移动通信§3 移动信道中的电波传播与分集接收

§3 移动信道中的电波传播与分集接收§3.1 概述移动通信系统的电波传播问题比较复杂，因而其传 播特性与固定点无线通信的传播模式不同，必须根据移 动通信的特点，按照不同的传播环境和地形特征，运用 统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传播 规律，以获得准确预测接收场强的方法。

移动台处于运动状态，电波传播条件随着移动而发 生较大变化，接收信号的场强起伏很大，可达几十分贝， 出现严重的衰落现象。如 由此可见，接收信号出现严重的衰落现象是移动通 信电波传播的一个基本特点。2

§3.1 概述3.1.1 表征衰落特性的常用参数 衰落是指移动通信中的接收信号场强随机起伏 变化的现象。由于对随机量的研究，通常采用统计 分析方法，所以在研究衰落时，先测得衰落的瞬时 分布，得出各个不同时刻的信号电平记录，再统计 分析获得描述衰落的统计数字特征参数。 1、场强中值 场强中值指具有50%概率的场强值，即场强值 高于规定电平值的持续时间占统计时间的50%时， 则所规定的那个电平为场强中值。例如3

§3.1 概述3.1.1 表征衰落特性的常用参数 2、衰落深度 通常定义接收电平与场强中值电平之差为衰落 深度。即以场强中值电平为参考电平，表明信号起 伏偏离其中值电平的幅度，是衡量衰落严重程度的 参数。实际使用时，常用分贝表示：

式中，Ei为接收电平，E0为场强中值电平。

一般在移动通信中，衰落深度可达20~30dB。4

§3.1 概述3.1.1 表征衰落特性的常用参数 3、衰落速率衰落速率用以描述接收信号场强变化的快慢，即衰落 的频繁程度。其定义为：单位时间内场强包络与给定电平 值ER相交次数的一半，用N表示。通常取场强中值电平为 给定电平，此时也称衰落率。 研究表明：衰落速率与工作频率、移动台的行进速度 和行进方向等有关。工作频率越高，衰落越快，场强包络 上升和下降就越陡峭。测试得出，移动台的行进方向正好 朝着或背着信号传播方向衰落最快，其平均衰落率为：V:km/h;f:MHz5

§3.1 概述3.1.1 表征衰落特性的常用参数 4、衰落持续时间 衰落持续时间指场强低于某一给定电平值的持 续时间。 移动通信中，当接收电平低于接收机门限电平 时，就可能造成语音中断或产生信令误码。 所以，了解衰落低于门限电平持续时间的统 计分布规律，对提高移动通信系统的可靠性有着 重要的意义。例如，知道了衰落持续时间，就可 以判断话音传输受影响的程度。6

§3.1 概述3.1.2 自由空间的传播衰耗 自由空间是一个理想的空间，指电

波直线传播 而没有吸收，且不存在反射、折射、绕射和散射等 现象。 如图所示的自由空间中，在 原点O有一辐射源，均匀地向各 方向辐射，辐射功率为PT。能量 均匀地分布在以O点为球心、d 为半径的球面上。已知球面的表7

§3.1 概述3.1.2 自由空间的传播衰耗

通常定义发射功率与接收 功率的比值为传播衰耗。即自 由空间传播衰耗为： 工程上，传播衰 耗常用分贝表示： 若距离d用km,波长换算为频率f(MHz),则传播衰 耗改写为：

Lbs(dB)=32.45+20lgd+20lgf

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.1 移动通信电波传播方式移动通信一般采用甚高频(VHF)和超高频(UHF) 频段。 (1)陆地移动通信的电波传播 (2)海上移动通信的电波传播 (3)空中移动通信的电波传播 (4)卫星移动通信的电波传播9

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.2 地形地物对电波传播的影响地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播的影 响也是错综复杂的。为了确定不同地形和传播环境条件下 的电波传播特性，首先必须对地形特征和传播环境分类， 并给以明确的定义。 1、地形特征的分类与定义 对于复杂的地形特征，一般可分为两类，即“准平滑 地形”和“不规则地形”。所谓“准平滑地形”是指在传 播路径的地形剖面图上，其地面起伏高度不超过20米，且 起伏缓慢。除此以外的其它地形统称为“不规则地形”。 不规则地形按其状态又可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾 斜地形和水陆混合地形等等。10

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.2 地形地物对电波传播的影响1、地形特征的分类与定义 由于天线总是架设在某种地形地物上，故只讲天线自 身的高度在通信中并无多大实际意义。例如，同一天线架 设在山顶与架设在平地的效果就大不相同。因此，有必要 定义一个“天线有效高度”。图 如 设基地站天线的顶端海拔高度为hts,从基地站天线设 置点起3~15公里距离内地平面平均海拔高度为hgs,则基 地站天线有效高度定义为：hb= hts- hgs 移动台天线的高度hm则是指路面以上的高度。后面所 涉及的天线高度，均为有效高度。11

