移动通信中的无线信道技术
摘要：当今社会已经是一个高度数字化、高度信息化的社会，通信技术则是实现数字化和信息化必不可少的技术手段。与其他通信信道相比而言，移动通信是最为复杂的一种。就地面的蜂窝移动系统来说，移动台处于城市建筑群之间，移动台本身也要运动，因而导致天线接收到的信号多变且难以控制。本文在研究常用通信信道的基础上，简要说明了移动通信信道的特点及干扰，并进一步分析了产生码间干扰的原因及常见的信号损耗和移动信道传播模型。并且从移动无线信道的时变冲激响应的功率密度谱函数和相关函数出发，研究广义平稳非相关散射无线信道特性的统计参数，对无线移动衰落信道的特性进行了分类。同时，分析了无线通信中影响移动通信信号传输质量的原因，对提高移动通信质量的可行性提供参考。
关键词：移动通信；无线信道；电磁干扰
ABSTRACT ABSTRACT:Today\'s society is a highly digital, information-based society, communication technology is the realization of digital and information neceary technical means.Compared with other communication channel, mobile communication is one of the most complex.On the cellular mobile system on the ground, the mobile station is in the city between the buildings, the mobile station itself is movement, resulting in antenna received signals are variable and difficult to control.Based on the study of common communication channel, this paper describes the characteristics and the interference of mobile communication channel, and further analyzes the causes intersymbol interference and common signal lo and mobile radio channel model.And from the mobile wirele channel is time-varying power spectrum density of the impulse response function and related functions, statistical parameters of generalized stationary non wirele channel characteristics related to scattering, the characteristics of wirele mobile fading channels are claified.At the same time, analysis of the impact of mobile communication signal transmiion quality in wirele communication, provided a reference for the feasibility of improving the quality of mobile communication.
Key words:mobile communication;radio channel;electromagnetic interference
一、引言
现代移动通信系统起源于20世纪60年代的贝尔实验室提出的蜂窝概念。经过对系统服务区的频率复用和划分，蜂窝无线通信网的系统容量和频率利用率得到了很大的提高，使得有限的无线频率资源向广大用户提供了无线通信服务。移动通信是依靠无线信道来实现的，无线信道环境的好坏会直接影响通信质量的好坏。由于通信系统对信号的传输误码率和传输速率要求很高，为提高信号的传输速率和频带利用率以及降低信号传输误码率，必须尽量减少噪声、信道干扰、符号间干扰和衰落等对传输信号的影响，来提高信道的容量。移动通信信道理论在近些年的通信行业中发展迅速，其中传播的开发性、接受环境的复杂多样性和用户的移动性表现得尤为突出和明显。
移动通信系统中的无线信道技术一般利用信道的统计特性进行分析和仿真,移动信号在传播的过程中主要经历两类衰落大体,一是大尺度衰落,第二种是小尺度衰落。大尺度传播指的是描述较长时间内信号平均功率的变化,小尺度传播指的则是信号在短时间内瞬间产生的变化。多普勒频移和多径传播这两者相互作用将会产生小尺度传播的衰落,多径效应将会造成不同的相位、振幅,就会产生一种信号的时散(Time Dispersion)效应,这种效应继而会产生选择性衰落。多普勒效应会产生两种效应,一种是信号频散(Fre-quency Dispersion)效应,第二种是时间选择性衰落。信号多径附加时延有大有小,根据大小将小尺度衰落分为两种类型,一种是平坦衰落,另一种是选择性频率衰落。另外,接收到的信号将会产生多普勒频移主要原因是取决于移动台的移动性。
