多徑的影響及解決措施

在無線通信領(lǐng)域，多徑指無線電信號從發(fā)射天線經(jīng)過多個路徑抵達(dá)接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播。

在無線傳輸系統(tǒng)中，多徑是指同時接收到兩個副本，這兩個副本經(jīng)過了不同的傳輸途徑，具有不同的傳輸延時。

例如：從建筑物或其他物體反射的信號與直接傳輸?shù)男盘?非反射信號)一起被接收機接收。這在電視接收機中會引起“疊影” — 人們可以看到在水平方向有一個衰減的回波疊加在主圖像上。

另外一個常見的例子是收音機(特別是調(diào)幅收音機)，信號通過電離層反射后具有一定的延時，這個信號與直接傳輸?shù)男盘栆黄鸨皇找魴C所接收。

通常，多徑對系統(tǒng)造成了不良影響，但在MIMO系統(tǒng)中不同，MIMO系統(tǒng)專門利用不同的天線發(fā)送信號的副本，復(fù)雜的接收系統(tǒng)將不同碼片組合起來進(jìn)行處理，以改善系統(tǒng)性能。

多徑帶來的影響

多徑會導(dǎo)致信號的衰落和相移。瑞利衰落就是一種沖激響應(yīng)幅度服從瑞利分布的多徑信道的統(tǒng)計學(xué)模型。對于存在直射信號的多徑信道，其統(tǒng)計學(xué)模型可以由萊斯衰落描述。

在電視信號傳輸中可以直觀地看到多徑對于通信質(zhì)量的影響。通過較長的路徑到達(dá)接收天線的信號分量比以較短路徑到達(dá)天線的信號稍遲。因為電視電子槍掃描是由左到右，遲到的信號會在早到的信號形成的電視畫面上疊加一個稍稍靠右的虛像。

基于類似的原因，單個目標(biāo)會由于地形反射在雷達(dá)接收機上產(chǎn)生一個或多個虛像。這些虛像的運動方式與它們反射的實際物體相同，因此影響到雷達(dá)對目標(biāo)的識別。為克服這一問題，雷達(dá)接收端需要將信號與附近的地形圖相比對，將由反射產(chǎn)生的看上去在地面以下或者在一定高度以上的信號去除。

在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)產(chǎn)生的符號間干擾(inter-symbol-interference，ISI)會影響到信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。時域均衡、正交頻分復(fù)用(OFDM)和Rake接收機都能用于對抗由多徑產(chǎn)生的干擾。

時域均衡的基本思想是使用橫向濾波器在延遲時間內(nèi)利用當(dāng)前接收到的編碼序列判斷下一個編碼序列，去除判斷規(guī)則之外的錯誤編碼，從而消除編碼中存在的錯誤，減小碼間干擾。例如已知編碼序列11001的下一個應(yīng)該是10，若出現(xiàn)01，則去除，接著判斷下一個序列，直到恢復(fù)正確的編碼序列。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是LTE(UMTS標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)技術(shù))采用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的基本思想是將數(shù)據(jù)流分解成若干個獨立的低速比特流，從頻域上說就是分成多個子載波，然后并行發(fā)送出去。這樣可以有效地降低高速傳輸時，由于多徑傳輸而帶來的碼間干擾。為了最大程度地消除多徑效應(yīng)和其他因素引起的碼間干擾，OFDM技術(shù)還在每個信號中設(shè)置一段空閑的傳輸時段，稱之為保護(hù)間隔，該時間段大于信道最大時延，從而不會對下一個信號產(chǎn)生延時引起的碼間干擾。如圖所示，虛線所示為無信號的空閑段，此時盡管由于多徑傳輸發(fā)生前后信號的重疊，但由于空閑段的無信號，因此重疊部分不會產(chǎn)生干擾。實際應(yīng)用中，由于空閑傳輸時段無波形，此時若為多個載波的重疊部分，則破壞了正交性，會由于多徑傳輸引起信道間干擾(ICI，Inter Channel Interference)，為此在空閑時間段也填入信號，稱之為循環(huán)前綴，接收時則將此段信號舍棄。圖中虛線部分加入信號波形后即成為循環(huán)前綴。

