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矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析【摘要】现有的矿山通信系统分为有线与无线系统，前者是以线缆为媒介的通信形式，因其抗干扰力强、信号传输稳定的特点，长期以来一直是为矿山通信的重要形式，同时利用光纤等成熟技术很容易实现宽带化升级改造。
但是，根据矿山生产实际情况，特别是井下生产特点，有线通信系统存在着许多局限性，如架线繁杂，缺乏灵活性，易受损，影响着系统有效运行。
所以，大力发展矿井无线通信技术，是矿井通信的现实需求和未来发展方向。
【关键词】矿井通信；信号传输；技术先进；经济合理；大尺度衰落；小尺度衰落0 引言近些年，随着“数字矿山”建设的稳步推进，对承载传输信息的矿山通信系统提出更高的要求。
也就是说，现有的矿山通信系统，即单纯的话音和简单监测监控数据传输的矿山窄带通信系统已无法满足这种发展要求，矿山通信系统的宽带化（也就是高传输速率、大传输容量、低误码率、高实时性）已是发展的趋势。
1 矿井无线信道传播特性1.1 大尺度衰落当移动接收端在大的距离范围（一般的距离为大于几十个波长的范围）内移动时，由于机车、风门、立柱、综采机等障碍物对电波的遮挡所造成的电磁波传播阴影而引起的衰落，通常称为阴影衰落。
这种衰落现象表现为，平均接收信号场强中值的变化，因此也称之为长期衰落或大尺度衰落。
大尺度衰落主要受发射机和接收机之间的距离和周围的地物环境的影响。
1.2 小尺度衰落电磁波信号在巷道环境中传播，大量的反射分量和散射分量造成了电磁波多路径传播，是矿井无线信道信号传输的主要形式，当移动台在一个小的范围内（一般小于几十个波长距离）运动时，引起接收信号的幅度、相位和到达角度的快速起伏变化，这种衰落通常称之为小尺度衰落。
它是信号多径传播衰落现象最为直接的表现结果。
2 矿井宽带无线信道小尺度衰落特性2.1 描述小尺度衰落的参数描述矿井无线信道三组参数为：时延扩展（相关带宽），多普勒扩展（相关时间）和角度扩展（相关距离）。
它们可以用包络相关函数来确定。
156第六章小尺度衰落信道前面已经介绍无线信道的传播模型可分为大尺度（Large-Scale）传播模型和小尺度（Small-Scale）衰落两种[2]，三、四、五章已经介绍了大尺度传播。
所谓小尺度是描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度快速变化的；而移动无线信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收信号的幅度急剧变化，产生了衰落，因此，本章将介绍小尺度衰落信道，这对我们移动通信研究中传输技术的选择和数字接收机的设计尤为重要。
本章将先介绍小尺度的衰落和多径的物理模型和数学模型，使读者从概念上清楚地认识移动无线信道的主要特点，并建立一个统一的数学模型，为以后讨论各种模型奠定基础；接着将介绍移动多径信道的三组色散参数——时间色散参数(时延扩展，相关带宽)、频率色散参数(多普勒扩展，相关时间)、角度色散参数(角度扩展，相关距离)，为之后的信道分类奠定了基础；接下来介绍衰落信道的一阶包络统计特性、二阶统计特性，大量的实测数据表明，在没有直达路径的情况下（如市区），信道的包络服从瑞利分布，在有直达路径的情况下（如郊区），信号包络服从莱斯分布，因此，一阶包络统计特性主要介绍瑞利衰落分布和莱斯衰落分布，二阶统计特性主要介绍一组对偶参数——时间电平交叉率和平均衰落持续时间，简要介绍其他两组对偶参数——频域电平交叉率和平均衰落持续带宽，空间电平交叉率和平均衰落持续距离；在已经介绍了多径信道的三组色散参数之后，将介绍小尺度衰落信道相对应的不同分类。
6.1 衰落和多径6.1.1 衰落和多径的物理模型陆地移动信道的主要特征是多径传播。
传播过程中会遇到很多建筑物，树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射及绕射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。
到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而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，相位也就不同。
多径效应百科名片多径效应（multipatheffect）：电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。
在实际的无线电波传播信道中(包括所有波段)，常有许多时延不同的传输路径。
各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落。
因此，多径效应是衰落的重要成因。
多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。
目录简介电离层短波的多径效应多径效应描述影响抵抗措施应用多径效应引起的衰落编辑本段简介多径效应多径效应移动体(如汽车)往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。
多径效应会引起信号衰落。
各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。
