【正文】 第 2 章 移動(dòng)通信信道 《 移動(dòng)通信 》 前 言 ?移動(dòng)通信信道是移動(dòng)用戶在各種環(huán)境中進(jìn)行通信時(shí)的無線電波傳播通道。 ?從發(fā)射機(jī)天線到接收機(jī)天線，無線電波的傳播有直射、反射、折射、繞射等多種途徑，它們可能部分存在或同時(shí)存在，呈現(xiàn)隨機(jī)性。 ?移動(dòng)通信信道在各種通信信道中是最為復(fù)雜的一種。在有線傳播線路中，信噪比的波動(dòng)通常不超過 1~2dB，而陸地移動(dòng)通信信道中信號(hào)強(qiáng)度的驟然降低，即衰落深度可達(dá) 30dB。 前 言 ?在城市環(huán)境中，一輛快速行駛車輛上的移動(dòng)臺(tái)的接收信號(hào)在一秒鐘之內(nèi)的顯著衰落可達(dá)數(shù)十次且是隨機(jī)的，這比固定點(diǎn)的無線通信要復(fù)雜得多。 ?總之，移動(dòng)通信信道會(huì)引起接收信號(hào)在相應(yīng)的時(shí)間域、頻率域及空間域產(chǎn)生選擇性衰落，而這些衰落不但會(huì)嚴(yán)重惡化移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，還會(huì)明顯降低移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。 ?因此，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可靠的無線通信，必須采取相應(yīng)的一系列措施，而要保證所用技術(shù)的有效性，掌握移動(dòng)通信信道特性是基礎(chǔ)。 前 言 ?電波傳播的開放性、接收環(huán)境的復(fù)雜性和移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)移動(dòng)性是移動(dòng)通信信道的主要特點(diǎn)，而這些特點(diǎn)導(dǎo)致了其傳播條件是時(shí)變、復(fù)雜、惡劣的。因此，移動(dòng)通信信道是十分復(fù)雜的。 ?移動(dòng)通信信道研究的基本方法是理論分析、現(xiàn)場(chǎng)電波傳播實(shí)測(cè)和計(jì)算機(jī)仿真三種： ?第一種是利用電磁場(chǎng)理論來描述移動(dòng)通信信道，其不足是數(shù)學(xué)模型往往過于簡(jiǎn)化導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限； ?第二種是通過在不同的電波傳播環(huán)境中的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出包括接收信號(hào)幅度、時(shí)延及其他反映信道特征的參數(shù)，其不足是費(fèi)時(shí)費(fèi)力且往往只針對(duì)某個(gè)特定傳播環(huán)境； ?第三種是通過建立仿真模型，用計(jì)算機(jī)仿真來模擬各種無線電波傳播環(huán)境。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算技仿真方法因能快速模擬出各種移動(dòng)通信信道而得到越來越多的應(yīng)用。 前 言 ?無線電波傳播特性的研究結(jié)果可以用某種統(tǒng)計(jì)描述，也可以建立電波傳播模型，如圖表、近似計(jì)算公式或計(jì)算機(jī)仿真模型等。 ?本章在闡述陸地?zé)o線電波傳輸特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論陸地移動(dòng)通信信道的特征、場(chǎng)強(qiáng)（或損耗）的計(jì)算方法，并對(duì)移動(dòng)通信信道仿真作簡(jiǎn)要介紹。 內(nèi)容安排 陸地?zé)o線電波傳播特性 移動(dòng)通信信道的多徑傳播特性 描述多徑衰落信道的主要參數(shù) 陰影衰落的基本特性 電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型 陸地?zé)o線電波傳播特性 確定移動(dòng)通信工作頻段主要考慮以下幾個(gè)方面： 1. 電波傳播特性、天線尺寸； 2. 環(huán)境噪聲和干擾的影響； 3. 服務(wù)區(qū)范圍、地形和障礙物尺寸以及對(duì)建筑物的穿透特性； 4. 設(shè)備小型化； 5. 與已開發(fā)頻段的干擾協(xié)調(diào)和兼容性； 6. 用戶需求及應(yīng)用特點(diǎn)。 