二、移动通信信道的主要特点及无线通信中的干扰
在无线信道的干扰中存在三种情况，即滤波器产生的码间干扰、加性高斯白噪声(AWGN)和信道产生的码间干扰。
在传统的移动通信信道系统中，无码间干扰的加性高斯白噪声是理解信道性能的基础，它的组成主要包括接收机产生的热噪声（服从高斯分布的概率密度函数）和部分外部干扰。而滤波器码间干扰的两个部分分别是发送端脉冲整形滤波器产生的干扰和接收端的匹配滤波器产生的干扰。
三、无线电波的传输
根据研究，移动通信的频率居于甚高频(VHF)和超高频(UHF)之间，即：30MHz
3.1 四种基本的传输方式
（1）直射波。一般是指视距范围内的传播，其信号强度基本上也是最强的。直射波的传播被认为是自由空间中不受阻挡的传播，在其传播过程中，能耗和频率的损耗最少，接近自由空间的理想传输。 （2）多径反射波。在实际中，电磁波在传输的过程中往往会通过来自地球表面、建筑物和墙壁表面。多径反射波是从不同建筑物或其它物体反射后，到达接收点的传播信号。
（3）散射波。指电磁波在传播现实空间中遇到尺寸小于其波长的障碍物或者遇到的单位体积内障碍物数量较多时产生的一种波的扩散现象。波的散射使得在无线移动环境中接收机接收到的信号比绕射和反射形式的强，有助于移动通信在复杂环境中的应用。
（4）绕射波。电波的绕射是因为波在船舶工程中受到与波长相当的尖锐边缘阻挡而形成二次波形，从而绕过障碍物进行传播的方式。电波的绕射能力使电波能绕过传播中高低不平的地面或障碍物进行传播，最终到达接收点。
3.2 移动环境下的电波传输效应
移动信道及传播的特点会对接收地点的信号产生以下几种效应：
阴影效应：指在移动台位置变化时，电波传播会遇到大型建筑物阻挡路径而形成一定接收区域上的电磁阴影，从而引起接收点场强变化的现象。
远近效应：指在发射功率一定的情况下由于接收用户与基站之间距离的变化而引起信号强弱变化的现象。
多径效应：指电磁波在传播中经过各种传播方式之后会通过不同的路径到达接收点，并且它们的信号强弱、到达的时间和方向等都会有所不同，这种现象就称为多径效应。
多普勒效应：指接收用户位移的高速变化导致传播频率扩散而形成的现象，其移动速度与扩散程度成正比例关系。
3.3 移动通信系统中信号的损耗
移动通信本身固有的特性和传播中具有的特点会在一定程度上对接收点信号产生损耗影响，主要分为以下三类：
（1）路径传播损耗（又称衰耗）。指电波在远距离的空间传播中不可避免的所要产生的损耗，它反映电磁波在大范围的传播中接收信号所发生变化的特点。 （2）慢衰落损耗。指电波在传输过程中遇到阻碍物产生阴影效应之后而形成的损耗，反映了中等范围内接收电平的均值变化所产生的损耗。
（3）快衰落损耗。指电波在传输过程中产生多径传输形成信号叠加并表现出信号幅度的快速起伏变化而产生的损耗。
3.4 无线信道的传播特性
无线电波传播特性和电波的传播环境是密切相关的。传播环境包括：地貌、人工建筑、电磁干扰、气候特征、使用频段、通信体移动速度等。而且，随着无线信道可以利用维度的增加，从时域、频域到空域，更加需要对无线信道的特性进行全面和深入地认识。
在无线信道中，按规矩可以分为视距信道和非视距信道。视距信道信号是折射传播；非视距信道则是由非直射传播所引起，非直射传播包括信号在地面的绕射、散射、反射和对流层的。通常，只在基站天线较高或者某些空旷地区之间不存在直射信号，这时接收的信号是发射信号经过若干次反射、散射或者绕射后的叠加，这种发射信号经过不同传播路径到达接收端的现象被称为多径传播效应。
四、移动信道的传播模型
如果不存在电波的吸收和反射等情况，我们常称之为自由空间。在自由空间中，接收信号的平方和传播距离的二次方存在数量上的反比关系，但是在实际的传播环境中，其传播模型分为大尺度和小尺度两种传播模型。
大尺度传播模型：是指在较大的区域空间之内信号在传播中遇到突出的障碍物（如森林、楼宇和山峰等）引起的平均功率发生衰减和路径损耗以及信号强度也发生变化的现象。
小尺度传播模型：主要是指在非常短的距离（几个波长）或者时间之内（秒级）信号接收强度的变化趋势。小尺度传播模型的参数受到很多因素的影响，如信号强度、带宽、多径传播、物体运动等。小尺度传播主要分为两个方面：多径传播导致的信号时散和多普勒效应引起的信道时变。
五、无线信道传播的大尺度衰落
大尺度衰落模型是预测平均场强和用于估计发射机在无线覆盖范围内的传播模型，描述的是接收机与发射机之间长距离的信号强度变化。小尺度传播模型主要描述非常短的时间或者非常短的距离间隔内的接收信号强度的迅速变化。大尺度传播模型简称为路径损失模型，小尺度传播模型则简称为衰落模型，而两种模型也不是相互独立的。在同一个无线的信道中，存在大尺度衰落，还存在小尺度衰落。所以，实际的无线信道衰落银子可表示为：NMQ
