無線通信信道技術的研究

吳景志

（中國移動通信集團河南有限公司周口分公司 466000）

移動通信系統中的無線信道技術一般利用信道的統計特性進行分析和仿真，移動信號在傳播的過程中主要經歷兩類衰落大體，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線通信信道技術的分類。

1 無線通信信道的分類

無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時間內信號平均功率的變化，小尺度傳播指的則是信號在短時間內瞬間產生的變化。

多普勒頻移和多徑傳播這兩者相互作用將會產生小尺度傳播的衰落，多徑效應將會造成不同的相位、振幅，就會產生一種信號的時散(Time Dispersion)效應，這種效應繼而會產生選擇性衰落。

多普勒效應會產生兩種效應，一種是信號頻散 (Frequency Dispersion) 效應，第二種是時間選擇性衰落。信號多徑附加時延有大有小，根據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，接收到的信號將會產生多普勒頻移主要原因是因為移動臺的移動性。信道根據多普勒的擴展大小，會分為兩種類型，一種是快衰落信道，另一種是慢衰落信道。

所謂快衰落，指的是信道相干時間周期較短，這個周期比發送信號的要短，而且基帶信號帶寬比相關帶寬要小的時候，信道在符號周期內的變化非常快，這種情況將會導致信號的失真，從而會產生快衰落。

所謂慢衰落，指的是信道相干時間周期比較長，這個周期比發送信號的周期要長很多，而且相干帶寬要大于基帶信號帶寬，信道傳送的號碼元比沖激響應變化要高很多，從而產生慢衰落信道。

多徑效應，在無線通信中，發射端的電波經過色散信道多徑傳播，到達接收端時有不同的時延。無線信道在很大程度上不會影響到接收信號，即為調制信息符號大于不同路徑的時延差，這時的無線通信信道系統被稱為窄帶系統，通過窄帶信道模型描述無線信道，反過來這種無線通信信道系統被稱為寬帶系統，而寬帶信道模型來描述無線信道。接收機端的時間不同，是因為路徑的距離不同，因此造成了多徑效應。同時它還造成了信號的擴散，也就是時間色散。

移動臺和基站會產生相對運動，同時多徑波還會經歷一個頻移的過程，這種情況被稱作多普勒頻移，這種頻移和多種因素有關，例如運動速度、方向以及多徑波的入射角。

當基站和物體之間的距離增近時，這種增近會使頻率幅度增加，同時波長變短，當基站和物體之間的距離漸行漸遠時，會降低這種頻率，同時波長增長。假如用戶處在高速移動的狀態中，那么他和基站之間的距離也會不斷的發生變化，那么這種不斷的變換距離會造成信號的嚴重衰弱。假如物體的運行速度非常快，那么他的變化就會非常頻繁，信號也就會越來越衰弱。在一定程度上，頻偏變化和無線質量成反比，質量越差，頻偏就會越大，相反，頻偏越小，質量也就會越好。具體的說，列車高速運行，在這個過程中通過基站，那么列車在和基站距離最近的地方的時候，多普勒效應就會最明顯。

2 無線通信信道技術的特點

無線通信信道技術有它本身特有的特征，在近幾年應用十分廣泛。這種無線技術給人來帶來了無可爭議的影響，現如今每天大約會產生15萬新的無線用戶，而全球的無線用戶已經超過2億。

在實際應用的過程中，平穩噪聲和非平穩噪聲可以這樣理解，平穩噪聲的統計特性不隨時間的變化而變化，而非平穩噪聲的統計特性隨著時間的變化而變化。加性噪聲獨立存在，它獨立于有用信號，并且還會干擾有用的信號，因此會對通信造成危害。

而乘性噪聲將會伴隨信號的存在，信號消失以后，乘性噪聲便也會消失。通信系統理論分析經常會用到多種噪聲，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，也就是說，在長時間內信道是恒定的，而且它衰落的幅度十分小；電磁波繞射主要引起中尺度的衰落，對數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，時間短但是信號衰減快是它的主要特點，最大的甚至可以衰減60—70dB。

