多徑的影響及解決措施

在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，多徑指無(wú)線(xiàn)電信號從發(fā)射天線(xiàn)經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑抵達接收天線(xiàn)的傳播現象。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(huì )造成多徑傳播。

在無(wú)線(xiàn)傳輸系統中，多徑是指同時(shí)接收到兩個(gè)副本，這兩個(gè)副本經(jīng)過(guò)了不同的傳輸途徑，具有不同的傳輸延時(shí)。

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

另外一個(gè)常見(jiàn)的例子是收音機(特別是調幅收音機)，信號通過(guò)電離層反射后具有一定的延時(shí)，這個(gè)信號與直接傳輸的信號一起被收音機所接收。

通常，多徑對系統造成了不良影響，但在MIMO系統中不同，MIMO系統專(zhuān)門(mén)利用不同的天線(xiàn)發(fā)送信號的副本，復雜的接收系統將不同碼片組合起來(lái)進(jìn)行處理，以改善系統性能。

多徑帶來(lái)的影響

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

在電視信號傳輸中可以直觀(guān)地看到多徑對于通信質(zhì)量的影響。通過(guò)較長(cháng)的路徑到達接收天線(xiàn)的信號分量比以較短路徑到達天線(xiàn)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(huì )在早到的信號形成的電視畫(huà)面上疊加一個(gè)稍稍靠右的虛像。

基于類(lèi)似的原因，單個(gè)目標會(huì )由于地形反射在雷達接收機上產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)虛像。這些虛像的運動(dòng)方式與它們反射的實(shí)際物體相同，因此影響到雷達對目標的識別。為克服這一問(wèn)題，雷達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。

在數字無(wú)線(xiàn)通信系統中，多徑效應產(chǎn)生的符號間干擾(inter-symbol-interference，ISI)會(huì )影響到信號傳輸的質(zhì)量。時(shí)域均衡、正交頻分復用(OFDM)和Rake接收機都能用于對抗由多徑產(chǎn)生的干擾。

時(shí)域均衡的基本思想是使用橫向濾波器在延遲時(shí)間內利用當前接收到的編碼序列判斷下一個(gè)編碼序列，去除判斷規則之外的錯誤編碼，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(gè)應該是10，若出現01，則去除，接著(zhù)判斷下一個(gè)序列，直到恢復正確的編碼序列。

正交頻分復用(OFDM)技術(shù)是LTE(UMTS標準的長(cháng)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據流分解成若干個(gè)獨立的低速比特流，從頻域上說(shuō)就是分成多個(gè)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(shí)，由于多徑傳輸而帶來(lái)的碼間干擾。為了最大程度地消除多徑效應和其他因素引起的碼間干擾，OFDM技術(shù)還在每個(gè)信號中設置一段空閑的傳輸時(shí)段，稱(chēng)之為保護間隔，該時(shí)間段大于信道最大時(shí)延，從而不會(huì )對下一個(gè)信號產(chǎn)生延時(shí)引起的碼間干擾。如圖所示，虛線(xiàn)所示為無(wú)信號的空閑段，此時(shí)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(wú)信號，因此重疊部分不會(huì )產(chǎn)生干擾。實(shí)際應用中，由于空閑傳輸時(shí)段無(wú)波形，此時(shí)若為多個(gè)載波的重疊部分，則破壞了正交性，會(huì )由于多徑傳輸引起信道間干擾(ICI，Inter Channel Interference)，為此在空閑時(shí)間段也填入信號，稱(chēng)之為循環(huán)前綴，接收時(shí)則將此段信號舍棄。圖中虛線(xiàn)部分加入信號波形后即成為循環(huán)前綴。

多徑效應不僅是衰落的經(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(shí)延與最小時(shí)延差不大于某個(gè)規定值，工作頻率要求不低于電路最高可用頻率的某個(gè)百分數。這個(gè)百分數稱(chēng)為多徑縮減因子，是確定電路最低可用頻率的重要依據之一。圖中為多徑縮減因子與路徑長(cháng)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(xiàn)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(gè)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(xiàn);

智能天線(xiàn)利用多個(gè)天線(xiàn)陣元的組合進(jìn)行信號處理，自動(dòng)調整發(fā)射和接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境達到最優(yōu)性能。智能天線(xiàn)是一種空分多址(SDMA)技術(shù)，主要包括兩個(gè)方面：空域濾波和波達方向(DOA)估計?？沼驗V波(也稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)通過(guò)自適應算法控制加權，自動(dòng)調整天線(xiàn)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，達到抑制干擾的目的。加權系數的自動(dòng)調整就是波束的形成過(guò)程。智能天線(xiàn)波束成型大大降低了多用戶(hù)干擾，同時(shí)也減少了小區間干擾。

(3)抗多徑信號處理與自適應抵消技術(shù)等。

多址干擾是由于在多用戶(hù)系統中采用傳統單用戶(hù)接收方案而造成的惡果。單用戶(hù)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(gè)用戶(hù)的檢測都不考慮其他用戶(hù)的影響，是一種針對單用戶(hù)檢測的策略。一般說(shuō)來(lái)，單個(gè)用戶(hù)傳輸時(shí)不存在多址干擾，但在多用戶(hù)環(huán)境中，當干擾用戶(hù)數增加或者他們的發(fā)射功率增加時(shí)，多址干擾將不容忽視。因此多用戶(hù)檢測技術(shù)應允而生，其算法有最優(yōu)檢測算法和次優(yōu)檢測算法。

在CDMA系統中，多用戶(hù)檢測問(wèn)題實(shí)際上就是從若干個(gè)隨機變量線(xiàn)性組合后加噪聲的觀(guān)察值中提取出目標隨機變量的過(guò)程。一般情況下，多用戶(hù)接收機不僅需要知道所有用戶(hù)的擴頻信息而且還需隨著(zhù)系統的時(shí)變不斷更新。此外，還需估計用戶(hù)的幅值、相位以及定時(shí)信息用于接收端的檢測，這樣勢必造成計算復雜度的增加。由于這一限制，多用戶(hù)檢測大都應用于基站一側，若要將其應用于移動(dòng)臺一側，一種實(shí)現方法是發(fā)送已知的訓練序列自適應地將接收機參數調整到理想的工作狀態(tài)。該方法有明顯的弊?。寒斝诺理憫蛔兓蛘哂脩?hù)數目變化時(shí)，就必須重新發(fā)送訓練序列，而頻繁發(fā)送訓練序列會(huì )造成頻譜資源的極大浪費。鑒于以上原因，開(kāi)發(fā)不需要所有用戶(hù)的擴頻信息，也不需要發(fā)送訓練序列的盲多用戶(hù)檢測算法成為業(yè)界研究的新熱點(diǎn)。以線(xiàn)性檢測為例，線(xiàn)性盲多用戶(hù)檢測就是在不知道干擾用戶(hù)擴頻信息，也不需要訓練序列的情況下求出權向量的過(guò)程。由于所有用戶(hù)都以相同調制方式獨立工作，可以假設各用戶(hù)的信息碼元及同一用戶(hù)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混合矩陣的系數中。