無線電通道的特性及緩解辦法

(Radio Channel Characteristics and Mitigation Methods)

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。

實體描述 廣播無線電與微波之間的主要差異，在於前者是全向性的，而後者是方向性的。因此廣播無線電不需要碟型天線，且天線不需要嚴格固定在較精確的較準位置。

應用 無線電(radio)是用來包含範圍3kHz至300GHz之頻率的一般性術語。我們正使用非正式術語廣播無線電(broadcast radio)，來涵蓋VHF與部份UFH頻帶，也就是30MHz到

1GHz。這個範圍涵蓋FM無線電與UHF和VHF電視。這個範圍也用於一些資料連網應用。

傳輸特性 範圍30MHz到1GHz是個有效的廣播通訊頻帶。不像低頻電磁波個案，電離層(ionosphere)不影響高於30MHz的無線電波。因此傳輸侷限於直視，且由於從大氣反射，遠距離發送器不會彼此互相干擾。不像更高頻微波區域，廣播無線電波對於降雨所導致的衰減較不敏感。

如同微波，距離所導致的衰減量遵守方程式，亦即:

因為波長較長，無線電波相對遭受較少衰減。

廣播無線電波主要的損害來源是多路徑干擾。來自地面、水與自然或人造物體的反射，可產生天線之間的多重路徑。當一架飛機飛過，電視接收顯示多個影像時，這種效應經常是明顯的。

多重路徑傳播與訊號衰減問題

行動通訊系統多建於大城市的市區，由於城市中的高樓林立、高低不平、疏密不同、形狀各異，這些都始移動通訊中無線電波的傳播路徑複雜化，並導致其傳輸特性變化十分劇烈。根據以上的原因，使行動裝置接收到的電波一般是直射波和隨時變化的繞射波、反射波、散射波的疊加，這樣就造成所接收信號的電場強度起伏不定，此現象稱衰落現象。

在行動通訊中，無線電波主要是以直線形式傳播。但是由於地表波會隨著頻率的升高而增大訊號的衰減程度，傳播距離很有限。所以在分析行動通訊通道時，主要考慮直線波和反射波的影響。並且在接收端的接收訊號機，將是直線波和多個反射波的合成。

由於到達行動裝置的天線的信號不是經由單一路徑過來的，而是許多路徑來的眾多反射波所合成的。由於無線電波通過各個路徑的距離不同，因而透過各個路徑傳來的反射波，其到達時間將不儘相同，相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端疊加，有時因疊加而加強(相位相同)，有時因為疊加而減弱(相位相反)，會導致接收信號的幅度急具變化而產生衰落或是完全消失的現象。這些多重路徑(Multi-Path)干擾造成的訊號衰減現象，將使室內的通訊區域內出現許多盲目區域，在盲目區域內的行動設備將完全無法接收到正常訊號，由於這個現象由物理學家Rayleigh最早提出，因此多重路徑干擾造成的訊號衰減又稱為「Rayleigh衰落(Rayleigh Fading)」。

無線電的傳播在介質或介質介面的影響下，有被折射、反射、散射、繞射和吸收等現象。當反射及散射現象發生時，接收端接收到的訊號將會來自四面八方，產生所謂的多重路徑傳播現象。多重路徑傳播現象依照接收端的移動狀態可以將其分為靜態與動態兩個部份，靜態部份指的是此接收端是處於靜止的狀態；動態部份則是意指此接收端正在移動。

接收端處於靜止狀態

  因為信號所經過的路徑不同會造成延遲，如果現在只考慮兩條路徑，若延遲剛好造成的相位差為0度，則兩個信號相加，若延遲剛好造成的相位差為180度，則兩個信號相減，這就是所謂的衰落現象(Fading)。

