当前课程知识点：移动通信原理 > 第八章 分集与均衡 > 8.2 RAKE接收与多径分集 > 8.2 RAKE接收与多径分集
下面我们来讲
一种典型的频率分集
或者是多径分集技术
也就是CDMA系统当中的RAKE接收机
RAKE接收机
请大家注意
还有两个关键的技术特征
第一个
RAKE接收机是一种频率分集
请大家注意
它不是时间分集
虽然它是分离多径的
多径是来自于不同时延的
但是它是一种频率分集技术
那么对抗那种频率
选择性衰落
不是时间分集
第二个技术特点的
RAKE接收机
是一种隐分集
才不用额外增加
设备成本
算法复杂度来换取性能
所以RAKE接收机是一种比较好的
可以对抗频率
选择性衰落的
技术手段
我们首先先从
信号空间的观点
从几何角度来解释一下RAKE接收机
RAKE接收机
它是个什么样的概念呢
我们先看一下
多进叠加的解释
那么大家看呢
多条路径的信号
我们往往经过衰落以后
可以把它看作是
在幅度上
也就是说包络上
有起伏变化
我们在相位上呢也有起伏变化
并且实际上还有时延
这样的一个随机相位
随机幅度
然后我们把它叠加起来
这样的一些信号
对吧
这就是我们接受的信号
我们从单个路径的信号来看
其实它有幅度的变化
有相位的变化
我们可以把这样的一径信号
看作是二维信号空间当中的一个
向量
幅度的取值
或者幅度的变化值
实际上就是这个信号向量的模值
相位
这个变化量其实就是
向量的死角
所以比如说
我们假设有三径信号
这是第一径的信号
它这个幅度幅值信号的强度
就幅值它就是向量的模值
那么相位的
像我们举的例子
相位应当是0
那么第二径信号
它与递进
对不齐
因为都是随机产生的
它受到传播环境的影响
那么第2径像可能在这
幅度这么大
这有个相位对吧
第三径信号可能在这儿
幅度是这样的
这个相位几乎已经垂直于
横轴的
我们问的问题是说
每一进都是个向量
接收机
接收端所收到的是3径信号的
叠加
三径叠加起来的信号
是个什么样子呢
它就是一个矢量
和这三个向量的和
所以我们可以采用适量叠加原理
就真正你所收到的信号
其实是一个矢量
这就是你混叠到一起去的
三个路径信号
能叠加出来
就是这么个
我们看一下RAKE接收机的功能
简言之
从概念上来理解
RAKE接收机的功能是说
我可以把每一条路径的信号
就这三个不同的
幅度相位都不相同的
这三条路径的信号
我都能分出来
也就是说
我能够分离出来的三个向量
分出来之后的话
那么我们以某一条路径为参考
你把别的向量
都进行补偿
比如说相位上我做旋转
就把第二条路径旋到横轴上
第三条路径
我也寻到横轴上
那么在幅度上和相位上都补偿了
然后再叠加
这就是下面一张图
大家看
这时候叠加大家看呢
因为三条路径都已经补偿过了
它们实际上是
相位上旋转到同一个方向上
所以都是同向的向量
然后再叠加
这个时候就变成了
代数加了
不再是适量加
所以大家看代数和的结果
显然补偿叠加之后的信号
幅度
实际上也就是这三个向量的幅度
之和
显然要比矢量和大得多
也就意味着什么
它的信噪比就变高了
所以RAKE接收机的基本原理
我们从几何角度来讲
是很容易理解的
所以RAKE接收机
它的目的就是
把原来的这种
多径矢量求和的结果
要把它靠每一径
把每一径信号的信号
向量的幅度
相位都进行补偿
变成一个代数和
从而提升接受信号的质量
我们看看RAKE接收机
它的基本结构是什么样子的
咱们通过一些例子
来给大家介绍
首先我们先看看IS-95系统当中的
RAKE接收机的
一个基本工作的原理直观示意
大家看看 IS-95系统当中
我们假设说多径有4条径
这是第一径
第二径
第三径 第四径
那么我们通过
对准每一径来进行解扩
和多径分离
那就可以把每一条径的信号
都提取出来
那么提取出来之后
再把时延进行补偿
最后叠加起来
这种方式
RAKE接收机的一个
工程设计的基本思路
在具体讲它的设计思路之前
我们现在给大家引入一个
RAKE接收机
或者说CDMA系统当中
接收机设计的一个非常重要的
指标
也就是最大可分离的技术
所谓最大可分离的技术
我们有时候也称
它为最大可分辨技术
这个概念
或者指标就决定了
你工程上最多要做多少
RAKE接收机
这个指标
