移动通信基础（12）分集_分集增益

目录

独立衰落路径的实现

空间分集 

频率分集

时间分集

接收分集

选择合并

门限合并 

最大比合并 

等增益合并 

发送分集 

发送端已知信道信息 

发送端未知信道信息-Alamouti方案 

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瑞利衰落和对数正态阴影衰落都会使调制性能产生很大的功率损失。减轻衰落影响的有效技术之一就是对独立的衰落信号进行分集合并。

分集（diversity）就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小。

例如一个装有两根发送或接收天线的系统。如果天线间距足够远，那么两根天线同时经历深度衰落的可能性很小。如果我们选择信号最强的那个天线，就能获得比单天线时更好的信号，此即选择合并技术。

• 微分集：对抗多径衰落的分集技术
• 宏分集：用来对抗楼房等物体的阴影效应。宏分集一般是将几个基站或接入点的接收信号进行合并，这样做需要不同的基站或接入点进行协调。对于有基础设施的架构式无线网络。这样的协调是网络协议的一部分。

独立衰落路径的实现

空间分集 

在无线通信系统中有很多方法可以实现独立的衰落路径。其中之一是使用多个发送天线和接收天线，也就是使用天线阵列，其阵元之间有一定的空间距离。这种形式的分集叫做空间分集。

在接收空间分集中，实现独立的衰落路径不需要增加发送功率或带宽，通过分集信号进行相干合并还能提高接收信噪比。（这个相对单天线的信噪比增益叫做阵列增益）

除阵列增益外，空间分集还能带来分集增益。分集增益定义为分集合并后误码率斜率的变化。 

无论是发送空间分集还是接收空间分集，为了获得最大的分集增益，一般要求有足够的天线间隔以使各天线上的衰落近似独立。 对于均匀散射环境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立需要的最小间距近似为波长的一半（精确值是波长的0.38倍）。如果发送或接收天线是定向的（这在扇区化基站中是很常见的），多径成分将主要集中在直射线周围的一个小角度内，因此需要更大的天线间距才能获得独立的衰落。

另一种方法是是使用不同极化方式（如水平极化和垂直极化）的两根发送或接收天线，不同极化方式的两路信号经由相同的路径传播。传播环境中许多随机反射将把信号功率大致均匀分配在两个极化方向上，于是按两种不同极化接收的功率近似相同。因为散射角相对于每个极化方向是任意的，所以不同极化的接收功率同时经历深衰落的可能性很小。极化分集有两个缺点：首先，对应于两种极化方向，最多只能有两个分集支路。其次，因为发送或接收功率要分配到两个极化天线上，所以极化分集有3dB的功率损失。

通过接收天线的波束宽度限制在一定角度内，用定向天线可以实现角度分集（或称方向性分集）。极端情况下，如果天线张角非常小的话，至多有一个径落在接收天线的波束宽度内，这样就不存在多径衰落。 这种技术或者需要足够多的定向天线以覆盖信号所有可能到达方向。或者就是用一根天线来对准其中一个方向（最好是最强径方向）。很多多径成分的到达叫可能落在接收波束外，因此，除非天线增益足以弥补这种损失，否则定向天线可能会降低信噪比。智能天线是一种天线阵列，通过调整每个阵源的相位，它能把方向对准到最强径。

频率分集

频率分集用不同的载波发送相同的窄带信号，载波的间隔是信道的相干带宽。因为要在多个频带上发射信号，所以频率分集需要增大发送功率。优势也把扩频技术看作是频率分集。因为信道增益在发送信号的带宽内是变化的。扩频本身并不是直接在独立的衰落路径上发送相同的信息，只是在采用RAKE接收机后，才等价于相同信息通过独立衰落路径传输，这时候它才算得上是路径分集的一种形式。

时间分集

在不同的时间发送相同的信息可以构成时间分集。时间分集中，同一信息重复发送的是按间隔必须要大于信道的相干时间（多普勒扩展的倒数） 。虽然时间分集不需要增加发送功率，但它降低了数据速率，因为在重复发送的那个使劲啊，本来是可以发送新数据的。通过编码和交织也可以实现时间分集。时间分集不适合静止的应用。因为静止信道的相干时间无限大，衰落在时间上有很强的相关性。

接收分集

接收分集是将多个接收天线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。合并的方式有多种。大多数合并是线性合并：合并输出是不同衰落支路的加权和.合并多个支路时需要让它们同相。如果不是同相的，那么各支路的信号相加后可能增强也可能减弱，这种相位干涉将形成严重的衰落。

 

 

对多路接收信号进行相干合并带来了接收空间分集的阵列增益。即使没有衰落，相干合并也能增加平均接收信噪比。 

 所有的分集合并方式都有阵列增益，最大比合并的阵列增益最大。由于阵列增益的原因，在相同的平均信噪比下，采用了多个发送或接收天线的分集系统在衰落信道下的性能比无分集的系统在AWGN的信道下的性能好。

 多径合并能改善信噪比的分布，从而降低平均错误率和中断率，由此带来的性能增益叫做分集增益。分集阶数是分集系统中的平均误码率随平均信噪比变化的曲线斜率。

有M根天线的分集系统的最大分集阶数是M，若分集阶数实际等于M，则称系统达到了满分集阶数 

选择合并

选择合并（SC）输出信噪比最高的那个支路上的信号。因为每个时刻只用一个支路，选择合并只需要一个接收机，随机切换到被选的天线支路上即可。

门限合并 

对于连续发送的系统，选择合并需要每个支路都有一个接收机来连续监测支路的信噪比。门限合并是一种更简单的合并方法，它用同一个接收机顺序监测每个支路，输出第一个信噪比高于门限值的信号。门限合并也和选择合并一样，每个时刻只有一路信号输出，不需要各路同相。因此相干调制和差分调制都可以采用门限合并。

最大比合并 

最大比合并（MRC）输出的则是各支路信号的加权和。在高信噪比时，MRC的分集阶数时M，等于天线数，所以MRC达到了满分集阶数。

等增益合并 

最大比合并需要知道每个支路上的时变信噪比。简单一些的方法时等增益合并，以相同的权重对各支路上的信号进行通向合并。

发送分集 

发送分集中有多根发送天线，总发送功率时各天线上发送功率的和。发送分集适合于发送端在空间、供电能力及处理方面比接收端更富裕的系统。

发送分集的设计与发送端是否知道复信道增益信息有关。

当发送端已知信道复增益时，发送分集与接收分集非常类似。当发送端未知信道信息时，需要借助Alamouti方案及其扩展，结合空时处理来获得发送分集增益。

发送端已知信道信息 

已知信道信息时，发送分集和接收MRC分集完全类似，其接收信噪比也是各支路信噪比的和当各天线的路径增益相同时，采用M根发送天线时的信噪比是单天线时的M倍，即阵列增益为M。 

发送端未知信道信息-Alamouti方案 

结合了空间和时间分集。针对有两根发送天线的数字通信系统设计的。它占用两个符号周期并且在这段时间内信道增益不变。在第一个符号周期，两个不同的符号分别用天线1和天线2同时发送。