多普勒效应与多径衰落对移动通信的影响.doc

多普勒效应及多径衰落对移动通信的影响

唐 锴 (PT1300312)
杨江海 （PT1300295）
夏 阳 （PT1300315）

目录
摘要..............................................3
第一章 多普勒效应.................................4
第二章 多径衰落...................................9
第三章 解决方法.10
总结.............................................24
参考文献.........................................25

摘要
在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应。当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。此外，由于移动通信中的电磁波是在自由空间中传播，不可避免地存在多径衰落的现象，这对于接收端的误码率也是一个加大的不利因素，正是基于多普勒效应以及多径衰落会对移动通信产生影响这一现实存在的问题，本文旨在对移动速度进行研究，从而避免多普勒效应对通信产生影响。
关键词：多普勒效应，多径衰落，移动通信.

第一章 多普勒效应
1. 简介
多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论，主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
2. 原理
多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。但是由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验验证，几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，以验证该效应。假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+v）/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（c-v）/λ。
一个常被使用的例子是火车的汽笛声，当火车接近观察者时，其汽笛鸣声会比平常更刺耳.你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。
如果把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。
产生原因： 声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．
3. 公式
假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：
当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+v）/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（c-v）/λ。
对于无线环境来说，由相对运动引起的接收信号频率的偏移称为多普勒频移，与移动用户运动速度成正比。当移动台以恒定速度v在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号，如下图所示。无线电波从源S出发，在X点和Y点分别被移动台接收时所走的路径差为.

这里是移动台从X运动到Y所需的时间，是X和Y处入射波的夹角。由于源端距离很近，可假设X、Y处的是相同的。所以，由路径差造成的接收信号相位变化值为：

由此得出频率变化值，即多普勒频移为：
可见多普勒频移与移动台运动速度和波达方向有关。若移动台朝向入射方向运动，则多普勒频移为正（即接收频率上升）；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（即接收频率下降
现假设信号载频，移动通信传播环境中，移动台三种典型的移动速度与多普勒频移分别为：
1，行人步行速度时，则行人步行情况下最大多普勒频移为：

2,自行车的速度是,则自行车运动中最大多普勒频移为：

3,汽车的速度是,则汽车运动中最大多普勒频移为：
下面我们以瑞利信道为例，给出在上述三种情况下的仿真结果，以直观的看出多普勒效应在移动通信中的影响，其结果如下图：

时多普勒效应对接收信号包络的影响；

时多普勒效应对接收信号包络的影响；

时多普勒效应对接收信号包络的影响；
由上图可以清晰的看出，随着移动台速度的增加，接收信号的包络变化也越来越快，即信号的锐利衰落的速度越来越大。
第二章 多径衰落

无线移动通信是一种变信道，无线通信的特性是信号以电磁波的形式传播，同一个发送站发送的电磁波在传播过程中会遇到很多建筑物、树木、起伏的地形等因素而引起的电波的发射、散射和绕射等，这样在这种充满发射波的传播环境中，到达移动台天线的信号是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也不同。不同相位的多个电波在接受端叠加，有时同向叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这样，接受信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。多径衰落是移动无线通信最基本的特征之一，是影响接收效果的主要因素，包括三个方面：多径传播时延扩展、信号强度的快速衰减和不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制。
多径传输信道表现为信道的冲击响应是一个随机过程。为了研究信道的实际特性，必须从信道特性的统计分析入手，建立信道的统计分析模型。假设通过多径信道传输一个窄脉冲，则接收信号呈现一个窄脉冲序列。如果反反复复多次进行窄脉冲探测试验，则接收脉冲的个数、脉冲的幅度、脉冲之间的相对时延都是随机变化的。如果 通过不同电波入射角及不同的相对运动速度下进行正弦信号的探测试验，则可以发现接收信号不再是一个单频信号，而呈现信号的频扩展特性，而且频扩展特性与电波入射角和相对运动速度密切相关。

第三章 多普勒频移与多径衰落问题的解决方法

1. 解决多普勒频移问题的一般方法
对于较低频段的GSM系统，可以采用增加保护带宽的方法，克服多普勒频移引起的误码率问题，在采用FDMA多址技术的通信系统中，整个系统带宽被分为若干个不相重叠的子带来传输并行的数据流，每个子带被称为一个信道，大约为几十KHz或十几KHz，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。此时的多普勒频移低于0.5KHz，为了避免子带间相互干扰，可以在子信道之间增加保护频带，从而克服多普勒频移产生的影响。该方法的优点是实现简单，而且不增加传输时间；但是频谱的利用率低，而且在频分多路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。
对于频段很高的3G系统，一般解决方法的基本思想是在接收端估计出频偏值，再用均衡或同步的方法进行补偿。但是，这些方法都需要准确的信道估计，在接收机移动速率很大、信道处于快衰落的情况下，要实现准确快速的信道估计非常困难。而且，一般的信道估计计算法只能得到一个固定的频偏值，所以在多普勒扩展（同时存在多个频偏）的情况下不能达到很好的效果。目前分集复用技术是一种比较通用的解决方法。

