第2章 移动信道的传播特性

1、第第2 2章章 移动信道的传播移动信道的传播特性特性2.1 2.1 无线电波传播特性无线电波传播特性2.2 2.2 移动信道的移动信道的特征特征2.3 2.3 陆地移动信道陆地移动信道的传输损耗的传输损耗2.4 2.4 几个常用的传播几个常用的传播模型模型2.5 2.5 其它移动其它移动信道的传输信道的传输特点特点2.1 2.1 无线电波传播无线电波传播特性特性2.1.1 电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，沿不同的路径到达接收机，当频率f30MHz时，典型的传播路径包括：直射波，是VHF和UHF频段电波的主要传播方式；地面反射波；地表面波。 此外，由各种障碍物引起的反射和散射，会产生多径

2、衰落的影响。2.1.2 直射波直射波传播可按自由空间传播考虑。自由空间的定义：均匀的无限大空间；各向同性；相对介电常数和相对磁导率恒为1，即等于真空介电常数和真空磁导率；不存在电波的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象。 由电磁场理论可知，若各向同性天线的辐射功率为 瓦，则单位面积上的电波功率密度为 若用发射天线增益为 的方向性天线代替各向同性天线，则上式应该改写为 接收天线获得的电波功率等于相应位置的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即TPTG 与接收天线增益 满足 可得 当收、发天线增益为0dB时，接收天线获得的功率为 由此，自由空间传播损耗 可定义为 RARG2()4RTTRPP G G

3、d 以dB为单位，得 或其中， 的单位为km， 的单位为MHz。 可见，自由空间中的电波传播损耗只与工作频率 和传播距离 有关，当 或 增加一倍时， 分别增加6dB。32.4420lg20lgfsLdf dfdffdfsL2.1.3 大气中的电波传播大气折射 大气折射对电波传播的影响在工程上通常用地球等效半径表征，地球的等效半径 与实际半径 （ ）之间的关系为 在标准大气折射情况下，即 ， 。 可见，大气折射有利于超视距的传播，但是由折射引起的折射波将会造成多径衰落。66.37 10 meR0R0011eRdnRRdh84 10 (1/m)dndh 8500kmeR 视线传播极限距离 地球等效

4、半径远远大于天线高度，从发射天线顶点A到接收天线顶点B的视线传播极限距离为)(221rtehhRdddrhdhtReoAd1Cd2Bhr其中， 、 的单位是m， 的单位是km。th2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 在直射波的路径上可能存在障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。 如图， 表示障碍物顶点P至直射线的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正。 (a) 负余隙 (b) 正余隙x由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图。2624222018161412108642024绕射损耗 / dB2.52.01.51.00.50.501.0 1.5 2.0 2.5

5、x / x1 如图，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。横坐标为 ，其中 是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，即 可见，当 0.5 时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波的传播基本没有影响，因此在选择天线高度时，应根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙 0.5 ；当 0时，损耗急剧增加； 当 =0时，附加损耗约为 6dB。1/x x1x21211ddddx1/x x1xxxx2.1.5 反射波 电波在传播中遇到两种不同介质的光滑界面， 如果界面尺寸远远大于电波波长，就会产生镜面反射。由于大地和大气是不同的介质，入射波在界面上产生反射。TaobcRhrd1d2ht 不

6、同界面的反射特性用反射系数 表征，为反射波场强与入射波场强的比值，即 对于水平极化波和垂直极化波的反射系数 和 分别由下列公式计算 其中， 是反射介质的等效复介电常数，与反射介质的相对介电常数 、电导率 和工作波长 有关jRR eRhRvR21/221/2sin(cos)sin(cos)chcR21/221/2sin(cos)sin(cos)ccvccRc60crjr 除此之外，由发射点T发出的电波分别经过直射线与地面反射线到达接收点R，由于两者的路径长度不同， 会产生附加相移。 反射波与直射波的路径差为其中， 。 通常可以认为 ，可简化得到 从而附加相移为222221222111)()()(