多徑效應(yīng)不僅是衰落的經(jīng)常性成因，而且是限制傳輸帶寬或傳輸速率的根本因素之一。在短波通信中，為保證電路在多徑傳輸中的最大時延與最小時延差不大于某個規(guī)定值，工作頻率要求不低于電路最高可用頻率的某個百分?jǐn)?shù)。這個百分?jǐn)?shù)稱為多徑縮減因子，是確定電路最低可用頻率的重要依據(jù)之一。圖中為多徑縮減因子與路徑長度的關(guān)系。對流層傳播信道中的抗多徑措施，通常有抑制地面反射、采用窄天線波束和分集接收等。

解決多徑干擾的措施

抗多徑干擾主要有如下幾個方面措施：

(1)提高接收機的距離測量精度，如窄相關(guān)碼跟蹤環(huán)、相位測距、平滑偽距等;

(2)抗多徑天線;

智能天線利用多個天線陣元的組合進(jìn)行信號處理，自動調(diào)整發(fā)射和接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境達(dá)到最優(yōu)性能。智能天線是一種空分多址(SDMA)技術(shù)，主要包括兩個方面：空域濾波和波達(dá)方向(DOA)估計?？沼驗V波(也稱波束賦形)的主要思想是利用信號、干擾和噪聲在空間的分布，運用線性濾波技術(shù)盡可能地抑制干擾和噪聲，以獲得盡可能好的信號估計。

智能天線通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，自動調(diào)整天線的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而在有用信號方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾的目的。加權(quán)系數(shù)的自動調(diào)整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時也減少了小區(qū)間干擾。

(3)抗多徑信號處理與自適應(yīng)抵消技術(shù)等。

多址干擾是由于在多用戶系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)單用戶接收方案而造成的惡果。單用戶接收機采用匹配濾波器作為相關(guān)判決的工具，并不考慮多址干擾的存在，每個用戶的檢測都不考慮其他用戶的影響，是一種針對單用戶檢測的策略。一般說來，單個用戶傳輸時不存在多址干擾，但在多用戶環(huán)境中，當(dāng)干擾用戶數(shù)增加或者他們的發(fā)射功率增加時，多址干擾將不容忽視。因此多用戶檢測技術(shù)應(yīng)允而生，其算法有最優(yōu)檢測算法和次優(yōu)檢測算法。

在CDMA系統(tǒng)中，多用戶檢測問題實際上就是從若干個隨機變量線性組合后加噪聲的觀察值中提取出目標(biāo)隨機變量的過程。一般情況下，多用戶接收機不僅需要知道所有用戶的擴頻信息而且還需隨著系統(tǒng)的時變不斷更新。此外，還需估計用戶的幅值、相位以及定時信息用于接收端的檢測，這樣勢必造成計算復(fù)雜度的增加。由于這一限制，多用戶檢測大都應(yīng)用于基站一側(cè)，若要將其應(yīng)用于移動臺一側(cè)，一種實現(xiàn)方法是發(fā)送已知的訓(xùn)練序列自適應(yīng)地將接收機參數(shù)調(diào)整到理想的工作狀態(tài)。該方法有明顯的弊?。寒?dāng)信道響應(yīng)突變或者用戶數(shù)目變化時，就必須重新發(fā)送訓(xùn)練序列，而頻繁發(fā)送訓(xùn)練序列會造成頻譜資源的極大浪費。鑒于以上原因，開發(fā)不需要所有用戶的擴頻信息，也不需要發(fā)送訓(xùn)練序列的盲多用戶檢測算法成為業(yè)界研究的新熱點。以線性檢測為例，線性盲多用戶檢測就是在不知道干擾用戶擴頻信息，也不需要訓(xùn)練序列的情況下求出權(quán)向量的過程。由于所有用戶都以相同調(diào)制方式獨立工作，可以假設(shè)各用戶的信息碼元及同一用戶的不同碼元之間都是獨立同分布的，而幅度的差異可以反映在信道響應(yīng)混合矩陣的系數(shù)中。