无线通信原理与应用-4.2 自由空间传播模型
无线电波空间传播模型
无线电波空间传播模型一、引言无线电波是一种电磁波，它的传播是通过空间介质进行的。
无线电波的传播模型是对无线电波在空间中传播过程的一种描述和模拟。
了解无线电波空间传播模型对于实现高效的无线通信系统设计和优化至关重要。
本文将介绍几种常见的无线电波空间传播模型，包括自由空间传播模型、二维和三维传播模型以及多径传播模型。
二、自由空间传播模型自由空间传播模型是最简单也是最常用的一种传播模型。
它假设无线电波在真空中传播，没有遇到任何障碍物和干扰。
根据自由空间传播模型，无线电波的传播损耗与距离的平方成反比。
具体而言，传播损耗（L）可以通过以下公式计算：L = 20log(d) + 20log(f) + 20log(4π/c)其中，d是发送端和接收端之间的距离，f是无线电波的频率，c是光速。
自由空间传播模型适用于开阔的空间环境，如农村、海洋等，但在城市和山区等环境中，由于有大量建筑物和地形等障碍物的存在，自由空间传播模型并不适用。
三、二维和三维传播模型二维和三维传播模型考虑了障碍物和地形等因素对无线电波传播的影响。
在二维传播模型中，地面被简化为平面，建筑物和其他障碍物被建模为二维形状。
在三维传播模型中，地面和建筑物等障碍物被建模为三维形状。
为了计算二维和三维传播模型中的传播损耗，常用的方法是射线追踪。
射线追踪将无线电波视为一束射线，通过计算射线与障碍物的相交点，从而确定传播路径和传播损耗。
射线追踪可以基于几何光学原理进行，也可以使用电磁波的波动性质进行更精确的计算。
四、多径传播模型多径传播模型是一种复杂的传播模型，考虑了多个传播路径和多个传播信号的叠加效应。
当无线电波传播过程中遇到建筑物、地形等障碍物时，会发生反射、折射和散射等现象，导致信号在接收端出现多个传播路径。
这些多个传播路径的信号叠加在一起，会引起传播信号的衰减和时延扩展。
多径传播模型通常使用统计方法进行建模和仿真。
常见的多径传播模型包括瑞利衰落模型和莱斯衰落模型。
自由空间传播模型
Pr
(d )
Pt Gt Gr λ2 (4π)2 d 2 L
10 log Pr
10 log Pt
10 log Gt
10 log Gr
10 log L 1obile Networks Technology
Zhenzhou Tang @ Wenzhou University
2.2 无线传播模型 2.2.2 自由空间传播模型
为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通过理论分析或实测 等方法，对电磁波在某些特定环境下的传播特性进行统计分析，从 而总结和建立了一些具有普遍性的数学模型。我们将这些模型称为 无线传播模型（Propagation Model）。
自由空间传播模型（Free Space Propagation Model）是最简单、理 想情况的无线电波传播模型。
13
2.2 无线传播模型 2.2.2 自由空间传播模型
自由空间路径损耗用于 描述信号衰减，定义为 有效发射功率和接收功 率之间的差值，不包括 天线增益
PL(dB) 10 log Pt Pr
147.56 20 log d 20 log f
14
Wireless and Mobile Networks Technology
Zhenzhou Tang @ Wenzhou University
自由空间传播模型的传播特征
自由空间传播模型的传播特征自由空间传播模型的传播特征自由空间传播模型是一种用于描述无线传输信号在自由空间中传播的模型。
它是无线通信系统设计的基础，对于理解无线信号的传播规律具有非常重要的意义。
本文将从不同的角度分析自由空间传播模型的传播特征。
传播路径的影响传播路径是指从发射器到接收器之间的路径。
在自由空间中进行的无线通信，传播路径较为简单，大多都是直线传播，而且几乎没有额外的衰减。
但是，在实际应用中，由于建筑物、自然物体和地形等因素的影响，信号在传输过程中会发生反射、散射、绕射等现象，从而对传播路径产生很大的影响。
此时，需要通过一些传播模型，如瑞利衰落模型或射线追踪模型等来进行补偿。
信道特性的影响信道是指信号从发射器传输到接收器所经过的通道，它与传播路径不同，是在传输过程中形成的。
在自由空间中，信道是不稳定的，并且不同频率的信号在同一信道中的传播特性也是不同的，这就需要根据不同的应用需求选择合适的频率。
同时，信道容易受到干扰信号的影响，如多径效应、多普勒频移效应等，这些都会影响信道的传输特性。
天线特性的影响天线是无线通信系统中最重要的组成部分之一，它的质量和设计直接影响着信号的传输效果。
不同的天线类型、方向和高度都会对信号传输产生很大的影响。
比如，对于水平偏振天线来说，垂直方向的信号很弱，如果采用这种天线进行通信，就可能会出现信号盲区；又比如，如果天线高度过低，可能会受到地面反射等干扰，导致信号质量下降。
