第2章 移動(dòng)信道的傳播特性

1、第第2 2章章 移動(dòng)信道的傳播移動(dòng)信道的傳播特性特性2.1 2.1 無(wú)線電波傳播特性無(wú)線電波傳播特性2.2 2.2 移動(dòng)信道的移動(dòng)信道的特征特征2.3 2.3 陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)信道的傳輸損耗的傳輸損耗2.4 2.4 幾個(gè)常用的傳播幾個(gè)常用的傳播模型模型2.5 2.5 其它移動(dòng)其它移動(dòng)信道的傳輸信道的傳輸特點(diǎn)特點(diǎn)2.1 2.1 無(wú)線電波傳播無(wú)線電波傳播特性特性2.1.1 電波傳播方式 發(fā)射機(jī)天線發(fā)出的無(wú)線電波，沿不同的路徑到達(dá)接收機(jī)，當(dāng)頻率f30MHz時(shí)，典型的傳播路徑包括：直射波，是VHF和UHF頻段電波的主要傳播方式；地面反射波；地表面波。 此外，由各種障礙物引起的反射和散射，會(huì)產(chǎn)生多徑

2、衰落的影響。2.1.2 直射波直射波傳播可按自由空間傳播考慮。自由空間的定義：均勻的無(wú)限大空間；各向同性；相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率恒為1，即等于真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率；不存在電波的反射、折射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象。 由電磁場(chǎng)理論可知，若各向同性天線的輻射功率為 瓦，則單位面積上的電波功率密度為 若用發(fā)射天線增益為 的方向性天線代替各向同性天線，則上式應(yīng)該改寫(xiě)為 接收天線獲得的電波功率等于相應(yīng)位置的電波功率密度乘以接收天線的有效面積，即TPTG 與接收天線增益 滿足 可得 當(dāng)收、發(fā)天線增益為0dB時(shí)，接收天線獲得的功率為 由此，自由空間傳播損耗 可定義為 RARG2()4RTTRPP G G

3、d 以dB為單位，得 或其中， 的單位為km， 的單位為MHz。 可見(jiàn)，自由空間中的電波傳播損耗只與工作頻率 和傳播距離 有關(guān)，當(dāng) 或 增加一倍時(shí)， 分別增加6dB。32.4420lg20lgfsLdf dfdffdfsL2.1.3 大氣中的電波傳播大氣折射 大氣折射對(duì)電波傳播的影響在工程上通常用地球等效半徑表征，地球的等效半徑 與實(shí)際半徑 （ ）之間的關(guān)系為 在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，即 ， 。 可見(jiàn)，大氣折射有利于超視距的傳播，但是由折射引起的折射波將會(huì)造成多徑衰落。66.37 10 meR0R0011eRdnRRdh84 10 (1/m)dndh 8500kmeR 視線傳播極限距離 地球等效

4、半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度，從發(fā)射天線頂點(diǎn)A到接收天線頂點(diǎn)B的視線傳播極限距離為)(221rtehhRdddrhdhtReoAd1Cd2Bhr其中， 、 的單位是m， 的單位是km。th2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗 在直射波的路徑上可能存在障礙物，由障礙物引起的附加傳播損耗稱(chēng)為繞射損耗。 如圖， 表示障礙物頂點(diǎn)P至直射線的距離，稱(chēng)為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時(shí)余隙為負(fù)，無(wú)阻擋時(shí)余隙為正。 (a) 負(fù)余隙 (b) 正余隙x由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關(guān)系如圖。2624222018161412108642024繞射損耗 / dB2.52.01.51.00.50.501.0 1.5 2.0 2.5

5、x / x1 如圖，縱坐標(biāo)為繞射引起的附加損耗，即相對(duì)于自由空間傳播損耗的分貝數(shù)。橫坐標(biāo)為 ，其中 是第一菲涅爾區(qū)在P點(diǎn)橫截面的半徑，即 可見(jiàn)，當(dāng) 0.5 時(shí)，附加損耗約為0dB，即障礙物對(duì)直射波的傳播基本沒(méi)有影響，因此在選擇天線高度時(shí)，應(yīng)根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙 0.5 ；當(dāng) 0時(shí)，損耗急劇增加； 當(dāng) =0時(shí)，附加損耗約為 6dB。1/x x1x21211ddddx1/x x1xxxx2.1.5 反射波 電波在傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面， 如果界面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電波波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。由于大地和大氣是不同的介質(zhì)，入射波在界面上產(chǎn)生反射。TaobcRhrd1d2ht 不

