無(wú)線通信信道技術(shù)的研究

吳景志

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司周口分公司 466000）

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線信道技術(shù)一般利用信道的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析和仿真，移動(dòng)信號(hào)在傳播的過(guò)程中主要經(jīng)歷兩類衰落大體，一是大尺度衰落，第二種是小尺度衰落，本篇論文首先探討的就是無(wú)線通信信道技術(shù)的分類。

1 無(wú)線通信信道的分類

無(wú)線通信信道主要分為大尺度衰落和小尺度衰落兩種衰落大體，大尺度傳播指的是描述較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)信號(hào)平均功率的變化，小尺度傳播指的則是信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)瞬間產(chǎn)生的變化。

多普勒頻移和多徑傳播這兩者相互作用將會(huì)產(chǎn)生小尺度傳播的衰落，多徑效應(yīng)將會(huì)造成不同的相位、振幅，就會(huì)產(chǎn)生一種信號(hào)的時(shí)散(Time Dispersion)效應(yīng)，這種效應(yīng)繼而會(huì)產(chǎn)生選擇性衰落。

多普勒效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)，一種是信號(hào)頻散 (Frequency Dispersion) 效應(yīng)，第二種是時(shí)間選擇性衰落。信號(hào)多徑附加時(shí)延有大有小，根據(jù)大小將小尺度衰落分為兩種類型，一種是平坦衰落，另一種是選擇性頻率衰落。另外，接收到的信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移主要原因是因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)的移動(dòng)性。信道根據(jù)多普勒的擴(kuò)展大小，會(huì)分為兩種類型，一種是快衰落信道，另一種是慢衰落信道。

所謂快衰落，指的是信道相干時(shí)間周期較短，這個(gè)周期比發(fā)送信號(hào)的要短，而且基帶信號(hào)帶寬比相關(guān)帶寬要小的時(shí)候，信道在符號(hào)周期內(nèi)的變化非?？?，這種情況將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真，從而會(huì)產(chǎn)生快衰落。

所謂慢衰落，指的是信道相干時(shí)間周期比較長(zhǎng)，這個(gè)周期比發(fā)送信號(hào)的周期要長(zhǎng)很多，而且相干帶寬要大于基帶信號(hào)帶寬，信道傳送的號(hào)碼元比沖激響應(yīng)變化要高很多，從而產(chǎn)生慢衰落信道。

多徑效應(yīng)，在無(wú)線通信中，發(fā)射端的電波經(jīng)過(guò)色散信道多徑傳播，到達(dá)接收端時(shí)有不同的時(shí)延。無(wú)線信道在很大程度上不會(huì)影響到接收信號(hào)，即為調(diào)制信息符號(hào)大于不同路徑的時(shí)延差，這時(shí)的無(wú)線通信信道系統(tǒng)被稱為窄帶系統(tǒng)，通過(guò)窄帶信道模型描述無(wú)線信道，反過(guò)來(lái)這種無(wú)線通信信道系統(tǒng)被稱為寬帶系統(tǒng)，而寬帶信道模型來(lái)描述無(wú)線信道。接收機(jī)端的時(shí)間不同，是因?yàn)槁窂降木嚯x不同，因此造成了多徑效應(yīng)。同時(shí)它還造成了信號(hào)的擴(kuò)散，也就是時(shí)間色散。

移動(dòng)臺(tái)和基站會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)多徑波還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)頻移的過(guò)程，這種情況被稱作多普勒頻移，這種頻移和多種因素有關(guān)，例如運(yùn)動(dòng)速度、方向以及多徑波的入射角。

當(dāng)基站和物體之間的距離增近時(shí)，這種增近會(huì)使頻率幅度增加，同時(shí)波長(zhǎng)變短，當(dāng)基站和物體之間的距離漸行漸遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)降低這種頻率，同時(shí)波長(zhǎng)增長(zhǎng)。假如用戶處在高速移動(dòng)的狀態(tài)中，那么他和基站之間的距離也會(huì)不斷的發(fā)生變化，那么這種不斷的變換距離會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)重衰弱。假如物體的運(yùn)行速度非?？欤敲此淖兓蜁?huì)非常頻繁，信號(hào)也就會(huì)越來(lái)越衰弱。在一定程度上，頻偏變化和無(wú)線質(zhì)量成反比，質(zhì)量越差，頻偏就會(huì)越大，相反，頻偏越小，質(zhì)量也就會(huì)越好。具體的說(shuō)，列車高速運(yùn)行，在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)基站，那么列車在和基站距離最近的地方的時(shí)候，多普勒效應(yīng)就會(huì)最明顯。

