什么是分集接收

分集接收是一种提升无线通信可靠性的核心技术，它通过利用多条独立或近似独立的信号路径来传输相同信息，从而对抗信道衰落。其基本原理是，当某条路径信号严重衰落时，其他路径的信号可能仍保持较强，系统通过合并这些信号可以有效降低误码率，确保通信质量。该技术广泛应用于移动通信、卫星通信等领域，是构建稳定高效无线网络的关键手段。

       在无线通信的世界里，信号传输并非总是一帆风顺。它需要穿越复杂的环境，遭遇反射、衍射和散射，最终到达接收端时，其强度可能已经发生了剧烈的起伏变化，这种现象就是我们常说的“衰落”。衰落是无线通信的主要挑战之一，它直接导致信号质量不稳定，甚至造成通信中断。为了克服这一难题，工程师们发展出了一系列强大的抗衰落技术，其中，分集接收以其巧妙的思想和显著的成效，成为了无线通信系统的基石技术。

       分集接收的核心概念

       分集接收，顾名思义，其核心在于“分”与“集”。“分”指的是将承载着相同信息的数据流，通过多个相互独立或相关性很小的路径（通常称为“分集支路”）进行传输。这里的“独立”是关键，意味着不同路径经历衰落的统计特性是相互独立的。理想情况下，当一条路径上的信号陷入深度衰落时，其他路径上的信号很可能正处于较强的状态。“集”则是指在接收端，采用特定的算法将这些来自不同路径的信号进行合并，从而提取出更可靠的信息。

       其根本原理基于一个朴素的概率论思想：所有分集支路同时经历深度衰落的概率，远低于单一路径经历深度衰落的概率。例如，假设单一路径中断的概率为十分之一，那么两条独立路径同时中断的概率就降至百分之一。通过利用多条路径，系统获得了空间、时间、频率等维度上的冗余，极大地提升了通信的鲁棒性。

       衰落信道对通信的影响

       要深入理解分集接收的必要性，必须先认识衰落信道的危害。衰落主要分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落由路径损耗和阴影效应引起，表现为信号平均功率随距离增加而缓慢下降。小尺度衰落则更为复杂和快速，由多径传播引起。发射的信号经过不同障碍物反射、折射后，会以略微不同的时间到达接收端，这些多径信号相互叠加，可能因同相而增强，也可能因反相而抵消，导致接收信号强度在短距离或短时间内发生急剧波动。

       这种波动会造成一系列问题，最直接的就是信噪比下降，误码率升高。在数字通信中，严重的衰落可能导致一连串的比特错误，即“突发错误”，使解码变得困难。对于实时业务如语音和视频，这会表现为卡顿和中断。因此，对抗小尺度衰落是保障无线通信质量的核心任务之一。

       分集技术的分类方式

       根据获取独立路径所利用资源的不同，分集技术可以分为多种类型，它们各有适用场景和特点。常见的分集方式包括空间分集、时间分集、频率分集、极化分集等。

       空间分集是最直观的一种，它通过在不同空间位置布置多个接收天线来实现。只要天线间距足够大（通常为半个波长以上），不同天线接收到的信号其衰落特性就趋于独立。时间分集则是将同一信息在不同时间间隔（大于信道的相干时间）重复发送，利用信道随时间变化的特性来获得分集增益。频率分集利用的是频率选择性衰落特性，将信息在多个载波频率（间隔大于信道的相干带宽）上发送，使得不同频带经历不同的衰落。极化分集则利用电磁波的两个正交极化方向（如垂直极化和水平极化）来传输信号，它们在同一位置经历的衰落也具有一定的独立性。

       空间分集的原理与应用

       空间分集，特别是接收分集，是应用最为广泛的分集形式之一。其理论基础在于，在充满散射体的环境中，信号来自各个方向，不同空间点处的场强相关性随距离增加而迅速下降。因此，只要两个接收天线之间的距离大于信道的相关距离，它们就能接收到统计独立的衰落信号。

       在实际系统中，基站通常会配置两根或更多接收天线来实现上行链路的分集接收。移动终端由于尺寸限制，实现多个天线有一定挑战，但随着多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术的发展，终端也多天线化已成为趋势。空间分集的优势在于它不占用额外的频率资源和时间资源，仅通过增加天线就能获得性能提升，因此效率很高。现代大规模天线阵列（Massive MIMO）技术，可以看作是空间分集和空间复用技术的极致发展。

       时间分集与重传机制

       时间分集通过时间维度上的冗余来对抗衰落。它的有效性依赖于信道是时变的。如果信道是静态的，那么多次发送的信号将经历完全相同的衰落，无法获得分集效果。因此，时间分集要求重发的时间间隔必须大于信道的相干时间，即信道特性发生显著变化所需的时间。

