无线信道传播特性分析总结

无线信道传播特性分析总结

班级学号姓名

随着科学技术的发展，无线通信已经渗透到我们生活的各个方面，对我们的生活工作有着巨大的影响。在无线通信系统中，无线通信的信道的特性对整个系统有着巨大的影响。

1、无线信道的概念

要想搞明白无线信道具有哪些特性，就要先了解什么是无线信道。信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。

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30。对于数字传输来说,衰落使比特误码率大大增加。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、无线信道的特性

信号从发射天线到接收天线的传输过程中，会经历各种复杂的传播路径，包括直射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机组合。同时，电波在各条路径的传播过程中，有用信号会受到各种噪声的污染，包括加性噪声

(如高斯白噪声)、乘性噪声的污染，因而会出现不同情形的损伤，严重时，会使有用信号难以恢复。无线信号在传播时，不仅存在自由空间固有的传输损耗，还会受到由于建筑物、地形等的阻挡而引起信号功率的衰减，这种衰减还会由于移动台的运动和信道环境的改变出现随机的变化。

下面将对无线信道的一些特性来进行分析。

2.1 大尺度衰落

通常情况下，当接收机和发射机之间的相对位置在1-lOm的范围内变化时，接收信号功率的平均值基本保持不变。但当它们的相对位置的改变远超过上述范围时，接收信号的平均功率将会有几个数量级的变化。大尺度衰落正是用来描述接收机和发射机之间的距离有大尺度变化时，接收信号平均功率值的变化规律。

在自由空间传播条件下，接收机接收的平均功率可由下式给出：

其中：是发射功率；是发射天线增益；是接收天线增益；是电波波长；是发射机与接收机之间的距离。

将式(2-1)代入以为单位的路径损耗公式。可得出：．

其中：为电磁波频率；和分别为发射和接收天线增益(dB)。

由式(2-1)可以看出。自由空间中，接收信号的功率与距离的平方成反比，即：

在实际的移动环境中，传输损耗要比自由空间中的大许多，接收信号的功率与距离的关系通常用下式表示：

其中：，称为路径损耗系数，一般可取为3-4。

除了路径损耗，大尺度衰落还包括阴影衰落。阴影衰落使得实际的损耗成为一个随机变量，由式(2-1)求出的是与发射机的距离为班的平均路径损耗，一般认为实际的损耗服从对数正态分布。综合考虑路径损耗和阴影衰落，大尺度衰落下路径损耗可以表示为：

常量

其中中：表示由阴影衰落引起的路径损耗()，是一个正态分布的随机变量，均值为0，方差为，在大多数的经验公式中，标准差可以取4.12。

大尺度衰落对于业务覆盖区域有一定的影响。

2.2 小尺度衰落

无线信道的小尺度衰落是无线通信环境的重要衰落特征，包括因多径效应而引起的衰落和信道时变性引起的衰落。其中。由于反射、散射等影响，使得实际到达接收机的信号是发射信号经过多条传播路径后信号分量叠加而成，被称之为多径效应；信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。

多径时变信道根据无线移动环境的统计，信道可以划分为几种典型的信道，其划分依据主要从两个角度出发：

(1)多径时延扩展特性（信号包络的随机衰落）；

(2)时变特性(信号相位的随机衰落)。

多径效应会引起信号的时域弥散性，与多径时延扩展有关的一个重要概念就是多径信道的相干带宽(Coherent Bandwidth)，它反映了不同频率分量所经历衰落的相互关系(即其包络的相关性)。信道的相干带宽与均方根时延扩展成反比，如果将相关函数大于0.5认为相关，一般有下面的关系：

（）

相干带宽反映了无线移动信道对信号包络的衰落具有频率选择性。

小尺度衰落主要对于信号传输质量有一定的影响。

图1 大、小尺度衰落对信号平均功率的影响

2.3 快衰落和慢衰落

根据时变信道条件下信号的符号周期和时变信道的相关时间的关系，可以将时变信道分为快衰落信道和慢衰落信道。

2.3.1 快衰落

若时变信道的相干时间小于信号的符号周期，这时的时变信道称为快衰落信道。类似于频率选择性衰落，快衰落信道也称为时间选择性衰落。

快衰落原因

（1）多径效应。

1、时延扩展：多径效应（同一信号的不同分量到达的时间不同）引起的接受信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展。时延扩展（多径信号最快和最慢的时间差）小于码元周期可以避免码间串扰，超过一个码元周期（WCDMA中一个码片）需要用分集接受，均衡算法来接受。

2、相关带宽：相关带宽内各频率分量的衰落时一致的也叫相关的，不会失真。载波宽度大于相关带宽就会引起频率选择性衰了使接收信号失真。

（2）多普勒效应。

频移 = 相对速度/（光速/电磁波频率）（入射电磁波与移动方向夹角）。多普勒效应引起时间选择性衰落，是由于相对速度的变化引起频移度也随之变化。这时即使没有多径信号，接收到的同一路信号的载频范围随时间不

断变化引起时间选择性衰落。范围随时间不断变化引起时间选择性衰落。交织编码可以克服时间选择性衰落。

大范围衰落主要会导致整体信号的电平衰落。路径衰减极其依赖于距离。它对设备的影响是，由于降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比（SNR）。阴影效应和大范围反射表现为在这种平均路径衰减上的偏差。

2.3.2 慢衰落

由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的．这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，通常与频率的关系不大，而主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。慢衰落一般服从对数正态分布。

慢衰落产生的原因：

（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。

（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。

（3）天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。

慢衰落的影响在于会产生阴影效应。移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。

2.4 频率选择性衰落和平坦衰落

信号通过移动信道时，会引起多径衰落，根据衰落与频率的关系，可将衰落分成两类：即频率选择性衰落和非频率选择性衰落（平坦衰落）

假设信号码元长度为，第条传输路径的信号时延与信号平均时延之差为,则二者的不同组合可产生三种不同的衰落现象。

（1）当信号码元长度较小，且时，将引起“平坦衰落”；

（2）当信号码元长度较长，且时，将引起“时间选择性衰落”；

（3）当信号码元长度比较小，而比较大，且不满足，将引起“频率选择性衰落”（这是时间扩散在频域中的反映）。

2.4.1 频率选择性衰落

频率选择性衰落是指在不同的频率衰落特性不同的现象，引发频率选择性衰落的原因多是时延扩展，时域的时延扩展导致的不同频率的信号经过频率选择性衰落信道的时候具有不同的响应，如图2所示。

图2 频率选择性衰落

产生频率选择性衰落的因素：由信号和信道两方面因素决定。

对频率选择性衰落，传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。

对于非频率选择性衰落，各频率分量所遭受的衰落具有一致性（即相关性），因而衰落信号的波形不失真。

2.4.2 平坦衰落

若多径信道的相干带宽大于信号的带宽，这时，由于多径信号的时域弥散性而造成的衰落为平坦衰落。在这种条件下。发射信号的频谱特性通过多径信道后，在接收端信号的频谱仍然可以得到保持。

下图是衰落信道类型和信号、信道参数的关系