3MIMO系统的移动终端单元天线设计(3)

２．１分集技术简介

无线信道中，衰落是影响通信可靠性和有效性的最根本的因素。因为电磁波

传播环境的复杂性导致无线信道呈现出很强的随机时变性，这种随机性和时变性

大致可以分为四类：自由空间传播损耗与弥散，阴影衰落、多径衰落和多普勒影

响。在无线系统工程的角度，前两种属于大尺度效应，主要影响无线通信的距离

或者无线电波的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除其不利影响；而

后两者属于小尺度效应，在数十个波长范围或极短时间内呈现快速剧烈的随机起

伏，从而严重影响信号的传输质量，并且不能通过简单地提高发射功率加以消除。

在本文中主要考虑多径效应。在信号载体（电磁波）的无线传播过程中，因为反射，

折射，衍射等，在发射端和接收端会产生多条信道，由于电波通过各个路径的距

离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信

号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号

幅度，这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生多径衰落。

由上面的分析可知由于存在多径效应与时变性，无线衰落信道中的信号会受

到严重的衰减。这种衰减使得接收端可能不正确地判断发送信号，除非有其它的

衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集。分集技术的

基本原理如下：接收来自多个信道（时间、频率或者空间）的承载同一信息的多个独

立的信号副本，由于各个信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任意给定的７

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时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了

接收信号的信噪比。决定分集性能的重要因素是分集支路之间的相关性和分集支

路的数量。为获得良好的分集性能，通常要求该相关性系数低于０．７。根据获得独

立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和天线分集等。时间分

集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本；频率分集通过在

不同的载波频率上发送信号，在频率域内提供信号的副本；天线分集是利用多副

天线来实现的。由上可见时间分集和频率分集是在时间和频率上加入了信息冗余

来获得好的分集效果，而天线分集是在同一时间和频率上的不同天线上加入冗余，

天线分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增

益，因而得到了广泛的应用。天线分集主要包括空间分集、极化分集和角度分集，

它们分属于天线分集中的空间、极化与角度维，实际中难以独立应用各维，而是

多维联合应用或某一维占优。ＭＩＭＯ系统的分集就是属于天线分集。

空间分集：采用多副相互间隔一定距离的同极化分集天线单元发射或接收，这

是一种较简便而被广泛采纳的分集方式。其分集性能与多幅天线所接受到的信号

的相关性和分集合并方式紧密相关。信号的相关性与接受天线所处的环境和天线

之间的距离密切相关，为获得等同相关性系数的信号时，在信号多径效应丰富的

环境所需要的天线的距离比信号多径效应贫乏的环境所需要的天线的距离小。如

基站端的多径角度扩展较低，用于基站端的空间分集天线单元的间距较大。通常

要求接收端天线之间的距离ｄ２九／２（九为工作波长），以保证接收天线输出信号的

衰落特性是相互独立的，也就是说，当某－Ｎ接收天线的输出信号很低时，其他

接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路

从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，

这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。也因为空间分集对天线间

的距离的要求，空间分集技术主要是用于基站等对空间大小要求不是很苛刻的发

射端。而对于面积有限的移动终端布阵几个距离大的天线基本不可能，于是产生

了极化分集和角度分集的需求。

极化分集：电磁波由于传播媒质作用会发生极化扭转，不同极化方向上的多径

信号衰落仅是部分相关的，另外当信号的发射采用采用两个极化方向相互正交的

天线，那么两个极化正交方向上的信号将出现不相关的衰落特性，因此采用不同

极化而同址放置的分集单元发射或接收，可以获得分集增益，其分集性能可与空

间分集相当。极化分集与空间分集一样，都要求各天线接受的信号具有低的相关性，但是极化分集又与空间分集又不一样，空间分集必须用增加天线间的距离来

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第二章分集技术与ＭＩＭＯ系统

降低信号的相关性，而极化分集是靠天线间的交叉极化特性来获得低相关性的信

号，不是靠空间距离的增加来获得，在采用极化分集技术的多天线系统中，极化

垂直的两个天线甚至可以位于同一个位置。所以采用极化分集可以节省多天线系

统的空间成本。因此，在无线通信系统中的移动终端往往都主要是考虑采用极化

分集。

角度分集：由于信号传输环境的复杂性，到达同一点的不同角度的信号的传

输路径各不相同，它们的相关性很低；又同一发射点从不同角度发射出的信号到

达同一点，它们经历的路径也不相同，它们之间的相关性也很低。所以在发射和

接受端分别采用不同方向性的天线，那么不同方向性天线所接收到的多径信号是

低相关的，可以获得分集增益。与空间分集相比，角度分集的多天线系统也不需

要很大的空间来获得低相关性的信号，所以角度分集在无线通信系统中的移动终

端也得到了充分的运用。

２．２ＭＩＭＯ系统中多天线与分集技术

●

ＭＩＭＯ技术本质就是天线分集和空间复用的结合。ＭＩＭＯ系统通过空时编码

技术，产生多个信息流通过多天线发射接收，利用多天线信道间的统计独立性，．

在空间上分离出多个独立的传输通道，从而达到提高系统容量的目的。空间的复

用提升了系统的容量，空间的分集提升系统的质量。在ＭＩＭＯ系统中分集与普通

多天线的分集目的一样，但是也具有其不一样的地方。在ＭＩＭＯ系统的分集与空

时编码技术结合，ＭＩＭＯ传输方案是分集与复用的折衷。在ＭＩＭＯ系统中，发射

与接受都是采用多天线，在移动终端设备中，因为其空间有限，要集成多采用空

间分集的多天线往往具有很大的难度，在有些终端甚至是不能实现。所以在ＭＩＭＯ

系统中往往主要采用极化分集、角度分集以及多种分集的综合技术。

２．３ＭＩＭ０系统中多天线的选择

根据上面的简单分析可知，ＭＩＭＯ系统中多天线的设计需要综合考虑极化分

集、空间分集以及多种分集的运用。尤其是在移动终端需要重点考虑极化分集以

及方向图分集的应用。为了实现极化分集的利用，设计的天线为具备一定交叉鉴

别率的线极化天线；为了实现空间分集的利用，要求天线的方向图可控；考虑到

移动终端空间的限制，要求天线的体积要小型化，低剖面等。９

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微带天线具有低剖面，可以小型化和方向图可控的特点，而矩形微带天线还

具有线极化的性质，所以在本文设计中主要选择微带天线。另外倒 …… 此处隐藏：2348字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……