移动通信中无线信道特性的研究

【摘要】在无线通信中，无线信道对信号的影响是巨大的，因此，研究移动通信中的无限信道很有必要，这也是提高移动通信性能的一个很关键的环节。本文将从以下几个方面来分析移动通信中无线信道特性。

【关键词】移动通信；无线信道；特性

中图分类号：E965 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

目前，在国内的移动通信中，相关人员对无限信道的研究还不够深入，不能够很好的掌握无线信道的规律，因此，研究移动通信中无线信道特性很有必要。

二、无线信道对信号的影响

信号在无线信道中传播一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式,无线信号无论是在前向链路还是在反向链路的传播,都会以多种方式受到物理信道的影响。由于无线信道的复杂性和时变性,信号通过无线信道时会受到各个方面的衰减损耗。总的说来,信道对无线信号的影响可归纳为自由空间路径损耗、阴影衰落和多径衰落三种。

在无线信道中,有三种最重要的多径衰落效应:信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化产生的多径衰落;不同路径信号的多普勒频移引起的随机频率变化以及多径传播时延扩展引起的多径衰落效应。无线信道的多径衰落会导致信号在不同维(时间、频率、空间)的扩展,对无线通信信号具有明显的影响。

三、通信系统中信道模型的演变

通过进行实地测量和分析，我们可以将各种无线信道抽象为模型，然后依据这些模型对无线通信系统进行设计和优化。理论上来说，无线通信信道就是一个线性滤波器。发射的信号通过这个滤波器后被接收，所以信号传输就是一个信号处理的过程。信道模型给出了信道的基本统计信息，因此它是信道估计的基础。我们这里要讨论的信道模型有以下几类：TU模型，ITU信道模型，LTE扩展信道模型。在GSM网络投入运行之前，TU模型就已经被用来决定GSM中均衡器的需求和性能。后来3GPP组织提出的一个新的TU模型，其与旧TU模型的最大区别在于新模型的最大时延只有旧模型的一半。随着时间的推移，在3G系统进入标准化阶段的过程中，ITU组织提出了一系列的信道模型。这一系列一共有6个模型：4个具有经典Jakes谱的模型和2个具有矩形谱的模型。4G通信系统的标准在制定过程中首先需要确立自己的信道模型，然而，随着通信系统的演变和基站数量的增加，以前人们确定好的模型已经不再适合被用来模拟当今通信系统中的信道，因此，制定LTE标准的3GPP组织确立了3个从旧信道模型演变出来的扩展信道模型。

四、无线信道电波传播

一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到达接收端,即信号传输具有多径特性。移动通信中的信道通常是一种时变信道,无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减损失,接收信号功率可表示为：

式中d表示移动用户与基站的距离。上式表示信道对无线电信号的影响可归纳为3类:自由空间的路径损失(也称传输损耗)d-n:是移动台与基站之间距离的函数,描述的是大尺度区间(数百或数千米)内接收信号强度随发射到接收距离而变化的特性;º阴影衰落S(d):又称大尺度衰落或慢衰落或长期衰落,它描述中等尺度区间(数百波长)内信号电平中值的慢变化特性,按对数正态分布,是由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落;»小尺度范围的多径衰落R(d):又称短期衰落,是由于移动用户附近的多径散射产生,它描述小尺度区间(数个或数十波长)内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性。图1示出了某衰落信号的路径损失、慢衰落和快衰落,图中的距离用对数表示。

图1衰落信号的路径损失、慢衰落和快衰落的关系

多径传输将导致信号在时间、频率、空间的扩展,它们对通信的影响很大。本文重点研究多径衰落下时间和频率的扩展以及它们的无线信道特性。

五、多径无线衰落信道的分类

1、多径时延扩展产生的衰落效应

(一)平坦衰落

设Ts是信号带宽的倒数(即信号周期),Bs是信号带宽,Tm和分别是信道的时延扩展和相干带宽。若或,即无线移动信道的带宽大于发送信号的带宽,且在带宽范围内有恒定增益及线性相位,则接收信号经历了平坦衰落过程,这是一种最常见的衰落。在平坦衰落情况下,信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。不过,由于多径导致信道增益的起伏,使接收信号的强度会随着时间变化。

在平坦衰落信道中,由于发送信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展可近似认为无附加时延(即的单一函数);幅度变化的平坦衰落信道(不会影响传输信号的频谱特性)有时可看成是窄带信道,这是由于信号带宽比平坦衰落信道带宽窄得多的原因。典型的平坦衰落信道会引起深度衰落,因此在深度衰落期间需要增加20dB或30dB的发送功率,以获得较低的比特误码率,这一点与非衰落信道在系统操作方面是不同的。另外平坦衰落信道增益分布对设计无线链路非常重要,最常见的幅度分布是Rayleigh分布。

(二)频率选择性衰落

若信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽,即:和Ts

频率选择性衰落是由信道中发送信号的时间色散(弥散)引起的,这样信道会引起了符号间干扰(ISI),因为发送信号S(f)的带宽大于信道的相干带宽。从频域看,不同频率获得不同增益,接收信号的某些频率分量比其他分量获得了更大增益,就会产生频率选择,当多径时延接近或超过发送信号的周期时,就会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落信道也称为宽带信道,因为信号S(t)的带宽宽于信道冲激响应带宽。随着时间变化,S(t)频谱范围内的信道增益与相位也发生了变化,导致接收信号r(t)发生时变失真。频率选择性衰落信道的建模要比平坦衰落信道的建模更困难,因为必须对每一个多径信号建模,且必须把信道视作一个线性滤波器。

2、多普勒扩展引起衰落效应

(一)快衰落

根据发送信号与信道变化快慢程度的比较,信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。在快衰落信道中,信道冲激响应在符号周期内变化很快,信道的相干时间比发送信号的信号周期短。由于多普勒扩展引起频率色散(也称为时间选择性衰落),从而导致信号失真。从频域看,信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。因此,信号经历快衰落的条件是:和。

当信道被认为是快衰落或慢衰落信道时,就不必指定它为平坦衰落或频率选择性衰落信道。快衰落仅与运动引起的信道变化率有关。对平坦衰落信道,可以将冲激响应简单近似为一个D函数(无时延),故平坦衰落、快衰落信道就是D函数变化率快于发送基带信号变化率的一种信道;而频率选择性、快衰落信道是任意多径分量的幅度、相位及时间变化率快于发送信号变化率的一种信道。实际上,快衰落仅发生在数据率非常低的情况下,即它可认为是低速率信道。

(二)慢衰落

在慢衰落信道中,信道冲激响应变化率比发送的基带信号S(t)变化率低得多,因此可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内,信道均为静态信道。在频域中,这意味着信道的多普勒扩展比基带信号带宽小得多,所以信号经历慢衰落的条件是:

。显然,移动台的速度(或信道路径中物体的速度)及基带信号发送速率,决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。慢衰落信道可认为是一种慢速度和高数据速率的信道。

图2给出了不同多径参数与信号经历的衰落类型之间的关系总结。

图2信号所经历的衰落类型,分别以符号周期和基带信号带宽为参数

六、结束语

在今后移动通信的发展过程中，要重视对无线信道特性的研究，只有不断地深入研究无限信道的特性，才能够不断的提高无线通信的能力和性能。

【参考文献】

[1]胡凯.多径衰落信道的典型特征分析[J].电子对抗,2010,130(1).

[2]许勤贤.浅析高精度无线移动通信信道盲估计方法[J].硅谷，2011，（11）.