無線電通道的特性及緩解辦法

(Radio Channel Characteristics and Mitigation Methods)

 

 

壹、一般無線電通道的特性可分為三種:

 1)高斯通道(Gaussian Channel),簡單來講,發射天線與接收天線之傳播路徑不受阻擋,且接收天線附近無反(散)射體,其典型的環境為空曠的郊區。

 2)萊森通道(Ricean Channel),發射天線與接收天線之直接路徑不受阻擋,但是接收天線附近有反(散)射體,其典型的環境為市區街道或位於高樓林立的公寓。

 3)瑞利通道(Rayleigh Channel),發射天線與接收天線之直接路徑受到阻擋,此時之接收到的電波為繞射波與來自其他物體反射或散射波,其典型的環境為山腳下或受大樓阻擋的地方。

 

貳、無線通道傳輸特性

無線通道主要有以輻射無線電波為傳輸方式的無線電通道和在水下傳播聲波的水聲通道等。

無線電信號由發射機的天線輻射到整個自由空間上進行傳播。以自由空間為傳輸介質,電磁波在自由空間中傳播,為了傳播很遠,常採用頻率很高之振盪波。因此,必須有一個高頻發射機,產生高頻載波以承載資訊,並通過天線發射出去;在接收端,通過接受天線和接收機來接受信號和資訊。不同頻段的無線電波有不同的傳播方式,主要有:

由於電磁波在水體中傳輸的損耗很大,在水下通常採用聲波的水聲通道進行傳輸。不同密度鹽度的水層形成的反射折射作用和水下物體的散射作用,使得水聲通道也是多徑衰落通道。

無線通信在自由空間(對於無線電通道來說是大氣層和太空,對於水聲通道來說是水體)上傳播信號,因此能量分散、傳輸效率較低,並且很容易被他人截獲,安全性差。但是,無線通信擺脫了對導線的依賴,因此具有有線通信所沒有的高度靈活性。

一、通道容量

通道是傳輸信息的通道,通道容量描述了通道無差錯地傳輸信息的最大能力,可以用來衡量通道的好壞。香農在他的著名論文《通信的數學原理》中給出了通道容量的定義和計算,即通道容量是通道輸入信號與輸出信號互信息量的上界。

C = \sup_{p_X} I(X;Y)\,

對於信噪比 S/N頻寬B的加性高斯白噪聲通道,其通道容量為

C = B \ \log_2 (1 + S/N)

log2(1 + S / N)為通道傳輸信息的頻譜效率,即單位時間、單位頻寬上能夠傳輸的信息量,單位為\mbox{bit} \cdot \mbox{Hz}^{-1} \cdot \mbox{s}^{-1}。增大信噪比可以提高通道的容量,這可以通過抑制噪聲或者增加發射功率實現。假若信噪比無窮大,則通道容量也趨於無窮。不過由於通道中總存在噪聲,而且發射機的功率不可能沒有限制,因此這種情況不會出現。增加通道頻寬也可以增加通道容量,但是這種增加不是無限制的。設通道的噪聲功率譜密度為N0,則隨著通道頻寬 B 的增加,噪聲功率N = BN0也隨之增加。記信號功率最大為Es,則頻寬無窮大時,通道容量的極限為

 \lim_{B \rightarrow \infty} B \log_2 \left( 1 + \frac{E_s}{B N_0} \right) \approx 1.44 \frac{E_s}{N_0}

可見,增加頻寬並不是提高通道容量的好方法。

通道容量是理論上通道傳輸信息的能力的極限,在目前的各種通信技術中,實際能夠達到的通道吞吐量遠小於這一極限。

 

二、實體描述與應用

通信網路中用得最多的是短波及微波通道。以下僅就微波通信、衛星通信及行動通信加以介紹:

(一)微波通信

所謂的微波通信乃指利用微波作傳輸媒介進行的通信,它往往是長途、大容量通信的無線傳輸工具。其依傳播特性可分為「視距」和「超視距」的微波通信,另按基頻信號和調變方式看,可把微波通信分為類比微波通信和數位微波通信兩類。茲將數位微波通信之特性概述如后:

