移動信道的特征

2.2移動信道的特征

傳播路徑與信號衰落多普勒效應(yīng)多徑效應(yīng)與瑞利衰落慢衰落特性和衰落儲備多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬2.2.1傳播路徑與信號衰落移動無線電波傳播路徑損耗，主要是由于地形、傳播路徑上的無線電散射體等原因產(chǎn)生的，是直射加上鏡面反射、漫反射和繞射等的綜合結(jié)果，如圖2-7所示。（1）鏡面反射：當(dāng)無線電波投射到兩種不同媒質(zhì)間的平滑分界面，并且界面線尺寸與輻射信號波長相比相差很大的情況下，則發(fā)生鏡面反射，并服從斯涅耳定律。（2）漫反射：當(dāng)無線電波投射到粗糙表面，且表面粗糙程度與輻射信號波長相似時(shí)，則產(chǎn)生漫反射，它服從惠更斯原理?！闱闆r下，漫反射無線電波的強(qiáng)度小于鏡面反射無線電波的強(qiáng)度，因?yàn)檠夭黄奖砻鎮(zhèn)鞑r(shí)散射了能量，使反射無線電波沿發(fā)散路徑前進(jìn)。（3）繞射：當(dāng)無線電波由于地形外廓的變化，遮避住其傳播路徑時(shí)，則會出現(xiàn)繞射。在移動無線電通信中，僅出現(xiàn)鏡面反射和漫反射的情況，被認(rèn)為是視距傳播，而繞射則被認(rèn)為是非視距傳播。直射波反射波圖2-7幾種傳播路徑直射波、反射波或散射波在接收地點(diǎn)形成干涉場，使信號產(chǎn)生深度且快速的衰落,這種衰落稱為快衰落，如圖2-8所示。圖中，虛線表示的是信號的局部中值，其含義是在局部時(shí)間中，信號電平大于或小于它的時(shí)間50%。由于移動臺的不斷運(yùn)動，電波傳播路徑上的地形、地物是不斷變化的，因而局部中值也是變化的。這種變化所造成的衰落比多徑效應(yīng)所引起的快衰落要慢得多，所以稱作慢衰落。圖2-8典型信號衰落特性2.2.2多普勒效應(yīng)假設(shè)移動臺以恒定的速率移動時(shí)，會接收到來自遠(yuǎn)方信號源發(fā)出的信號電波，并設(shè)信號電波與移動臺運(yùn)動方向的夾角為，如圖2-9所示，則頻移值可表示為（式2-24）：（式2-24）若移動臺朝向入射波的方向運(yùn)動，則頻移為正，即接收頻率升高；反之，若移動臺逆向入射波的方向運(yùn)動，則頻移為負(fù)，即接收頻率降低。因此，信號經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號帶寬。圖2-9多普勒效應(yīng)示意圖2.2.3多徑效應(yīng)與瑞利衰落從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)，一般均有多條不同時(shí)延的直射或反射傳輸路徑，這種現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)，如圖2-10所示，這樣到達(dá)接收機(jī)的信號是來自不同傳播路徑的信號之和。多徑現(xiàn)象易造成多徑衰落和脈沖展寬（也稱多徑時(shí)散，見2.2.5節(jié)）等。圖2-10移動信道的傳播路徑衰落一般指接收信號電平的隨機(jī)起伏，即不規(guī)則變化。多徑衰落后的信號包絡(luò)服從瑞利分布，其公式描述可如下（式2-25）和（式2-26）所示，所以多徑衰落又稱作瑞利衰落。（式2-25）（式2-26）設(shè)信號包絡(luò)μ的概率密度為f（μ），則：（式2-27）f（μ）與μ/σ的關(guān)系如圖2-11所示。圖2-11瑞利分布的概率密度通過計(jì)算和大量的實(shí)測表明，多徑效應(yīng)使接收信號包絡(luò)變化接近瑞利分布。一般情況下，衰落深度還與地形地物有關(guān)，可達(dá)10~30dB。而衰落速率（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰落的次數(shù)）還與移動臺移動速度及工作頻率有關(guān)，例如移動速度為40km/h，頻率400MHz，衰落速率約每秒30~40次。2.2.4慢衰落特性和衰落儲備由于移動天線低，最多不超過3m，故地形起伏和建筑物對電波阻擋、屏蔽的影響不可忽視。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)信號電平發(fā)生快衰落的同時(shí)，其局部中值電平還隨時(shí)間、地點(diǎn)以及移動臺速度作比較平緩的變化，其衰落周期以秒級計(jì)，故稱這種衰落為慢衰落或地形陰影衰落。這種衰落的規(guī)律服從對數(shù)正態(tài)分布，即以分貝數(shù)表示的信號電平為正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨地形波動的高度和頻率變化而變化。用σL、σξ分別表示接收信號中值場強(qiáng)隨位置分布和時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見表2-1，表中d為收發(fā)間距離，單位為km。表2-1接收信號中值場強(qiáng)隨位置分布和時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差工作頻率MHZσL（dB）σξ（dB）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形d（km）50100150城市郊區(qū)Δh

