井敏英

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

0 引言

CDMA陸地移動通信信道由于受城市建筑物和其他地形地貌的影響，使電波傳輸環(huán)境極為復(fù)雜，屬典型的隨參信道。隨參信道對電波傳輸帶來的影響之一是多徑傳播，即到達接收端的信號是不同路徑、不同時延傳輸?shù)暮铣尚盘?，最終引起頻率彌散、多徑衰落、頻率選擇性衰落等，使系統(tǒng)誤碼率上升，嚴重影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量。為了不影響通信系統(tǒng)的性能，必須采取相應(yīng)的措施，而分集接收技術(shù)是一項簡單而有效的抗衰落技術(shù)，并在多種通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的分集技術(shù)有空間分集、時間分集和頻率分集，這些技術(shù)大都需要采用多套設(shè)備來實現(xiàn)，而RAKE接收技術(shù)既是一種分集技術(shù)，又不同于傳統(tǒng)的分集技術(shù)，它利用信號處理技術(shù)使多徑傳播的不利影響變成可以利用的信號，形成多徑分集，因此一些參考書上稱其為隱分集或帶內(nèi)分集，隱分集不需要設(shè)備增益。在CDMA系統(tǒng)中，有了RAKE接收技術(shù)，就可以在不浪費設(shè)備資源的情況下改善系統(tǒng)的性能。

1 RAKE接收技術(shù)原理

1.1 分集接收技術(shù)原理

分集接收是研究如何在接收端獲得多個承載同一信息并且衰落特性相互獨立的信號，然后將其進行相應(yīng)合并，來改善接收信號的電平起伏和衰落的技術(shù)，即分集接收技術(shù)有兩層含義，一是分散傳輸，使攜帶相同信息的多路傳輸信號的衰落特性相互獨立;二是集中處理，將得到的攜帶相同信息的相互獨立的多路信號進行相應(yīng)的合并，降低衰落的影響，從而提高系統(tǒng)的性能。為了在接收端得到衰落特性相互獨立或基本獨立的多路信號，可以通過不同路徑、不同頻率、不同時間等方式來實現(xiàn)，即對應(yīng)傳統(tǒng)的空間分集、頻率分集和時間分集。空間分集是在發(fā)送端架設(shè)一副天線，接收端架設(shè)多副(大于等于2)天線，只要接收端天線之間的距離足夠大，各天線所接收的信號便是攜帶同一信息、衰落特性相互獨立的信號。頻率分集是將攜帶相同信息的信號調(diào)制到不同的載波頻率上，只要載波頻率之間的間隔足夠大，則認為接收信號的衰落特性是相互獨立的。時間分集是將攜帶相同信息的信號放在不同的時間區(qū)間發(fā)送出去，同樣只要時間間隔足夠大，也認為接收端收到的信號衰落特性是相互獨立的。當(dāng)接收端獲得承載相同信息、衰落特性相互獨立的信號后，通常進行加權(quán)相加合并，即若L路相互獨立的衰落信號分別為r1(t)，r2(t)，…，rL(t)，則接收信號r(t)為:

其中，k1，k2，…，kL為各路信號的加權(quán)系數(shù)，合并可以在基帶也可以在中頻進行。在加權(quán)合并時，通常根據(jù)加權(quán)系數(shù)的取值不同可分為選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。［1］

選擇式合并(SC)是上述合并方式中最簡單的合并方式，其原理是檢測L路輸出信號的信噪比，選擇其中最大的一路信號作為輸出信號，其他各路信號的加權(quán)系數(shù)均為零。最大比合并(MRC)是檢測L路輸出信號的信噪比，適時改變加權(quán)系數(shù)，使加權(quán)系數(shù)k1，k2，…，kL與該路信號的信噪比成正比，即信噪比大的加權(quán)系數(shù)也大。在最大比合并中，適時改變增益系數(shù)，一般是比較困難的，通常希望為常量，取增益系數(shù)都為l就是等增益合并(EGC)。對于最大比合并和等增益合并，可以采用同相相加，這可以在發(fā)射信號中插入導(dǎo)頻的方式，在接收端通過提取的相位信息來實現(xiàn)同相相加。

無論采用何種合并方式，上述空間分集、頻率分集和時間分集都明顯地采用多套設(shè)備在不同地點、不同頻率、不同時間接收信號，故稱為顯分集。RAKE接收機采用一套設(shè)備利用信號設(shè)計與處理技術(shù)來實現(xiàn)隱分集，顯然，顯分集存在設(shè)備增益，而隱分集不存在設(shè)備增益。［2］

1.2 RAKE接收技術(shù)基本原理

RAKE接收就是設(shè)法將被擴散的信號能量充分利用起來，其主要手段是擴頻信號設(shè)計與RAKE接收的信號處理。根據(jù)寬帶擴頻信號的相關(guān)理論，設(shè)計適當(dāng)擴頻比的擴頻信號(它主要決定分離多徑的分辨率)和相應(yīng)的RAKE接收信號處理方式就能將被擴散的信號能量分離、處理、合并，并加以有效利用。在 IS－95、CDMA2000、WCDMA等CDMA系統(tǒng)中，為了減少多徑衰落的不利影響，一般在接收端都采用具有多徑分集功能的RAKE接收機。［3］當(dāng)多徑遲延τ超過一個碼片的持續(xù)時間Tc，多徑信號實際上是互不相關(guān)的或可解的。［4］RAKE接收機利用多個相關(guān)器(匹配濾波器)分別檢測多徑信號中最強的L個支路徑信號，然后對每個相關(guān)器的輸出加權(quán)合并，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號檢測，最后在此基礎(chǔ)上進行解調(diào)判決。［3］傳統(tǒng)RAKE接收機的本質(zhì)是多徑分集接收，其原理圖［3］如圖 1 所示。