综上所述，自由空间传播模型的传播特征具有很高的复杂性，需要考虑很多因素的影响，如传播路径、信道特性和天线特性等。
只有根据具体应用的需求，对这些因素进行精确的调整和控制，才能保证无线通信的质量和可靠性。
无线射频基础知识-无线传播原理与传播模型
P波段：230~1000MHz； L波段：1000MHz~2000MHz；
大家熟知的GPS系统，其工作频率就在此波段（1575MHz左右）；
S波段：2000MHz~4000MHz； C波段：4000MHz~8000MHz；目前主要用于卫星电视转播； X波段：8000MHz~12.5GHz；目前主要用于微波中继； Ku波段：12.5GHz~18GHz；目前主要用于微波中继和卫星电视转播； K波段：18GHz~26.5GHz； Ka波段：26.5GHz~40GHz； 频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但是，低频段频率 资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离 越近，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。
慢衰落损耗是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影 效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而 产生的损耗，一般遵从对数正态分布。 快衰落损耗是由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小范围内数十波长量级 接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利分布或莱斯分布。快衰落又 可以细分为以下3类：
从公式可以推导出以下结论：
无线电波在地面传播时，在同样的传播距离上，其传播损耗比自由空间传播时 要大得多：当取值为4时，距离d加倍，传播损耗增加12dB，即：信号衰减16 倍； 增加天线高度，可以减少传播损耗。
华为技术有限公司 版权所有 未经许可不得扩散
无线射频基础知识－无线传播原理与传播模型
在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计 算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传 播特性的研究、了解和据此得到的传播模型进行场强预测。
第3章 无线传播理论与模型
无线信号三种基本传播机制
2． 绕射（遇到尖角或薄边的阻挡物） 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 接收机移动到阻挡体的阴影区时，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。 绕射现象可由Huygens原理解释，它说明波前上的所有点可作为产生次级 波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波源。绕射由次级波 的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的 矢量和。
G
4A
2
有效截面Ae 与天线的物理尺寸相关， 则与载频相关：
自由空间传播模型
c 2c f c
公式 （3）
其中， f为载频Hz； Wc为载频，rad/s；c为光速，m/s。 Pt和Pr 必须有相同单位， Gt和Gr为无量纲量。综合损耗L（L ≥1）通 常归因于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，L＝1则表明系统硬件中 无损耗。 由自由空间公式1可知，接收功率随T－R距离的平方衰减，即接收功 率衰减与距离的关系为20dB/10倍程。
直射波及地面反射波最一般的传播形式对流层反射波传播具有很大的随机性直射波及地面反射波最一般的传播形式对流层反射波传播具有很大的随机性电离层反射波超视距通讯途径山体绕射波阴影区域信号来源电离层反射波超视距通讯途径山体绕射波阴影区域信号来源?就电波传播而言发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播
第三章无线传播理论 与模型
自由空间传播模型
路径损耗，表示信号衰减，单位为dB的正值，定义为有效发射功率和 接收功率之间的差值，可以包括也可以不包括天线增益。 当包括天线增益时，自由空间路径损耗为：
Gt Gr 2 Pt PL(dB) 10 log 10 log 2 2 Pr ( 4 ) d
通信系统中的无线信号传播模型与特点
