[科普中国]-阴影效应

阴影效应是指在无线通信系统中，移动台在运动的情况下，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。

背景阐释光是一种频率较高的电磁波。当和煦的阳光普照大地的时候，树木、房屋都有影子，这个影子不是完全的黑暗，是一种强度减弱很多的光，这就是光传播过程的阴影效应，如下图所示。

在无线电波的传播路径上，遇到地形不平、高低不等的建筑物、高大的树木等障碍物的阻挡时，在阻挡物的背面，会形成电波信号场强较弱的阴影区，这一现象叫阴影效应，和可见光的阴影效应类似，只不过我们肉眼看不到。终端从无线电波直射的区域移动到某地物的阴影区时，接收到的无线信号场强中值就会有较大幅度的降低。手机受到阴影效应的影响，有时会努力地增加更多发射功率，耗费更多的电能，正像小树生活在大树的阴影下，往往在向阳的一面增加很多茂盛的枝叶，以便吸收尽量多的阳光。1

理解阴影效应要注意以下几点：

（1）不同地物类型的阴影效应的大小不一，密集城区一般要比普通城区、农村、郊区有更大的阴影效应影响；

（2）在做网络规划的时候，要充分考虑不同无线环境中阴影效应对覆盖效果的影响。

发展背景无线通信的损耗

1、路径传播损耗

一般称为衰耗，指电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在有线通信中也存在。

2、慢衰落损耗

它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡产生的阴影效应而产生的损耗，它反映了在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。 这类损耗一般为无线传播所特有的。它服从对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。

3、快衰落损耗

它反映微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势。它一般服从瑞利、莱斯、纳卡伽米分布，其变化速率比慢衰落快，故称快衰落。仔细划分这一快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。

影响无线通信效应

阴影效应

由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。

远近效应

由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。,

多径效应

由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。

多普勒效应

它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速（≥70km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。

如果无线电波在传播路径中遇到起伏的地形、建筑物和高大的树木等障碍物时，就会在障碍物的后面形成电波的阴影。接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区时，接收天线接收的信号强度会发生变化，造成信号的衰落。

意义信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。陆地数字移动通信的信道和固定通信信道（无线本地环路例外）是完全不同的。在固定通信中,信号的传输媒介是人工制作，例如双绞线、电缆、光纤等。这些媒质的传输特性在相当长的时间内是十分稳定的，可以认为这种信道为恒参信道。而在陆地移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条件的影响很大。由于天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随参信道。 移动通信信道的主要特点：2

1.传播的开放性

一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。

2.接收点地理环境的复杂性与多样性

一般可将地理环境划分为下列三类典型区域：

高楼林立的城市中心繁华区；

以一般性建筑物为主的近郊小城镇区；

以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。

3.通信用户的随机移动性

慢速步行时的通信；

高速车载时的不间断通信。

电磁波传播的特点：

直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。

多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。

绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。

散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。

随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特性。至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量（如调整发射功率）来弥补。而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。其基本思想就是，快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。

影响GSM在GSM系统优化流程上，在网络运行质量已处于稳定、良好的阶段，需进一步提高指标，改善网络质量的深层次优化中应该将对性能统计数据的关注中转移到对用户投诉的处理，解决局部地区话音质量差的问题，高话务区的深度覆盖等等具体事件中来。网络性能统计指标能够从宏观上反应整体的网络质量，具体事件点关注、性能统计数据分析、测试分析，优化方案的制定以及优化方案的实施成为较为稳定的网络优化流程。无线信号在传播过程中，将受到各种掩体的阻挡，即手机接收的信号往往是基站发射信号经由不同的反射、散射、绕射路径的叠加，叠加的结果必然造成无线信号传播中的各种衰落及阴影效应，产生多径干扰，在由于GSM900频带资源有限，频点利用率高，容易产生频率间的干扰。在测试中RXQUAL的值反映了话音质量的好与坏，即信号质量的误码率，级别为0-7级。RXQUAL=1（误码率：0.2%至0.4%），RXQUAL=5（误码率：3.2%至 6.4%），现网络采用跳频技术，由于跳频增益的原因，RXQUAL=3时，通话质量尚可，当RXQUAL≥6时，用记基本无法正常通话。如果某个区域 RXQUAL为6和7的采样统计数高而RXLEV大于－85dBm的采样数较高，一般可以认为该区域存在干扰。对于网络中存在外源或者频点干扰，可以根据实际情况，调整基站天线方位角、下倾角，也可减小干扰。

若无线网络参数设置不合理，也会影响通话质量。如在DT测试中常常发现切换前话音质量较差，即RXQUAL较大（如5、6、7），而切换后，话音质量变得很好，RXQUAL很小（如0、1），而反方向行驶通过此区域时话音质量可能很好（RXQUAL为0、1），因为占用的服务小区不同。对于这种情况，减小 RXQUAL的切换门限值，如原先从RXQUAL≥4时才切换，改为RXQUAL≥3时就切换，可以提高许多区域的通话质量。因此，根据测试情况，找出最佳的切换地点，适当调整调整切换相关门限参数来提高通话质量。3

影响OFDMOFDM并不是新生事物，它由多载波调制（MCM）发展而来。美国军方早在上世纪的50、60年代就创建了世界上第一个MCM系统，在1970年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM的各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在20世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈入高速Modem和数字移动通信的领域。20世纪90年代,OFDM开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）。随着DSP芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFMD技术的实现和完善指日可待。 ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有较强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。

多天线系统非常适用于无线局域网。一般的局域网由于阴影效应，信号无法完全覆盖，需要使用中继器。对于传统系统来说，中继器可能会带来多径干扰，但OFDM不存在这个问题，它的中继器可以加在任何需要的地方，不仅可以完全覆盖网络，并且可以消除多径干扰。

影响WCDMA在WCDMA系统中，功率是重要的无线资源之一，功率管理是无线资源管理中非常重要的一个环节。 从保证无线链路可靠性的角度考虑，提高基站和终端的发射功率能够改善用户的服务质量;而从自干扰的角度考虑，由于WCDMA采用了宽带扩频技术，所有用户共享相同的频谱，每个用户的信号能量被分配在整个频带范围内，而各用户的扩频码之间的正交性是非理想的，这样一来，某个用户对其他用户来说就成为宽带噪声，发射功率的提高会导致其他用户通信质量的降低。因此，在WCDMA系统中功率的使用是矛盾的，发射功率的大小将直接影响到系统的总容量。

此外，在WCDMA系统中还受到远近效应，角效应和路径损耗的影响。上行链路中，由于各移动台与基站的距离不同，基站接收到较近移动台的信号衰减较小，接收到较远移动台的信号衰减较大，如果不采用功率控制，将导致强信号掩盖弱信号，这种远近效应使得部分用户无法正常通信。在下行链路中，当移动台处于相邻小区的交界处时，收到所属基站的有用信号很小，同时还会受到相邻小区基站的干扰，这就是角效应。无线电波在传播中经常会受到阴影效应的影响，移动台在小区内的位置是随机的，且经常移动，所以路径损耗会快速大幅度地变化，必须实时调整发射功率，才能保证所有用户的通信质量2。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学