无线通信中的分集技术

无线通信中的发射分集技术

摘要：发射分集技术是无线通信中的一项关键技术，在第三代移动通信技术中已经普遍采用。文章主要讨论发射分集技术的研究背景与意义，阐述各种发射分集技术的特点及比较不同发射分集技术的性能与应用，最后对于该技术的应用前景进行了阐述。

关键词：发射分集开环发射分集闭环发射分集

一、发射分集技术的研究背景与意义

无线通信技术面临的最主要问题是时变的信道衰落，这也是它和光纤、铜线通信等相比面临的一个重要挑战。在衰落环境下降低误码率是相当困难的，需要发射端(基站)采用更高的功率进行发射或者采用额外的带宽，但这在下一代通信系统中都是不合适的。理论上，抵抗信道衰落的最好方法是进行功控，也就是如果发射端预先知道信道条件，那么在发射的时侯预先将信号变形来抵消衰落带来的影响。但是这种方法需要发射端有较大的动态范围，另外发射端也不知道信道的条件，因此在大多数散射环境中，是采用天线分集方法来抵抗信道衰落的。

传统的天线分集是在接收端(移动台)采用多根天线进行接收分集的，并采用合并技术来获得好的信号质量，例如“Rake接收机”。但是由于移动台尺寸受限，采用接收天线分集技术较困难，而且在移动台端进行接收分集代价高昂，增加了用户的设备成本。从理论与实际应用中都发现相同阶数的发射分集与接收分集具有相同的分集增益。因此为了适应下一代移动通信的要求，只有增加基站的复杂度，在基站端采用发射分集技术才是比较合适的方法。

发射分集的概念实际上是由接收分集技术发展来的，是为减弱信号的衰落效应，在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不同的信道中保持独立的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并，从而减少衰落的严重性。由于基站的复杂度较移动台端限制少，且天线有足够空间，因此通常在基站端采用多副天线进行发射分集提高下行性能，在接收端采用一副天线进行接收。发射分集的成本代价相对于接收分集来说，是移动通信业务运营商和用户所较能接受的；而且发射分集能够实现同一发射信号使多个移动台获得发射增益(支持点对多点发射)，而传统的接收分集的发射增益只是针对一个移动台。

二、发射分集技术分类

发射分集技术是系统提高下行链路性能，减小信道衰落影响的一项关键技术。根据是否需要反馈信息，将发射分集分为前馈分集(Feedforward Diversity )和反馈分集(Feedback Diversity)两类，又分别称为开环发射分集(Open Loop Transmit Diversity)和闭环发射分集(Closed Loop Transmit Diversity)。

1．开环发射分集

开环发射分集主要有时空发射分集(STTD：Space Time Transmit Diversity)、延迟分集(DD：Delay Diversity)、时间转换发射分集(TSTD：Time Switched Transmit Diversity)、相移发射分集(PSTD：Phase Sweeping Transmit Diversity)，相位结合发射分集(PATD：Phase Allgnment Transmit Diversity)、正交发射分集(OTD：Orthogonal Transmit Diversity)和极化分集(PD：Polarization Diversity)等几种典型技术。

(1)时空发射分集

以两副发射天线，一副接收天线为例来说明，即基站端用两副天线进行发射，移动台端采用一副天线进行接收。在这种分集方法中，信号经过时空编码，分别从两副发射天

线发送出去，在接收端采用一副天线进行合并。两副天线的传输信道使用长度为M bit(图l 中M=4)的相同Walsh码字进行扩频，在第n比特发送时间内两副天线上发送的是b n 和-b n，

在第(n+1)比特时间则发送b n+1与b n，每个比特都经过2L个分集数，即每个比特都从两副天线上发送，每副天线上经过L个路径数。由于每个码元重复两次，所以两副天线上总的Walsh 码长度是2M bit，但是两副天线上的Walsh码字一样，因此可有效使用的Walsh码字与不采用发射分集系统数目是一致的。时空发射分集方法对信道衰落的抑制能力使它能够使用高级的调制手段减少复用因子，用来提高系统容量。总的来说这种方法增益高，适合于解决因衰落信道影响而系统容量受限的问题。

