一个简单的无线通信系统发射分集技术

目录一个无线通信系统的简单发射分集技术 (1)I. 导言 (1)II.经典最大比率接收合并方案 (3)III.新发射分集方案 (5)Ⅳ.性能差错模拟 (10)V．实施问题 (10)A．功率要求 (11)B．信道估计误差的敏感性 (11)C．延迟效应 (11)D．天线配置 (11)E．软故障 (12)F．对干扰的影响 (13)VI.结论和讨论 (13)一个无线通信系统的简单发射分集技术摘要——本文提出一个简单的两分支发射分集方案。

该方案使用两根发射天线和一根接收天线，提供和最大比率发射合并（MRRC）相同的分集阶，使用一根发射天线和两根接收天线。

它也表明，该计划可能很容易地推广到两个发射天线和接收天线，提供了2倍分集阶。

这个新方案不需要任何带宽的扩展，从接收机到发射机的反馈，其计算复杂度与MRRC类似。

索引条款——天线阵列处理，基带处理，分集，估计和检测，衰落缓解，最大比合并，瑞利衰落，智能天线，空间块编码，空时编码，发射分集，无线通信。

I. 导言下一代无线系统相比于目前的蜂窝无线电标准，需要有更高的语音质量并且提供高比特率数据服务（高达2 Mbits /秒）。

同时，远程单位都应该是轻量级便携传播器。

此外，他们在不同类型的环境运行可靠：宏观，微观，和微微蜂窝；市区，郊区，农村，室内和室外。

换句话说，下一代系统都应该有更好的质量和覆盖面，更多的功率和带宽效率，并部署在不同环境中。

然而，这些服务必须对广泛的市场接受保持实惠。

不可避免的是，新的口袋传播者必须保持相对简单。

然而，幸运的是，经济规模可能允许更复杂的基站。

事实上，似乎基站的复杂性，可能是实现下一代无线系统的要求的唯一合理的贸易空间。

使得可靠的无线传输困难的根本现象是时变多径衰落[1]。

正是这种现象，使得无线传输同光纤，同轴电缆，微波的视线甚至卫星传输相比，更是挑战。

提高质量或降低多径衰落信道的有效错误率是非常困难的。

在加性高斯白噪声（AWGN），使用典型的调制和编码方案，减少有效的误码率（BER）从10-2 to 10-3可能需要仅1 - 2分贝更高的信号噪声比（SNR）。

然而，在多径衰落环境中实现相同的，可能需要高达10分贝的信噪比改善。

信噪比的改善可能无法由较高的发射功率或额外的带宽来实现，因为它和下一代系统的要求相反。

因此，在远程单元和基站有效打击或者减少衰落的影响，无需额外的功率和任何带宽牺牲，是至关重要的。

从理论上说，减缓无线信道的多径衰落的最有效的技术是发射功率控制。

假如链路一侧的接收机所经历的信道环境被信道另外一倾的发射机所了解，发射机可以预失真信号来克服接收机的信道影响。

这种方法有两个基本的问题。

主要的问题是所需的发射机动态范围。

对于发射机克服一定程度的衰落，它必须相同程度的功率，这在大多情况下是不实际的，因为辐射功率的限制和放大器的规模和成本。

第二个问题是发射机对接收机所经历的信道环境没有任何了解，除了（知道）在系统中上行链路（远程到基站）和下行链路（基站到远程）是在相同频率上进行传输。

因此，信道信息需要从接收机反馈到发射机，这会导致发射机和接收机的吞吐量下降和相当复杂性的增加。

此外，在某些应用可能没有反馈信道信息的链路。

其他有效的技术是时间和频率分集。

时间交织，连同纠错编码，可以提供分集改善。

这同样适用于扩频。

然而，当信道缓慢衰变时，时间交织导致大延迟。

等价地，当信道的相干带宽大于传输带宽时，或者，等价地说，相对小的延迟在信道中扩散，扩频技术是无效的。

