GSM数字移动通信专题之-----------分集技术

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3.4 空间分集

多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，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。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通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的概率。

分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。在移动通信中，通常采用空间分集，因此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的经两条（或多条）不同路径传播的信号，不会同时发生衰落的两路（或多路）信号，并经过某些处理后，在接收端以一定方式将其合并。

2. 常用的分集接收技术有哪些？

答：常用的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的发信频率同时发射，在收信端同时接收这两个射频信号后合成，由于工作频率不同，电磁波之间的相关性极小，各电磁波的衰落概率也不同。频率分集抗频率选择性衰落特别有效，但付出的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的两副天线，同时接收同一个发射天线发出的信号。两路收信号经时延、相位或幅度调整后，将按一定的规则进行合成，以减少电波衰落的影响，同时可以提高收信电平。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，以保持两种分集的优点。

分集技术 分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。分集技术包括分集发送技术和分集接收技术，从分集的类型看，使用较多的是空间分集和频率分集，除此之外，还有以下几种： 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，收站用垂直分隔的两副天线各自接收不同频率的信号，再进行合成或选择，就称为混合分集。此外还有站址分集、时间分集、角度分集等。

由于传播环境的恶劣，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附近，相位亦随时间产生随机变化，从而导致通信质量下降。对此，采用分集接收技术减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接收灵敏度。
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：在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。示意图如下。

   空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ／2（λ为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。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，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量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，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。

    分集天线把多径信号分离出来，使其互不相干，然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来，获得最大的信噪比收益。常用的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
　　频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的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，这种工作方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，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），只有这样，才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差，即频率间隔△f= f2- f1越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。
　　无论何种分集方式，都是利用在不同的传播条件下，几个微波信号同时发生深衰落的概率小于单一微波信号同一衰落深度的概率来取得分集改善效果的。
3. 分集改善效果
　　分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，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：

　　上图中的纵坐标及横坐标的意义已于图中标出。曲线A表示在深衰落情况下无分集时的相对电平累积分布曲线；曲线B表示采用分集接收的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的收信电平差。这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。例如上图中，对应50%、5%、0.1%的累积时间百分比时，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%时间百分比的分集增益为14dB意味着：无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30dB；采用分集技术后，由曲线B查出此时的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的收信电平时，单一接收与分集接收的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，其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%，两者的比值为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的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集，见图3－19所示。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d＞0．6l，并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到l/4，也能起到相当好的分集效果。