基本原理,技術分類,空間分集,頻率分集,時間分集,極化分集,分集技術,接收合併技術,合併方式比較,分集改善效果,研究意義,
基本原理
根據信號論原理，若有其他衰減程度的原傳送信號副本提供給接收機，則有助於接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集。分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合併技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機之間的距離要滿足大於3倍波長的基本條件。
分集的基本原理是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由於多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原傳送信號。如果不採用分集技術，在噪聲受限的條件下，發射機必須要傳送較高的功率，才能保證信道情況較差時鏈路正常連線。在移動無線環境中，由於手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而採用分集方法可以降低發射功率，這在移動通信中非常重要。
分集技術包括2個方面：一是分散傳輸，使接收機能夠獲得多個統計獨立的、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計獨立的衰落信號進行合併以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應該是“不相關”的。
技術分類
技術。根據所涉及資源的不同，可分為如下幾個大類：
空間分集
我們知道在移動通信中，空間略有變動就可能出現較大的場強變化。當使用兩個接收信道時，它們受到的衰落影響是不相關的，且二者在同一時刻經受深衰落谷點影響的可能性也很小，因此這一構想引出了利用兩副接收天線的方案，獨立地接收同一信號，再合併輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集。
空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強的相關性就越小。這裡所提相關性是個統計術語，表明信號間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經過測試和統計，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動單元兩天線間距大於0.6個波長，即d>0.61，並且最好選在l/4的奇數倍附近。若減小天線間距，即使小到1/4，也能起到相當好的分集效果。
空間分集分為空間分集傳送和空間分集接收兩個系統。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設定幾副天線，同時接收一個發射天線的微波信號，然後合成或選擇其中一個強信號，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應大于波長的一半，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現幅度低的現象，經相應的合併電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸的可靠性。
空間分集接收的優點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線。
空間分集還有兩類變化形式:
. 極化分集:它利用在同一地點兩個極化方向相互正交的天線發出的信號可以呈現不相關的衰落特性進行分集接收，即在收發端天線上安裝水平、垂直極化天線，就可以把得到的兩路衰落特性不相關的信號進行極化分集。優點:結構緊湊、節省空間;缺點:由於發射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB的損失。
.角度分集:由於地形、地貌、接收環境的不同，使得到達接收端的不同路徑信號可能來自不同的方向，這樣在接收端可以採用方向性天線，分別指向不同的到達方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。
頻率分集
頻率分集是採用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時傳送和接收同一信息，然後進行合成或選擇，利用位於不同頻段的信號經衰落信道後在統計上的不相關特性，即不同頻段衰落統計特性上的差異，來實現抗頻率選擇性衰落的功能。實現時可以將待傳送的信息分別調製在頻率不相關的載波上發射，所謂頻率不相關的載波是指當不同的載波之間的間隔大於頻率相干區間，即載波頻率的間隔應滿足:
分集技術
式中：
△f為載波頻率間隔，Bc為相關頻寬，△Tm為最大多徑時延差。
當採用兩個微波頻率時，稱為二重頻率分集。同空間分集系統一樣，在頻率分集系統中要求兩個分集接收信號相關性較小(即頻率相關性較小)，只有這樣，才不會使兩個微波頻率在給定的路由上同時發生深衰落，並獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的範圍內兩個微波頻率f1與f2相差，即頻率間隔△ f=f2-f1越大，兩個不同頻率信號之間衰落的相關性越小。
時間分集
時間分集是將同一信號在不同時間區間多次重發，只要各次傳送時間間隔足夠大，則各次傳送降格出現的衰落將是相互獨立統計的。時間分集正是利用這些衰落在統計上互不相關的特點，即時間上衰落統計特性上的差異來實現抗時間選擇性衰落的功能。為了保證重複傳送的數位訊號具有獨立的衰落特性，重複傳送的時間間隔應該滿足：
分集技術
fm為衰落頻率，V為移動台運動速度，最後一個參數為工作波長。
若移動台是靜止的，則移動速度v=0，此時要求重複傳送的時間間隔才為無窮大。這表明時間分集對於靜止狀態的移動台是無效果的。時間分集與空間分集相比較，優點是減少了接收天線及相應設備的數目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。
極化分集
這種方法的優點是它只需一根天線，結構緊湊，節省空間，缺點是它的分集接收效果低於空間分集接收天線，並且由於發射功率要分配到兩副天線上，將會造成3dB的信號功率損失。分集增益依賴於天線間不相關特性的好壞，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實現空間分集。
而且若採用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對於極化分集的雙極化天線來說，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴於雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區域內提供了相同的信號場強。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，並且在整個120“扇區及切換重疊區內保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區範圍內均具有高的交叉極化解析度。雙極化天線在整個扇區範圍內的正交特性，即兩個分集接收天線連線埠信號的不相關性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個分集接收連線埠獲得較好的信號不相關特性，兩個連線埠之間的隔離度通常要求達到30dB以上。
