及智能天線(xiàn)等技術(shù)相結合，最大程度地提高物理層信息傳輸的可靠性，因此具有非常高的理論價(jià)值及深遠的現實(shí)意義。

　　在多天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，學(xué)者們提出了多種多樣發(fā)射分集的方案。不同發(fā)射分集的系統模型各不相同，性能也存在或多或少的差異。但總結起來(lái)，發(fā)射分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)可以認為是涉及到空間、時(shí)間、頻率、相位和編碼多種資源相互組合的一種多天線(xiàn)技術(shù)。根據所涉及資源的不同，可分為如下幾個(gè)大類(lèi)：

　?、?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/空間分集">空間分集技術(shù)：極化分集(PD)、選擇發(fā)射分集(STD)、Pre-Rake發(fā)射(PRT)和發(fā)射自適應陣(TXAA)；

　?、跁r(shí)間與空間相結合的分集技術(shù)：延遲分集(DD)、循環(huán)延遲分集(CDD)、空時(shí)發(fā)射分集(STTD)和時(shí)間切換發(fā)射分集(TSTD)；

　?、垲l率與空間相結合的分集技術(shù)：頻率切換分集(FSTD)、空頻發(fā)射分集(SFTD)和空時(shí)擴頻(STS)；

　?、芟辔慌c空間相結合的分集技術(shù)：掃相發(fā)射分集(PSTD)、相位結合發(fā)射分集(PATD)和空間碼偏分集(SCOD)；

　?、菥幋a與空間相結合的分集技術(shù)：正交發(fā)射分集(OTD)。

　　2.2 發(fā)射分集方案

　　(1)極化分集

　　在移動(dòng)環(huán)境下，兩副在同一地點(diǎn)，極化方向相互正交的天線(xiàn)發(fā)出的信號呈現出不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線(xiàn)和水平極化天線(xiàn)，就可以得到2路衰落特性不相關(guān)的信號。極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有2路，該方法的優(yōu)點(diǎn)是結構比較緊湊，節省空間。

　　(2)選擇發(fā)射分集

　　選擇發(fā)射分集的基本原理是選擇最佳的發(fā)射天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行數據發(fā)送。接收端對收到的不同發(fā)射天線(xiàn)上導頻信號的強度進(jìn)行測量，周期性地向發(fā)射端報告哪副天線(xiàn)當前傳輸信道質(zhì)量最好，然后發(fā)射端根據這些反饋信息，將待發(fā)送數據從最好的天線(xiàn)發(fā)射出去。

　　(3)Pre-Rake發(fā)射分集

　　Pre-Rake發(fā)射分集是將接收端的Rake合并過(guò)程放在發(fā)射端。預先在發(fā)射端對信號進(jìn)行處理，以抵消傳輸時(shí)信道衰落帶來(lái)的影響。這樣每一徑Rake信號在發(fā)射端都可看作為一根天線(xiàn)發(fā)射的信號，接收端把每一徑估計出的信道復增益反饋給發(fā)射端，發(fā)射端用該反饋值對每根天線(xiàn)上將要發(fā)送的信號進(jìn)行加權調整，使得信號達到接收端時(shí)能夠將信道衰落的影響抵消，從而得到信噪比較好的信號。該方案較適合于天線(xiàn)的分集數固定、信道衰落的可分辨數目變化不大的情況。

　　(4)自適應陣列發(fā)射分集

　　在白適應陣列發(fā)射分集方案中，2副天線(xiàn)上傳送相同的比特，且采用相同的Walsh碼。陣列加權因子從移動(dòng)臺反饋信息得出，用以調整得到最大的接收功率。2副天線(xiàn)上的相位和幅度是不斷進(jìn)行調整的，其最佳的天線(xiàn)增益和相位是能夠使接收端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(xiàn)陣列調整加權因子是信道復增益的共軛。

　　(5)延遲分集

　　在延遲分集方案中，同一信號的副本的延遲從不同的天線(xiàn)發(fā)射出去，接收端使用均衡器或維特比譯碼即可獲得分集增益。延遲分集系統模型如圖1所示，信源輸出的信號首先進(jìn)行信道編碼，然后經(jīng)串并轉換變?yōu)镸路相同的信息序列，最后經(jīng)過(guò)不同長(cháng)度的延遲后從M根天線(xiàn)發(fā)射出去。對延遲量的選擇應當使各天線(xiàn)上信號不相關(guān)為前提，過(guò)長(cháng)的延遲不但會(huì )增加接收端均衡的復雜度，同時(shí)并不能提高發(fā)射增益，因此通常選擇信息比特周期作為信號的延遲量。