（m）50150300508910陸2571503.5～

5.54～

791113海9142045067.5111518水路3799006.58141821此外，還有一種隨時(shí)間變化的慢衰落，它也服從對數(shù)正態(tài)分布。這是由于大氣折射率的平緩變化，使得同一地點(diǎn)處所收到的信號中值電平隨時(shí)間作慢變化，這種因氣象條件造成的慢衰落其變化速度更緩慢（其衰落周期常以小時(shí)甚至天為量級計(jì)），因此?？梢院雎圆挥?jì)。為了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中斷，在信道設(shè)計(jì)中，必須使信道的電平留有足夠的余量，以使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)。這種電平余量稱為衰落儲備。衰落儲備的大小取決于地形、地物、工作頻率和要求的通信可靠性指標(biāo)。通信可靠性也稱為可通率，并用T表示，它與中斷率的關(guān)系是T=1-R。2.2.5多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬1．多徑時(shí)散多徑效應(yīng)在時(shí)域上將造成數(shù)字信號波形的展寬。假設(shè)基站發(fā)射一個(gè)脈沖信號Si（t）=a0δ（t）給移動臺，由于多徑效應(yīng)使移動臺接收到的信號實(shí)際上為一串到達(dá)時(shí)間不等的脈沖迭加，結(jié)果數(shù)字脈沖信號波形被展寬，這稱為多徑時(shí)散現(xiàn)象，如圖2-12所示。移動臺接收到的脈沖信號為：（式2-28）

該式表示了到達(dá)移動接收機(jī)的信號是頻率為ω的離散脈沖串，如圖2-12（a）所示；隨著移動臺周圍散射體數(shù)目的增多，接收到的離散脈沖串相互重疊結(jié)果變成了一個(gè)脈沖長度為τ的連續(xù)脈沖信號，這就發(fā)生了多徑時(shí)散，如圖2-12（b）所示。這種多徑時(shí)散就是造成碼間干擾的主要原因。為了防止在瑞利衰落環(huán)境下產(chǎn)生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠(yuǎn)小于1/Δ的間隔。圖2-12多徑時(shí)散示意圖衰落環(huán)境下產(chǎn)生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠(yuǎn)小于1/Δ的間隔。圖2-12中多徑時(shí)散的平均延時(shí)時(shí)間d和標(biāo)準(zhǔn)方差可表示如下（式2-29）和（式2-30）：（式2-29）（式2-30）式中，Δ表示多徑時(shí)散散布的程度。Δ越大，時(shí)延擴(kuò)展越嚴(yán)重；Δ越小，時(shí)延擴(kuò)展越輕。最大時(shí)延τmax是以強(qiáng)度下降30dB時(shí)測定的時(shí)延值，如下圖2-13所示。圖2-13典型多徑時(shí)延的信號包絡(luò)多徑時(shí)散的參數(shù)典型范圍總結(jié)如下表2-2所示：參

數(shù)市

區(qū)郊

區(qū)平均延時(shí)時(shí)間1.5～

2.5μs

0.1～

0.2μs相應(yīng)路徑長度450～

750m30～

600m最大延時(shí)時(shí)間5.0～12.0μs0.3～

7.0μs相應(yīng)路徑長度1.5～

3.6km0.9～

2.1km延時(shí)擴(kuò)展Δ的范圍1.3～

3.0μs0.2～

2.0μs平均延時(shí)擴(kuò)展1.3μs0.5μs最大有效延時(shí)擴(kuò)展3.5μs2.0μs表2-2多徑時(shí)散參數(shù)典型值可見，時(shí)延的大小主要取決于地物（如高大建筑物）和地形的影響。一般情況下，市區(qū)的時(shí)延要比郊區(qū)大，如表中市區(qū)最大延時(shí)時(shí)間高達(dá)12μs，而郊區(qū)平均延時(shí)擴(kuò)展僅為0.5μs。也就是說，從多徑時(shí)散的角度上看，市區(qū)的傳播條件更為差。另外，任何超過2MHz的信號速率都可能引起碼間干擾，除非采用某些改進(jìn)措施。這樣，在移動無線電環(huán)境下，多徑衰落導(dǎo)致傳輸?shù)拇a速率降低，并使碼速率隨著接收機(jī)要求的比特誤碼率的減小而降低。因此，在無抗多徑措施的

情況下，我們要求信號的傳輸速率必須遠(yuǎn)小于1/Δ的間隔，以避免碼間干擾。最后應(yīng)指出，多徑時(shí)散和發(fā)射頻率無關(guān)，因而兩者可分別進(jìn)行考慮。2．相關(guān)帶寬從頻域的觀點(diǎn)上看，多徑時(shí)散現(xiàn)象將導(dǎo)致信道對不同頻率成分有不同的響應(yīng)，即頻率選擇性衰落。若信號帶寬過大，就會引起嚴(yán)重的失真。這是因?yàn)椋l率相鄰的兩個(gè)衰落信號，由于存在不同的時(shí)間延遲，將導(dǎo)致這兩個(gè)信號相關(guān)。允許這一條件成立的頻率間隔取決于多徑時(shí)散Δ，這種頻率間隙就稱為“相干”或“相關(guān)”帶寬Bc。用來描述延時(shí)擴(kuò)展包絡(luò)的模型包含兩部分，“脈沖響應(yīng)”和“衰減指數(shù)響應(yīng)”，前者對應(yīng)于接收到的反射能量，后者對應(yīng)于接收到的散射能量。假定起始的脈沖是沿著一條非飄移路徑無失真地到達(dá)接收點(diǎn)，而衰減部分是沿大量散射路徑到達(dá)，因此，具有有限的相關(guān)帶寬。利用多徑時(shí)散包絡(luò)的拉普拉斯變換的歸一化值，即可得到信號的相關(guān)函數(shù)C（f）。圖2-14（a）為脈沖響應(yīng)模型的理想表示，相應(yīng)的帶寬相關(guān)函數(shù)值如圖2-14（b）所示。圖2-14信道脈沖響應(yīng)模型相關(guān)帶寬的定義有多種，一種典型的定義為（式2-31），其適用范圍為100kHz~1MHz。（式2-31）

工程上對于不同的調(diào)制系統(tǒng)，具體的相關(guān)