分集技術

分集技術是用來補償衰落通道損耗的，它通常通過兩個或更多的接收天線來實現。同均衡器一樣，它在不增加傳輸功率和帶寬的前提下，而改善無線通信通道的傳輸質量。在移動通信中，基站和移動台的接收機都可以採用分集技術。

分集是接收端對它收到的衰落特性相互獨立地進行特定處理，以降低信號電平起伏的辦法。分集是指分散傳輸和集中接收。所謂分散傳輸是使接收端能獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號。集中接收是接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合併(選擇與組合)以降低衰落的影響。

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。發送的信號經過反射、散射等的傳播路徑后，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，並附加有通道雜訊，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，或者通道環境發生變化，會引起通道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由於多普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。這些都是移動通道獨有的特性，它給移動通信帶來了不利的影響。

圖1 移動通信中的分集技術

為了提高移動通信系統的性能，可以採用分集，均衡和通道編碼這3種技術來改進接收信號質量，它們既可以單獨使用，也可以組合使用。

目前常用的分集方式主要有兩種：宏分集和微分集。

宏分集也稱為“多基站分集”，主要是用於蜂窩系統的分集技術。在宏分集中，把多個基站設置在不同的地理位置和不同的方向上，同時和小區內的一個移動台進行通信。只要在各個方向上的信號傳播不是同時受到陰影效應或地形的影響而出現嚴重的慢衰落，這種辦法就可以保證通信不會中斷。它是一種減少慢衰落的技術。

微分集是一種減少快衰落影響的分集技術，在各種無線通信系統中都經常使用。目前微分集採用的主要技術有：空間分集、極化分集、頻率分集、場分量分集、角度分集、時間分集等分集技術。

（1）空間分集

空間分集的基本原理是在任意兩個不同的位置上接收同一信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收到的信號衰落是不相關的，也就是說快衰落具有空間獨立性。

空間分集也稱為天線分集，是無線通信中使用最多的分集技術。

空間分集至少要兩付天線，且相距為d，間隔距離d與工作波長、地物及天線高度有關，在移動通信中通常取：市區，郊區，d值越大，相關性就越弱。

圖3 空間分集

（2）頻率分集

頻率分集的基本原理是頻率間隔大於相關帶寬的兩個信號的衰落是不相關的，因此，可以用多個頻率傳送同一信息，以實現頻率分集。

根據相關帶寬的定義，即：

式中為時延擴展。在市區，，此時。

頻率分集需要用兩個發射機來發送同一信號，並用兩個接收機來接收同一信號。

這種分集技術多用於頻分雙工(FDM)方式的視距微波通信中。由於對流層的傳播和折射，有時會在傳播中發生深度衰落。

在實際的使用過程中，常稱作1∶N保護交換方式。當需要分集時，相應的業務被切換到備用的一個空閑通道上。其缺點是：不僅需要備用切換，而且需要有和頻率分集中採用的頻道數相等的若干個接收機。

圖4 頻率分集

（3）極化分集

極化分集的基本原理是兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落，所以發送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別發送和接收信號，以獲得分集效果。

極化分集可以看成是空間分集的一種特殊情況，它也要用兩付天線(二重分集情況)，但僅僅是利用不同極的電磁波所具有的不相關衰落特性，因而縮短了天線間的距離。

在極化分集中，由於射頻功率分給兩個不同的極化天線，因此發射功率要損失約3dB左右。

（4）場分量分集

電磁波E場和H場載有相同的消息，而反射機理是不同的。

一個散射體反射的E波和H波的駐波圖形相位相差，即當E波為最大時，H波最小。

在移動通道中，多個E波和H波疊加，的分量是互相獨立的，因此通過接收3個場分量，也可以獲得分集的效果。

場分量分集不要求天線間有實體上的間隔，因此適用於較低(100MHz)工作頻段。當工作頻率較高時()，空間分集在結構上容易實現。

（5）角度分集

角度分集的作法是使電波通過幾個不同的路徑，並以不同的角度到達接收端，而接收端利用多個銳方向性接收天線能分離出不同方向來的信號分量，由於這些信號分量具有相互獨立的衰落特性，因而可以實現角度分集並獲得抗衰落的效果。

（6）時間分集

快衰落除了具有空間和頻率獨立性以外，還具有時間獨立性，即同一信號在不同時間、區間多次重發，只要各次發送的時間間隔足夠大，那麼各次發送信號所出現的衰落將是彼此獨立的，接收機將重複收到的同一信號進行合併，就能減小衰落的影響。

時間分集主要用於在衰落通道中傳輸數字信號。

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:MaximalRatioCombining）、等增益合併(EGC:EqualGainCombining)、選擇式合併(SC:SelectionCombining)和切換合併（SwitchingCombining）。

在接收端由多個分集支路，經過相位調整后，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雜訊功率之比。

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，僅僅對通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。

圖5 等增益合併技術

當N（分集重數）較大時，等增益合併與最大比值合併后相差不多，約僅差1dB左右。等增益合併實現比較簡單，其設備也簡單。

選擇式合併系統採用選擇式合併技術時，N個接收機的輸出信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數的倒數倍。

