馬社祥 孟鑫 宮銘舉

基于UHF頻段的無線通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸受收發(fā)天線間周圍環(huán)境的影響較大，造成信號(hào)的衰落。由于環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致信道衰落的多樣性，給移動(dòng)通信課程教學(xué)帶來困難。本文從多徑效應(yīng)入手，給出了時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬、從多普勒效應(yīng)入手給出了多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間、從角度色散入手給出了角度擴(kuò)展和相干距離等概念，并基于這些概念給出了各種衰落特點(diǎn)，分析了移動(dòng)信道中各種衰落的概念和本質(zhì)及其在分集中的應(yīng)用。

多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 角度色散 信道衰落

一、引言

現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用UHF頻段的電磁波作為載體傳輸信號(hào)，而該波段的電磁波傳播方式主要是通過直射和反射方式傳播，而在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物和各種障礙物的影響，直射波很少，主要以反射方式傳播，而且，構(gòu)成收發(fā)天線間的反射路徑很多，即多徑。同時(shí)，對(duì)于大的建筑物遮擋，造成信號(hào)嚴(yán)重衰落。所以，移動(dòng)信道的傳輸特征及其復(fù)雜，構(gòu)成移動(dòng)通信的主要研究內(nèi)容，也成為移動(dòng)通信課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，由又于其復(fù)雜性，在信道建模和相關(guān)內(nèi)容教學(xué)中成為一個(gè)難點(diǎn)。如從電磁波傳播角度看信號(hào)的傳輸過程中的多徑特點(diǎn)、從統(tǒng)計(jì)角度衡量信道衰落規(guī)律時(shí)多徑、從信道沖擊響應(yīng)角度建立信道模型時(shí)的多徑、信道均衡時(shí)的碼間干擾、Rake接收機(jī)中分時(shí)多抽頭技術(shù)等，分集接收時(shí)的最小時(shí)間、頻率、空間間隔等問題。這些問題涉及時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬、多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間、角度擴(kuò)展和相干距離等概念。而且相應(yīng)的將信道分成：平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道，慢衰落信道和快衰落信道等。這些概念既相互關(guān)聯(lián)，又有不同特點(diǎn)，既有抽象的理論分析模型，又有具體的應(yīng)用特點(diǎn)。對(duì)些概念的理解，不論對(duì)從事工程實(shí)踐還是進(jìn)一步科學(xué)研究者都至關(guān)重要。本文從多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)和角度色散入手，分析了移動(dòng)信道中各種衰落的概念和本質(zhì)及其在分集中的應(yīng)用。

二、多徑效應(yīng)頻率選擇性衰落

以電磁波作為載體的信號(hào)傳輸中，對(duì)于特高頻電磁波，其傳播方式主要是直射和反射，而在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物和各種障礙物的影響，直射波很少，反射稱為主要的傳播途徑，而且，構(gòu)成收發(fā)天線間的反射路徑很多，可以說有無數(shù)條路徑，即多徑。通過圖例解釋說明，這一點(diǎn)比較容易理解。實(shí)際的接收信號(hào)是這些多徑信號(hào)的疊加。這些多徑信號(hào)的場強(qiáng)隨時(shí)間變化，達(dá)到接收天線的多徑分量信號(hào)的相位關(guān)系也是隨時(shí)間而變化的，因此，多徑信號(hào)的疊加造成信號(hào)衰落，稱之為多徑效應(yīng)，而且其衰落是一個(gè)隨機(jī)量。

另一方面，由于多徑問題，而每一條路徑的信號(hào)達(dá)到接收天線的距離不同，達(dá)到時(shí)間就不同，因此，信號(hào)的達(dá)到時(shí)間被展寬，也叫時(shí)間色散現(xiàn)象。即多徑效應(yīng)導(dǎo)致時(shí)間色散。時(shí)間色散，使得信號(hào)的波峰和波谷可能錯(cuò)位疊加，造成信道衰落，影響信號(hào)的正確接收。不同環(huán)境、不同時(shí)刻的時(shí)間色散程度是不同的。為了衡量時(shí)間色散的程度，引入時(shí)延擴(kuò)展。最簡單的理解是用時(shí)延的方差來衡量時(shí)間色散程度。但為規(guī)范期間，同意定義為：其中 P（t）為接收端信號(hào)的功率延遲分布， 為平均時(shí)延。時(shí)延擴(kuò)展越大，表明時(shí)間色散程度越嚴(yán)重。信道越不好。從統(tǒng)計(jì)角度來說，信道的衰落有一定的規(guī)律，若無可視路徑，則多徑幅度衰落服從瑞麗分布，若包含可視路徑，則多徑幅度衰落服從賴斯分布。

多徑效應(yīng)可能會(huì)造成傳輸碼元之間相互干擾，給譯碼帶來困難。具體地由時(shí)延擴(kuò)展的大小來確定，若時(shí)延擴(kuò)展大于一個(gè)碼元的傳輸時(shí)間： 則相鄰碼元的信號(hào)傳輸過程中發(fā)生重疊，造成碼間干擾（ISI），如何消除碼間干擾已經(jīng)成為移動(dòng)通信的一個(gè)主要研究方向。

