RAKE接收技术分析与仿真

井敏英

(陕西理工学院物理与电信工程学院，陕西 汉中 723000)

0 引言

CDMA陆地移动通信信道由于受城市建筑物和其他地形地貌的影响，使电波传输环境极为复杂，属典型的随参信道。随参信道对电波传输带来的影响之一是多径传播，即到达接收端的信号是不同路径、不同时延传输的合成信号，最终引起频率弥散、多径衰落、频率选择性衰落等，使系统误码率上升，严重影响通信系统的质量。为了不影响通信系统的性能，必须采取相应的措施，而分集接收技术是一项简单而有效的抗衰落技术，并在多种通信系统中得到应用。传统的分集技术有空间分集、时间分集和频率分集，这些技术大都需要采用多套设备来实现，而RAKE接收技术既是一种分集技术，又不同于传统的分集技术，它利用信号处理技术使多径传播的不利影响变成可以利用的信号，形成多径分集，因此一些参考书上称其为隐分集或带内分集，隐分集不需要设备增益。在CDMA系统中，有了RAKE接收技术，就可以在不浪费设备资源的情况下改善系统的性能。

1 RAKE接收技术原理

1.1 分集接收技术原理

分集接收是研究如何在接收端获得多个承载同一信息并且衰落特性相互独立的信号，然后将其进行相应合并，来改善接收信号的电平起伏和衰落的技术，即分集接收技术有两层含义，一是分散传输，使携带相同信息的多路传输信号的衰落特性相互独立;二是集中处理，将得到的携带相同信息的相互独立的多路信号进行相应的合并，降低衰落的影响，从而提高系统的性能。为了在接收端得到衰落特性相互独立或基本独立的多路信号，可以通过不同路径、不同频率、不同时间等方式来实现，即对应传统的空间分集、频率分集和时间分集。空间分集是在发送端架设一副天线，接收端架设多副(大于等于2)天线，只要接收端天线之间的距离足够大，各天线所接收的信号便是携带同一信息、衰落特性相互独立的信号。频率分集是将携带相同信息的信号调制到不同的载波频率上，只要载波频率之间的间隔足够大，则认为接收信号的衰落特性是相互独立的。时间分集是将携带相同信息的信号放在不同的时间区间发送出去，同样只要时间间隔足够大，也认为接收端收到的信号衰落特性是相互独立的。当接收端获得承载相同信息、衰落特性相互独立的信号后，通常进行加权相加合并，即若L路相互独立的衰落信号分别为r1(t)，r2(t)，…，rL(t)，则接收信号r(t)为:

其中，k1，k2，…，kL为各路信号的加权系数，合并可以在基带也可以在中频进行。在加权合并时，通常根据加权系数的取值不同可分为选择式合并、等增益合并和最大比值合并。［1］

选择式合并(SC)是上述合并方式中最简单的合并方式，其原理是检测L路输出信号的信噪比，选择其中最大的一路信号作为输出信号，其他各路信号的加权系数均为零。最大比合并(MRC)是检测L路输出信号的信噪比，适时改变加权系数，使加权系数k1，k2，…，kL与该路信号的信噪比成正比，即信噪比大的加权系数也大。在最大比合并中，适时改变增益系数，一般是比较困难的，通常希望为常量，取增益系数都为l就是等增益合并(EGC)。对于最大比合并和等增益合并，可以采用同相相加，这可以在发射信号中插入导频的方式，在接收端通过提取的相位信息来实现同相相加。

无论采用何种合并方式，上述空间分集、频率分集和时间分集都明显地采用多套设备在不同地点、不同频率、不同时间接收信号，故称为显分集。RAKE接收机采用一套设备利用信号设计与处理技术来实现隐分集，显然，显分集存在设备增益，而隐分集不存在设备增益。［2］

1.2 RAKE接收技术基本原理

RAKE接收就是设法将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。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。在 IS－95、CDMA2000、WCDMA等CDMA系统中，为了减少多径衰落的不利影响，一般在接收端都采用具有多径分集功能的RAKE接收机。［3］当多径迟延τ超过一个码片的持续时间Tc，多径信号实际上是互不相关的或可解的。［4］RAKE接收机利用多个相关器(匹配滤波器)分别检测多径信号中最强的L个支路径信号，然后对每个相关器的输出加权合并，以提供优于单路相关器的信号检测，最后在此基础上进行解调判决。［3］传统RAKE接收机的本质是多径分集接收，其原理图［3］如图 1 所示。