       一个典型的时间分集例子是信道编码与交织技术的结合。信道编码（如卷积码、Turbo码）本身引入了冗余，可以纠正随机错误。但当遇到深衰落引起的长突发错误时，编码器可能无能为力。交织器的作用就是将编码后的比特顺序打乱，使得原本连续的突发错误在经过解交织后，被分散成随机的独立错误，从而可以被信道解码器有效纠正。这本质上是一种时间分集。此外，自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）协议也是一种隐式的时间分集，当接收失败时，请求重发，重发的数据包将经历不同的信道条件。

       频率分集与扩频技术

       频率分集利用频率选择性衰落的特点。在宽带传输中，不同频率成分的衰落深度不同。通过将信号能量分散到一个远大于信道相干带宽的频带上，可以确保即使部分频带遭受严重衰落，其他频带仍能较好地传输信息。

       扩频通信技术是实现频率分集的杰出代表。在直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）中，原始窄带信号被一个速率极高的伪随机码序列调制，频谱被极大地展宽。在接收端，通过相关处理将信号能量重新收集到窄带内，同时将干扰和噪声能量扩散开。在这个过程中，如果某个频段衰落严重，只会损失一小部分信号能量，大部分能量仍能通过合并被恢复出来，从而获得了频率分集增益。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术结合信道编码，也能通过在不同子载波上传输编码比特来获得频率分集。

       极化分集的独特优势

       极化分集是一种紧凑型的分集技术。它使用两副在同一位置但极化方向相互正交的天线（例如一副垂直极化，一副水平极化）来接收信号。由于环境中物体对不同极化电磁波的反射和散射特性存在差异，导致两路正交极化信号经历的衰落也具有较低的相关性。

       极化分集的最大优点在于节省空间。对于空间受限的场景，如移动手机或小型基站，很难拉开足够的天线间距来实现空间分集。而极化分集天线可以做成双极化天线，共享同一个物理天线罩，极大地减小了体积。因此，它在现代移动通信终端和微蜂窝基站中得到了广泛应用。不过，其分集效果通常略逊于理想的空间分集，因为两种极化方向的信号在传播过程中可能存在一定的能量耦合。

       主要的信号合并技术

       在接收端获得多个分集支路的信号后，如何将它们有效地合并起来，是决定分集性能的关键。主要的合并技术有三种：选择式合并、最大比合并和等增益合并。

       选择式合并是最简单的一种。接收机持续监测所有分集支路的信号质量（如信噪比），并始终选择信噪比最高的那一路信号进行解调。这种方法实现简单，但未能充分利用所有支路的信号能量，性能不是最优。最大比合并则是一种最优的线性合并方式。它在合并前，会先对每个支路的信号进行相位调整（同相相加），然后根据各支路的信噪比大小赋予不同的权重，信噪比越高的支路权重越大，最后将加权后的信号相加。这种方法能最大化合并后的输出信噪比。等增益合并是最大比合并的简化，它只进行相位对齐，但赋予所有支路相同的权重，其性能介于选择式合并和最大比合并之间。

       选择式合并的工作原理

       选择式合并器的逻辑清晰明了。它包含多个接收机前端，每个对应一个分集支路。系统内部有一个快速切换开关和一个判决电路。判决电路实时测量各支路的瞬时信噪比，并驱动切换开关连接到当前信噪比最高的支路上。

       这种方法的优点是，它只需要一个主接收通道（如解调器、解码器），硬件复杂度相对较低。但其缺点也很明显：首先，它浪费了其他支路的信号能量；其次，在支路信号质量快速起伏时，切换可能会过于频繁，引入额外噪声；再者，它需要一套并行的信号质量监测机制。选择式合并通常应用于对成本和功耗敏感，且对性能要求不是极致的场景。

       最大比合并的最优性能

       最大比合并被证明是在加性高斯白噪声信道下，能够实现最大输出信噪比的线性合并方案。其实现过程分为两步：一是相位补偿，二是加权求和。

       由于各分集支路经历的衰落是独立的，信号到达接收机时可能带有随机的相位偏移。最大比合并器首先需要估计每个支路的相位，并通过相位旋转将其校正到相同的参考相位上，这样才能保证信号是同相相加，实现相干叠加。第二步是根据各支路的信噪比来分配合并权重。理论上，最优的权重系数与各支路的信噪比成正比。这意味着强信号支路对最终结果的贡献大，弱信号支路的贡献小，甚至被抑制。经过这样的处理，合并后的信号信噪比等于各支路信噪比之和，实现了分集增益的最大化。尽管最大比合并的实现复杂度最高，需要为每个支路配备完整的相位调整和加权电路，但在追求高性能的通信系统中，它是不二之选。