其中，N表示信道的衰落因子，M表示小尺度衰落，Q表示大尺度衰落。大尺度衰落不仅与时间有关系，还和发射机与接收机之间的载波频率和距离等因素有关，基于理论与测试的传播模型得出，无论是室内还是室外信道，平均接收信号功率随着距离的对数而衰减。
大尺度衰落主要是受到路径损耗与阴影衰落的影响，路径损耗则是指电波在自由空间内的传播损耗，阴影衰落则是指电波在传播路径上遇到高大的障碍物时会产生电磁场阴影区，当手机通过不同阴影区时，就能引起信号场强中值得变化，此种由于传播环境的高大建筑物、地形起伏、山丘等障碍物对电波遮挡所造成的电磁波阴影所引起的衰落，被称为阴影衰落。它造成平均接收信号场强中值于长时间内的缓慢变化，所以也称为慢衰落。
六、无线信道传播的小尺度衰落
移动台在移动的时候，接收信号除了其场强中值随位置与时间发生慢衰落意外信号振幅在几个波长以内也有着迅速的变化，其变化范围可以达到几十帕。此种衰落是由电波在沿地面传播中受到各个障碍物的反射、吸收和散射，而实际到达接收天线处的电波，除了来自发射天线的直射波以外，还存在来自各种物体（包括地面）的散射波和反射波形成的多径信号。多径信号如果同相则相加，如果反相则抵消，因此会造成接收端信号相位和幅度的几句变化。
此外，由于多普勒效应造成的相移，让实际移动台接收到的场强在相位和振幅上都随时随地在急剧变化，被称为多径衰落，也称为小尺度衰落和快衰落。小尺度衰落是由与同一传输信号沿两个或多个路径来传播，以微小的时间差来到达接收机的信号相互干涉而引起的，这些波被称为多径波。接收机天线会将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，它的变化程度取决于多径波的相对传播时间、强度以及传输信号的带宽。由于多个射波具有随机分布的相位、幅度和入射角度，经过合并以后将引起信号的衰落失真。
小尺度衰落类型主要有平坦衰落、频率选择性衰落、快衰落以及慢衰落四种。 小尺度的衰落效应的主要表现有：
（1）经过短时活短距传播后信号强度的急剧变化。
（2）在不同的多径信号上，存在时变的多普勒频移引起的随机频率调制。 （3）多径传播时延引起扩展。 （4）移动无线信道中多普勒频移
多普勒频移是当基站与移动台有相对运动时，它收到的电波将繁盛频率的v变化，也就是tdcos
式中v是移动台的运动速度，单位是m/s；λ是波长；θ是入射波与水平v面的夹角；fm是fd的最大值，被称为最大多普勒频移，与入射角无关。同时也反映了多普勒频移和移动台运动速度及移动台运动方与无线电波入射方向之间的夹角有关系，如果移动台朝基站方向运动，那么多普勒频移为正，反之为负。信号经过不同方向传播，其多径分量造成了接收机信号的多普勒扩散，因此增加信号带宽。
七、多径信道的冲激响应模型
地面和周围建筑物的反射作用常常会使电波信号通过多条不同的路径到达接收天线，从而形成多径波。在移动通信中，接收机产生的运动会使信道发生时变，通过具有时变冲激响应的线性滤波器可以表现出来。而信道的滤波特性是由波的幅值和相位的叠加产生的。冲激响应是最为典型和使用的信道特征，常用来对不同通信系统的性能做出预测和比较。多径信道的基带冲激响应模型可表示为：hp(t,)ai(t,)exp[f(2fii(t)i(t,))](i(t))
t0N1其中，式 2fii(t)i(t,)表示第i个多径分量在自由空间传播中的相移与信道中附加相移的和。 (i(t))是单位冲激函数，它决定的是时刻t和附加时延τ存在分量存的多径段数。
无线移动信道的小尺度衰落和冲激响应直接相关，冲激响应是带宽信道之特性，它包含了所有用于分析和模拟信道无线传播的信息，时变是移动通信信道的特点，此种时间变化是由于接收机在空间的相对运动而引起的，时变信道可用具有时变冲激响应的线性滤波器来描述。信道的滤波特性指在任意时刻多个到达的幅值与相位的叠加产生的。冲激响应是一种很有用的信道特征，可以用它来比较和预测不同移动通信系统的性能，包括对一个特定的移动信道条件预测与比较发射带宽。多径信道的接收信号是由发射信号一系列的衰减时间延迟，以及有相位偏移的多径分量组成的。
八、无线信道配置的调整原则
根据移动无线信道的配置原则，完成数据的预处理和加窗后，第一反应是判断该小区是需要扩容还是缩容，然后计算出其目标配置无线信道数（TCH、SDCCtI），并根据调整配置后设定的目标拥塞率CTBLK（可以是拥塞率考核指标），采取以下方法计算所需要的无线信道数。
九、结论
无线信道在移动通信中起着关键的作用，对未来PCS的实现是至关重要的。本文对无线通信系统中新到技术做了简要的分析研究，主要包括移动通信系统的信道特点及信号的传播干扰和损耗，以及多径信道在实际应用中的冲激响应模型。对无线信道中最复杂的小尺度多径衰落进行研究，利用统计的信道参数对多径无线衰落信道分类，分析了无线通信中影响移动无线通信信号传输质量的原因，对提高移动通信质量的可行性提供了参考。同时为今后对于通信系统中进一步研究算法和实体模型的建立与应用提供了一定的参考。
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