无线通信路径损耗培训

第三章通信路径损耗2主要内容概述自由空间的传播模型接收机的场强和功率其它传播方式及其对传播损耗的影响路径损耗模型及实际链路的预算设计室外模型室内模型其它移动通信信道33.1概述研究信道模型的意义和方法信道特性的分类恒参信道随参信道信道的传播模型大尺度传播模型小尺度衰减模型4移动信道的典型特征小尺度衰落：变化范围：

30～40dB速率：

40次/s左右大尺度衰落：信号的局部中值；包括传播损耗和大尺度衰落。5大尺度衰落与小尺度衰落6超短波、微波的传播特性现代移动通信广泛使用的波段1G：150MHz、450MHz、900MHz2G：900MHz、1.8GHz3G：2.0GHz和2.4GHzB3G：5.8GHz传播方式直射波：视距传输（LOS）反射波：主要考虑地面的反射，会对直射波产生一定的干扰绕射和散射：高大障碍物阻挡情况下的主要传播形式。衰落比较大，也会对直射波产生一定的影响。73.2自由空间传播模型条件理想的均匀介质；无阻挡、反射、折射、绕射，无吸收，能量无损耗。由于距离增加时，能量分布面积增大，接收场强仍然会衰减。直射波可近似按此模型进行计算。8接收场强和功率与距离的关系根据电磁场理论：dKm;fMHzdBm：dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP(功率值/1mw)。1mw=0dBm，1W=30dBm。dBi/dBd：dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子。表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。如：GSM900天线增益可以为13dBd（15.15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17.15dBi）。1011路径损耗——定义为有效发射功率与接收功率之间的差值，可以包括天线增益，也可以不包括，一般以dB计。包括天线增益时，自由空间路径损耗为：以上仅在远场适用选择一个参考距离d0，则自由空间接收功率为：12大气中的电波传播在实际的移动信道中，电波是在低层大气中传播的，为非均匀介质，因此会产生折射和吸收现象。对于超短波波段，折射现象尤为突出它会影响到视距的极限传播距离。13大气折射介质的折射率：——在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，14LOS的极限传播距离但在实际情况下，最大的传输距离～发射功率、接收机灵敏度、干扰强度153.3接收机的场强和功率线天线的电磁强度：16其中：由于静电场和感应场衰减很快，在d较大时，可忽略不计。这样，就可以求出其能流密度Pd（w/m2）和感应电势（远场强度）17接收机输入电压的定义：Us－天线的感应电势Rs－天线的等效内阻Ri－接收机的阻抗显然，U≠Us183.4其它传播方式及其对传播损耗的影响一、反射波反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。反射的表现：反射角＝入射角反射系数：19地面反射（双线）模型反射波与直射波的路径差：202122注：①该公式仅适用于远距离时的传播损耗计算；

②23绕射（衍射）定义：发射机与接收机之间存在障碍（无法直线传输），电波传播到障碍物之后的现象。原理（波动理论）：电波撞击障碍物的边缘，形成新的振源，次级波进入阴影区域。接收机得到的能量为所有次级波能量的总合。

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当发射机与接收机之间有障碍物时，某些次级波被障碍物阻挡，产生附加损耗——绕射损耗。25绕射波与直射波的路径差（附加路径差）26绕射损耗是路径差的函数27费涅尔区的几何特性费涅尔区：从发射机到接收机次级波路径长度比直线路径长度大nλ/2的区域，称为第n费涅尔区。28相邻费涅尔区之间的相位差为180°一般来说，当障碍物不阻挡第一费涅尔区时，绕射损耗可以忽略不计。29刃形绕射模型实际环境：单个障碍物（如：山岳、高大建筑物刃形绕射的三种情况：30结论：31多重刃形绕射当传播路径上的障碍物不止一个时，所有障碍物的绕射损耗都必须计算1.双峰引起的绕射损耗（布灵顿等效法）：2.多峰引起的绕射损耗：(计算复杂，可参考有关文献）32散射在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，这是因为在实际环境中，当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。表面粗糙度的定义33散射对反射系统的影响：对于粗糙表面反射系数需乘以一个散射系数（减弱反射场）34雷达有效截面模型：当较大的、远距离的物体引起散射时，可用雷达有效截面模型对接收场强进行计算。雷达有效截面RCS：在接收方向上，散射信号的功率密度与入射信号的功率密度之比。（RCS可由散射体表面面积近似）双静态雷达公式模型：353.5路径损耗模型及实际链路预算前面介绍的几种传播模型（自由空间传播模型、地面反射双线模型、绕射模型、散射模型）都是理想化的模型。实际应用环境非常复杂。实际应用的模型大多都是通过理论分析和实际测试相结合来获得。理论分析——针对应用环境，找出主要的影响因素，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型。实际测量——根据大量实验所得测量数据，绘出传播损坏的曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型。36一、对数距离路径损耗模型自由空间损耗模型：地面反射双线模型：引申——书中给出了几种典型环境下的路径损耗指数。37二、对数正态阴影模型对数距离损耗模型未考虑环境变化的影响。T-R距离相同时，不同位置周围环境差别非常大。如果考虑环境的影响，路径损耗服从对数正态分布，即：

