第二章 路径损耗和阴影衰减
86. 无线通信中的信号衰减模型有哪些？
86. 无线通信中的信号衰减模型有哪些？86、无线通信中的信号衰减模型有哪些？在当今高度依赖无线通信的时代，我们能够随时随地与他人保持联系、获取信息，这都得益于无线通信技术的不断发展。
然而，在无线通信中，信号在传输过程中不可避免地会发生衰减，这会影响通信的质量和可靠性。
为了更好地理解和预测信号衰减的情况，科学家们提出了多种信号衰减模型。
首先，我们来了解一下自由空间传播模型。
这是一种相对简单但基础的模型，它假设信号在没有任何障碍物的理想自由空间中传播。
在这种情况下，信号的衰减与传输距离的平方成正比，与信号的频率也有关系。
自由空间传播模型适用于卫星通信等长距离、无障碍的通信场景。
比如说，当我们通过卫星电视接收信号时，就可以用这个模型来大致估计信号的衰减情况。
路径损耗模型是另一个常见的信号衰减模型。
它考虑了信号在实际环境中传播时，由于建筑物、地形、植被等因素造成的损耗。
路径损耗模型通常比自由空间传播模型更复杂，因为它需要考虑更多的实际因素。
比如在城市环境中，高楼大厦会阻挡信号，导致信号强度大幅下降；在山区，地形的起伏也会对信号传播产生影响。
阴影衰落模型则关注的是由于大型障碍物（如山丘、建筑物等）造成的信号阴影效应。
这种模型认为，即使在同一地点，信号强度也会因为障碍物的遮挡而出现随机的波动。
这种波动通常用对数正态分布来描述。
想象一下，当你在一个高楼林立的城市街道行走时，有时会突然发现手机信号变弱，这可能就是受到了阴影衰落的影响。
多径衰落模型是无线通信中一个非常重要的模型。
当信号在传播过程中遇到多个反射和散射体时，会产生多个路径的信号，这些信号在接收端叠加，可能导致信号幅度和相位的快速变化，从而引起多径衰落。
多径衰落分为快衰落和慢衰落两种情况。
快衰落通常发生在移动速度较快的情况下，比如在行驶的汽车中；慢衰落则与环境的长期变化有关。
瑞利衰落模型是多径衰落模型中的一种常见形式。
它假设信号的多径分量是相互独立的，并且没有直射路径。
无线通信技术第二章无线电的传播一.pdf
（
（
（（
例：已知基站处天线增益为10dB, 发射功率为10W, 移动台接
路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功（1）远场预测
的天线的远场
S偏振P偏振
上述两种情况下，对于理想导体界面有：
S偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位连续。
P偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位相差半个波长。
（
不同无线环境下的路径损耗指数：
数正态分布，即
）
参考距离d0、路径损耗指数n和标准方差 ，系统地描述了具有特定距离的位置的路径损耗模型。
该模型可用于无线系统设计和分析过
为 处的接收功率，
为使用路径损耗模型对 的估计值。
那么测量与估计值的均方差之和为 ∑
,使该值最小。
）利用（*）式计算 ： = 10nlog /
=-3n, =-10n, =-14.77n
=6525-2887.8n+327.15n 2
距离处，载波频。
路径损耗和阴影衰落
无线信道的衰落特性无线通信近年来移动通信技术飞速发展，经历了三个发展阶段，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9.6Kbit/s，最高可达32kbit/s；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s。
随着第三代移动通信(3G)陆续在各国投入商业运营，必将给人们的生活带来更多的方便。
过去所采用的一些成熟的无线技术，例如窄带信道中的调制技术，由于其速率的限制，已渐渐被宽带信道调制技术所代替，对宽带信道的传输性能及调制技术的研究已经达到前所未有的高度。
无线通信的发展目标是使用者能够在任意地点、任何时间与任何人实现即时通信。
无线电波的传播无线信道的电波传输特性与传播环境—地貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰情况、通信体移动速度和使用的频段等密切相关。
无线通信系统的通信能力和服务质量、无线通信设备要采用的无线传输技术都与无线移动信道性能的好坏密切相关。
电磁波在空中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射、折射和衍射等现象。
无线移动信号的损耗包括自由空间传播损耗与弥散、阴影衰落和多径效应。
无线电波在理想的空间中传播时，电磁波的能量不会被障碍物吸收，也不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，但是随着传播距离的增大，电磁能量在扩散过程中产生球面波扩散损耗；由于电波传播遇到的障碍物等阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度减弱的现象称为阴影效应。
引起的衰落幅度服从对数正态分布（正态衰落或高斯衰落）；由于移动传播环境的多径传播引起的衰落称为多径衰落。
当接收信号中无主导信号时，衰落振幅服从瑞利分布。
当接收信号中有主导信号时，衰落振幅服从莱斯分布。
多径衰落使信号电平起伏不定，严重时将影响通话质量。
无线电波的衰落作用使得到达接收端的信号的功率变小。
在发射机和接收机之间的存在的任何障碍物都会引起信号功率的衰减。
发送和接收信号模型在频率范围为0.3GHz~3GHz的UHF频段和频率范围为3GHz~30GHz的SHF 频段，电波的传播特性良好，天线尺寸也比较小，很适合无线通信。
路径损耗、阴影衰落和多径衰落
路径损耗、阴影衰落和多径衰落转载▼路径损耗（path loss）是由发射功率的辐射扩散及信道的传输特性造成的。
在路径损耗模型中一般认为对于相同的收发距离，路径损耗也相同。
阴影（shadowing）效应是发射机和接收机之间的障碍物造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰落信号功率，严重时甚至会阻断信号。
多径衰落即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机。
由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。
不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。
这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。
路径损耗引起长距离上（100m～1000m）接收功率的变化，而阴影引起障碍物尺度距离上（室外环境是10m～100m，室内更小）功率的变化。
两者在相对较大的距离上引起功率变化，故称其为大尺度传播效应（largescale propagation effect）。
多径信号干扰也会引起接收功率的变化，但这种变化发生在波长数量级距离上，这个距离较短，所以称为小尺度传播效应（smallscale propagation effects）。
