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1、第2章 移动通信信道的电波传播,本章提示, 无线移动信道是一种很不良好的信道。视距、衰落、多径和随机变化是移动信道的基本特征。 载有信息的无线电波在无线移动信道中的传播损耗，不但会随传播距离的增加，电波的损耗以传播距离的四次方增大；同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是电波的衰落。,本章提示, 衰落既有慢衰落，同时产生快衰落；多径时延扩展，使信道对信号产生频率选择性衰落，使信号发生波形畸变而引起符号间干扰（ISI）。 多普勒效应在移动通信中普遍存在。多普勒效应使信道对信号产生随机调频和频谱扩展，对信号产生时间选择性衰落，使数字信号误码性能变坏。,本章提示,
2、对接收点信号场强的预测估算，是通信工程设计中的重要环节。由于信道传播特性的随机变化，不可能用一两个公式对其进行计算；必须依据实际环境，选用不同的数学模型进行预测估算，再经实际电测才能确定。,第2章 移动通信信道的电波传播,2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性 2.2 阴 影 效 应 2.3 移动信道的多径传播特性 2.4 多径衰落的时域特征和频域特征 2.5 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测,2.1 VHF、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1 800MHz。 移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波
3、、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。,2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,图2-1 典型的移动信道电波传播路径,2.1 VHF、UHF频段的电波传播特性,2.1.1 自由空间电波传播方式,2.1.1 自由空间电波传播方式,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。,2.1.1 自由空间电波传播方式,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
4、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。,2.1.1 自由空间电波传播方式,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。,2.1.1 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,2.1.1 自由空间电波传播方式,磁场强度有效值H0为,2.1.1 自由空间电波传播方式,单位面积上的电波功率密度S为,2.1.1 自由空间电波传播方式,若用天线增益为GT的方向性
5、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,2.1.1 自由空间电波传播方式,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,2.1.1 自由空间电波传播方式,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。,2.1.1 自由空间电波传播方式,由式（2-6）至式（2-8）可得,2.1.1 自由空间电波传播方式,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,2.1.1 自由空间电波传播方式,由上式可见，自由空间传播损耗Lbs可定义为,2.1.1 自由空间
6、电波传播方式,以dB计，得 或 式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。,2.1.1 自由空间电波传播方式,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。,2.1.2 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）。,2.1.2 视距传播的极限距离,图2-2 视距传播的极限距离,2.1.2 视距传播的极限距离,已知地球半径为R = 6 370km，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
7、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。,2.1.2 视距传播的极限距离,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 = 8 500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为,2.1.3 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。,2.1.3 绕射损耗,图2-3 菲涅尔余隙 图2-3（a
8、）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。,2.1.3 绕射损耗,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,2.1.3 绕射损耗,由图2-4可见，当横坐标x/x10.5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x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。,2.1.3 绕射损耗,图2-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系,2.1.4 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
9、。 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。,2.1.4 反射波,反射波与直射波的行距差为 式中 d = d1 + d2,2.1.4 反射波,图2-5 反射波和直射波,2.1.4 反射波,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,2.1.4 反射波,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,2.1.4 反射波,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。 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。,2.1.4 反射波,当接收机和发射机之间的无线
10、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。,2.1.4 反射波,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。,2.2 阴 影 效 应,当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。 移动台在运动中通过不同障碍物的阴
11、影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。,2.2 阴 影 效 应,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。,2.2 阴 影 效 应,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。,2
12、.2 阴 影 效 应,图2-6 慢衰落测试,2.2 阴 影 效 应,对实测数据的统计分析表明，接收信号的局部均值rlm近似服从对数正态分布，其概率密度函数为,2.2 阴 影 效 应,式中， 为整个测试区的平均值，即rlm的期望值，取决于发射机功率、发射和接收天线高度以及移动台与基站的距离。 为标准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率等因素，的数值见表2-1。,2.2 阴 影 效 应,2.3 移动信道的多径传播特性,2.3.1 概述 2.3.2 多普勒频移 2.3.3 多径接收信号的统计特性 2.3.4 衰落信号的特征量,2.3.1 概述,1移动信道的时变特性 移动信道是一种时变信道。无线电信
13、号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。如果用公式表示，按接收信号功率可表示为 式中，| |表示移动台与基站的距离。,1移动信道的时变特性,上式是信道对传输信号作用的一般表示式，这些作用有三类。 自由空间传播损耗与弥散，用| |n表示，其中n一般为34。 阴影衰落，用S( )表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。 多径衰落，用R( )表示。这是由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。,1移动信道的时变特性,上述三种效应表现在不同距离范围内，图2-7所示为典型的实测接收信号场强。 在数十波长的范围内，接收
14、信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这就是多径衰落引起的，又称为快衰落。 在数百波长的区间内，信号的短区间中心值也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰落。 长区间中心值随距离基站的位置变化而变化，其衰减特性一般服从d n规律。,1移动信道的时变特性,图2-7 陆地移动传播特性,2移动环境的多径传播,陆地移动信道的主要特征是多径传播。 传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如图2-8所示。,2.3.1 概述,图2-8 移动信道环境,2.3.1 概述,这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条
15、反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。,2.3.1 概述,通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通常高30m，最高可达90m；移动台天线通常高2m3m。 移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主要原因。 离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径，而且这些路径要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。,2
16、.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（Doppler Shift），可用下式表示,2.3.2 多普勒频移,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。,2.3.2 多普勒频移,图2-9 入射角,2.3.3 多径接收信号的统计特性,考虑到多普勒频移，处于运动之中的移动台的接收信号可以表示为 式中，fD是多普勒频移，j0为电波到达相位 式中，l为传播路径长度。,2.3.3 多径接收信号的统计特性,为了对多径信号做出数学描述，首先给出下列假设： 在发信机与收信机之间没有直射波通路； 有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在0 2内均匀分布； 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。,2.3.3 多径接收信号的统计特性,一般说来，在