無線通信信道技術中噪聲主要分為以下幾種類型：

1.同步周期性脈沖的噪聲。電力設備產生的脈沖，尤其是按照50Hz來工作而產生的脈沖，它的重復率是50Hz或者100Hz。這種噪聲的持續時間非常短，功率會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。產生這種噪聲的主要原因是因為大功率電器的開關，這種開關會周期性的開閉，而這種動作會產生這種噪聲，它們主要是離散的功率譜的譜線，其重復率主要集中在50～200 kHz的范圍之內。

4.突發性的脈沖噪聲。這種噪聲主要是閃電或者網絡上的開關在操作時會產生一系列的脈沖噪聲，而每一種的脈沖噪聲都會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 無線通信信道技術的發展現狀及應對策略

近年來，隨著無線通信信道技術的發展，這種技術在各個方面逐漸得到了很大應用，尤其是在軍事和民用等各方面，給人們帶來了很大的便利。同時，無線通信信道的開放性越來越突出的反應了信息的安全問題，當然可以使用加密數據等多種方法保障通信的安全，雖然這些方法可行，但是仍然沒有彌補由無線通信信道而造成的安全漏洞，下面將通過無線信道的各方面特點，談一下無線通信信道技術的發展現狀。

無線通信信道存在一定的安全問題，而針對這種問題主要提出兩類解決方法：

1.通過無線通信信道的私密性和互易性，通信雙方根據信道特征生成密鑰，從而進行加密，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，很容易造成無線通信信道的參數不一致，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無線通信信道技術的空域特征來實現的，這種特征的主要是通過提高誤碼率，從而達到防止竊聽竊竊聽信息的目的，利用無線通信信道技術的空域特征，可以使用多無線技術的輸入和輸出系統，另外，有相關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行的方法，通過隨機選取加權系數，從而會造成竊聽者和基站之間的信道的隨機變化。

圖1所展示的是無線安全傳輸的模型，通過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是竊聽者，它只被動接收，不會做出任何的主動發射。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。

在通信的過程中，Bob向Alice發送沒有加密的請求，該信息還包含了信道的符號序列；Alice將會使用多天線從而接收這種請求，并根據收到的信號來評估他們之間的無線通信信道。

同時由于使用系統時的分雙工，并且在使用過程中信道會慢變，另外根據互易原理，可以這樣理解，Alice與Bob兩者之間收發信道一樣，也就是說Alice可以根據信道，當然這種信道是估計到的，通過這種無線信道對發給BOb的信息加權，也就是所謂的一種加密。

以上的這個過程只有BOb發送，并且會應用于信道的訓練符號序列，Alice根據該訓練符號，會估計到信道不發送其他的訓練符號，通常這種情況，Bob和Eve都沒有辦法估計他們與Alice之間的無線信道的信息，也就是說這將處于一種盲狀態。

因為Alice發出的加密信號會自動完成解密，并且這種自動完成的行動是經過Alice與Bob之間信道時完成的。也就是說這種盲狀態影響不到Bob；相反，這種加密信號如果不能完成自動解密，而且Eve根本不會知道Alice與他之間的無線通信信道，因此也就無法得到Alice發送的信號，這種信號是經過加密的，無法得到加密信號，就不可能對該信號能夠解密。

總而言之，從以上討論的無線通信信道技術的分類、特點發展現狀可以看出，無線信號傳播的內外環境都十分復雜，各種各樣的因素會對無線信道產生非常復雜的影響。復雜性和惡劣性是無線通信信道一個非常重要的特征，而這兩種特征中的惡劣性，也就是說在惡劣的環境中傳播是不可避免的，所以我們必須采取相應的應對策略來專門針對這種惡劣的條件。

不同的環境中，無線信號受損害的程度有著非常大的區別，所以，在實際的工作中，我們必須了解本地的實際情況，根據本地實際情況和相應特點來選擇信道模式。我們在選擇的過程中，選擇信道模式的依據是基站的各種情況以及信號影響到的范圍。因為每一種模式都有其自身的特點，這種模式預測的狀況也會和實際情況有所出入，改正和完善預測模型應該根據本地情況來預測。

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