卓建榮 劉力軍 官兵
引言
無線傳輸環(huán)境中影響信號質(zhì)量的主要因素是信道的衰落，而采用多天線分集方法能夠有效地對抗無線信道的衰落，為系統(tǒng)提供可靠的信息傳輸。在移動通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的天線分集是在接收端——移動臺采用多天線進行接收分集，典型的如Rake接收機采用多徑合并技術(shù)來獲得高的分集增益和良好的接收性能。目前已有大量的理論研究表明相同階數(shù)的發(fā)射分集和接收分集具有相同的分集增益。因此，為了適應(yīng)第3代移動通信系統(tǒng)的要求，在發(fā)射端——基站采用發(fā)射分集方案將是一個更有效、更切實可行的方法。
綜合近幾年發(fā)射分集的研究現(xiàn)狀，本文概括介紹了多天線分集技術(shù)的原理和概念，從頻率、時間、空間、極化、角度、調(diào)制等多個角度重點論述各類發(fā)射分集的典型方案，分析了多種發(fā)射分集技術(shù)的特點和性能，旨在推動發(fā)射分集技術(shù)在未來移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 多天線分集技術(shù)的原理和分類
多天線分集技術(shù)其基本原理是通過多個信道(時間、頻率或者空間等)承載相同信息的多個信號副本，由于各信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落也不盡相同，然后接收機將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的多路信號，并將多路信號的能量按照一定的規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大。
分集技術(shù)包括2個方面：一是分散傳輸，使接收機能夠獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即把接收機收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。
2 發(fā)射分集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 分類
發(fā)射分集作為抗衰落的主要方法，已成為近年來討論的技術(shù)熱點，并在一些移動通信中得到了很好的應(yīng)用。此外，發(fā)射分集技術(shù)還易于與空時編碼、OFDM、干擾抑制以及智能天線等技術(shù)相結(jié)合，最大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃裕虼司哂蟹浅８叩睦碚搩r值及深遠的現(xiàn)實意義。
在多天線技術(shù)的發(fā)展過程中，學者們提出了多種多樣發(fā)射分集的方案。不同發(fā)射分集的系統(tǒng)模型各不相同，性能也存在或多或少的差異。但總結(jié)起來，發(fā)射分集技術(shù)的實質(zhì)可以認為是涉及到空間、時間、頻率、相位和編碼多種資源相互組合的一種多天線技術(shù)。根據(jù)所涉及資源的不同，可分為如下幾個大類：
①空間分集技術(shù)：極化分集(PD)、選擇發(fā)射分集(STD)、Pre-Rake發(fā)射(PRT)和發(fā)射自適應(yīng)陣(TXAA)；
②時間與空間相結(jié)合的分集技術(shù)：延遲分集(DD)、循環(huán)延遲分集(CDD)、空時發(fā)射分集(STTD)和時間切換發(fā)射分集(TSTD)；
③頻率與空間相結(jié)合的分集技術(shù)：頻率切換分集(FSTD)、空頻發(fā)射分集(SFTD)和空時擴頻(STS)；
④相位與空間相結(jié)合的分集技術(shù)：掃相發(fā)射分集(PSTD)、相位結(jié)合發(fā)射分集(PATD)和空間碼偏分集(SCOD)；
⑤編碼與空間相結(jié)合的分集技術(shù)：正交發(fā)射分集(OTD)。
2.2 發(fā)射分集方案
(1)極化分集
在移動環(huán)境下，兩副在同一地點，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點，在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可以得到2路衰落特性不相關(guān)的信號。極化分集實際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有2路，該方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間。
(2)選擇發(fā)射分集
選擇發(fā)射分集的基本原理是選擇最佳的發(fā)射天線來進行數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端對收到的不同發(fā)射天線上導頻信號的強度進行測量，周期性地向發(fā)射端報告哪副天線當前傳輸信道質(zhì)量最好，然后發(fā)射端根據(jù)這些反饋信息，將待發(fā)送數(shù)據(jù)從最好的天線發(fā)射出去。