2 無(wú)線通信信道技術(shù)的特點(diǎn)

無(wú)線通信信道技術(shù)有它本身特有的特征，在近幾年應(yīng)用十分廣泛。這種無(wú)線技術(shù)給人來(lái)帶來(lái)了無(wú)可爭(zhēng)議的影響，現(xiàn)如今每天大約會(huì)產(chǎn)生15萬(wàn)新的無(wú)線用戶，而全球的無(wú)線用戶已經(jīng)超過(guò)2億。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，平穩(wěn)噪聲和非平穩(wěn)噪聲可以這樣理解，平穩(wěn)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間的變化而變化，而非平穩(wěn)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性隨著時(shí)間的變化而變化。加性噪聲獨(dú)立存在，它獨(dú)立于有用信號(hào)，并且還會(huì)干擾有用的信號(hào)，因此會(huì)對(duì)通信造成危害。

而乘性噪聲將會(huì)伴隨信號(hào)的存在，信號(hào)消失以后，乘性噪聲便也會(huì)消失。通信系統(tǒng)理論分析經(jīng)常會(huì)用到多種噪聲，例如：高斯噪聲、白噪聲、窄帶高斯噪聲等等多種噪聲。

大尺度衰落主要指的是路徑的損耗，慢變是它的主要特點(diǎn)，也就是說(shuō)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)信道是恒定的，而且它衰落的幅度十分??；電磁波繞射主要引起中尺度的衰落，對(duì)數(shù)的正泰分布主要可以表征幅度特性，它的變化和特性在兩者之間，電磁波的輻射和散射主要引起小尺度的衰落，快變是它的主要特點(diǎn)，時(shí)間短但是信號(hào)衰減快是它的主要特點(diǎn)，最大的甚至可以衰減60—70dB。

無(wú)線通信信道技術(shù)中噪聲主要分為以下幾種類型：

1.同步周期性脈沖的噪聲。電力設(shè)備產(chǎn)生的脈沖，尤其是按照50Hz來(lái)工作而產(chǎn)生的脈沖，它的重復(fù)率是50Hz或者100Hz。這種噪聲的持續(xù)時(shí)間非常短，功率會(huì)隨著頻率的增加而逐漸減小。

2.自然噪聲。自然界的各種電磁波會(huì)造成這種自然噪聲，例如：雷擊、閃電、電爆還有各種各樣的宇宙噪聲等等。

3.異步周期性脈沖的噪聲。產(chǎn)生這種噪聲的主要原因是因?yàn)榇蠊β孰娖鞯拈_(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)會(huì)周期性的開(kāi)閉，而這種動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生這種噪聲，它們主要是離散的功率譜的譜線，其重復(fù)率主要集中在50～200 kHz的范圍之內(nèi)。

4.突發(fā)性的脈沖噪聲。這種噪聲主要是閃電或者網(wǎng)絡(luò)上的開(kāi)關(guān)在操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的脈沖噪聲，而每一種的脈沖噪聲都會(huì)影響到非常寬的頻帶，背景噪聲的功率譜密度比脈沖噪聲的密度要低出50dB。

3 無(wú)線通信信道技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)策略

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信信道技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)在各個(gè)方面逐漸得到了很大應(yīng)用，尤其是在軍事和民用等各方面，給人們帶來(lái)了很大的便利。同時(shí)，無(wú)線通信信道的開(kāi)放性越來(lái)越突出的反應(yīng)了信息的安全問(wèn)題，當(dāng)然可以使用加密數(shù)據(jù)等多種方法保障通信的安全，雖然這些方法可行，但是仍然沒(méi)有彌補(bǔ)由無(wú)線通信信道而造成的安全漏洞，下面將通過(guò)無(wú)線信道的各方面特點(diǎn)，談一下無(wú)線通信信道技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

無(wú)線通信信道存在一定的安全問(wèn)題，而針對(duì)這種問(wèn)題主要提出兩類解決方法：

1.通過(guò)無(wú)線通信信道的私密性和互易性，通信雙方根據(jù)信道特征生成密鑰，從而進(jìn)行加密，這種方法可以避免信息的傳輸泄漏，但是在噪聲干擾的情況下，很容易造成無(wú)線通信信道的參數(shù)不一致，也不知該如何生成互相一致的密鑰。

