多徑的影響及解決措施

在無線通信領(lǐng)域，多徑指無線電信號(hào)從發(fā)射天線經(jīng)過多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會(huì)造成多徑傳播。

在無線傳輸系統(tǒng)中，多徑是指同時(shí)接收到兩個(gè)副本，這兩個(gè)副本經(jīng)過了不同的傳輸途徑，具有不同的傳輸延時(shí)。

例如：從建筑物或其他物體反射的信號(hào)與直接傳輸?shù)男盘?hào)(非反射信號(hào))一起被接收機(jī)接收。這在電視接收機(jī)中會(huì)引起“疊影” — 人們可以看到在水平方向有一個(gè)衰減的回波疊加在主圖像上。

另外一個(gè)常見的例子是收音機(jī)(特別是調(diào)幅收音機(jī))，信號(hào)通過電離層反射后具有一定的延時(shí)，這個(gè)信號(hào)與直接傳輸?shù)男盘?hào)一起被收音機(jī)所接收。

通常，多徑對系統(tǒng)造成了不良影響，但在MIMO系統(tǒng)中不同，MIMO系統(tǒng)專門利用不同的天線發(fā)送信號(hào)的副本，復(fù)雜的接收系統(tǒng)將不同碼片組合起來進(jìn)行處理，以改善系統(tǒng)性能。

多徑帶來的影響

多徑會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落和相移。瑞利衰落就是一種沖激響應(yīng)幅度服從瑞利分布的多徑信道的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。對于存在直射信號(hào)的多徑信道，其統(tǒng)計(jì)學(xué)模型可以由萊斯衰落描述。

在電視信號(hào)傳輸中可以直觀地看到多徑對于通信質(zhì)量的影響。通過較長的路徑到達(dá)接收天線的信號(hào)分量比以較短路徑到達(dá)天線的信號(hào)稍遲。因?yàn)殡娨曤娮訕寬呙枋怯勺蟮接遥t到的信號(hào)會(huì)在早到的信號(hào)形成的電視畫面上疊加一個(gè)稍稍靠右的虛像。

基于類似的原因，單個(gè)目標(biāo)會(huì)由于地形反射在雷達(dá)接收機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)虛像。這些虛像的運(yùn)動(dòng)方式與它們反射的實(shí)際物體相同，因此影響到雷達(dá)對目標(biāo)的識(shí)別。為克服這一問題，雷達(dá)接收端需要將信號(hào)與附近的地形圖相比對，將由反射產(chǎn)生的看上去在地面以下或者在一定高度以上的信號(hào)去除。

在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)產(chǎn)生的符號(hào)間干擾(inter-symbol-interference，ISI)會(huì)影響到信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。時(shí)域均衡、正交頻分復(fù)用(OFDM)和Rake接收機(jī)都能用于對抗由多徑產(chǎn)生的干擾。

時(shí)域均衡的基本思想是使用橫向?yàn)V波器在延遲時(shí)間內(nèi)利用當(dāng)前接收到的編碼序列判斷下一個(gè)編碼序列，去除判斷規(guī)則之外的錯(cuò)誤編碼，從而消除編碼中存在的錯(cuò)誤，減小碼間干擾。例如已知編碼序列11001的下一個(gè)應(yīng)該是10，若出現(xiàn)01，則去除，接著判斷下一個(gè)序列，直到恢復(fù)正確的編碼序列。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是LTE(UMTS標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)技術(shù))采用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的基本思想是將數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)獨(dú)立的低速比特流，從頻域上說就是分成多個(gè)子載波，然后并行發(fā)送出去。這樣可以有效地降低高速傳輸時(shí)，由于多徑傳輸而帶來的碼間干擾。為了最大程度地消除多徑效應(yīng)和其他因素引起的碼間干擾，OFDM技術(shù)還在每個(gè)信號(hào)中設(shè)置一段空閑的傳輸時(shí)段，稱之為保護(hù)間隔，該時(shí)間段大于信道最大時(shí)延，從而不會(huì)對下一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生延時(shí)引起的碼間干擾。如圖所示，虛線所示為無信號(hào)的空閑段，此時(shí)盡管由于多徑傳輸發(fā)生前后信號(hào)的重疊，但由于空閑段的無信號(hào)，因此重疊部分不會(huì)產(chǎn)生干擾。實(shí)際應(yīng)用中，由于空閑傳輸時(shí)段無波形，此時(shí)若為多個(gè)載波的重疊部分，則破壞了正交性，會(huì)由于多徑傳輸引起信道間干擾(ICI，Inter Channel Interference)，為此在空閑時(shí)間段也填入信號(hào)，稱之為循環(huán)前綴，接收時(shí)則將此段信號(hào)舍棄。圖中虛線部分加入信號(hào)波形后即成為循環(huán)前綴。

