慢衰落

慢衰落（Slow Fading）：由於移動台的不斷運動，電波傳播路徑地形地貌是不斷變化的，因而局部中值也是不斷變化的．這種變化所造成的衰落比多徑效應引起的快衰落要慢得多，稱為慢衰落。慢衰落是由大氣折射、大氣湍流、大氣層結等平均大氣條件的變化而引起的，通常與頻率的關係不大，而主要與氣象條件、電路長度、地形等因素有關。慢衰落一般服從對數常態分配。

基本介紹

• 中文名：慢衰落
• 外文名：Slow Fading
• 套用：無線通信系統
• 效應：障礙物阻擋造成陰影效應

背景

在無線通信系統中，由障礙物阻擋造成陰影效應，接收信號強度下降，但該場強中值隨地理改變變化緩慢，故稱慢衰落。又稱為陰影衰落、對數正態衰落。慢衰落的場強中值服從對數常態分配，且與位置/地點相關，衰落的速度取決於移動台的速度。 接收信號電平的隨機起伏，即接收信號幅度隨時間的不規則變化。衰落對傳輸信號的質量和傳輸可靠度都有很大的影響，嚴重的衰落甚至會使傳播中斷。衰落主要由多徑干涉和非正常衰減引起。多徑干涉，即多條射線的相互干涉，是最常見的也是最重要的衰落成因。多條射線的產生，可能是由於地面、大氣不均勻層或天線附近的地形地物的反射，也可能是由於電離層多次反射、電離層中的尋常波和非常波或天波和地波的同時出現。多徑干涉形成的衰落通常稱為多徑衰落或干涉型衰落。非正常衰減的典型例子有降水衰減和次折射引起的繞射衰減；後者是由於發射點和接收點之間的直射線彎曲而被地面阻擋所形成的。這類衰減發生時，接收信號電平低於正常值，從而形成衰落。這種衰落通常稱為衰減型衰落。其中，降水和次折射條件下的繞射所形成的衰落，分別稱為降水衰落和繞射衰落。

慢衰落示意圖

概述

信道特性對無線信號的傳輸至關重要，信號通過不同的信道發生不同的失真和畸變。通信系統的收發設備必須依據信道特徵來設計，採用不同技術的無線擴頻系統套用定位也不相同。

在無線通信中由於氣候，環境，距離等各種因素的影響，接收到的信號幅度和相位是隨機起伏變化的，主要需要考慮的是慢衰落，快衰落，平衰落，頻率選擇性衰落。室內信道的時間衰落特性是慢衰落的，同時時延擴展因素小，因而較為簡單的達到通信速率Mbps數量級以上。而室外無線傳輸信道的特徵有很大不同。必須考慮各種快衰落，深度平衰落，長擴展時延等因素。通信速率高（占用頻寬大）時還要考慮頻率選擇性衰落等各種不確定因素。另外其接收靈敏度必須保障在信號衰減上百dB情況下的信號拾取。

無線通信信道中的慢衰落

為保證通信質量和通信可靠性（用可用度表示）。常規微波頻段通信系統為了保證足夠的性能指標（誤碼指標）一般會預先在鏈路設計上予留30~50dB的鏈路裕度（或稱衰落儲備）。然而對於多徑傳輸和深度衰落等原因造成的誤碼，除了採用快速自動增益控制AGC等手段之外。必須採用抗多徑衰落的技術。採用直擴技術中高性能的實現手段（先解擴再解調）可以很好抵消多徑衰落的不利影響。更好的RAKE接收技術甚至可以實現多徑分集接收，進而抵消室外無線衰落信道系統中的性能嚴重惡化。另外由於直擴技術的頻譜很寬，部分頻帶的選擇性衰落不會影響整體接收。

信號幅度隨時間、頻率和空間而起伏的衰落，分別稱為時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落。若電波在傳播過程中由於極化發生變化而產生衰落，則稱為極化衰落。例如，電波在電離層中傳播時，由於地磁場的作用分成兩個橢圓極化波。當電離層的電子密度變化時，橢圓極化波時刻改變極化橢圓主軸的取向，從而接收信號發生極化衰落。不過，這種衰落的出現機會比多徑衰落小得多。

