2．5．2　分集技术

多路经传播的信号到达接收机输入端，形成幅度衰落、时延扩展及多普勒频谱扩展，将导致数字信号的高误码率，严重影响通信质量。为了提高系统抗多径的性能，一个有效的方法是对信号进行分集接收。

1．分集技术的概念

分集技术(Diversity Techniques)是一种利用多径信号来改善系统性能的技术。其理论基础是认为不同支路的信号所受的干扰具有分散性，即各支路信号所受的干扰情况不同，因而，有可能从这些支路信号中挑选出受干扰最轻的信号或综合出高信噪比的信号来。其基本思想是利用移动通信的多径传播特性，在接收端通过某种合并技术将多条符合要求的支路信号合并且输出，从而大大降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性。对这些支路信号的基本要求是:传输相同信息、具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性。

分集技术将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的)多路信号，然后将这些多路分离信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，对数字信号而言，使误码率最小。因此，分集技术应包括两个方面:第一，如何把接收的多径信号分离出来，使其互不相关;第二，将分离出的多径信号怎样合并起来，获得最大的信噪比的收益。

2．分集技术的分类

分集技术充分利用传输中的多径信号能量来改善传输的可靠性。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以从空域、频域和时域的不同角度，用不同的方法来加以实现。分集技术有多种分类形式。

(1)按分集的目的分类

宏观分集:抗长期(慢)衰落为目的;

微观分集:抗短期(快)衰落为目的。

(2)按信号传输的方式分类

显分集:构成明显分集信号的传输方式，多指利用多付天线接收信号的分集，它包括空间分集、极化分集、时间分集、频率分集和角度分集等。

隐分集:分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。

下面介绍各种分集技术的实现方法。

3．显分集及其合并技术

显分集技术可分为以下几种。

(1)空间分集

空间分集是利用在空间相隔一定距离的多付天线接收同一信源的信号来实现分集的。在移动通信中，空间的任何变化都可能引发场强的变化。一般空间的间距越大，多径传播的差异也越大，接收场强的相关性就越小。因此，在接收端利用天线在不同位置或不同方向上接收到的信号相关性极小的特点，在若干支路上接收载有同一信息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，以实现抗衰落的功能。空间分集的原理如图2-21所示。

图2-21空间分集原理示意图

空间分集的基本做法是在基站的接收端使用两副相隔一定距离的天线对上行信号进行接收，这两副天线分别称为接收天线和分集接收天线，其中接收天线可以与发射天线分别设置，也可以与发射天线合二为一，即收、发共用一副天线。图2-22左图为基站天线设备示意图，右图为采用三扇区定向天线的基站天线分布俯视图。图中给出的是发射和接收共用一副天线Tx/RxA，RxB为分集接收天线。

图2-22空间分集天线结构图

为了保证分集效果，接收天线和分集接收天线之间必须保持一定的空间间隔，称为分集天线间的距离D。理想情况下，D为λ/2就足以保证各支路接收的信号是不相关的，但在实际系统中，通常根据参数η、天线高度h来设计分集天线间的距离D:

D= h/η

式中，参数η在900MHz时取10，在1 800MHz时取20。

当然，在实际环境中，接收天线之间的间距要视地形、地物等具体情况而定。在工程设计中，大多数基站天线高度一般在25～50 m之间，因此分集天线间的距离在3．5～4．5m之间。空间分集除了可以获得抗衰落的分集增益外，还可获得3．5 dB左右的设备增益。

对于空间分集而言，分集的支路数m越大，分集效果越好。但当m较大(如m＞3)时，分集的复杂度增加，分集增益的增加随着m增大而变得缓慢。

(2)极化分集

在移动环境中，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互不相关的衰落特性。利用这一特性，在发端同一地位置分别装上垂直极化和水平极化天线，在收端同一地位置分别装上垂直极化和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况——分集支路只有两路且相互正交。

极化分集是用同一频率携带两种不同极化方式的信号来获取分集增益。现在普遍使用双极化天线就是极化分集天线，它是把两副采用±45°正交极化阵子合成一副天线。它的最大优点是节省安装空间，尤其适用于城市高话务密度区的基站，需要安装GSM900、GSM1800或更多副天线的场合。极化分集的增益低于空间分集，一般为1．5 dB。

