扩频通信系统中Rake接收性能仿真研究

摘要：在扩频通信中，Rake接收是抵抗多径衰落的有效方法。本文首先介绍无线移动通信的信道特性，然后对Rake接收的基本原理和接收机结构进行详细描述，并对Rake接收性能进行了仿真比较。仿真结果表明，在多径信道条件下，Rake接收方式能很好的改善接收系统误码性能；采用GOLD序列扩频比m序列扩频方式时，Rake接收方法性能提高的更明显。
关键词：多径衰落；扩频通信；Rake接收机；误码性能

    在移动通信中，移动终端的天线通常采用无方向性的低增益天线，移动终端接收来自各个方向的电磁波，并向各个方向发射电磁波。通过不同路径到达接收天线的信号，由于路径不同造成传播时延的不同，各信号在接收天线处的相位不同，相同相位的信号互相叠加，使得信号得以加强，而相反相位的信号互相叠加，使得信号互相抵消。这种接收信号无规律的强弱起伏就是电波传播中的多径衰落。多径衰落会严重影响通信质量，为此采用数字信号处理技术来对抗衰落，分集接收技术就是减少多径衰落的重要方法之一。
    分集有两种含义：一是分散传输，使接收端获得多个统计独立的、携带同一信息的信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响。多径分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，因为在任一时刻，多个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率极小，因此，一旦在多径信号中选择出两个或两个以上的信号进行处理，接收机的瞬时信噪比和平均信噪比就可以得到改善。所以，分集就是有意识地分离多径信号并适当合并以提供接收信号的信噪比，降低多径干扰。
    在扩频通信系统中，由于信号频段较宽，因此在时间上可以分离出比较细微的多径信号，对分离出的多径信号进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术又称为Rake接收技术。
    文中首先介绍无线移动通信的信道特征，然后对Rake接收的基本原理和接收机结构进行描述，并在不同条件下对Rake接收系统进行了仿真。仿真结果表明：采用Rake接收技术能有效降低多径衰落对通信信号的影响，降低误码率。

1 无线移动通信信道
    移动通信系统中，移动终端处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传播来的信号，再加上移动终端自身可能在运动状态，使得移动终端和基站之间的无线信道多变且难以控制。
    移动通信信道是一种时变信道。无线通信信号通过移动通信时会受到各种形式的衰减损害。接收信号功率表示为：
    p(d)=d-n·S(d)·R(d)      (1)
    式中，d表示移动终端与基站间的距离。
    式(1)是信道对传输信号作用的一般表示式。信号所经历的损耗有如下3类：
    1)自由空间传播损耗，用表示d-n，其中n一般取值为3～4；
    2)阴影衰落，用S(d)表示，制式由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波屏蔽所引起的衰落。一般服从对数正态分布，其变化率较慢，是慢衰落损耗；
    3)多径衰落，用R(d)表示，这是由于移动传播环境的多径传输而引起的衰落，幅度一般服从瑞利分布或莱斯分布，其变化率较快，是快衰落损耗。
    在移动通信传播环境中，到达移动终端天线的信号不是单一路径到达的，而是许多路径到达的众多反射波的合成。这样，接收信号的幅度将急剧变化，就产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。
    多径效应主要表现在3个方面：
    1)经过短距离或短时间传播后信号强度产生急剧变化；
    2)在不同的多径信号上，存在着时变多普勒频移引起的随机频率调制；
    3)多径传播试验引起信号的时域扩展。

2 Rake接收的工作原理
    最早的Rake接收机概念是R．Price和P．E．Green在1958年提出的。Rake接收机的原理是采用一组相关接收机，各个接收机与同一期望信号的多径分量之一进行相关操作，根据各个相关输出的相对强度加权后合成一个输出，加权系数的选择原则是使输出信噪比最大化。
    Rake接收机的工作原理框图如图1所示。发射端发出的无线信号经过L+1条路径到达接收端Rx。假设路径0的距离最短，传输时延也最小，依次是路径1，路径2，…，时延时间最长的是路径L。通过检测各路径的相对时延差，以路径0为参照标准，路径1相对于路径0的时延差为τ1，路径2相对于路径1的时延差为τ2，…，路径L相对于路径0时延差为τL，并且τL>τL-1>…>τ2>τ1。接收端解调后，送入L路并行相关器解扩。通过位同步后，各相关器的本地码分别为c1(t)，c1(t-τ2)，c2(t-τ2)，…，c1(t-τL)。信号经解扩后送入积分器，并进行加权合并，最后对信号进行判决得到输出信号。显然，如果接收机只有一个相关器，一旦这个相关器的输出被衰落扰乱，接收机将不可能校正该值，从而导致判决其出现大量误判。而在Rake接收机中，如果某个相关器的输出被衰落扰乱了，可由其它相关器支路做出补救，并且通过减小被扰乱支路的权重，降低其负面影响。由于Rake接收机提供了对L路信号良好的统计判决，因而它能有效地对抗多径衰落。

    假定有L个相关器，每个相关器与其中一个多径分量同步，即强相关，而与其它多径分量弱相关，各个相关器的输出分别被加权后相加，总的输出信号为：
   
    其中c1(t-τi)为本地生成的相关码并且τ1=0；ai(t)是加权系数，它根据对应信号能量在总能量总所占比例确定；ri(t)为L路多径信号的分量之一。
    加权系数根据对应信号能量在总能量中所占比例确定：
   
    其中j=1，2，…，L。式(3)表明加权系数ai(t)是自适应可调的，当某个相关器被衰落污染时，输出能量减小，对应的加权系数值变小，对总输出的作用减小，从而克服衰落影响，改善系统接收质量。

3 Rake接收的误码率仿真
    输入信号的数据由随机数发生器产生，并采用周期长度为128的m序列(或者GOLD码序列)进行扩频。对扩频后的信号进行BPSK调制，并发送出去，信号在无线信道传输过程中，会产生信道衰落。接收端对接收到的信号进行Rake合并(仿真采用了最简单的等增益合并方法)，合并结果输入到BPSK基带解调模块中，最后进行误码率统计。
    上述仿真图显示了在3条路径情况下Rake接收与传统接收之间误码率比较的曲线。其中实线表示延迟1和2个码片情况下的误码率曲线，虚线表示延迟3和7个码片情况下的误码率曲线，圆点是传统接收的结果，方点是Rake接收的结果。

    仿真结果表明，相同条件下码片延迟越大，接收端的误码率越大；相同条件下扩频倍数越高，接收端的误码率越小；相同条件下，GLOD序列扩频要比m序列扩频有更小的误码率值。在相同前提下，针对多径衰落的信道环境，Rake接收方法要比传统接收方法具有更小的误码率值；在GOLD序列扩频情况下，Rake接收比传统接收方法性能上提高的更明显。

4 结束语
    Rake接收技术是一种对抗多径衰落的重要技术，它通过将可分离的多径信号按一定原则合并，从而把多径信号中的能力收集起来。文中进行了Rake接收与传统接收的性能比较仿真实验，结果表明：在相同前提下，Rake接收比传统接收具有更小的误码率值；扩频倍数越高、延迟越小、信噪比越高，Rake接收的性能就越好，同时采用COLD码序列扩频要比采用PN码序列具有更好的Rake接收性能。