无线通信分集

本文详细介绍了无线通信中的几种分集技术,包括频率分集、空间分集、极化分集、时间分集和均衡。这些技术通过不同的方式减少信道衰落的影响,提高通信系统的可靠性。频率分集通过使用不同频率发送信号,空间分集利用多副天线的独立衰落特性,极化分集利用水平和垂直极化的不相关性,时间分集则通过重复发送信号来抵消衰落。均衡技术在接收端用于消除信道的影响。发射分集和接收分集各有优缺点,如V-BLAST方案提供更高的空间自由度但复杂度较高,而Alamouti方案则有较低的解码复杂度。SIMO和MISO系统是多天线通信的重要应用场景。

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频率分集

发信端:将一个信号利用两个间隔较大的发信频率同时发射

接收端:同时接收两个射频信号后合成

优势:工作频率的不同 ⟶ \longrightarrow 电磁波之间的相关性极小+各个电磁波的衰落频率不同 ⟶ \longrightarrow 对抗频率选择性衰落

劣势:成倍地增加了收发信机,成倍地多占用了频带,降低了频谱利用率

空间分集

发信端:一副天线发射信号

接收端:多副天线接收信号,天线之间间隔距离大于半个波长

优势:多副接收天线的输出信号的衰落特性相互独立,利用合并电路从中挑出信号幅度较大的、信噪比最佳的信号,从而降低信道衰落的影响

极化分集

水平极化和垂直极化路径的不相关性,不同极化方向的反射系数不同

时间分集

概念:将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发,各次发送的时间间隔大于信道的相干时间

计算:取信道衰落关于时间的平均

均衡

接收端均衡器:产生于信道相反的特性,消除信道的频率和时间的选择性

天线分集

发射端:将同一消息的一个或多个信号传递出去

接收端:将该消息的两个或多个受扰不同的信号利用选择或合并电路恢复,以获得比任何单个信号所得到的消息质量好的技术

接收分集

缺点:接收端的计算负荷很高,移动台的功率消耗很大

解决办法:在发射端使用空时编码,获得相同的分集增益,接收端解码只需要做简单的线性处理

瞬时接收信噪比

=给定信道矢量h的接收信噪比

= ∣ ∣ h ∣ ∣ 2 S N R ||h||^2SNR h2SNR

= L S N R ∗ 1 L ∣ ∣ h ∣ ∣ 2 LSNR*\frac{1}{L}||h||^2 LSNRL1h2

=功率增益*分集增益

=阵列增益*分集增益

其中分集增益= 1 L ∣ ∣ h ∣ ∣ 2 \frac{1}{L}||h||^2 L1h2= 1 L ∑ i = 1 L ∣ h i [ 1 ] ∣ 2 \frac{1}{L}\sum^L_{i=1}|h_i[1]|^2 L1i=1Lhi[1]2,即使在所有的 h i h_i hi都相互独立的情况下,随着L的增大也会存在逐渐减小的边缘回报,意思就是,根据大数定理,随着L的增加而收敛到1,而功率增益并没有受到这种限制的影响,天线数量翻一倍就会对应于增加3dB的增益

发射分集

从V-BLAST方案中可以知道多副天线的新作用:

  1. 分集功能
  2. 提供附加的通信自由度

这个方案还揭示了空时码性能分析框架的局限性,之前的方法总是能从信道中获取最大分集的方案,之后再比较它们的编码增益,编码增益又是利用可用自由度的效率的函数

V-BLAST的分集增益不如Alamouti方案,但它的空间自由度的效率更高,从而得到更大的分集增益

Alamouti方案的低复杂度的最大似然接收机——译码分解为两个正交的单码元检测问题

V-BLAST的最大似然检测需要两个码元联合检测

SIMO系统

单输入多输出系统,一根发射天线,Nr根接收天线

MISO信道

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