我们把它定义为是
以信号的带宽
你说我扩频之后
信号带宽是W比相干带宽
比值
对吧
下矩阵
这就是所谓的最大可分离技术
它的含义就是说
RAKE接收机
最多能够分离出来的
独立的分量的数目
就这个意思
那么我们举点例子
比如说像IS-95系统当中
它的信号带宽是1.25
兆赫兹
那么相干带宽
你还记得第二章
我们讲过
典型城区环境的话
它的最大多径时延是50微秒
那么相干是5微秒
相干带宽的实际上就是200
200K赫兹
所以你带入这个公式
我们下去整就能算得出来
对于IS-95系统而言
那么最大可分离的径数呢
是不超过6径
也就意味着说 IS-95系统当中
我们最多能够获得了6重分集
增益再多了
没有了
但其实实际环境当中
我们很难获得这6重分集增益
大多数情况下
像在移动台这 一侧手机这一侧
我们最多设计一个
三重RAKE接收机
三径接收机就完了
当然基站侧有个4径
最多5径就可以了
因为有些径非常弱的
你收集回来
里面大多数都是噪声
一点点的信号分量
对于整个接受信噪的贡献
几乎是没有的
甚至还很恶化
所以这就是一个典型的例子
给大家说明一下
我们以WCDMA系统当中
接收器的结构
来给大家做个示意
让同学们看一看
RAKE接收机基本结构是什么样子
RAKE接收机一般来讲
有4个部分构成
它的得名
我们也顺便说一下
RAKE的含义
这是个英文单词
这个英文单词
实际上就指的是耙子
大家都小时候看西游记
知道猪八戒耙子
拿那个耙子去耙
就从混叠到一起去的多径
叠加信号当中
把每一径信号爬出来
用这样的一个形象的名词
来刻画接收器的技术特征
所以我们一般叫RAKE接收机
那么它的结构有4个部分构成
主要包括
最基本的单元
是指峰接收机
我们称为是
相对人的手指一样
一路的每一路分离一条多机信号
所以我们称为指峰接收机
第二个是多径搜索单元
第三个部分是信道估计单元
第四个部分是叠加单元
以权重计算的叠加代言
所以主要有这4个部分构成
大家看胶片给的示意图
所谓指峰接收机
就是虚框
虚线框所指
这就是一个指峰接收机
它包含了两部分
一部分是做时延补偿
另外一部分是做解扩的
所谓解扩很简单
其实就是一个积分器
或者相关接收机
那么把接收信号
与本地的扩频序列相乘
然后再做积分
这就是一个
指峰接收器当中的解扩单元
那么比如说我们有
六径RAKE接收器
那就应当有这6个指峰接收器
有6个相关器
关键的问题是
每一径它的相对试验都不一样
我们就需要对相对时间做补偿
比如我这举个例子
假如说有两径
这是第一径
这是第二径
所以第一径
比如说
我是T1时刻到达的
第二径是T2时刻到达
那么
我们要把这个时延都补掉
要补偿时延的
怎么补
想想其实很简单
我们可以加上一个缓存器
那么这是一个buffer缓存器
或者是FIFO
先入先出的缓存器
那么你比如说
第一径
它是T一时刻到达的
第二径是T二时刻到达的
显然第一径是u先到的
第二径
是后到的
那么我们可以靠
时延补偿机制
它就是个缓存器
先到的路径
我们让它在缓存器里面
或者说在这个FIFO里面
多待一段时间
也就是说先到的
晚出
那么第二径
因为它是后到的
它就后到的
早出
所以
虽然他们在到达的时候
有先有后
但是我靠缓存的机制
让先来的晚点
多等一段时间
后到的早点出
这样的话
它们在时间上就对齐了
所以补偿是时间的差异
所以每一个指峰接收机里面
都有一个时延补偿单元
就是完成这种多径时延的补偿
它其实就是一个缓存器
那么第二个单元就是多径搜索
这个单元非常的重要
因为指峰接收器要做时延补偿
就必须知道的每一径的相对时延
那么每一径的时延
如何来进行估计
由多径搜索单元
通过扩频序列的捕获相关
然后跟踪它的峰值的位置
通过多进搜索
跟踪的每一条多径的位置
最后我们得到的相对时延
所以多径
搜索和配置单元
主要就是进行了每径
相对时延的估计
和这样的操作
第三部分单元
它是完成信道估计的
这个信道估计
因为在发射的信号格式当中
我们要插入导频
那么接收机其实可以
对着每一进的导频
来进行信道估计这样的话
我们可以把信道响应
尽到了衰落系数的估出来
那么估出衰弱系数之后
作为权重因子
尝到了每一径的
解扩输出的信号当中去
