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Wi-Fi, WiMax 和 WCDMA三种无线网络的信道衰减和均衡方法应用比较研究
作者：Rabindranath Bera1, Sanjib Sil2, Sourav Dhar1 ，Subir K. Sarkar3
锡金理工学院1，锡金大学，majitar, rangpo,东锡金737132。
印度技术学院2，Megacity, Newtown Kolkata ，700156
电子与通信工程系3，Jadavpur大学，Kolkata，700032
摘要：本文描述了目前使用的Wi-Fi（无线网）, WiMax（全球微波互联接入） 和 WCDMA（三代移动网）三种无线网络的信道损伤和均衡方法。在对智能运输系统（ITS）的信道模型研究的基础上，提出了一种均衡方法，该方法对高速多径 信道的估计具有优势。
关键字： 耙，自适应均衡器，相关器。
一、引言
使用传输媒介发生变换(V2V)的通信方式是智能传输系统(ITS)[1]的一部分，而且近年来随着对ITS的研究工作大幅度增长[2]。ITS的一些好处是它有能力提高线路安全和通信状况[3]，从而让通信双方知道现在的通话量[4]和实时通信条件。减轻了“瓶颈”收费问题。因而，为通信双方和政府节约了时间和金钱；并且使用流动多媒体为不同家庭长途旅行车提供了乐趣，因此话单的应用可能会更长[5]。V2V通讯的范围不限于固定数量的指定传输媒介，从而能推断大量车载通过概念车载移动来组成网络。车辆自组网网络是重要的，因为他们消除了仅仅依赖在蜂窝网络之间才能进行的通信。公共安全应用程序也可以用这个通信[6]。传输媒介承载的信息可能会是以下多媒体类型，如；数据，图像，视频，和声音。在消费者中推广使用V2V通讯设备，有必要强调它还能提供娱乐服务或其他悠闲的声音数据或者其他可能的应用等。车载自组网让V2V通信也变得越来越重要，因为他们允许车辆近距离沟通不依赖其他系统，例如，移动电话网络。
码间干扰（ISI）是造成高速无线宽带通信产生错误信息的主要原因。使用自适应均衡能有效降低码间干扰[7]。均衡几乎能产生理想的信道，其中语音，数据和视频可以传输，而且可以没有错误的接收到。本文研究应用在第三代移动通信系统上的Wi-Fi和WiMax无线网的一种比较均衡技术。Wi-Fi和WiMax无线网使用正交频分复用（OFDM）技术,然而WCDMA系统采用直接序列扩频（DSSS）技术。此外，由于三种无线传输技术的信道环境也是不同的，因此，该方法的均衡是也不同。无线网络是用于短距离（小于500米）通信；其它系统是用于长距离通信。
在这项工作中，已经进行了仿真，利用仿真，获得了这三个不同系统的多径信道情况，同时获得了如何用均衡方法解决由于信道障碍而产生问题的途径。
二、智能运输系统（ITS）信道
ITS系统应用主要涉及车载的到车载(V2V)和车载基础设施（V2I）的通信[8]。V2V和V2I通信系统的未来发展对强大的无线信道管理有很大挑战，由于其分散性和严格的服务质量（QoS），从而要求有较高的通信安全性。如图1所示，图案代表了信道条件和各自的多径情况[9]。大量的研究V2V信道主要涉及到毫米波（mm wave）带宽。例如[10]，通常使用高度定向天线绕过主要传播路径来测试损耗的那些频率。最近也有一些在其他带宽收集测量数据的研究，包括2.4兆赫的许可频段。例如，这些研究包括[11]：超声传播和短距离室内端到端移动端的衰减设置[12]。分析研究了这类信道，但没有考虑载波频率，包括[13]-[15]：毫米波应用的最短距离，很难使用这种