(3)Pre-Rake發(fā)射分集
Pre-Rake發(fā)射分集是將接收端的Rake合并過程放在發(fā)射端。預先在發(fā)射端對信號進行處理，以抵消傳輸時信道衰落帶來的影響。這樣每一徑Rake信號在發(fā)射端都可看作為一根天線發(fā)射的信號，接收端把每一徑估計出的信道復增益反饋給發(fā)射端，發(fā)射端用該反饋值對每根天線上將要發(fā)送的信號進行加權(quán)調(diào)整，使得信號達到接收端時能夠?qū)⑿诺浪ヂ涞挠绊懙窒瑥亩玫叫旁氡容^好的信號。該方案較適合于天線的分集數(shù)固定、信道衰落的可分辨數(shù)目變化不大的情況。
(4)自適應(yīng)陣列發(fā)射分集
在白適應(yīng)陣列發(fā)射分集方案中，2副天線上傳送相同的比特，且采用相同的Walsh碼。陣列加權(quán)因子從移動臺反饋信息得出，用以調(diào)整得到最大的接收功率。2副天線上的相位和幅度是不斷進行調(diào)整的，其最佳的天線增益和相位是能夠使接收端收到的信號功率最大的增益與相位。在平坦衰落條件下，最優(yōu)的天線陣列調(diào)整加權(quán)因子是信道復增益的共軛。
(5)延遲分集
在延遲分集方案中，同一信號的副本的延遲從不同的天線發(fā)射出去，接收端使用均衡器或維特比譯碼即可獲得分集增益。延遲分集系統(tǒng)模型如圖1所示，信源輸出的信號首先進行信道編碼，然后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換變?yōu)镸路相同的信息序列，最后經(jīng)過不同長度的延遲后從M根天線發(fā)射出去。對延遲量的選擇應(yīng)當使各天線上信號不相關(guān)為前提，過長的延遲不但會增加接收端均衡的復雜度，同時并不能提高發(fā)射增益，因此通常選擇信息比特周期作為信號的延遲量。
延遲分集的實質(zhì)是人工制造了一種色散信道，將一個窄帶頻率非選擇性衰落信道變?yōu)轭l率選擇性衰落信道，從而實現(xiàn)了發(fā)射分集。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是對于延遲估計誤差比較敏感，同時存在著一定的接收時延。
(6)空時發(fā)射分集
空時發(fā)射分集(STTD)主要是指將空間分集與空時編碼相結(jié)合的方案，它是目前最為廣泛關(guān)注的分集方案，并被列入3G的標準。空時發(fā)射分集方法對信道衰落的抑制能力使它能夠使用高階的調(diào)制方式減少復用因子，用來提高系統(tǒng)容量。總而言之，該方法分集增益很高，適用于解決因衰落信道影響而系統(tǒng)容量受限的問題。
(7)時間切換分集
時間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集也稱為天線跳變分集(AHD)，主要被應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)的同步信道中。該方案中不同時隙的數(shù)據(jù)使用不同天線發(fā)射，即奇時隙的數(shù)據(jù)在天線1上發(fā)射，偶時隙的數(shù)據(jù)在天線2上發(fā)射，天線的切換以時隙為單位進行。
(8)空時擴展分集
空時擴展分集是碼元采用多個Walsh碼擴頻的一種開環(huán)分集技術(shù)，它將2路分離的信號經(jīng)正交擾碼后再合并。從而，所有編碼后的比特均在2個天線上得到傳輸，因此在譯碼過程中獲得了重復編碼所帶來的時間分集增益。
(9)相位結(jié)合發(fā)射分集
考慮兩發(fā)射天線的多用戶系統(tǒng)，每一用戶從各天線接收獨立的信道信息，如圖2所示，設(shè)2副天線發(fā)出的信號為2個矢量，則用戶接收端的合并信號為2矢量之和。若將其中一副發(fā)射天線的信號相位旋轉(zhuǎn)，另一副保持相對不變，那么合并信號的軌跡為一圓。相位結(jié)合發(fā)射分集方案的思想就是調(diào)整2天線發(fā)射信號的相位差，從而使接收端合并后的信號強度達到最大值。
(10)空間碼偏分集
文獻中提出了一種空間碼偏分集方案，即在不同的天線上使用相同的擴頻碼，只是擴頻碼的相位不同。研究表明，該方案在不同天線上使用相位不同的Gold碼進行發(fā)射，可以獲得良好的性能，它的缺點是移動臺必須進行一些額外的處理，這將會增加一定的硬件復雜度。
(11)分集
正交發(fā)射分集(OTD)是碼字分集與空間分集的結(jié)合，發(fā)射端通過在多根天線上配置相同或者不同的碼字，從而使接收端獲得較大的分集增益。OTD與STTD方式類似，不同點在空時發(fā)射分集方式下2副天線上的Walsh擴頻碼是相同的，而正交發(fā)射分集中Walsh碼字是正交的。研究表明，該方案在Ricean信道中比Rayleigh信道下有更好的性能，說明了OTD方案更適合于郊區(qū)通信環(huán)境。
3 結(jié)束語
通過對上述多種發(fā)射分集技術(shù)的介紹和分析，表明各發(fā)射分集的工作特點和性能不盡相同，因此在復雜的無線信道下各發(fā)射分集技術(shù)所起的作用也有所不同。如何將不同的發(fā)射分集技術(shù)合理應(yīng)用在第3代移動通信系統(tǒng)不同的信道條件下，將是更為切實的研究課題。
