第三章 无线移动通信信道
3.1 概述
3.1.1 引言
研究任何无线通信系统首先要研究无线信道的电波传播特性。无线信道的电波传播特性与电波传播环境密切相关，这些环境包括地貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰情况、通信体移动速度情况和使用的频段，它们直接关系到无线通信设备要采用的无线传输技术，关系到无线通信系统的通信能力和服务质量。
无线移动通信信道是一种电波传播环境很复杂的无线信道，电波在不同的地形地貌和移动速度的环境条件下传播。
有三种研究无线移动通信信道的基本方法：
（1）理论分析。用电磁场理论和统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。 （2）现场电波实测。在不同的传播环境中，做电波实测实验，验证和校正理论分析结果。 （3）计算机模拟。灵活快速地模拟各种移动环境。
通过研究可以获得在不同移动环境中的电波传播特性的某种统计描述以及分类等，用公式推导无线信道中信号的瑞利（Rayleigh）衰落、多谱勒频移等各种特性。
电波传播特性包括在无线移动通信信道中电波传播的快衰落与慢衰落、多径衰落和多普勒频移。
本章分析无线移动通信信道中信号的场强、概率分布及功率谱密度、多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相关带宽，以及信道的衰落特性，包括平坦衰落和频率选择性衰落、衰落率与电平通过率、电平交叉率、平均衰落周期与长期衰落、衰落持续时间，以及衰落信道的数学模型。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。
3.1.2 无线移动通信信道
无线移动通信信道是由长期慢衰落和短期快衰落效应来表征的。忽略热噪声时，接收机接收的信号可以表示为
r(t)?m(t)?r0(t)式中，m?t?表示长期慢衰落，即本地平均或对数正态衰落分量，其幅度是对数正态功率密度函数；0表示短期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。两种衰落都与接收机天线的位移有关。
长期慢衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的，衰减特性一般服从律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。利用不同测试环境下的移动通信信道的长期慢衰落中值计算公式，可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。从无线系统工程的角度看，传播的衰落主要影响到无线区的覆盖。
短期快衰落是由移动台运动和地点的变化而产生的。其中，多径产生时间扩散，引起信号符号间干扰；运动产生多普勒效应，引起信号相位变化。不同的测试环境有不同的短期快衰落特性。而多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。图3-1示出了无线移动通信信道的长期慢衰落和短期快衰落效应。
在移动通信中，无线电波主要是以地波形式传播的，因此主要考虑直达波和反射波传播。一般情况下，对电波反射按平面波处理，即电波在反射点的入射角等于反射角，电波相位发生一次变化。在接收端接收到的信号是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射随时间变
(3-1)
r?t?d-n化，传播路径差也随时间和近端地形地物变化，信号有时同相相加，有时反相抵消，由此会造成接收端信号的幅度变化，这就称为衰落。
在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来描述、测试。
图3-1 无线移动通信信道的长期慢衰落和短期快衰落
3.2 自由空间的无线电传播
自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，电波传播不发生反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在由电磁波能量扩散而引起的传播损耗。
在自由空间中，设发射点处的发射功率为t，以球面波辐射；设接收的功率为r，则
PP有
ArPG Pr?tt2 4?d射天线和接收天线之间的距离。
自由空间的传播损耗L定义为
L? (3-2)
?2Gr式中，Ar? ，?为工作波长；Gt、Gr表示发射天线和接收天线增益；d为发
4?PtPr (3-3)
当Gt=Gr=1时，自由空间的传播损耗可写作
?4?d? L??????若以分贝表示，则有 L2 (3-4)
?dB??32.45?20lgf?20lgd (3-5)
式中，f为工作频率，单位符号：MHz；d为接收和发射天线之间的距离，单位符号：km。电波的自由空间传播损耗是与距离的平方成正比的。
3.3 阴影衰落传播的基本特性
阴影衰落是长期衰落（大尺度衰落），是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。
阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，又称为慢衰落。其特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。图3-2表示了阴影衰落。
图3-2 阴影衰落
阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘积。移动用户和基站之间的距离为r时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为
l?r,???rm?10?/10 (3-6)
式中，?是由于阴影产生的对数损耗（单位符号：dB），服从零平均和标准偏差?dB的对数正态分布。当用dB表示时，上式变为 10lgl?r,???10mlgr?? (3-7)
3.4 多径衰落的基本特性
移动无线信道是弥散信道。电波通过移动无线信道后，信号在时域上或在频域上都会产生弥散，本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产生衰落失真。 1.多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的信号分量展宽，相应地在频域上规定了相关带宽性能。当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。
2.多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号产生多普勒频展，相应地在时域上规定了相关时间。多普勒效应产生的衰落是时间选择性衰落。
在多径传播信道中，假设：①有N个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占支配地位；没有直射波信号，仅有许多反射波信号，接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布。②但是，当接收到较强的直射波信号且它占有支配地位时，接收信号包络的衰落变化服从莱斯（Rician）分布。在多径移动信道中，多径效应引起时间上的时延扩展，多普勒效应引起多普勒频展。
3.4.1 反射与多径信号
1.反射
入射波与反射波的比值称为反射系数（R）。图3.3示出了电波的反射。 R?式中 z?sin??zsin??z (3-8)
?0?cos2? （垂直极化）
?0 z??0?cos2? （水平极化）
而 ?0???j60??
其中,?为介电常数；?为电导率；?为波长。
图3-3 电波的反射
对于地面反射，当工作频率高于150MHz(??2m)时,??1?,可以算出化反射系数)=Rh(水平极化反射系数)=-1。
2.两径传播模型
图3-4表示有一条直射波和一条反射波路径的两径传播模型。
R
v
(垂直极
图3-4 两径传播模型
图中，A表示发射天线；B表示接收天线；
h和hbm分别表示发射天线和接收天线离
地面的高度；AB表示直射波路径；ACB表示反射波路径。在接收天线B处的接收信号功率表示为
???????P?PGG1?Re?(1?R)Ae?t??rt r?4?d?22 (3-9)
式中，在绝对值符号内，第一项代表直射波；第二项代表地面反射波；第三项代表地表面波；省略号代表感应场和地面二次效应。在大多数场合，地表面波的影响可以忽略，则上式可以简化为
?????2 P (3-10) r?Pt??GrGt1?Re?4?d?式中，Pr和Pt分别为接收功率和发射功率；Gt和Gr分别为基站和移动台的天线增益；
R为地面反射系数，可由式求出；D为收发天线距离；?为波长；??为两条路径的相位
差，
??2?2??l? (3-11)
?l??AC?CB??AB (3-12)
2N?12考虑N个路径时，接收信号功率
???j??iP?PGG1?Re? rt?i?rt4?d??i?13.4.2 多普勒频谱
(3-13)
当多径数目很大时，就无法用式准确计算出接收信号的功率，而必须用统计的方法计算。
当移动体在x轴上以速度?移动时引起多普勒(Doppler)频率漂移。
用一个平面波表示稳定扩散事件，假定xOy平面是平面场，此时，多普勒效应引起的多普勒频移可表示为
fd?v?cos? (3-14)
式中，?为移动速度；?为波长；?为入射波与移动台移动方向之间的夹角；最大多普勒频移。
当第n个入射波的入射角是 wn???fm为
?n时（如图3.5所示），
??vcos?n?2?Nv?cos?n (3-15)
设发射信号是垂直极化，并且只考虑垂直波时，场强 Ez式中,
?E0?Cncos??ct??n? (3-16)
n?1n?c为载波频率；
多普勒频率漂移，
?E?C0为第n个入射波（实部）幅度；?n??nt??n，其中
?n
为
n为随机相位（0~2?均匀分布）。
图3-5 入射波与移动台运动
E可以表示为
Ez?Tc(t)cos?ct?Ts(t)sin?ct (3-17)
根据中心极限理论，当N很大时，近似为高斯随机过程，
z式中 Tc(t)?E0?Cncos(?nt??n) (3-18)
n?1N
第三章 无线移动通信信道
