无线传播理论和传播模型
无线电波传播模型的建立与分析
无线电波传播模型的建立与分析无线电波传播是一个现代通信领域的重要问题，其模型的建立和分析是无线电通信系统设计和优化的关键环节之一。
无线电波传播模型是通过模拟和预测无线电波在空间中传播的方式来描述无线电信号的强度、时延、多径效应等参数的一种理论模型。
在无线电通信系统设计和优化中，对无线电波传播模型的分析和建立具有重要意义。
一、无线电波传播模型的类型目前，无线电波传播模型主要有以下几种类型：1. 经验模型：这种模型基于实验数据的统计分析，不涉及具体的理论解释，适用于严密的实验条件下，通过多次测量和统计分析得到的实验数据建立模型。
2. 理论模型：这种模型基于适当的数学和物理理论解释，通过研究电磁波在不同介质中的传播规律，推导出适当的数学关系式来描述无线电波传播规律。
3. 数据库模型：这种模型基于大量的实测数据建立，通过采集大量的数据，并运用统计分析方法，得到数据之间的相关性和规律，从而建立模型。
4. 混合模型：这种模型是现代无线电波传播模型种类中最为普遍使用的一种，它利用多种模型来解决特定问题，具有更好的预测精度和应用范围。
二、无线电波传播模型的参数无线电波传播模型中常用的参数有：功率衰减、时延、多径效应、相位扰动、相位偏差等。
其中功率衰减是评价无线电信号的信号强度和信号可靠性的主要指标，表明信号在距离的变化中所遭受的信号损耗。
时延是无线电信号所需要的时间来传播到一个特定的位置，它是衡量无线电信号传输速度的重要参数之一。
多径效应是无线电信号在传播过程中经历多条路径到达接收端，产生多个接收信号的现象。
相位扰动是因为无线电信号在传播过程中，由于信号要经过多条不同路经随机相位旋转引起的波幅的变化。
相位偏差是由于空气折射率的变化引起的，它是描述信号相位和真实传播距离的差异。
三、无线电波传播模型的建立无线电波传播模型的建立，需要进行场强反射和绕射的研究，分析场强随距离的变化关系，并且建立空间场强分布模型。
场强反射和绕射的研究涉及几何、电磁、电子与材料学等诸多领域。
无线通信基础知识
折射
电磁波在传播时，遇到墙体等障碍物，就会穿过障碍物继续传播，这种现象就称为折射，电磁波的折射和光线 在透明物体中的折射有很强的类似性。如图2.4所示：
2.2.2 无线电磁波的衰落和分集技术
• 无线信号从天线到用户之间的信道衰落，按 照衰落特性的不同，可以分为慢衰落和快衰 落两种。
11
慢衰落
由地形和障碍物阻挡而造成的阴影效应，致使接收到的信号强度下降，信号强度随地理环境的改变而缓慢变化，这 种衰落称为慢衰落，又称为阴影衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置和地点相关，衰落的速度取 决于移动台的速度，它反映了传播在空间距离的接收信号电平值的变化趋势。
CONTENTS 无线通信基础知识
第二章
传输介质 无线传播理论 无线信道简介 信道复用 扩频通信技术 无线通信系统重要概念 我国无线电业务频率划分
02 无线通信基础知识 1. 传输介质 核桃AI
2.1 传输介质
• 传输介质是连接通信设备，为通信设备 之间提供信息传输的物理通道；是信息 传输的实际载体。有线通信与无线通信 中的信号传输，都是电磁波在不同介质 中的传播过程，在这一过程中对电磁波 频谱的使用从根本上决定了通信过程的 信息传输能力。
无线自组织网络技术
无线自组织网络是一种特殊的无线移动网 络。一般由一组具有自主能力的无线终端相 互协作形成的一种独立于固定基础设施、采 用分布式管理的多跳网络；网络中所有节点 的地位都是平等的，无需任何预设的基础设 施和任何中心控制节点；网络中的节点具有 普通移动终端的功能；节点间可通过空中接
8.1.1 移动Adhoc网络MAC协议
图8.3 冲突情形1
8.1.1 移动Adhoc网络MAC协议
1）隐藏终端与暴露终端问题
第3章 无线传播理论与模型
传播途径
无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直射波或地面反 射波、绕射波、对流层反射波、电离层反射波。如图所示。 还有了一种：表面波的传播方式，主要利用左边这两种。
学习完本课程，您应该能够：
掌握无线传播理论基本知识
掌握传播模型的作用，记住几种常用模型的名称和适用范围。
理解链路预算的基本参数和计算方法。
了解一些产品在覆盖规划中如何应用
无线传播理论概述