(2)延迟分集

在这种发射分集技术中，发送信号依次延迟K个码元，相当于Ds的延时，分别在N恻发射天线上发射数字信号S(t)。总的发射功率P均匀分配在所有天线上。对延迟的选择应当使得每副天线间的信号传输都是不相关的，但是过长的延迟会增加接收端均衡的复杂度，并不能提高发射增益，因此通常选择D s为信息比特周期。这种方法的优点是实现简单，但是对于延迟估计误差比较敏感，误差带来的性能降低有可能超过分集带来的增益，而且这种方法在接收端由于信号延迟传送的关系无法实时地达到最大合并增益。

(3)时间转换发射分集

时间转换发射分集方法也称为天线跳变分集(Antenna Hopping Diversity)。这种方式中，基站是以一个每帧固定的转换速率将用户的传输信号在两副天线间切换发射的。这种方式下，在不同的时隙使用不同的天线发射，即奇时隙的数据在天线l上发射，偶时隙的数据在天线2上发射，天线的切换是以时隙为单位进行的。

(4)相移发射分集

相移发射分集在射频功放前将数据分成两部分：一部分放大从天线A发射，另一部分移动载波频率接着放大从天线B发射出去。这种方式中，两副天线上使用相同的导频(pilot)信道和传输信道walsh码，两副天线之间存在一个时变的相位差。在接收端看来，分集天线上的信号是经过一个快速衰落的信道产生了多普勒频移到达接收端的。在接收端再利用这一多径信号，对多副天线传输的信号进行合并。

(5)相位结合发射分集

考虑两副发射天线、多用户的分集系统，每一用户从每一天线接收独立的信道信息。两副天线发出的信号为两个矢量，用户接收的结合信号为两矢量的和。如果其中一副发射天线的信号相位旋转．另一副保持相对不变，那么结合信号的轨迹为一圆。相位结合发射分集的思想是调整两天线发射信号的相位差，从而使接收端合并后的信号强度达到最大值。两副天线上的相位调整差值根据每一用户的信道传播环境，由最大合并准则给出。在时分复用系统中，由于上下行信道同频率，因此可以将上行链路信道估计作为对下行信道的估计，以此作为最大合并准则中所需的一个参量。因此相位结合发射分集更适用于时分双工系统。

(6)正交发射分集

正交发射分集有两种方式，一是在发射端将数据分成两部分数据流，分别用两个正交的walsh码扩频调制后用不同的天线发送。在接收端，再分别用正交的walsh码扩频解调这两副天线上的信号，从而恢复出两个相同的编码比特，再进行合并。这种方式虽然在衰落信道下性能比较好，但是它减少了可用的Walsh码字，即减少了系统容量，系统总的性能不一定好。针对这一弱点，正交发射分集还有第二种方式。编码后的信号被划分，并依次在两副天线上发送，每副天线上的传输速率因此会降低一半，相当于进行了串并转换。由于速率降低了，因此Walsh码字的长度就增加了一倍，可用的walsll码字又提高了一倍，正好可以抵消由于进行发射分集而减少的walsh码字。这种方式也可以看成是一种无限交织。在无限交织和相同编码增益的情况下，这两种方式的最终性能是相同的。

(7)极化分集

在移动环境下．两副在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点，在发射端分别装上垂直极化天线和水平极化天线，在接收端也分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可以得到两路衰落特性不相关的信号，对这两路信号进行合并，从而得到分集增益。极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。这种方法的优点是结构比较紧凑，节省空间。

2．闭环发射分集

闭环发射分集主要包括选择发射分集(STD：Selective Transmit Diversity)，Pre—Rake发射(PRT：Pre—Rake Transmission) 和发射自适应阵列(TXAA：Transmit Adaptive Arrays)等三种技术。

(1)选择发射分集

选择发射分集的基本思想是选择最佳发射天线来进行数据发射。移动台测量收到的两副天线上导频信号的强度，然后周期性地向基站汇报哪副天线当前传输信道的质量更好，基站根据这些反馈回来的信息，将待发送的数据从最好的天线发送出去。