多徑效應(yīng)不僅是衰落的經(jīng)常性成因，而且是限制傳輸帶寬或傳輸速率的根本因素之一。在短波通信中，為保證電路在多徑傳輸中的最大時(shí)延與最小時(shí)延差不大于某個(gè)規(guī)定值，工作頻率要求不低于電路最高可用頻率的某個(gè)百分?jǐn)?shù)。這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱為多徑縮減因子，是確定電路最低可用頻率的重要依據(jù)之一。圖中為多徑縮減因子與路徑長度的關(guān)系。對流層傳播信道中的抗多徑措施，通常有抑制地面反射、采用窄天線波束和分集接收等。

解決多徑干擾的措施

抗多徑干擾主要有如下幾個(gè)方面措施：

(1)提高接收機(jī)的距離測量精度，如窄相關(guān)碼跟蹤環(huán)、相位測距、平滑偽距等;

(2)抗多徑天線;

智能天線利用多個(gè)天線陣元的組合進(jìn)行信號(hào)處理，自動(dòng)調(diào)整發(fā)射和接收方向圖，以針對不同的信號(hào)環(huán)境達(dá)到最優(yōu)性能。智能天線是一種空分多址(SDMA)技術(shù)，主要包括兩個(gè)方面：空域?yàn)V波和波達(dá)方向(DOA)估計(jì)。空域?yàn)V波(也稱波束賦形)的主要思想是利用信號(hào)、干擾和噪聲在空間的分布，運(yùn)用線性濾波技術(shù)盡可能地抑制干擾和噪聲，以獲得盡可能好的信號(hào)估計(jì)。

智能天線通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，自動(dòng)調(diào)整天線的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號(hào)抵消，而在有用信號(hào)方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾的目的。加權(quán)系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時(shí)也減少了小區(qū)間干擾。

(3)抗多徑信號(hào)處理與自適應(yīng)抵消技術(shù)等。

多址干擾是由于在多用戶系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)單用戶接收方案而造成的惡果。單用戶接收機(jī)采用匹配濾波器作為相關(guān)判決的工具，并不考慮多址干擾的存在，每個(gè)用戶的檢測都不考慮其他用戶的影響，是一種針對單用戶檢測的策略。一般說來，單個(gè)用戶傳輸時(shí)不存在多址干擾，但在多用戶環(huán)境中，當(dāng)干擾用戶數(shù)增加或者他們的發(fā)射功率增加時(shí)，多址干擾將不容忽視。因此多用戶檢測技術(shù)應(yīng)允而生，其算法有最優(yōu)檢測算法和次優(yōu)檢測算法。

在CDMA系統(tǒng)中，多用戶檢測問題實(shí)際上就是從若干個(gè)隨機(jī)變量線性組合后加噪聲的觀察值中提取出目標(biāo)隨機(jī)變量的過程。一般情況下，多用戶接收機(jī)不僅需要知道所有用戶的擴(kuò)頻信息而且還需隨著系統(tǒng)的時(shí)變不斷更新。此外，還需估計(jì)用戶的幅值、相位以及定時(shí)信息用于接收端的檢測，這樣勢必造成計(jì)算復(fù)雜度的增加。由于這一限制，多用戶檢測大都應(yīng)用于基站一側(cè)，若要將其應(yīng)用于移動(dòng)臺(tái)一側(cè)，一種實(shí)現(xiàn)方法是發(fā)送已知的訓(xùn)練序列自適應(yīng)地將接收機(jī)參數(shù)調(diào)整到理想的工作狀態(tài)。該方法有明顯的弊?。寒?dāng)信道響應(yīng)突變或者用戶數(shù)目變化時(shí)，就必須重新發(fā)送訓(xùn)練序列，而頻繁發(fā)送訓(xùn)練序列會(huì)造成頻譜資源的極大浪費(fèi)。鑒于以上原因，開發(fā)不需要所有用戶的擴(kuò)頻信息，也不需要發(fā)送訓(xùn)練序列的盲多用戶檢測算法成為業(yè)界研究的新熱點(diǎn)。以線性檢測為例，線性盲多用戶檢測就是在不知道干擾用戶擴(kuò)頻信息，也不需要訓(xùn)練序列的情況下求出權(quán)向量的過程。由于所有用戶都以相同調(diào)制方式獨(dú)立工作，可以假設(shè)各用戶的信息碼元及同一用戶的不同碼元之間都是獨(dú)立同分布的，而幅度的差異可以反映在信道響應(yīng)混合矩陣的系數(shù)中。