6、同界面的反射特性用反射系數(shù) 表征，為反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)的比值，即 對(duì)于水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù) 和 分別由下列公式計(jì)算 其中， 是反射介質(zhì)的等效復(fù)介電常數(shù)，與反射介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 、電導(dǎo)率 和工作波長(zhǎng) 有關(guān)jRR eRhRvR21/221/2sin(cos)sin(cos)chcR21/221/2sin(cos)sin(cos)ccvccRc60crjr 除此之外，由發(fā)射點(diǎn)T發(fā)出的電波分別經(jīng)過(guò)直射線與地面反射線到達(dá)接收點(diǎn)R，由于兩者的路徑長(zhǎng)度不同， 會(huì)產(chǎn)生附加相移。 反射波與直射波的路徑差為其中， 。 通?？梢哉J(rèn)為 ，可簡(jiǎn)化得到 從而附加相移為222221222111)()()(

7、)(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt12dddtrhhd2trhhddd2 考慮直射波和地面反射波的情況，接收?qǐng)鰪?qiáng)為 合成場(chǎng)強(qiáng)隨反射系數(shù)以及路徑差的變化而變化，有時(shí)會(huì)同相相加，有時(shí)會(huì)反相抵消，從而造合成波的衰落現(xiàn)象。 越接近于1，衰落就越嚴(yán)重，因此，在選擇固定站址時(shí)應(yīng)盡量減弱地面反射或調(diào)整天線的位置和高度，使地面反射區(qū)域離開(kāi)光滑界面，當(dāng)然，這種處理對(duì)于實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。()00(1)(1)jjEEReER e R2.2 2.2 移動(dòng)信道的特征移動(dòng)信道的特征2.2.1 傳播路徑與信號(hào)衰落 在VHF、UHF移動(dòng)信道中，電波傳播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，還要

8、考慮傳播路徑中的各種障礙物所引起的散射波。dd1d2hmhb 圖中直射波的傳播距離為 , 地面反射波的傳播距離為 ，散射波的傳播距離為 。移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)由上述三種電波的矢量合成。 為分析簡(jiǎn)便，假設(shè)反射系數(shù) （鏡面反射），得到合成場(chǎng)強(qiáng)為其中， 和 分別是地面反射波和散射波相對(duì)于直射波的衰減系數(shù)， ， 。d1d2d1R )1 (2122210djdjeeEE1211ddd22ddd 在實(shí)際移動(dòng)信道中，散射體很多，所以接收信號(hào)由多個(gè)電波合成。直射波、反射波和散射波在接收地點(diǎn)形成干涉場(chǎng)，使接收信號(hào)產(chǎn)生深度且快速的衰落。這種由多徑傳播引起的衰落，稱(chēng)為多徑衰落。2.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落 由于受

9、各種障礙物和其它移動(dòng)體的影響，實(shí)際到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)來(lái)自不同的傳播路徑。 0000( )exp ()S tjtyxSi(t)基 站 天 線i 假設(shè)基站發(fā)射的信號(hào)為 移動(dòng)臺(tái)接收 條反射、散射路徑信號(hào)，第 個(gè)信號(hào)為 ，振幅為 ，相位為 ，多普勒頻移值為i( )iS tNiicosiif 因此， 可表示為 接收信號(hào)為令則有( )iS t002( )exp(cos) exp()iiiiS tjtj1( )( )NiiS tS t2cosiiit00( )()exp()S txjyj 由于 和 可認(rèn)為是獨(dú)立隨機(jī)變量之和，根據(jù)中心極限定理， 和 的分布趨向正態(tài)分布，即概率密度函數(shù)為 假設(shè) ，則有 和 的聯(lián)合

10、概率密度函數(shù)為 采用極坐標(biāo)（ ， ）代替（ ， ），得到xyxyxyxyr 積分得到包絡(luò) 的概率密度函數(shù)為 同理，得到相位 的概率密度函數(shù)為 可見(jiàn)，多徑傳播的接收信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布，因此稱(chēng)為瑞利衰落。 通過(guò)計(jì)算，衰落信號(hào)的包絡(luò)有50%的概率大于 ，將 稱(chēng)為包絡(luò)中值。在典型移動(dòng)信道中，衰落深度達(dá)30dB左右，衰落速度約3040次/秒。r1.1771.1772.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落 由于起伏地形、建筑物、樹(shù)林等障礙物，障礙物的后面可能形成電波的陰影區(qū)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)經(jīng)過(guò)陰影區(qū)時(shí)，信號(hào)局部中值電平產(chǎn)生緩慢變化，其衰落周期以秒級(jí)計(jì)，稱(chēng)為陰影衰落。 由于氣象條件的變化，大氣折射率發(fā)生緩慢變化，