7、)(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt12dddtrhhd2trhhddd2 考虑直射波和地面反射波的情况，接收场强为 合成场强随反射系数以及路径差的变化而变化，有时会同相相加，有时会反相抵消，从而造合成波的衰落现象。 越接近于1，衰落就越严重，因此，在选择固定站址时应尽量减弱地面反射或调整天线的位置和高度，使地面反射区域离开光滑界面，当然，这种处理对于实际移动通信系统很难实现。()00(1)(1)jjEEReER e R2.2 2.2 移动信道的特征移动信道的特征2.2.1 传播路径与信号衰落 在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，还要

8、考虑传播路径中的各种障碍物所引起的散射波。dd1d2hmhb 图中直射波的传播距离为 , 地面反射波的传播距离为 ，散射波的传播距离为 。移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。 为分析简便，假设反射系数 （镜面反射），得到合成场强为其中， 和 分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数， ， 。d1d2d1R )1 (2122210djdjeeEE1211ddd22ddd 在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信号由多个电波合成。直射波、反射波和散射波在接收地点形成干涉场，使接收信号产生深度且快速的衰落。这种由多径传播引起的衰落，称为多径衰落。2.2.2 多径效应与瑞利衰落 由于受

9、各种障碍物和其它移动体的影响，实际到达移动台的信号来自不同的传播路径。 0000( )exp ()S tjtyxSi(t)基 站 天 线i 假设基站发射的信号为 移动台接收 条反射、散射路径信号，第 个信号为 ，振幅为 ，相位为 ，多普勒频移值为i( )iS tNiicosiif 因此， 可表示为 接收信号为令则有( )iS t002( )exp(cos) exp()iiiiS tjtj1( )( )NiiS tS t2cosiiit00( )()exp()S txjyj 由于 和 可认为是独立随机变量之和，根据中心极限定理， 和 的分布趋向正态分布，即概率密度函数为 假设 ，则有 和 的联合

10、概率密度函数为 采用极坐标（ ， ）代替（ ， ），得到xyxyxyxyr 积分得到包络 的概率密度函数为 同理，得到相位 的概率密度函数为 可见，多径传播的接收信号包络服从瑞利分布，因此称为瑞利衰落。 通过计算，衰落信号的包络有50%的概率大于 ，将 称为包络中值。在典型移动信道中，衰落深度达30dB左右，衰落速度约3040次/秒。r1.1771.1772.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落 由于起伏地形、建筑物、树林等障碍物，障碍物的后面可能形成电波的阴影区，当移动台经过阴影区时，信号局部中值电平产生缓慢变化，其衰落周期以秒级计，称为阴影衰落。 由于气象条件的变化，大气折射率发生缓慢变化，

11、导致同一地点所收到的信号中值电平随时间发生缓慢变化，其变化速度更加缓慢，衰落周期以小时或天计，因此常被忽略。 上述衰落属于慢衰落，慢衰落近似服从对数正态分布。 慢衰落相对于多径衰落是宏观变化的，以较大的空间尺度来度量。多径衰落是微观变化的，在较小的空间尺度内信号幅度发生急剧变化。 慢衰落的深度，即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障碍物，而频率较低的信号比频率较高的信号则具有较强的绕射能力，即传播距离较远。 把同类地形、地物中的某一段距离（12km）作为样本区间，每隔20m（小区间）左右观察信号电平的中值变动，统计分析信号在各个小区

12、间的累积分布和标准偏差。市区、郊区的慢衰落分布曲线如图。 (a) 市区 (b) 郊区 标准偏差 取决于地形、地物和工作频率等因素，郊区比市区大， 也随工作频率升高而增大，如图。衰落储备 在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，从而使中断率R小于规定指标，称这种电平余量要求为衰落储备。 衰落储备的大小由地形、地物、工作频率和系统的通信可靠性指标等因素决定。通信可靠性即可通率，用T表示，T与R的关系是 T=1-R。 图中显示三组曲线，所对应的T分别为90%、95%和99%。根据地形、地物、工作频率和系统的通信可通率指标，可以查出衰落储备。例如：市区工作、 f=450MHz、规定T=99%，此

13、时衰落储备约为22.5dB。 可见，移动信道对信号的损耗主要来自三个方面，即空间传播损耗，阴影衰落和多径衰落。三种损耗体现在不同距离（时间）范围内。下图为典型的实测接收信号场强分布。 从无线系统工程的角度来看，空间传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，合理的系统规划可以消除这种不利的影响。 然而，多径衰落严重影响到信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术减少其影响。2.2.4 多径时散与相关带宽多径时散 多径效应在时域上将会造成信号波形展宽，称为多径时散。 多径时散示例基站天线3421 多径性质随时间而变化。如果进行多次单脉冲的试验，所接收的脉冲序列是变化的，包括脉冲数目的变化、