圖1 RAKE接收機原理圖

在圖1中RAKE接收機部分有多種方式進行RAKE合并，其中性能最好的是上述所討論的最大比合并。若采用最大比合并，RAKE接收機的最佳權(quán)值Cl－1(l=1，2，…，L)可以取為多徑信道復(fù)增益bl－1(l=1，2，…，L)的共軛，即:

這時輸出信噪比(SNR)最大:

其中，G為擴頻增益，σ2為噪聲功率。因此，采用最大比RAKE合并必須在接收端估計多徑信道的沖擊響應(yīng)，要提高RAKE接收機的性能，就必須在接收端盡可能地收集多徑的能量，即增加RAKE接收機的指峰數(shù)，但這將增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性和功率消耗。［3］RAKE接收對于上行(反向)信道容易實現(xiàn)，下行信號則難度較大，但可以利用線性系統(tǒng)的互易原理，將體積嚴重受限的移動臺的接收端RAKE分集技術(shù)等效地搬至發(fā)送端來實現(xiàn)，這就是所謂的發(fā)送分集技術(shù)，即“預(yù)RAKE”技術(shù)，相當(dāng)于在發(fā)送端預(yù)先實現(xiàn)了一次RAKE技術(shù)。

2 RAKE接收的誤碼性能仿真

2.1 不同合并方式的仿真比較

對上述3種合并方式進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析和比較。用擴頻碼為16的CDMA系統(tǒng)，發(fā)送信號的比特數(shù)N=15 000，經(jīng)過高斯多徑信道，取L=3，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同合并方式RAKE接收誤碼率的比較

由圖2可以看出，3種合并方式的輸出誤碼率在分集支路數(shù)相同時，SC最大，EGC次之，MRC最小，即性能最好。

總之，無論是SC合并、還是MRC以及EGC合并，分集技術(shù)能極大地提高系統(tǒng)性能，具有極強的抗衰落能力。MRC是最優(yōu)合并技術(shù)，EGC次之。從合并器的實現(xiàn)看，EGC易于實現(xiàn)，性能較高，具有實用價值。因此現(xiàn)在的移動通信系統(tǒng)中，移動終端和基站大都采用分集方式來改善系統(tǒng)性能。

2.2 RAKE接收的仿真比較

在移動通信中面對的信號都是多用戶多徑的情況，用戶之間的信號會形成相互干擾，對信號的接收造成一定的影響，以下對多用戶多徑的仿真進行詳細的分析。

首先對三用戶單徑與多徑RAKE接收的誤碼率進行仿真比較，用擴頻碼為16的CDMA系統(tǒng)，發(fā)送信號的比特數(shù)N=15 000，采用QPSK調(diào)制方式，經(jīng)過高斯多徑信道，取L=3，采用最大比合并，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 單徑與三徑RAKE接收誤碼率比較

由圖3可以看出，在三用戶的情況下單徑與三徑用RAKE接收時，同一信噪比的單徑誤碼率明顯要比三徑誤碼率高，由仿真結(jié)果可知，在三用戶情況下，采用RAKE接收，分集的徑數(shù)越多，接收信號的誤碼率越低。理論上也正是如此，徑的數(shù)值越大，合并時輸出的信噪比就越高，而誤碼率就越低。由此表明RAKE接收可以抵抗多徑衰落，降低系統(tǒng)誤碼率，提高系統(tǒng)性能。

用戶數(shù)越多，則信號相互之間的干擾就越大，很可能導(dǎo)致誤判，最終引起誤碼率的上升。以下對五用戶和三用戶三徑RAKE接收進行仿真比較，仿真條件同上，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 多用戶三徑RAKE接收誤碼率的比較

由圖4可以看出，在相同的信噪比和相同的分集徑數(shù)的情況下，用戶數(shù)越多接收的誤碼率就越高，可以得知用戶越多，其信號的相互干擾就越大，影響到解擴解調(diào)，最終使誤碼率升高。表明RAKE接收技術(shù)不能抵抗多用戶之間的相互干擾，要抗多徑多址干擾，需將RAKE接收和多用戶檢測技術(shù)相結(jié)合。

從仿真結(jié)果得知，隨著分集徑數(shù)的增加，以及用戶數(shù)的降低，RAKE接收的誤碼率就會降低，RAKE接收技術(shù)能抵抗多徑衰落，改善系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

RAKE接收技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在CDMA移動通信系統(tǒng)中采用特有的RAKE接收技術(shù)，可以在不增加設(shè)備增益的情況下克服多徑衰落對通信帶來的影響，提高系統(tǒng)性能。但是RAKE接收不能抵抗CDMA系統(tǒng)的固有干擾，即多址干擾，為了進一步提高系統(tǒng)性能，可將RAKE接收技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，如，與多用戶檢測相結(jié)合，進一步改善系統(tǒng)性能。

［1］張輝，曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)［M］.西安:電子工業(yè)出版社，2008:55－57.

［2］吳偉陵.移動通信原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:205－216.

［3］謝顯中.基于TDD的第四代移動通信技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:43－48.

［4］Turin G L.Introduction to Apread－spectrum Antimultipath Techniques and Their Application to Urban Digital Radio［J］.Proceedings of the IEEE，1980，68(3):328 －353.