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Chapter 4 移动无线电传播 大尺度路径损耗
Chapter 4
移动无线电传播
大尺度路径损耗
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。
发射机与接收机之间的传播路径会非常复杂。
无线信道具有极度的随机性，特别难以分析。
无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点。
电磁波的传播总体上可归结为反射、绕射和散射。
传播模型
在与发射机给定距离的位置，预测平均接收信号强度（大尺度传播模型）
瞬时接收信号强度会快速波动（小尺度传播模型）
4.1 无线电波传播特性概述
path loss
路径损耗 multipath
多径multipath
多径
shadowing
阴影
4.2 自由空间传播模型
接收机（T）与发射机（R）之间是完全无阻挡的视距路径（LOS）时，预测接收信号强度。
卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。
2
0 2 2
0
0 0
2 2
00 0
0
( ) , 4
1 ,100 1
2D( ) ( ) = ,
,
t t rr
r r f f
t r
PG GP d W
d L
d d m m km
dP d P d d d d d
d
G G L
d d d D
（ ）
是接收功率的参考点, （室内） 或 （室外）
， 是远场距离
为发射和接收天线增益， 是与传播无关系统损耗因子， 是波长,
（ ）是发射和接收天线之间的距离, 为天线的最大物理尺寸。
各方向具有相同单位增益的理想全向天线，通常作为无线通信系统的参考天线。
有效全向发射功率（effective isotropic radiated power, EIRP）定义为: EIRP=PtGt
实际上用有效发射功率（effective radiated power, ERP）代替EIRP来表示同半波耦级子天线相比的最大发射功率。
相比全向天线，耦级子天线具有1.64（2.15dB）的增益。
实际上，天线增益是以dBi为单位（与全向天线相比的dB增益），或以dBd为单位（与半波耦级子天线相比的dB增益）。
路径损耗（path loss），表示信号衰减，是单位为dB的正值。
2
2 2( ) 10log 10log
4
t t r
r
P G GPL dB
P d L
4.3 电场与功率
现已证明任何辐射体都会产生电磁场。
0iP
d
L y
x
z
r
0
2 3
0
2
0
2 2 3
0
0
2
2 31 1 1
cos 1
2
sin
4
cos
4
0
c
c
c
j t d c
r
c
j t d cc
c
j t d cc
r
d d d
i L cE e
c d j d
i L j c cE e
c d d j d
i L j cH e
c d d
E H H
表示辐射场成分， 表示感应场成分， 表示静电场成分。
感应场和静电场比辐射场随距离的衰减要快得多。
接收功率与电场的关系如下。
Pd可以看作被半径为d的球面分隔的EIRP 。
2
22 22
2 2
/
/4 4
120 377 ,
d
t td
fs
fs
P W m
EPGEIRP E EP W m
d d R
R
E
（ ）
＝
是固有阻抗，自由空间中为 ＝ ＝
表示远场电场辐射部
能流密度 为
分大小。
将场强（V/m）与接收功率（W）关联起来：
通常将接收机电平与接收机输入电压和接收天线的感应电场E联系起来是非常有用的
接收天线建模成接收机的匹配负载
接收天线会感应出电压进入接收机，它是天线中开路电压的一半
2 2
2 2
0
( )120 4
t t rr d e e
E PG GP d P A A W
d L
（ ）
VTo matchreceiver
RantVantopen
circuit
1m
PtGt
1m
2 22 2
( )4
ant antr
ant ant ant
V VVP d
R R R
4.4 三种基本传播机制
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射。
反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。 电介质的反射
Brewster角（反射系数为0）
理想导体的反射
2 1 2 1
2 1 2 1
sin sin sin sin,
sin sin sin sin
t i i t
t i i t
1, 1
1 1 2sin B
地面反射（双线）模型：
该模型在预测几千米范围（使用高度超过50m的天线塔）大尺度信号强度时是非常准
确的，同时对城区视距内的微蜂窝环境也是非常准确的。
0i
d
T（发射机）
R（接收机）
rh
th
LOSE
iEr gE E
TOT LOS gE E E