11、導(dǎo)致同一地點(diǎn)所收到的信號(hào)中值電平隨時(shí)間發(fā)生緩慢變化，其變化速度更加緩慢，衰落周期以小時(shí)或天計(jì)，因此常被忽略。 上述衰落屬于慢衰落，慢衰落近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。 慢衰落相對(duì)于多徑衰落是宏觀變化的，以較大的空間尺度來(lái)度量。多徑衰落是微觀變化的，在較小的空間尺度內(nèi)信號(hào)幅度發(fā)生急劇變化。 慢衰落的深度，即接收信號(hào)局部中值電平變化的幅度取決于信號(hào)頻率與障礙物狀況。頻率較高的信號(hào)比頻率較低的信號(hào)容易穿透障礙物，而頻率較低的信號(hào)比頻率較高的信號(hào)則具有較強(qiáng)的繞射能力，即傳播距離較遠(yuǎn)。 把同類(lèi)地形、地物中的某一段距離（12km）作為樣本區(qū)間，每隔20m（小區(qū)間）左右觀察信號(hào)電平的中值變動(dòng)，統(tǒng)計(jì)分析信號(hào)在各個(gè)小區(qū)

12、間的累積分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差。市區(qū)、郊區(qū)的慢衰落分布曲線如圖。 (a) 市區(qū) (b) 郊區(qū) 標(biāo)準(zhǔn)偏差 取決于地形、地物和工作頻率等因素，郊區(qū)比市區(qū)大， 也隨工作頻率升高而增大，如圖。衰落儲(chǔ)備 在信道設(shè)計(jì)中，必須使信號(hào)的電平留有足夠的余量，從而使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)，稱(chēng)這種電平余量要求為衰落儲(chǔ)備。 衰落儲(chǔ)備的大小由地形、地物、工作頻率和系統(tǒng)的通信可靠性指標(biāo)等因素決定。通信可靠性即可通率，用T表示，T與R的關(guān)系是 T=1-R。 圖中顯示三組曲線，所對(duì)應(yīng)的T分別為90%、95%和99%。根據(jù)地形、地物、工作頻率和系統(tǒng)的通信可通率指標(biāo)，可以查出衰落儲(chǔ)備。例如：市區(qū)工作、 f=450MHz、規(guī)定T=99%，此

13、時(shí)衰落儲(chǔ)備約為22.5dB。 可見(jiàn)，移動(dòng)信道對(duì)信號(hào)的損耗主要來(lái)自三個(gè)方面，即空間傳播損耗，陰影衰落和多徑衰落。三種損耗體現(xiàn)在不同距離（時(shí)間）范圍內(nèi)。下圖為典型的實(shí)測(cè)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布。 從無(wú)線系統(tǒng)工程的角度來(lái)看，空間傳播損耗和陰影衰落主要影響到無(wú)線區(qū)的覆蓋，合理的系統(tǒng)規(guī)劃可以消除這種不利的影響。 然而，多徑衰落嚴(yán)重影響到信號(hào)傳輸質(zhì)量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技術(shù)減少其影響。2.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散 多徑效應(yīng)在時(shí)域上將會(huì)造成信號(hào)波形展寬，稱(chēng)為多徑時(shí)散。 多徑時(shí)散示例基站天線3421 多徑性質(zhì)隨時(shí)間而變化。如果進(jìn)行多次單脈沖的試驗(yàn)，所接收的脈沖序列是變化的，包括脈沖數(shù)目的變化、

14、脈沖大小的變化和脈沖延時(shí)差的變化。 時(shí)變多徑信道響應(yīng)示例 各個(gè)脈沖幅度隨機(jī)變化，它們?cè)跁r(shí)間上可以互不交疊，也可以相互交疊，甚至隨周?chē)⑸潴w數(shù)量的增加，所接收的一串離散脈沖有可能形成一個(gè)連續(xù)信號(hào)。接收機(jī)所接收的多徑時(shí)延信號(hào)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果大致如圖。 多徑時(shí)延信號(hào)強(qiáng)度 圖中 表示 的前沿，即直射波的相對(duì)到達(dá)時(shí)刻。0t ( )E t 定義 的一階矩為平均時(shí)延 ， 的均方根為多徑時(shí)延散布 ，常稱(chēng)為時(shí)延擴(kuò)展，即 最大時(shí)延 為當(dāng) 下降30dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)延。多徑時(shí)散參數(shù)的典型值如表（450MHz/900MHz頻段） 可見(jiàn)，市區(qū)傳播條件較惡劣。為了避免碼間干擾，如無(wú)抗多徑措施，則碼率必須比 低得多。( )E