电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归结为反射、绕射和散 射。大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间一般不存在 直接视距路径，且存在高层建筑，因此产生了绕射损耗。此外由于不同 物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用产生了多径损 耗，同时也存在随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁强 度的衰减。 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和 特定位臵附近场强的变化。对于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（T－R）长距离（ 几百米或几千米）上的场强变化，所以被称为大尺度传播模型。另一方 面，描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强的快速波 动的传播模型，称为小尺度衰减模型。
无线传播理论概述
当移动台在极小的范围内移动时，可能引起瞬时接收场强的快速波动， 即小尺度衰减。其原因是接收信号为不同方向信号的合成。由于相位变 化的随机性，其合成信号变化范围很大。在小尺度衰减中，当接收机移 动距离与波长相当时，其接收场强可以发生3或4个数量级（30dB或 40dB）的变化。当移动台远离发射机时，当地平均场强逐渐减弱，该 平均接收场强由大尺度传播模型预测。典型地，当地平均接收场强由从 5 到40 范围内信号测量平均值计算得到，对于频段从1GHz到2GHz的蜂 窝系统，相应测量在1米到10米范围内。
无线电波传播模型与分析
无线电波传播模型与分析无线电波作为一种无形却又普遍存在的物理现象，其传播规律一直是物理学研究的热点之一。
传统的无线电波传播模型以自由空间衰减模型为核心，将空间中无障碍物的传播视作自由空间传播，采用信号强度随距离平方衰减的方式进行模拟。
然而，在实际应用中，传播环境往往十分复杂，存在着各种影响因素，如建筑物、地形、植被、大气、非理想发射和接收情况等等，这些因素都会对信号的传播产生一定程度的影响。
因此，在不同的传播环境下，需要根据实际情况选择相应的传播模型。
一般而言，可将无线电波传播模型分为三类：自由空间传播模型、统计模型和几何光学模型。
自由空间传播模型较为简单，只考虑无障碍物的传播。
因此，其适用范围有限，但是对于频率较高（例如2.4GHz、5.8GHz）的局域网应用，可以作为一个简单的信号估计模型。
统计模型则采用大量的实测数据进行统计分析，得到理论模型。
这类模型适用范围广泛，其建模所依据的实测数据越多，预测精度就越高，常用于卫星通信、移动通信等领域。
几何光学模型则着重考虑传输媒介的影响，绘制出空间中传播路径，通过这些路径对传播场景进行分析。
通俗易懂的解析几何光学模型是射线传输模型，其将传播路径看作由无数个微小的射线构成，但由于其缺乏对传输介质非线性的考虑，该模型受限于折射率变化小的传输介质，适用范围较窄。
针对不同的应用场景，选择不同的无线电波传播模型十分重要。
在具体应用中，需要综合考虑一些实际情况，诸如频率、传播距离、障碍物、天气变化等，对不同的环境进行合理的选型和调整。
值得注意的是，无线电波传播模型是一个广泛而且复杂的领域。
追求高精度的建模不仅需要大量的数据支持，而且需要掌握相关的物理学知识，对信号处理、模型分析等方面都有一定的要求。
因此，在实际应用中，传播模型的选择，需要以实际效果为主要参考，充分发挥工程师的经验和专业知识。
无线电波传播模型的发展历程，便是一部先进科学技术的发展史。
随着技术的不断升级和应用领域的拓宽，无线电波传播模型的未来也一定会不断创新，推陈出新，将无线技术的发展提升到新的高度。
无线通信基本原理课件
• CDMA：Code Division Multiple Access 码分多
址
频率
时间
码字
CDMA
所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获 得业务信道
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SDMA(Space Divisionቤተ መጻሕፍቲ ባይዱMultiple Access)：空分多 址
SDMA 即在相同时隙、相同频 率或相同地址码的情况下，可以根 据信号不同的中间传播路径而区分。 SDMA是一种信道增容方式，例如 空分—码分多址（SD-CDMA）。
频率
频率
FDMA
时间
TDMA
时间
FDMA：Frequency Division Multiple Access频分多址
TDMA：Time Division Multiple Access时分多址
37
• FDMA
