[目錄]

1.Radio propagation

2.Multipath effect

4.Conclusions

5.Reference

1.Radio propagation

Radio

無線電波[1]或射頻波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，其頻率 300GHz 以下 (下限頻率較不統一，在各種射頻規範書，常見的有三種，分別為3KHz~300GHz、9KHz~300GHz、10KHz~300GHz)。無線電技術是透過無線電波傳播信號的技術。無線電技術的原理在於，利用導體中電流強弱的改變來產生無線電波，通過調變可將信息加載於無線電波之上，當電波通過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流，然後透過解調將信息從電流變化中提取出來，就達到了信息傳遞的目的。麥克斯韋爾最早在他遞交給英國皇家學會的論文《電磁場的動力理論》中闡明了電磁波傳播的理論基礎。海因裡希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論，他證明了無線電輻射具有波的所有特性，並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達，通常稱為波動方程。

Multipath propagation[2][3]

多重路徑會在無線電信號分割為二或多個訊號時發生，會導致接收天線接收到多個相同訊號的副本。無線電訊號可能會被障礙物 (如牆、椅子、桌子和其他物體)分割，當訊號從物體彈回時，可能會在傳送至接收器時，產生較長的路徑和較大量的延遲。

隨著無線電訊號的延遲，其在不同時間到達接收天線時，有時會造成重疊。接收器會被訊號混淆，並且無法正確地解譯這些導致資料錯誤的訊號，而必須重新傳送訊號，所以效能可能會因為延遲的訊號和重新傳送而大為降低。

圖一、Multipath

§ Refraction：[4][5]

折射的發生是因為電磁波的行進速度與傳輸介質密度有關，在真空中電磁波(例如，光或無線電波)行進的速度大約是3×10^8 m/s，即一般所使用的光速c，實際上此一光速c是在真空時的行進速度，在空氣、水、玻璃和其他透明或半透明的傳輸媒介中電磁波行進的速度通常比光速c小，在大氣中常會遇到這些不同介質的傳輸媒介，使得電磁波改變行進方向。

圖二、Refraction

§ Diffraction：[4][5]

信號碰到一個比其波長為大又難貫穿的物體之邊緣(edge)時，會彎曲和散開。若通過一個大小近於或小於波長的孔，則以孔為中心，形成環形波向前傳播，形成繞射現象。

圖三、Diffraction

§ Scattering：[4][5]

當傳播中的輻射，像光波、音波、電磁波、或粒子，在通過局部性的位勢時，由於受到位勢的作用，必須改變其直線軌跡，這物理過程，稱為散射。這局部性位勢稱為散射體，或散射中心。局部性位勢包含各式各樣的種類；例如，粒子、氣泡、液珠、液體密度漲落、晶體缺陷、粗糙表面等等。在傳播的波動或移動的粒子的路徑中，這些特別的局部性位勢所造成的效應，可以參考散射理論(scattering theory)。圖中顯示電子，經由物體的阻擋，而產生的散射。

圖四、Scattering

2.Multipath effect[4]

由於無線傳輸環境中無線電波會受到週遭的物體反射產生數個反射波，我們稱之為多重路徑波(multipath wave)，這些多重路徑波之間到達接收端會有些許的時間差，當延遲時間過長的時候甚至會干擾到下一個傳送訊號，造成符號間的干擾。同時因為每個反射波通過的路徑不同，會影響其到達接收端時的相位以及振幅，所以接收天線混合這些訊號時，在相位以及振幅會有失真的現象，我們稱此現象為衰落效應。除了時間的延遲會造成訊號的衰落外，傳送端與接收端以及週遭物體的移動速率也會對衰落的特性造成影響，以下針對這兩點作簡單的介紹。

Inter Symbol Interference (ISI)

