无线衰落信道、多径与OFDM、均衡技术要点

无线衰落信道、多径与OFDM、均衡技术(2012-08-30 14:14:43)转载▼标签：杂谈参见张贤达通信信号处理。

OFDM移动通信技术原理与应用，移动通信原理吴伟陵目录无线信道的传播特征无线信道的大尺度衰落阴影衰落无线信道的多径衰落多径时延与与叠加后的衰落频率选择性衰落和非频率选择性衰落符号间干扰ISI的避免多径信号的时延扩展引起频率选择性衰落，相干带宽=最大时延扩展的倒数无线信道的时变性以及多普勒频移多普勒效应时变性、时间选择性衰落与多普勒频移相干时间与多径OFDM对于多径的解决方案多径信号在时域、频域的分析思考1，多径信号是空间上的多个不同信号。

各参数应分别从时域、频率进行考察。

2，符号间干扰ISI是时域的概念，时延、多径均影响了ISI3，信道间干扰ICI是频域的概念，时延、多径均影响了ICI4，时延、多普勒频移分别对应于：频率选择性衰落、时间选择性衰落，它们具有对偶性质多径对信号频谱的影响，OFDM如何抗多径GSM中的自适应均衡技术无线信道的传播特征与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。

电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。

再加之移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。

信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表达为：其中d表示移动台与基站的距离向量，|d|表示移动台与基站的距离。

根据上式，无线信道对信号的影响可以分为三种：（1）电波中自由空间内的传播损耗|d|-n ，也被称作大尺度衰落，其中n一般为3～4；（2）阴影衰落S(d)表示由于传播环境的地形起伏，建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引起的衰落，被称作中等尺度衰落；（3）多径衰落R(d)表示由于无线电波中空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号的分量叠加时会造成同相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度衰落。

下图可以清晰的说明三种衰落情况。

图信号在无线信道中的传播特性此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。

自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。

另外还有快衰落与慢衰落概念。

移动通信的传播如图5-02中的曲线所示，总体平均值随距离减弱，但信号电平经历快慢衰落的影响。

慢衰落是由接受点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若移动台在没有任何障碍物的环境下移动，则信号电平只与发射机的距离有关。

所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电平。

这个信号的变化呈正态分布。

标准偏差对不同地形地物是不一样的，通常在6－8dB左右。

快衰落是叠加在慢衰落信号上的。

这个衰落的速度很快，每秒可达几十次。

除与地形地物有关，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度很大，可几十个dB，信号的变化呈瑞利分布。

快衰落往往会降低话音质量，所以要留快衰落的储备。

解释：衰减与衰落的关系衰落是指无线电线路上接收信号电平的随机起伏。

它主要由多径（(multipath)）干涉和非正常衰落所引起。

前者常为多径衰落或干涉型衰落；后者常称为衰减型衰落。

信号幅度随时间、频率和空间而起伏的衰落分别称为时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。

极化发生变化而产生的衰落称为极化衰落。

信号电平在短期内(例如几秒、几分钟内)的快速变化称快衰落，例如，多径衰落。

信号电平中值短期内(小时、日)的长期变化，称慢衰落，例如传输媒质结构的变化引起的衰落。

其统计特性可用衰落深度、衰落率、衰落周期和衰落带宽等参数描述。

衰减是指电子信号经过一段距离后的减弱，按功率控制技术。

衰落可以通过均衡来弥补。

参见 GSM中的自适应均衡技术解释：衡量性能的指标主要有两个：一个是错误率（误码率或误比特率）；另一个是中断率（瞬时信噪比低于给定门限值的概率）。

无线信道中的平衰落会大大增加平均误码率或中断率。

无线信道中还存在频率选择性衰落和多普勒频移。

频率选择性衰落会引起码间干扰（ISI)，多普勒频移则会引起临信道干扰、临频干扰、信道间干扰（ICI）。

无线信道的大尺度衰落无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。

最简单的大尺度路径损耗模型可以表示为：其中Pi表示本地平均发射信号功率，Pr表示接收功率，d是发射机与接收机之间的距离。

对于典型环境来说，路径损耗指数γ一般在2～4中选择。

由此可以得到平均的信号噪声比（SNR）为：其中N0是单边噪声功率谱密度，B是信号带宽，K是独立于距离、功率和带宽的常数，如果为保证可靠接收，要求SNR ≥ SNR0，其中SNR0表示信噪比门限，则路径损耗会为比特速率带来限制：以及对信号的覆盖范围带来限制：可见，如果不采用其它特殊技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制，但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。