14、脉冲大小的变化和脉冲延时差的变化。 时变多径信道响应示例 各个脉冲幅度随机变化，它们在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠，甚至随周围散射体数量的增加，所接收的一串离散脉冲有可能形成一个连续信号。接收机所接收的多径时延信号的实验统计结果大致如图。 多径时延信号强度 图中 表示 的前沿，即直射波的相对到达时刻。0t ( )E t 定义 的一阶矩为平均时延 ， 的均方根为多径时延散布 ，常称为时延扩展，即 最大时延 为当 下降30dB时所对应的时延。多径时散参数的典型值如表（450MHz/900MHz频段） 可见，市区传播条件较恶劣。为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则码率必须比 低得多。( )E

15、t( )E t0220( )( )tE t dtt E t dt max( )E t1/相关带宽 从频域上，多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同的频率成分有不同的响应。如果信号带宽过大，将会引起严重失真。 讨论最简单的情况，即双径信道。其中一条路径信号表示为 ，另一条路径信号表示为 ，接收信号为两者之和，即双径信道( )iS t( )( )jwtirS t e( )( )( )(1)jwtoiS tS tre 信道的传递函数为 相应的幅频特性为双径信道幅频特性 相邻两个谷点的频差为 或)(01)()(),(tjieretStStjH( , )1cos( )sin( )Atrtjrt2

16、( ) t12( )cBt 即为多径时散的相关带宽，若所传输的信号带宽过大，以至与 可比拟，则信号将产生明显的失真。 实际通常有很多条传输路径， 随时间而变化，信道的传递函数更复杂，因此很难准确分析信道的相关带宽。在工程上对于角度调制信号， 可按下式估算其中 为信道的扩展时延。cB( ) t12cBcBcB显然，相关带宽与时延扩展一一对应移动信道存在一个相关带宽，当信号的带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。移动信道存在一个最大时延，当码元间隔小于最大时延时，发生码间干扰。2.3 2.3 陆地陆地移动信道的传输损耗移动信道的传输损耗2.3.1 计算方法 移动信道电波传播条件复杂，甚至恶劣，因

17、此准确计算场强中值或传输损耗非常困难。 通常采用分析和统计相结合的办法：通过分析，了解各因素的影响；通过大量实验，找出在各种地形地物条件下传输损耗与距离、频率、天线高度之间的关系。 近年来计算机模拟也逐渐成为研究移动信道传输损耗的一种重要方法。 本节着重研究陆地移动信道的传输损耗。2.3.2 地形、地物分类地形的分类与定义 中等起伏地形：在传播路径的地形剖面图上， 地面起伏高度不超过20m，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。 不规则地形：其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。其中，地面起伏高度指在自接收点向发射点延伸10km范围内10高度线与90高度线之间的高度差。 定

18、义基站天线的有效高度 ，如图。 若传播距离不到15km，则 是3km到实际距离之间的平均海拔高度。 定义移动台天线的有效高度 为移动台天线在当地地面上的高度。gatsbhhhgahmhmh地物的分类 不同地物环境的传播条件不同，按照地物的密集程度不同分为三类 开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、 建筑物等障碍物，呈开阔状地面，例如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩。 郊区：在靠近移动台处有障碍物但是不稠密，例如少量的低层房屋或小树林等。 市区：有较密集的建筑物和高层楼房等障碍物。2.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值市区传播损耗的中值 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准。 传播损耗取决于传播距离 、工作频率 、基站天线高度 和移动台天线高度 等，即( , )( , )(, )(,)TfmmmsbbLLf dAf dHhdHhfdfbhmh 典型中等起伏地上市区的基本损耗中值 与频率、距离的关系曲线。 随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。( , )mAf d 若基站天线高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子来表示。(, )bbHhd 若移动台天线高度不是3m，则需要用移动台天线高度增益因子 来修正。(,)mmHhf 损耗中值还与街道走向（相对于电波