(2)Pre—Rake发射

这种方法是将接收端的Rake合并过程放在发射端来做，预先在发射端对信号进行变形，以抵消未来信道衰落的影响。每一径Rake信号在发射端都体现为一副天线。接收端将每一径估计出来的信道复增益反馈给发射端，发射端用该反馈值对每副天线上的幅度与相位进行调整，使得天线上发进出去的信号到达接收端时，可以将信道的变形抵消掉。Pre—Rake发射还有一些改进的发射分集方法，

例如Pre—Rake与选择天线发射分集结合(Pre—Rake Selection Transmit Diversity)，Pre—Rake与最大合并比(MRC)结合的发射分集(Pre—Rake MRC Transmit Diversity)等。

(3)发射自适应阵列

(以两副发射天线为例)。在这种方式下，两副天线上传送相同的比特，采用相同的Walsh 码。复值的阵列调整加权因子h1 和h2 从移动台反馈信息得出，用以调整得到最大的接收功率。两副天线上的相位和幅度是不断进行调整的，其最佳的天线增益和相位是能够使接收端(移动台)收到的信号功率最大的增益与相位。在平坦衰落条件下，最优的天线阵列调整加权因子是信道复增益的共轭。由于在把它传递给基站端时存在时延和信道估计误差，因此基站端收到的不一定是此刻最佳的阵列调整加权因子。发射自适应阵列的理论增益与天线数目成正比。

三、各类发射分集技术比较与应用

总的来说，闭环发射分集的性能较开环发射分集的性能好。闭环发射分集中，移动台将测量值反馈回基站，基站调整发射天线上的幅度、相位，从而最好地利用不同的发射路径。闭环技术在付出吞吐量降低的代价后，获得比开环分集高的增益。在第三代移动通信系统中，时空发射分集、时间转换发射分集与发射自适应阵列等已经被纳入3GPP的标准，经仿真验证有较高的增益。

1．开环发射分集技术比较

在开环发射分集技术中，时间转换发射分集是最为简单的发射分集技术，因此被用在第三代移动通信系统的同步信道中。时间转换发射分集对于天线的选择完全采用时间片轮询的方式，因此非常简单。但是它的缺点也在于简单的天线选择方法导致了其对功率控制会产生一定的影响。因为功率控制需要对信噪比进行测量，对信道进行估计。一个好的测量需要对多个时隙的信号进行综合或者平均后才能得到，因此在接收端(移动台端)进行信道估计的时候，是对多个时隙中的导频比特(导频信号)进行估计，而采用时间转换发射分集后，由于不同时隙的信号是在不同天线上发射，经历了不同的传输路径，因此在移动台对信道进行估计的时候，无法对一个单一的信道进行准确的估计，信道估计的性能会有所下降。因此时间转

换发射分集更适合于功率控制算法对于信噪比误差不敏感的情况。

延迟分集是时间分集与空间分集的结合，其优点同样在于实现比较简单，但是它对于延迟估计误差比较敏感，误差带来的性能降低有可能超过分集带来的增益，而且这种方法在接收端由于信号延迟传送的关系，无法实时的达到最大合并增益。因此延迟分集较适合于系统对于延时估计比较精确的情况。

极化分集实现也比较简单，这种方法的优点是结构比较紧凑，节省空间。但是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3 dB的损失。而且这种方法受到天线极化的影响，只能分为水平极化与垂直极化两种，分集的天线数也只能为两副，限制了其分集增益的进一步提高。因此极化分集较适用于对于分集增益要求不高的系统。

相移发射分集、相位结合发射分集、正交发射分集相对于时间转换发射分集、延迟分集与极化分集而言复杂一些。相移发射分集是频率与空间分集的结合，两副天线采取不同的频率，接收端根据不同的频率区分两副天线上的信号，可合并得到分集增益。这种方法类似于在信道中人为地产生了一个多普勒频移，由此带来的优势在于，可以预先抵消由于移动台的快速移动导致的信道快速衰落所带来的多普勒频移。因此这种方法更加适合于移动台在高速运动的状态。

相位结合发射分集是相位分集与空间分集的结合，接收方根据发送方对天线上相位的配置来实现接收端接收到的信号能量和最大。由于这种方法将上行链路中的信道估计作为对下行链路的信道估计，因此适合于时分双工系统。因为在时分双工系统中，上下行链路采用相同的频率传输，上下行链路基本对称，上行的信道估计能够作为下行信道的估计。

