2.2 移动无线信道特征

在移动通信中，信号是通过无线电波传播的，而无线信道是无线电波的传播通路，它是移动通信系统必不可少的组成部分。

2.2.1 无线信道的概念

如前所述，信道按照传输媒质，可划分为有线信道和无线信道两种类型。有线信道指通信双方的信号通过一条固定的线路进行传输。无线信道是一种电磁波的导引传播媒质，包括中长波地波传播、短波电离层反射、超短波和微波视距传播、人造卫星中继及一些散射信道等，对于无线电波而言，从发射端到接收端，两者之间没有一条有形的连接，也不是固定一条，可能有多条，所以信道是通信双方之间通路的一种形象比喻。为了比较形象地描述发射端与接收端之间的工作，可以想象一条通路连接两端，这条通路就是无线信道。无线信道也有宽度，即频率带宽，就像公路有一定的宽度一样。

移动信道是典型的随参信道。在移动通信系统中，电波到达接收端天线的信号不是单一路径传播的，而是许多路径的众多波的合成。这些波由于经过的路径不同，造成多径衰落；由于移动台的移动，还会造成多普勒效应；由于气候条件和地区位置的变化也会引起信号的变化，造成慢衰落。所以由于移动、气候、位置、环境等的复杂性，造成了移动通信的复杂性。

2.2.2 移动通信信道的多径传播特性

移动通信接收端天线所接收到的信号幅度是随机起伏变化的，这种变化就是衰落，这是移动通信电波传播的一个基本特点。对于这种随机量的研究通常采用统计分析法。即在研究衰落特性时，先测得各个不同时刻的实际信号电平，掌握衰落的瞬时分布情况，然后进行统计分析，得到描述衰落特性的一些数字特征。

1.与移动信道有关的几个概念

（1）地形与地物。不同的传播环境和地形地物对电波传播有较大影响。地形地物的种类千差万别，对移动通信的影响也是错综复杂的。总的来说，各种各样的地形可分为两类：中等起伏地形和不规则地形。中等起伏地形是指在电波传播路径上，地形断面的起伏高度在20m以下，且起伏缓慢、较为平坦的地形。其他的地形，如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形都属于不规则地形。按照地物的稠密程度可将地物分为3类：

①开阔地。在电波传播方向上没有高大树木、建筑物等障碍物的开阔地带，如农田、荒野、广场、沙漠、戈壁滩等。

②郊区。在移动台附近有障碍物但不稠密的地区，如有少量低层房屋、小树林、市郊公路等地区。

③市区。有稠密的建筑物、高层楼房、茂密的高大树木的地区。以上3种地区都有过渡带。

（2）场强中值。当场强值高于规定的电平值的持续时间占统计时间的一半时，所规定的那个电平值就是场强中值。可见，当场强中值恰好等于接收机的最低门限值时，通信的可通率为50%，即仅在50%的时间内能维持正常通信。因此，必须使实际的场强中值远远大于接收机的最低门限值，才能保证在大多数时间内正常通信。

（3）衰落深度。衰落深度描述了衰落的严重程度。在移动通信中，深度可达30dB，即功率衰落可达1000倍。

（4）衰落速率。衰落速率又称衰落率，它描述了衰落的频繁程度，即场强的变化快慢。研究表明，衰落速率与电磁波工作频率、移动台的移动速度、行进的方向等因素有关。工作频率越高，移动台运动速度越快，则场强变化越频繁。

（5）衰落持续时间。衰落持续时间是指场强低于接收机门限电平的持续时间，用于表示信息传输受影响的程度和信令误判的程度。通话过程中如果接收到的信号电平低于接收机的门限电平，就有可能造成通话中断或发生信令误判。

2.移动信道的时变特性

移动信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会受到来自不同途径的衰减损害，信道对传输信号的作用可以分为3类：

（1）自由空间的传播损耗与弥散。如前所述，自由空间是一种理想空间，它是指天线周围无限大真空时的电波传播空间，电波在自由空间里传播不受阻挡，但当电波经过一段路径传播之后，能量会有衰减。这种损耗是由于辐射能量的扩散引起的，即发生能量弥散。

（2）阴影衰落。当电波在传播途径上遇到起伏地形、建筑物、高大的树木等遮挡时，会产生电磁场的阴影，移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时会引起接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这就是阴影衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称慢衰落。慢衰落速率主要取决于传播环境，即移动台周围地形、建筑物的分布与走向、街道的走向、基站天线的位置与高度、移动台运动速度等，而与电磁波的工作频率无关。其衰落的深度取决于信号的频率与障碍物状况，例如，频率较高的信号更容易穿透建筑物，而频率较低的信号有更强的绕射能力。

（3）多径衰落。这是由于移动传播环境的多径传播引起的衰落。多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分。

以上3种效应表现在不同的距离范围内：①如果在数十个波长范围内，则接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这是由多径衰落引起的，又称快衰落（小尺度衰落）。在这个范围内对信号求平均，可得短区间中心值。②在数百个波长范围内，信号的短区间中心值也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰落。在较大区间内对短区间中心值求平均，可得到长区间中心值。③长区间中心值随距离基站位置的变化而变化，表明了以公里计的较大范围内接收信号的变化特性（大尺度衰落）。

