現(xiàn)代移動(dòng)通信中發(fā)射分集技術(shù)研究

　　0 引言

　　無線傳輸環(huán)境中影響信號(hào)質(zhì)量的主要因素是信道的衰落，而采用多天線分集方法能夠有效地對(duì)抗無線信道的衰落，為系統(tǒng)提供可靠的信息傳輸。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的天線分集是在接收端——移動(dòng)臺(tái)采用多天線進(jìn)行接收分集，典型的如Rake接收機(jī)采用多徑合并技術(shù)來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(shù)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(yīng)第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)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(xiàn)狀，本文概括介紹了多天線分集技術(shù)的原理和概念，從頻率、時(shí)間、空間、極化、角度、調(diào)制等多個(gè)角度重點(diǎn)論述各類發(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)在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　1 多天線分集技術(shù)的原理和分類

　　多天線分集技術(shù)其基本原理是通過多個(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(hào)副本，由于各信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落也不盡相同，然后接收機(jī)將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的多路信號(hào)，并將多路信號(hào)的能量按照一定的規(guī)則合并起來，使接收的有用信號(hào)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(jī)能夠獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即把接收機(jī)收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)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(hào)之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。

　　2 發(fā)射分集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 分類

　　發(fā)射分集作為抗衰落的主要方法，已成為近年來討論的技術(shù)熱點(diǎn)，并在一些移動(dòng)通信中得到了很好的應(yīng)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等技術(shù)相結(jié)合，最大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃?，因此具有非常高的理論價(jià)值及深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

　　在多天線技術(shù)的發(fā)展過程中，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(tǒng)模型各不相同，性能也存在或多或少的差異。但總結(jié)起來，發(fā)射分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)可以認(rèn)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技術(shù)。根據(jù)所涉及資源的不同，可分為如下幾個(gè)大類：

　?、?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/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(yīng)陣(TXAA)；

　?、跁r(shí)間與空間相結(jié)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(jié)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(kuò)頻(STS)；

　　④相位與空間相結(jié)合的分集技術(shù)：掃相發(fā)射分集(PSTD)、相位結(jié)合發(fā)射分集(PATD)和空間碼偏分集(SCOD)；

　?、菥幋a與空間相結(jié)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發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)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和水平極化天線，就可以得到2路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)。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(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)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)射天線來進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端對(duì)收到的不同發(fā)射天線上導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行測量，周期性地向發(fā)射端報(bào)告哪副天線當(dāng)前傳輸信道質(zhì)量最好，然后發(fā)射端根據(jù)這些反饋信息，將待發(fā)送數(shù)據(jù)從最好的天線發(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合并過程放在發(fā)射端。預(yù)先在發(fā)射端對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以抵消傳輸時(shí)信道衰落帶來的影響。這樣每一徑Rake信號(hào)在發(fā)射端都可看作為一根天線發(fā)射的信號(hào)，接收端把每一徑估計(jì)出的信道復(fù)增益反饋給發(fā)射端，發(fā)射端用該反饋值對(duì)每根天線上將要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，使得信號(hào)達(dá)到接收端時(shí)能夠?qū)⑿诺浪ヂ涞挠绊懙窒?，從而得到信噪比較好的信號(hào)。該方案較適合于天線的分集數(shù)固定、信道衰落的可分辨數(shù)目變化不大的情況。

　　(4)自適應(yīng)陣列發(fā)射分集

　　在白適應(yīng)陣列發(fā)射分集方案中，2副天線上傳送相同的比特，且采用相同的Walsh碼。陣列加權(quán)因子從移動(dòng)臺(tái)反饋信息得出，用以調(diào)整得到最大的接收功率。2副天線上的相位和幅度是不斷進(jìn)行調(diào)整的，其最佳的天線增益和相位是能夠使接收端收到的信號(hào)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(fù)增益的共軛。

　　(5)延遲分集

　　在延遲分集方案中，同一信號(hào)的副本的延遲從不同的天線發(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(tǒng)模型如圖1所示，信源輸出的信號(hào)首先進(jìn)行信道編碼，然后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換變?yōu)镸路相同的信息序列，最后經(jīng)過不同長度的延遲后從M根天線發(fā)射出去。對(duì)延遲量的選擇應(yīng)當(dāng)使各天線上信號(hào)不相關(guān)為前提，過長的延遲不但會(huì)增加接收端均衡的復(fù)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(hào)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(xiàn)了發(fā)射分集。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但是對(duì)于延遲估計(jì)誤差比較敏感，同時(shí)存在著一定的接收時(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(jié)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(biāo)準(zhǔn)?？諘r(shí)發(fā)射分集方法對(duì)信道衰落的抑制能力使它能夠使用高階的調(diào)制方式減少復(fù)用因子，用來提高系統(tǒng)容量。總而言之，該方法分集增益很高，適用于解決因衰落信道影響而系統(tǒng)容量受限的問題。

　　(7)時(shí)間切換分集

　　時(shí)間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集也稱為天線跳變分集(AHD)，主要被應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)的同步信道中。該方案中不同時(shí)隙的數(shù)據(jù)使用不同天線發(fā)射，即奇時(shí)隙的數(shù)據(jù)在天線1上發(fā)射，偶時(shí)隙的數(shù)據(jù)在天線2上發(fā)射，天線的切換以時(shí)隙為單位進(jìn)行。

　　(8)空時(shí)擴(kuò)展分集

　　空時(shí)擴(kuò)展分集是碼元采用多個(gè)Walsh碼擴(kuò)頻的一種開環(huán)分集技術(shù)，它將2路分離的信號(hào)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)天線上得到傳輸，因此在譯碼過程中獲得了重復(fù)編碼所帶來的時(shí)間分集增益。

　　(9)相位結(jié)合發(fā)射分集

　　考慮兩發(fā)射天線的多用戶系統(tǒng)，每一用戶從各天線接收獨(dú)立的信道信息，如圖2所示，設(shè)2副天線發(fā)出的信號(hào)為2個(gè)矢量，則用戶接收端的合并信號(hào)為2矢量之和。若將其中一副發(fā)射天線的信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)，另一副保持相對(duì)不變，那么合并信號(hào)的軌跡為一圓。相位結(jié)合發(fā)射分集方案的思想就是調(diào)整2天線發(fā)射信號(hào)的相位差，從而使接收端合并后的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大值。

 　　(10)空間碼偏分集

　　文獻(xiàn)中提出了一種空間碼偏分集方案，即在不同的天線上使用相同的擴(kuò)頻碼，只是擴(kuò)頻碼的相位不同。研究表明，該方案在不同天線上使用相位不同的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(tái)必須進(jìn)行一些額外的處理，這將會(huì)增加一定的硬件復(fù)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(jié)合，發(fā)射端通過在多根天線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方式類似，不同點(diǎn)在空時(shí)發(fā)射分集方式下2副天線上的Walsh擴(kuò)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，說明了OTD方案更適合于郊區(qū)通信環(huán)境。

　　3 結(jié)束語

　　通過對(duì)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(fù)雜的無線信道下各發(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(yīng)用在第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)不同的信道條件下，將是更為切實(shí)的研究課題。