• FDMA信道每次只能传递一路电话，如果一个FDMA信道被分配为话 音信道，但没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用。
波束形成天线采用智能天线， 基站的智能天线形成多个波束覆盖 整个小区，智能天线可定位于每个 MS。
MS MS
BTS MS
41
移动通信基本原理
一、蜂窝理论 二、网络结构 三、多址技术 四、概念辨析
42
a)话务量概念
话务量的严格定义应该叫做话务强度，是电 话系统业务多少的度量，它与单位时间（一般取 忙时1小时）内的呼叫次数n及呼叫占用信道的平 均时间（T）成正比。
• 在典型的蜂窝移动通信环境中，移动台一般比基站天 线矮很多，接收机与发射机之间的直达路径往往被建 筑物或其他物体所阻碍。所以，在蜂窝基站与移动台 之间的通信不一定是通过直达路径，而是通过许多其 他路径完成的。
无线电波传播理论
电离层传播模型需要考虑电离层 的结构、成分、电子密度等参数 ，以及电离层对电波的吸收和反 射等作用。
地面对无线电波的吸收
地面对无线电波的吸收是指电波在传 播过程中，由于地面物质的吸收作用 而导致的能量损耗。
VS
地面对无线电波的吸收与地面的物质 成分、湿度、温度等因素有关，不同 的地面类型对电波的吸收程度不同。
对流层传播模型
对流层传播模型适用于电波在对流层中的传播，由于对流层的气象条件复杂多变，电波传播受到大气 折射、散射、吸收等因素影响。
对流层传播模型需要考虑大气温度、湿度、气压等参数，以及气象条件对电波传播的影响。
电离层传播模型
01
电离层传播模型适用于电波在电 离层中的传播，电离层对电波的 折射、反射、散射等作用会影响 电波的传播路径和强度。
、雷达等领域。
无线电波的产生与传播
产生
无线电波可以通过电子运动、振荡器 、天线等设备产生。
传播
无线电波在传播过程中会受到多种因 素的影响，如大气、地形、建筑物等 ，其传播方式和距离也会因此而有所 不同。
02 无线电波传播方式
直射传播
直射传播是指无线电波直接从发射天线沿直线到达接收设备 ，不经过其他介质或物体的反射、折射或散射。直射传播的 路径损耗较小，信号质量较好，但受地形、建筑物等遮挡物 的影响较大。
自由空间传播模型
自由空间传播模型适用于电波在自由 空间中的传播，其假设电波在均匀介 质中沿直线传播，不受地球曲率、大 气折射等因素影响。
自由空间传播模型的公式为：$d = frac{c}{2pi f sqrt{epsilon}}$，其中 $d$为电波传播距离，$c$为光速，$f$ 为电波频率，$epsilon$为介电常数。
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。
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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。
浅谈移动通信无线传播
浅谈移动通信无线传播摘要：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和据此进行的场强预测,是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。
关键词：无线通信；移动通信；3G时代一、无线移动通信技术相关知识(1)卫星移动通信系统。
卫星移动通信系统,其最大特点是利用卫星通信的多址传输方式,为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务,是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸,在偏远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。
(2)无线接入系统。
无线接入系统(又称无线本地环路),就是通过无线的方式,在有线管道铺设比较困难、投资大、电话用户密度大的市和近郊区,或电话用户稀少的远郊区、农村、山区等地方,提供固定电话的服务,作为有线电话网的补充和延伸。
(3)无线寻呼系统。
无线寻呼系统是近几年发展非常迅速的移动通信系统之一。
我国曾是世界上头号寻呼大国。
无线寻呼信息除传统的个人信息外,还有大量的公共信息、专用信息。
目前,应该利用现有的无线寻呼网络,朝向规模经营、文字化、自动化、大联网、高速率、多业务、多用途,以及语音寻呼、双向信息寻呼和小区复用频率的组网方式等方面发展。
(4)未来公众陆地移动通信系统FPLMTS。