概述 縮寫 名稱 頻率范圍 波長名稱 傳播方式 目前頻率分配情況 VLF 甚 低頻 30kHz以下 萬米波 (甚長波 ) 天波 ,地波 ,以地波傳播為主 (10~20)kHz,主要用于無線電導(dǎo)航 ,海上移動(dòng)通信和廣播 LF 低頻 Low 30kHz~300kHz 千米波 (長波 ) 天波 ,地波 ,以地波傳播為主 (200~3000)kHz,主要用于廣播 ,無線電導(dǎo)航 ,海上移動(dòng)通信,地對(duì)空通信 MF 中頻 Medium 300kHz ~3000kHz 百米波 (中波 ) 主要以地波播 ,夜間天波亦可傳播 HF 高頻 High 3MHz~30MHz 十米 波 (短波 ) 地波傳播距離極近 ,以視距內(nèi)直線傳播為主 主要用于定點(diǎn)通信 ,航海和航空移動(dòng)通信 ,廣播 ,熱帶廣播及業(yè)余無線電等 VHF 甚 高頻 Very 30MHz ~300MHz 米波 (超 短波 ) 視距內(nèi)直線傳播 (30~1000)MHz,主要用于電視廣播 ,陸上移動(dòng)通信 ,航空移動(dòng)通信 ,海上移動(dòng)通信 ,定點(diǎn)通信,空間通信和雷達(dá)等 UHF 特 高頻 Ultra 300MHz ~3000MHz 分米波 (微波 ) 與光的傳播特性基本相同 SHF 超高頻 Super 3GHz~30GHz 厘米波 (微波 ) 1GHz10GHz,主要用于無線電微波接力系統(tǒng) ,其次是定點(diǎn)通信和移動(dòng)通信業(yè)務(wù) EHF 極 高頻 Extremely 30GHz~300GHz 毫米波 (微波 ) 10GHz以上 ,主要用于無線電中繼接力通信 ,空間通信 ,雷達(dá),導(dǎo)航 ,無線電天文學(xué) 等 陸地?zé)o線電波傳播特性 ?目前典型移動(dòng)通信使用頻段： 150 MHz （ VHF） 450 MHz （ UHF） 900 MHz （ UHF） 1800MHz （ UHF） 第三代移動(dòng)通信 IMT2021使用 （ UHF）。 目錄 ? 陸地?zé)o線電波傳播特性 電波傳播方式 直射波 大氣中的電波傳播 障礙物的影響與繞射損耗 反射波 散射波 電波傳播方式 發(fā)射機(jī)天線發(fā)出的無線電波，可以從不同的路徑到達(dá)接收機(jī)，它們大體上可歸結(jié)為直射、反射、繞射和散射等形式，其中反射、繞射和散射是影響移動(dòng)通信中電波傳播的基本形式。典型的傳播通路如圖 21所示。 電波傳播方式 圖 21 典型的電波傳播通路 電波傳播方式 ?VHF與 UHF頻段，典型傳播方式： 直射：從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的電波稱為直射波。 反射：經(jīng)過大樓墻面等反射到達(dá)接收天線的電波稱為反射波。 散射：經(jīng)過粗糙表面或小物體散射到達(dá)接收天線的電波稱為散射波。 繞射：繞過障礙物遮擋向前傳播到達(dá)接收天線的電波稱為繞射波。 ? 發(fā)射機(jī)天線發(fā)出的電波經(jīng)過上述多種傳播路徑最終到達(dá)接收機(jī)，這些來自同一波源的電波信號(hào)疊加在一起會(huì)產(chǎn)生干涉，即 多徑衰落現(xiàn)象 。 直射波 ?采用模型 ?自由空間傳播模型。 ?自由空間模型的定義 ?天線周圍是均勻無損耗的無限大空間； ?大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)； ?電導(dǎo)率為 0，相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率為 1。 ?自由空間特性 ?不存在電波的反射、折射、繞射、色散和吸收等現(xiàn)象，電波的傳播速率等于真空中光速 C； ?但存在電波傳播損耗（也稱衰減）。 自由空間損耗 ?自由空間損耗的 本質(zhì) 球面波在傳播過程中，隨著傳播距離增大，球面單位面積上的能量減小了，而接收天線的有效截面積是一定的，故而接收天線所捕獲的信號(hào)功率是減小了，這是自由空間損耗的本質(zhì)。 d PT PR 模型適用范圍 ?傳播媒體的近似 ?實(shí)際情況中，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率為 1，傳播路徑上沒有障礙物的阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，這樣情況下，電波可視作在自由空間傳播。 接收功率計(jì)算公式 ? 自由空間的接收功率： ? PT = 發(fā)射功率 (W) ? GT = 發(fā)射天線增益 ? GR = 接收天線增益 ? ? = c/f 波長 (m)， c = 光速 (3 108 m/s) ? d = 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離 (m) 222)4()( dGGPdP RTTR ???d PT PR 自由空間傳播損耗 ?自由空間傳播損耗可以定義為： (不考慮天線增益 ) ?以 dB計(jì) ， 得到： ?或 ?可見 ， 自由空間電波傳播損耗只與工作頻率 f 和傳播距離 d 有關(guān) 。 )(lg20)()( M H zfkmddBL fs ???24???????? ?? dPPLRTfs24lg10)( ??????? ?? ddBL fs