“分集”與“複用”辨析

【注：本文中幾乎所有文字與圖片均來自網絡，本人僅做了整理與歸納！】

分集與複用

  複用與分集是兩種典型的無線傳輸技術。對於分集與複用的概念和目的，以下均給出了多種不同表述方式，以促進全面理解。

1. 分集與複用的概念

1.1 分集

  方式1：分集是在多條獨立路徑上傳輸相同的數據，接收端通過分集合並技術，抵抗信道衰落，提高傳輸可靠性，降低誤碼率；

  方式2：根據信號論原理，若有其他衰減程度的原發送信號副本提供給接收機，則有助於接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱爲分集。

  方式3：分集是接收端對它收到的衰落特性相互獨立地進行特定處理，以降低信號電平起伏的辦法。分集是指分散傳輸和集中接收。所謂分散傳輸是使接收端能獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號。集中接收是接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合併(選擇與組合)以降低衰落的影響。

  方式4：在通信領域，分集（Diversity）技術是指多路彼此獨立的傳輸路徑上傳送同一信號。也就是說，相同的信號、獨立的通道，同一信號經過彼此獨立的通道發送出去，顯然不能提高通道的利用效率，相反，降低了通道的利用效率。那麼，這樣做的目的只有一個：提高信息傳送的可靠性、正確性。

1.2 複用

  方式1：複用是在多條獨立路徑上傳輸不同數據，充分利用系統資源，提高系統容量，即總數據率。

  方式2：複用技術是指一種在傳輸路徑上綜合多路信道，然後恢復原機制或解除終端各信道複用技術的過程。多路複用技術是在發送端將多路信號進行組合(如廣電前端使用的混合器)，在一條專用的物理信道上實現傳輸，接收端再將複合信號分離出來。

  方式3：複用（Multiplexing）技術，在通信領域，是指在同一個傳輸路徑上傳送多路獨立的信號。也就是說，不同的信號、共同的通道。在發送端，將多個獨立信號合成爲一個多路信號，叫做複用；在接收端，將多路信號分解成各個獨立信號的過程，叫做解複用。

2. 分集與複用的目的

2.1 分集的目的

  方式1：分集是一個信號通過多條路徑送達接收端，好處是降低信號受到信道深度衰落而無法識別的可能性；分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合併技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機之間的距離要滿足大於3倍波長的基本條件。同均衡器一樣，它在不增加傳輸功率和帶寬的前提下，而改善無線通信信道的傳輸質量。在移動通信中，基站和移動臺的接收機都可以採用分集技術。

  方式2：在無線傳播環境中，無線信號會碰到各種各樣的衰落，影響接收機正確地接收信號。通過分集技術，同一信號在彼此獨立的不同路徑上傳送，經歷不同的衰落；在接收端把不同路徑來的信號合併起來，可以獲得分集增益，提高信號接收的正確性。

2.2 分集階數與分集增益

  分集階數（diversity order）指獨立的衰落支路數: 若每對收發天線間的衰落都獨立，則分集階數=發射天線數$N_t$×接收天線數$N_r$； 分集階數越多，可以獲得的最大分集增益越大，對系統性能改善越多； 在多徑信道下分集階數還會增加，分集階數=發射天線數$N_t$ × 接收天線數$N_r$ × 信道多徑數$L$。 實際空時碼的設計會降低分集增益。

  分集增益（diversity gain）定義：$d=-lim (lg(Pe)/lg (SNR))$，爲信噪比SNR趨於無窮時的極限值。系統誤碼率$P_e=α * (SNR)^{-d}$，前面的係數α和原來的係數相比就是獲得的編碼增益， 在高信噪比時，分集增益確定誤碼曲線的斜率，而編碼增益確定誤碼曲線的平移距離。

2.3 複用的目的

  方式1：複用是多個信號同時通過多條路徑送達接收端，好處是收發端吞吐量增大。

  方式2：通信領域裏，複用的共同特點是在保證多路收發信息傳送質量的同時，提高某一傳送通路資源的利用效率（個人理解：例如頻分複用中，在保證頻率路徑傳送質量的同時，提高了時間、空間資源的利用率）。在數據通信中，複用技術提高了信道傳輸效率（這意味着，在信道容量不變的情況下，吞吐量得到提升），有廣泛應用。

  附：信道容量與吞吐量的辨析：“信道容量”與“吞吐量”辨析

3. 分集與複用的分類

  把某一種資源劃分爲小的部分（子通道），分別利用這些小的子通道並行傳輸數據。這種技術往往叫做複用技術，如:TDM,FDM,OFDM。
  把這種技術用於區分上行（發送端）用戶就叫做多址技術，如TDMA，FDMA，OFDMA。（ps：下行不用多址區分。） 各種多址技術可參考下文：大規模MIMO空分多址傳輸
  把這種技術用於區分上下行數據，就叫做雙工技術，如TDD和FDD。
  把這種技術用於區分無線信道中傳輸的不同數據，仍叫做複用技術。
  把這種技術用於傳輸相同數據，以降低系統錯誤概率，提高系統的性能的應用，叫做分集技術。

3.1 分集技術

  常用的分集方式主要有兩種：宏分集和微分集。

  宏分集也稱爲“多基站分集”，主要是用於蜂窩系統的分集技術。在宏分集中，把多個基站設置在不同的地理位置和不同的方向上，同時和小區內的一個移動臺進行通信。只要在各個方向上的信號傳播不是同時受到陰影效應或地形的影響而出現嚴重的慢衰落，這種辦法就可以保證通信不會中斷。它是一種減少慢衰落的技術。

