分集与复用

复用与分集是两种典型的无线传输技术。对于分集与复用的概念和目的，以下均给出了多种不同表述方式，以促进全面理解。

1. 分集与复用的概念

1.1 分集

方式1：分集是在多条独立路径上传输相同的数据，接收端通过分集合并技术，抵抗信道衰落，提高传输可靠性，降低误码率；

方式2：根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。

方式3：分集是接收端对它收到的衰落特性相互独立地进行特定处理，以降低信号电平起伏的办法。分集是指分散传输和集中接收。所谓分散传输是使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。集中接收是接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(选择与组合)以降低衰落的影响。

方式4：在通信领域，分集（Diversity）技术是指多路彼此独立的传输路径上传送同一信号。也就是说，相同的信号、独立的通道，同一信号经过彼此独立的通道发送出去，显然不能提高通道的利用效率，相反，降低了通道的利用效率。那么，这样做的目的只有一个：提高信息传送的可靠性、正确性。
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1.2 复用

方式1：复用是在同一条路径的多个独立子信道上传输不同数据，充分利用系统资源，提高系统容量，即总数据率。

方式2：复用技术是指一种在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。多路复用技术是在发送端将多路信号进行组合(如广电前端使用的混合器)，在一条专用的物理信道上实现传输，接收端再将复合信号分离出来。

方式3：复用（Multiplexing）技术，在通信领域，是指在同一个传输路径上传送多路独立的信号。也就是说，不同的信号、共同的通道。在发送端，将多个独立信号合成为一个多路信号，叫做复用；在接收端，将多路信号分解成各个独立信号的过程，叫做解复用。
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2. 分集与复用的目的

2.1 分集的目的

方式1：分集是一个信号通过多条路径送达接收端，好处是降低信号受到信道深度衰落而无法识别的可能性；分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。

方式2：在无线传播环境中，无线信号会碰到各种各样的衰落，影响接收机正确地接收信号。通过分集技术，同一信号在彼此独立的不同路径上传送，经历不同的衰落；在接收端把不同路径来的信号合并起来，可以获得分集增益，提高信号接收的正确性。

2.2 分集阶数与分集增益

分集阶数（diversity order）指独立的衰落支路数: 若每对收发天线间的衰落都独立，则分集阶数=发射天线数 $N_t$ ×接收天线数 $N_r$ ；分集阶数越多，可以获得的最大分集增益越大，对系统性能改善越多；在多径信道下分集阶数还会增加，分集阶数=发射天线数 $N_t$ × 接收天线数 $N_r$ × 信道多径数 $L$ 。实际空时码的设计会降低分集增益。

分集增益（diversity gain）定义： $d = - l i m (l g (P e) / l g (S N R))$ ，为信噪比SNR趋于无穷时的极限值。系统误码率 $P_e=α * (SNR)^{-d}$ ，前面的系数α和原来的系数相比就是获得的编码增益，在高信噪比时，分集增益确定误码曲线的斜率，而编码增益确定误码曲线的平移距离。

2.3 复用的目的

方式1：复用是多个信号同时通过多条路径送达接收端，好处是收发端吞吐量增大。

方式2：通信领域里，复用的共同特点是在保证多路收发信息传送质量的同时，提高某一传送通路资源的利用效率（个人理解：例如频分复用中，在保证频率路径传送质量的同时，提高了时间、空间资源的利用率）。在数据通信中，复用技术提高了信道传输效率（这意味着，在信道容量不变的情况下，吞吐量得到提升），有广泛应用。

附：信道容量与吞吐量的辨析：“信道容量”与“吞吐量”辨析

3. 分集与复用的分类

把某一种资源划分为小的部分（子通道），分别利用这些小的子通道并行传输数据。这种技术往往叫做复用技术，如:TDM,FDM,OFDM。
把这种技术用于区分上行（发送端）用户就叫做多址技术，如TDMA，FDMA，OFDMA。（ps：下行不用多址区分。）各种多址技术可参考下文：大规模MIMO空分多址传输
把这种技术用于区分上下行数据，就叫做双工技术，如TDD和FDD。
把这种技术用于区分无线信道中传输的不同数据，仍叫做复用技术。
把这种技术用于传输相同数据，以降低系统错误概率，提高系统的性能的应用，叫做分集技术。

