快衰落

快衰落（Fast Fading）：移動台附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現象。主要由於多徑傳播而產生的衰落，由於移動體周圍有許多散射、反射和折射體，引起信號的多徑傳輸，使到達的信號之間相互疊加，其合成信號幅度表現為快速的起伏變化，其變化率比慢衰落快。

基本介紹

• 中文名：快衰落
• 外文名：Fast Fading
• 原因：多徑傳播
• 定義：變化率比慢衰落快

概述

產生原理

快衰落主要由於多徑傳播而產生的衰落，由於移動體周圍有許多散射、反射和折射體，引起信號的多徑傳輸，使到達的信號之間相互疊加，其合成信號幅度表現為快速的起伏變化，它反映微觀小範圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，由於快衰落表示接收信號的短期變化，所以又稱短期衰落(short-term-fading）。

快衰落一般服從瑞利（Rayleigh）分布、萊斯（Rice）分布或納卡迦米（Nakagami）分布。此外，在很多場景下，快衰落在不同的時間、不同的頻率和不同的空間上表現出不同的特性，因此又可細分為時間選擇性快衰落、頻率選擇性快衰落和空間選擇性快衰落。

移動通信中信號隨接受機與發射機之間的距離不斷變化即產生了衰落。其中，信號強度曲線的中直呈現慢速變化，稱為慢衰落；曲線的瞬時值呈快速變化，稱快衰落。可見快衰落與慢衰落並不是兩個獨立的衰落（雖然它們的產生原因不同），快衰落反映的是瞬時值，慢衰落反映的是瞬時值加權平均後的中值。移動台附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現象叫做快衰落。

多徑效應

1、時延擴展：多徑效應（同一信號的不同分量到達的時間不同）引起的接受信號脈衝寬度擴展的現象稱為時延擴展。時延擴展（多徑信號最快和最慢的時間差）小於碼元周期可以避免碼間串擾，超過一個碼元周期（WCDMA中一個碼片）需要用分集接受，均衡算法來接受。

快衰落現象

2、相關頻寬：相關頻寬內各頻率分量的衰落是一致的也叫相關的，不會失真。載波寬度大於相關頻寬就會引起頻率選擇性衰落使接收信號失真。

都卜勒效應

頻移 = V相對速度/（C光速/f電磁波頻率）*cosa（入射電磁波與移動方向夾角）。都卜勒效應引起時間選擇性衰落，是由於相對速度的變化引起頻移度也隨之變化。這時即使沒有多徑信號，接收到的同一路信號的載頻範圍隨時間不斷變化引起時間選擇性衰落。交織編碼可以克服時間選擇性衰落。時間選擇性衰落用T 相關時間來表示=1/相關頻率。例如某移動台速度為540公里/小時那么它的最大頻移為1KH相關時間就是1毫秒想要克服這樣速度的快衰落就要有1.5倍於衰落變化頻率的功控即1500Hz快速功控。

背景

從WLAN到WCDMA，所有無線設備有一點是共同的，即沒有有線連線。通過空氣傳送的信號會因大氣損傷而失真，會因自然的和人為的障礙而中斷，也會因發射機和接收機的相對移動而進一步變化。這種過程稱為衰落。衰落在現實環境中是不可避免的，因此無線通信系統必須能夠在處理這個問題的同時，保持準確的數據傳輸能力。

無線信道的衰落

對實際信道的衰落損傷進行仿真對無線設備的測試非常關鍵。為精確地進行信道仿真，必須理解不同的衰落情形及其影響，並創建這些衰落效應的數學模型。安捷倫科技提供了一個新型解決方案，用來在無線設備測試過程中仿真衰落，緩和信道仿真中某些最困難的、成本高昂的挑戰。

信道是任何一個通信系統所必不可少的組成部分。陸地數字移動通信的信道和固定通信信道（無線本地環路例外）是完全不同的。在固定通信中,信號的傳輸媒介是人工製作,例如雙絞線、電纜、光纖等。這些媒質的傳輸特性在相當長的時間內是十分穩定的，可以認為這種信道為恆參信道。而在陸地移動通信信道中，信號在空間中自由傳播，受外界信道條件的影響很大。由於天氣的變化、建築物和移動物體的遮擋、反射和散射作用以及移動台的運動造成的都卜勒頻移的影響等造成信道的變化，可以認為這種信道為隨參信道。

分類

時間選擇性衰落

是指快速移動在頻域上產生都卜勒效應而引起頻率擴散。在不同的時間衰落特性不一樣。由於用戶的高速移動在頻域引起了都卜勒頻移，在相應的時域上其波形產生了時間選擇性衰落。最有效的克服方法是採用信道交織編碼技術。即將由於時間選擇性衰落帶來的大突發性差錯信道改造成為近似性獨立差錯的AWGN信道。

