RAKE接收机与分集接收.doc

浅谈分集接收技术与RAKE接收机
浅谈分集接收技术与RAKE接收机

中国泰尔实验室 陈永欣
摘 要 介绍了在移动通信系统中对抗多径衰落的一种重要技术——分集接收技术，并分析了各种分集、合并技术的优缺点，提出了RAKE接收机的概念和结构。
关键词 分集技术 合并技术 RAKE
一、 引言
在陆地通信系统中存在着多径干扰和衰落，在城市环境中衰落尤为严重。当不同的多径分量其衰落相互独立时，可以采用分集接收技术以对抗衰落。其基本原理是：在多径环境中，如果某一径的强度低于检测门限值的概率为p，则在L径情况下，所有L个径的强度都低于检测门限的概率为pL远低于p。分集接收技术的代价是增加了接收的复杂度。在CDMA系统中，由于信号宽带传输，可以认为多径分量的衰落是相互独立的，即可以采用分集接收的技术。在第三代移动通信中分集接收技术有了更加广泛的应用。
二、 分集技术
分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性的技术。它也是研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。
为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、时域、频域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。其中最基本的有如下几种：
1. 空间分集：
1) 利用不同接收地点（空间）收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。
2) 空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端N部天线接收。
3) 接收天线之间的距离d足够大，大于相干距离ΔR。
4) 分集天线数N越大，分集效果越好，但是不分集与分集差异很大，属于质变。分集增益正比于分集的数量N，其改善是有限的，属于量变，且改善程度随分集数量的增加而减少。工程上折衷，一般取N=2～4。
5) 空间分集还有两类变化形式：
a) 极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点：结构紧凑、节省空间；缺点：由于发射功率要分配到两幅天线上，因此有3dB的损失。
b) 角度分集：由于地形、地貌、接收环境的不同，使得到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方向，这样在接收端可以采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。
2. 频率分集：
1) 将待发送的信息分别调制到不同的载波上发送至信道。
2) 不同的载波之间的间隔足够大，大于频率相干带宽ΔF。
3) 频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数目；缺点是占用更多的频谱资源，有可能在发端要采用多部发射机。
3. 时间分集
1) 对于一个随机衰落信号，如果取样时间间隔足够大时，两个样点间的衰落互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。
2) 将待发送的信号每隔一定时间间隔重复发送，在接收端就可以得到N条独立的分集支路。
3) 在时域上时间间隔Δt应大于相干时间ΔT。时间分集对于处于静止状态的移动台是无用的。
4) 时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线的数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。
分集技术的优势是很强大的，在很多通信系统中都采用了分集技术。而且在这里需要强调的是，在一个通信系统中采用一种以上的分集方式并不是多此一举。例如在IS-95系统中，同时采用了空间分集、频率分集、时间分集技术，它们的目的都在于以最小的发射概率得到所需要的误码率。
三、合并技术
分集接收中，在接收端从N个不同的独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。合并时采用的准则和方式主要可以分为三种：最大比值合并、等增益合并、选择式合并等。下面分别介绍：
1. 最大比值合并
在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行合并。
1) 最大比合并的原理图如下:

图1 最大比合并原理图
2) 利用切比雪夫不等式，可以证明当可变增益加权系数Gi=Ai/σ2时，分集合并后的信噪比达到最大值。其中Ai表示第i个分集支路的信号幅度；σ2表示每支路的噪声功率，且i=1，2，3，…，n。
3) 合并后的输出为
（1）
可见信噪比越大，对合并后信号贡献越大。
4) 最大比合并后的平均输出信噪比
（2）
其中 表示最大比合并后的平均输出信噪比； 表示合并前每个支路的平均信噪比； 表示分集支路数目，即分集重数。
5) 合并增益为
（3）
可见合并增益与分集支路数N成正比。
2. 等增益合并
1) 在上述最大比合并中，取 ，即为等增益合并。
2) 等增益合并后的平均输出信噪比为
（4）
3) 等增益合并的合并增益为
（5）
当N较大时，等增益合并与最大比值合并相差不多。
4) 等增益合并实现比较容易，设备也简单。
3. 选择式合并
1) 选择式合并与最大比值合并的区别就是将相加器变为选择器。
2) 接收端有N个分集支路的接收机，根据选择逻辑选出其中具有最大信噪比的某一路 作为输出。
3) 选择式合并的平均输出信噪比为
（6）
可见，每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。
4) 选择式合并的合并增益为
（7）
综合上述三种方法，等增益合并的优点是实现比较简单；选择性合并的缺点是未被选择的径被弃之不用；最大比合并的性能最好。
四、RAKE接收机
RAKE的概念是由R.Price和P.E.Green在1958年的《多径信道中的一种通信技术》一文中提出来的。
RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。
由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、幅度大小、时延、相位均为随机量。

图2 多径信号的矢量合成图
若无RAKE接收机，多径信号的合成如图2（a）所示，若采用RAKE接收机，多径信号的合成如图2（b）所示。
可见，通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，变矢量相加为代数相加，有效地利用了多径分量。
根据CDMA系统中可分离的径的概念，当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，可以认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。反应在频域上，即信号的传输带宽大于信号的相干带宽时，认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。由于CDMA系统是宽带传输的，所有信道共享频率资源，所以CDMA系统可以使用RAKE接收技术，而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。
RAKE接收机分集的度量取决于多径时延宽度和多径分离的能力。
在最大时延扩展为 m的多径衰落信道中，RAKE的概念就是采用一种特定的宽带传输信号，其带宽W远远大于信道的相干带宽 m，根据可分离的多径的概念，这种情况下可分离的多径数为 。于是RAKE接收机采用L个相关器，相邻相关器所处理的时延之差为1/W，每个相关器只从总的接收信号中提取相应延时的那部分多径信号。
RAKE接收机的框图如图3所示：

图3 RAKE接收机框图
五、结束语
分集接收技术是一种重要的对抗多径衰落的技术。使用分集接收技术的前提是系统的多径分量的衰落相互独立。同一通信系统中，可以同时采用多种分集方式以减小误码率。RAKE接收机就是通过将可分离的多径按其强度成比例合并，从而把多径中的能量收集起来。
总之，分集接收技术和RAKE接收机都是移动通信系统中的重要技术，在第三代移动通信系统中，这两种技术得到了更加广泛的应用。