GSM数字移动通信专题之分集技术.doc

GSM数字移动通信专题之-----------分集技术
3.4 空间分集

多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同。伴随移动台移动, 瑞利衰落随信号瞬时值快速变动, 而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这二者是组成移动通信接收信号不稳定关键原因, 使接收信号被大大地恶化, 即使经过增加发信功率、 天线尺寸和高度等方法能取得改善, 但采取这些方法在移动通信中比较昂贵, 有时也显得不切实际。而采取分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小载有同一消息信号, 然后经过合并技术再将各个支路信号合并输出, 那么便可在接收终端上大大降低深衰落概率。

分集方法有空间分集、 频率分集、 极化分集、 角度分集、 时间分集和分量分集等多个。在移动通信中, 通常采取空间分集, 所以这里也就此方法进行讨论。 

什么是分集技术？

1. 什么是分集接收?

答: 分集接收是用两套（或多套）收信设备接收同一个信号由发射设备发射经两条（或多条）不一样路径传输信号, 不会同时发生衰落两路（或多路）信号, 并经过一些处理后, 在接收端以一定方法将其合并。

2. 常见分集接收技术有哪些？

答: 常见分集接收技术有频率分集、 空间分集和混合分集。

3. 什么是频率分集技术?

答: 频率分集是在发信端将一个信号利用两个间隔较大发信频率同时发射, 在收信端同时接收这两个射频信号后合成, 因为工作频率不一样, 电磁波之间相关性极小, 各电磁波衰落概率也不一样。频率分集抗频率选择性衰落尤其有效, 但付出代价是成倍地增加了收发信机, 且需成倍地多占用频带, 降低了频谱利用率。

4. 什么是空间分集技术?

答: 空间分集是在收端利用空间位置相距足够远两副天线, 同时接收同一个发射天线发出信号。两路收信号经时延、 相位或幅度调整后, 将按一定规则进行合成, 以降低电波衰落影响, 同时能够提升收信电平。空间分集需要增加收信机, 其频谱利用率比频率分集高。　　　　　　　　　　　　

5. 什么是混合分集技术?

答: 混合分集是将频率分集与空间分集结合, 以保持两种分集优点。

分集技术分集就是指经过两条或两条以上路径传输同一信息, 以减轻衰落影响一个技术方法。分集技术包含分集发送技术和分集接收技术, 从分集类型看, 使用较多是空间分集和频率分集, 除此之外, 还有以下多个: 把空间分集和频率分集组合起来, 即发站用两个频率发送同一信息, 收站用垂直分隔两副天线各自接收不一样频率信号, 再进行合成或选择, 就称为混合分集。另外还有站址分集、 时间分集、 角度分集等。

因为传输环境恶劣, 微波信号会产生深度衰落和多普勒频移等, 使接收电平下降到热噪声电平周围, 相位亦随时间产生改变, 从而造成通信质量下降。对此, 采取分集接收技术减轻衰落影响, 取得分集增益, 提升接收灵敏度。
1. 空间分集
    分为空间分集发送和空间分集接收两个系统, 本文以空间分集接收为例说明这种技术。
    空间分集接收: 在空间不一样垂直高度上设置几副天线, 同时接收一个发射天线微波信号, 然后合成或选择其中一个强信号, 这种方法称为空间分集接收。示意图以下。

