RAKE接收技術(shù)分析與仿真

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(dòng)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(duì)電波傳輸帶來的影響之一是多徑傳播，即到達(dá)接收端的信號(hào)是不同路徑、不同時(shí)延傳輸?shù)暮铣尚盘?hào)，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(yán)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(hào)處理技術(shù)使多徑傳播的不利影響變成可以利用的信號(hào)，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(fèi)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(gè)承載同一信息并且衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào)，然后將其進(jìn)行相應(yīng)合并，來改善接收信號(hào)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(hào)的衰落特性相互獨(dú)立;二是集中處理，將得到的攜帶相同信息的相互獨(dú)立的多路信號(hào)進(jìn)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(dú)立或基本獨(dú)立的多路信號(hào)，可以通過不同路徑、不同頻率、不同時(shí)間等方式來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的空間分集、頻率分集和時(shí)間分集?？臻g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(hào)便是攜帶同一信息、衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào)。頻率分集是將攜帶相同信息的信號(hào)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(rèn)為接收信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的。時(shí)間分集是將攜帶相同信息的信號(hào)放在不同的時(shí)間區(qū)間發(fā)送出去，同樣只要時(shí)間間隔足夠大，也認(rèn)為接收端收到的信號(hào)衰落特性是相互獨(dú)立的。當(dāng)接收端獲得承載相同信息、衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào)后，通常進(jìn)行加權(quán)相加合并，即若L路相互獨(dú)立的衰落信號(hào)分別為r1(t)，r2(t)，…，rL(t)，則接收信號(hào)r(t)為:

其中，k1，k2，…，kL為各路信號(hào)的加權(quán)系數(shù)，合并可以在基帶也可以在中頻進(jìn)行。在加權(quán)合并時(shí)，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(hào)的信噪比，選擇其中最大的一路信號(hào)作為輸出信號(hào)，其他各路信號(hào)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(hào)的信噪比，適時(shí)改變加權(quán)系數(shù)，使加權(quán)系數(shù)k1，k2，…，kL與該路信號(hào)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(shí)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(duì)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(hào)中插入導(dǎo)頻的方式，在接收端通過提取的相位信息來實(shí)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(shí)間分集都明顯地采用多套設(shè)備在不同地點(diǎn)、不同頻率、不同時(shí)間接收信號(hào)，故稱為顯分集。RAKE接收機(jī)采用一套設(shè)備利用信號(hào)設(shè)計(jì)與處理技術(shù)來實(shí)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(kuò)散的信號(hào)能量充分利用起來，其主要手段是擴(kuò)頻信號(hào)設(shè)計(jì)與RAKE接收的信號(hào)處理。根據(jù)寬帶擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)適當(dāng)擴(kuò)頻比的擴(kuò)頻信號(hào)(它主要決定分離多徑的分辨率)和相應(yīng)的RAKE接收信號(hào)處理方式就能將被擴(kuò)散的信號(hào)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(jī)。［3］當(dāng)多徑遲延τ超過一個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間Tc，多徑信號(hào)實(shí)際上是互不相關(guān)的或可解的。［4］RAKE接收機(jī)利用多個(gè)相關(guān)器(匹配濾波器)分別檢測多徑信號(hào)中最強(qiáng)的L個(gè)支路徑信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)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(hào)檢測，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)判決。［3］傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)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(jī)原理圖

在圖1中RAKE接收機(jī)部分有多種方式進(jìn)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(jī)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(shí)輸出信噪比(SNR)最大:

其中，G為擴(kuò)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(jì)多徑信道的沖擊響應(yīng)，要提高RAKE接收機(jī)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(jī)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(duì)于上行(反向)信道容易實(shí)現(xiàn)，下行信號(hào)則難度較大，但可以利用線性系統(tǒng)的互易原理，將體積嚴(yán)重受限的移動(dòng)臺(tái)的接收端RAKE分集技術(shù)等效地搬至發(fā)送端來實(shí)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(shí)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(duì)上述3種合并方式進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和比較。用擴(kuò)頻碼為16的CDMA系統(tǒng)，發(fā)送信號(hào)的比特?cái)?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(shí)，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)看，EGC易于實(shí)現(xiàn)，性能較高，具有實(shí)用價(jià)值。因此現(xiàn)在的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)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(dòng)通信中面對(duì)的信號(hào)都是多用戶多徑的情況，用戶之間的信號(hào)會(huì)形成相互干擾，對(duì)信號(hào)的接收造成一定的影響，以下對(duì)多用戶多徑的仿真進(jìn)行詳細(xì)的分析。

首先對(duì)三用戶單徑與多徑RAKE接收的誤碼率進(jìn)行仿真比較，用擴(kuò)頻碼為16的CDMA系統(tǒng)，發(fā)送信號(hào)的比特?cái)?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(shí)，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(hào)的誤碼率越低。理論上也正是如此，徑的數(shù)值越大，合并時(shí)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(hào)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(duì)五用戶和三用戶三徑RAKE接收進(jìn)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(hào)的相互干擾就越大，影響到解擴(kuò)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(huì)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(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在CDMA移動(dòng)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(dòng)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(dòng)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.