点对点连接车载提供一个“通信链路”， 这将使多个车载进行接触，不论障碍和
通信条件如何。
树
接收者
运载工具
发射台
图1 50个最强大的传播路径
其中，在较大的距离上是可以实现点对点连接。这个更广泛的网络可以作为一个移动局域网收发器，并将V2V这个通信系统作为通信的信道，很不同于毫米波和地面移动的情景。部分原因是，发射器（Tx）和接收机（Rx）和一些重要的反射/散射设备都在移动，而全向天线的发送和接收在较低海拔，由物理环境动力学知道，信道环境不是恒定不变的。
三、宽带码分多址（WCDMA）
1、通道障碍
信道的可视化工具（Matlab）是利用信道冲激响应的研究和观察到的脉冲响应来模拟多径效应。ISI可以减少脉冲响应所对应的信号处理。图2显示的红外响应的理想通道带宽为5兆赫而且没有多径。因此，它是理想的采样点必须位于200ns部分。现在延迟矢量变化（即距离的散射改变）是由一个小的可视化的红外响应引起。从它可发现，在这两种情况下，主瓣系统的脉冲响应扩大的量为5.90%（图3）。
2、宽带码分多址均衡器
耙是用于在WCDMA的均衡方面[16]。无线电传播在陆地移动信道的特点是多重反射，衍射和信号能量的衰减。这些原因都是自然障碍，山，等造成的所谓的多径传播。提高信号的信噪比（SNR）可以结合耙接收机多径分量接收器来实现。耙提供了一个单独的相关接收机且每个多径信号和多径成分几乎不相关时，其相对的传播延迟时间可以通过一个芯片来获得。它使用的是多径分集原理，就是把多径传播信号元件中耙能量收集起来。
限定带宽下的脉冲响应
延误
强度
图2 脉冲响应理想信道
延误
强度
限定带宽下的脉冲响应
图3 信道冲激响应离散射较远位置时。
耙接收机采用多相关器分别检测最强多径分量。每个相关器检测一个时移原始传输数据，每个指针关联信号的一部分，而从其他指针来做推迟至少一个芯片的时间。对每个相关器的输出进行加权，又提供了比由一个单一的组件更好的传输信号的估计方法。强多径信号会出现高峰，比如图4说明的路径搜索模块。搜索时设置一个峰值检测阈值，避免误触发以及来选择最佳的四峰。每延误的峰值时间被转发到代码生成器，和延迟均衡器进行指针跟踪。相比耙来说，路径搜索器通常是更密集的计算，因为这是一个多搜索过程。
在每个指针与量表相关情况下，用线性相关接收机算法代替传统的相关器[17]，能减少多用户干扰从而降低计算的复杂度。另一种方法是在一个更广泛的带宽上建议增加一些相关器来提高性能和实现收益的费用略有增加的复杂性。因此，增加更多的相关器要求有重复指针的结构，如图5所，和重建的结合部分接收机。在这里，我们已经成功通过仿真实施复相关与4指针结合的方法减轻多径效应（如图6）。表I显示了所有的耙指针以及接收的能源的合并后指针的输出结果。很明显的结果，耙指针能够从多径分量中提取并结合能量。
四、WiFi（无线上网）
1、通道障碍
无线信道衰减在发射机和接收机存在散射情况（如：建筑）。该信道是使用可视化的工具软件来实现可视化信道的。散射在任何地方都是存在的（如：图7）。图8显示了信道冲激响应（IR）和频率响应（FR）的单散射过程。红线表明视线组件而蓝色表明非视线组件。图9表明，如果散射是非常接近视线组件时强度则最低，反之则强度增加，因为它向远移动，从而达到最大值。现在如果散射进一步从视线组件移动，那么其强度将下降。
图4 耙接收机多径抑制。
指针
已接收
延迟
图5 多个相关器构造的一个重复方式
图6 WCDMA模拟接收电路
在Ra端测量的总强度（db）
情况4（db）
情况3（db）
情况2（db）
情况1（db）
Tx信号的强度（db）
非视距
建筑物
建筑物
视距
交叉点B
移动装置
图7 模拟模型通道减少值计算
频率
强度
延误