这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。
各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。
因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。
在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。
与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。
编辑本段电离层短波的多径效应多径效应传播的多径效应经常发生而且很严重。
它有两种形式的多径现象：一种是分离的多径，由不同跳数的射线、高角和低角射线等形成，其多径传播时延差较大；另一种是微分的多径，多由电离层不均匀体所引起，其多径传播时延差很小。
对流层电波传播信道中的多径效应问题也很突出。
多径产生于湍流团和对流层层结。
在视距电波传播中，地面反射也是多径的一种可能来源。
编辑本段多径效应描述多径时延特性可用时延谱或多径散布谱（即不同时延的信号分量平均功率构成的谱）来描述。
与时延谱等价的是频率相关函数。
实际上，人们只简单利用时延谱的某个特征量来表征。
例如，用最大时延与最小时延的差，表征时延谱的尖锐度和信道容许传输带宽。
小尺度衰落产生原因作者：白舸摘要：本文先对小尺度衰落的有关概念进行了解释和梳理，然后就小尺度衰落的产生原因提出了作者自己的看法，并试图通过实验论证自己的观点。
关键词：小尺度衰落，多径时延扩展，多普勒扩展1、引言从上世纪60至70年代，贝尔实验室的研究人员提出了蜂窝的概念起，人们开始研究移动通信的信道，移动通信要克服的一大困难就是小尺度衰落，因此，小尺度衰落历来是无线电波传播研究的重要环节。
小尺度衰落指的是信号在小尺度区间（距离或时间的微小变化）的传播过程中，信号的幅度、相位和场强瞬时值的快速变化。
前人对小尺度衰落进行了很多研究，建立了多种模型，如Ricean 衰落、Reyleigh衰落和Nakagami衰落。
说到小尺度衰落的产生原因，很多人都会想到两个词：多径和多普勒。
但是与之相关的一些概念由于表述方式相近，导致人们对这些概念产生了误解，进而也影响到大家对小尺度衰落产生原因的理解。
本文将根据作者的体会，对小尺度衰落的生成原因进行阐述。
接下来的一节会说明与多径和多普勒有关的概念，第三节解释小尺度衰落与多径以及多普勒的关系，文章的最后一节将通过实验论证作者的观点。
2、多径和多普勒多径（multipath），是指在无线信道中，由于反射或者折射，在发射机和接收机之间不会只有单一视距传输路径，会形成的多种不同的传输路径。
不难理解，若信号从发射机到接收机有多条传输路径，通过每条路的传播时间以及传播距离就会不同，这可导致各多径分量上，信号到达接收机的时间也不一样。
这些路径中肯定存在一条最短路径，则信号通过其它路径到达接收机的时间，肯定会比通过最短路径到达接收机的时间延长，这种时间的延长称为多径时延（multipath time delay ）。
在各径的时延中，有一部分时延并不大，使得接收机不能把它们跟最早到达的信号解析出来，这些时延信号相加，造成接收信号在时间上宽度扩展，这种现象叫多径时延扩展(delay spread)。
通信衰落的概念通信衰落是指无线传输中信号强度随着距离的增加而衰减的现象。
它是无线通信系统中一个重要的问题，对无线传输质量和系统性能有重要影响。
无线传输中的衰落主要分为大尺度衰落和小尺度衰落两种情况。
大尺度衰落是指由于信号传播环境的变化引起的信号强度变化，它通常发生在通信系统覆盖范围较大的区域内，比如城市、乡村、山区等。
大尺度衰落主要受到以下因素的影响：1. 阴影衰落（Shadowing）：阴影效应是指由于信号在传播过程中遇到固定和随机障碍物的遮挡而产生的衰落。
这些障碍物包括建筑物、树木、山地等自然和人造障碍物。
阴影衰落会使信号强度在不同位置之间有较大的波动，并且难以预测和修正。
2. 多径衰落（Multipath Fading）：多径衰落是指信号由于传播路径的不同长度和反射、散射等现象导致信号的干涉和叠加，从而引起信号强度的波动。
这种衰落主要受到地面、建筑物、人体等反射、散射等效应的影响。
多径衰落会使得信号在接收端出现快速的振荡，导致接收端很难正确解析信号。
大尺度衰落一般以统计特性来描述，常用的参数包括均值、方差、分布函数等。
在无线通信系统中，通过合理的信号处理和天线优化可以有效降低大尺度衰落对系统性能的影响。
小尺度衰落是指由于信号的传播介质、随机性等因素引起的短时间尺度内的信号强度的快速变化。
小尺度衰落主要受到以下因素的影响：1. 多径传播干扰：由于信号经过多个不同路径传播到达接收端，会产生不同时间延迟的干扰波，导致信号叠加时产生衰落。
尤其是在高速移动场景下，多径传播干扰更为明显。
2. 多普勒频移（Doppler Shift）：当通信系统中的移动终端或基站移动速度较快时，信号的频率会发生变化，导致信号的相位偏移，进而引起信号强度的快速变化。
多普勒频移对信号的幅度和相位都会产生影响。
小尺度衰落一般以快衰落和慢衰落来描述。
快衰落指的是信号强度在时间尺度上迅速变化，常用参数包括均衡时间、相关时间等。
慢衰落指的是信号强度在时间尺度上缓慢变化，常用参数包括衰落深度、衰落持续时间等。