在大多数散射环境中，天线分集，是一种实用，有效，因此，被广泛应用于减少多径衰落影响的技术[1]。

最经典的方法是使用多个天线接收和执行合并或选择和交换，以提高接收信号的质量。

使用接收分集办法的主要问题是成本，尺寸，和远程单元的功率。

使用多个天线和无线电频率（RF）链（或选择和开关电路）使远程单元更大和更昂贵。

因此，分集技术已几乎完全被应用于基站，以改善他们的接待质量。

一个基站往往是服务数以百计到数以千计的远程单元。

因此，它更加经济去增加设备到基站上，而不是远程单元上。

出于这个单元，发射分集是非常有吸引力的。

例如，一个天线和一个发射链，可增加到一个基站上去改善在这个基站覆盖范围内的所有远程单元的接收质量。

另一种方法是在所有远程单元上增加更多的天线和接收机。

绝对是第一个解决方案更加经济。

最近，一些用于发射分集的有趣方法已经被提出来。

一个用于基站联播的延迟分集方案被Wittneben提出来，稍后，一个用于单个基站，相同符号的副本在不同时间通过多根天线传输的类似方案被Seshadri和Winters提出来，从而创造一个人造多径失真。

最大似然序列估计（MLSE）或最小均方误差（MMSE）均衡，用来解决多径失真，并获得分集增益。

另一个有趣的方法是空时网格编码，在[6]介绍，符号根据天线编码然后同时被传播出去，用最大似然解码器解码。

这个方案是非常有效的，因为它结合前向纠错（FEC）编码和多样性传输的好处，以提供可观的性能增益。

这个方案的成本是额外处理的，它随着宽带效率（比特/秒/赫兹）和所需分集阶数成倍增加。

因此，对于某些应用，它可能不实际或经济有效。

本文提出的技术是一个简单的发射分集方案，它通过在对端面的两根发射天线进行简单处理，从而改善链路另一侧的接收器的信号质量。

所获得的分集阶数相当于应用在接收器采用两根天线的最大比率接收合并方案（MRRC）。

这个方案可以很容易地推广到两根发射天线和M根接收天线以提供2M的分集阶数。

这样做不需要任何从接收端到发射端的反馈并且只要很小计算复杂度。

这个方案不需要带宽扩展，在多个天线间的空间应用冗余，而不是在时间或者频率上。

这个新发射分集方案可以提高误码性能，数据数率，或者无线通信系统的容量。

对衰落的敏感下降可能会允许使用更高级别的的调制方案，以增加有效数据传输速率，或者多小区环境的复用因数，用以提高系统容量。

换句话说，这个新方案在系统容量被多径衰落限制的所有应用中是有效的，因此，可能成为一个简单和经济有效的途径去满足质量和效率的市场需求，而不需要对现有系统完全重新设计。

此外，这个方案似乎是下一代无线系统的一个极好的候选方案，因为它有效地减少在远程单元的衰落影响，通过在基站使用多根发射天线。

在第二节中，经典最大比率接收分集合并方案将被讨论并且给出简单的数学描述。

在第三节中，使用一根和两根接收天线的新的两分支发射分集方案会被讨论。

在第四节中，采用相干二进制相移键控（BPSK）调制的新方案的误码性能会被提出，并且和MRRC 比较。

该方案的实际实现和经典MRRC之间存在成本和性能差异。

这些差异在第五节中进行详细讨论。

II.经典最大比率接收合并方案图1显示了经典两分支MRRC的基带表示。

在一个特定的时间，信号S0从发射端发射。

信道包括发射链路，空中链接和接收链路的影响，可以模拟一个复杂的乘法组成的幅度响应和相位响应失真。

发射天线和接收天线0之间的信道被标记为h0,发射天线和接收天线1之间的信道被标记为h1h0=α0e jθ0h1=α1e jθ 1 （1）噪声和干扰增加到两个接收器上。

