第2章移动通信信道的电波传播2

第2章移动通信信道的电波传播 移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性 掌握移动通信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究 开发和移动通信的系统设计具有十分重要的意义 对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究 移动信道的基本特性就是衰落特性 包括大尺度衰落和小尺度衰落 这种衰落特性取决于无线电波的传播环境 不同的传播环境 其传播特性也不尽相同 而传播环境的复杂 就导致了移动信道特性十分复杂 引言 本章主要介绍了移动通信电波传播的基本概念和原理 并介绍了常用的几种传播预测模型 首先介绍了电波传播的基本特性 在此基础上讲解了影响电波传播的三种基本的机制反射 绕射和散射 然后较详细地论述了移动无线信道及其特性参数 最后将在介绍主要的用于无线网络工程设计的无线传播损耗预测模型 同时 还给出了传播模型校正的例子 要求 理解电波传播的基本特性了解三种电波传播的机制掌握握自由空间和阴影衰落的概念掌握多径衰落的特性和多普勒频移掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算理解传播损耗和传播预测模型的基本概念 理解几种典型模型了解模型校正的概念和基本方法 2 1无线电传播特性 2 1 1电波传播方式及特点 电磁波从发射机发出 传播到接收天线 可以有不同的传播方式 主要的传播方式四种 地球面 电离层 地波传播 是一种沿着地球表面传播的电磁波 称为地面波或表面波传播 简称地表波 天波传播 电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播 也称电离层传播 直射波传播 电波从发射天线直射到接收天线的传播方式 称为直射波传播 有时也称视距传播或视线传播 其信号最强 散射传播 这种传播主要是由于电磁波投射到大气层 如对流层 中的不均匀气团时产生散射 其中一部分电磁波到达接收地点 其信号最弱 电磁波的波长不同 传播方式与特点也不一样 但电磁波在传播过程中有些特性 主要有下列几点 1 电波在均匀媒质中沿直线传播一般辐射到空间的电磁波都是球面波 即以场源为中心的球面上电场的大小 相位都相同 但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时 可以近似地看成均匀平面波 在均匀媒质中 电波的各射线的传播速度相同 传播过程中各射线互相平行 电磁场方向不变 所以传播方向不变 即按原先的方向直线向前传播 2 能量的扩散与吸收当电磁波离开天线以后 向四面八方扩散 随着传播距离的增加 电磁波能量分布在越来越大的面积上 由于天线辐射的总能量一定 因此分布的面积越大 则通过单位面积上的能量就越小 所以离开天线的距离越远 空间的电磁场就越来越弱 假若发射天线置于自由空间 一个无任何能反射或吸收电磁波物体的无穷大空间 中 若此天线无方向性 辐射功率为Pr瓦 则距辐射天线d米处的电场强度E0为 V m 2 1 式 2 1 表明 电场强度与传播距离成反比 这种随着传播距离的增加而电场强度逐渐减弱的现象 完全是由电波在自由空间中能量的扩散而引起的 实际情况下 电磁波在大气中传播时 会遇到各种有损耗的介质 导体或半导体 因而损耗了一部分能量 这种现象叫做电磁波能量吸收 因此当考虑了电波吸收后 空间任一点场强的大小将小于 2 1 式的值 3 反射与折射当电波由一种媒质传到另一种媒质时 在两种媒质的分界面上 传播方向要发生变化 产生反射与折射现象 当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后 又返回到原来的媒质 这种现象称为反射 电磁波的反射和光的反射一样 符合反射定律 即入射角等于反射角 即电波在分界面改变传播方向进入第二种媒质中传播 这种现象称为折射 它同样遵守光学折射定理 即 2 2 上式中 v1 v2分别为电波在媒质1和媒质2中的传播速度 和是媒质1和媒质2的介电常数 因此 当两种媒质的介电常数相差越大时 电波在它们中传播速度相差也就越大 引起的电波传播方向的变化也就越大 4 电波的干涉由同一波源所产生的电磁波 经过不同的路径到达某接收点 则该接收点的场强由不同路径来的电波合成 这种现象称为波的干涉 也称作多径效应 合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系 当它们同相位时 合成场强最大 当它们反相时 合成场强最小 所以当接收点不同时 合成场强也是变化的 5 绕射现象电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力 这种现象称为绕射 由于平面波有一定的绕射能力 所以能够绕过高低不平的地面或有一定高度的障碍物 然后到达接收点 这也就是在障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因 电波的绕射能力与电波的波长有关 波长越长 绕射能力越强 波长越短 则绕射能力越弱 2 1 2VHF UHF频段的电波传播特性 当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF 即150MHz 450MHz 900MHz和1800MHz 为何移动通信通信主要使用VHF和UHF频段 1 VHF UHF频段适合于移动通信 从VHF UHF频段电波的传播特性来看 主要是视距范围内 一般为几十公里 而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内 因此 这个频段适合于移动通信 2 天线长度决定波长 这个频段信号发射和接收时 所使用的无线较短便于移动 3 抗干扰能力强 VHF UHF频段 