       分集增益与阵列增益辨析

       在讨论分集接收性能时，常会提到两个重要概念：分集增益和阵列增益。它们是不同的，但又经常同时存在。

       分集增益，也称为分集阶数，它主要体现在误码率曲线斜率的变化上。随着分集支路数量的增加，误码率随信噪比改善的速度会加快，曲线变得更陡峭。分集增益反映了系统对抗衰落的稳健性提升。阵列增益则是指由于合并了多个支路的信号能量，使得合并后的平均输出信噪比相对于单支路的平均信噪比有所提升。即使在没有衰落的理想情况下，单纯将多个天线的信号功率相加也能获得阵列增益。而分集增益只有在存在衰落的环境中才能体现出来。最大比合并同时获得了分集增益和阵列增益；而选择式合并主要获得分集增益，其阵列增益很小。

       分集接收在现代通信系统中的应用实例

       分集接收技术早已渗透到几乎所有现代无线通信标准中。在第二代移动通信系统全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）中，基站普遍采用两接收天线分集来改善上行链路的性能。在第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定义的宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）和长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统中，分集是MIMO技术的基础组成部分。LTE和第五代移动通信技术（5th Generation，5G）终端都支持接收分集，以提升在小区边缘的接收灵敏度。

       在无线局域网标准电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）802.11n/ac/ax（即Wi-Fi 4/5/6）中，MIMO技术被广泛用于实现空间分集和空间复用，显著提高了数据速率和覆盖范围。此外，在卫星通信、数字电视广播、物联网等领域，分集接收都是保障可靠传输的关键技术。

       分集技术与多输入多输出技术的融合

       多输入多输出技术是分集技术的高级形态和自然延伸。传统的分集接收主要关注如何利用接收端的多个天线来对抗衰落，提升可靠性。而MIMO则同时在发射端和接收端使用多个天线，不仅可以获得更高的分集增益（发射分集与接收分集结合），还能在信道条件良好时，通过空间复用技术在相同的时频资源上并行传输多个数据流，从而成倍地提升频谱效率。

       例如，空时编码（Space-Time Coding，STC）就是一种典型的发射分集技术，它通过在不同天线、不同时间上发送经过编码的符号，为接收机创造分集机会。阿尔amouti编码是最著名的空时块码之一，它用两根发射天线就能获得与单天线发射、双天线最大比接收相当的分集性能。MIMO技术将分集的概念从单纯的“可靠性”提升到了“可靠性+高效率”的新高度，是现代无线通信发展的核心驱动力。

       分集接收系统的性能极限与挑战

       尽管分集接收带来了巨大的性能改善，但它也并非没有代价和挑战。首先，分集增益随着分集支路数量的增加而增加，但增益的边际效益是递减的。从单天线增加到双天线，性能改善非常显著；但从四天线增加到八天线，改善幅度就会变小。这意味着需要在性能、成本、功耗和体积之间进行权衡。

       其次，分集效果依赖于支路间的低相关性。在实际部署中，由于空间限制或信道环境特性，可能无法获得理想的不相关支路。支路间存在相关性会降低分集增益。此外，合并算法本身需要信道估计、相位同步等支撑技术，这些技术的误差也会影响合并性能。在高速移动场景下，信道快速时变，对合并算法的跟踪能力提出了很高要求。

       未来发展趋势

       随着通信技术向第五代移动通信技术增强及第六代移动通信技术（6th Generation，6G）演进，分集技术也在不断发展。大规模MIMO通过在基站侧部署数十甚至上百根天线，将空间分集的潜力发挥到极致，并能通过波束成形技术进一步集中能量。智能反射面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）作为一种新兴技术，可以通过编程控制电磁波传播环境，人为地创造丰富的分集路径。

       在更高频段（如毫米波、太赫兹）通信中，信号更容易被遮挡，分集技术变得更为关键。结合人工智能和机器学习，未来系统可能具备智能分集管理能力，能够根据实时信道感知结果，动态选择最优的分集策略和合并算法，实现自适应抗衰落。分集接收这一经典技术，仍将在未来的无线通信蓝图中扮演不可或缺的角色。

       综上所述，分集接收是一种通过利用多条独立传播路径来对抗信道衰落、提高通信可靠性的强大技术。从基本的空间、时间、频率分集，到先进的MIMO和空时编码，其思想一脉相承。理解分集接收的原理、方法和应用，对于任何从事或关注无线通信领域的人来说，都具有至关重要的意义。它是连接不稳定无线信道与高质量通信服务之间的坚固桥梁。