Многолучевое распространение радиосигналов.

Чаще всего многолучевость возникает как результат многократного отражения передаваемого сигнала от зданий и других препятствий на пути распространения радиоволн. Отраженные сигналы могут интерферировать с прямым лучом (луч 1), имеющим наибольшую интенсивность. Сигналы разных лучей сдвинуты по времени друг относительно друга, что обусловлено различной длиной трассы их прохождения. Поскольку всегда существует несколько путей распространения радиоволн от передатчика к приемнику, то в точке приема разные копии одного и того же сигнала интерферируют друг с другом, создавая глубокие замирания радиоволны, которые в основном и влияют на качество передачи информации и пропускную способность системы.

Частотно-временные сдвиги сигналов в многолучевом канале связи вызывают так называемые селективные, т.е. зависящие от времени или частоты, замирания. Многолучевый сигнал: сигнал, который приходит от передатчика в точку приема по разным путям (лучам) и представляет собой несколько копий сигналов со сдвигом по времени и с разными амплитудами, начальными фазами и доплеровскими сдвигами частоты. При частотно-селективных замираниях отдельные составляющие принимаемого сигнала имеют разные амплитуды и сдвиги начальной фазы, но главное, что разброс задержки сигнала δτ (т. е. разность хода лучей по времени) соизмерим со значением 1/F (F — полоса частот передаваемого сигнала) или превышает его. Этот вид замираний приводит к искажению формы спектра и, как следствие, к снижению качества связи. Однако характер замираний на близко расположенных частотах практически одинаков, а степень корреляции сигналов достаточно высока, поэтому искажения начинают проявляться лишь в том случае, если полоса передаваемого сигнала превышает ширину так называемой полосы когерентности канала — B_c. Таким образом, чем шире спектр передаваемого сигнала, тем в большей степени он подвержен частотно-селективным замираниям. Если разность хода лучей соизмерима со временем передачи одного символа T (или длительностью элемента сигнала), то при многолучевом распространении возникают не только частотно-селективные замирания, но и наложение друг на друга соседних по времени элементов сигнала. А этот эффект приводит к появлению межсимвольных искажений (МСИ). Обычно для оценки ширины спектра служит так называемая база сигнала В = 2FT. Если значение B мало (а значит, величины 1/F и T одного порядка), то частотно-селективным замираниям будет сопутствовать МСИ. При больших значениях базы сигнала возможны случаи, когда разность хода лучей δτ соизмерима с величиной 1/F, но значительно меньше длительности элемента T. Тогда влияние МСИ почти неощутимо. Замирания, при которых характеристики канала связи изменяются с течением времени, вызывая искажение формы передаваемых символов, называются временными селективными замираниями. Сопровождающие их искажения проявляются лишь тогда, когда длительность информационной посылки начинает превышать время когерентности T_c (интервал, в пределах которого любые отсчеты сигнала взаимозависимы, а вне его в значительной степени декоррелированы). При одних и тех же условиях распространения радиоволн замирания могут быть гладкими, если передаваемые сигналы являются узкополосными, и селективными — при широкополосных сигналах. Скорость замираний: Число пересечений в единицу времени огибающей сигнала заданного постоянного уровня. Быстрые замирания: Быстрые изменения огибающей принимаемого сигнала, образующиеся в результате интерференции нескольких копий одного и того же сигнала в точке приема. Эти копии имеют различные амплитуды, начальные фазы, задержки и доплеровские сдвиги частоты. Медленные замирания: Медленные изменения огибающей, которые возникают, если длина пути распространения радиоволны изменяется на величину, существенно большую, чем длина волны (например, при перемещениях мобильных абонентов). Одним из наиболее эффективных методов борьбы с многолучевыми замираниями является так называемое разнесение сигнала. Согласно теории, выигрыш от разнесенного приема достигается лишь в том случае, если сигнал, попадающий по нескольким независимым путям в точку приема, имеет примерно одинаковую среднюю мощность лучей. Существует два основных класса методов борьбы с замираниями: явное и неявное разнесение. При явном разнесении по каналу связи передается один или несколько избыточных сигналов, содержащих ту же полезную информацию, что и основной луч. В настоящее время наиболее часто применяются три способа явного разнесения — пространственное, частотное и временное. При неявном разнесении избыточные сигналы не используются. Их роль играют несколько независимых копий сигнала, которые образуются на входе приемника за счет эффекта декорреляции сигнала в многолучевом канале.

Принцип действия Rake-приемника, который был создан для приема разнесенных сигналов, основан на раздельной обработке всех многолучевых компонентов и вычислении их средневзвешенной суммы. В наземных радиоканалах характеристики этих компонентов могут незначительно (на величину, сопоставимую с длительностью одного символа шумоподобного сигнала — чипа) различаться. Компоненты, отстоящие друг от друга более чем на один чип, обрабатываются и суммируются. Что же касается мелкомасштабных изменений задержки (менее чем на один чип), они могут быть устранены при приеме с помощью схемы кодового слежения, которая позволяет измерить время задержки для каждого компонента многолучевого сигнала и нивелировать малое изменение. Модель многолучевого канала: Многолучевый канал с переменными параметрами можно представить в виде k параллельных передающих ветвей. Теоретически, количество ветвей в такой модели бесконечно, но его всегда можно ограничить конечным числом (обычно оно равно 6), учитывая, что энергия входного сигнала вне заданной полосы частот исчезающе мала. Коэффициенты α(t) с различными индексами j коррелированы между собой, однако коэффициент корреляции быстро уменьшается с возрастанием разности индексов ветвей приема. К сигналу на выходе многолучевого канала добавляется аддитивная помеха.

Существуют два типа многолучевых каналов, которые принято называть каналами «с памятью» и «без памяти». Размер «памяти» многолучевого канала определяется длительностью периода между моментами приема первого и последнего луча (τ_к - τ₁). Память канала считают «короткой», если она значительно меньше длительности элемента сигнала T, и «длинной», если она соизмерима с этой длительностью или больше ее. Канал «без памяти» фактически представляет собой радиоканал, в котором все помехи независимы. Вероятность приема сигнала по такому каналу зависит только от характера искажений при распространении радиоволн и от уровня помех, поскольку принятие решения осуществляется лишь за время длительности одного элемента сигнала. В канале «с памятью» вероятность приема зависит от значения предыдущих или последующих элементов принятого сигнала. Решение принимается за время T+L, где L — конечная память канала, иногда называемая временем реакции канала.