可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比 2 1 2VHF UHF频段的电波传播特性 移动通信中的传播方式主要有直射波 反射波 地表面波等传播方式 由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大 传播距离有限 到达接收天线的信号是直射波 反射波和绕射波的矢量合成 图2 1典型的移动信道电波传播路径 自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播 它是理想传播条件 电波在自由空间传播时 可以认为是直射波传播 其能量既不会被障碍物所吸收 也不会产生反射或散射 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质 其相对介电常数 r和相对导磁率 r都等于1 传播路径上没有障碍物阻挡 到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计 在这种情况下 电波可视作在自由空间传播 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡 不产生反射 折射 绕射 散射和吸收 但是 当电波经过一段路径传播之后 能量仍会受到衰减 这是由于辐射能量的扩散而引起的 2 2自由空间电波传播 2 2 1自由空间电波传播方式 由电磁场理论可知 若各向同性天线 亦称全向天线或无方向性天线 的辐射功率为PT瓦时 则距辐射源d米处的电场强度有效值E0为 磁场强度有效值H0为 单位面积上的电波功率密度S为 若用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线 则式 2 1 式 2 2 式 2 3 应分别改写为 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积 即 式中 AR为接收天线的有效面积 它与接收天线增益GR满足下列关系 式中 为各向同性天线的有效面积 由式 2 6 至式 2 8 可得 当收 发天线增益为0dB 即当GR GT 1时 接收天线上获得的功率为 由上式可见 自由空间传播损耗Lbs可定义为 以dB计 得或式中 d是距离的千米数 f是频率的兆赫数 由上式可见 自由空间中电波传播损耗 亦称衰减 只与工作频率f和传播距离d有关 当f或d增大一倍时 Lbs 将分别增加6dB 自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中 从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度 自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径是接受的场强 比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播 视距传播的极限距离 图2 2视距传播的极限距离由于地球是球形的 凸起的地表面会挡住视线 视线所能到达的最远距离称为视线距离d0 见图2 2 图2 2视距传播的极限距离 已知地球半径为R 6370km 设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR 单位为m 理论上可得视距传播的极限距离d0为由此可见 视距决定于收 发天线的高度 天线架设越高 视线距离越远 实际上 当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后 在标准大气折射情况下 等效地球半径R 8500km 可得修正后的视距传播的极限距离d0为 一般认为 在移动通信系统中 影响传播的三种最基本的传播机制为反射 绕射和散射 2 2三种基本电波传输机制 反射 反射发生于地球表面 建筑物和墙壁表面 当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射 反射是产生多径衰落的主要因素 绕射 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射 由阻挡表面产生的二次波分布于整个空间 甚至绕射于阻挡体的背面 当发射机和接收机之间不存在视距路径 LOS Lineofsight 视距路径是指移动台可以看见基站天线 非视距 NLOS 非视距是指移动台看不见基站天线 围绕阻挡体也产生波的弯曲 散射 散射波产生于粗糙表面 小物体或其它不规则物体 在实际的移动通信系统中 树叶 街道标志和灯柱等都会引发散射 2 2 1绕射损耗 在实际情况下 除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外 还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗 通常将这种损耗称为绕射损耗 设障碍物与发射点 接收点的相对位置如图2 3所示 图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离 在传播理论中x称为菲涅尔余隙 2 2三种基本电波传输机制 绕射损耗 图2 3菲涅尔余隙图2 3 a 中所示的x被定义为负值 图2 3 b 中所示的x被定义为正值 根据菲涅尔绕射理论 可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图2 4所示 横坐标为x x1 x1称菲涅尔半径 第一菲涅尔半径 且有 由图2 4可见 当横坐标x x1 0 5时 则障碍物对直射波的传播基本上没有影响 当x 0时 TR直射线从障碍物顶点擦过时 绕射损耗约为6dB 当x 0时 TR直射线低于障碍物顶点 损耗急剧增加 图2 4绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 