15、t( )E t0220( )( )tE t dtt E t dt max( )E t1/相關(guān)帶寬 從頻域上，多徑時(shí)散現(xiàn)象將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即信道對(duì)不同的頻率成分有不同的響應(yīng)。如果信號(hào)帶寬過(guò)大，將會(huì)引起嚴(yán)重失真。 討論最簡(jiǎn)單的情況，即雙徑信道。其中一條路徑信號(hào)表示為 ，另一條路徑信號(hào)表示為 ，接收信號(hào)為兩者之和，即雙徑信道( )iS t( )( )jwtirS t e( )( )( )(1)jwtoiS tS tre 信道的傳遞函數(shù)為 相應(yīng)的幅頻特性為雙徑信道幅頻特性 相鄰兩個(gè)谷點(diǎn)的頻差為 或)(01)()(),(tjieretStStjH( , )1cos( )sin( )Atrtjrt2

16、( ) t12( )cBt 即為多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬，若所傳輸?shù)男盘?hào)帶寬過(guò)大，以至與 可比擬，則信號(hào)將產(chǎn)生明顯的失真。 實(shí)際通常有很多條傳輸路徑， 隨時(shí)間而變化，信道的傳遞函數(shù)更復(fù)雜，因此很難準(zhǔn)確分析信道的相關(guān)帶寬。在工程上對(duì)于角度調(diào)制信號(hào)， 可按下式估算其中 為信道的擴(kuò)展時(shí)延。cB( ) t12cBcBcB顯然，相關(guān)帶寬與時(shí)延擴(kuò)展一一對(duì)應(yīng)移動(dòng)信道存在一個(gè)相關(guān)帶寬，當(dāng)信號(hào)的帶寬大于相關(guān)帶寬時(shí)，發(fā)生頻率選擇性衰落。移動(dòng)信道存在一個(gè)最大時(shí)延，當(dāng)碼元間隔小于最大時(shí)延時(shí)，發(fā)生碼間干擾。2.3 2.3 陸地陸地移動(dòng)信道的傳輸損耗移動(dòng)信道的傳輸損耗2.3.1 計(jì)算方法 移動(dòng)信道電波傳播條件復(fù)雜，甚至惡劣，因

17、此準(zhǔn)確計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)中值或傳輸損耗非常困難。 通常采用分析和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的辦法：通過(guò)分析，了解各因素的影響；通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，找出在各種地形地物條件下傳輸損耗與距離、頻率、天線高度之間的關(guān)系。 近年來(lái)計(jì)算機(jī)模擬也逐漸成為研究移動(dòng)信道傳輸損耗的一種重要方法。 本節(jié)著重研究陸地移動(dòng)信道的傳輸損耗。2.3.2 地形、地物分類(lèi)地形的分類(lèi)與定義 中等起伏地形：在傳播路徑的地形剖面圖上， 地面起伏高度不超過(guò)20m，起伏緩慢，峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度。 不規(guī)則地形：其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等。其中，地面起伏高度指在自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10km范圍內(nèi)10高度線與90高度線之間的高度差。 定

18、義基站天線的有效高度 ，如圖。 若傳播距離不到15km，則 是3km到實(shí)際距離之間的平均海拔高度。 定義移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度 為移動(dòng)臺(tái)天線在當(dāng)?shù)氐孛嫔系母叨?。gatsbhhhgahmhmh地物的分類(lèi) 不同地物環(huán)境的傳播條件不同，按照地物的密集程度不同分為三類(lèi) 開(kāi)闊地：在電波傳播的路徑上無(wú)高大樹(shù)木、 建筑物等障礙物，呈開(kāi)闊狀地面，例如農(nóng)田、荒野、廣場(chǎng)、沙漠和戈壁灘。 郊區(qū)：在靠近移動(dòng)臺(tái)處有障礙物但是不稠密，例如少量的低層房屋或小樹(shù)林等。 市區(qū)：有較密集的建筑物和高層樓房等障礙物。2.3.3 中等起伏地形上傳播損耗的中值市區(qū)傳播損耗的中值 在計(jì)算各種地形、地物上的傳播損耗時(shí)，均以中等起伏地上市區(qū)的損耗中值或場(chǎng)強(qiáng)中值作為基準(zhǔn)。 傳播損耗取決于傳播距離 、工作頻率 、基站天線高度 和移動(dòng)臺(tái)天線高度 等，即( , )( , )(, )(,)TfmmmsbbLLf dAf dHhdHhfdfbhmh 典型中等起伏地上市區(qū)的基本損耗中值 與頻率、距離的關(guān)系曲線。 隨著頻率升高和距離增大，市區(qū)傳播基本損耗中值都將增加。( , )mAf d 若基站天線高度不是200m，則損耗中值的差異用基站天線高度增益因子來(lái)表示。(, )bbHhd 若移動(dòng)臺(tái)天線高度不是3m，則需要用移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子 來(lái)修正。(,)mmHhf 損耗中值還與街道走向（相對(duì)于電波