无线通信中的衰落现象

在无线通信中，信号的强度会发生变化，这种现象被称为“衰落”。这种衰落现象是由多种因素导致的，这些因素会影响无线电波的传播。在本文中，我们将讨论无线通信中的衰落现象。

什么是“Fading”？

In 无线通信,衰落是指无线电信号的强度和质量随着时间和距离的变化而波动的现象。衰落是由多种因素引起的，包括多路径传播、大气条件以及传输路径中物体的移动等。衰落会对无线通信系统的性能产生重大影响，尤其是那些在高频频段工作的通信系统。

衰减的类型

小规模衰减

在无线通信中，小范围衰落是一种常见的现象。当信号从发射器传输到接收器时，由于反射、衍射以及周围物体对信号的散射作用，信号会经历多条传播路径。这些不同的传播路径会导致信号干扰。扭曲/变形随着信号的变化，接收器处的信号强度也会发生波动。 所谓“小尺度衰落”，指的是这种现象发生在较短的距离范围内，比如从几厘米到几米之间。因此，这种衰落现象也被称为“小尺度衰落”。 小规模衰落的发生速度非常快，有时甚至可以在微秒或更短的时间内发生。这种现象主要是由信号的多次传播所导致的。 总体而言，小规模衰落是无线通信中常见的问题，它会影响接收信号的品质。 不过，通过采用适当的缓解措施，即使在存在小范围衰落的情况下，仍然可以保持可靠的通信效果。

1.1 多路径延迟扩展:

多路径延迟扩展是一种小尺度衰落现象，当传输信号需要经过多条路径才能到达接收端时就会发生这种现象。信号的不同组成部分可能会在不同的时间到达接收端，从而导致干扰以及信号幅度和相位的快速变化。多路径延迟扩展还会引起符号间干扰（ISI），即传输信号中的各个符号会相互重叠并产生干扰，最终导致接收到的信号出现错误。“Root”指的是平方值（即均方值）。延迟扩散是指信号的分散程度，它决定了通道的频选择性特性。较高的RMS延迟扩散值意味着通道具有更强的频选择性；而较低的RMS延迟扩散值则意味着通道的频选择性较低，即通道对频率的影响较小。可以通过使用均衡技术、分集技术以及自适应调制等技术来减轻多径延迟扩散的影响。 均衡技术被用来补偿由多路径延迟引起的时间扩散现象。 采用多样性技术来结合多个信号路径，从而减轻衰落的影响。 自适应调制技术用于根据信道状况来调整调制方案和数据速率，从而让系统能够适应信道的不断变化，并保持可靠的通信连接。

1.2 多普勒扩散

多普勒频移是一种发生在发射器和接收器之间存在相对运动时的小尺度衰落现象。这种相对运动会导致传输信号的频率发生偏移，这种现象被称为多普勒频移。由于多普勒频移的影响，信号中不同频率的成分在到达接收器时会有不同的相位和振幅。这就导致了信号的快速变化。振幅与相位这可能会导致接收信号出现衰减和错误。

多普勒扩展是指多普勒频移变化速率的度量，它决定了信道的时变特性。 较高的多普勒扩散系数意味着通道中的时间变化速度更快；而较低的多普勒扩散系数则意味着时间变化速度较慢。 可以通过使用均衡、分集以及自适应调制等技术来减轻多普勒扩展的影响。 均衡技术被用来补偿由多普勒扩散引起的时间扩散现象。 采用多样性技术，可以将多个信号路径结合起来，从而减轻衰落带来的影响。 自适应调制技术用于根据信道状况来调整调制方案和数据速率，从而让系统能够适应信道的不断变化，并保持可靠的通信连接。 多普勒频移是设计无线通信系统时需要考虑的一个重要因素，尤其是在移动应用中，发射机和接收机之间往往存在显著的相对运动。