3.1 分集技术

常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集。

宏分集也称为“多基站分集”，主要是用于蜂窝系统的分集技术。在宏分集中，把多个基站设置在不同的地理位置和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种办法就可以保证通信不会中断。它是一种减少慢衰落的技术。

微分集是一种减少快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。微分集采用的主要技术有：空间分集、极化分集、频率分集、场分量分集、角度分集、时间分集等分集技术。

空间分集的基本原理是在任意两个不同的位置上接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收到的信号衰落是不相关的，也就是说快衰落具有空间独立性。空间分集也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集技术。
频率分集的基本原理是频率间隔大于相关带宽的两个信号的衰落是不相关的，因此，可以用多个频率传送同一信息，以实现频率分集。
极化分集的基本原理是两个不同极化的电磁波具有独立的衰落，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集可以看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两付天线(二重分集情况)，但仅仅是利用不同极的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。
角度分集的做法是使电波通过几个不同的路径，并以不同的角度到达接收端，而接收端利用多个锐方向性接收天线能分离出不同方向来的信号分量，由于这些信号分量具有相互独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。
时间分集：快衰落除了具有空间和频率独立性以外，还具有时间独立性，即同一信号在不同时间、区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。

3.2 复用技术

多路复用技术主要有两大类：频分多路复用(即频分复用)和时分多路复用(即时分复用)，波分复用和统计复用本质上也属于这两种复用技术。另外还有其他复用技术，如码分复用、极化波复用和空分复用。

空分复用（SDM）是指让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，在移动通信中，其基本技术就是采用自适应阵列天线实现空间分割，在不同的用户方向上形成不同的波束。
频分复用（FDM）：载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。FDM用于模拟传输过程。
时分复用（TDM）：在交互时间间隔内在同一信道上传送多路信号。TDM广泛用于数字传输过程。
码分复用（CDM）：每个信道作为编码信道实现位传输（特定脉冲序列）。这种编码传输方式通过传输唯一的时间系列短脉冲完成，但在较长的位时间中则采用时间片断替代。每个信道，都有各自的代码，并可以在同一光纤上进行传输以及异步解除复用。
波分复用（WDM）：在一根光纤上使用不同波长同时传送多路光波信号。WDM 用于光纤信道。WDM与FDM基于相同原理但它应用于光纤信道的光波传输过程。

4. 分集与复用的比较

共同点：都要使用多天线；

不同点：多天线上传输的内容不同，另外在接收端进行的处理不同，比如分集在接收端就要进行合并，而复用在接收端就要进行多用户检测与分离。当然分集传输稳定性可靠性强，复用传输吞吐量大，其可靠性可能还不如SISO系统。这两者往往是矛盾的，无法同时追求最大化。
此矛盾性还可以从通信系统的有效性与可靠性去理解，分集是为了提升通信系统的可靠性，复用是为了提升通信系统的有效性，而可靠性与有效性往往是一对矛盾。

5. 分集与复用的进一步理解

在一个通路中传送多路信号的复用技术，多路信号如何相互区分？在多个通路中传送同一信号的分集技术，多个通路如何彼此独立？也就是说，在通信领域，无论是复用技术、还是分集技术，都涉及“正交”的概念。

举例来说，频分复用区别的是频率，复用的是时隙等其他资源，即在同一时隙、同一空间（天线单元）、同一正交码的情况下，将一个载波带宽划分为相互区别的、多个不同频点的子信道，分别传送不同的信号。同样的道理可以理解时分复用、码分复用、空分复用，如下表所示。
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同一信号必须经过相互独立的不同通路，才能起到分集作用。分集技术有很多种，如频率分集、时间分集、空间分集、角度分集、极化分集，如下表所示。不管什么类型的分集技术，必须有相互独立的信息通路，保证同一信号经历不同的衰落，以便合并的时候有相互参考、相互补充、相互验证的效果。
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LTE使用多进多出的MIMO技术，可以起到空间复用和空间分集的作用。