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无线信道的特性

 移动通信技术
       随着无线通信技术的广泛应用,传统的有线网络通信已经越来越不能满足人们应急通信的需求,于是基于无线网络的应急通信应运而生,且发展迅速。无线网络正以它优越的灵活性和便捷性在应急应用中发挥日益重要的作用。
       无线网络是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度来讲,无线网络就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信,并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲,无线网络就是在不釆用网线的情况下,提供以太网互联功能。
       移动通信系统是依靠无线信道实现的,它是复杂的无线通信信道之一。移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约,无线信道环境的好坏直接影响通信质量的好坏。

移动通信信道的主要特点有以下几个:

       (1) 传播的开放性:一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。
       (2) 接收点地理环境的复杂性与多样性,一般可将地理环境划分为下列3类典型区域。
        1) 高楼林立的城市中心繁华区。
        2) 以一般性建筑物为主的近郊小城镇区。
        3) 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。
       (3) 通信用户的随机移动性:慢速步行时的通信;高速车载时的不间断通信。无线信号从发送机到接收机的过程中,受到地形或障碍物的影响,会发生反射、绕射、衍射等现象,接收机接收到的信号是由不同路径的来波组合而成的,这种现象称为多径效应。由于不同路径的来波到达时间不同,导致相位不同。不同相位的来波在接收端因同相叠加而加强,因反相叠加而减弱,会造成信号幅度的变化,称为衰落,这种由多径引起的衰落称为多径衰落。当发射机与接收机之间存在相对运动时,接收机接收的信号频率与发射机发射的信号频率不相同,这种现象称为多普勒效应,接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。
多普勒效应
       无线移动通信系统的性能主要受无线信道的影响,具有较强的随机性。复杂的信道特性对于无线通信来说不可避免,因此要保证信号的传输质量,必须釆用各种措施来减少由于衰落造成的不利影响。

一、大尺度衰落

       大尺度衰落是指描述发射机和接收机之间长距离(几百米或几千米)上的场强变化。
       大尺度衰落是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间的障碍物引起的平均信号能量减少,包括路径损耗和阴影衰落。其中,路径损耗是由发射功率的幅度扩散及信道的传播特性造成的,阴影衰落是由发射机与接收机之间的障碍物造成的。

1.路径损耗

陆地传播的路径损耗的公式可简单表示为
无线信道的特信(图1)
       式中A——传播常量;
              a——路径损耗系数;
              d——发射机与接收机的距离。
      路径损耗与距离的a次方成正比。
      在自由空间下,接收机接收的信号平均功率F,可由下式给出:
无线信道的特信(图2)
     式中Pt——发射功率;
            gt——发射天线增益;
            gr——接收天线增益;
             λ——电波波长。
自由空间的路径损耗Lr定义为
无线信道的特信(图3)
       在自由空间下,路径损耗与距离的平方成反比。然而,在实际的移动环境中,接收信号的功率要比自由空间下小很多,路径损耗系数一般可取为3〜4。
2.阴影衰落
       信号在传播过程中会遇到各种障碍物的阻挡,从而使接收功率发生随机变化,因此需要建立一个模型来描述这种信号功率的随机衰减。造成信号衰减的因素是未知的,所以只能用统计模型来表征这种随机衰减,最常用的统计模型是对数正态阴影模型,它可以精确地描述室内和室外无线传播环境中的接收功率变化。
       阴影效应的建模是一个乘性的且通常是随时间缓慢变化的随机过程,其接收信号功率可表示为
无线信道的特信(图4)
       式中Lp——均路径损耗;
              Pr(t)——发射功率;
              PΦ(t)——阴影效应的随机过程。
      对数正态阴影模型把发射和接收功率的比值Φ=Pt/Pr,假设为一个对数正态分布的随机变量,其概率密度函数为
无线信道的特信(图5)
      式中μφdb——以dB为单位的ΦdB=101gφ的均值,实测时,μΦdb等于平均路径损耗;
             σφdb——φdb标准差,是以dB为单位的路径损耗标准差。
       对数正态阴影衰落的参数一般釆用对数均值μφdb,单位是dB,对于典型的蜂窝和微波环境,σφdb的变化范围是5〜12dB。经变量代换,服从均值为μφdb、标准差为σφdb的正态分布,即
无线信道的特信(图6)

二、小尺度衰落

       小尺度衰落是指由于不同多径分量的相互干涉而引起的合成信号幅度的变化,反映的是在短距离(几倍波长)上接收信号强度的变化情况。
       小尺度衰落是由于发射机与接收机之间空间位置的微小变化引起的,描述小范围内接收信号场强中瞬时值的快速变化特性,是由多径传播和多普勒频移两者共同作用的结果,包括由多径效应引起的衰落和信道时变性引起的衰落,具有信号的多径时延扩展特性和信道的时变特性。
      根据信号带宽和多径信道的相干带宽关系,将由多径效应引起的衰落分为平坦衰落和频率选择性衰落。

1.平坦衰落

        若信号的带宽小于多径信道的相干带宽,此时的信道衰落称为平坦衰落。研究表明,平坦衰落的幅度符合瑞利分布或莱斯分布。
       若某一路径信号在传播过程中,存在视距路径传播时,衰落信号幅度符合莱斯分布。第i个时隙的衰落信号的幅度ri可表示为
无线信道的特信(图7)
式中Xi,Yi——均值为0、方差为φ²的高斯随机变量;
             β——视距路径的幅度分量。莱斯信道的衰落幅度概率密度函数为
无线信道的特信(图8)
式中无线信道的特信(图9)——修正过的零阶贝塞尔函数。把K=β²/(2σ²)定义为莱斯因子,
       表示视距路径下幅度分量与其他非视距路径下幅度分量的总和比。
       当反射路径的数量很多,并且没有主要的视距传播路径时,衰落信号的幅度服从瑞利分布。第i个时隙的衰落信号的幅度可表示为瑞利信道的衰落幅度概率密度函数为
无线信道的特信(图10)
       瑞利信道的衰落幅度概率密度函数为
无线信道的特信(图11)
       由此可以看出,瑞利衰落信道可以看成是K=0时的莱斯信道。衰落参数K反映了信道衰落的严重性,K越小,表示衰落越严重;K越大,表示衰落越轻。当沢=8时,表示信道没有多径成分,只有视距传播路径,此时的信道即为高斯白噪声信道。

2.频率选择性衰落

       若信号的带宽大于多径信道的相干带宽,此时的信道衰落称为频率选择性衰落。此时,信道冲激响应具有多径时延扩展,反应衰落信号相位的随机变化。频率选择性衰落是由于多径时延接近或超过发射信号周期而引起的,是影响信号传输的重要特性。信号在多径传播过程中,容易引起选择性衰落,从而造成码间干扰。为了不引起明显的频率选择性衰落,传输信号带宽必须小于多径信道的相干带宽。为了减少码间干扰的影响,通常限制信号的传输速率。