無線信道的傳播特性對移動通信系統(tǒng)的性能影響很大,無線傳播環(huán)境的特點有以下三點:
1. 傳播的開放性
一切無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實現(xiàn)信息傳播的。
2. 接收點地理環(huán)境的復雜性與多樣性
一般可將地理環(huán)境劃分為下列四類典型區(qū)域:
• 高樓林立的城市中心繁華區(qū),也稱密集城區(qū);
• 一般樓宇的城市區(qū)域,也稱一般城區(qū);
• 以一般性建筑物為主的近郊小城鎮(zhèn)區(qū),也稱郊區(qū);
• 以山丘、湖泊、平原為主的農村及遠郊區(qū)。
3. 通信用戶的隨機移動性
通常用戶的隨機移動性體現(xiàn)為:慢速步行時的通信;高速車載時的不間斷通信等。
由于無線傳播的特性,使得終端用戶接收到的無線電波主要有:直射波、反射波、繞射波、透射波和散射波。
直射波
直射波是指在視距覆蓋區(qū)內無遮擋的傳播,直射波傳播的信號最強。
在實際環(huán)境中很難找到理想的自由空間,即直射波的傳播,但在研究移動通信環(huán)境電波傳播問題時往往作為各種傳播環(huán)境的參考標準。
自由空間中距發(fā)射機d處輻射功率密度為:
式中Pt為發(fā)射功率,Gt為發(fā)射天線增益。
假設接收天線增益為Gr,則有效面積A為:
因此,接收天線的接收功率為:
通常研究路徑損耗,可以根據上式推導出自由空間的傳播損耗公式:
PathLoss = 32.44 + 20lgfMHz + 20lgdkm
式中,f為頻率,d為距離(公里)。上式與距離d的對數成正比,當d增加一倍,自由空間路徑損耗增加6分貝。同時,當減小波長(提高頻率f),路徑損耗增大?梢酝ㄟ^增大輻射和接收天線增益來補償這些損耗。
反射波
反射是在電波遇到比波長大得多的物體時發(fā)生的,比如地面、建筑物墻體表面的反射等。反射波是指從不同建筑物或其它物體反射后到達接收點的傳播信號,其信號強度較直射波次之。
自由空間傳播中的有關公式只能用于非常嚴格的條件下,實際的移動無線傳播總是受到阻擋或地面的反射。在此種情況下,主要考慮兩種情況,球形地面的反射(即收發(fā)天線之間距離足夠遠,以致必須考慮到地面表面的曲率影響)和平坦地面的反射(即收發(fā)天線之間距離足夠小,以致可以忽略地球表面的曲率影響)。
繞射波
繞射現(xiàn)象是指波繞過障礙物繼續(xù)傳播,也稱衍射,當障礙物的線度接近光的波長,繞射現(xiàn)象尤其顯著。在無線傳播環(huán)境中,當阻擋面產生的二次波出現(xiàn)在整個空間中,甚至當發(fā)射機和接收機之間不存在視距路徑時,在阻擋物的陰影區(qū)內會繞過阻擋物產生彎曲波,其強度與反射波相當。
惠更斯原理可定性地說明繞射現(xiàn)象。波在空間傳播,是振動的傳播,波在空間各處都引起振動,波場中任一點,即波前中任一點都可視為新的振動中心,這些振動中心發(fā)出的波,稱為次波,如下圖所示。次波又可以產生新的振動中心,繼續(xù)發(fā)出次波,由此使得波不斷向前傳播。新的波面即是這些振動中心發(fā)出的各個次波波面的包絡面。
繞射波是由次級波的傳播進入陰影區(qū)形成的。陰影區(qū)繞射波場強就是圍繞障礙物所有次級波的矢量和,如下圖:
透射波
透射主要發(fā)生在室外向室內傳播的情況下。
當射線到達兩種不同介質界面時,將有部分能量發(fā)射到第一種介質中(即反射線),另一部分能量透射到第二種介質中(即透射線和折射線)。對室外傳播,透射線的影響很小。當射線透射過建筑物外墻時,由于透射后遇到后續(xù)障礙物引起場強衰減很快。因此,再返回到室外介質的射線場可以忽略。對室內傳播現(xiàn)象,透射過墻體的射線起重要作用,因此室內傳播模型必須考慮透射線。穿過墻體的透射線強度可以用透射系數來計算,該透射系數可以對典型建筑物墻體用測量方法獲得,但經驗透射系數沒有考慮到諸如入射線、墻體厚度等參數的影響。
散射波
散射發(fā)生在電波傳播時遇到許多尺寸小于波長的散射體的情況下,主要由粗糙表面、小散射體或其他不規(guī)則物體引起的,比如城市環(huán)境的樹葉、街道廣告牌和燈柱等就是散射體。散射波信號強度最弱。