空間選擇性衰落

是指不同的地點、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣，它是由於開放型的時變信道使天線的點波束產生了擴散而引起了空間選擇性衰落。它通常由被稱為平坦瑞利衰落。這裡的平坦特性是指在時域、頻域中不存在選擇性衰落。最有效的克服手段是空間分集和其他空域處理方法。

頻率選擇性衰落

是指不同的頻率衰落特性不一樣，引起時延擴散，在不同的頻段上衰落特性不一樣。它是信道在時域的時延擴散而引起了在頻域的選擇性衰落。最有效的克服方法有自適應均衡、OFDM及 CDMA系統中的RAKE接收等。

多徑衰落可以影響移動接收機或固定接收機。移動接收機以及在包含移動物體的信道中工作的接收機還必須處理影響信號幅度和相位的其它因素。這些效應可以描述為時間變化或空間變化的函式。如果接收機以恆定的速度移動，在不同時間上傳送脈衝與在不同位置傳送脈衝完全相同。

在變化的信道傳送信號時，知道這些條件在多長時間內是穩定的非常重要。根據相干時間還可以在頻域中查看時間變化。一直移動的接收機會經受頻移，而這取決於接收信號的到達角度。時間展寬會導致信號在時間上展寬；而時間（或空間）上的變化會導致信號在頻率上展寬。接收機並不是在一個頻率上得到一個信號，而是在不同頻率上得到信號的不同部分。這種都卜勒展寬與相干時間T0成負相關的關係。

特點

時間展寬：平衰落

· 傳送一個符號的時間大於最大時延展寬（Ts > Tm）。

· 信號頻寬小於相干頻寬（B < f0）。

· 在一個符號的周期內收到所有多徑分量。

時間展寬：平衰落

· 傳送一個符號的時間大於最大時延展寬（Ts > Tm）。

· 信號頻寬小於相干頻寬（B B）。

· 信道以不同方式改變信號的不同頻譜成分，因此寬頻信號的接收功率可能會在其頻寬範圍內隨頻率發生大的變化。

時間變化：快衰落

· 符號周期長於相干時間（Ts > T0）。

· 信號頻寬小於都卜勒展寬（B fd）。

· 在符號傳送過程中，信道條件穩定、可以預測。

時間變化：慢衰落

· 符號周期短於相干時間（Ts fd）。

· 在符號傳送過程中，信道條件穩定、可以預測。

成因

發射機和接收機之間要能夠成功地進行通信，在一定程度上取決於信號在其中傳播的信道的衰落特性。大範圍衰落包括信號經過長距離傳播的效應（幾百個波長或更多波長）。小範圍衰落機制則影響著接收機附近的信號。大範圍衰落包括信號經過一段距離時信號的平均衰減（在理想的視距傳播（LOS）條件下，它與距離的平方成正比），以及大型物體（如山脈或摩天大樓）導致的信號衍射。

時間分布對信道的影響

小範圍衰落是多徑傳播和都卜勒頻移兩者作用的結果。由於被傳送信號在遇到信箱、樹木和正在移動的車輛時導致反射、衍射和局部散射，而通過不同的路逕到達接收機，所以會發生多徑衰落。因此，接收機在不同的到達時間獲得信號的多個拷貝。這些拷貝以不同的相位和功率電平進行接收，導致信號互相干擾而發生功率波動。

都卜勒頻移衰落是移動的結果。如果接收機相對於發射機正在移動，那么進入接收機的信號頻率會發生變化，具體取決於接收機相對於發射機移動的方向和速度。沿著接收機正前方的路徑到達的信號拷貝，其檢測到的頻率將高於傳送的信號，而沿著移動接收機後方的路逕到達的信號拷貝，其檢測到的頻率將較低。

因此，多徑反射和都卜勒頻移會改變（衰落）傳送的信號，使得接收機很難精確地理解該信號。根據信道環境（市區或農村）、信號波長和發射機/接收機及環境中物體的相對移動，這些效應會有所不同。

影響

大範圍衰落主要會導致整體信號的電平衰落。路徑衰減極其依賴於距離。它對設備的影響是，由於降低了接收的信號功率，從而降低了信噪比（SNR）。陰影效應和大範圍反射表現為在這種平均路徑衰減上的偏差。

快衰落的影響

多徑和都卜勒效應導致的小範圍衰落可能對通信的破壞力最強。頻率選擇性衰落會導致碼間干擾（ISI），使得精確地理解收到的符號變得更加困難。平衰落會使SNR惡化，因為反射會導致矢量成分互相抵消。快衰落會使傳送的基帶數據脈衝失真，可能會導致鎖相環同步問題。慢衰落也會降低SNR。SNR的降低要求無線設備的設計人員在確定鏈路要求時要增加“衰落餘量“；信號功率必須足夠強，或者接收機的靈敏度要足夠高，以便在衰落情形下能夠正常工作。