极化分集的优点是结构比较紧凑，节省空间。其缺点是由于发射功率被分配到两副天线上，因而信号功率将有3 dB的损失。

图2-23中分别给出了收发共用一副天线时极化分集的基本结构示意图。

图2-23极化分集天线结构图

(3)时间分集

时间分集的原理是对于一个随机衰落的信号，当取样间隔时间足够大时，两个样点间的衰落是互不相关的，在接收端就可以得到N条独立的分集支路。

时间分集将信源比特分散到不同的时间段中发射出去，这样做可以使在出现深衰落或突发干扰时，来自信源比特中某一块的最重要的码位不会被同时干扰。

根据对时间选择性衰落的分析，在时域上时间间隔Δt应大于相关时间ΔT，即Δt≥ΔT=1/B，其中B为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比，可见时间分集对处于静止状态的移动台是无用的。

时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。

(4)频率分集

频率分集将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间间隔足够大(大于相干带宽)，那么，在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。

频率分集要求载波间隔Δf要大于相关带宽ΔF，即Δf≥ΔF= 1/L，其中L为接收信号时延功率谱的宽度。

频率分集与空间分集相比，优点是减少了接收天线与相应设备的数目，缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端可能需要采用多部发射机。

(5)角度分集

由于地形、地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。这样，在同一位置利用指向不同方向的两个或更多的有向天线实现分集的措施，即角度分集。

显分集的合并技术有以下几种。

(1)选择性合并

选择性合并方法是在多支路接收信号中，始终选取信噪比最高的支路的信号作为输出信号。以两路信号为例，设r₁和r₂是接收的两路相互独立的衰落信号，始终选取信噪比最高的支路的信号作为输出信号，经过选择逻辑，输出信号的电平通过率和平均衰落时间都比r₁和r₂大为减少，从而显示了分集具有抗衰落的作用。

(2)切换合并

切换合并的方法与选择性合并的不同之处在于它需设置门限电平V _T，其选择逻辑是将r₁(或r₂)与V _T比较，当r₁＜V _T时，发生切换，接收r₂，当r₂＜V _T时，发生切换，接收r₁。若切换后仍低于门限值时，策略1是不断地切换，策略2是停留在该位置。

(3)最大比合并

最大比合并对每一路有一个加权(放大器增益)，加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小，其结果使输出具有平方律的特性，故最大比合并也称平方律合并。

(4)等增益合并

当最大比合并法中的加权系数均相等时，就是等增益合并。其结果是输出具有线性关系，故也称线性合并。等增益合并性能仅次于最大比合并。

4．隐分集技术

空间分集、极化分集、频率分集等均属于显分集，它明显地采用多套设备，在不同频率、不同极化方向接收合并而成。而隐分集技术，是指只用一副天线接收机信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中，依据传输信号的方式不同，可实现时间隐分集和频率隐分集，所采用的技术主要有交织编码技术、跳频技术和直接序列扩频技术，因此，在数字移动通信中得到了广泛应用。

(1)交织编码技术(时间隐分集)

交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码(FEC)技术消除随机差错。它将信源比特分散到不同的时间段中，以减轻衰落带来的对重要码位的同时干扰。

交织编码是把待编码的m×n个数据位放入一个m行n列的矩阵中，数据位是按列填入的，而在发送时却是按行读出的，这样就产生了对原始数据位以m个比特为周期进行分隔的效果，在接收端再进行相反的操作来解交织，有一定的时延。通常，每行由n个数据位组成一个字，而交织的深度即为行数m。交织深度越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强，但同时意味着交织编码处理时间也越长，即是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。在现实中，当语音时延不大于40 ms时，人的耳朵是可以忍受的。

移动通信环境下的深衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可改善数字移动通信的传输性能。为了能抗拒深衰落，需要深度交织编码。目前，GSM系统、CDMA系统都采用交织编码技术。

(2)跳频技术(频率隐分集)

所谓跳频，简单来讲，就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。具体来讲，跳频就是给载波分配一个固定的宽频段并且把这个宽频段分成若干个频率间隙(称为频道或频隙)，然后用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率在这个固定的频段中不断地发生跳变。跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。其原理是:当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。