现代移动通信中发射分集技术研究

　　0 引言

　　无线传输环境中影响信号质量的主要因素是信道的衰落，而采用多天线分集方法能够有效地对抗无线信道的衰落，为系统提供可靠的信息传输。在移动通信系统中，传统的天线分集是在接收端——移动台采用多天线进行接收分集，典型的如Rake接收机采用多径合并技术来获得高的分集增益和良好的接收性能。目前已有大量的理论研究表明相同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集增益。因此，为了适应第3代移动通信系统的要求，在发射端——基站采用发射分集方案将是一个更有效、更切实可行的方法。

　　综合近几年发射分集的研究现状，本文概括介绍了多天线分集技术的原理和概念，从频率、时间、空间、极化、角度、调制等多个角度重点论述各类发射分集的典型方案，分析了多种发射分集技术的特点和性能，旨在推动发射分集技术在未来移动通信系统中的应用。

　　1 多天线分集技术的原理和分类

　　多天线分集技术其基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空间等)承载相同信息的多个信号副本，由于各信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落也不尽相同，然后接收机将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，并将多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。

　　分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。

　　2 发射分集技术的发展现状

　　2.1 分类

　　发射分集作为抗衰落的主要方法，已成为近年来讨论的技术热点，并在一些移动通信中得到了很好的应用。此外，发射分集技术还易于与空时编码、OFDM、干扰抑制以及智能天线等技术相结合，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性，因此具有非常高的理论价值及深远的现实意义。

　　在多天线技术的发展过程中，学者们提出了多种多样发射分集的方案。不同发射分集的系统模型各不相同，性能也存在或多或少的差异。但总结起来，发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线技术。根据所涉及资源的不同，可分为如下几个大类：

　　①空间分集技术：极化分集(PD)、选择发射分集(STD)、Pre-Rake发射(PRT)和发射自适应阵(TXAA)；

　　②时间与空间相结合的分集技术：延迟分集(DD)、循环延迟分集(CDD)、空时发射分集(STTD)和时间切换发射分集(TSTD)；

　　③频率与空间相结合的分集技术：频率切换分集(FSTD)、空频发射分集(SFTD)和空时扩频(STS)；

　　④相位与空间相结合的分集技术：扫相发射分集(PSTD)、相位结合发射分集(PATD)和空间码偏分集(SCOD)；

　　⑤编码与空间相结合的分集技术：正交发射分集(OTD)。

　　2.2 发射分集方案

　　(1)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，在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可以得到2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，其分集支路只有2路，该方法的优点是结构比较紧凑，节省空间。

　　(2)选择发射分集

　　选择发射分集的基本原理是选择最佳的发射天线来进行数据发送。接收端对收到的不同发射天线上导频信号的强度进行测量，周期性地向发射端报告哪副天线当前传输信道质量最好，然后发射端根据这些反馈信息，将待发送数据从最好的天线发射出去。

　　(3)Pre-Rake发射分集

　　Pre-Rake发射分集是将接收端的Rake合并过程放在发射端。预先在发射端对信号进行处理，以抵消传输时信道衰落带来的影响。这样每一径Rake信号在发射端都可看作为一根天线发射的信号，接收端把每一径估计出的信道复增益反馈给发射端，发射端用该反馈值对每根天线上将要发送的信号进行加权调整，使得信号达到接收端时能够将信道衰落的影响抵消，从而得到信噪比较好的信号。该方案较适合于天线的分集数固定、信道衰落的可分辨数目变化不大的情况。

　　(4)自适应阵列发射分集

　　在白适应阵列发射分集方案中，2副天线上传送相同的比特，且采用相同的Walsh码。阵列加权因子从移动台反馈信息得出，用以调整得到最大的接收功率。2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。

　　(5)延迟分集

　　在延迟分集方案中，同一信号的副本的延迟从不同的天线发射出去，接收端使用均衡器或维特比译码即可获得分集增益。延迟分集系统模型如图1所示，信源输出的信号首先进行信道编码，然后经串并转换变为M路相同的信息序列，最后经过不同长度的延迟后从M根天线发射出去。对延迟量的选择应当使各天线上信号不相关为前提，过长的延迟不但会增加接收端均衡的复杂度，同时并不能提高发射增益，因此通常选择信息比特周期作为信号的延迟量。

　　延迟分集的实质是人工制造了一种色散信道，将一个窄带频率非选择性衰落信道变为频率选择性衰落信道，从而实现了发射分集。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，同时存在着一定的接收时延。

　　(6)空时发射分集

　　空时发射分集(STTD)主要是指将空间分集与空时编码相结合的方案，它是目前最为广泛关注的分集方案，并被列入3G的标准。空时发射分集方法对信道衰落的抑制能力使它能够使用高阶的调制方式减少复用因子，用来提高系统容量。总而言之，该方法分集增益很高，适用于解决因衰落信道影响而系统容量受限的问题。

　　(7)时间切换分集

　　时间转换发射分集也称为天线跳变分集(AHD)，主要被应用于WCDMA系统的同步信道中。该方案中不同时隙的数据使用不同天线发射，即奇时隙的数据在天线1上发射，偶时隙的数据在天线2上发射，天线的切换以时隙为单位进行。

　　(8)空时扩展分集

　　空时扩展分集是码元采用多个Walsh码扩频的一种开环分集技术，它将2路分离的信号经正交扰码后再合并。从而，所有编码后的比特均在2个天线上得到传输，因此在译码过程中获得了重复编码所带来的时间分集增益。

　　(9)相位结合发射分集

　　考虑两发射天线的多用户系统，每一用户从各天线接收独立的信道信息，如图2所示，设2副天线发出的信号为2个矢量，则用户接收端的合并信号为2矢量之和。若将其中一副发射天线的信号相位旋转，另一副保持相对不变，那么合并信号的轨迹为一圆。相位结合发射分集方案的思想就是调整2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。

 　　(10)空间码偏分集

　　文献中提出了一种空间码偏分集方案，即在不同的天线上使用相同的扩频码，只是扩频码的相位不同。研究表明，该方案在不同天线上使用相位不同的Gold码进行发射，可以获得良好的性能，它的缺点是移动台必须进行一些额外的处理，这将会增加一定的硬件复杂度。

　　(11)分集

　　正交发射分集(OTD)是码字分集与空间分集的结合，发射端通过在多根天线上配置相同或者不同的码字，从而使接收端获得较大的分集增益。OTD与STTD方式类似，不同点在空时发射分集方式下2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。研究表明，该方案在Ricean信道中比Rayleigh信道下有更好的性能，说明了OTD方案更适合于郊区通信环境。

　　3 结束语

　　通过对上述多种发射分集技术的介绍和分析，表明各发射分集的工作特点和性能不尽相同，因此在复杂的无线信道下各发射分集技术所起的作用也有所不同。如何将不同的发射分集技术合理应用在第3代移动通信系统不同的信道条件下，将是更为切实的研究课题。