分集技術
接收合併技術
分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸的可靠性，它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域與空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。“分”與“集”是一對矛盾，在接收端取得若干條相互獨立的支路信號以後，可以通過合併技術來得到分集增益。從合併所處的位置來看，合併可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進行合併，且多半是在中頻上合併；合併也可以在檢測器以後，即在基帶上進行合併。合併時採用的準則與方式主要分為四種：最大比值合併（MRC:Maximal Ratio Combining）、等增益合併(EGC:Equal Gain Combining)、選擇式合併(SC:Selection Combining)和切換合併（Switching Combining）。
最大比合併
在接收端由多個分集支路，經過相位調整後，按照適當的增益係數，同相相加，再送入檢測器進行檢測。在接受端各個不相關的分集支路經過相位校正，並按適當的可變增益加權再相加後送入檢測器進行相干檢測。在做的時候可以設定第i個支路的可變增益加權係數為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。
最大比合併方案在收端只需對接收信號做線性處理，然後利用最大似然檢測即可還原出發端的原始信息。其解碼過程簡單、易實現。合併增益與分集支路數N 成正比。
等增益合併原理
等增益合併也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進行校正而幅度不做校正。等增益合併不是任何意義上的最佳合併方式，只有假設每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上，它才是最佳的。它輸出的結果是各路信號幅值的疊加。對CDMA系統，它維持了接收信號中各用戶信號間的正交性狀態，即認可衰落在各個通道間造成的差異，也不影響系統的信噪比。當在某些系統中對接收信號的幅度測量不便時選用EGC。
當N （分集重數）較大時，等增益合併與最大比值合併後相差不多，約僅差1dB 左右。等增益合併實現比較簡單，其設備也簡單。
選擇式合併系統
切換合併原理圖
接收機掃描所有的分集支路，並選擇SNR在特定的預設門限之上的特定分支。在該信號的SNR 降低到所設的門限值之下之前，選擇該信號作為輸出信號。當SNR 低於設定的門限時，接收機開始重新掃描並切換到另一個分支，該方案也稱為掃描合併。由於切換合併並非連續選擇最好的瞬間信號，因此他比選擇合併可能要差一些。但是，由於切換合併並不需要同時連續不停的監視所有的分集支路，因此這種方法要簡單得多。
對選擇合併和切換合併而言，兩者的輸出信號都是只等於所有分集支路中的一個信號。另外，它們也不需要知道信道狀態信息。因此，這兩種方案既可用於相干調製也可用於非相干調製。
合併方式比較
這裡比較的主要是最大比合併，等增益合併選擇式合併三種方式。
三種合併方式性能比較
可以看出，在這三種合併方式中，最大比值合併的性能最好，選擇式合併的性能最差。當N較大時，等增益合併的合併增益接近於最大比值合併的合併增益。
分集改善效果
分集改善效果指採用分集技術與不採用分集技術兩者相比，對減輕深衰落影響所得到的效果(好處)。為了定量的衡量分集的改善程度，常用標稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標來描述。
分集改善效果
分集增益是指在某一累積時間百分比內，分集接收與單一接收時的收信電平差。這一電平差越大，分集增益越高，說明分集改善效果越好。例如下圖中，對應50%、5%、0.1%的累積時間百分比時，這一電平差分別為3dB、5.5dB、14dB。積累時間百分比越小，分集增益越高。0.1%時間百分比的分集增益為14dB意味著：無分集時由曲線A查出此時的衰深深度比自由空間收信電平低30dB;採用分集技術後，由曲線B查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16dB。可見分集接收使衰落深度減輕了14dB。
分集改善度是指在某一相對的收信電平時，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。其比值越大，說明分集改善效果越好。在上圖中，當收信電平低於自由空間收信電平20dB時，單一接收與分集接收對於同一收信電平，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。在數字微波系統中，不管採用哪一種分集接收方式，都會使系統的有效衰落儲備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強。還能不同程度地改善帶內失真，改善交叉極化鑑別度。
研究意義
分集接收技術是一項主要的抗衰落技術，他可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性，在實際的移動通信系統中，移動台常常工作在城市建築群或其他複雜的地理環境中，而且移動的速度和方向是任意的。傳送的信號經過反射、散射等的傳播路徑後，到達接收端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現隨機起伏變化，形成多徑衰落。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，並附加有信道噪聲，它們的疊加會使複合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率並增加干擾的影響，使得接收機的接收信號產生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統解調器輸出出現大量差錯，以至完全不能通信。此外，如果發射機或接收機處於移動狀態，或者信道環境發生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由於都卜勒效應會產生更為嚴重的失真。在實際的移動通信中，除了多徑衰落外還有陰影衰落。當信號受到高大建築物（例如移動台移動到背離基站的大樓面前）或地形起伏等的阻擋，接收到的信號幅度將降低。另外，氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號幅度和相位發生變化。這些都是移動信道獨有的特性，它給移動通信帶來了不利的影響。
