第四章 移动无线电传播：大尺度路径损耗解读
移动环境下的电波传播、场强估计(大尺度)和覆盖设计
2(d1 + d 2 ) 2d1d 2 v=h =α λd1d 2 λ (d1 + d 2 )
刃形绕射波场强Ed为：
( Ed 1 + j ) ∞ exp − jπt 2 dt = F (v ) = ∫ v E0 2 2
(
)
其中：E0为自由空间场强，F(v)为费涅尔数。 对比自由空间，刃形绕射增益为： Gd = 20 log F (v )
散射因子
粗糙表面临界高度为 hc(λ,入射角)：hc =
散射损耗因子用高斯分布来建模。 πσ h sin θ i 2 πσ h sin θ i 2 ρ s = exp − 8 I 0 8 λ λ h>hc的时反射场强：Γrough = ρ s Γ
环境特征不同
应用区域不同
大尺度传播模型
大尺度模型预测距离 >> λ 的电波传 播行为：
距离和主要环境特征的函数，粗略地认 为与频率无关 当距离减小到一定程度时，模型就不成 立了 用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建 模
小尺度传播模型
小尺度（衰落）模型描述信号在 λ 尺度内的变化
多径效应（相位抵消）为主，路径 损耗可认为是常数 与载波频率和信号带宽有关 着眼于“衰落”建模：在短距离或数 个波长范围内信号快速变化。
内容 研究无线信道的意义和方法 无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算 覆盖设计
电波传播---传播方式
传播路径
直射波---视距传播 反射波 地表面波
室内传播和路径损耗计算及实例
室内传播和路径损耗计算及实例室内传播和路径损耗是无线通信领域中的重要概念。
在无线通信中，射频信号在室内环境中传播时会受到路径损耗的影响，路径损耗会导致信号强度的减弱。
为了能够准确地计算室内传播和路径损耗，下面将介绍相关的理论以及实例。
室内传播主要包括直射传播、反射传播和绕射传播三种方式。
直射传播是指信号直接从发射器发出并且到达接收器，它在室内环境中几乎不受任何干扰。
反射传播是指信号在室内环境中反射多次后到达接收器，反射传播会导致信号的干扰和多径效应。
绕射传播是指信号在穿过障碍物时发生弯曲，绕射传播一般会导致信号的衰减。
路径损耗是指信号在传播过程中由于空间距离的增加而导致的信号强度减弱。
路径损耗和传播路径的距离、频率和环境有关。
路径损耗的计算可以通过多种模型和公式来实现，最常用的是费利模型和弗利斯模型。
费利模型是基于“自由空间路径损耗公式”进行改进的，费利模型考虑了路径损耗和环境因素对信号强度的影响。
弗利斯模型则是一种经验模型，其中的路径损耗公式与距离的平方成反比。
下面我们以一个实例来说明室内传播和路径损耗的计算：假设一个室内房间的尺寸为10米×10米×3米，发射器和接收器的距离为5米，工作频率为2.4GHz，发射端功率为20dBm，系统增益为10dB，接收灵敏度为-80dBm。
首先，我们可以使用费利模型来计算路径损耗。
根据费利模型的公式：路径损耗（dB） = 20 * log10(频率) + 20 * log10(距离) + 环境损耗因子根据给定的参数：频率=2.4GHz=2.4*10^9Hz距离=5米环境损耗因子需要根据具体情况进行选择，假设我们选择的环境损耗因子为2代入公式路径损耗 = 20 * log10(2.4 * 10^9) + 20 * log10(5) + 2 =74.74 dB接下来，我们可以计算接收到的信号强度。
信号强度（dBm）=发射端功率+系统增益-路径损耗=20dBm+10dB-74.74dB=-44.74dBm最后，我们可以根据接收灵敏度来判断接收到的信号是否可用。
无线通信原理与应用-4.2 自由空间传播模型
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
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§4.2 自由空间传播模型
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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
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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）；
路损
一、常用器件损耗表| 国内领先的通信技术论坛3B(f3z.D5Y _8v备注: 耦合器耦合口输出功率=输入功率-耦合度-插入损耗-Y/R/h*t8s'Y 耦合器输出口输出功率=输入功率-耦合损耗-插入损耗。
MSCBSC 移动通信论坛&Y7R'w8_!J:J*^.U&C备注: 功分器每个输出口的输出功率=输入功率+分配比-插入损耗。