2. 大规模衰落现象

当发射器和接收器之间出现障碍物时，就会发生大规模的信号衰减现象。这种干扰会导致信号强度显著下降。这是因为……电磁波被障碍物遮挡或阻挡了。 这与信号在传输过程中出现的巨大波动有关。 之所以称之为“大规模”，是因为这些变化发生在较长的距离上，通常可达几公里。 与影响单个符号或比特的小规模衰落不同，大规模衰落则会影响整个信号。 大规模衰落是一种变化缓慢的现象，也就是说，它的变化过程发生在几秒到几分钟的时间范围内。 针对大规模衰落情况的缓解技术包括功率控制、天线布局等。中继器此外，还有站点多样性这一因素需要考虑。总体而言，大规模衰落是无线通信系统设计中必须考虑的一个重要因素，因为它会显著影响接收信号的品质。

2.1 路径损耗

路径损耗指的是信号从发射端传输到接收端过程中，信号功率所减少的程度。 其产生原因多种多样，包括距离、信号的频率、信号传输过程中的障碍物，以及环境的特性等因素。 路径损耗通常是通过使用一种衰减方程来建模的，该方程考虑了这些因素。 这通常是一种变化缓慢的现象，它会影响接收到的信号的整体强度。 可以通过增加传输功率、使用定向天线或缩短发射机与接收机之间的距离来减轻路径损耗的影响。

自由空间路径损耗公式可以表示为：
Pt/Pr= {(4πd)}2/ Gt Gr λ2} = (4πf·d)2/ Gt Gr c2
在哪儿呢？
Pt= 传输功率
Pr= 接收电力
c = 光速，即 3×10^8 米/秒8
d = 发射天线与接收天线之间的距离
λ = 波长
Gt= 指的是发射天线的增益。
Gr= 指的是接收天线的增益。

2.2 模仿/跟随

“影子效应”是一种大规模衰落现象，其发生是由于信号传播路径中存在障碍物或阻碍物所导致的。这种效应会导致信号强度随着接收器在环境中的移动而发生变化。通常，这种现象可以被建模为对数正态分布，其中均值和标准差取决于环境的特性。

阴影效应是一种随时间缓慢变化的现象，它会影响到接收到的信号强度。可以通过使用多种技术来减轻这种效应，比如利用多个天线来合并多个信号路径，或者利用信号处理技术来估计阴影效应的影响并对其进行补偿。

为了应对模糊现象带来的影响，远程通信系统采用了多种策略，其中包括：

• 多样化策略：这包括使用不同的无线电信号或频道来传输信息，从而创造出多种不同的传输方式。这些传输方式可以在接收端进行合并，以此来减少信号模糊现象的影响。
• 平衡程序：这包括利用计算机化的信号处理算法来处理因模糊现象而导致的信号弯曲问题。
• 功率控制策略：这包括调整发送能力，以在图像模糊的情况下仍然保持一定的信号质量。
• 调整程序/方法：这包括使用更可靠的调制方案，比如QPSK或16-QAM。这些调制方案能够承受更高的信号强度以及更多的干扰情况。

衰落模型的实现或衰落分布的处理

• 瑞利衰减
  • 描述/说明瑞利衰落假设接收到的信号强度遵循瑞利分布。
  • 情景/情境通常用于建模非视距（NLOS）无线信道。
  • 应用程序/软件在具有多路径传播的城市环境中，瑞利衰落现象非常普遍。1.
• 瑞西安式衰减
  • 描述/说明Rician衰落现象既包含主导的视距传播成分，也包含散射的多径传播成分。
  • 情景/情境适用于那些存在强直射光路径，同时又有较弱的多路径干扰的环境。
  • 应用程序/软件通常用于与反射面相关的室内无线通信场景。1.
• 中田衰减现象
  • 描述/说明Nakagami衰落模型利用Nakagami分布来描述接收信号的包络。
  • 情景/场景适用于那些存在中度到重度多径衰减现象的信道。
  • 应用程序/软件用于诸如移动通信和卫星连接之类的场景中。1.
• 威布尔衰落模型
  • 描述/说明Weibull衰落模型通过考虑Weibull分布的形状参数来描述衰落的特性。
  • 情景/场景适用于对具有不同衰落条件的信道进行建模的场景。
  • 应用程序/软件适用于那些环境随时间而变化的场景。

小规模衰落与大规模衰落的比较