从移动终端连接到接入网的技术难题

夏麟

【摘要】信道资源十分珍贵，同时信道中的情况也十分恶劣。当我们考虑用户使用移动终端进行通信时，我们并不担心数据包的转发方式，也不关心调制解调是否可靠，我们对话路转接的过程也十分放心。唯独信道多变和复杂的特性使得我们必须采用很大的代价，采取大量的技术手段，才能提升通话的可靠性，使通信高效稳定的进行。每一次发送速率的提升，每一次对频带进一步的利用，都不能不考虑信道中出现的反应以及这种反应对信号的影响，以下我们详细分析了信道特性，简单阐述了信号通过信道的变化以及对信号畸变的解决方法。

【关键词】信道；多普勒频移；多径传输

【Abstract】Channel resources are very valuable， while the situation in the channel is also very bad. When we consider the use of mobile terminals for mobile communication， we do not worry about the way forward packets， do not care whether the modem is reliable， we transfer the process of dialogue is also very assured. Only channel changeable and complex features make it necessary to use a lot of cost， to take a lot of technical means to improve the reliability of the call， so that the efficient and stable communication. Each time the transmission rate increases， each time the band is further utilized， can not but consider the response in the channel and the impact of this reaction on the signal， the following we detailed analysis of the channel characteristics， a brief description of the signal through the channel changes and Solution to signal distortion.

【Key words】Channel；Doppler shift；Multipath transmission

1.无线接入网面临的主要问题

（1）为实现点对点甚至点对多点之间通信，最有效最快捷的方式就是使用电，即我们所说的“电信”。电信运营商最看重的就是业务能力，为了高效可靠的业务能力，运营商在有限的频带资源中想尽一切办法尽可能的传输高速率的信号。移动终端点对点之间的通信持续时间短，高速突发，通信链路快建快拆，于是运营商通过计算機与集成电路建立行之有效的电路切换方法，用软交换的方法实现业务，控制，承载的分离，以便于更好的提供高质量高效率的服务，提高业务能力。在较短时间内采用时分复用，扩频技术等手段高效利用通信时间，提高传输能力和效率。

（2）从人手所持的移动终端连接到接入网乃至核心网，过程之中所采用的技术是十分关键的，本文着重分析移动终端和无线网之间的连接主要面临的问题。首先为了实现远距离通信，首先要考虑的问题就是信号覆盖，最一开始人们考虑的信号覆盖方式就是采用卫星或大功率发射塔，正如每一家都有收音机那样。实际上效果非常不理想，由于信号在传输的过程中，经过不同的地形，反射，折射，散射，绕射。在高速多用户数据发送时面临多址方式，瑞丽衰落，信号互扰，频带有限等一系列问题。

当无线信号在传输的过程中一定会出现随距离而衰减的现象，其距离与信号强度（dB）之间的关系如图1所示，信号随着距离呈现反比例函数的衰减，其横坐标距离的数量级在Km级。这种衰减也被称之为大尺度衰落，这种衰落起先虽然被认为是一个需要解决的问题，及至到了后期，人们发现这种特性有许多的好处，我们都知道BTS基站负责信号的发送与接收，当基站建立在屋面或几十米高的铁塔上时，处于地面的人群所受的辐射每立方米不足1个瓦特，由于大尺度衰落，每一个基站的扇区辐射的距离有限，成为蜂窝移动系统反复利用某个频段的理论基础。而且大尺度衰落的程度有所依据，对所有速率和频率的信号衰减程度相同，对通信并未造成任何真正的问题。移动终端通信的切换问题也是通过几个基站共同连接同一终端，然后选择最佳通信线路进行通信的，所以解决起来并不困难。

（3）信号在传输的过程中除了散射和折射以外还会存在阻挡，特别是在人口建筑密集的市区，由于墙壁或地形阻挡而形成的信号阴影区称为阴影衰落或称为中尺度衰落，这种情况往往在阴影区设立直放站或者在建筑物内增加室内分布系统来解决。