图1 RAKE接收机原理图

在图1中RAKE接收机部分有多种方式进行RAKE合并，其中性能最好的是上述所讨论的最大比合并。若采用最大比合并，RAKE接收机的最佳权值Cl－1(l=1，2，…，L)可以取为多径信道复增益bl－1(l=1，2，…，L)的共轭，即:

这时输出信噪比(SNR)最大:

其中，G为扩频增益，σ2为噪声功率。因此，采用最大比RAKE合并必须在接收端估计多径信道的冲击响应，要提高RAKE接收机的性能，就必须在接收端尽可能地收集多径的能量，即增加RAKE接收机的指峰数，但这将增加系统硬件的复杂性和功率消耗。［3］RAKE接收对于上行(反向)信道容易实现，下行信号则难度较大，但可以利用线性系统的互易原理，将体积严重受限的移动台的接收端RAKE分集技术等效地搬至发送端来实现，这就是所谓的发送分集技术，即“预RAKE”技术，相当于在发送端预先实现了一次RAKE技术。

2 RAKE接收的误码性能仿真

2.1 不同合并方式的仿真比较

对上述3种合并方式进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较。用扩频码为16的CDMA系统，发送信号的比特数N=15 000，经过高斯多径信道，取L=3，仿真结果如图2所示。

图2 不同合并方式RAKE接收误码率的比较

由图2可以看出，3种合并方式的输出误码率在分集支路数相同时，SC最大，EGC次之，MRC最小，即性能最好。

总之，无论是SC合并、还是MRC以及EGC合并，分集技术能极大地提高系统性能，具有极强的抗衰落能力。MRC是最优合并技术，EGC次之。从合并器的实现看，EGC易于实现，性能较高，具有实用价值。因此现在的移动通信系统中，移动终端和基站大都采用分集方式来改善系统性能。

2.2 RAKE接收的仿真比较

在移动通信中面对的信号都是多用户多径的情况，用户之间的信号会形成相互干扰，对信号的接收造成一定的影响，以下对多用户多径的仿真进行详细的分析。

首先对三用户单径与多径RAKE接收的误码率进行仿真比较，用扩频码为16的CDMA系统，发送信号的比特数N=15 000，采用QPSK调制方式，经过高斯多径信道，取L=3，采用最大比合并，仿真结果如图3所示。

图3 单径与三径RAKE接收误码率比较

由图3可以看出，在三用户的情况下单径与三径用RAKE接收时，同一信噪比的单径误码率明显要比三径误码率高，由仿真结果可知，在三用户情况下，采用RAKE接收，分集的径数越多，接收信号的误码率越低。理论上也正是如此，径的数值越大，合并时输出的信噪比就越高，而误码率就越低。由此表明RAKE接收可以抵抗多径衰落，降低系统误码率，提高系统性能。

用户数越多，则信号相互之间的干扰就越大，很可能导致误判，最终引起误码率的上升。以下对五用户和三用户三径RAKE接收进行仿真比较，仿真条件同上，仿真结果如图4所示。

图4 多用户三径RAKE接收误码率的比较

由图4可以看出，在相同的信噪比和相同的分集径数的情况下，用户数越多接收的误码率就越高，可以得知用户越多，其信号的相互干扰就越大，影响到解扩解调，最终使误码率升高。表明RAKE接收技术不能抵抗多用户之间的相互干扰，要抗多径多址干扰，需将RAKE接收和多用户检测技术相结合。

从仿真结果得知，随着分集径数的增加，以及用户数的降低，RAKE接收的误码率就会降低，RAKE接收技术能抵抗多径衰落，改善系统性能。

3 结论

RAKE接收技术在移动通信系统中得到了广泛应用，在CDMA移动通信系统中采用特有的RAKE接收技术，可以在不增加设备增益的情况下克服多径衰落对通信带来的影响，提高系统性能。但是RAKE接收不能抵抗CDMA系统的固有干扰，即多址干扰，为了进一步提高系统性能，可将RAKE接收技术和其他技术相结合，如，与多用户检测相结合，进一步改善系统性能。

［1］张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术［M］.西安:电子工业出版社，2008:55－57.

［2］吴伟陵.移动通信原理［M］.北京:电子工业出版社，2005:205－216.

［3］谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术［M］.北京:电子工业出版社，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.