圖6 選擇式合併系統

切換合併原理圖如下：

圖7 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，它們也不需要知道通道狀態信息。因此，這兩種方案既可用於相干調製也可用於非相干調製。

分集技術與合併方式性能比較:

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。

協作分集技術在WSN中的應用首先依賴於具體的協作策略，即節點根據什麼規則、以什麼方式進行協作。有了具體的協作策略，才能確定實現協作通信的具體通信模式。所以，首先簡要介紹不同的協作策略，然後分析在不同的協作策略下的通信模式。

目前，對於協作策略的研究主要集中在4種基本方式：放大轉發、解碼轉發、空時編碼及波束形成。

其中，放大轉發方式中協作節點僅僅對源節點發出的數據分組進行放大。這樣，從時間上可以認為源節點的發送和協作節點的轉發是同時進行。從佔用通道資源的角度來看，可以認為源節點與協作節點使用的是相同的物理通道。這種方式下，節點之間不需要嚴格同步，實現複雜度低，其缺點是會引起雜訊累加。

解碼轉發不同於放大轉發，協作節點需要將源節點發送的分組進行解析，然後再轉發給目的節點。所以，整個過程從時間上可以分為兩個階段：階段一，源節點將當前的信息廣播給協作節點；階段二，協作節點將接收到的源節點的信息解碼後轉發給目的節點。這種方式的缺點是會引起誤碼傳遞。

在空時編碼中協作節點不再是重複源節點的數據，而是為源節點傳輸附加校驗符號。採用空時編碼能夠獲得較大的空間分集增益。可以認為，空時編碼是將協作技術和通道編碼技術相結合的產物，或將其看作是通道編碼的分散式實現。整個過程同樣從時間上可分為兩個階段：階段一，源節點將當前的信息廣播給協作節點；階段二，協作節點通過相應處理組成某種編碼結構同時向目的節點發射信息。

波束形成是指源節點首先將要傳輸的數據廣播給協作節點，然後不同協作節點通過調整發射功率及信號相位，在接收端形成較強波束以有效地向目的節點發射信息。

不同的協作方式應用到具體的網路環境中會產生各種不同的通信模式。各種可能的具體通信場景可歸納為以下3種情況進行討論：多個節點協作發送、多個節點協作接收、多個節點協作發送同時多個節點協作接收。為了便於描述，定義基於協作的WSN中的節點為4種基本類型：源節點（S）、目的節點（D）、協作發送節點（Co-S）、協作接收節點（Co-R）,同時設網路中各節點以時隙為單位使用物理通道。

（1）多個節點協作發送

在這種情況下，多節點間的協作僅發生在發送端。如圖1所示，源節點S由於某種需求，需要鄰居節點幫助其完成向目的節點D的發送。

如果採用放大轉發方式，S在向協作發送節點發出數據的同時，多個協作發送節點將作為放大器，把收到的信號進行放大同時轉發給目的節點D。在時間上通常認為這一過程發生在同一個時隙中。從空間上看，這種方式下同時存在兩種通信模式：一對多模式（S向Co-S發送）和多對一模式（Co-S向D發送）。

如果採用解碼轉發、時空編碼或波束形成方式，需要多個時隙完成。首先S要把數據先發送給協作發送節點，然後協作發送節點同時或依次把收到的數據發給目的節點。從空間上看存在以下通信模式：首先是一對多模式（S向Co-S發送），然後是多對一模式（Co-S同時向D發送）；首先是一對多模式（S向Co-S發送），然後是多個一對一模式（單個Co-S逐一向D發送）。

（2）多個節點協作接收

這時，多個節點間的協作僅發生在接收端。如圖2所示，出於某種需求，D節點需要周圍多個節點的協作，才能更好地接收S發來的信號。

如果採用放大轉發方式，協作接收節點會在收到S的信號的同時轉發給D。這種方式下同時存在兩種通信模式：一對多模式（S向Co-R發送）和多對一模式（Co-R同時向D發送）。

如果採用解碼轉發、時空編碼或波束形成方式，就需要協作接收節點在收到S的分組後進行解析，再發送給D。這時的發送可能是同時向D發送，也可能是依次發送或完全隨機發送。整個通信過程中存在的通信模式有：首先是一對多模式（S向Co-R發送），然後是多對一模式（Co-R同時向D發送）；首先是一對多模式（S向Co-R發送），然後是多個一對一模式（單個Co-R逐一向D發送）。

（3）多個節點協作發送，多個節點協作接收

這種情況下，協作通信同時發生在發送端和接收端，如圖3所示。源節點S需要周圍節點的協作發送數據，目的節點D也需要周圍節點的協作才能正確接收數據，所以其通信模式除了模式1和模式2中的所有可能情況，還可能發生多對多（Co-S同時向Co-R發送）的通信模式。

由以上分析可以看到，在引入協作分集的WSN中，不論是何種通信場景，採用何種協作方式實現源到目的的通信，涉及到的通信模式在時間和空間上都將發生很大的變化，由原來簡單的一點對一點的單一模式，變為一對多、多對一、多對多等新模式。通信模式的改變從根本上改變了MAC協議設計的基礎，所以需要重新研究WSN中基於協作的MAC協議。