那么，如何降低快衰落的影響呢？

只有在沒有信道損傷時，才能實現理想的無線鏈路性能。但是加性白色高斯噪聲（AWGN）的存在則會使得無線信道不可能完全沒有干擾。不過，在設計無線設備時可以採用許多技術，來降低衰落的影響。這些技術降低了最壞情況下的衰落曲線的誤碼機率，使其更接近最好情況下的AWGN曲線。不同形式的衰落對誤碼率有不同的影響。頻率選擇性衰落和快衰落會明顯影響誤碼率，而平衰落和慢衰落對誤碼率的影響較小。在設計可以容忍衰落對信號惡化的無線鏈路時，確定信道中的衰落類型非常重要。然後，可以選擇信息速率，減少能夠避免的誤碼。

由於符號頻率與符號周期呈倒數的關係，因此改變信號速率以補償頻率選擇性衰落也會改變其在衰落速度方面的性能。為避免頻率選擇性衰落，傳輸速率應低於信道的相干頻寬。換句話說，頻率選擇性衰落確定了信號頻寬的上限，快衰落則確定了信號頻寬的下限。

均衡是一種常用技術，它用來消除頻率選擇性衰落導致的ISI。這個過程是調用一個脈衝回響與傳播信道相反的濾波器。因此，傳輸通道與接收濾波器相結合，產生平坦的線性回響。例如，GSM採用自適應均衡技術，來緩和失真。

CDMA技術使用Rake接收機減輕ISI的影響。Rake接收機使用專用濾波器，檢測展寬信號里的成分，將這些成分收集起來，並將它們相干地疊加起來（對早到路徑採用比晚到路徑更多的延時）。

還可以使用交織技術和編碼技術，降低準確檢測信號所要求的Eb/No（能噪比）。編碼技術通過在正交碼道上傳送多個信號拷貝，提供了冗餘性。交織技術通過把誤碼分布到不同的時間，在鏈路中增加了穩定性，從而避免了大量連續數據丟失現象的發生，而這種現象可能會切斷無線鏈路。

某些傳輸技術具備的信號特性，可以避免衰落最常見的影響。例如，超寬頻傳輸技術，它傳送的脈衝周期如此之短，以致其不會受到信道時延展寬的影響。正交頻分復用技術通過把載波信號劃分成信息速率較低的子載波，來避免頻率選擇性衰落。

測試

衰落以某種方式對通過無線信道傳播的信號進行阻礙。為設計能夠容忍這種損傷的設備，重要的一點是需要使用可以在實驗室環境中仿真衰落的工具。這些工具通過以數學方式生成仿真大範圍衰落和小範圍衰落的條件，創建實際環境中的衰落效應。這些數學表達式基於某些數學模型，它們使用統計數據來預測電磁波在傳播過程中的行為方式。

快衰落的測試

通過在與距離相關的平均路徑衰減上疊加對數常態分配的信號波動，可以用數學方式仿真大範圍衰落。對大範圍衰落，最精確的信道仿真方程來源於經驗公式，這些經驗公式來自在特定的市區進行測量並獲得的結果。

當發射機和接收機之間沒有很強的視距傳播路徑時，瑞利分布是一個很好的信道傳播模型。它可以適當地表示市區中的信道條件，其中大樓會阻礙視距傳播路徑，而且信號被各種物體反射後，在接收端時間上被展寬。在時域中，瑞利衰落在40 dB或更深的槽之間有不高於10 dB的周期峰值 （深度衰落） 。

測試無線系統（包括移動台和基站）在衰落情形下是否能夠成功地收發數據，是檢測過程的重要組成部分。無線標準一般會規定廣泛而詳細的衰落測試。當前，為實現衰落測試而採用的信道仿真方法是一個極具挑戰性的過程。

當前的信道仿真方法從RF信號開始，到RF信號結束需要仿真衰落的測試信號被下變頻以及數位化。然後在數位訊號中結合衰落曲線，其結果再上變頻回到RF。最後增加噪聲。注意，AWGN獨立於多徑效應，因此必須單獨增加。

這種方法包括兩個過程：轉換損耗和噪聲校準。這兩個過程導致效率低下、準確性差。當仿真信號轉換成數位訊號或數位訊號轉換成仿真信號時，測試設備（而不是信道或被測設備）會引入誤差。這種轉換損耗增加了測量不確定性。

確定要增加相應噪聲的數量，以獲得某個載噪比（C/N）是一個困難的過程。要求必須在仿真衰落後，在信號中增加AWGN，這樣它不會被衰減掉而偏離希望的信號電平。但是，增加這種噪聲使總功率電平偏離了衰落後的總功率電平，同時改變了C/N比率。因此必需在衰落後計算載波功率，以確定輸入信號功率一定時要增加的相應噪聲電平，這是一個複雜、耗時、代價高昂的過程。

目前克服快速率衰落的手段有：信道交織、跳頻，擴頻、RAKE接受機、天線空間分集。