第2章 移动通信信道的电波传播2

第2章移动通信信道的电波传播移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动通信的系统设计具有十分重要的意义。对移动无线电波传播特性的研究就是对移动信道特性的研究。移动信道的基本特性就是衰落特性,包括大尺度衰落和小尺度衰落。这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂，就导致了移动信道特性十分复杂。引言：本章主要介绍了移动通信电波传播的基本概念和原理，并介绍了常用的几种传播预测模型。首先介绍了电波传播的基本特性，在此基础上讲解了影响电波传播的三种基本的机制反射、绕射和散射。然后较详细地论述了移动无线信道及其特性参数。最后将在介绍主要的用于无线网络工程设计的无线传播损耗预测模型。同时，还给出了传播模型校正的例子。要求理解电波传播的基本特性了解三种电波传播的机制掌握握自由空间和阴影衰落的概念掌握多径衰落的特性和多普勒频移掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算理解传播损耗和传播预测模型的基本概念，理解几种典型模型了解模型校正的概念和基本方法2.1无线电传播特性2.1.1电波传播方式及特点电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同的传播方式，主要的传播方式四种:地球面电离层地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播，其信号最强。散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。其信号最弱。电磁波的波长不同，传播方式与特点也不一样。但电磁波在传播过程中有些特性，主要有下列几点：1.电波在均匀媒质中沿直线传播一般辐射到空间的电磁波都是球面波，即以场源为中心的球面上电场的大小、相位都相同。但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。在均匀媒质中，电波的各射线的传播速度相同，传播过程中各射线互相平行，电磁场方向不变，所以传播方向不变，即按原先的方向直线向前传播。2.能量的扩散与吸收当电磁波离开天线以后，向四面八方扩散，随着传播距离的增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，因此分布的面积越大，则通过单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。假若发射天线置于自由空间（一个无任何能反射或吸收电磁波物体的无穷大空间）中，若此天线无方向性，辐射功率为Pr瓦，则距辐射天线d米处的电场强度E0为：dPET300（V/m）（2-1）式(2-1)表明，电场强度与传播距离成反比，这种随着传播距离的增加而电场强度逐渐减弱的现象，完全是由电波在自由空间中能量的扩散而引起的。实际情况下，电磁波在大气中传播时，会遇到各种有损耗的介质、导体或半导体，因而损耗了一部分能量。这种现象叫做电磁波能量吸收。因此当考虑了电波吸收后，空间任一点场强的大小将小于(2-1)式的值。3.反射与折射当电波由一种媒质传到另一种媒质时，在两种媒质的分界面上，传播方向要发生变化，产生反射与折射现象。当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后，又返回到原来的媒质，这种现象称为反射，电磁波的反射和光的反射一样，符合反射定律，即入射角等于反射角，即电波在分界面改变传播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射，它同样遵守光学折射定理，即122121sinsinvv（2-2）上式中，v1、v2分别为电波在媒质1和媒质2中的传播速度，和是媒质1和媒质2的介电常数。因此，当两种媒质的介电常数相差越大时，电波在它们中传播速度相差也就越大，引起的电波传播方向的变化也就越大。4.电波的干涉由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点，则该接收点的场强由不同路径来的电波合成。这种现象称为波的干涉，也称作多径效应。合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系，当它们同相位时，合成场强最大；当它们反相时，合成场强最小。所以当接收点不同时，合成场强也是变化的。5.绕射现象电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射。由于平面波有一定的绕射能力，所以能够绕过高低不平的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。这也就是在障碍物后面有时仍能收到无线电信号的原因。电波的绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，则绕射能力越弱。2.1.2VHF、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1800MHz。为何移动通信通信主要使用VHF和UHF频段？1、VHF/UHF频段适合于移动通信：从VHF/UHF频段电波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信。2、天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的无线较短便于移动。3、抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比。2.1.2VHF、UHF频段的电波传播特性移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、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。到达接收天线的信号是直射波、反射波和绕射波的矢量合成．图2-1典型的移动信道电波传播路径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。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µr都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地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。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。2.2自由空间电波传播2.2.1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E0=T30Pd(V/m)（2-1）磁场强度有效值H0为H0=T30(A/m)120πPd（2-2）单位面积上的电波功率密度S为S=2T2(W/m)4πPd（2-3）若用天线增益为GT的方向性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E0=TT30(V/m)PGd（2-4）H0=TT30(A/m)120πPGd（2-5）S=2TT2(W/m)4πPGd（2-6）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PR=S×AR（2-7）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。AR=2R4πG（2-8）24π由式（2-6）至式（2-8）可得PR=PTGTGR24πd（2-9）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：PR=PT24πd（2-10）由上式可见，自由空间传播损耗Lbs可定义为：Lbs=2TR4πPdP（2-11）以dB计，得或式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。bsL(dB)=10lg24πd(dB)=20lg4πd(dB)（2-12）[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）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。自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。bsL(dB)=10lg24πd(dB)=20lg4πd(dB)（2-12）[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）bsL(dB)=10lg24πd(dB)=20lg4πd(dB)（2-12）[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）bsL(dB)=10lg24πd(dB)=20lg4πd(dB)（2-12）[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径是接受的场强，比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播。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）。图2-2视距传播的极限距离已知地球半径为R=6370km，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。d0=3.57RT((m)(m))(km)hh（2-14）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=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为d0=4.12RT((m)(m))(km)hh（2-15）一般认为，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。2.2三种基本电波传输机制反射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空间，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在视距路径（LOS，Lineofsight）（视距路径是指移动台可以看见基站天线；非视距（NLOS）（非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。散射：散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。2.2.1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。2.2三种基本电波传输机制绕射损耗图2-3菲涅尔余隙图2-3（a）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。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x1=1212dddd（2-16）由图2-4可见，当横坐标x/x1＞0.5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x＜0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。图2-4绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系例2-1设图2-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：先由式(2-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB由式(2-16)求第一菲涅尔区半径x1为mddddx7.8110151010105233321211式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。由图2-4查得附加损耗(x/x1