接收段處於移動狀態

      關於動態的部分，如下圖一所示，因為接收裝置一直在移動，所以造成接收的距離不同或是遇到障礙物的反射訊號，都會讓接收裝置所收到的信號相位差會跟著改變。

                                                                    圖一 處於移動狀態的接收端

   兩個不同路徑的訊號因相位及距離不同造成合成信號振幅不同或是訊號衰落的情形，必須如何克服呢?答案是使用Rake Receiver，其內部的電路會將各個傳輸路徑上的信號量測出來，包含信號的大小以及信號延遲資訊(就是該信號的相位)，再將這些信號做適當的旋轉，最後結合在一起。

   另外，Rayleigh衰落(Rayleigh Fading)的現象除了主要考慮直線波和反射波的影響(接收端的接收信號是直線波和多個反射波的合成)之外。衰減原因也與無線電波發射的頻率(或是波長)有關，不同頻率的無線電波將造成接收設備接收到不同的合成波形。

   採用無線電波作傳輸媒介的無線裝置必定會面臨到不同頻率的無線電波所造成的Rayleigh衰落(Rayleigh Fading)問題。IEEE 802.11以及藍芽技術所採取的解決方式是採用跳頻(Frequency Hopping)技術，將發射的無線電波不斷在各個頻率之間跳躍，當某一個頻率的電波受到Rayleigh衰落(Rayleigh Fading)的機率相當低，所以IEEE 802.11以及藍芽技術在無線通訊的實體層(Physical Layer)採用跳頻技術，能夠使無線裝置接收到的無線電波，將降低受到Rayleigh衰落(Rayleigh Fading)影響的機率。

■無線傳輸:

   在無線傳輸的討論中，三種一般性頻率範圍是重要的。範圍大約1GHz(gigahertz = 赫茲)到40GHz的頻率稱為微波頻(microwave

Frequencies)。在這些頻率中，高度方向性波束是可能的，且微波十分適合於點對點傳輸。微波也用於衛星通訊。30MHz到1GHz範圍中的頻率適合於全向性應用。我們將這個範圍稱為無線電(radio)範圍。

另一個重要的頻率範圍是用於本地應用的紅外線頻譜部分。這大約涵蓋從

到Hz。紅外線對本地點對點與有限區域內的多點應用有用，例如單一房間。

對於導向式媒介，傳送與接收是藉由天線達成。在看特定類型無線傳輸之前，

先簡短的介紹天線。

天線

天線可定義成發射電磁能或收集電磁能的一種電子導體或導體系統。對於訊號傳輸，來自發送器的射頻電能，會由天線轉換成電磁能，並發射至週遭環境(大氣、

太空、水)。對於訊號接收，衝擊天線的電磁能會轉換回成射頻電能，並饋入接收器中。

在雙向通訊中，同一條天線能夠且經常用於傳送與接收。這是可能的，因為假定同樣的頻率用於兩個方向中，任何天線將來自週遭環境的能量傳送至輸入接收器終端，其效率與將能量從輸出發射器終端傳送到週遭環境一樣。換句話說，無論天線是傳送或接收電磁能，天線特性實質上是相同的。

天線在所有方向發射功率，但通常並非在所有方向都進行得同樣好。描述天線效能特性的一種常見方法是發射樣式，這是將天線發射性質當成空間座標的一個函數之圖形表示。最簡單的樣式是由稱為等向天線(isotropic antenna)的一種理想化天線所產生。等向天線是在所有方向均等發射功率的空間中一個點。等向天線的實際發射樣式，是以天線位於中央的一個球體。

拋物面反射天線

一類重要天線是拋物面反射天線(parabolic reflective antenna )，此種天線使用於地面微波與衛星應用中。拋物線是所有點的焦點都與固定一條線而非線上固定一點等距離。此固定點稱為焦點(focus)，而固定線稱為準線( directrix)。

若拋物線繞著它的軸旋轉，產生的表面稱為拋物面(paraboloid)。通過拋物面平行於它的軸的橫斷面形成一條拋物線，取垂直於軸的橫斷面形成一個圓。這種表面用於頭燈、光學與無線電望遠鏡、及微波天線，是因為以下的屬性:若電磁能

