移动信道的特征

2.2移动信道的特征

传播路径与信号衰落多普勒效应多径效应与瑞利衰落慢衰落特性和衰落储备多径时散与相关带宽2.2.1传播路径与信号衰落移动无线电波传播路径损耗，主要是由于地形、传播路径上的无线电散射体等原因产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕射等的综合结果，如图2-7所示。（1）镜面反射：当无线电波投射到两种不同媒质间的平滑分界面，并且界面线尺寸与辐射信号波长相比相差很大的情况下，则发生镜面反射，并服从斯涅耳定律。（2）漫反射：当无线电波投射到粗糙表面，且表面粗糙程度与辐射信号波长相似时，则产生漫反射，它服从惠更斯原理。—般情况下，漫反射无线电波的强度小于镜面反射无线电波的强度，因为沿不平表面传播时散射了能量，使反射无线电波沿发散路径前进。（3）绕射：当无线电波由于地形外廓的变化，遮避住其传播路径时，则会出现绕射。在移动无线电通信中，仅出现镜面反射和漫反射的情况，被认为是视距传播，而绕射则被认为是非视距传播。直射波反射波图2-7几种传播路径直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落,这种衰落称为快衰落，如图2-8所示。图中，虚线表示的是信号的局部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大于或小于它的时间50%。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化所造成的衰落比多径效应所引起的快衰落要慢得多，所以称作慢衰落。图2-8典型信号衰落特性2.2.2多普勒效应假设移动台以恒定的速率移动时，会接收到来自远方信号源发出的信号电波，并设信号电波与移动台运动方向的夹角为，如图2-9所示，则频移值可表示为（式2-24）：（式2-24）若移动台朝向入射波的方向运动，则频移为正，即接收频率升高；反之，若移动台逆向入射波的方向运动，则频移为负，即接收频率降低。因此，信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。图2-9多普勒效应示意图2.2.3多径效应与瑞利衰落从发射机到接收机，一般均有多条不同时延的直射或反射传输路径，这种现象称为多径效应，如图2-10所示，这样到达接收机的信号是来自不同传播路径的信号之和。多径现象易造成多径衰落和脉冲展宽（也称多径时散，见2.2.5节）等。图2-10移动信道的传播路径衰落一般指接收信号电平的随机起伏，即不规则变化。多径衰落后的信号包络服从瑞利分布，其公式描述可如下（式2-25）和（式2-26）所示，所以多径衰落又称作瑞利衰落。（式2-25）（式2-26）设信号包络μ的概率密度为f（μ），则：（式2-27）f（μ）与μ/σ的关系如图2-11所示。图2-11瑞利分布的概率密度通过计算和大量的实测表明，多径效应使接收信号包络变化接近瑞利分布。一般情况下，衰落深度还与地形地物有关，可达10~30dB。而衰落速率（单位时间内发生衰落的次数）还与移动台移动速度及工作频率有关，例如移动速度为40km/h，频率400MHz，衰落速率约每秒30~40次。2.2.4慢衰落特性和衰落储备由于移动天线低，最多不超过3m，故地形起伏和建筑物对电波阻挡、屏蔽的影响不可忽视。大量统计数据表明：当信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随时间、地点以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，故称这种衰落为慢衰落或地形阴影衰落。这种衰落的规律服从对数正态分布，即以分贝数表示的信号电平为正态分布。分布的标准偏差随地形波动的高度和频率变化而变化。用σL、σξ分别表示接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准偏差，见表2-1，表中d为收发间距离，单位为km。表2-1接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准偏差工作频率MHZσL（dB）σξ（dB）准平坦地形不规则地形d（km）50100150城市郊区Δh