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%B2b7|1J-z U$_$}'Z4d7D$L二、常用馈线损耗表移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单,m%D b I1{$o(?&Z%\;D-?"{;Z6i移动通信室内路径损耗传播公式：1、自由空间传播公式：P（L）=32.4+20lgD+20lgfD为路径(km)MSCBSC 移动通信论坛+_-x0S*[&o)Wf为频率(MHz),i8j&k M8x+U7P:`,i6z-f,P:s8Q+?'E:q2、室内路径损耗传播公式：PL（d）=31.5+10•n•lgd+FAFPL（d）为路径d的总损耗值(dB)d为路径(m)n为同层损耗因子(1.6～3.3)&K.z'Y2f;K-v*tFAF表示不同层路径损耗附加值(10～20dB)mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。
1G(c5s"h"c+E注: n=2.0为室内结构简单近似于空间n=2.6为室内结构一般复杂n=3.0为室内结构较为复杂计算隔层路径损耗则还需调整FAF值(10dB～20dB)路径培一倍，损耗下降6db。
如果路径损耗降低3dB时，小区半径增加22%。
第3讲 大尺度路径损耗
例4.1,例4.2
2018/11/3 17
2
第三讲 大尺度路径损耗
3.1 无线电波传播介绍
3.2 自由空间传播模型
2018/11/3
3.3 反射传播模型
3.4 绕射传播模型
3.5 实际链路预算
3.6 室外传播模型
18
3.3 反射传播模型
移动通信中的基本传播机制
第三讲 大尺度路径损耗
3.1 无线电波传播介绍 3.2 自由空间传播模型
2018/11/3
3.3 反射传播模型
3.4 绕射传播模型 3.5 实际链路预算 3.6 室外传播模型
1
第三讲 大尺度路径损耗
3.1 无线电波传播介绍
3.2 自由空间传播模型 3.3 反射传播模型
2018/11/3 16
3.2 自由空间传播模型
自由空间中的视距传播
上式不包含d=0的情况，常用到参考距离d0
d0 Pr (d ) Pr (d0 ) d d0 d d0 Pr (d )dBW 10 log Pr (d 0 ) 20 log d d 0 d
2018/11/3 13第三讲 大尺Fra bibliotek路径损耗
3.1 无线电波传播介绍
3.2 自由空间传播模型
3.3 反射传播模型
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3.4 绕射传播模型
3.5 实际链路预算
3.6 室外传播模型
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3.2 自由空间传播模型
自由空间中的视距传播
接收点
Friis公式
无线通信技术基础_04大尺度衰落
h (d 1 d 2 ) Δ 2 d 1d 2
2
2 πΔ 2 π h 2 (d 1 d 2 ) λ λ 2 d 1d 2
第4.1节、电磁波的传播机制
α T β d1 h γ d2 hobs hr R
ht
（a）刃形绕射几何图形。T为发射机，R为接收机。
α T β d1 ht hobs hr h h' γ d2 R
室内传播模型。 对数距离路径损耗模型。 爱立信多重断点模型。 衰减因子模型。
第4.6节、建筑物的穿透损耗
随着移动通信的发展，室内已经成为使用手机的主要环境，一个位于建 筑物外部的发射机（基站）发射的无线信号，被建筑物内部的接收机 （移动台）正常接收到，对于无线通信系统来说是非常重要的。 室内环境的覆盖情况如下： 在一定的高度内（发射天线的高度，一般为45米以下），随高度的增 加建筑物内的接收信号电平会增加，在高楼层由于可能存在视距路径 使得外墙处可能具有较强的入射信号。 超过一定高度后，由于发射天线的下倾，随着高度的进一步增加，外 墙处的入射信号会变得越来越弱。 在低楼层中，由于城区的杂散结构会引起较大的衰减，减弱了信号的 透射能力。
（b）发射机和接收机在不同高度的刃形绕射几何图形。
α ht-hr d1 β hobs-hr d2 γ
（c）减去最小高度（hr）的等效刃形绕射几何图形。
第4.2节、电磁波的衰落
在蜂窝系统中，发射机发射的无线信号经过空间传输后被接收机接收， 接收信号会经受空间损耗。而且大多数基站设置在建筑物密集的城区， 基站和移动台之间大都没有直接视距路径，电磁波在穿过建筑物时会产 生吸收损耗和绕射损耗（阴影效应）。这些都是“大尺度衰落”。 同时，由于不同的地理环境，还会产生多路径的反射，经过不同反射路 径的电磁波相互作用会引起“小尺度衰落”。 此外，由于建筑物等反射体表面是不光滑的，反射能量还会由于散射而 散布于很多方向，也会引起信号衰落。 对电磁波传播模型的研究主要关注两个方面：指定区域内接收信号的平 均电平和特定位置接收信号电平的瞬时值。通过各种传播模型对无线信 道进行分析，可以用来确定无线系统应该采取哪些技术措施。