目前FPLMTS集合了各种移动通信系统的功能,用户只需使用单一的移动终端设备,就可以在全球任何地方、任何时候,获得与任何人进行高质量的移动通信服务,也就是大家所期望的个人通信。
当前,我国第三代移动通信系统的体系仍然延续了二代移动通信的传统,趋向于采用混合组网,既有CDMA2000体制,也有我国自己提出的TD-SCDMA体制。
二、无线电波的传播(一)传播方式1.直达波或自由空间波;2.地波或表面波;3.对流层反射波;4.电离层波蜂窝系统的无线传播利用了第二种地波或表面波传播方式。
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平均高度算法
相对高度算法 斜率高度算法
有效高度受移动台所处位置影响 考虑地形因素 适合地势起伏较大的区域
H eff h1 h2 K d
两段式Standard Macrocell模型
校正过的两段式模型参数使预测更精确
Standard Macrocell模型中的 Clutter Loss
当接收机在可引起反射、绕射的 复杂环境下移动时，在不到一个 波长范围内会出现几十分贝的电 平变化和激烈的相位摆动
课程内容
电波传播基础
自由空间的电波传播
无线传播模型的分类 常用的传播模型
自由空间的电波传播
自由空间电波传播损耗是无线电工程的一 个基本参数，可提供一个有用的比较标准， 来评价传输路径的性能 所谓自由空间是指充满均匀、线性、各向 同性理想介质的无限大空间。在自由空间 中，电磁波能量没有介质损耗，还不需要 考虑边界条件 无限大真空空间是自由空间的一个典例
常用于写字楼、商场、宾馆、会议中心 等对覆盖要求高和高话务量的区域
通常采用半经验模型或确定性（如射线 跟踪）模型进行预测
课程内容
电波传播基础
自由空间的电波传播
无线传播模型的分类 常用的传播模型
常用传播模型
Okumura－Hata模型 COST231－Hata模型 COST231－WIM模型 Standard Macrocell模型 室内传播模型
路径损耗指数n1典型取值为2.8
室内传播模型的应用
要点回顾
电波传播基础：直射、反射、绕射和散射， 城区和开阔地的电波传播特点，陆地移动通 信的电波传播特点，大、中、小尺度衰落， 多径衰落 自由空间的电波传播计算，天线的远场 传播模型的分类：经验模型，半经验模型和 确定性模型。三类小区：宏小区、微小区和 微微小区以及各自的特点 常用的传播模型：Okumura－Hata模型， COST231－Hata模型，COST231－WIM模型， Standard Macrocell模型，室内传播模型
Clutter Loss
Offset in dB
Height and Separation
Through Loss in dB/Km
室外传播模型的应用
不同精度的模型
室内传播模型
对数距离模型
d L(d ) L(d 0 ) 10n log( ) X (dB) d0
n
所有位置 同一楼层 3.14 2.76
散射波产生于粗糙表面、小物体 或其它不规则物体。在实际通信 系统中，树叶、街道标志和灯柱 等都会引发散射
城区的电波传播
很少有直射波能直接到达移动台，大部分情况，接收的信号主
要是反射波、绕射波和散射波的叠加
城区的电波传播
电波在城市峡谷中的波导效应
开阔地的电波传播
径损耗越大 电波的频率越高，路径损耗也越大
自由空间的路径损耗
自由空间的路径损耗与频率和距离的关 系：
自由空间的路径损耗计算前提条 件
必须要满足天线的远场，天线的近场与远场 是以距离 划分： df
d f 2D
2
且要求
d f D
及
d f
（D 为天线的最大物理尺寸）
自由空间的路径损耗计算前提条 件
如工作频段850M的一个室外基站天线，假 设天线的最大尺寸为2m，我们计算得到其 远场距离为：
d f 2D 2 2 0.353 22.7m
2 2
课程内容
电波传播基础
自由空间的电波传播
无线传播模型的分类 常用的传播模型
传播模型的分类
传播模型按性质来分可以分为:
d
LDIFF
移动台距基站的距离
H eff 基站天线的有效高度
绕射损耗
K Clutter 地物校正因子
Standard Macrocell模型
L K1 K 2 Log10 (d ) K3 H ms K 4 Log10 H ms K5 Log10 ( H eff ) K6 H eff Log10 (d m ) K 7 ( LDIFF ) Kclutter
Okumura－Hata模型
Hata 在 Okumura 模型基础上，设定了一系 列的限制条件，通过曲线拟合出来的经验 公式
模型假设条件：
作为两个全向天线之间的传播损耗处理； 作为准平滑地形而不是不规则地形处理； 以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采 用校正公式进行修正。
