无线设备测试的衰落仿真

衰落的影响

　　大范围衰落主要会导致整体信号的电平衰落。路径衰减极其依赖于距离。它对设备的影响是，由于降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比（SNR）。阴影效应和大范围反射表现为在这种平均路径衰减上的偏差。

　　多径和多普勒效应导致的小范围衰落可能对通信的破坏力最强。频率选择性衰落会导致码间干扰（ISI），使得精确地理解收到的符号变得更加困难。平衰落会使SNR恶化，因为反射会导致矢量成分互相抵消。快衰落会使发送的基带数据脉冲失真，可能会导致锁相环同步问题。慢衰落也会降低SNR。SNR的降低要求无线设备的设计人员在确定链路要求时要增加"衰落余量"；信号功率必须足够强，或者接收机的灵敏度要足够高，以便在衰落情形下能够正常工作。

降低衰落的影响

　　只有在没有信道损伤时，才能实现理想的无线链路性能。但是加性白色高斯噪声（AWGN）的存在则会使得无线信道不可能完全没有干扰。不过，在设计无线设备时可以采用许多技术，来降低衰落的影响。这些技术降低了最坏情况下的衰落曲线的误码概率，使其更接近最好情况下的AWGN曲线。不同形式的衰落对误码率有不同的影响。频率选择性衰落和快衰落会明显影响误码率，而平衰落和慢衰落对误码率的影响较小。在设计可以容忍衰落对信号恶化的无线链路时，确定信道中的衰落类型非常重要。然后，可以选择信息速率，减少能够避免的误码。

　　由于符号频率与符号周期呈倒数的关系，因此改变信号速率以补偿频率选择性衰落也会改变其在衰落速度方面的性能。为避免频率选择性衰落，传输速率应低于信道的相干带宽（B < f0）。但为了降低快衰落导致的失真，重要的是把传输速率设成大于信道衰落速率（B > fd）。换句话说，频率选择性衰落确定了信号带宽的上限，快衰落则确定了信号带宽的下限。

　　均衡是一种常用技术，它用来消除频率选择性衰落导致的ISI。这个过程是调用一个脉冲响应与传播信道相反的滤波器。因此，传输通道与接收滤波器相结合，产生平坦的线性响应。例如，GSM采用自适应均衡技术，来缓和失真。

　　CDMA技术使用Raker接收机减轻ISI的影响。Raker接收机使用专用滤波器，检测展宽信号里的成分，将这些成分收集起来，并将它们相干地叠加起来（对早到路径采用比晚到路径更多的延时）。

　　我们还可以使用交织技术和编码技术，降低准确检测信号所要求的Eb/No（能噪比）。编码技术通过在正交码道上发送多个信号拷贝，提供了冗余性。交织技术通过把误码分布到不同的时间，在链路中增加了稳定性，从而避免了大量连续数据丢失现象的发生，而这种现象可能会切断无线链路。

　　某些传输技术具备的信号特性，可以避免衰落最常见的影响。例如，超宽带传输技术，它传送的脉冲周期如此之短，以致其不会受到信道时延展宽的影响。正交频分复用技术通过把载波信号划分成信息速率较低的子载波，来避免频率选择性衰落。

衰落曲线

　　衰落以某种方式对通过无线信道传播的信号进行阻碍。为设计能够容忍这种损伤的设备，重要的一点是需要使用可以在实验室环境中仿真衰落的工具。这些工具通过以数学方式生成仿真大范围衰落和小范围衰落的条件，创建实际环境中的衰落效应。这些数学表达式基于某些数学模型，它们使用统计数据来预测电磁波在传播过程中的行为方式。下面介绍了部分典型的衰落模型。

　　通过在与距离相关的平均路径衰减上叠加对数正态分布的信号波动，可以用数学方式仿真大范围衰落。对大范围衰落，最精确的信道仿真方程来源于经验公式，这些经验公式来自在特定的市区进行测量并获得的结果。

　　当发射机和接收机之间没有很强的视距传播路径时，瑞利分布是一个很好的信道传播模型。它可以适当地表示市区中的信道条件，其中大楼会阻碍视距传播路径，而且信号被各种物体反射后，在接收端时间上被展宽。在时域中，瑞利衰落在40 dB或更深的槽之间有不高于10 dB的周期峰值 （深度衰落） （如图4a）。

　　在频域中，瑞利分布生成一条U形曲线（如图4b）。密集散射模型可以用来描述蜂窝通信的情况，这意味着多径信号的幅度将呈现瑞利分布，而到达角度 （多径相位） 将呈现正态分布。


图4. 瑞利分布：a） 时域；b） 频域。

　　在农村环境中，阻碍信号的物体较少，多径信号包括一条很强的视距传播路径以及少量的反射路径，频谱功率呈莱斯（Rician）分布。直射路径的到达角度和直射路径与其它路径之间的功率之比相结合，决定了来自直射路径的能量对多径衰落的正态瑞利模型会有多大影响。频域中的图看起来象瑞利分布，但是直射路径引起的频移处，功率有一个峰值。（如图5）


图5. 莱斯分布（频域）。

　　Suzuki衰落曲线把多径传播引起的小范围衰落与反射和衍射引起的大范围衰落结合在一起。大范围衰落呈对数正态分布，小范围衰落呈瑞利分布（图6）。


图6. Suzuki曲线。