  微分集是一種減少快衰落影響的分集技術，在各種無線通信系統中都經常使用。微分集採用的主要技術有：空間分集、極化分集、頻率分集、場分量分集、角度分集、時間分集等分集技術。

• 空間分集的基本原理是在任意兩個不同的位置上接收同一信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收到的信號衰落是不相關的，也就是說快衰落具有空間獨立性。空間分集也稱爲天線分集，是無線通信中使用最多的分集技術。
• 頻率分集的基本原理是頻率間隔大於相關帶寬的兩個信號的衰落是不相關的，因此，可以用多個頻率傳送同一信息，以實現頻率分集。
• 極化分集的基本原理是兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落，所以發送端和接收端可以用兩個位置很近但爲不同極化的天線分別發送和接收信號，以獲得分集效果。極化分集可以看成是空間分集的一種特殊情況，它也要用兩付天線(二重分集情況)，但僅僅是利用不同極的電磁波所具有的不相關衰落特性，因而縮短了天線間的距離。
• 角度分集的做法是使電波通過幾個不同的路徑，並以不同的角度到達接收端，而接收端利用多個銳方向性接收天線能分離出不同方向來的信號分量，由於這些信號分量具有相互獨立的衰落特性，因而可以實現角度分集並獲得抗衰落的效果。
• 時間分集：快衰落除了具有空間和頻率獨立性以外，還具有時間獨立性，即同一信號在不同時間、區間多次重發，只要各次發送的時間間隔足夠大，那麼各次發送信號所出現的衰落將是彼此獨立的，接收機將重複收到的同一信號進行合併，就能減小衰落的影響。時間分集主要用於在衰落信道中傳輸數字信號。

3.2 複用技術

  多路複用技術主要有兩大類：頻分多路複用(即頻分複用)和時分多路複用(即時分複用)，波分複用和統計複用本質上也屬於這兩種複用技術。另外還有其他複用技術，如碼分複用、極化波複用和空分複用。

• 空分複用（SDM）是指讓同一個頻段在不同的空間內得到重複利用，在移動通信中，其基本技術就是採用自適應陣列天線實現空間分割，在不同的用戶方向上形成不同的波束。
• 頻分複用（FDM）：載波帶寬被劃分爲多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以並行傳送一路信號。FDM用於模擬傳輸過程。
• 時分複用（TDM）：在交互時間間隔內在同一信道上傳送多路信號。TDM廣泛用於數字傳輸過程。
• 碼分複用（CDM）：每個信道作爲編碼信道實現位傳輸（特定脈衝序列）。這種編碼傳輸方式通過傳輸唯一的時間系列短脈衝完成，但在較長的位時間中則採用時間片斷替代。每個信道，都有各自的代碼，並可以在同一光纖上進行傳輸以及異步解除複用。
• 波分複用（WDM）：在一根光纖上使用不同波長同時傳送多路光波信號。WDM 用於光纖信道。WDM與FDM基於相同原理但它應用於光纖信道的光波傳輸過程。

4. 分集與複用的比較

  共同點：都要使用多天線；

  不同點：多天線上傳輸的內容不同，另外在接收端進行的處理不同，比如分集在接收端就要進行合併，而複用在接收端就要進行多用戶檢測與分離。當然分集傳輸穩定性可靠性強，複用傳輸吞吐量大，其可靠性可能還不如SISO系統。這兩者往往是矛盾的，無法同時追求最大化。
  此矛盾性還可以從通信系統的有效性與可靠性去理解，分集是爲了提升通信系統的可靠性，複用是爲了提升通信系統的有效性，而可靠性與有效性往往是一對矛盾。

5. 分集與複用的進一步理解

  在一個通路中傳送多路信號的複用技術，多路信號如何相互區分？在多個通路中傳送同一信號的分集技術，多個通路如何彼此獨立？也就是說，在通信領域，無論是複用技術、還是分集技術，都涉及“正交”的概念。

  舉例來說，頻分複用區別的是頻率，複用的是時隙等其他資源，即在同一時隙、同一空間（天線單元）、同一正交碼的情況下，將一個載波帶寬劃分爲相互區別的、多個不同頻點的子信道，分別傳送不同的信號。同樣的道理可以理解時分複用、碼分複用、空分複用，如下表所示。

   同一信號必須經過相互獨立的不同通路，才能起到分集作用。分集技術有很多種，如頻率分集、時間分集、空間分集、角度分集、極化分集，如下表所示。不管什麼類型的分集技術，必須有相互獨立的信息通路，保證同一信號經歷不同的衰落，以便合併的時候有相互參考、相互補充、相互驗證的效果。

   LTE使用多進多出的MIMO技術，可以起到空間複用和空間分集的作用。

參考資料

[1]分集技術_百度百科
[2]複用技術_百度百科
[3]“複用”與“分集”的概念辨析
[4]分集與複用

同系列文章（持續更新）：

專欄：通信基礎概念辨析
1. “信道容量”與“吞吐量”辨析
2. “分集”與“複用”辨析
3. “SNR”、“Eb/N0”與“Es/N0”辨析
4. 一文讀懂：什麼是準靜態平坦瑞利衰落信道？

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