Okumura-Hata 模型
适用频段f为150～1500MHz；
基站天线有效高度为30～200米； 移动台天线高度为1～10米；
通信距离为1～35km；
Okumura－Hata模型
a ( h2 )
K
为天线高度增益校正因子 为在郊区和开阔区域中应用小城市的校正因子
Okumura-Hata模型
基站高150米 移 动台高1.5米 频率为900MHz
16.3 12.9
测试点数 634 501
通过一层 通过二层
通过三层 食品杂货店仓库 零售仓库
4.19 5.04
5.22 1.81 2.18
5.1 6.5
6.7 5.2 8.7
73 30
30 89 137
注：国外某建筑物的实测得到的路径损耗指数和标准差
室内传播模型
衰减因子模型
d L(d ) L(d 0 ) 10n1 log( ) FAF d0
无线传播理论和传播模型
本课程重点
电波传播基础：直射、反射、绕射和散射， 城区和开阔地的电波传播特点，陆地移动 通信的电波传播特点，大、中、小尺度衰 落，多径衰落 自由空间的电波传播计算，天线的远场 传播模型的分类：经验模型，半经验模型 和确定性模型。三类小区：宏小区、微小 区和微微小区以及各自的特点 常用的传播模型：Okumura－Hata模型， COST231－Hata模型，COST231－WIM模 型，Standard Macrocell模型，室内传播模型
课程内容
电波传播基础
自由空间的电波传播
无线传播模型的分类 常用的传播模型
无线电波
无线电波是无线通信中信息传播的载体 无线电波无处不在
无线广播 无线电视 卫星通信 移动通信 雷达
无线电波
无线电波的传播
速度、频率和波长
C f
无线电波的基本传播机制
直射 反射 散射 绕射（衍射）
自由空间的电波传播
Pr:接收信号功率 Pt：发射信号功率 Gt：发射天线增益 Gr：接收天线增益 d：接收和发射天线之间的距离 ：射频信号波长
自由空间传播的路径损耗
自由空间传播路径损耗（发射天线和接收天线 都为点源天线）可写为：
2 Pt 4d L fs (dB) 10 log 10 log 20 log 2 2 Pr (4 ) d 32.45 20 log10 d Km 20 log10 f MHZ 36.58 20 log10 d mi 20 log10 f MHZ
确定性模型
确定性模型是对实际的现 场环境直接应用电磁理论 计算的方法 环境的描述从地形地物数 据库中得到，环境描述的 精度决定确定性模型的精 度 通常基于几何绕射理论 （GTD）、物理光学（PO） 的射线跟踪或其他精确方 法
Ray Tracing 模型
三类小区
宏小区（宏蜂窝）：覆盖半径大于1km 微小区（微蜂窝）：覆盖半径在0.1～1km之间
绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面。
绕射损耗
收发之间有阻挡物和没有阻挡物两种情况接收场强的比值
绕射损耗的William C.Y.Lee近似 解
vh
2d1 d 2 d1 d 2
散射
当电磁波穿行的介质中存在 小于波长的物体并且单位体 积内阻挡体的个数非常巨大 时，发生散射
经验模型 半经验模型 确定性模型
经验模型
经验模型是根据 大量的测试结果 统计分析后导出 的公式
如：
Okumura－ Hata模型 COST231-Hata 模型
半经验模型
半经验模型是在经验性模型基础上改进 而成 COST231 Walfisch-Ikegami模型 校正之后的Standard Macrocell模型
和反射波为主
陆地移动通信中的无线信号
陆地无线电波传播极其复杂，存在直射、反射、绕射 和散射等多种传播方式和多径，有时会引起严重的信 号衰落
基站发出的无线电信号的传播路径损耗受地面地形地
物的影响很大，基站越高信号传得越远
无线电波传播还和频率相关，频率越高，传播路径损 耗越大，绕射能力越弱，传播的距离也越近
H eff 基站天线的有效高度算法会影响斜率的取值
基站有效天线高度算法
基站有效天线高度算法 绝对高度算法
平均高度算法
相对高度算法 斜率高度算法
有效高度固定不变 不考虑地形因素
基站有效天线高度算法
基站有效天线高度算法 绝对高度算法
平均高度算法
相对高度算法 斜率高度算法
高出预测区域内平均海拔的高度 考虑地形因素
陆地移动通信中的无线信号
小尺度衰落
描述多径衰落，通常服从瑞利概率密度函数， 因而也称为瑞利衰落
中尺度衰落
描述阴影衰落，变化趋向于正态（高斯） 分布，通常称为对数正态衰落
大尺度衰落
描述由距离引起的信号的衰 减，中值信号功率与距离长 度增加的某次幂成反比变化