例2 1设图2 3 a 所示的传播路径中 菲涅尔余隙x 82m d1 5km d2 10km 工作频率为150MHz 试求出电波传播损耗 解 先由式 2 13 求出自由空间传播的损耗Lfs为 Lfs 32 44 20lg 5 10 20lg150 99 5dB 由式 2 16 求第一菲涅尔区半径x1为 式中 c f c为光速 f为频率 由图2 4查得附加损耗 x x1 1 为16 5dB 因此电波传播的损耗L为 L Lfs 16 5 116 0dB 2 2 2反射波 电波在传输过程中 遇到两种不同介质的光滑界面时 会发生反射现象 图2 5所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况 图2 5反射波和直射波 反射波与直射波的行距差为式中d d1 d2 由于直射波和反射波的起始相位是一致的 因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差 0为 再加上地面反射时大都要发生一次反相 实际的两路电波相位差 为 2 2 3散射波 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射 由阻挡表面产生的二次波散布于空间 甚至于阻挡体的背面 当发射机和接收机之间不存在视距路径 围绕阻挡体也产生波的弯曲 在高频波段 绕射和反射一样 依赖于物体的形状以及绕射点入射波的振幅 相位和极化情况 当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射 反射发生于地球表面 建筑物和墙壁表面 当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常多时 发生散射 散射波产生于粗糙表面 小物体或其他不规则物体 在实际的通信系统中 树叶 街道标志和灯柱等都会发生散射 小结 2 3阴影效应 阴影衰落是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏 建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应 阴影衰落的信号电平起伏起是相对缓慢的 又称为慢衰落 其特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布 高度有关 由于这种衰落的变化速率较慢 又称为慢衰落 慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落 慢衰落速率主要决定于传播环境 即移动台周围地形 包括山丘起伏 建筑物的分布与高度 街道走向 基站天线的位置与高度 移动台行进速度等 而与频率无关 慢衰落的深度 通常定义接收场强值与中值电平之差为衰落深度 即以中值为参考电平 实际中常用分贝数表示 用公式表示为 衰落深度 dB 20lg E1 E0 式中 E1 接收场强值 E0 场强中值 一般在移动信道中 衰落深度达20 30dB 上式表明接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况 频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物 而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力 慢衰落的特性是与环境特征密切相关的 可用电场实测的方法找出其统计规律 针对慢衰落特性 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 2 4移动无线信道及特性参数 2 4 1多径衰落的基本特性 移动无线信道的主要特征是多径传播 多径传播是由于无线传播环境的影响 在电波的传播路径上电波产生了反射 绕射和散射 这样当电波传输到移动台的天线时 信号不是单一路径来的 而是许多路径来的多个信号的叠加 因为电波通过各个路径的距离不同 所以各个路径电波到达接收机的时间不同 相位也就不同 不同相位的多个信号在接收端叠加 有时是同相叠加而加强 有时是反相叠加而减弱 这样接收信号的幅度将急剧变化 即产生了所谓的多径衰落 多径衰落按照大尺度衰落和小尺度衰落分类 2 4移动无线信道及特性参数 2 4 1多径衰落的基本特性 多径衰落的基本特性表现在信号幅度的衰落和时延扩展 从空间角度考虑多径衰落时 接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落 其中本地反射物所引起的多径效应表现为较快的幅度变化 快衰落 而其局部均值是随距离增加而起伏的 反映了地形变化所引起的衰落以及空间扩散损耗 慢衰落 从时间角度考虑 由于信号的传播路径不同 所以到达接收端的时间也就不同 当基站发出一个脉冲信号时 接收信号不仅包含该脉冲 还将包括此脉冲的各个延时信号 这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象称为时延扩展 2 3 2多普勒频移 当移动台在运动中通信时 接收信号频率会发生变化 称为多普勒效应 由此引起的附加频移称为多普勒频移 DopplerShift 可用下式表示 式中 是入射电波与移动台运动方向的夹角 见图2 9 v是运动速度 是波长 式 2 20 中 与入射角度无关 是fD的最大值 称为最大多普勒频移 图2 9入射角 由式 2 20 可以看出 多普勒频移与移动台运动的方向 速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关 若移动台朝向入射波方向运动 则多普勒频移为正 接收信号频率上升 反之若移动台背向入射波方向运动 则多普勒频移为负 接收信号频率下降 信号经过不同方向传播 其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散 