2.物理層的安全傳輸主要是通過(guò)無(wú)線通信信道技術(shù)的空域特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種特征的主要是通過(guò)提高誤碼率，從而達(dá)到防止竊聽(tīng)竊竊聽(tīng)信息的目的，利用無(wú)線通信信道技術(shù)的空域特征，可以使用多無(wú)線技術(shù)的輸入和輸出系統(tǒng)，另外，有相關(guān)資料提出一種安全傳輸方法，這種方法是基于陣列冗余而進(jìn)行的方法，通過(guò)隨機(jī)選取加權(quán)系數(shù)，從而會(huì)造成竊聽(tīng)者和基站之間的信道的隨機(jī)變化。

圖1所展示的是無(wú)線安全傳輸?shù)哪Ｐ?，通過(guò)此圖可以了解到安全傳輸主要涉及3方面：Alice是基站，它需要把信息安全的傳給期望用戶Bob，Eve是竊聽(tīng)者，它只被動(dòng)接收，不會(huì)做出任何的主動(dòng)發(fā)射。通常情況下，Alice和Eve使用都是多天線，Bob使用的則是單天線。另外，在這種模型中，收發(fā)信道的角色可以互相交換，假如信道慢變，那么這種互易性可以得到充分的保證。

在通信的過(guò)程中，Bob向Alice發(fā)送沒(méi)有加密的請(qǐng)求，該信息還包含了信道的符號(hào)序列；Alice將會(huì)使用多天線從而接收這種請(qǐng)求，并根據(jù)收到的信號(hào)來(lái)評(píng)估他們之間的無(wú)線通信信道。

同時(shí)由于使用系統(tǒng)時(shí)的分雙工，并且在使用過(guò)程中信道會(huì)慢變，另外根據(jù)互易原理，可以這樣理解，Alice與Bob兩者之間收發(fā)信道一樣，也就是說(shuō)Alice可以根據(jù)信道，當(dāng)然這種信道是估計(jì)到的，通過(guò)這種無(wú)線信道對(duì)發(fā)給BOb的信息加權(quán)，也就是所謂的一種加密。

以上的這個(gè)過(guò)程只有BOb發(fā)送，并且會(huì)應(yīng)用于信道的訓(xùn)練符號(hào)序列，Alice根據(jù)該訓(xùn)練符號(hào)，會(huì)估計(jì)到信道不發(fā)送其他的訓(xùn)練符號(hào)，通常這種情況，Bob和Eve都沒(méi)有辦法估計(jì)他們與Alice之間的無(wú)線信道的信息，也就是說(shuō)這將處于一種盲狀態(tài)。

因?yàn)锳lice發(fā)出的加密信號(hào)會(huì)自動(dòng)完成解密，并且這種自動(dòng)完成的行動(dòng)是經(jīng)過(guò)Alice與Bob之間信道時(shí)完成的。也就是說(shuō)這種盲狀態(tài)影響不到Bob；相反，這種加密信號(hào)如果不能完成自動(dòng)解密，而且Eve根本不會(huì)知道Alice與他之間的無(wú)線通信信道，因此也就無(wú)法得到Alice發(fā)送的信號(hào)，這種信號(hào)是經(jīng)過(guò)加密的，無(wú)法得到加密信號(hào)，就不可能對(duì)該信號(hào)能夠解密。

總而言之，從以上討論的無(wú)線通信信道技術(shù)的分類、特點(diǎn)發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，無(wú)線信號(hào)傳播的內(nèi)外環(huán)境都十分復(fù)雜，各種各樣的因素會(huì)對(duì)無(wú)線信道產(chǎn)生非常復(fù)雜的影響。復(fù)雜性和惡劣性是無(wú)線通信信道一個(gè)非常重要的特征，而這兩種特征中的惡劣性，也就是說(shuō)在惡劣的環(huán)境中傳播是不可避免的，所以我們必須采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略來(lái)專門(mén)針對(duì)這種惡劣的條件。

不同的環(huán)境中，無(wú)線信號(hào)受損害的程度有著非常大的區(qū)別，所以，在實(shí)際的工作中，我們必須了解本地的實(shí)際情況，根據(jù)本地實(shí)際情況和相應(yīng)特點(diǎn)來(lái)選擇信道模式。我們?cè)谶x擇的過(guò)程中，選擇信道模式的依據(jù)是基站的各種情況以及信號(hào)影響到的范圍。因?yàn)槊恳环N模式都有其自身的特點(diǎn)，這種模式預(yù)測(cè)的狀況也會(huì)和實(shí)際情況有所出入，改正和完善預(yù)測(cè)模型應(yīng)該根據(jù)本地情況來(lái)預(yù)測(cè)。

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