'' '0 0
'
'''' ''0 0
''
' ''
0 0 0 0
' ''
, cos
, cos
1
, cos 1 cos
LOS c
g c
TOT c c
t
E d dE d t t d
d c
E d dE d t t d
d c
E d E dd dE d t t t
d c d c
d h
， 为直达路径
， 为反射波路径
为地面发射系数，地面全发射时 ＝－
＋（－）
当收发天线之间距离 远远大于
2 2
4,
( ) 40 log 10log 10log 20log 20log
f
t rr t t r
t r t r
h d
h hP PG G
d
PL dB d G G h h
时， 处接收功率为：
比自由空间损耗大得多
双线模型的路径损耗为：
当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。
绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。
尽管接收机移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在并常常具有足够的强度。
Fresnel区几何特征
d1 d2
hthr
hobs
h
T R
d1
hthr
h
h
d2
T
R
d1 d2
ht-hr
T
R
hobs-hr
2 21 2 1 2
1 2 1 2
1 2
1 2
2 2,
2 2
2
d d d dh h
d d d d
d dFresnel Kirchoff h
d d
直射和绕射路径差和相应的相位差分别为：
绕射参数 为：
刃形绕射模型绕射增益为
d
2
0
E
1exp 2
2
( ) 20log
d
d
jEF j t dt
E
G dB F
刃形绕射波场强 为
绕射增益为
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
刃形
绕射
增益
(G
dd
B)
费涅尔绕射参数
实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。
当波穿行的介质中存在小于波长λ的物体并且
单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。
散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。
在实际的通信系统中，树叶、街道标识和灯柱等会引发散射。
如果平面上最大的突起高度h小于hc ，则
认为表面是光滑的，反之则认为是粗糙的。
2
,8sin
sinexp 8
c i
i
h is
h
h
s
为入射角，
散射损耗系数 为：
为表面高度的标准偏差
4.5 运用路径损耗模型进行实际链路预算设计
对数距离路径损耗模型。
0
0
0
,
( )
( ) ( ) 10 log
n
n
dPL d
d
dPL dB PL d
R
n
T
d
对任意 （发射机 接收机）距离，
平均大尺度路径损耗表示为与距离和
路损因子 有关的函数
表 4.2 不同环境下路径损耗指数
环境 路径损耗指数，n
自由空间 2
市区蜂窝 2.6～3.5
市区蜂窝阴影 3～5
建筑物内视距传播 1.6～1.8
被建筑物阻挡 4～6
被工厂阻挡 2～3
对数正态阴影
在相同T-R距离的情况下，不同位置的周围环境差别非常大。
对任意的d值，特定位置的路径损耗PL(d)
为随机对数正态分布。
0
0
( ) ( ) ( ) 10 log ,
0
dPL d dB PL d X PL d n X
d
X
是均值为 ，标准偏差为 的高斯随机变量，单位dB
对数正态分布描述了在传播路径上不同观测位置的随机阴影效应，这些观测位置具有相同的T-R距离，但其周围环境杂乱程度不同。
4.6 室外传播模型在移动通信系统中，电波经常在不规则的地形上传
播。
现在讨论一些最通用的室外传播模型
Longley-Rice模型
Durkin模型
Okumura模型
Hata模型
Hata模型的PCS扩展
Walfish和Bertoni模型
宽带PCS微蜂窝模型
4.7 室内传播模型
刻画建筑物内无线电波的传输。
室内无线信道有两个方面不同于传统的移动无线信道——覆盖距离更小，环境的变动更大。
室内信道分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种，并随着环境杂乱程度而变化。
分隔损耗（同楼层）
楼层间分隔损耗
对数距离路径损耗模型
Ericsson多重断电模型
衰减因子模型
4.8 建筑物信号穿透
无线信号透射能力是频率及建筑物高度的函数。
随着频率升高，透射损耗减小。
从底层到9层透射损耗以每层2dB的比率递减。
俯仰面天线方向图对无线信号从建筑物外穿透的能力也有重要影响。
窗体面积的百分比（窗体面积除以建筑物表面积）影响无线信号的透射损耗，窗体上的金属膜也有影响。
入射角度对透射衰减也有很强的影响。