最大允许路径损耗
最大允许路径损耗摘要：1.最大允许路径损耗的定义和作用2.最大允许路径损耗与网络性能的关系3.如何计算最大允许路径损耗4.降低最大允许路径损耗的方法5.我国在最大允许路径损耗方面的研究进展正文：1.最大允许路径损耗的定义和作用最大允许路径损耗，是指在无线通信系统中，信号在传输过程中由于各种因素导致的信号强度减弱，达到一定程度时，接收端仍然能够正确解调信号的最大损耗值。
最大允许路径损耗是无线通信系统设计和分析中的一个重要参数，它直接关系到系统的覆盖范围和性能。
2.最大允许路径损耗与网络性能的关系最大允许路径损耗与网络性能之间的关系非常密切。
一般来说，最大允许路径损耗越大，系统的覆盖范围就越广，但是系统容量和用户速率可能会降低。
反之，如果最大允许路径损耗较小，虽然可以提高系统容量和用户速率，但是覆盖范围会受到限制。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求和场景来权衡最大允许路径损耗的大小。
3.如何计算最大允许路径损耗计算最大允许路径损耗的方法有很多，其中比较常用的有基于误码率的方法和基于信噪比的方法。
基于误码率的方法主要是通过计算误码率来确定最大允许路径损耗，这种方法的优点是计算简单，缺点是不能很好地反映系统性能。
基于信噪比的方法则是通过计算信噪比来确定最大允许路径损耗，这种方法更接近实际系统性能，但是计算过程较为复杂。
4.降低最大允许路径损耗的方法降低最大允许路径损耗的方法有很多，其中比较常用的有增加发射功率、增加天线高度、增加基站密度等。
增加发射功率可以有效降低路径损耗，但是会增加能耗和干扰；增加天线高度可以提高信号传播的损耗，但是受到地形和环境限制；增加基站密度可以在一定程度上降低路径损耗，但是会增加投资成本。
5.我国在最大允许路径损耗方面的研究进展近年来，我国在最大允许路径损耗方面的研究取得了显著进展。
我国已经制定了一系列关于最大允许路径损耗的国家标准和行业标准，为无线通信系统的设计和分析提供了依据。
级课本第4章
天线下倾：有两方面的目的，（1）实现 良好的距离覆盖；（2）减小同频干扰。
天线下倾的实现方式有机械下倾和电调 下倾。
精品课件
无线信道研究的两个方面：无线信道的研
究方法往往是基于理论分析和实测结果来形成 特定的统计模型。一个方面，人们通过建立传 播模型来描述信号经长距离（几百米到几十公 里）传播后场强的变化，这类模型称为大尺度 （Large-Scale）传播模型；另一方面，在电 波传播过程中，微观上，信号场强在短距（几 个信号波长）或短时（秒级）上呈现出快速波 动的状况，我们称之为小尺度衰落，相应的模 型称为小尺度（Small-Scale）衰落模型。
精品课件
SE 4dI2RP4PtG dt2 (W／m2)
则，接收天线处的可用接收功率等于： Pr与Pt的关系推导：
任何方向P性r 发S射A e天r线P4t的G td功A2e率r 密度(WS)为：
精品课件
A er
G r2 4
Pr
Pt
G tG r 2 ( 4d )2
自由空间电波传播的基本公式
精品课件
精品课件
刃形绕射的不同情况
精品课件绕射参数ν＝ 2
绕射增益（相对于自由空间）
ν＝0时，Gd=－6dB，即损耗为精品6d课B件。
自由空间的电波传播
自由空间、方P向r 性P天t (G线4tG，dr我)22 们已经得到：
则，路径传播P损L耗PP（rt PaG t4htG Ldros22s）为：
精品课件
移动无线信道（I）
大尺度路径损耗（第4章）
精品课件
主要内容
天线概述 大尺度与小尺度模型 电波传播方式概述 自由空间的电波传播 存在平坦地面时的电波传播 对数距离路径损耗模型和对数正态阴影 小区覆盖问题（仅噪声受限）和衰落容限 链路预算 奥村（Okumura）模型和精品H课a件ta模型
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研究无线信道的方法：以恰当的信道传播模 型 （以波长或时间作为参考值）为基础，再 结合实测，加以修正。
4.1 无线电传播介绍
电磁波传播的三种机制：反射、绕射和 散射。 大多数蜂窝系统 : 市区\城区 传播模型的研究
A、距发射机一定距离处信号的平均场强； B、特定位置附近信号场强的变化；
dBW与dBm之间的换算关系为： 0 dBW = 10log1W = 10log1000 mW= 30 dBm
注意：用一个dBm（或dBW）减另外一个 dBm（dBW）时，得到的结果是dB，如： 30dBm - 0dBm = 30dB。
4.3 电场和功率
发射电磁场
Er
i0 L cos 1 c exp{ jwc (t d / c)} 2 0 c d 2 jw0 d 3