通信系统中的无线信号传播模型与特点无线通信是指通过无线电波或红外线等无线电磁波来实现信息传输的通信方式。
现如今，无线通信系统已经广泛应用于无线电、移动通信、卫星通信、无线局域网等多个领域。
无线信号传播模型与特点对于确保通信质量和提高通信效率非常重要。
一、信号传播模型无线信号传播模型是描述无线信号在空间传播过程中衰减和传播路径的模型。
常用的信号传播模型主要包括自由空间传播模型、自由路径传播模型和多径传播模型。
1. 自由空间传播模型：自由空间传播模型是最简单的无线信号传播模型，它假设空间中没有障碍物，信号在传播过程中不会受到衰减。
该模型适用于空旷的地区，如在广场上使用遥控器控制无人机。
2. 自由路径传播模型：自由路径传播模型考虑到了地面、建筑物等直射路径上的障碍物对信号传播的影响。
一般采用二维平面模型或三维平面模型来描述信号的传播路径。
该模型可以应用于城市中高楼大厦之间的通信。
3. 多径传播模型：多径传播模型认为信号在传播过程中会经历多条传播路径，包括直射路径、反射路径和散射路径。
反射路径是信号经过建筑物等物体表面反射，并到达接收点。
散射路径是信号在随机散射体表面发生散射后到达接收点。
该模型可以应用于室内无线通信和城市中街道间的通信。
二、信号传播特点无线信号传播具有独特的特点，了解这些特点对于设计和优化无线通信系统非常重要。
1. 多径效应：多径效应是指信号在传播过程中经历了多条路径，导致接收信号中出现多个分量。
这些分量之间存在相位差和时间延迟，会造成信号的频谱扩展和码间干扰。
在调制解调、信道估计和误码控制等方面需要针对多径效应进行处理。
2. 反射和折射：无线信号在传播过程中会经过建筑物、树木等物体的表面，发生反射和折射。
这会导致信号的强度、相位和传播路径的改变。
因此，在设计信号传播模型时需要考虑建筑物和其他物体对信号传播的影响。
3. 阻塞效应：阻塞效应是指由于障碍物的存在，信号不能直接到达接收点。
这会导致信号衰减、散射和影子区等问题。
自由空间传播模型
2.2 无线传播模型
2.2.2 自由空间传播模型
为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通过理论分析或实测等方法，对电磁波在某些特定环境下的传播特性进行统计分析，从而总结和建立了一些具有普遍性的数学模型。
我们将这些模型称为无线传播模型（Propagation Model ）。
自由空间传播模型（Free Space Propagation Model ）是最简单、理想情况的无线电波传播模型。
PG G λ2 P (d ) = t t r r (4π)2 d 2 L ⎡⎛ 4πd
⎫2 ⎤ 10 l og P r = 10 log P t + 10 log G t + 10 log G r - 10 log L - 10 log ⎢ ⎢⎣⎝ ⎪ ⎥ λ ⎭ ⎥⎦
Wireless and Mobile Networks Technology Zhenzhou Tang @ Wenzhou University 13
2.2 无线传播模型
2.2.2 自由空间传播模型
自由空间路径损耗用于
描述信号衰减，定义为
有效发射功率和接收功
率之间的差值，不包括
天线增益
PL(dB) = 10 l og P t
P
r
=-147.56 + 20 log d + 20 log f
Wireless and Mobile Networks Technology Zhenzhou Tang @ Wenzhou University 1 4。
无线电波传播原理及主要传播模型
无线电波传播原理1无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.1 电磁场与电磁波基础1820年奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生变化的电场磁场变化的磁场电场激发?电磁场理论麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了著名的电磁场理论（经典电磁场理论），指出变化电场和变化磁场形成了统一的电磁场，预言电磁场能以波动的形式在空间传播，称为电磁波；并得到电磁波在真空中传播的速度等于光速，从而断定光在本质上就是一种电磁波。
后来，赫兹用振荡电路产生了电磁波，使麦克斯韦的学说得到了实验证明，为电学和光学奠定了统一的基础。
因此，麦克斯韦的经典电磁场理论是人类对电磁规律的历史性总结，是19世纪物理学发展的最辉煌成就，是物理学发展史上一个重要的里程碑。
电磁波的诞生赫兹----德国物理学家赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。
1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。
