无线移动信道特性分析

各类信号从发射端发送出以后,在到达接收端之前经历的所有路径,统称为信道。其中,如果传输的是无线电信号,电磁波所经历的路径,我们则称之为无线信道。

与其它通信信道相比,无线信道是最为复杂的一种,其衰落特性取决于无线电波传播[10]环境。不同的环境,其传播特性也不尽相同。无线信道可能是很简单的直线传播,也可能会被许多不同的因素所干扰,例如:信号经过建筑物,山丘,或者树木所有反射而产生的多径效应,使信号放大或衰落。在无线信道中,信号衰落是经常发生的,衰落深度可达30dB。对于数字传输来说,衰落使比特误码率(BER)大大增加。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量,影响通信可靠性。移动信道与非移动点对点无线信道相比,信号传输的误比特率前者比后者高106倍。

另外,在陆地移动系统中,移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域,其天线将接收从多条路径传来的信号,再加移动台本身的运动,使得信号产生多普勒效应,并且信道的特性也随时间变化而变化,增加了信号的不确定性,使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制。所以,与传统模型相比,无线信道多径数目增多,时延扩展加大,衰落加快。

2.2 无线信道的类型

在无线通信系统中,无线信道通常是利用信道的统计特性来分析和仿真的,一般来说,整个无线信道对信号产生的影响,可以分为以下三大类:

2.2.1 传播路径损耗模型

一般来说,可以把接收信号的功率或者传播路径的损耗看作一个随机变量,而传播路径损耗模型是用来描述接收信号的平均功率或是传播路径的平均损耗,平均功率会随着传播距离的增加而减少,而传播路径的损耗会随着传播距离的增加而增加,因此,这个随机变量是传播距离的函数,随着距离的改变,会有不同的平均值或中间值。这种模型中较常使用的模型有:自由空间传播模型、对数距离路径损耗模型、哈他模型。

2.2.2 大尺度传播模型

这个模型是用来描述信号经过长距离传播的变化(几百个波长或更多波长),主要探讨各类地形与地物对传播信号所产生的遮蔽效应。遮蔽效应可以用一个随机变数来描述,大部分的文献都一致的假设:遮蔽效应会使接收到的信号功率呈现对数常态分布。对数-常态遮蔽效应指的就是:在相同的传送距离下,不同接收机所接收到的信号强度(单位为dB)将呈现高斯或是常态分布,这也就是说传播路径所造成的功率损耗(以dB为单位)是呈现高斯或是常态分布的,而且这个随机变数标准差σ的单位也是dB。大尺度传播中的衰落包括:信号经过一段距离时信号的平均衰落。以及大型物体(如山脉或摩天大楼)导致的信号衍射而产生的衰落,并且大尺度衰落的信号的平均功率是缓慢变化的。

2.2.3 小尺度传播模型

小尺度模型是用来描述在很短的距离(或时间)内,接收信号功率所呈现快速的变动。小尺度传播模型是用来探讨小尺度衰落的现象,小尺度衰落也简称为衰落,主要是用来描述无线电信号经过一段很短的时间(或是很短的距离)所产生的快速变化;这些变化包括振幅、相位、频率、多重路径所造成的延迟等等。这种衰落是基带信号处理所必须要面对的主要问题。

简单的来说,大尺度传播模型是用来描述在一段较长的时间之内,信号所呈现的平均功率变化;而小尺度传播模型则是描述信号在短时间之内,受到信道影响瞬间所产生的变化,两者不可混肴。小尺度传播中的衰落是多径传播和多普勒频移两者作用的结果。多重路径效应会造成各个路径信号到达接收机时有不同的相位、振幅、与时间延迟,因此会产生信号的时散效应与频率选择性衰落;多普勒效应则会产生信号的频散(效应与时间选择性衰落。

2.3 无线移动信道的概念

移动信道属于无线信道，是移动的动态信道，主要取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。移动通信中的各类新技术都是针对移动信道的动态时变特性，为了解决有效性、可靠性和安全性设计的；了解移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提。

(1)有效性：占用尽量少的信道资源（频段、时隙、功率）的条件下尽可能多地传输信源信息。

(2)可靠性：传输过程中抵抗各种干扰（信道固有特性、自然干扰、人为干扰）的能力。

(3)安全性：在传输过程中的安全保密性能（接收端防窃听、发送端防伪造）。

2.4 移动信道的特点

2.4.1 移动通信信道的3个主要特点

(1)传播的开放性：无线信道是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的；

(2)接收环境的复杂性：可将接收点地理环境分为3类典型区域，即城市繁华区、近郊区农村/远郊区；

(3)通信用户的随机移动性：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。

2.4.2 移动通信信道的电磁波传输

(1)直射波：视距覆盖范围内无遮挡的传播，是超短波、微波的主要传输形式，经直线传播的信号最强。

(2)反射波：从不同反射体反射后到达接收点的传播信号，强度弱于直射波。

(3)绕射波：障碍物阻挡，经绕射后到达接收点的传播信号，强度弱于直射波。

(4)透射波：穿透障碍物传播的电磁波，强度相当于直射波、反射波和绕射波较小。

(6)散射波：空气中离子受激后二次反射的漫反射产生的电磁波，强度相当于直射波、反射波和绕射波较小。

2.4.3 接收信道的3类损耗

(1)路径传播损耗：（衰耗），电磁波在空间传播所产生的损耗，反映了大尺度空间（km量级）距离上的接收信号电平平均值的变换趋势。

(2)慢衰落损耗：电磁波在传播路径上受到障碍物阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，反映了中等尺度空间（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势，一般为无线传输所特有，在统计规律上满足对数正态分布，变化率较传输信息率慢。

(3)快衰落损耗：反映小尺度空间（数十波长以下量级）接收信号电平平均值的起伏变化趋势，电平幅度分布满足瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，变化率快于慢衰落。分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落，即不同的空间、频率和时间，其衰落特性不同。

2.4.4 三种快衰落（选择性衰落）产生的原因

(1)时间选择性衰落：由多普勒效应产生的多普勒频移扩散引起；快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由用户的快速移动，在信号的频域上生成了多普勒频移扩散。

(2)频率选择性衰落：由反射产生的时域扩散引起；用户信号由于远处高大障碍物的反射而形成干扰信号，其特点是传输信号在时间上产生扩散，时域上的扩散引起频率选择性衰落。

(3)空间选择性衰落：由反射产生的空间扩散引起；由于接收信号受基站附近障碍物的反射而引起的干扰，其特点是严重影响到达天线信号入射角分布；用户信号由于远处高大障碍物的反射而形成干扰信号，其特点是传输信号在空间上产生扩散，空域上波束角度的扩散引起接收信号产生空间选择性衰落。

2.4.5 接收信号的4种效应

(1)阴影效应：由大型障碍物的阻挡，在电磁波传输的接收区域中产生传播半盲区。——发射功率的计算和预留

(2)远近效应：由于接收用户的随机移动，移动用户和基站间距随机变化；同时，通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，使得强攻率信号压制弱功率信号的现象，导致远离基站的用户通信中断。——功率控制

(3)多经效应：由于传输环境的复杂性，使得接收信号由直射波的主径信号、不同障碍物的反射波和绕射波组成的多条不同的传输路径；到达时间、强度和载波相位不同，所接收的信号是多条路径信号的矢量和；各路径间可能产生干扰，即多径干扰。有时，接收信号中不存在直射波成分。——分解接收、Rake接收

(4)多普勒效应：移动用户高速移动引起传播频率的扩散，其扩散程度取决于用户与基站间的径向运动速度（成正比）。——多普勒频移的抑制

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