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多徑效應與瑞利衰落慢衰落特性和衰落儲備多徑時散與相關(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，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度小于鏡面反射無線電波的強度，因為沿不平表面?zhèn)鞑r散射了能量，使反射無線電波沿發(fā)散路徑前進。（3）繞射：當無線電波由于地形外廓的變化，遮避住其傳播路徑時，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，被認為是視距傳播，而繞射則被認為是非視距傳播。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，其含義是在局部時間中，信號電平大于或小于它的時間50%。由于移動臺的不斷運動，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多普勒效應假設移動臺以恒定的速率移動時，會接收到來自遠方信號源發(fā)出的信號電波，并設信號電波與移動臺運動方向的夾角為，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動，則頻移為負，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信號的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬。圖2-9多普勒效應示意圖2.2.3多徑效應與瑞利衰落從發(fā)射機到接收機，一般均有多條不同時延的直射或反射傳輸路徑，這種現(xiàn)象稱為多徑效應，如圖2-10所示，這樣到達接收機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起伏，即不規(guī)則變化。多徑衰落后的信號包絡服從瑞利分布，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）設信號包絡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算和大量的實測表明，多徑效應使接收信號包絡變化接近瑞利分布。一般情況下，衰落深度還與地形地物有關(guān)，可達10~30dB。而衰落速率（單位時間內(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)計數(shù)據(jù)表明：當信號電平發(fā)生快衰落的同時，其局部中值電平還隨時間、地點以及移動臺速度作比較平緩的變化，其衰落周期以秒級計，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。分布的標準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隨位置分布和時間分布的標準偏差，見表2-1，表中d為收發(fā)間距離，單位為km。表2-1接收信號中值場強隨位置分布和時間分布的標準偏差工作頻率MHZσL（dB）σξ（dB）準平坦地形不規(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，使得同一地點處所收到的信號中值電平隨時間作慢變化，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甚至天為量級計），因此?？梢院雎圆挥?。為了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中斷，在信道設計中，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。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。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多徑時散與相關(guān)帶寬1．多徑時散多徑效應在時域上將造成數(shù)字信號波形的展寬。假設基站發(fā)射一個脈沖信號Si（t）=a0δ（t）給移動臺，由于多徑效應使移動臺接收到的信號實際上為一串到達時間不等的脈沖迭加，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）

該式表示了到達移動接收機的信號是頻率為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)果變成了一個脈沖長度為τ的連續(xù)脈沖信號，這就發(fā)生了多徑時散，如圖2-12（b）所示。這種多徑時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)射信號速率遠小于1/Δ的間隔。圖2-12多徑時散示意圖衰落環(huán)境下產(chǎn)生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠小于1/Δ的間隔。圖2-12中多徑時散的平均延時時間d和標準方差可表示如下（式2-29）和（式2-30）：（式2-29）（式2-30）式中，Δ表示多徑時散散布的程度。Δ越大，時延擴展越嚴重；Δ越小，時延擴展越輕。最大時延τmax是以強度下降30dB時測定的時延值，如下圖2-13所示。圖2-13典型多徑時延的信號包絡多徑時散的參數(shù)典型范圍總結(jié)如下表2-2所示：參

數(shù)市

區(qū)郊

區(qū)平均延時時間1.5～

2.5μs

0.1～

0.2μs相應路徑長度450～

750m30～

600m最大延時時間5.0～12.0μs0.3～

7.0μs相應路徑長度1.5～

3.6km0.9～

2.1km延時擴展Δ的范圍1.3～

3.0μs0.2～

2.0μs平均延時擴展1.3μs0.5μs最大有效延時擴展3.5μs2.0μs表2-2多徑時散參數(shù)典型值可見，時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)的時延要比郊區(qū)大，如表中市區(qū)最大延時時間高達12μs，而郊區(qū)平均延時擴展僅為0.5μs。也就是說，從多徑時散的角度上看，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，除非采用某些改進措施。這樣，在移動無線電環(huán)境下，多徑衰落導致傳輸?shù)拇a速率降低，并使碼速率隨著接收機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小于1/Δ的間隔，以避免碼間干擾。最后應指出，多徑時散和發(fā)射頻率無關(guān)，因而兩者可分別進行考慮。2．相關(guān)帶寬從頻域的觀點上看，多徑時散現(xiàn)象將導致信道對不同頻率成分有不同的響應，即頻率選擇性衰落。若信號帶寬過大，就會引起嚴重的失真。這是因為，頻率相鄰的兩個衰落信號，由于存在不同的時間延遲，將導致這兩個信號相關(guān)。允許這一條件成立的頻率間隔取決于多徑時散Δ，這種頻率間隙就稱為“相干”或“相關(guān)”帶寬Bc。用來描述延時擴展包絡的模型包含兩部分，“脈沖響應”和“衰減指數(shù)響應”，前者對應于接收到的反射能量，后者對應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接收點，而衰減部分是沿大量散射路徑到達，因此，具有有限的相關(guān)帶寬。利用多徑時散包絡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）為脈沖響應模型的理想表示，相應的帶寬相關(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)