(或聲音)來源擺在拋物面的焦點，且若拋物面是個反射面，則波將會彈回成與拋物面的軸平行的線，在橫斷面中顯示這種效應。理論上，這種效應產生不會消散的平行波束，實務上將會有一些消散，因為能量來源必須佔用不只一點。天線直徑愈大，波束越緊密呈方向性。在接收時，若傳入波平行於反射拋物面的軸，則最終的訊號將集中於焦點。

以下是拋物面反射天線的圖形。

天線增益

天線增益(antenna gain)是天線方向性的一種衡量方法。天線增益被定義成相較於完美全向天線(等向天線)任何方向所產生的功率輸出，在特定方向的功率輸出。例如，若天線有3dB增益，那條天線會在那個方向等於天線上提升3dB或2倍功率。特定方向所發射的增加後功率，是以其他方向為代價。本質上，在某個方向發射增加的功率，是藉由減少其他方向發射功率所達成，注意到天線增益並非指獲得比輸入功率更多輸出功率，而是指方向性，這點是重要的。

與天線增益觀念有關的一個觀念是天線的有效區域（effective area）。天線有效區域與天線實體大小有關，也與形狀有關。天線增益與有效區域的關係為

其中：　=天線效益；＝有效區域；＝載波頻率；＝光速（）

　　　　＝載波波長

例如，理想等向天線的有效區域為，功率增益為１。表面區域為之拋物面天線的有效區域為0.56，功率增益為。

地面微波

實體描述 最常用的微波天線類型為拋物面碟型天線。典型的大小大約為直徑3m。天線牢牢固定住。且集中成一束窄波束，以達成到達接收天線的直視傳輸。

微波天線通常位於顯著高於地平面的高度，以擴大天線之間範圍，並能在介於其

間的障礙物之上傳送。為達成長距離傳輸，會使用一系列微波中繼塔，且點對點微波鏈路會在想要的距離上串連在一起。

應用 地面微波系統的主要用途是在於長途電話服務方面，以做為同軸電纜或光纖的替代方案。對於同樣距離，微波設施所需要的放大器或中繼器比同軸電纜少很多，但需要直視(line-of-sight)傳輸。微波常用於語音與電視傳輸。

另一項微波越來越常見的用途是建築物間短距離點對點鏈路。這可用於閉路電視或當成區域網路間的資料鏈路。短途微波也能用於所謂的旁通應用。企業能對再同一個城市的長距離通訊設施，建立一條微波鏈路，而跳過當地電話公司。

  表一.

傳輸特性 微波傳輸涵蓋電磁頻譜相當大的部分。用於傳輸的常用頻率範圍在1到40GHz中。使用的頻率越高，可能的頻寬越大，因此可能的資料速率越高。 表一指出一些典型系統的頻寬與資料速率。

如同任何傳輸系統，主要的損失來源是衰減。對於微波(與射頻)，損失可表示成:

其中為距離，為波長，兩者單位相同。因此，損失隨距離平方而變。對照之下，對於雙絞線與同軸電纜，損失隨距離成指數性變化(以分貝表示測成線性)。因此對於微波系統，中繼器或放大器可擺在分開更遠之處，通常為10到10km。衰減隨降雨增加。下雨的影響對超過10GHz以上特別顯著。另一項損害來源為干擾。隨著微波更加受到歡迎，傳輸區域會重疊，且干擾總是一項危險。因此頻帶的指派受到嚴格規範。

長途電信最常用的頻帶為4-GHz至6-GHz頻帶。隨著這些頻率日益擁塞，11-GHz頻帶現在開始使用。12-GHz頻帶用來當成有線電視系統的一個構成要素。微波鏈路用來提供電視訊號給當地的CATV裝設，然後訊號再經由同軸電纜分送給個別客戶。更高頻微波正用於建築物間短程點對點鏈路，通常使用22-GHz頻帶。對長程距離而言，由於增加的衰減，微波頻率越高用處越少，但是十分適合用於較短距離。此外，在更高頻時，天線更小更便宜。

參考文獻

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

無線網路技術與應用   莊淵登 著、游雅惠.胡珍綺編輯

資料與電腦通訊第八版  William Stallings 著、何霖 譯