开创了无线电电子技术的新纪元。
赫兹用各种实验，证明了不仅电磁波的性质和光波相同，而且传播速度也相同，并可发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，即电磁波服从一般波动所具有的一切规律。
如果空间的电场或磁场变化是周期性的，我们用周期和频率来描述变化快慢。
电磁场变化过程中产生的电磁波的频率等于电磁场的变化频率；电磁波在传播中从一种介质进入另一种介质时，其频率不会发生改变，但其传播速度会发生改变。
电磁波的应用从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。
1914年语音通信成为可能。
1920年商业无线电广播开始使用。
20世纪30年代发明了雷达。
40年代雷达和通讯得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。
如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。
无线电通信的起源1897 年：马可尼完成无线通信试验——电报发收两端距离为18 海里试验是在固定站与一艘拖船之间进行的20 世纪初：两次世界大战导致无线通信蓬勃发展步话机、对讲机等1941 年美陆军就开始装备步话机短波波段，电子管电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按波长电磁波分类-按波长各波段电磁波特点长波通信：沿地面传播，衰减小、穿透能力强 中波通信：地波传播及夜晚电离层反射传播 短波通信：天波传播，适合远距离传输超短波通信：直线传播，视距通信，广播电视、移动通信微波通信：工作频带宽，长距离接力通信第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析传播途径①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.3 无线传播环境•问题：移动通信比较固定通信有那些特殊性呢?•多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介•手机发射功率有限手机的发射功率客观限制了蜂窝小区的服务范围手机电池寿命和对人体危害决定了发射功率大小•频率资源有限带宽一定信道编码等占用额外频率资源频率需要被重复利用==> 产生同频干扰•用户行为的不确定性第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析无线信道分析在移动通信研究中的意义无线通信系统的信道十分复杂：9地理环境的复杂性和多样性9用户移动的随机性9多径传播无线信道是制约移动通信质量的主要因素无线信道是研究各种技术的主要推动力量无线信道的建模对于整个移动通信系统仿真的正确性和可靠性有着举足轻重的意义1.4 无线信道分析•无线信道中的损耗一般分为三个层次：—大尺度（又称路径损耗）【path loss】—中等尺度（阴影衰落、慢衰落）【shadowing】—小尺度衰落（快衰落）【fast fading】无线信道分析场强平均值随距离增加而衰减（路径损耗，大尺度衰落）•电磁波在空间传播的损耗场强中值呈慢速变化（慢衰落，阴影衰落，中等尺度衰落）•由地形地貌导致场强瞬时值呈快速变化（快衰落，小尺度衰落）•多径效应——由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落•多普勒效应——由移动体的运动引起，多径条件下引起频谱展宽三种衰落区别•大尺度衰落主要是路径损耗，可用自由空间传播模型来近似；其特点是：慢变，信道在很长时间内可以认为是恒定的，而且衰落的幅度很小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Wireless Communications Principles and Practice
第四章 移动无线电传播：大尺度路径损耗
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
§4.2 自由空间传播模型
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
例4.2：如果发射机发射50瓦的功率，将其换算成(a)dBm和(b)dBW。如果该发射 机为单位增益天线，并且载频为900MHz，求出在自由空间中距天线100m处接收 功率为多少dBm。10km处Pr为多少？假定接收天线为单位增益。 解： 已知： 发射功率，Pt= 50W，载频fc= 900MHz，使用公式(4.9) (a)发射功率
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