微波:微波頻率不受天氣干擾和工業干擾及太陽黑子變化的影響,通信的可靠性較高。還因微波頻率高,所以其天線尺寸較小,往往做成碟型天線,其天線增益較高,方向性很強。

多路:指微波通信不但總頻段寬,傳輸容量大,而且其通信設備的頻寬也可以做得很寬。

接力:因微波頻段的電磁波在視距範圍內是沿直線傳播的,通信距離一般為40-50 km。考慮到地球表面的彎曲,在進行長距離通信時,就必須採用接力的傳播方式,發送端信號經若干中間站多次轉發後,才能到達接收端。

其建設費用與同軸電纜線相比;按話路公里計算時,只有1/21/3,還可節省大量的有色金屬。

(二)衛星通信

所謂的衛星通信,簡單地說,就是地球上的無線通訊站利用人造衛星作為中繼站而進行的通信。衛星通信是地面微波通信的繼承和發展,是微波通信的另一種方式。

有關衛星通信的特點概述如后:通信距離遠;建站成本與通信距離無關。

(三)行動通信

所謂的行動通信,就是指通信的雙方,至少有一方是在移動中進行資訊交換。當今的「行動通信」不是幾個手持對講機之類型所構成的通信,它已是包括基地台、控制終端機、各式移動台、無線網路交換設備、電腦集中控制,並能與公眾電話網路連接的系統工程,是一個整合有線通信、無線通信、積體電路及電腦技術等高科技的系統。而資訊的交換也不僅指雙方的通話,隨著行動通信的不斷發展,不久將包括數據、傳真及影像等通信服務。一般而言,行動通信系統由行動台、基地站、行動交換中心及市話網路相聯接的中繼線等組成。

行動通信系統的分類方法很多,按活動空間可分為航空用、海用及陸地用,按服務容量分有小容量及大容量,按工作方式可分單工、半雙工及雙工三種,按使用者性質分有軍用、民用,民用又可分成公用及專用兩種。民用陸地行動通信系統按其應用服務對象可分為下列幾種:
公眾行動電話系統、專用行動通信系統、分佈式(局佈指揮調度)行動通信系統、無線電呼叫系統、無線電話系統、無中心選址個人通信系統、衛星行動通信系統、地下行動通信系統、其他行動通信系統(無線防盜防火報警系統、佩帶式無線緊急通報系統及動物研究系統)、

有關行動通信的特點條列如后:能在行動中通信;電波傳播複雜,由於行動台在不斷運動,導致接受信號強度和相位隨時間地點的變化而變化;雜訊和干擾大;頻道擁擠;控制複雜;通信電台要小、省、牢、便。

 

參、緩解方法

一、影響無線電波信號強弱的三大類因素:

1.路徑衰減(path loss)。

2.慢速擾動(slow fading)或屏蔽現象(shadowing)。

3.快速擾動(fast fading)。

    圖 接收訊號包含的三種成分

二、訊號衰減問題

訊號強度隨著傳播路徑增加而衰減,為發射天線至接收天線之間的功率差值。路徑損失,在無線通訊領域中不若在有線通訊領域一般的易於預測。無線電波強度深受於路徑長度、天線高度、頻率範圍、地形起伏以及如建築物、汽車、樹林等之障礙物的影響。電波的傳播機制有反射(reflection),透射(refraction),散射(scattering)、繞射(diffraction)等現象,加上移動速度造成的杜卜勒位移(Doppler shift)效應,這些將造成訊號產生快速衰落(fast fading)的現象。另外,由建築物或地形產生的遮蔽情形也會使訊號暫時性的下降,此現象稱為慢速衰落(slow fading)或遮蔽(shadowing)

數位訊號在自由空間中或是材料介質中傳輸時,常會遭遇到的干擾問題包含:交互符號干擾(Inter Symbol Interference, ISI )、反射干擾、串音干擾(Crosstalk)、雜訊干擾、多重路徑干擾(multipath fading )等。

1. 交互符號間干擾:ISI是數位通訊系統中主要的干擾源,它是一種「乘性」的干擾,造成ISI的原因一般是通道衰減或訊號延遲所造成的波形失真,在通道(channel)頻帶寬度有限下免不了會產生ISI,以一定速度傳輸波形序列受到非理想通道的影響,常造成各符碼間波形延遲從而使相鄰符碼的波形產生重疊,造成接收端取樣判斷的錯誤。

2. 反射干擾:反射干擾與通道阻抗匹配有很密切的關係,訊號在通道中傳輸,通道等效阻抗容易因電纜線分接點阻抗的漂移而產生不阻抗匹配的問題,阻抗的突變會使訊號傳輸引起功率的反射或反射波耗損,等效阻抗為75Ω的同軸電纜(coaxial)一般在匯流排的終端要加裝終端器(terminator)就是一個常見的例子,終端器即是為了吸收電纜終端的訊號,終端若開路會使得整個訊號全數反彈產生干擾。