正交发射分集则是码字分集与空间分集的结合，发送方通过在多根天线上配置相同或者不同的码字，来使接收端得到大的分集增益。正交发射分集与时空发射分集方式类似，不同点在于时空发射分集还进行了时空正交编码，而且时空发射分集方式下两副天线上的Walsh 扩频码是相同的，而正交发射分集中Walsh码字是正交的。对正交发射分集的仿真表明，正交发射分集在莱斯信道中比瑞利信道下有更好的性能，这说明正交发射分集更适用于在郊外通信的环境。

时空发射分集是时间、空间、编码相结合的发射分集方法，得到的分集增益比较高，对于时空发射分集的仿真表明，即使在低信噪比的情况下也可以达到5dB以上的增益。这是因为时空发射分集带来的增益中不仅有时空信号分集的增益，而且有时空正交编码的增益。在第三代移动通信系统中，大部分物理信道上都采用了这种分集方法。它的缺点在于，由于在发送端对信号进行了编码，在接收端需要进行解码，因此系统有一定的延时另外由于两副天线上采用了相同的扩额码字，时空发射分集中可用的扩频码字数为不采用发射分集的系统中可用扩频码字数的一半。时空发射分集在多径衰落信道中才能达到较高的增益，表明时空发射分集更适用于实际的多径衰落信道环境。

2．闭环发射分集技术比较

闭环发射分集技术中，选择发射分集是最简单的闭环发射分集技术，它根据反馈的信息来选择发送时采用的天线。移动台测量收到的两副天线上导频信号的强度，然后周期性地向基站汇报哪副天线更好，基站根据这些信息，将待发送的数据从最好的天线发送出去。选择发射分集与时同转换发射分集类似，但是选择发射分集是有选择性的跳变，而时间转换发射分集是无选择的跳变；在天线功率方面，选择发射分集方式下的天线功率应该比时间转换发射分集高一些。因为在时间转换发射分集方式下，每副天线上的功率可以保持一个常数；而在选择发射分集方式下，可能一副天线上发送的信号比另一副高很多，这就意味着选择发射分集的功率放大器应当比时间转换发射分集的功率变化范围大一些。另外很重要的一点是，选择发射分集在信道变化缓慢的情况下，对于信噪比的估计可以比较精确因此它更适用于移动台运动速度不高，信道变化缓慢的环境。

Pre—Rake比选择发射分集实现起来复杂一些。Pre—Rake接收端采取的算法对系统性能的影响较大，采用Pre—Rake与最大合并比算法优于Pre—Rake与选择式合并的发射分集算法，而且由于天线数受到多径数的限制，Pie—Rake分集增益的提高也受限。Pre—Rake较适合于天线的分集数固定、可区分的信道衰落多径数变化不大的情况。

发射自适应阵列与Pre—Rake类似，不同点在于Pre—Rake的天线数是根据Rake接收端区分的路径数来决定的，发射自适应阵列则与Rake合并中的支路数无关。发射自适应阵列的天线数可以比较自由地拓展，接收端算法实现起来也比较简单。但是发射自适应阵列的缺点在于接收端向发送端反馈的天线调整信息存在一定的延时与误差，到达接收端的信息反馈值不一定是当前的理想信息，因此发射自适应阵列更适用于对于信道估计比较准确、反馈

信息比较迅速的环境。

由于发射自适应阵列与时空发射分集、时间转换发射分集各自的特点而被应用到第三代移动通信系统中不同的信道中：时间转换发展分集被用于WCDMA中的同步信道，发射白适应阵列与时空发射分集被用于WCDMA的专用物理信道。

四．结语

发射分集技术虽然已被纳人3GPP国际标准中，但对它的研究尤其是时空发射分集的研究方兴未艾。发射分集技术中依然有许多问题有待解决，例如功率分配问题，闭环发射分集技术中信道估计的误差、反馈信息所带来的延时等问题，使系统性能有不同程度的恶化；此外非常重要的一点是，在发射分集中，由于采用了多副天线进行传输，因此发射信号在传输中会相互干扰，如何消除或者利用这些干扰是崭新的课题。这些问题的解决将给发射分集技术的应用带来更光明的前景。