衰落因子就相当于权重因子
可以实现的最大比合并
可以让输出信噪比
得到改善
我们看
最后你就是合并
那就是叠加了
所以实际上RAKE接收机
就是用这4个结构构成的
那么咱们WCDMA系统当中的
RAKE接收机也是
我们
就是这样一个基本情况介绍
下面我们稍微再给大家
做一点深入性的探讨
RAKE接收机
它的基本结构
只有在加性信噪声信道当中
才比较有效
我们要问的问题是呢
加性噪声信道当中
RAKE接收机
是最佳接收机吗
答案是否定的
我们把最佳接收器的概念
要给大家做一点推广
按照通信原理的一些基本知识
大家知道
纯粹的加性噪声信噪
比如说白噪声信道
那么我们采用的匹配滤波器
或者是相关接收机
已经能够达到的输出
信噪比最大
这是最优的
如果说我有多径
但是是单用户
就只是一路用户一个用户
当然也肯定有加性噪声了
这样的信道当中
任何接收器是最优接收器吗
理论上讲不是的
为什么
我们从概念上来给大家解释一下
大家想一下
我们还是回到刚才的
接收器的结构
大家想一下在
每一个
指峰接收机的相关器里面
相关性的输出信号当中
会有三个分量
第一个分量
当然是这一条径的
有用信号
因为我指峰接收机
就是对准某一条径来接收的
它的时延上是完全对齐的接受的
所以相关器的输出当中
有用分量就是这一条径
接收信号
就是这条径所对准的发射信号
那么
第二个分量显然就是噪声
加性噪声
白噪声
通过相关性
输出还是加性噪声
对吧
但是我们别忘了
还有第三个分量
因为所有的多径
都是叠加到一起去的
你对准某一条线接收
那么其他径就对不准
其他径的信号
通过相关器
也会有输出
这个时候其他径通过当前
可能这个
指峰接收机输出的是什么呢
多径
干扰
就多径干扰
多径干扰
我们再稍微阐发一下
多径干扰导致的是什么干扰呢
大家在通讯原理里面学过的
ISI
也就所谓的码间干扰
因此RAKE接收机的
每一路
指峰接收机输出当中
其实是三个分量的
有用信号
就本径的信号
加性噪声噪声分量
还有什么
还有码间干扰
那么
我们在通信原理当中
大家都学过了
你一个系统当中
如果有码间干扰的话
你靠匹配滤波器
不能够完全消除干扰
那么我们得想办法设计
能够消除码间干扰的接收算法
这样才能够达到最优
显然瑞RAKE接收机
它的每一路
相关器里面
都得输出码间干扰
所以RAKE接收机
在有多径的情况下
并不是一个最佳接收机
只不过它的接收器结构比较简单
这个输出性到底相对来讲
还是比较好的
所以因此在工程上
才能够得到
复杂度和性能之间
比较好的折中
所以得到比较普遍的使用
我们顺便也指出
理论上最好的接收机是什么呢
什么样的接收机
能够完全消除码间干扰呢
应当是最大似然序列均衡机
也就是MLSE 那么它所采用的
算法是什么呢
我们在上一章讲过的算法
维特比算法
这个复杂度非常高
只有在多见数目不多的情况下
或者记忆长度不大的情况下
才能使用
否则的话
这个算法的选择非常的大
我们进一步再说一下
如果说
考虑的是
多用户多径 CDMA系统
不仅考虑
有多条路径的干扰
还要考虑多用户
在这样的系统当中
这个干扰是非常复杂的
它既包含了各个路径之间的干扰
又包含了各个用户间的干扰
在这种情况下
RAKE接收机
它作为一个
单用户接收机
因为它只能够对自己
就本用户的各路径
进行分离合并
别的用户它也没法抵消
所以在多用户场景当中
RAKE接收机性能一般来讲
随着用户数目的增长
是非常差的
大家看胶片上给你一个示例图
就是这个说明
我们看普通的RAKE接收机
在这是一个WCDMA
单小区24个用户
那么普通的RAKE接收机
是个单用户接收机
它的性能
样子的你看看
随着性价比的提升
误码率性能根本下不来
为什么
因为用户今天干扰没法抑制
所以它的性能就很差
但是我们可以考虑的
做一些
高级的信号处理技术
如果我们能够利用用户间的
一些扩频瓦斯的特性
那么能够有针对性的
做一些
用户进行干扰的抵消
这样就可以设计了一种
所谓的G-RAKE接收机
这个前缀G的含义指的是
广义RAKE接收机 G
接收机
采用这种广义RAKE接收机
它加权系数就不是最大没合并
在做加权的时候
要消除用户进行干扰
所以我们看在24个用户
多用户场景当中