从无线系统工程的角度看，阴影衰落和传播损耗主要影响无线区域的覆盖，合理的设计可以消除这种不利的影响。而多径衰落则严重影响信号的传播质量，而且不可避免，只能采用抗衰落技术来减小其影响。

3.多普勒频移

当移动台在运动中通信时，接收信号的频率会发生变化的现象称为多普勒效应。由于移动而引起的接收信号的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），如图2-7所示。当移动台以恒定速率v在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时，收到来自发射源S发出的信号，无线电波从源点S出发，在X点和Y点分别被移动台接收时所走的路径差为

∆xi=d⋅cosφi=v⋅∆t⋅cosφi （2-9）

式中，Δt为移动台从X运动到Y所需要的时间；φi为入射电波与移动台运动方向的夹角，因源点S距离X和Y很远，可认为X、Y处φi是相同的。所以由路径差造成信号相位变化值为

式中，λ为波长。多普勒频移为

式中，是fd的最大值，称为最大多普勒频移，它与入射角无关；v为移动台的运动速度；λ为波长。

可见，多普勒频移与移动台运动速度、移动台运动方向、无线电波入射方向和移动台运动方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。信号经过不同方向的传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号的带宽。

【例2-2】 若载波频率f0=900MHz，移动台运动速度v=50km/h，则最大多普勒频移为多少？

解：

4.多径衰落

陆地移动信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于在电波传播路径上会遇到由各种建筑物、树木、植被及各种起伏的地形引起电波的反射、绕射、散射等现象，如图2-8所示。当无线电波传输到移动台的接收天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加，造成接收信号有时同相叠加而增强，有时反向叠加而减弱的幅度急剧变化，产生所谓的多径衰落。多径衰落将严重影响信号的传输质量。为了对多径信号做出数学描述，给出如下假设：①在发射机和接收机之间没有直射波通路；②有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在0～2π内均匀分布；③各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。

一般来说，在离基站较远，反射物较多的地区，是符合上述假设的。或者当信道中不存在一个较强的直达路径时，多径衰落的接收信号包络服从瑞利分布，故把这种衰落称为瑞利衰落。此时，接收信号的相位服从0～2π内的均匀分布。

但是当接收信号中有视距传播的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时接收信号就呈现为莱斯分布，甚至高斯分布。但是当主信号减弱到与其他多径信号分量的功率一样，即没有较强的视距信号时，混合信号的包络又服从瑞利分布。所以，在接收信号中没有主导分量时，莱斯分布就转变为瑞利分布。

莱斯分布适用于一条路径明显强于其他路径的情况，但并不意味着这条路径就是直射路径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落也会服从莱斯分布。可见，瑞利分布是莱斯分布的一个特例，莱斯分布是瑞利分布的扩展。

2.2.3 移动通信的信道特征

移动无线信道是多径衰落信道，它可以从时域和频域两个角度进行描述。

1.时间色散和频率选择性

时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多径信号叠加的结果。这两种效应是同时出现的，只是表现的形式不同。时间色散体现在时域，就是把发送端的一个信号沿时间轴展开，使接收信号的持续时间比发送信号的持续时间长。频率选择性体现在频域，是指无线信道对发送信号起到滤波作用，使信号中的不同频率的分量衰落幅度不同。

如果发送信号的带宽足够窄，则发送信号的所有频率分量几乎经历相同的衰落，信号在传输过程中将不会发生失真，这时的衰落是非频率选择性衰落。当发送信号的带宽增加时，信号频谱中的边缘频率分量将会逐渐产生失真。这样信道就会对信号产生滤波的作用，也就是对不同频率的分量衰减系数不同，形成频率选择性衰落。当信号的带宽继续增大时，频率选择性衰落将会变得更加严重。

用于描述信道时间色散特性的两个参数是时延扩展和相关带宽。

1）时延扩展

在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，由于存在多条不同的传播路径，且路径长度不一样，则发送信号沿各个不同路径到达接收天线的时间就不一样，即使各个脉冲可能是离散的，也有可能连成一片，如图2-9所示。

但在实际上，情况要比图2-9复杂得多。因为各个脉冲幅度随机变化，它们在时间上可能是离散的，也可能连续变化，甚至很多脉冲信号会变成有较大宽度的连续脉冲信号，由于多径衰落的影响，它们的幅度也有较大的起伏。根据测试，移动通信中接收机接收到的多径时延信号的强度如图2-10所示。图中E（t）是归一化的时延强度曲线，也称为多径散布谱，是由不同时延信号强度所构成的时延谱。E（t）的均方根常称为时延扩展，记做Δ，表示多径时延散布的程度。t=0处表示E（t）前沿，τmax是最大时延，即强度下降30dB时测定的时延值。一般来说，市区的时延要比郊区大，也就是说，从多径时延考虑，市区传播条件更为恶劣。

