无线信道传输特性

Posted 2023-03-01 yyl_woniu

 电磁波的传播环境复杂多变，环境中含有各种随机分布的传输媒介，如树木、大楼、移动的车体、尘埃等。无线电磁波在传输过程中不可避免地要经历反射、折射、衍射以及散射体散射，传输信号通过不同的传播路径到达信号接收端。无线信道的传播特性是瞬息万变的，通常认为无线信道衰落可以分为大尺度衰落和小尺度衰落，又称为快衰落和慢衰落。小尺度衰落传统上从两个角度来描述其信道特性:即时域上对应的多径效应;频率域上对应的多普勒频移效应引发的频率色散。如果考虑到TD-LTE系统中广泛应用的多输入多输出技术，小尺度衰落还需要考虑空域上的特性，即无线信道的空间角度扩展信息。

大尺度衰落

大尺度衰落反映了发送信号功率随着传输距离增加而产生的缓慢变化。由无线电波反射、折射、衍射以及散射可知，传播路径上的各种散射体以及阻挡物体对无线电波的功率有衰减作用。发送功率与接收功率的差值为路径损耗。一般情况下路径损耗与收发天线之间的距离成反比。

大尺度路径损耗传播模型通常由路径损耗和阴影衰落两部分组成。路径损耗模型反映了接收功率与收发天线距离之间的数学变化关系，变量有距离、频率、地形因子等，是由发射功率的辐射扩散及信道的传输特性造成的。阴影衰落描述了相同的收发距离时接收功率在均值上下波动的现象，是发射机和接收机之间的障碍物造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰落信号功率，严重时甚至会阻断信号。反映了传播环境时间上的微小变化。

路径损耗引起长距离上（100m～1000m）接收功率的变化，而阴影引起障碍物尺度距离上（室外环境是10m～100m，室内更小）功率的变化。两者在相对较大的距离上引起功率变化，故称其为大尺度传播效应（largescale propagation effect）。

经过研究者严密的理论分析和大量的实测数据统计，证实了平均接收信号强度与收发天线对数距离成反比衰减，阴影衰落服从对数正态分布，最常用的大尺度衰落模型为对数距离损耗模型，其公式表述如式下:

                               PL(d)[dB]=PL (d_0)+10nlog(d/d_0)+X_σ    

其中d表示收发天线之间的距离，d_0为预设的参考点,一般参考距离为1米，

                                          PL (d_0) = 10lg(((4π)^2 ) *d_0^2)/λ^2
PL(d)是收发距离为d时的路径损耗;PL (d_0)为参考点的路径损耗。n为路径损耗指数;X_σ 是均值为0的随机变量，描述了由于传播环境的时变性造成的阴影衰落。

小尺度衰落

小尺度衰落，包括由移动台和基站的相对运动造成多普勒频移(多普勒扩展)引起的时间选择性衰落和由多径引起的频率选择性衰落。

小尺度衰落是多径效应和多普勒效应两者共同作用的结果。其主要特点为:无线信号强度在短时间或短距离范围内快速变化。信道扩展指无线信号在时间、频率和角度上的扩散现象，分别对应时延扩展、频域扩展和角度扩展。

多径时延扩展产生的衰落是指信号经过不同路径发送至接收端，不同相位的信号在接收端相互影响，同相的信号融合导致幅度增强，反相的信号融合导致幅度削弱，从而导致接收端的信号产生衰落。从时域的角度看，接收端的信号由多径效应引起宽度扩展的现象，称之为时延扩展，定义:为最大时延扩展;从频域的角度看，与时延扩展相关的另一个概念是相关带宽，通常最大时延扩展的倒数定义为相关带宽，即

                                                                 
多径信号的时延扩展将导致频率选择性衰落，即当信号高速传输时，信道的相干带宽小于信号的带宽时，信号受信道的影响后导致频率分量变化不一，从而引起信号波形的失真，此时发生频率选择性衰落。

多普勒扩展产生的衰落是指由信号发射器和信号接收器在通信过程中相对运动而产生的衰落。假设发射器移动速度为v，则接收器的多普勒频移为：

                                                              =    =  =  
其中，为发送端移动方向与信号人射角的夹角，为波长， 表示载波频率，表示最大多普勒频移。从时域的角度看，
相干时间。定义为多普勒频移的倒数，即
                                                                     =  

如果信道的相干时间小于信号带宽的倒数，则信号的波形可能会发生变形，此时发生时间选择性衰落 综上分析，在无线衰落信道通信系统环境中，多径效应和多普勒效应会对信道估计结果造成极大干扰。