（m）50150300508910陆2571503.5～

5.54～

791113海9142045067.5111518水路3799006.58141821此外，还有一种随时间变化的慢衰落，它也服从对数正态分布。这是由于大气折射率的平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢（其衰落周期常以小时甚至天为量级计），因此常可以忽略不计。为了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中断，在信道设计中，必须使信道的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小取决于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称为可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。2.2.5多径时散与相关带宽1．多径时散多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽。假设基站发射一个脉冲信号Si（t）=a0δ（t）给移动台，由于多径效应使移动台接收到的信号实际上为一串到达时间不等的脉冲迭加，结果数字脉冲信号波形被展宽，这称为多径时散现象，如图2-12所示。移动台接收到的脉冲信号为：（式2-28）

该式表示了到达移动接收机的信号是频率为ω的离散脉冲串，如图2-12（a）所示；随着移动台周围散射体数目的增多，接收到的离散脉冲串相互重叠结果变成了一个脉冲长度为τ的连续脉冲信号，这就发生了多径时散，如图2-12（b）所示。这种多径时散就是造成码间干扰的主要原因。为了防止在瑞利衰落环境下产生码间干扰，就要求发射信号速率远小于1/Δ的间隔。图2-12多径时散示意图衰落环境下产生码间干扰，就要求发射信号速率远小于1/Δ的间隔。图2-12中多径时散的平均延时时间d和标准方差可表示如下（式2-29）和（式2-30）：（式2-29）（式2-30）式中，Δ表示多径时散散布的程度。Δ越大，时延扩展越严重；Δ越小，时延扩展越轻。最大时延τmax是以强度下降30dB时测定的时延值，如下图2-13所示。图2-13典型多径时延的信号包络多径时散的参数典型范围总结如下表2-2所示：参

数市

区郊

区平均延时时间1.5～

2.5µs

0.1～

0.2µs相应路径长度450～

750m30～

600m最大延时时间5.0～12.0µs0.3～

7.0µs相应路径长度1.5～

3.6km0.9～

2.1km延时扩展Δ的范围1.3～

3.0µs0.2～

2.0µs平均延时扩展1.3µs0.5µs最大有效延时扩展3.5µs2.0µs表2-2多径时散参数典型值可见，时延的大小主要取决于地物（如高大建筑物）和地形的影响。一般情况下，市区的时延要比郊区大，如表中市区最大延时时间高达12μs，而郊区平均延时扩展仅为0.5μs。也就是说，从多径时散的角度上看，市区的传播条件更为差。另外，任何超过2MHz的信号速率都可能引起码间干扰，除非采用某些改进措施。这样，在移动无线电环境下，多径衰落导致传输的码速率降低，并使码速率随着接收机要求的比特误码率的减小而降低。因此，在无抗多径措施的

情况下，我们要求信号的传输速率必须远小于1/Δ的间隔，以避免码间干扰。最后应指出，多径时散和发射频率无关，因而两者可分别进行考虑。2．相关带宽从频域的观点上看，多径时散现象将导致信道对不同频率成分有不同的响应，即频率选择性衰落。若信号带宽过大，就会引起严重的失真。这是因为，频率相邻的两个衰落信号，由于存在不同的时间延迟，将导致这两个信号相关。允许这一条件成立的频率间隔取决于多径时散Δ，这种频率间隙就称为“相干”或“相关”带宽Bc。用来描述延时扩展包络的模型包含两部分，“脉冲响应”和“衰减指数响应”，前者对应于接收到的反射能量，后者对应于接收到的散射能量。假定起始的脉冲是沿着一条非飘移路径无失真地到达接收点，而衰减部分是沿大量散射路径到达，因此，具有有限的相关带宽。利用多径时散包络的拉普拉斯变换的归一化值，即可得到信号的相关函数C（f）。图2-14（a）为脉冲响应模型的理想表示，相应的带宽相关函数值如图2-14（b）所示。图2-14信道脉冲响应模型相关带宽的定义有多种，一种典型的定义为（式2-31），其适用范围为100kHz~1MHz。（式2-31）

工程上对于不同的调制系统，具体的相关