　　延遲分集的實(shí)質(zhì)是人工制造了一種色散信道，將一個(gè)窄帶頻率非選擇性衰落信道變?yōu)轭l率選擇性衰落信道，從而實(shí)現了發(fā)射分集。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現簡(jiǎn)單，但是對于延遲估計誤差比較敏感，同時(shí)存在著(zhù)一定的接收時(shí)延。

　　(6)空時(shí)發(fā)射分集

　　空時(shí)發(fā)射分集(STTD)主要是指將空間分集與空時(shí)編碼相結合的方案，它是目前最為廣泛關(guān)注的分集方案，并被列入3G的標準?？諘r(shí)發(fā)射分集方法對信道衰落的抑制能力使它能夠使用高階的調制方式減少復用因子，用來(lái)提高系統容量?？偠灾?，該方法分集增益很高，適用于解決因衰落信道影響而系統容量受限的問(wèn)題。

　　(7)時(shí)間切換分集

　　時(shí)間轉換發(fā)射分集也稱(chēng)為天線(xiàn)跳變分集(AHD)，主要被應用于WCDMA系統的同步信道中。該方案中不同時(shí)隙的數據使用不同天線(xiàn)發(fā)射，即奇時(shí)隙的數據在天線(xiàn)1上發(fā)射，偶時(shí)隙的數據在天線(xiàn)2上發(fā)射，天線(xiàn)的切換以時(shí)隙為單位進(jìn)行。

　　(8)空時(shí)擴展分集

　　空時(shí)擴展分集是碼元采用多個(gè)Walsh碼擴頻的一種開(kāi)環(huán)分集技術(shù)，它將2路分離的信號經(jīng)正交擾碼后再合并。從而，所有編碼后的比特均在2個(gè)天線(xiàn)上得到傳輸，因此在譯碼過(guò)程中獲得了重復編碼所帶來(lái)的時(shí)間分集增益。

　　(9)相位結合發(fā)射分集

　　考慮兩發(fā)射天線(xiàn)的多用戶(hù)系統，每一用戶(hù)從各天線(xiàn)接收獨立的信道信息，如圖2所示，設2副天線(xiàn)發(fā)出的信號為2個(gè)矢量，則用戶(hù)接收端的合并信號為2矢量之和。若將其中一副發(fā)射天線(xiàn)的信號相位旋轉，另一副保持相對不變，那么合并信號的軌跡為一圓。相位結合發(fā)射分集方案的思想就是調整2天線(xiàn)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。

 　　(10)空間碼偏分集

　　文獻中提出了一種空間碼偏分集方案，即在不同的天線(xiàn)上使用相同的擴頻碼，只是擴頻碼的相位不同。研究表明，該方案在不同天線(xiàn)上使用相位不同的Gold碼進(jìn)行發(fā)射，可以獲得良好的性能，它的缺點(diǎn)是移動(dòng)臺必須進(jìn)行一些額外的處理，這將會(huì )增加一定的硬件復雜度。

　　(11)分集

　　正交發(fā)射分集(OTD)是碼字分集與空間分集的結合，發(fā)射端通過(guò)在多根天線(xiàn)上配置相同或者不同的碼字，從而使接收端獲得較大的分集增益。OTD與STTD方式類(lèi)似，不同點(diǎn)在空時(shí)發(fā)射分集方式下2副天線(xiàn)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。研究表明，該方案在Ricean信道中比Rayleigh信道下有更好的性能，說(shuō)明了OTD方案更適合于郊區通信環(huán)境。

　　3 結束語(yǔ)

　　通過(guò)對上述多種發(fā)射分集技術(shù)的介紹和分析，表明各發(fā)射分集的工作特點(diǎn)和性能不盡相同，因此在復雜的無(wú)線(xiàn)信道下各發(fā)射分集技術(shù)所起的作用也有所不同。如何將不同的發(fā)射分集技術(shù)合理應用在第3代移動(dòng)通信系統不同的信道條件下，將是更為切實(shí)的研究課題。