频率响应
强度
限定带宽下的脉冲响应
图8 信道冲激响应和频率响应的单散射
视距下等价的建筑物的距离
信号振幅
图9 影响接收信号的散射体的距离状况
2、均衡网络
WiFi网络使用自适应均衡器来减轻通道障碍。均衡器可以作为时间和频率域滤波器。通过对均衡器的系数进行动态配置，可以近似模拟一个自适应均衡器的最优结果。几种收敛算法可以更新这些系数，每个根据不同的计算复杂度取舍计算所需的信息从而让每一步的速度与系数接近最优值，即收敛速度。因此，收敛速度是考虑在不同类型的算法中使用不同自适应均衡器的最重要的一个决定因素。在所有情况下，该算法需要电流误差均衡器的输出和必须提供适当的手段。很显然，正确的信号一般是不知道在何时接收的，因为这需要传输序列。通常的做法如图10[7]所示。
判断
均衡器
收敛算法
决策导向模型
传输模型
连续传输
输入数据
输入信号
图10 自适应均衡器结构
整个工作的自适应均衡器主要分为2个部分：
第一是训练模式称为序列码。
第二是判决模式未知的数据传输。
这将由均衡器系数的准确性（近似第一操作模式）和噪声水平的决定，有时可能是不正确的，这最终取决于在不同的方法中应用的算法。这种做法主要取决干扰加噪信号。
五、WiMAX（全球微波互联接入）
1、通道障碍
信道估计和均衡方案对宽带无线网络是最新研究的一个活跃领域。WiMAX（全球微波接入互操作性）是一个新的标准，这一技术仍然在复杂度降低和高效实现上面临真正的挑战。技术上以实现在非视距组件环境下，高速数据传输率和高迁移率高达125公里/小时[18]。它提供了在点到多点视距或非视距长距离环境上非常高的数据吞吐率。WiMAX系统可以提供20或30英里以外基站的无缝的无线服务。美国电气和电子工程师协会802.16组随后产生802.16 a，其采用基于物理层的正交频分复用（OFDM），其中包括应用在2GHz–11 GHz的频段。进一步的修改产生了2004个新的标准，称为802.16- 2004，在取代所有以前的版本的基础上形成了第一个无线解决方案。图11（a，b）显示接收到的信号星座和功率谱之前和之后的均衡关系。
均衡的
不均衡的
图11 a 接收信号星座
均衡的
不均衡的
图11 b 接收信号的接收功率谱
这些早期的技术解决方案在有针对性的802.16-2004固定应用程序的基础上通常是固定的[19]。由于它的抗多径衰落和简单的均衡方案所以广泛应用于正交频分复用系统。在大多数应用中，保留正交载波和克服码间干扰，是插入循环前缀而不是简单地插入保护间隔。如果最大延迟多径信道的长度不超过数字认证长度，OFDM系统情报将自由通过保护区间。对WIMAX网路系统，相比保护间隔时间其传播延迟通常是在几微秒。因此，这是在非视距通道维持系统的误码率性能方面非常具有挑战性的。高数据传输率的移动WiMAX多普勒效应也会降低系统的性能。图12显示了通道减值和多普勒效应的关系。
2、均衡技术
最小均方是主要用于信道估计的研究[18]。图13显示接收到的信号星座之前和之后的均衡情况。在这里，信号星座稳定均衡不如无线网卡性能好。
六、结论
三个系统在这里考虑到有不同的信道条件。因此，不同类型的均衡化是用来解决遇到障碍的途径，这提供了适当的纠正方法。WiFi系统和Wimax系统在使用正交频分复用技术。
超声
非超声
频率
频率
延迟
频率响应
延迟
频率响应
强
度
限定带宽的脉冲响应
限定带宽的脉冲响应
图12 WiMax系统IR和FR通道和多普勒效应研究
均衡
非均衡
同向振幅
同向振幅
正交振幅
正交振幅
图13 接收信号星座
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