G-RAKE接收机
它的性能要显著的优越于RAKE接收机
因为它消除了一部分
它的性能要显著的优越于RAKE接收机
因为它消除了一部分
多用户进行干扰
以上就是我们对
RAKE的一些
RAKE接收的一些基本介绍
-1.1 前言
--1.1 前言
-1.2 移动通信发展的回顾
-1.3 第四代移动通信技术
-1.4 第五代移动通信技术
-1.5 未来移动通信技术
-第一章 作业
--第一章 作业
-2.1 移动信道的特点
-2.2 三类主要快衰落
-2.3 传播类型与信道模型的定量分析
-2.4 无线信道模型
-第二章 作业
--第二章 作业
-3.1 多址技术的基本概念
-3.2 移动通信中的典型多址接入方式
-3.3 码分多址CDMA中的地址码
-3.4 伪随机序列(PN)和扩频码的理论基础与分析
-第三章 作业
--第三章 作业
-4.1 语音压缩编码
-4.2 移动通信中的语音编码
-4.3 图像压缩编码
-4.4 我国音视频标准
-第四章 作业
--第四章 作业
-5.1 概述
--5.1 概述
-5.2 保密学的基本原理
-5.3 GSM系统的鉴权与加密
-5.4 IS-95系统的鉴权与加密
-5.5 3G系统的信息安全
-5.6 B3G与4G系统的信息安全
-第五章 作业
--第五章 作业
-6.1 移动通信系统的物理模型
-6.2 调制/调解的基本功能与要求
-6.3 MSK/GMSK调制
-6.4 π/4-DQPSK调制
-6.5 3π/8-8PSK调制
-6.6 用于CDMA的调制方式
-6.7 MQAM调制
-第六章 作业
--第六章 作业
-7.1 信道编码的基本概念
-7.2 线性分组码
-7.3 卷积码
--7.3 卷积码
-7.4 级联码
--7.4 级联码
-7.5 Turbo码
-7.6 交织编码
--7.6 交织编码
-7.7 ARQ与HARQ简介
-7.8 信道编码理论上的潜在能力与最大编码增益
-7.9 GSM系统的信道编码
-7.10 IS-95系统中的信道编码
-7.11 CDMA2000系统的信道编码
-7.12 WCDMA系统的信道编码
-第七章 作业
--第七章 作业
-8.1 分集技术的基本原理
-8.2 RAKE接收与多径分集
-8.3 均衡技术
--8.3 均衡技术
-8.4 增强技术与应用
-第八章 作业
--第八章 作业
-9.1 多用户检测的基本原理
-9.2 最优多用户检测技术
-9.3 线性多用户检测技术
-9.4 干扰抵消多用户检测器
-第九章 作业
--第九章 作业
-10.1 OFDM基本原理
-10.2 OFDM中的信道估计
-10.3 OFDM中的同步技术
-10.4 峰平比(PAPR)抑制
-第十章 作业
--第十章 作业
-11.1 多天线信息论简介
-11.2 空时块编码（STBC）
-11.3 分层时空码
-11.4 空时格码（STTC）
-11.5 空时预编码
-11.6 MIMO技术在宽带移动通信系统中的应用
-第十一章 作业
--第十一章 作业
-12.1 引言
--12.1 引言
-12.2 多功率控制原理
-12.3 功率控制在移动通信中的应用
-12.4 无限资源的最优分配
-12.5 速率自适应
-第十二章 作业
--第十二章 作业
-13.1 标准化进程
-13.2 HSPA系统
-13.3 EVDO系统
-13.4 LTE系统
-13.5 WiMax系统
-第十三章 作业
--第十三章 作业
-14.1 TDD原理
-14.2 TD-SCDMA
-14.3 UTRA TDD
-14.4 TD-HSPA
-第十四章 作业
--第十四章 作业
-15.1 移动网络的概念与特点
-15.2 从GSM/GPRS至WCDMA网络演讲
-15.3 第三代（3G）移动通信与3GPP网络
-15.4 从IS-95至CDMA2000网络演讲
-15.5 B3G与4G移动通信网络
-第十五章 作业
--第十五章 作业
-16.1 移动通信中的业务类型
-16.2 呼叫建立与接续
-16.3 移动性管理
-16.4 无线资源管理RRM
-16.5 跨层优化
-第十六章 作业
--第十六章 作业
