第一章无线信道
1.1 概述
无线信道系统主要借助无线电波在空中或水中的媒介传播来实现无线通信，其性能主要受到移动无线信道的制约和影响。与有线通信不同，无线通信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到几千米或几十千米的视距（LOS）传播，会遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等障碍物的非视距（NLOS）传播。由于无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰减产生影响，以上因素都造成无线信道非常难以分析。仔细分析无线信道的传输特点，是提高无线传输效率和质量的前提，一般用统计方法来分析和建模无线信道。
1.2信号传播方式
在无线环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为4种：
（1）直线传播在较广阔的地区，如郊区或农村。然而在城市环境中，直线传播很少见。 （2）反射信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。反射是信号传播的一种重要途径。
（3）折射信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。
（4）散射当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。
在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路径到达接收端，即多径传播，从而形成了多径传播。
1.3移动无线信道的衰落特性
移动无线信道是一种时变多径信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害，这些来自不同途径的衰减损害对通信系统的性能带来极大的影响。这些算还可以归纳为三类。接收信号的功率可用公式（2-1）表示为：
P(d)?d?n?S(d)?R(d)
式中，d表示移动台到基站的距离。当移动台运动时，距离是时间的函数，所以接收信号功率也是时间的函数。式（2-1）表明了信道对传输信号的三类影响： 1. 自由空间传播损耗与弥散，用d?n表示，它是移动台与基站之间距离的函数，描述的是
大尺度范围内（数百米或者数千米）接收信号强度随发射-接收距离而变换的特性。 2. 阴影衰落，又称慢衰落，用S(d)表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。它反应中等尺度（数百波长）的区间内信号电平中值的慢变化特性，其衰落特性符号对数正态分布。
3．多径衰落，又称快衰落，用R(d)表示。这是由于移动传播环境的多径传输引起的衰落。它描述的是在中等小尺度（数个或数个波长）范围内，接收信号强度的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般符合瑞利分布，主要是由接收端周围物体产生的反射波相叠加引起的。
图1-1 某一衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落
图（1-1）给出了某一衰落信号的路径损失、慢衰落和快衰落的示意图。从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，而多径衰落则严重影响信号的传输质量，必须采用抗衰落技术来减少其影响。要研究这些技术，首先工作便是深入了
解移动信道本身的特性，并在此基础上研究信道的统计特性，要建立合适的随机信道模型。
1.4多径衰落信道的物理特性
移动信道是一种多径衰落信道，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生 变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，这些多径信号相互就形成了衰落。多径传播 对于数字信号传输有特殊的影响，包括角度扩展、时延扩展和频率扩展。 1. 角度扩展－空间选择性衰落
角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展是指由多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收信号产生空间选择性衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有关。
空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。
2. 时延扩展－频率选择性衰落
在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉冲信号δ(t)时，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径到移动台的时间也就不同，接收信号r(t)由不同时延的脉冲组成，可表示为
r(t)??ann(t)?[t??n(t)]
其中，an(t)是第n条路径的反射系数，?n(t)是第n条路径的时延。最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大时延扩散，记做Tm。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。
与时延扩散有关的一个重要概念是相干带宽。通常用最大时延的倒数来定义相干带宽。对移动信号来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即传输后信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。
一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选择性
MIMO-OFDM无线信道与系统