对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同T-R距离时，不同的随机阴影效应，——对数正态阴影。该模型可用于无线系统设计和分析过程中对任意位置的接收功率进行计算机仿真。38由于PL[d]为正态分布的随机变量，对于接收场强常用Q函数（误差函数）表示其超过特定值的概率。39确定覆盖面积的百分率设：覆盖区半径为r，接收机门限为

则有效服务区域百分比：403.6室外模型在实际应用中，电波传播的环境往往是不规则的，在计算传播损耗时，不仅要考虑地形地貌的影响，还要考虑地物的影响。可见移动信道的模型是非常复杂的。为了描述其信道特性，人们建立了大量的信道模型。这些模型一般都是根据测试数据总结得到的，旨在预测特定区域的信号场强。41一、基本概念1.地形的分类（分为两大类）中等起伏地形——传播基准地面起伏高度不超过20m，起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。不规则地形，如：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。422.地物（或地区）的分类按照地物的密集程度不同可以分为三类地区开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等市区：有较密集的建筑物和高层楼房上述三种地区之间都有过渡区，但在了解以上三类地区的传播情况之后，对过渡区的传播情况就可以大致地作出估计。433.天线的有效高度基站：移动台：天线在当地地面的高度。44二、中等起伏地形传播损耗的中值市区传播损耗的中值在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地形的市区的损耗中值或场强中值作为基准——基准中值或基本中值。传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度和移动台天线高度等。在大量实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测曲线。45三、Okumura（奥村）模型也称电波传播损耗的图表预测法，是根据Okumura在东京地区进行大量实测的基础上提出来的。它是通过大量的传播实验，利用统计的办法找出各种地形地物条件下的传播损耗（或接收场强）和距离、频率、天线高度间的关系，绘制出电波传播特性的计算图表，根据这些图表可以方便地对接收场强进行预测。应用环境：频率150MHz～1920MHz（可扩展到3GHz）距离1km～100km天线高度：30～100046典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。基准天线高度：基站为200m，移动台天线高度为3m。曲线上读出的是基本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值。随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。4748奥村模型确定路径损耗的方法确定自由空间路径损耗从曲线读出Am(f,d)读出基站天线高度增益因子读出移动台天线高度增益因子读出代表地形地物的修正因子带入模型进行计算49奥村模型50基站：基站天线高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d)

来修正。51移动台：移动台天线高度不是3m，则损耗中值的差异用移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)来修正。当移动台天线较高时，其高度增益还与环境条件有关。52街道走向修正因子纵向街道的损耗中值明显小于横行街道的损耗中值。沿建筑物的“沟道效应”有利于电波的传播。53郊区的修正因子郊区的建筑物一般是分散的、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子。郊区场强中值大于市区场强中值。54开阔地、准开阔地修正因子开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）传播条件优于市区为了求出郊区、开阔区及准开阔区的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，再减去由图查得的修正因子。55丘陵地的修正因子丘陵地的地形参数用地形起伏高度△h表示。定义：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地形起伏的90％与10％的高度差为△h。56孤立山岳修正因子57斜波地形修正因子58水陆混合路径修正因子59Okumura模型的特点与不足：Okumura模型对地形、地物进行分类，使用完全客观的实验数据使其能在相应的环境下获得较准确的预测，因此得到广泛的应用。完全基于测试数据，不提供任何分析解释。许多情况通过外推曲线来获得测试范围以外的值，尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。模型本身也有不足，如对地形的定性划分不可避免地导致对通信环境的主观判断。对城区和郊区快速变化的反应较慢。60例题某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。试求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值。61解答(1)根据已知条件，可得自由空间传播损耗：Lfs

