RAKE接收技術分析與仿真

井敏英

(陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000)

0 引言

CDMA陸地移動通信信道由于受城市建筑物和其他地形地貌的影響，使電波傳輸環境極為復雜，屬典型的隨參信道。隨參信道對電波傳輸帶來的影響之一是多徑傳播，即到達接收端的信號是不同路徑、不同時延傳輸的合成信號，最終引起頻率彌散、多徑衰落、頻率選擇性衰落等，使系統誤碼率上升，嚴重影響通信系統的質量。為了不影響通信系統的性能，必須采取相應的措施，而分集接收技術是一項簡單而有效的抗衰落技術，并在多種通信系統中得到應用。傳統的分集技術有空間分集、時間分集和頻率分集，這些技術大都需要采用多套設備來實現，而RAKE接收技術既是一種分集技術，又不同于傳統的分集技術，它利用信號處理技術使多徑傳播的不利影響變成可以利用的信號，形成多徑分集，因此一些參考書上稱其為隱分集或帶內分集，隱分集不需要設備增益。在CDMA系統中，有了RAKE接收技術，就可以在不浪費設備資源的情況下改善系統的性能。

1 RAKE接收技術原理

1.1 分集接收技術原理

分集接收是研究如何在接收端獲得多個承載同一信息并且衰落特性相互獨立的信號，然后將其進行相應合并，來改善接收信號的電平起伏和衰落的技術，即分集接收技術有兩層含義，一是分散傳輸，使攜帶相同信息的多路傳輸信號的衰落特性相互獨立;二是集中處理，將得到的攜帶相同信息的相互獨立的多路信號進行相應的合并，降低衰落的影響，從而提高系統的性能。為了在接收端得到衰落特性相互獨立或基本獨立的多路信號，可以通過不同路徑、不同頻率、不同時間等方式來實現，即對應傳統的空間分集、頻率分集和時間分集?？臻g分集是在發送端架設一副天線，接收端架設多副(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便是攜帶同一信息、衰落特性相互獨立的信號。頻率分集是將攜帶相同信息的信號調制到不同的載波頻率上，只要載波頻率之間的間隔足夠大，則認為接收信號的衰落特性是相互獨立的。時間分集是將攜帶相同信息的信號放在不同的時間區間發送出去，同樣只要時間間隔足夠大，也認為接收端收到的信號衰落特性是相互獨立的。當接收端獲得承載相同信息、衰落特性相互獨立的信號后，通常進行加權相加合并，即若L路相互獨立的衰落信號分別為r1(t)，r2(t)，…，rL(t)，則接收信號r(t)為:

其中，k1，k2，…，kL為各路信號的加權系數，合并可以在基帶也可以在中頻進行。在加權合并時，通常根據加權系數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路輸出信號的信噪比，選擇其中最大的一路信號作為輸出信號，其他各路信號的加權系數均為零。最大比合并(MRC)是檢測L路輸出信號的信噪比，適時改變加權系數，使加權系數k1，k2，…，kL與該路信號的信噪比成正比，即信噪比大的加權系數也大。在最大比合并中，適時改變增益系數，一般是比較困難的，通常希望為常量，取增益系數都為l就是等增益合并(EGC)。對于最大比合并和等增益合并，可以采用同相相加，這可以在發射信號中插入導頻的方式，在接收端通過提取的相位信息來實現同相相加。

無論采用何種合并方式，上述空間分集、頻率分集和時間分集都明顯地采用多套設備在不同地點、不同頻率、不同時間接收信號，故稱為顯分集。RAKE接收機采用一套設備利用信號設計與處理技術來實現隱分集，顯然，顯分集存在設備增益，而隱分集不存在設備增益。［2］

1.2 RAKE接收技術基本原理

RAKE接收就是設法將被擴散的信號能量充分利用起來，其主要手段是擴頻信號設計與RAKE接收的信號處理。根據寬帶擴頻信號的相關理論，設計適當擴頻比的擴頻信號(它主要決定分離多徑的分辨率)和相應的RAKE接收信號處理方式就能將被擴散的信號能量分離、處理、合并，并加以有效利用。在 IS－95、CDMA2000、WCDMA等CDMA系統中，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。［3］當多徑遲延τ超過一個碼片的持續時間Tc，多徑信號實際上是互不相關的或可解的。［4］RAKE接收機利用多個相關器(匹配濾波器)分別檢測多徑信號中最強的L個支路徑信號，然后對每個相關器的輸出加權合并，以提供優于單路相關器的信號檢測，最后在此基礎上進行解調判決。［3］傳統RAKE接收機的本質是多徑分集接收，其原理圖［3］如圖 1 所示。