例题4.1：求解最大尺寸为1m，工作频率为900M Hz的天线的远场 距离。
解： 已知： 天线最大尺寸，D=1m 工作频率 f= 900MHz
使用公式(4.7a)可获得远地距离为：
自由空间中距发射机d处天线的接收功率由公式4.1给出（Friis公式 或自由空间公式）
其中：
Pt： 为发射功率；
Pr(d)：是接收功率，为T-R距离的函数；
Gt： 是发射天线增益；
Gr： 是接收天线增益；
D： 是T-R间距离，单位为米；
L： 是与传播无关的系统损耗因子（L大于等于1）；
：
为波长，单位米。
D为天线的最大物理线性尺寸。 此外对于远地地区df必须满足公式4.7b和公式4.7c：
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
显而易见，公式(4.1)不包括d=0的情况。为此，大尺度传播模型 使用近地距离d0作为接收功率的参考点。当d> d0时，接收功率Pr 与d0的Pr(d0)相关。可由公式(4.1)预测或由测量的平均值得到。 参考距离必须选择在远场区，即d0≥df，同时d0小于移动通信系 统中所用的实际距离。
其中： f：为载频，单位是Hz;
：为载频，单位是rad/s; c：为光速，单位是m/s。 Pt和Pr：必须具有相同单位； Gt和Gr：为无量纲量。 综合损耗L（L≥1）通常归因于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，L=1则表明系 统硬件中无损耗。
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
同一传输系统，ERP比EIRP低2.15dB。 ③ 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
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
• 路径损耗：定义为有效发射功率和接收功率之间的差值，可以包 括也可以不包括天线增益，表示信号衰减，单位为dB的正值。
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(EIRP) 表示同全向天线相比，可由发射机获 得的在最大天线增益方向上的最大发射功率，定义为公式4.4 ：
说明： ① 实际上用有效发射功率(ERP)代替EIRP来表示同半波耦级子天线
相比的最大发射功率。 ② 由于耦级子天线具有1.64的增益（比全向天线2.15dB），因此对
• 自由空间传播模型：用于预测接收机和发射机之间是完全无 阻挡的视距路径时的接收信号场强。
I. 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。 II. 与大多数大尺度无线电波传播模型类似，自由空间模型预测
接收功率的衰减为T-R距离的函数（幂函数）。
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
使用公式(4.1)，当距离大于d0时，自由空间中接收功率为公式4.8 ：
ommunications Principles and Practice
• 在移动无线系统中，经常发现Pr在几平方公里的典型覆盖区内， 要发生几个数量级的变化。因为接收电平的动态范围非常大，经 常以dBm或dBW为单位来表示接收电平。
由式(4.1)可知：接收机功率随T-R距离的平方衰减，即接收功率衰 减与距离的关系为20dB/10倍程。
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
天线增益与它的有效截面Ae相关，即公式4.2：
有效截面Ae与天线的物理尺寸相关，波长 则与载频相关，即 公式4.3：
当包括天线增益时，自由空间路径损耗为（公式4.5）：
当不包括天线增益时，设定天线具有单位增益。其路径损耗为 （公式4.6）：
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
Friis自由空间模型仅当d为发射天线远场值时适用！ 天线的远场或Fraunhofer区：定义为超过远场距离df的地区，df 与发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关。Fraunhofer距离 为（公式4.7a）：
• 公式(4.8)可以表示成以dBm或dBW为单位，只要公式两边均乘 以10。例如，如果Pr单位为dBm，接收功率为公式4.9：
其中，Pr( d0)单位为瓦。
在实际使用低增益天线，1 - 2GHz地区的系统中，参考距离do在室 内环境典型值取为1m，室外环境取为100m或lkm，这样式(4.8)和式 (4.9)中的分子为10的倍数。这就使以dB为单位的路径损耗计算很容 易。