无线通信信道理论分析

摘要:文章分析了无线通信信道的基本特征,以及信道的分类,阐述了影响信道性能的两种效应,即多径和多普勒效应,给出了示意图形和理论表达式,仿真了信号通过无线信道后的表现,为信道模型的建立提供了一定的借鉴。

关键词:多径;衰落信道;典型特征;仿真;多普勒效应

中图分类号:TN915文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)27-0063-02

无线信道中电波传播特性非常复杂,有中、长波的地表面波传播、短波的电离层反射传播、超短波和微波的直射传播以及各种散射波传播等。无线信道中的干扰也是形式繁多、特征复杂,有由于信道畸变产生的码间干扰,也存在由于频率复用产生的同信道干扰和邻信道干扰等。

1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。

自由空间路径损耗:一般路径传播损耗又叫衰耗,是指电波在空间传播所产生的损耗,反映在宏观大范围(千米量级)空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在固定的有线通信中也存在,不过它计算的是导线媒介中传输的衰耗,一般比在空间传播的衰耗值要小些。

阴影衰落:阴影衰落主要是指电波在传播路径上受到建筑物阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗,反映在中等范围内(百米波长数量级)的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有的,而一般在统计规律上来看遵从对数正态分布,其变化率比传送信息率要慢。

多径衰落:多径衰落又称快衰落,反映在小范围(十米波长以下数量级)接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度一般遵从Rayleigh、Rice、Nakagami等概率分布,其变化速度比慢衰落快。快衰落又可分为空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。

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。

2无线信道的分类

在移动通信系统中,无线信道通常是利用信道的统计特性来进行仿真和分析的。一般来说,移动信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分成两类,即大尺度衰落和小尺度衰落。

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。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(Time Dispersion)效应与频率选择性衰落;多普勒效应则会产生信号的频散(Frequency Dispersion)效应与时间选择性衰落。根据信号多径附加时延的大小,小尺度衰落又可以分为非频率选择性衰落(平坦衰落)和频率选择性衰落。另外,由于移动台的移动性会导致接收到的信号产生多普勒频移(频率色散)。根据多普勒扩展的大小,信道又可以分为快衰落信道和慢衰落信道。

平坦衰落:一般来说,多路信号到达接收机的时间有先有后,即有相对时(间)延(迟)。如果这些相对时延远小于一个符号的时间,则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。在这种情况下多径效应不会造成符号间的干扰。这种衰落称为平坦衰落,因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。平坦衰落信道的条件可以概括为:

BS

式中,TS为信号周期,(信号带宽BS的倒数);στ和BC分别是信道的时延扩展和相干带宽。

频率选择性衰落:如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略,那么当多路信号叠加时,不同时间的符号会重叠在一起,造成符号间的干扰。这种衰落称为频率选择性衰落,因为这种信道的频率响应在所有的频段内是不平坦的。发生频率选择性衰落的条件可以概括为:

BS>BC或TS

通常,若TS

由于移动台与基站之间的相对运动,或是由于信道路径中物体的运动,会产生多普勒扩展,引起信道随时间变化,产生信道的时变特性。根据发送信号与信道变化快慢程度的比较,也就是多普勒扩展,信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。理论上对何为快何为慢有严格的数学定义。

快衰落:当信道的相干时间比发送信号的周期短,且基带信号的带宽小于相关带宽时,信道冲激响应在符号周期内变化很快,从而导致信号失真,产生快衰落,即

TS

式中TC为信道的相干时间,从频域上可以看出,信号失真随发送信号带宽多普勒扩展的增加而加剧。

慢衰落:当信道上的相干时间远远大于发送信号的周期,且基带信号的带宽旦远远小于相干带宽凡时,信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期低得多,此信道为慢衰落信道,即:

TS

在慢衰落信道中,可以认为信道参数在一个或多个信道码元周期内是稳定的。

3多径和多普勒效应

3.1多径效应

无线通信中,发射端发射的电波经过无线时间色散信道的多径传播,到达接收端接收天线的不同路径的电波具有不同的时延。如果无线信道的时间色散对接收信号的形状没有明显的影响,亦即不同路径时延差相对远小于调制信息的符号持续时间,此时无线通信系统称为窄带系统,无线信道可以使用窄带信道模型来描述,反之无线通信系统称为宽带系统,无线信道必须使用宽带信道模型来描述。

在图1中,τ0,τ1,…,τN-1即为不同路径的到达时间,因为各条路径的距离不同,所以到达接收机端的时间也各不同,因此产生多径效应。它造成了接收信号在时域上的扩散,即时间色散。

3.2多普勒效应

由于移动台与基站的相对运动,每个多径波都经历了明显的频移过程,这种现象称为多普勒频移,它与移动台的运动速度、运动方向以及接收机多径波的入射角有关。假设移动台在长度为d、端点为X与Y的路径上以速率v运动时,收到来自远端源S发出的信号,如图2所示。

无线电波在X与Y点上分别被接收时所走的路径差为:

Δl=dcosθ=vΔtcosθ

式中,Δt为移动台从X到Y所需的时间;θ为入射波的夹角,由于远端距离很远,可假设X,Y处的夹角是相同的。所以,由路径差造成的接收信号相位变化值为:

Δφ=2πlλ=2πvΔtλcosθ

则多普勒频移为:

fd=vλcosθ=fmcosθ

式中,fm为最大多普勒频移。

从上式可以看出,若移动台朝向入射波方向运动,则多普勒频移为正(即接收频率上升);相反,则多普勒频移为负(接收频率下降)。由于多径分量经由不同的方向传播到达接收机,从而造成接收机信号的多普勒扩散,增加了信号带宽。

以正弦信号作为输入,图3,4现显示了信号经历多径效应和多普勒效应后的表现,其中图3的多普勒扩展较图4的要小,可以看出信号的衰落随着多普勒扩展的增大而加剧。

4总结

本文分析了无线通信信道的基本特征以及分类,并仿真分析了多径效应和多普勒效应对信道以及信号的影响,为信道模型的建立和仿真提供了一定的借鉴。

参考文献

[1] BELLO.P.A,Characterization of randomly time variant linear channels [J].IEEE Trans,Communications Systems,1963,11(4).

[2] CLARKE,R.H.A statistical theory of mobile radio reception [J].Bell Systems Technical Joumal,1968,47(6).

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

作者简介:陈家涛,男,辽宁大石桥人,内蒙古军区呼伦贝尔军分区通信修理所工程师,研究方向:无线电台通信;刘春泉(1985-),男,安徽巢湖人,内蒙古军区呼伦贝尔军分区70分队助理工程师,研究方向:有线通信组网。