RAKE的概念是由PriceR.和GreenP. E.在1958年的“多径信道中的一种通信技术”一文中提出来的。这种技术主要是适合于直接序列扩频通信系统的接收信号处理技术。RAKE接收技术可以实现多径分集。
由于大气状况、地理位置等各种组合因素影响,信号在空间的传输与只有直射波时有很大不同,信号经过多条路径(直射、反射、折射、大气波导)、经过不同时延到达接收端,各个信号到达的时间不同,相位不一致,造成最终信号的幅度相互抵消,引起信号大幅度衰落。一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理。我们知道,直扩系统本身就有抗多径的能力,在时间上能从多个路径信号中分离出来最强路径信号,从而降低多径干扰。但RAKE接收技术能实现多径分集技术,可以将接收的各个多径信号组合起来,获得加权增益,转化为合成的信号,达到更高的抗衰落性能,实现了“变害为利”。但RAKE技术的接收加权合并实现复杂而且昂贵。
由于移动通信传播中多径效应引起了接收信号时延功率谱的扩散,其中最典型的有两类:连续型时延功率谱,它一般出现在繁华的市区,由密集建筑物反射而形成,如图1所示;离散型时延功率谱,它一般出现在非繁华市区、非密集型建筑群区,如图2所示。
图1:连续型时延功率谱
图2:离散型时延功率谱
在接收端的多径传播信号可以用图3所示的矢量图来表示(假设有3条主要传播路径)。若采用扩频信号设计与RAKE接收的信号处理后,3条路径信号矢量图可改变成如图4所示的形式。
图3:多径信号的矢量合成图
图4:利用RAKE接收(相干检测)后的合成矢量图
RAKE接收就是设法将上述被扩散的信号能量充分利用起来。其主要手段是扩频信号设计与RAKE接收的信号处理手段。在实际的移动通信中,由于用户的随机移动性,接收到的多径分量的数量、大小(幅度)、时延(到达时间不同)、相位均为随机变量,因此合成后的合成矢量亦为一个随机变量。但如果能利用扩频信号设计将各条路径信号加以分离,再利用RAKE接收将被分离的各条路径信号相位校准、幅度加权,并将矢量和变成代数和,从而加以充分利用。当然,这一分离、处理和利用的设想,特别对于连续型时延功率谱,受分辨率即扩频增益和RAKE接收信号处理方式及能力所限。
根据宽带扩频信号的相关理论,设计适当扩频比的扩频信号(它主要决定分离多径的分辨率)和相应的RAKE接收的信号处理方式就能将被扩散的信号能量分离、处理、合并,并加以有效利用。
上述时延功率谱的利用效率主要取决于实际信道多径时延展宽的程度及多径分离的能力。而多径分离的能力则主要取决于扩频增益与扩频带宽。
对于IS-95系统,在城市繁华地区,其多径时延大约为Δτ≈5μs,而IS-95的扩频信号带宽为1.25MHz;其频率分集的载波间隔应大于200kHz,对于IS-95的CDMA,在理论上可提供(1.25MHz/200kHz)= 6(重)隐分集的可能。但是由于多径时延扩展是随机的,实际上有利用价值的不超过(3~4)径,即相当于(3~4)重分集效果。
假如收到的3个多径信号经3条路径到达接收天线,第一条路径最短传输时延最小,然后依次为2、3条。它们相对第一条有不同的相对时延差,那么接收端接收后对各个信号进行解扩时各个相关器的本地码也分别延迟相同的时延,各路信号最终经电平保持电路同时输出,用等增益合并方式得出合并信号进行判决,如图5所示。
图5 :RAKE接收原理方框图
由上面对RAKE接收的多径分集的分析,从理论上看,它应属于频率分集,但是从现象上看,它是利用多径时延进行的分集。实际上在第1章信道分析中已指出,正是由于时延扩散才引入了频率选择性衰落。它们之间是一对因果关系,正因为这样,有人认为称它为多径分集更为恰当。
对于移动通信,由于CDMA系统是宽带传输的,所有信道共享频率资源,所以CDMA系统可以使用RAKE接收技术,而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。
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