3.1 衰落信道简介

信道的衰落特性主要取决于信道条件，这两个用于表征信道条件的参数分别是信道的相干带宽和相干时间。相干时间和相干带宽分别依赖于多径分量的多普勒频移和延迟扩展。众所周知，多普勒频移发生在通信过程中，当发射机和接收机之间存在相对运动时，发射机和接收机可能是同向运动也可能是反向运动。当同向运动时，发射机和接收机会离得更近；而当反向运动时，发射机和接收机会离得更远。因此，多普勒频移的影响可能是正面的，也可能是负面的。这实际上增加或者减少了信号的频率，多普勒扩展和相干时间的关系可以表示为[1]

式中，T_c为信道的相干时间；f_d最大多普勒扩展。通常，相干时间被定义为信道脉冲响应保持不变的时间周期。

相干带宽是衰落信道的另一个特征，其定义为信道的频率响应是恒定的或平坦的频带。信道的相干带宽与多径分量的最大延迟扩展有关，其表达式为[1]

式中，f_c为相干带宽；τ_d为最大延时扩展。

3.1.1 快衰落信道和慢衰落信道

区分慢衰落和快衰落对于衰落信道的数学建模和通信系统在这些信道上的性能评估具有重要意义。根据信道的相干时间和信号的符号持续时间，衰落信道分为快衰落信道和慢衰落信道。如果符号持续时间周期小于信道相干时间，该信道称为慢衰落信道。如果信道的脉冲响应变化率大于符号持续时间，则信道为快衰落信道。在慢衰落中，一个特定的衰落水平会影响许多连续的符号，从而导致突发错误，而在快衰落中，衰落会在符号之间进行解相关。在这后一种情况，当通信接收机的决定是基于对两个或多个符号时间（例如差分相干或编码通信）上接收信号的观察时，有必要考虑一个符号间隔内的衰落信道变化到下一个符号。这是通过一系列相关模型完成的，这些模型本质上取决于特定的传播环境和潜在的通信场景。这些不同的自相关模型及其相应的功率谱密度在表3-1中形成，方便地将快速衰减过程的方差归一化[2]。

表3-1 各种类型衰落过程的相关性和频谱特性

3.1.2 频率平坦衰落和频率选择性衰落

通常，衰落信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道。如果传输信号的所有频谱分量都受到类似的影响，则衰落称为频率非选择性衰落或等效频率平坦衰落，其影响可能是衰减或者相位变化，这种情况通常为窄带系统。如果信号的频谱分量收到不同的幅度和相位的影响，则衰落信道成为频率选择性衰落信道。这适用于传输带宽大于信道相干带宽的宽带系统。