   空间分集接收是利用多副接收天线来实现。在发射端采取一副天线发射, 而在接收端采取多副天线接收。接收端天线之间距离d≥λ／2（λ为工作波长）, 以确保接收天线输出信号衰落特征是相互独立, 也就是说, 当某一副接收天线输出信号很低时, 其她接收天线输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低现象, 经对应合并电路从中选出信号幅度较大、 信噪比最好一路, 得到一个总接收天线输出信号。这么就降低了信道衰落影响, 改善了传输可靠性。空间分集接收优点是分集增益高, 缺点是还需另外单独接收天线。为了克服这个缺点, 最近又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、 极化方向相互正交天线发出信号展现出互不相关衰落特征。利用这一特点, 在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线, 在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线, 就能够得到两路衰落特征互不相关极化分量Ex和Ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中, 经过极化分集接收来达成空间分集接收效果, 所以极化分集实际上是空间分集特殊情况。这种方法优点是它只需一根天线, 结构紧凑, 节省空间, 缺点是它分集接收效果低于空间分集接收天线, 而且因为发射功率要分配到两副天线上, 将会造成3dB信号功率损失。分集增益依靠于天线间不相关特征好坏, 经过在水平或垂直方向上天线位置间分离来实现空间分集。空间上位置分离确保两面接收天线分别接收不一样路径来微波信号, 同时也使两面天线间满足一定隔离度要求。若采取交叉极化天线, 一样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集双极化天线来说, 天线中两个交叉极化辐射源正交性是决定微波信号上行链路分集增益关键原因。该分集增益依靠于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同覆盖区域内提供了相同信号场强。两个交叉极化辐射源要求含有很好正交特征, 而且在整个120°扇区及切换重合区内保持很好水平跟踪特征, 替换空间分集天线所取得覆盖效果。为了取得好覆盖效果, 要求天线在整个扇区范围内均含有高交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内正交特征, 即两个分集接收天线端口信号不相关性, 决定了双极化天线总分集效果。为了在双极化天线两个分集接收端口取得很好信号不相关特征, 两个端口之间隔离度通常要求达成30dB以上。
    分集天线把多径信号分离出来, 使其互不相干, 然后经过合并技术将分离出来信号合并起来, 取得最大信噪比收益。常见合并方法有选择性合并、 切换合并、 最大比合并、 等增益合并等。
2. 　频率分集
　　频率分集是采取两个或两个以上含有一定频率间隔频率同时发送和接收同一信息, 然后进行合成或选择, 以减轻衰落影响, 这种工作方法叫做频率分集。当采取两个微波频率时, 称为二重频率分集。
　　同空间分集系统一样, 在频率分集系统中也要求两个分集接收信号相关性较小（即频率相关性较小）, 只有这么, 才不会使两个微波频率在给定路由上同时发生深衰落, 并取得很好频率分集改善效果。在一定范围内两个微波频率f1与f2相差, 即频率间隔△f= f2- f1越大, 两个不一样频率信号之间衰落相关性越小。
　　不管何种分集方法, 都是利用在不一样传输条件下, 多个微波信号同时发生深衰落概率小于单一微波信号同一衰落深度概率来取得分集改善效果。
3. 分集改善效果
　　分集改善效果指采取分集技术与不采取分集技术二者相比, 对减轻深衰落影响所得到效果(好处)。为了定量衡量分集改善程度, 常见标称改善效果, 即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。现用下图加以说明:

　　上图中纵坐标及横坐标意义已于图中标出。曲线A表示在深衰落情况下无分集时相对电平累积分布曲线; 曲线B表示采取分集接收相对电平累积分布曲线。
　　分集增益是指在某一累积时间百分比内, 分集接收与单一接收时收信电平差。这一电平差越大, 分集增益越高, 说明分集改善效果越好。比如上图中, 对应50%、 5%、 0.1%累积时间百分比时, 这一电平差分别为3dB、 5.5dB、 14dB。累积时间百分比越小, 分集增益越高。0.1%时间百分比分集增益为14dB意味着: 无分集时由曲线A查出此时衰深深度比自由空间收信电平低30dB; 采取分集技术后, 由曲线B查出此时衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。
　　分集改善度是指在某一相对收信电平时, 单一接收与分集接收衰落累积时间百分比之比。其比值越大, 说明分集改善效果越好。在上图中, 当收信电平低于自由空间收信电平20dB时, 单一接收与分集接收对于同一收信电平, 其衰落累积时间百分比分别为1%和0.01%, 二者比值为100, 亦即分集改善为100。

什么是分集技术？
    我们知道在移动通信中, 空间略有变动就可能出现较大场强改变。当使用两个接收信道时, 它们受到衰落影响是不相关, 且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响可能性也很小, 所以这一设想引出了利用两副接收天线方案, 独立地接收同一信号, 再合并输出, 衰落程度能被大大地减小, 这就是空间分集, 见图3－19所表示。空间分集是利用场强随空间改变实现, 空间距离越大, 多径传输差异就越大, 所接收场强相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语, 表明信号间相同程度, 所以必需确定必需空间距离。经过测试和统计, CCIR提议为了取得满意分集效果, 移动单元两天线间距大于0.6个波长, 即d＞0．6l, 而且最好选在l/4奇数倍周围。若减小天线间距, 即使小到l/4, 也能起到相当好分集效果。