【LTE基礎(chǔ)知識(shí)】無線信道特性的多徑效應(yīng)分析

  在復(fù)雜的環(huán)境中，接收到信號(hào)可能是直射波、地面反射波和散射波的合成信號(hào)，接收到的合成場(chǎng)強(qiáng)為各部分的矢量合成波，從而產(chǎn)生多徑效應(yīng)。

  在高樓林立的市區(qū)，由于移動(dòng)臺(tái)天線的高度比周圍建筑物矮很多，因而不存在從移動(dòng)臺(tái)到基站的視距傳播，這就導(dǎo)致了衰落的產(chǎn)生。即使有這樣一條視距傳播路徑存在，由于地面與周圍建筑物的反射，多徑傳播仍會(huì)發(fā)生。入射電波以不同的傳播方向到達(dá)，具有不同的傳播時(shí)延�？臻g任一點(diǎn)的移動(dòng)臺(tái)所收到的信號(hào)都由許多平面波組成，它們具有隨機(jī)分布的幅度、相位和入射角度。這些多徑成分被移動(dòng)臺(tái)天線按向量合并，從而使接收信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。即使移動(dòng)接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，接收信號(hào)也會(huì)由于無線信道所處環(huán)境中的物體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生衰落。

  同時(shí)每條路徑都有它自己的增益、相移和延遲。

●  無線信道的多徑導(dǎo)致小尺度衰落效應(yīng)的產(chǎn)生，主要表現(xiàn)為：

  經(jīng)過短距或短時(shí)傳播后信號(hào)強(qiáng)度的急速變化；

  在不同多徑信號(hào)上，存在著時(shí)變的多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制；

  多樣傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展（例如回音）。

●  影響小尺度衰落的因素有：

（1） 多徑傳播——信道中反射及反射物的存在，構(gòu)成了一個(gè)不斷消耗信號(hào)能量的環(huán)境，導(dǎo)致信號(hào)幅度、相位及時(shí)間的變化。這些因素使發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)時(shí)形成在時(shí)間、空間上相互區(qū)別的多個(gè)無線電波。隨機(jī)相位和不同幅度的多徑引起信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)，導(dǎo)致小尺度衰落、信號(hào)失真等現(xiàn)象。多徑傳播常常延長(zhǎng)信號(hào)基帶部分到達(dá)接收機(jī)所用的時(shí)間，引起碼間干擾形成信號(hào)模糊。

（2） 移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度——基站與移動(dòng)臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起隨機(jī)頻率調(diào)制，這是由于多徑存在的多普勒頻移現(xiàn)象導(dǎo)致的。移動(dòng)接收機(jī)是朝向還是背向基站運(yùn)動(dòng)決定了多普勒頻移是正頻移或負(fù)頻移。

（3） 環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)速度——如果無線信道中的物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就會(huì)引起時(shí)變的多普勒頻移。若環(huán)境物體以大于移動(dòng)臺(tái)的速度運(yùn)動(dòng)，那么這種運(yùn)動(dòng)將對(duì)小尺度衰落起決定作用。否則，可僅考慮移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的影響，而忽略環(huán)境物體運(yùn)動(dòng)速度的影響。

（4） 信號(hào)的傳輸帶寬——如果信號(hào)的傳輸帶寬比多徑信道帶寬大得多，接收信號(hào)會(huì)失真，但本地接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)衰落很多（即小尺度衰落不占主導(dǎo)地位）。信道帶寬可用相干帶寬量化。這里，相關(guān)帶寬是一個(gè)最大頻率差的度量，與信道的特定多徑結(jié)構(gòu)有關(guān)。在此范圍內(nèi)，不同信號(hào)的幅度保持很強(qiáng)的相關(guān)性。若傳輸信號(hào)帶寬比信道帶寬窄，信號(hào)幅度就會(huì)迅速改變，但信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間失真。所以，小尺度信號(hào)的強(qiáng)度和短距傳輸后信號(hào)模糊的可能性與多徑信道的特定幅度、時(shí)延及傳輸信號(hào)的帶寬有關(guān)。

●     多普勒頻移

         由于多徑是同一信號(hào)源經(jīng)過不同的路徑進(jìn)行傳播，到達(dá)接收點(diǎn)存在微小的時(shí)延差，經(jīng)過矢量的疊加，會(huì)引起信號(hào)幅度的變化。其變化的程度取決于多徑信號(hào)的幅度、時(shí)延以及傳播信號(hào)的帶寬。信道的時(shí)變性引起信號(hào)頻率的展寬，導(dǎo)致多普勒（Doppler）效應(yīng)。

         當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定速率υ在長(zhǎng)度為d，端點(diǎn)為X和Y的路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)收到來自遠(yuǎn)端源S發(fā)出的信號(hào)，如圖所示：

  無線電波從源S出發(fā)，在X點(diǎn)與Y點(diǎn)分別被移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)所走的路徑差為 。這里Δt是移動(dòng)臺(tái)從X運(yùn)動(dòng)到Y所需的時(shí)間，θ是X和Y處與入射波的夾角。由于遠(yuǎn)端距離很遠(yuǎn)，可假設(shè)X、Y處的θ是相同的。所以，由路程差造成的接收信號(hào)相位變化值為：

   由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為：

  由上式可看出，多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向、無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為正（即接收頻率上升）；若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為負(fù)（即接收頻率下降）。信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號(hào)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。