2.OFDM
2.1 概述
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
2.2 基本原理
正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。
　　图是OFDM基带信号处理原理图。其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。
　　当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。
　　在发射端，首先对比特流进行QAM或者QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，需加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。
　　当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。

　　FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图（a）所示），这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。
2.3 技术优势
OFDM技术之所以成为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它具有如下的优点：
　　频谱效率高

由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA(正交频分多址)可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。
 带宽扩展性强
　　由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz，大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术(如CDMA)的“决定性优势”。
　　抗多径衰落
　　由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽(如20MHz)。
　　频谱资源灵活分配
　　OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。
2.4 OFDM和CDMA比较
  抗多径干扰能力

　　在无线信道中，多径传播效应造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。 为了抵消这种信号自干扰，CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源,RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。
　　OFDM技术与RAKE接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀（CP）作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：CP越长，能量损失就越大
3.分集的基本原理
分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。

4.分类　　
分集技术包括2个方面：一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是分散接收,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。
总结起来,分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线技术。根据所涉及资源的不同,可分为如下几个大类：
4.1.空间分集
　空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。

空间分集
空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。
空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。
4.2.频率分集

频率分集
频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。
频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以，一般又称它为带内(频带内)分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。
4.3.时间分集
时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送间隔出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。若移动台是静止的，则移动速度，此时要求重复发送的时间间隔才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。
4.4.极化分集
　　在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。
这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。

5.接收与合并技术
“分”与“集”是一对矛盾，在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要分为四种：最大比值合并（MRC: Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC: Equal Gain Combining)、选择式合并(SC: Selection Combining)和切换合并（Switching Combining）。
5.1.最大比合并
　　在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。
最大比值合并方案在收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N 成正比。
5.2.等增益合并
等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。 当N （分集重数）较大时，等增益合并与最大比值合并后相差不多，约仅差1dB 左右。等增益合并实现比较简单，其设备也简单。
5.3.选择式合并
采用选择式合并技术时， N 个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从N 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。
5.4.切换合并
　　切换合并原理图如下：

切换合并原理图

　接收机扫描所有的分集支路，并选择SNR 在特定的预设门限之上的特定分支。在该信号的SNR 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。当SNR 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支，该方案也称为扫描合并。由于切换合并并非连续选择最好的瞬间信号，因此它比选择合并可能要差一些。但是，由于切换合并并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路，因此这种方法要简单得多。
对选择合并和切换合并而言，两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的一个信号。另外，它们也不需要知道信道状态信息。因此，这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。
这里比较的主要是最大比合并，等增益合并，选择式合并在这三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。

6 MIMO
MIMO 表示多输入多输出。MIMO 有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点或接入点支持 MIMO 时才能部署 MIMO。MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 802.11g 接入点的 802.11n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如，如果使用老站点，从 25 英尺的距离连接到接入点的速度是 1Mbps；而使用 802.11n MIMO 时站点的速度为 2Mbps。增加到 2Mbps 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。
　　无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。
　　老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流

　　MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流

　　可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
　　利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
　　MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

7.分集技术与分集改善效果
　　分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。
7.1.分集增益定义
分集增益是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。
7.2.分集改善度定义
分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大，说明分集改善效果越好。

总结
本文主要讨论了移动通信中的多普勒效应以及多径衰落的影响以及解决他们的主要方法------分集复用与合并技术，这些技术目前已经广泛的应用于2G于3G之中，此外，MIMO与OFDM技术在抗信道衰落及提高数据传输速率方面表现出了非常好的性能，这也是目前通信领域的一大热点，由于时间和篇幅的关系，在这里就不再赘述。

参考文献
《高速移动通信中的多普勒频移问题》......北京交通大学 解坤
《通信分集技术》
《高速移动场景下的覆盖解决方案》
《无线信道中的多普勒效应》
《4G移动通信中的空间分集技术》
《抗多径衰落技术》　
《快衰落与慢衰落》