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.2 地形地物对电波传播的影响2、传播环境的分类与定义 地面障碍物的种类很多。可根据地物密集的程度，把 传播环境分为四类。

1)开阔地 电波传播方向上没有高大的树木或建筑物等开阔地带， 或者300~400米以内没有任何阻挡的小片场地，如农田、 广场等均属开阔地。2)郊区 在移动台附近有些障碍物，但不稠密的地区。例如房 屋、树林稀少的农村或市郊公路网等。12

§3.2 电波传

播特性与移动信道特征3.2.2 地形地物对电波传播的影响2、传播环境的分类与定义 地面障碍物的种类很多。可根据地物密集的程度，把 传播环境分为四类。

3)市区 在此区域内有较密集的建筑物，如大城市的高楼群等。 4)隧道区地下铁道、地下停车场、人防工事、海底隧道等地区。

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.3 多径传播在陆地移动通信系统中，工作在城市建筑群和其它地 形地物较为复杂的环境中, 由于移动台天线高度较低， “淹没”在城市建筑物的高度之下，根本没有视线路径。 所以，基地站和移动台之间的电波传播已不是单纯的直射 波形式，而出现多条路径的反射，以致到达接收天线的信 号是来自不同传播路径的各电波的合成波。 如图

由于移动台不停的运动，尽管各个反射波都是从一个 天线源辐射出来的，但传播路径不同，反射体的性质不同， 使得到达接收点各反射波的幅值和相位都是随机变化的。 因而合成波的幅值和相位随移动台的运动产生很大的起伏 变化。这种现象称为多径衰落或快衰落。多径衰落是一种 微观的快速变化。 实例 14

移动通信中，基站用固定的高天线，移动台用接近地 面的低天线。引起多径的主要原因是移动台周围的建筑物 和其他各种反射体，甚至包括车辆、行人。 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 有高层建筑的反射才能对移动台构成多径，并且这些路径 要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。

所谓近端区和远端区都是相对某个移动台而言，并没 有严格的界线。而且，当移动台移动时，近端区和远端区 都是在变化的。15

移动信道的多径环境引起的信号多径衰落，可以从空 间和时间两方面进行描述和测量。

从空间角度来看，沿移动台运动方向，接收信号的幅 度随距离或时间(移动台运动时)变动呈现衰减，亦称为 幅度衰落。此外，接收信号的局部中值为随距离增加而起 伏下降，反映了地形起伏所引起的衰减以及空间扩散损耗。 从时间角度，各个路径的长度不同，因而信号到达的 时间也各不相同。这样，若从基站发射一个脉冲信号，则 接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括它的各个延迟信 号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展 现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号 至最后一个多径信号的时间来测量。 16

一般来说，模拟移动通信中主要考虑多径效应所引起 的接收信号幅度变化。而数字移动通信中主要考虑多

径 效应所引起的脉冲信号的时延扩展，因为时延扩展将引

起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。由于移动环境的复杂性与不确定性，不管是幅度衰落 还是时延扩展，都必须用统计的方法来分析。

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.3 多径传播通过统计分析可知，多径衰落后，信号的振幅服从瑞 利分布，所以多径衰落又称作瑞利衰落。设接收到的载波 振幅为Ai,其瑞利分布的概率密度函数可用下式表示：

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.4 阴影效应另一种变化是慢衰落。由于电波传播路径上遇到建筑 物、树林等障碍物阻挡，在阻挡物的后面，会形成电波的 阴影区，如图所示。阴影区的信号场强较弱，当移动台穿 过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢变化。通 常把这种现象称为阴影效应。

另外，由于气象条件的改变，电波折射系数随时间平 缓变化，使得同一地点所接收到的场强中值也随时间缓慢 的变化。由阴影效应和气象条件变化造成的接收场强中值 的缓慢变化称为慢衰落，慢衰落在性质上属于缓慢的宏观 变化,其衰落周期常以小时甚至天为量级计。其衰落的速 率与工作频率无关，而仅取决于移动台的移动速度。但衰 19 落深度取决于障碍物的状态及信号工作频率。

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.4 阴影效应通过统计分析可知，慢衰落一般服从对数正态分布， 若以分贝数表示信号的中值电平，则服从正态分布。 正态分布又称为高斯分布，在概率论与数理统计中占 有特别重要的地位。正态分布的概率密度函数可表示为：

其概率密度曲线如下图所示。20

§3.2 电波传播特性与移动信道特征3.2.4 阴影效应