单位dB可将大比值等价表示成适当的大小， 例如： 发射功率100W，接收功率1W，发射功率 是接收功率的100倍，用dB表示为20dB 发射功率100W，接收功率1mW，发射功率 是接收功率的100,000倍，用dB表示为 50dB
dBm
功率的比值，还可使用dBm作为单位，dBm 是以1mW作为参考。 例如：发射功率Tx为100W，以dBm为单位， Tx是多少？ 答：Tx(dBm)=10log(100W/1mW) =10log(100W/0.001W) =10log(100,000) =50dBm
归因于传输线损耗、滤波损耗等
例题1：假设基站发送信号到移动台的场景。 已知基站处天线增益为10dB, 发射功率为10W, 移动台接收天线增益为3dB, 传输距离为10km, 工作频率为900MHz。求自由空间传播下的接 收信号功率。
路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射 功率和接收功率的差，单位为dB(正值)
将dBm转换为W的口算规律：
“1个基准”：30dBm＝1W “2个原则”： 1)＋3dBm，功率乘2倍；－3dBm，功率乘1/2 例：33dBm＝30dBm+3dBm＝1W×2=2W 27dBm＝30dBm－3dBm＝1W×1/2=0.5W 2)＋10dBm，功率乘10倍；－10dBm，功率乘1/10 例：40dBm＝30dBm+10dBm＝1W×10=10W 20dBm＝30dBm－10dBm＝1W×0.1=0.1W
Pt (4 d )2 L PL(dB) 10log 10log , 或者 2 Pr Gt Gr Pr (dBm) Pt (dBm) Gt (dB) Gr (dB) 20log( f MHz * d km ) 32.44
-----Friis自由空间模型 有无适用条件？
对于A，预测平均场强并用于估计无线覆盖范围 的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机 之间长距离（~百米-~千米）上的信号场强变化， 称为大尺度传播模型。 对于B，通常描述短距离（~波长）或短时间 （~ms-~s）内接收信号场强的快速波动。这种 模型称为小尺度衰落模型。
移动信道的典型特征
Friis自由空间模型的适用条件： （1）远场预测 2D2 df , D为天线的最大物理尺寸； Fraunhofer距离： 且 d f D和d f
（ （2）参考距离d 且小于系统中 0 d0位于远场） 所有接收机的距离。于是
或
d0 Pr (d ) Pr (d0 ) , d d0 d f d
第四章 移动无线电传播 ——大尺度路径损耗
无线信道是影响无线通信系统性能的主要 因素。 无线信号的传播路径及其复杂，具有极度 的随机性。
无线信道的物理过程
散射体 散射 天线 绕射 干扰
天线
直射
障碍物 反射 无线发 热噪声 无线收
移动
地面
无线信道的复杂性
信号路径衰耗 反射，衍射等过程 多径叠加（衰落深度可达30~40dB） 发射机与接收机的相对运动
以上可以简单的记作：30是基准，等于1W整，互换不 算难，口算可完成。加3乘以2，加10乘以10；减3除以 2，减10除以10。
dBW
功率的比值，还可使用dBW作为单位，dBW 是以1W作为参考。 例如：发射功率Tx为100W，以dBW为单位， Tx是多少？ 答：Tx(dBW)=10log(100W/1W)=10log(100) =20dBW
•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。
4.2 自由空间传播模型
作用：用于预测接收机和发射机之间完全无 阻挡的视距路径时接收信号的场强； 实例：卫星通信系统、微波视距无线链路等。
预测公式（Friis 公式）：
Pr----接收功率； Pt----发射功率； Gr----接收天线增益； Gt----发射天线增益； λ ----波长（米）； d ----接收机与发射机之间的距离（米）； L ----系统损耗因子（L ≥ 1，与传播无关），通常
Pr d0 d0 Pr d dBm 10log 20log 0.001W d
2
（3）在用低增益天线的1GHz 到2GHz 频段 的系统中，参考距离在室内环境选 取 d0 1m，而室外选取d0 100 1000m。
例题2 求解最大尺寸为1m，工作频率为 900MHz的天线的远场距离。
例题3 如果发射机发射50W的功率，将 其换算成dBm和dBW。如果该发射机采 用单位增益天线，载频为900MHz，求出 在自由空间中距离天线100m处的接收 率，10km处呢？设接收天线为单位增益。
补充：分贝（dB）
什么是分贝dB(decibel)
用于描述比值的对数单位
例如两个量P1和P2，比值用dB作为单位， 用下式计算： 10*log (P1/P2)dB 例：发射功率P1=100W 接收功率P2=1W 则发射功率与接收功率的比值为 10*log(100/1)=20dB