阴影衰落当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落。

与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其中衰落特性符合对数正态分布，其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。

频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。

无线信道的多径衰落无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机，如下图所示。

图无线信号的多径传播多径时延与与叠加后的衰落在移动传播环境中，移动台天线接收的信号不是来自单一路径，而是来自许多路径的众多反射波的合成，这种现象称作多径效应。

无线信道中，发射机与接收机之间不仅仅存在有一条路径，而是具有不同的幅值、相位、时延以及到达角度的反射路径，在时域内得到的时间弥散信号。

由于电波通过各个路径的距离不同，各条路径来的反射波到达时间不同，相位也不同，在接收端不同相位的多个信号的叠加，使得接收信号的幅度/电平急剧变化产生多径衰落。

如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。

这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。

例如，发射端发生一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的，对应一个发送脉冲信号，下图给出接收端所接收到的信号情况。

这样就造成了信道的时间弥散性（time dispersion），其中τmax被定义为最大时延扩展。

图多径接收信号符号间干扰ISI的避免在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰（InterSymbol Interference，ISI）。

为了避免产生ISI，应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或符号速率要小于最大时延扩展的倒数。

，由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。

下表给出不同信道环境下的时延扩展值。

表不同信道环境下的时延扩展值环境最大时延扩展最大到达路径差室内40ns～200ns12m～16m室外1μs～20μs300m～5000m频率选择性衰落和非频率选择性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）。

1，频率选择性衰落：指信号中各分量的衰落状况与频率有关，衰落信号波形将产生失真（因为信号中不同频率分量衰落不一致）。

2，非频率选择性衰落：指信号中各分量的衰落与频率无关，无波形失真，仅仅幅度发生变化。

非频率选择性衰落，它对于不关心幅度值的调制方式是各种通信系统希望满足的传输方式，也称为平坦衰落。

因为各频率分量所遭受的衰落具有一致性（即相关性），因而这种衰落信号的波形不失真。

已经发现：当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不失真，无码间串扰ISI，此时出现的衰落为非频率选择性衰落；当码元速率较高，信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道后各频率分量的变化是不一致的，将引起波形失真，造成码间串扰，此时出现的衰落为频率选择性衰落。

总之，窄带信号通过移动信道时将引起非频率选择性衰落；宽带扩频信号通过移动信道时将引起频率选择性衰落。

多径信号的时延扩展引起频率选择性衰落，相干带宽=最大时延扩展的倒数在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽(coherent bandwidth)，是应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即：从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落（frequency-selective fading），即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。

由此可以看到，当信号的频率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰落。

相干带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性衰落还是平衰落，这要取决于信号本身的带宽。

相关带宽是移动信道的一个特性；相关带宽表征的是信号两个频率分量基本相关的频率间隔；相关带宽实际上是对移动信道对具有一定带宽信号传输能力统计的度量。

相干带宽B_c是通过多径时延定义的：B_c=1/(50*T_m)，当T_s>>T_m（即B_s<<B_m，后者为信号带宽时，即为平坦衰落（频率非选择性）。

可理解为：多径时延比码元时间小得多以致码间干扰很小。

在实际应用中，对于多个频率分量的信号，相关带宽为最大时延Tm的倒数，即B=1/Tm例：某市区实测最大时延Tm3.5us，其相关带宽为： B=1/Tm=280kHz对于带宽为25kHz的窄带数字信号，其衰落为非频率选择性衰落。

OFDM在每个子载波上传输低速率数据流，子载波带宽仅为15KHz或7.5KHz。

满足非频率选择性衰落的要求。

解释：相干带宽是描述时延扩展的：相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。