=

99.5dB查得市区基本损耗中值

Am(f,d)=27dB基站天线高度增益因子

Hb(hb,d)=-12dB移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)=0dB得传播路径损耗中值为LT=99.5+27-（-12）=138.5dB62（2）PT=10lg(10)=10dBWPr=PT-LT=10-138.5=-128.5dBW=-98.5dBm若上题改为郊区工作，传播路径是正斜坡，郊区修正因子Kmr=12.5dB，斜坡修正因子Ksp=3dB传播路径损耗中值为LA=LT-KT=LT-(Kmr+Ksp)=138.5-15.5=123dBPr=PT-LT=10-123=-113dBW=-83dBm63四、Hata模型根据Okumura模型所作的经验公式，将市区的传播损耗表示为一个标准的公式和一个应用于其他不同环境的附加校正公式。

市区路径损耗公式：64移动台天线修正因子：郊区路径损耗：农村路径损耗：65Hata模型的PCS扩展科学和技术研究欧洲协会(EURO-COST)开发Hata模型的PCS扩展版本。应用环境：66五、Longley-Rice模型应用范围：频率：40MHz～100GHz；各种地形；点对点通信。应用理论：几何光学理论（地面反射双线模型、刃形绕射模型）对流层散射理论（长距离对流层散射预测）双地平线路径对远地绕射损耗预测。67应用方式：有详细的地形地貌数据时：确定特定的路径参数，实现点对点的预测；无详细的地形地貌数据时：估计特定路径的参数（区域预测）缺点：没有考虑接收机附近环境杂波的影响；没有考虑多径传播。改进：增加“城区因子”，补偿在城区时接收机附近的杂波引起的额外衰落。68六、Durkin模型类似于Longley-Rice模型的典型传播预测。应用环境：预测大尺度路径损耗；研究不规则地区的电波传播损耗。仿真过程：访问地形数据库（二维阵列），并沿着发射机到接收机的路径重构地形地貌信息；计算沿径向路径的损耗重复执行，可构造服务区不同位置信号场强的轮廓69损耗的计算计算路径上所有点的绕射损耗的计算：1）视距：2）非视距：a.单绕射边；b.双绕射边；c.三绕射边；d.多绕射边；70七、宽带PCS微蜂窝模型Fwuwestein等人在1900MHz频段上测试了典型微蜂窝系统的传播参数，证实：对于LOS环境，地面反射双线模型最佳71发射机天线高度1900MHzLOS1900MHzOBSn1n2σnσ低(3.7m)2.183.298.762.589.31中(8.5m)2.173.367.882.567.67高(13.3m)2.074.168.772.697.94对于OBS环境，简化的对数距离路径损耗模型最佳。72八、其它室外模型Walfish和Bertoni模型考虑了屋顶和建筑物高度的影响。路径损耗：733.7室内传播模型随着PCS系统的使用，室内无线传播情况受到人们的重视。主要特点：(机理同室外：直射、反射、绕射和散射）覆盖距离小，远场条件难以满足；环境变动大，如：开关门、物品布局、人员走动等。考虑因素：同楼层分隔损耗：隔墙材料、类型。建筑物外部面积/材料、建筑物类型、窗口大小/数量。74对数距离路径损耗模型：75Ericcson多重断点模型适用于多层办公室建筑。模型假定参考距离处的衰减为30dB，频率为900Mhz。76衰减因子模型773.8其它移动通信信道背景随着移动通信业务的发展，移动通信的服务范围也日益扩大。在陆地、海上和空中都获得了广泛应用，正逐步由室外扩展到室内(如办分室、住宅、车间、商场等)从地上扩展到地下（如地铁、坑道、隧道、矿井等）从中小城市扩展到边远地区（如矿山、林区、沙漠、草原等）要在不同环境中实现移动通信，首先必须了解无线电波在该环境中的传播方式和传播特性。78一、建筑物的穿透损耗无论哪种通信系统只要无线电波要穿过墙壁或楼板才能通信时，就必须存在电波的穿透损耗，即建筑物的穿透损耗。人们对电波由建筑物外部进入室内的穿透损耗进行了大量的测试和研究。通常规定，用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损耗。影响因素：建筑物高度工作频率基站天线高度79结论f↑→损耗↓层高的影响：Walk