接收到的基带信号为r0=h0s0+ n0r1=h1s0+n1(2) 其中n0和n1表示复杂噪声和干扰。

假设n0和n1是高斯分布，接收端接收信号的最大似然决策规则是选择信号s i当且仅当（3）是信号x和信号y的欧氏距离平方，并且由以下公式计算出来：（4）两分支MRRC的接收合并方案如下：（5）扩展（3）和用（4）和（5）我们得到信号s i当且仅当（6）或等价地，选择s i当且仅当（7）对于PSK信号（平等能量星座）（8）其中E s是信号的能量。

因此，对于PSK信号，决策规则（7）可以会被简化为选择s i 当且仅当（9）最大比合并器可以重建信号，如图1展示。

最大似然检测器可以产生，的最大似然估计。

图1.两分支MRRCIII.新发射分集方案A.两个分支，一个接收器的发射分集图2显示了新的两个分支的发射分集方案的基带表示。

该方案使用两个发射天线和一个接收天线，可通过以下三个功能定义：·编码和发射机的信息符号传输序列;·在接收器的合并方案;·最大似然检测的决策规则。

1）编码和传输序列：在一个给定的符号周期，两个信号同时从两个天线传输。

从天线0传输的信号标记为s0，从天线1传输的标记为s1。

下一个符号周期，从天线0传输()，天线1传输，其中*表示复共轭操作。

这个序列显示在表1中。

图2.两个分支，一个接收器的发射分集方案表一，在时间和空间（空时编码）编码。

然而，编码，也可以在在空间和频率实现。

两个相邻的载波代替两个相邻的符号被使用（空频编码）。

表一，两分支发射分集方案的编码和传输序列在时刻t，信道可以由发射天线0的复杂乘法失真和发射天线1的模拟出来。

假设跨越两个连续符号的衰落是恒定的，我们可以得到T是符号的持续时间。

接收信号可以被表达为2）合并计划：在图2中所示的合成器建立以下两个发送到最大似然检测器的联合信号。

（12）这个和并方案和（5）所示的MRRC是不同的，明白这一点是至关重要的。

将（10）和（11）代入（12）我们可以得到（13）3）最大似然决策规则：这些组合信号，然后传送到最大似然检测器，对于信号s0和s1每个信号，用（7）或（9）表示的决策规则表示PSK信号。

式（13）得到的合并信号等于式（5）中MRRC得到的结果。

唯一的区别是噪声分量的相位旋转没有降低有效SNR。

因此，新的一个接收器两分支发射分集方案所得到的分集阶数等于两分支MRRC。

B．M个接收器的两分支发射分集某些需要高阶分集阶数和远程单元多天线的应用是可行的。

在这些情况，它可以通过两根发射天线和M根接收天线来获得2M倍分集阶数。

例如，我们详细讨论两根接收天线两根发射天线这种特殊情况。

对M根接收天线的概括是微不足道的。

图3.两根接收天线的新两分支发射分集方案表二发射天线和接收天线间的信道的定义表三两根接收天线的接收信号的表示图3是两根发射天线和两根接收天线新方案的基带表示。

这种配置下的信息符号的编码和传输序列，是和单个接收器的情况相同的，如表1所示。

表2定义发射天线和接收天线间的信道，表3定义了两根接收天线的接收信号的表示方法。

（14）n0,n1,n2和n3代表接收机的噪声和干扰的复杂随机变量。

图3所示的合并器建立下列送去最大似然检测器的两个信号：（15）代入相应的方程我们得到（16）这些合并信号然后被送到最大似然解码器，其中s0使用（17）或（18）所示的PSK信号的标准。

选择s i当且仅当（17）（18）相似的，对于s1，使用该决策规则去选择信号s i当且仅当（19）或者，对于PSK信号，选择s i当且仅当（20）式子（16）所示的合并信号相当于四分支MRRC所得，没有在本文中提到。