3. 串音干擾:串音干擾常發生於線束之間的線間干擾,在同一條幹線的電纜中,可能形成電容或電感的耦合效應,因此發送信號可能經由耦合方式進入其他發送器或接收器,串音干擾對於高頻訊號影響尤其嚴重,其一般分為近端串音(Near-end crosstalkNEXT)及遠端串音(Far-end crosstalkFEXT)

4. 雜訊干擾:數位訊號傳輸常會受到若干雜訊的干擾,這些雜訊源通常是家用電器的開關切換,電動機啟動等電力電子元件所引起的突發性干擾,通常為傳導性或耦合方式產生於傳輸線路之中。一般在雜訊源較多的環境中,為了確保接收信號強度足以對抗外界雜訊源,因此定義變動範圍及訊號雜訊比(S/N)需落在一個可接受的合理值內。

5. 多重路徑干擾:多重路徑干擾的問題一直存在無線傳輸系統之中,在理想的無線通訊系統中接收機的訊號會完全與發射機相同,實際上的無線電訊號在傳輸的過程中會經過各種干擾與衰減,在經過反射、繞射及折射接收端收到的訊號已經變了樣。

下圖中 1 可視為發射機,2 為接收機,而所謂的多重路徑事實上是指訊號由發射機到接收機的路徑並不為單一路徑,可能具備有多種路徑,不同的路徑其距離並不會相等,所以接收機收到的訊號會具有不同的時間延遲,這現象往往容易造成接收端的取樣錯誤。

要瞭解多重路徑現象,首先考慮靜態(Static)多重路徑環境,假設發射信號至接收機有兩類的衰減型式,不同的延遲時間會造成兩接收信號相對的相位差,有兩種極端的情形可能發生:

       (1) 相位差為 0 度兩信號相加,如下圖(b) 所示。

       (2) 相位差為 180 度兩信號相減,如下圖(c) 所示。

 

針對這些常見的干擾問題,可以利用各種調變技術將其改善,調變(modulation)與解調(demodulation)是通訊中的基本技術,將帶有資訊的訊號轉換成第二種訊號的步驟稱之為調變,而將帶有資訊的信號還原稱之為解調;通訊系統用到的調變技術除了熟悉的ASKFSK外,相移調變(phase shift keying)是常用的技術之一,而如二位元相移調變 (Binary Phase Shift Keying, BPSK)、正交相移調變(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)、正交幅移調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)都被廣泛的使用。

【幅移調變(Amplitude Shift Keying, ASK)】

ASK是運用振幅的不同來表示所要傳送的資訊,以固定的振幅大小來表示數位訊號中的邏輯準位1及邏輯準位0

【頻移調變(Frequency Shift Keying, FSK)】

FSK是利用不同的頻率來表示所要傳送的資訊,由下圖中可看出FSK如何在不同頻率下來表示邏輯1及邏輯0

【相移調變(Phase Shift Keying, PSK)】

PSK透過相位的改變來表示傳輸訊息的內容。表示式如下,A(t)經基底訊號調變後,得到一組調變訊號Sm(t),其中m是整數其範圍限制在1mM,若M=2則稱binary PSK (BPSK)M=4 則稱 quadrature PSK (QPSK)

【二位元相移調變(binary PSK, BPSK)】

BPSKPSK中最基本的調變方式,這種方式是將載波相位於0度到180度間的變換,以表示被調變的資料,故BPSK每一個baud 傳輸1-bit的資料(i.e.1 symbol 表示1-bit, 1bit/symbol),下圖可看出BPSK的狀態改變只存在0180度兩種狀態。

【正交相移調變(Quadrature PSK, QPSK)】

QPSK傳輸的資料量較BPSK來的大,每個baud可傳輸2-bit(1symbol 可以表示2-bit, 2bits/symbol)QPSK用大小及相位的資訊來表示數位訊號,上列說明可以觀察下圖得知。

【正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)】

QAM是一種高效率的資料傳輸技術,其可分為QAM-16QAM-64QAM-256,由下圖可以看出QAM在資料傳輸密度上高於之前所介紹的各種調變方法。

QAM-16QAM-64資料傳輸率上分別為4-bit/symbol6-bit/symbol,現今有線寬頻網路cable modem 所使用的調變方式即是QAM,且在cable modem標準規格中只使用其中4.5MHz的頻寬,根據這資料可以對於QAM傳輸速率有一個較為直覺的概念:

       (1) QAM-16傳輸率:log(16)/log(2)x4.5MHz18Mbps12T1專線

       (2) QAM-64傳輸率:log(64)/log(2)x4.5MHz27Mbps18T1專線

       (3) QAM-256傳輸率:log(256)/log(2)x4.5Mhz36Mbps23T1專線(T1專線=1.544Mbps)

 

【正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)應用於PLC的優勢】 OFDM技術被使用於無線區域網路5.4GHz頻段的802.11a通訊協定上,無線通訊所面對的通訊環境相較於有線通訊通常較為嚴苛,通道干擾及訊號衰減的情形嚴重,OFDM在調變技術上有別於一般常見的FSKBPSKQPSK…等。其特色在於能有效解決多重路徑干擾,且運用多重載波技術來降低訊號干擾的影響,並提高資料傳輸密度及頻道的利用率,就技術的角度將OFDM運用在無線通訊系統或具有相類似干擾系統是有其嚴謹的理論根據的。

資料傳輸需先經由調變再透過載波傳遞,市面上商業運作的系統可以區分為單載波(mono-carrier)及多重載波(multi-carrier)兩系統,就ADSL非對稱數位用戶迴路所使用的DMT (Discrete Multitone)調變技術,即是一種多重載波系統。

DMT的基本概念就是將所擁有的通道頻寬劃分為多個具有不同載波訊號的子通道(subchannel) 再將數位資料透過QAM的調變方式,分配調變至每個子頻道上,對於每一個子頻道的傳輸資料量則依照傳輸線路的干擾情況做調整,若某一子頻道受到的干擾太過於嚴重(S/N)太小則系統可以關閉此通道以達到頻寬的有效運用。

一個多重載波系統其不容忽視的特色在於抗雜訊的能力,傳輸通道事實上存在著不同頻率的干擾,對於單載波系統而言,若載波頻率點受到干擾,則會造成訊號傳輸全數失敗,相對於多重載波系統,其較不易受到選擇性頻率衰減及窄頻干擾的影響,即使傳輸資料過程中有干擾干擾存在,也會是少數子頻道受影響,可以透過錯誤更正碼來加以還原部份遺失的資訊。

在訊號干擾介紹時曾提過有關多重路徑干擾的概念,訊號經過不同的路徑到達接收端時,最先到達的訊號與最後到達的訊號有一定的

時間差tmaxOFDM不同於一般調變方法的地方就是在於它能有效解決多重路徑干擾的問題,主要的技巧是在每一個符號前加上一段緩衝時間(guard time ),這段時間必須至少等於tmax,接收端必須等待tmax的時間才能開始取樣,過了guard time 的資料才被認定為正確的資料,如此保護資料不受干擾,如下圖所示。

OFDM是多重載波的架構與DMT相同,但是具備overlapping subchannel特性更優於DMT,多重載波系統在抑制選擇性雜訊干擾已有不錯的效果,overlapping subchannel 說明OFDM調變法讓子通道在頻域內可有部份重疊,相較於DMTnon-overlapping subchannel 使用OFDM的系統在相同頻帶裡有更好的利用率,但在節省頻寬的同時子頻道的重疊也會互相產生干擾(Crosstalk),適當的將子載波之間產生正交性即可減低此問題,下圖可看出二者差異。

OFDM 的每一個子頻帶運用QAM技術,提高資料傳輸的密度,這使OFDM在各方面效能無論是傳輸或穩定度都優於以往的各種調變技術,802.11a無線通訊標準中已採用OFDM調變機制,快速可靠的數據傳輸是成為主流的價值所在;OFDM技術運用於電力線通訊系統上,由許多的測試報告中可看出,在抗雜訊及高速高密度傳輸有不錯的效能,儼然成為下一代通訊的主流技術,如表所列。

 

 

 

 

肆、參考文獻

1、維基百科通道    http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%A0%BB%E9%81%93

2http://chahaar.blogspot.com/2009/04/blog-post.html

3電力線通訊(PLC)系統工程系列專刊 () --電力線通訊調變傳輸技術,台電綜合研究所 蒲冠志博士 與 工研院資通所 林俊良專案經理。

4資料與電腦通訊第八版  William Stallings 著、何霖 譯。