2）相关带宽

根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落，后者又称平坦衰落。频率选择性衰落是指传输信道对信号的不同频率分量有不同的随机响应，信号中不同频率分量衰落不一致，从而引起信号波形的失真。从频域观点看，多径时散现象导致频率选择性衰落。非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的，具有一致性，衰落波形不失真，也就是说，各频率分量的衰落状况与频率无关。

是否发生频率选择性衰落或非频率选择性衰落，要由信道和信号两方面来决定。对移动信道来说，存在一个固有的相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号的带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。

对数字移动通信来说，当码元速率较低，信号的带宽小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，衰落为平坦衰落，信号波形不失真。当码元速率较高，信号带宽大于信道相关带宽时，信号通过信道传输后，各频率分量的变化不一致，衰落为频率选择性衰落，引起波形失真，造成码间干扰。相关带宽为，式中，Δ为时延扩展。

实际应用中，常用最大时延τmax的倒数来规定相关带宽，即。

【例2-3】 时延扩展为Δ=0.25μs，则相关带宽为多少？

解：

【例2-4】 某市区实测最大时延τmax=3.5μs，则相关带宽为多少？

解：

此时，对于带宽为25kHz的窄带数字信号，由多径效应引起的衰落为平坦衰落。相关带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量。对于某个移动环境，其时延扩展Δ可由大量实测数据经过统计处理计算出来，并可进一步确定这个移动信道的相关带宽Bc。可见，相关带宽是移动信道的一个基本特性。信号通过信道时出现何种衰落，取决于信号的带宽。

2.频率色散和时间选择性

多普勒扩展和相关时间是用来描述信道频率色散和时变特性的两个参数，这种时变特性是由移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。当信道是时变信道时，这种信道具有时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号的失真，这是由于发送信号还在传输的过程中，传输信道的特性已经发生了变化。由于移动台的运动，出现多普勒频移现象，也就是频率色散，使得信道成为时变信道。

1）多普勒扩展

由于移动台的运动产生了多普勒频移，从而产生多普勒扩展。多普勒扩展BD是移动无线信道的时间变化率的一种度量。当发送频率为fc的正弦信号时，接收的信号谱，即多普勒频率在fc-fm～fc+fm之间变化，其中fm是最大多普勒频移，如图2-11所示。多普勒扩展BD是多普勒功率谱密度S（f）的二阶中心矩的平方根（标准差）。多普勒扩展BD依赖于最大多普勒频移fm和多普勒功率谱（）Sf。如果基带信号带宽Bs远大于多普勒扩展BD，则在接收端可忽略多普勒扩展的影响。

2）相关时间

相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，是指在一段时间间隔内信道特性没有明显变化。因此，相关时间表征了时变信道对信号的衰落节拍。这种衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性。

时间选择性衰落是由多普勒效应引起的在时域产生的选择性衰落，它对数字信号误码有明显影响。为了减小这种影响，要求基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。相关时间定义为，其中fm是最大多普勒频移。

【例2-5】 移动台的移动速度为30m/s，信道的载频为2GHz，则相关时间为多少？

解：

要保持信号经过信道不会在时间轴上发生失真，就必须保证传输的码元速率大于1kbps。

3.角度色散和空间选择性

由于无线通信中移动台和基站周围散射环境的不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同，从而产生角度色散，即空间选择性衰落。描述空间选择性衰落的两个参数是角度扩展和相关距离。

1）角度扩展

在移动环境中，存在3种主要的散射体：①移动台周围的本地散射体；②基站周围的本地散射体；③远端散射体，如远离基站和移动台的山脉、建筑物等。角度扩展Δ就是由移动台或基站周围的本地散射体及远端散射体引起的，它是用来描述空间选择性衰落的重要参数。角度扩展与角度功率谱有关，等于角度功率谱的二阶中心矩的平方根。

角度扩展描述了角度功率谱在空间上的色散程度。根据移动环境的不同，角度扩展在0°～360°之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散程度越高；相反，角度扩展越小，表明散射环境越弱，信号在空间的色散程度越低。这就为智能天线波束形成算法的研究奠定了基础。

2）相关距离

相关距离DC指的是信道冲激响应保证一定相关度的空间距离。在相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性。在相关距离内，可以认为空间传输函数是平坦的，即如果天线放置的空间距离比相关距离小得多，信道就是非空间选择性衰落。

以上提到了3种选择性衰落，即频率选择性衰落、时间选择性衰落、空间选择性衰落。这3种衰落都属于快衰落，反映了微观小范围（数十个波长范围内）的接收电平平均值的起伏变化趋势。在实际的通信系统中，3种选择性衰落都存在。由于移动用户的快速移动，移动用户附近的物体产生反射形成干扰，这样在信号的频域上产生了多普勒频移扩散，从而引起信号在时域上的时间选择性衰落。由于用户远处的高大建筑物或山丘的反射形成干扰，传送信号在空间和时间上产生扩散，空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体的反射引起干扰，严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。