因而增加了信号带宽 针对快衰落 通常可采用多种措 目前 主要有分集技术和自适应均衡技术对多径引起的衰落主要用分集技术来解决 可以在不增加发射信号功率或吸收通信带宽的情况下提高传输的可靠性 常见的分集技术有空间分集 频率分集 时间分集和极化分集 以及隐分集 抗多径衰落还可用自适应均衡技术和差错控制编码技术等 在无线数据通信中 综合运用以上多种可以收到较好的效果 将差错控制编码 调制和发射分集联合设计 把便民 调制和多发射看作一个信号处理模块来实现的编码技术叫做空时编码 此外 扩频信号还有一定的抗其它移动台干扰和抗多径的能力 2 3 3多径衰落的时域特征和频域特征 时延扩展相关带宽随机调频 1 时延扩展 图2 12时延扩展示意图 由于多径引起的接收信号脉冲的宽度扩展的现象 扩展的时间 是最大的传输时延和最小时延的差值 时延扩展随环境 地形和地物的状况而不同 一般与频率无关 时延扩展的大小可以直观地理解为在一串接收脉冲中 最大传输时延和最小传输时延的差值 记为 如果发送的窄脉冲宽度为T 则接收信号宽度为T 对于模拟移动通信系统来说 多径效应引起接收信号的幅度变化 对于数字移动通信系统来说 多径效应引起脉冲信号的时延扩展 时延扩展将引起码间串扰 InterSymbolInterference ISI 严重影响数字信号的传输质量 当码元速率较小 满足条件Rb 1 时 可以避免码间串扰 当码元速率较高时 应该采用相关的技术来消除或减少码间串扰的影响 严格意义上 时延扩展 可以用实测信号的统计平均的方法来定义 2 4 1时延扩展 定义P 的一阶矩为平均时延 m P 的均方根值为时延扩展 即另外 还可定义一个参量 最大多径时延差Tm 即归一化的包络特征曲线P 下降到 30dB处所对应的时延差 2 4 1时延扩展 由式 2 51 定义的时延扩展 是对多径信道及多径接收信号时域特征的统计描述 表示时延扩展的程度 值越小 时延扩展就越轻微 反之 值越大 时延扩展就越严重 各个地区的时延扩展值只能由实测得到 表2 2给出时延扩展的一些典型实测数据 2 4 1时延扩展 2 4 2相关带宽 根据衰落与频率的关系 可将衰落分为两种 频率选择性衰落与非频率选择性衰落 后者又称为平坦衰落 频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关 即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应 非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关 即信号经过传输后 各频率分量所遭受的衰落具有一致性 即相关性 因而衰落信号的波形不失真 对于移动信道来说 存在一个相关带宽 当信号的带宽小于相关带宽时 发生非频率选择性衰落 当信号带宽大于相关带宽时 发生频率选择性衰落 结论 相关带宽是移动信道的一个特性 相关带宽表征的是信号两个频率分量基本相关的频率间隔 相关带宽实际上是对移动信道对具有一定带宽信号传输能力统计的度量 当码元速率较低 信号带宽远小于信道带宽时 信号通过信道传输失真 后各频率分量的变化具有一致性 则信号波形不失真 无码间串扰 此时出现的衰落为非选择性衰落 当码元速率较高 信号带宽大于相关带宽时 信号通过信道后各频率分量的变化不一致的 将引起波形失真 造成码间串扰 此时出现的衰落为频率选择性衰落 在实际应用中 对于多个频率分量的的信号 相关带宽为最带时延Tm的倒数 即B 1 Tm 例 某市区实测最带时延Tm3 5us 其相关带宽为 B 1 Tm 280KHz对于带宽为25Hz的窄带数字信号 其衰落为非频率选择性衰落 总之 窄带信号通过移动信道是将引起非频率选择性衰落 宽带扩频信号通过移动信道是将引起频率选择性衰落 2 4 3随机调频 假设移动台天线为全向天线 且入射角 服从0 2 的均匀分布 即多径电波均匀地来自各个方向 则角度 到 d 之间到达电波功率为 这里Pav是所有到达电波的平均功率 2 4 3随机调频 来自角度 和 的电波引起相同的多普勒频移 使信号的频率为f fc fmcos 2 59 多普勒频移fD为入射角 的函数 当入射角从 变化到 d 时 信号的频率从f变化到f df 因此 在频率域从f到f df之间的射频功率为 2 4 3随机调频 2 4 3随机调频 2 4 3随机调频 图2 15给出多普勒效应引起的接收功率谱 尽管发射频率为单频fc 但接收电波的功率谱S f 却扩展到fc fm到fc fm范围 这相当于单频电波在通过多径移动信道时受到随机调频 RandomFM 接收信号的这种功率谱展宽就称为多普勒频展 2 4 3随机调频 图2 15多普勒频展 2 5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 设计无线通信系统时 首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强 或接收信号中值 这些给定条件包括发射机天线高度 位置 工作频率 接收天线高度 收发信机之间距离等 这就是电波传播的路径损耗预测问题 又称为信号中值预测 这里的信号中值是长区间中值 2 5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 2 5 1地形环境分类2 5 2Okumura模型2 5 3Hata模型与传播损耗的经验公式 2 5 1地形环境分类 1 地形特征定义 1 地形波动高度 h地形波动高度 h在平均意义上描述了电波传播路径中地形变化的程度 2 天线有效高度移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实际高度 1 地形特征定义 图2 16地形波动高度Dh 1 地形特征定义 图2 17基站天线有效高度 2 地形分类 实际地形虽然千差万别 但从电波传播的角度考虑 可分为两大类 即准平坦地形和不规则地形 3 传播环境