對(duì)于接收端來說，由于多徑產(chǎn)生了時(shí)延擴(kuò)展，使信號(hào)通過該信道時(shí)引起衰落，由于信號(hào)中包含多個(gè)頻率成分，不同的頻率成分經(jīng)過該信道后的衰落有可能不同，為了分析其內(nèi)在的關(guān)系，將信號(hào)在時(shí)域發(fā)生的變化，反應(yīng)在頻域上，用相關(guān)（或相干）帶寬來度量。相關(guān)帶寬可以理解為新的頻率成分，主要由于不同時(shí)延的達(dá)到信號(hào)疊加后形成新的波峰和波谷。定義相關(guān)帶寬Bc為時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)，工程上通常依 估算。記信號(hào)的帶寬為 Bs，若 BcBs，則稱這種信道為平坦衰落信道（非頻率選擇性衰落信道）。

三、多普勒效應(yīng)與時(shí)間選擇性衰落

以電磁波作為載體的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道受電磁波的變化影響較大，而移動(dòng)通信的主要特征是用戶的移動(dòng)性，若電磁波的發(fā)射端和接收端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成頻率發(fā)生變化，也就是頻移，稱多普勒效應(yīng)，這一概念的理解比較容易。但是需要特別強(qiáng)調(diào)的是，接收端收到的不一定只是直射波，而是包含大量的反射波，反射波是收發(fā)端中間的物體反射到接收端的信號(hào)，若反射物體有運(yùn)動(dòng)，同樣也產(chǎn)生頻移，所以多普勒效應(yīng)是由于移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)或信道路徑上的物理運(yùn)動(dòng)所引起。由于多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)的功率譜范圍得到擴(kuò)展，也稱頻率色散。從定量的角度，將擴(kuò)展的值定義為多普勒擴(kuò)展Bd，也就是最大頻移的2倍。由于信號(hào)的頻域特征與時(shí)域特征密不可分。多普勒擴(kuò)展反應(yīng)在時(shí)域的相應(yīng)量稱為相干時(shí)間，定義為 Tc=1/Bd。多普勒效應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響表現(xiàn)在，若 Tc

四、角度色散與空間選擇性衰落

關(guān)于角度色散概念，移動(dòng)通信課程中涉及較少，但難理解，尤其是初學(xué)者，教學(xué)過程中分別從發(fā)射和接收天線周圍的信號(hào)能量分布說起，突出能量傳播過程中由環(huán)境引起的的不均勻性。在發(fā)射端，距發(fā)射源相同距離的不同方向上信號(hào)的衰落可能不同，同樣，在接收端，來自于不同方向的信號(hào)強(qiáng)弱（或衰落）可能不同，這種現(xiàn)象稱為角度色散。衡量角度色散程度的物理量稱為角度擴(kuò)展。若歸一化角度功率譜為 P（），則角度擴(kuò)展定義為：

角度擴(kuò)展描述了功率譜在空間的色散程度，取值范圍在[0，360o]，角度擴(kuò)展越大，表明信號(hào)在空間不同角度的強(qiáng)弱差異越大，角度擴(kuò)展越小，表明天線周圍的環(huán)境比較均勻，信號(hào)在空間不同角度的強(qiáng)弱差異較小。與角度擴(kuò)展相關(guān)的概念是相關(guān)（或相干）距離 ，定義為信道沖擊響應(yīng)維持不變（或一定相關(guān)度）的空間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。在相干距離間隔內(nèi)，信號(hào)的幅度衰落相同，或相近，即兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。一般相干距離按角度擴(kuò)展的倒數(shù) 來計(jì)算。

對(duì)于多天線接收來說，若天線間的距離大于相干距離，則其接收的信號(hào)衰落不同，稱信道為空間選擇性衰落信道，否則，若天線間的距離小于相干距離，則其接收的信號(hào)衰落相同，稱為非空間選擇性衰落信道。

需要說明的是時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)帶寬與多徑傳播有關(guān)，而多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間主要與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，與多徑效應(yīng)無關(guān)。角度擴(kuò)展和相干距離與多徑、大障礙物遮擋和吸收、電磁干擾等有關(guān)。

五、信道衰落與分集接收

移動(dòng)通信課程教學(xué)中，在抗信道衰落技術(shù)的分集中，雖然通過多種形式的分集可以提高通信性能，這個(gè)容易理解，但是，這是通過增加資源或降低傳輸效率為代價(jià)。從定量的角度，如何實(shí)現(xiàn)既起到分集的作用，又提高資源利用率，同時(shí)，又更好的理解分集和有關(guān)信道衰落概念，是微分集的關(guān)鍵，教學(xué)過程中更應(yīng)突出。

對(duì)于分集接收，為了使接收分支信號(hào)間的衰落具有獨(dú)立性，頻率分集要求頻率間隔大于相關(guān)帶寬，時(shí)間分集中的時(shí)間間隔大于相干時(shí)間，空間分集中的天線空間間隔大于相干距離。

參考文獻(xiàn)：

[1]王金龍，蔡躍明.數(shù)字移動(dòng)通信課程教學(xué)改革[J].電氣電子學(xué)報(bào)，2010，32（4）：32-33.

[2]馬社祥，孟鑫.移動(dòng)信道的分析與教學(xué)[J].學(xué)園，2012，（2）：3-4.

[3]張小飛.移動(dòng)通信課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技信息，2007，（33）：313-314.

[4]啜鋼，王文博，齊兆群等.移動(dòng)通信精品課程教學(xué)改革實(shí)踐與探討[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，11（4）：85-90.

[5]李建東，郭梯云，鄔國揚(yáng).移動(dòng)通信（第四版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[6]啜鋼，王文博，常永宇等.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社（第2版），2009.