衰落通常分為快衰落和慢衰落兩種。前者是指在足夠短的時間間隔內（如幾秒、幾分鐘內）接收信號電平的快速變化。多徑傳輸是引起快衰落的主要原因。例如，對流層散射傳播中的快衰落就是由收、發天線波束交割的區域內許多不均勻體的散射分量隨機干涉形成的，它有很強的頻率與空間選擇性。慢衰落是短期信號電平中值(如幾分鐘中值，日、月、年中值等)在較長時間間隔內的變化。引起慢衰落的主要原因，是傳輸媒質結構發生變化。如對流層散射傳播中，慢衰落是由大氣折射、大氣湍流、大氣層結等平均大氣條件的變化而引起的，通常與頻率的關係不大，而主要與氣象條件、電路長度、地形等因素有關。

特性

由於衰落具有隨機的特性，須用統計方法如機率密度或分布函式描述。快衰落的幅度分布一般服從瑞利分布。對慢衰落進行較準確的統計分布描述比較困難。對流層散射傳播中，慢衰落通常服從對數常態分配。 衰落特性可用衰落深度、衰落率和衰落持續時間等主要參量描述。

慢衰落的特性

衰落深度

衰落深度：信號電平瞬時值與中值（或自由空間電平值）之差；或分布機率分別為50%和10%的電平間分貝數之差，它表征衰落的嚴重程度。

衰落率

衰落率：每秒鐘瞬時值超過中值的次數除以二；或單位時間內，信號幅度自上而下通過某給定值的次數，它表征衰落的頻繁程度。在電離層電波傳播中，尋常波與非常波形成的極化衰落的衰落率約在每秒幾次以下。在對流層散射傳播中，中值電平處的衰落率約每秒百分之幾次到幾十次，一般它與頻率、風速、散射角和天線波束寬度等因素有關。

衰落持續時間

衰落持續時間：即信號幅度低於其給定值的持續時間。在對流層散射傳播中，中值電平處的平均衰落持續時間在超短波頻段為幾秒至幾十秒，在高頻段則可達百分之幾秒至幾秒。電離層傳播中的中波波段平均持續時間約幾秒至幾十秒。

此外，還可用衰落幅度、衰落速度、衰落頻寬等參數描述衰落的某些特性。

克服衰落的方法主要根據形成衰落的原因而確定。例如，在對流層視距電波傳播中，為克服由於地面反射引起的干涉型衰落，可通過選擇粗糙的反射面、用刃型禁止體阻擋反射波、加大收發天線的高差等方法，減少或消除由多徑產生的衰落。此外，分集接收技術是克服多徑衰落的最有效的方法。有時，也用提高發射功率、採用強方向性天線、抗衰落天線、自適應接收技術和留足夠衰落餘額等方法克服衰落的影響。

影響

移動信道的特點及其帶來的傳播上的特點，對接收點的信號將會產生三種效應。

慢衰落的影響

遠近效應

由於接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站間的距離也是在隨機的變化，若各用戶發射功率一樣，那么到達基站的信號強弱不同，離基站近信號強，離基站遠信號弱。通信系統的非線性則進一步加重，出現強者更強、弱者更弱和以強壓弱的現象，通常稱這類現象為遠近效應。因為CDMA是一個自干擾系統，所有用戶共同使用同一頻率，所以“遠近效應”問題更加突出。

都卜勒效應

它是由於接收的移動用戶高速運動而引起傳播頻率的擴散而引起的，其擴散程度與用戶的運動速度成正比。

隨參信道的一般衰落特性和選擇性衰落特性，是嚴重影響信號傳輸的重要特性。至於前面所說的慢衰落特性，因為它的變化速度十分慢，通常可以通過調整設備參量（如調整發射功率）來彌補。而為了抗快衰落，通常可採用多種措施，例如，各種抗衰落的調製解調技術、抗衰落接收技術及擴頻技術等。其中，明顯有效且被廣泛套用的措施之一，就是分集接收技術。其基本思想就是，快衰落信道中接收的信號是到達接收機的各徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，將這些信號適當合併構成總的接收信號，則能夠大大減小衰落的影響。