（4）接收端收到的信号通常是由发射信号经过多径传输后的矢量合成，多径的随机性使信号的相位也具有随机性，因此接收端信号经过矢量合成后有可能发生严重的衰落。这种衰落往往只要求无线信号经过短时间或短距离传输，我们称之为衰落叫做小尺度衰落，也叫快衰落。由于小尺度衰落导致信号的幅度快速衰落，以致大尺度衰落可忽略不计，而且平均路径损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计可消除这种不利影响；而多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。

2. 瑞利衰落

（1）所谓的小尺度的衰落是就几倍波长而言的，在此范围内，信号经过不同路径到达同一接收端会导致幅度偏移严重，多普勒频移造成严重的频移，时间色散，基带信号失真，即使在一条视距范围内传输，仍然会通过多条路径到达接收端，接收端自然无法分辨几路相干信号互相叠加的合成量，这个合成信号随着时间在不断变化，有的相加增强，有的互相抵消而造成衰落，如图2所示，

（2）信号叠加后所形成的强度（dB）与传输距离（Km）的关系如图3所示，我们可以观察到在短短的几千米内就出现了数十个的深衰落和上千个浅衰落，二位坐标图像并没有展示出这种关系随时间的变化，事实上，必须出现相应的技术使接收端能够避开接受深度衰落信号而获取衰落程度低的信号。比较常见的技术就是采用多天线分级接收的方法，多接收几路信号进行比较，选择其中衰减程度最低的信号进行处理。或者将所有信号全部接收后进行某种运算处理，得到计算后可以接受的信号。

（3）如果环境物体的移动速度大于信号台的移动速度，那么移动台的速度对小尺度衰落将起决定性作用。如果信号台的速度大于环境物体的移动速度，那么就只考虑运动的影响而忽略环境对物体运动的影响。

3. 多径衰落信道

从图4分析出，当移动台移动速度从1增至5再增至10时，直射径信号、反射径信号和移动台接收到的合成信号频率均不变，直射径信号和移动台接收的合成信号的衰减速度更快，反射径信号呈变大趋势。即使在同一频率，在不同的时间点，合成信号的强度也是不一样的。当接收信号的强度相对位于波谷位置，接收的合成信号几乎为0，当接收信号的强度相对位于波峰位置，接收的直射信号和反射信号要比合成信号大得多，这种由于移动台运动而导致的信号增强或削弱情况就是时间选择性衰落。

4. 无线信道特性总结

在无线信道中，发送和接收天线之间通常存在多于一条的信号传播路径。多径的存在是因为发射机和接收机之间建筑物和其他物体的反射、绕射、散射等引起的。当信号在无线信道传播时，多径反射和衰减的变化将使信号历经随机波动。因此，无线信道的特性是不确定的，随机变化的。多径衰落信道的两个特点：频率选择性衰落和时间选择性衰落。产生小尺度衰落的根本原因只是多径因素。多径特性造成的多径时延扩展会引起时间色散，导致信号在频率上的衰落特性（平坦衰落或频率选择性衰落）；多径传播与多普勒频移相结合产生的多普勒扩展会引起频率色散，导致信号在时间上的衰落特性（快衰落或慢衰落）。可见，多普勒效应只是在多径的基础上使得衰落问题更加复杂并带来更大的不确定性。基于多径时延扩展的小尺度衰落和基于多普勒扩展的小尺度衰落是两种不同的传播機制，这两种机制彼此独立。

参考文献

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[2] Alan V.Oppenheim. Signals and Systems. 2014（07）.

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[4] 宽带CDMA系统中最大多普勒频移估计方法的研究[J]. 盛彬，尤肖虎. 通信学报. 2004（06）.

[5] OFDM通信系统中的多普勒频移估计[D]. 孟建刚.西安电子科技大学 2011.

[文章编号]1619-2737（2017）07-20-668