圖1 RAKE接收機原理圖

在圖1中RAKE接收機部分有多種方式進行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接收機的最佳權值Cl－1(l=1，2，…，L)可以取為多徑信道復增益bl－1(l=1，2，…，L)的共軛，即:

這時輸出信噪比(SNR)最大:

其中，G為擴頻增益，σ2為噪聲功率。因此，采用最大比RAKE合并必須在接收端估計多徑信道的沖擊響應，要提高RAKE接收機的性能，就必須在接收端盡可能地收集多徑的能量，即增加RAKE接收機的指峰數，但這將增加系統硬件的復雜性和功率消耗。［3］RAKE接收對于上行(反向)信道容易實現，下行信號則難度較大，但可以利用線性系統的互易原理，將體積嚴重受限的移動臺的接收端RAKE分集技術等效地搬至發送端來實現，這就是所謂的發送分集技術，即“預RAKE”技術，相當于在發送端預先實現了一次RAKE技術。

2 RAKE接收的誤碼性能仿真

2.1 不同合并方式的仿真比較

對上述3種合并方式進行仿真，并對仿真結果進行分析和比較。用擴頻碼為16的CDMA系統，發送信號的比特數N=15 000，經過高斯多徑信道，取L=3，仿真結果如圖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相同時，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，分集技術能極大地提高系統性能，具有極強的抗衰落能力。MRC是最優合并技術，EGC次之。從合并器的實現看，EGC易于實現，性能較高，具有實用價值。因此現在的移動通信系統中，移動終端和基站大都采用分集方式來改善系統性能。

2.2 RAKE接收的仿真比較

在移動通信中面對的信號都是多用戶多徑的情況，用戶之間的信號會形成相互干擾，對信號的接收造成一定的影響，以下對多用戶多徑的仿真進行詳細的分析。

首先對三用戶單徑與多徑RAKE接收的誤碼率進行仿真比較，用擴頻碼為16的CDMA系統，發送信號的比特數N=15 000，采用QPSK調制方式，經過高斯多徑信道，取L=3，采用最大比合并，仿真結果如圖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，同一信噪比的單徑誤碼率明顯要比三徑誤碼率高，由仿真結果可知，在三用戶情況下，采用RAKE接收，分集的徑數越多，接收信號的誤碼率越低。理論上也正是如此，徑的數值越大，合并時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，降低系統誤碼率，提高系統性能。

用戶數越多，則信號相互之間的干擾就越大，很可能導致誤判，最終引起誤碼率的上升。以下對五用戶和三用戶三徑RAKE接收進行仿真比較，仿真條件同上，仿真結果如圖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的情況下，用戶數越多接收的誤碼率就越高，可以得知用戶越多，其信號的相互干擾就越大，影響到解擴解調，最終使誤碼率升高。表明RAKE接收技術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相結合。

從仿真結果得知，隨著分集徑數的增加，以及用戶數的降低，RAKE接收的誤碼率就會降低，RAKE接收技術能抵抗多徑衰落，改善系統性能。

3 結論

RAKE接收技術在移動通信系統中得到了廣泛應用，在CDMA移動通信系統中采用特有的RAKE接收技術，可以在不增加設備增益的情況下克服多徑衰落對通信帶來的影響，提高系統性能。但是RAKE接收不能抵抗CDMA系統的固有干擾，即多址干擾，為了進一步提高系統性能，可將RAKE接收技術和其他技術相結合，如，與多用戶檢測相結合，進一步改善系統性能。

［1］張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術［M］.西安:電子工業出版社，2008:55－57.

［2］吳偉陵.移動通信原理［M］.北京:電子工業出版社，2005:205－216.

［3］謝顯中.基于TDD的第四代移動通信技術［M］.北京:電子工業出版社，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.