无线通信基础知识

序无线通信之所以成为既富挑战性又能引起研究人员兴趣的课题，主要原因有两个，这两个原因对于有线通信而言基本没有什么影响。首先是衰落（fading）现象；其次是无线用户是在空中进行通信，因此彼此间存在严重的干扰（interference），下面分别做一简要介绍。1）衰落首先介绍一些无线衰落信道的特性，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：P（d）=|d|-nS（d）R（d）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)大尺度衰落：电波在自由空间内的传播损耗|d|-n，其中n一般为3~4，与频率无关；(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发的衰落，被称作中等尺度衰落；(3)小尺度衰落：R（d）表示，它是由发射机和接收机之间的多条信号路径的相长干扰和相消干扰造成的，当空间尺度与载波波长相当时，会出现小尺度衰落，因此小尺度衰落与频率有关。大尺度衰落与诸如基站规划之类的问题关系更为密切，小尺度衰落是本文的重点。2）干扰干扰可以是与同一台接收机通信的发射机之间的干扰（如蜂窝系统的上行链路），也可以是不同发射机——接收机对之间的干扰（例如不同小区中用户之间的干扰）。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，参见图1。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，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。图1例如发射端发送一个窄脉冲信号，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，图2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(timedispersion)，其中τmax被定义为最大时延扩展。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(InterSymbolinterference，ISI)。为了避免产生ISI，应该令图2符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者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。表1给出两种不同信道环境下的时延扩展值。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外40ns~200ns12m~60m室内1um~20um300m~6km表1在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即：（ΔB）c=1/τmax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-selectivefading)，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，由子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。下面从傅里叶变换的角度分析一下频率选择性衰落的原因：我们以最简单二径传输为例，首先我们假设到达接收点的两路径信号具有相同的强度和一个相对时延差。那么，若令发射信号为f(t)，则到达接收点的两条路径信号可分别表示成k·f(t-t0)和k·f(t-t0-τ)，在这里t0是固定的时延，τ是两条路径信号的相对时延差，k为某一确定值。不难看出，上述的传播过程可用下图来表示:KK延时t0延时t0+τ相加k·f(t-t0-τ)k·f(t-t0)k·f(t)k·f(t)f(t)f(t)G(t)图中输出：G（t）=k·f(t-t0)+k·f(t-t0-τ)我们假设f(t)的傅立叶变换是F(ω),那么就有：f(t)=F(ω)k·f(t-t0)=k·F(ω)e-jωt0k·f(t-t0-τ)=k·F(ω)e-jω(t0+τ)k·f(t-t0)+k·f(t-t0-τ)=k·F(ω)e-jωt0(1+e-jωτ)那么我们可以得出此时模型的传输特性H(ω)为:H(ω)=k·e-jωt0(1+e-jωτ)上式中所求的传输特性除常数因子k外，是由一个模为1，固定时延为t。的网络与另一个特性为(1+e-jωτ)的网络级联所组成，而后一个网络的模特性为:|(1+e-jωτ)|=|1+sinωτ-jsinωτ|=2|cos(ωτ/2)|由此可见，两径传播的模特性将依赖于2|cos(ωτ/2)|，这就是说，对不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减。并且在ωτ=2nπ时出现传输的极点，在wτ=2(n+1)π时出现零点。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坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。无线信道的时变性以及多普勒频移当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。以可见光为例，假设一个发光物体在远处以固定的频率发出光波，我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率相同。现在假定该物体开始向我们运动，但光源发出第二个波峰时，它距我们的距离应该要比发出第一个波峰的时候要近，这样第二个波峰达到我们的时同要小于第一个波峰到达我们的时间，因此这两个波峰到达我们的时间间隔变小了，与此相应我们接收到的频率就会增加。相反，当发光物体远离我们而去的时候，我们接收到的频率就要减小，这就是多普勒效应的原理。在天体物理学中，天文学家利用多普勒效应可以判断出其他星系的恒星都在远离我们而去，从而得出宇宙是在不断膨胀的结论。这种称为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的，例如我们在路边听汽车的汽笛声：当汽车驶近我们时，其汽笛音调变高(对应频率增加)；而当它始离我们时，汽笛音调又会变低(对应频率减小)。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，见图1.10(a)。时变性在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频移(Dopplershift)，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号。这又可以称为信道的频率弥散性(frequencydispersion)。-f0f0-f0f0频率频率发射机接收机（a）（b）发送接收t=t1t=t3t=t2(a)表示由于多径造成的信道时变性(b)由于多普勒频移造成的信道频率弥散性图1.1无线信道的时变性示意图多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移（Dopplershift），可以用下式表示：fd=(v/λ)cosθ=(vfc/c)cosθ=fmcosθ其中fc表示载波频率，c表示光速，fm表示最大多普勒频移，v表示移动台的运动速度，θ表示入射波相对于移动方向的角度。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号（f0）到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴±f0处的单纯δ函数，而是分布在（f0-fm，f0-fm）内的、存在一定宽度的频谱。表1.7中给出两种载波情况下（900MHz，2GHz）不同移动速度时的最大多普勒频移数值。表l.7最大多普勒频偏（Hz）100km/h75km/h50km/h25km/h900MHz836242212GHz1851399346从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即：（ΔT）c=1/fm相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也成为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。OFDM系统的主要优缺点近年来OFDM系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在子OFDM系统存在如下的主要优点：①把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插人循环前缀的方法消除ISI的不利影响。②传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单，直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源，见图信道12345678910频率频率节省的带宽（a）（b）③各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法来实现。对于N很大的系统中，我们可以通过采用快速傅里叶变换（FFT）来实现。随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的，见图S/PIFTF调制信道P/SFFT解调④无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量，如Internet业务中的网页浏览、FTP下载等。另一方面，移动终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s~l00kbit/s；而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbit/s以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑都希望物理层支持非对称高速数据传输。而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。⑤由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道对其他用户来说，可能是性能比较好的子信道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭，但发生这种情况的概率非常小。⑥OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递⑦因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此，OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。但是OFDM系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：①易受频率偏差的影响由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰（ICI），这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。②存在较高的峰值平均功率比与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAR）。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的