陰影效應

移動台在運動中，由於大型建築物和其他物體對電波的傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區域上形成半盲區，從而形成電磁場陰影，這種隨移動台位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應。陰影效應是產生慢衰落的主要原因。

抗衰落

STBC對抗慢衰落

空時分組碼（Space-TimeBlockCode，STBC）是近年來發展起來的一種新的編碼方法。STBC的一個顯著的特點是各天線發射的信號之間正交，這不僅能夠保證在平坦的慢衰落信道下獲得最大的分集增益，而且還可以降低解碼複雜度。因此STBC性能好、易於實現，現成為人們研究的熱點。目前，對於STBC的大部分研究仍局限於平坦慢衰落信道、並且假設各信道之間的衰落互不相關的條件下進行的。在實際的無線信道中，快衰落和頻率選擇性衰落是不可避免的，而且多天線的引入使不相關的假設也不可能實現。因此為了探討STBC的實用性，研究人員開展了在時變衰落信道、頻率選擇性衰落信道和空間相關衰落信道等小尺度衰落信道下對STBC性能的研究工作，並進行了仿真和分析。在某些科技文獻中，介紹了無線傳播的信道特徵和空時碼技術，詳細給出了小尺度衰落信道的分類和STBC的編解碼原理。在此基礎上採用SIMULINK仿真工具分別構造了在時變衰落信道、頻率選擇性衰落信道和空間相關衰落信道下的仿真模型，並進行了仿真。通過對仿真結果的分析得出了相應的結論。

STBC對抗慢衰落

研究人員的分析結果表明：在時變衰落信道下隨著信道變化的加快，空時分組碼的性能有所下降，尤其在快衰落信道下其性能下降顯著；在頻率選擇性衰落信道下，接收端使用了理想的RAKE接收機進行接收，當信道變化慢時，隨著信道路徑數的增加性能有很大程度的改善，當信道變化快時，性能有所下降，而且信道路數越多性能下降越明顯；在空間相關衰落信道下的仿真結果表明，當保持相關係數小於一定值時，空時分組碼便可以具有良好的性能。

CDMA對抗快衰落

分集技術是指系統同時接收衰落互不相關的兩個或更多個輸入信號後，系統分別解調這些信號然後將他們相加，這樣系統可以接收到更多有用信號，克服衰落。 移動通信信道是一種多徑衰落信道，發射的信號要經過直射、反射、散射等多條傳播途徑才能達到接收端，而且隨著移動台的移動，各條傳播路徑上的信號幅度、時延及相位隨時隨地發生變化，所以接收到的信號的電平是起伏、不穩定的，這些多徑信號相互疊加就會形成衰落。疊加後的信號幅度變化符合瑞利分布，又稱瑞利衰落。瑞利衰落隨時間急劇變化時，稱為“快衰落”。快衰落嚴重衰落深度達到20~30dB。瑞利衰落的中值場強只產生比較平緩的變化，稱為“慢衰落”，且服從對數常態分配。分集技術是克服疊加衰落的一個有效分發。由於具有頻率、時間、空間的選擇性，因此分集技術包括頻率分集、時間分集、空間分集。

減弱慢衰落採用空間分集，即用幾個獨立天線或在不同場地分別發射和接收信號，以保證各信號之間的衰落獨立。根據衰落的頻率選擇性，當兩個頻率間隔大於信道頻寬相關頻寬時，接收到的此兩種頻率的衰落信號不相關，市區的相關頻寬一般為50kHz左右，郊區的相關頻寬一般為250kHz左右。而CDMA的一個信道頻寬為1.23MKz，無論在市區還是郊區都遠遠大於相關頻寬的要求，所以CDMA的寬頻傳輸本身就是頻率分集。時間分集是利用基站和移動台的RAKE接收機來完成的。對於一個信道頻寬為1.23MHz的CDMA系統，當來自兩個不同路徑信號的時延為1us時，也即這兩條路徑相差大約300m 時，RAKE接收機就可以將它們分別提取出來而不混淆。