符際干擾(inter symbol interference, ISI)的現象對數位傳輸而言特別重要。考慮基地台固定天線和行動台之間以給定的頻率傳送一窄脈衝信號。圖顯示在兩個不同時間傳送此脈衝，通道可將脈衝送到接收器，圖的上半部顯示時域上的兩個脈衝傳輸。圖的下半部面顯示接收器收到的脈衝。在這兩個傳送情況下，第一個收到的脈衝是LOS信號，因大氣衰減進或行動台遠離基地台固定天線時脈衝的強度可能變小，但是除主要脈衝以外，尚有由反射、繞射和散射造成的多個次要的脈衝。現在假設這個脈衝編碼表示一個或多個資料位元，在首要脈波後面的一個或多個延遲的信號可能與下一個首要脈波同時抵達，此情況下，對首要脈波而言，延遲脈衝是某種形式的雜訊，使得資料位元的辨識更加困難。

圖五、inter symbol interference

Fading[6]

� Fast fading：

無線通訊中，接收端可能會在一段時間內接收到許多來自不同路徑的相同訊號，這段時間稱為delay spread，而delay spread的倒數，則稱作coherence bandwidth，物理意義就是在這段bandwidth區間，fading的大小可視為相同的，當delay spread越大，coherence bandwidth越小；而無線的通道(Channel)是會隨著時間的變化而不相同，如果有移動的情況下，通道變化的情況會更快速，因為coherence time會縮短，而coherence time的倒數，為Doppler spread，物理意義就是在這段時間區間，fading的情況差不多，當訊號的傳送時間大於coherence time，就會產生所謂的fast fading。

� Slow fading：

由於行動使用者活動距離超過波長許多，當使用者通過不同高度的建築物、空地、十字路口等等，相當於城市環境在改變，在這長距離的移動期間，接收信號平均功率準位會有一平緩的變化,顯示此慢速改變的波形，稱之為慢速衰退(slow fading)。

� Flat fading：

如果無線傳播通道的頻帶比傳送信號還寬，則接收到的信號會受到平坦衰落。在平坦衰落中，多重路徑通道中的傳送信號的頻譜大致維持不變，雖然信號的強度會因多重路徑引起的增益波動而隨時間變化。在一個平坦衰落的通道裡，訊號的訊符週期遠大於通道的延遲擴散時間，因此通道的脈衝響應近似於沒有延遲延展(delay spread)。平坦衰落通道亦被稱為窄頻通道(narrowband channel)，因為訊號的頻寬與平坦衰落的通道頻寬相比下較為狹窄。

� Selective fading：

當傳送訊號的頻寬大於通道(Channel)的同調頻寬時，接收訊號的增益和相位將會隨著訊號頻譜的改變而變化，因而在接收端產生了訊號失真，這就是Frequency selective fading。

� Rayleigh fading：

當發射機和接收機之間有多重的間接路徑而沒有主要支配的路徑(例如LOS)時會發生Rayleigh衰退(Rayleigh fading)，此模型這表示最糟的情況。幸運地，Rayleigh衰退能夠加以分析並提供一些複雜環境中的系統特性，例如市區環境。

� Rician fading：

Rician衰退最適合描述有一個直接視線路徑和一些多重路徑的環境。Rician模型常應用在室內的環境，而Rayleigh模型適用於戶外環境。Rician模型也適用於小的細胞區域或空曠的戶外環境。

3.Multipath Mitigation

OFDM技術[2,7]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FSK、BPSK、QPSK…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 Multi-tone)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。

圖六、OFDM Transmitter/Receiver

圖七、DMT Transmitter/Receiver

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(Tmax)，OFDM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。

圖八、Guard time

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DMT的non-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。

圖九、DMT與OFDM頻道差異

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。

 表一、不同傳輸方式應用於通訊之特性比較

4.Conclusion

一開始文章中簡單介紹無線電(Radio)定義、起源，以及無線電所產生Multipath的影響，包含 inter symbol interference、fading。在Multipath Mitigation中，主要介紹如何利用Guard time 來減少 Multipath 的影響，以及如何運用多重載波技術來降低訊號干擾，並提高資料傳輸密度及頻道利用率；但是參考Multipath effect的資料不難發現，利用OFDM技術時，要是接收端在高速移動環境下，容易產生Doppler效應而造成fast fading的問題，所以要如何解決此現象的發生，也是一項重要的議題。

5.Reference