多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落（frequency-selective fading），即针对信号的中不同的频率万分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。
由此可以看到，当信号的速率较高，信号宽带超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号间的干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰落。
现代移动通信第四版 第二章课后答案 (1)
第二章 思考题与习题1 无线电波传播共有哪几种主要方式？各有什么特点？答：典型的电波传播方式有直射、反射、折射、绕射、散射等。
当电波的直射路径上无障碍物时，电波直接到达接收天线；当电波的直射路径上存在障碍物时，电波会绕过障碍物遮挡向前传播形成绕射波；当电波在平坦地面上传播时，因大地和大气是不同的介质而使入射波在界面上产生反射波；当电波入射到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，形成散射波。
2 自由空间传播的特点是什么？答：自由空间传播是指空间周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。
电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。
电波在自由空间传播时，媒质的相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强忽略不计。
自由空间中电波传播损耗为32.4420lg (km)20lg (MHz)fs L d f =++，其中，d 为T-R 间距离，f 为电波频率。
其规律是:与2d 成反比→距离越远，衰减越大；与2f 成反→频率越高，衰减越大。
3 设发射机天线高度为40m ，接收机天线高度为3 m ，工作频率为1800MHz ，收发天线增益均为1，工作在市区。
试画出两径模型在1km 至20km 范围的接收天线处的场强。
（可用总场强对0E 的分贝数表示）解：因为）（ϕ∆-+=j Re 1E E 0又因为18001501;f MHz MHz R =>=-所以有 此时接收到的场强为)1(Re1E E ])37(1)43(1[20022d d d j j e E +-+-∆--=+=πϕ）（ 用分贝表示为km d km e E E d d d j 201)1lg(10])37(1)43(1[2022<<-=+-+-π用Matlab 画出变化曲线。
由式（2-29）可知，其规律是: —与4d 成反比→比自由空间衰减快得多。
单频网
二.OFDM系统的调制
• 3.1、OFDM系统的调制和解调
OFDM系统基本模型
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二.OFDM系统的调制
• 1、OFDM系统的调制和解调 • （2）正交性
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二.OFDM系统的调制
• 2、OFDM的保护间隔和循环前缀
• （1）保护间隔 – OFDM技术可以有效对抗多径时延扩展：把输入数据流 并行分配到N个并行的子信道上，使得每个OFDM符号 的周期扩大为原来符号周期的N倍，因此时延扩展与符 号周期的比值也降低N倍； – 每个符号之间插入Tg长度的保护间隔，Tg大于最大时延 扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号 造成干扰。
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一、无线通信基础 • 2.3、时变性
– （1）多普勒频移：当无线电发射机和接收机作相对运 动时，接收信号的频率将会发生偏移。
– 作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；作 相反运动时，接收信号的频率将低于发射频率。 – 对电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取决 于两者相对运动的速度：
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二.OFDM系统的调制
1、OFDM系统 时域同步正交频分复用调制(Time DomainSynchronous Orthogonal Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM) 地面宽带无线传输的最大困难在于多径引起的频率选 择性衰落，OFDM技术则在对抗频率选择性衰落方面具有独 特的优势。 （1）基本原理 – 每个OFDM符号是多个经过调制的子载波之和，每个子载 波的调制方式可以选择相移键控PSK或者正交幅度调制 QAM； – OFDM系统所需的设备很复杂, 需设置正弦波发生器、滤 波器、调制器等, – 一般通过傅立叶变换可以简单实现。
7
路径损耗和阴影衰落
入了一个复数因子，产生接收信号：
2.3 自由空间的路径损耗
： 视距方向上发射天线和接收天线的
增益之积
：由传播距离d引起的相移
2.3 自由空间的路径损耗
发送信号s(t)功率Pt则有：
接收功率与收发天线间距离d的平方成反比（其
经由反射、绕射和散射到达接收机的信号分量： 多径信号分量
2.4 射线跟踪
接收端收到多径信号cf直射信号：功率衰减、时
延、相移及频移
多径信号和直射信号在接收端叠加信号失真
Q：考虑有限个反射体，if位置和介电性质已知
适当边界条件求解Maxwell方程多径传播路
径
计算复杂，不适于通用建模方法 ☺射线跟踪法：简单几何方程取代Maxwell方程，近
成
障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信
号功率，甚至严重时阻断信号。
cf: 路径损耗引起在长距离上；
而阴影引起在障碍物尺寸
的距离上功率变化 (室外：10m-
100m，室内更小)
大尺度传播效应：两者在相对较大距离上 引起的功率变化（cf.小尺度传播效应）
小尺度传播效应：如：多径信号干涉，在 波长数量级距离上引起功率变化。
、形状）
天线增益
该模型假定按自由空间模型从发射体传播到散射 体，在散射体处再以散射体接收功率σ倍向外辐接收到信号：所有多径分量叠加 如果有1条直射路径、Nr条反射路径、Nd条绕射路
径和Ns条散射路径，总的接收信号：
2.4.4 本地接收平均功率
所有射线跟踪模型中路径损耗计算：发射机和接 收机位置固定情况下进行
两径模型、经验模型、统计模型等等
移动无线电传播-大尺度路径损耗
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）。
shadowing 阴影 path loss 路径损耗 multipath 多径 multipath 多径
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 PG G Pr (d 0 ) t t 2 r 2 （W） , 4 d0 L
d2 hobs
R
T
d1
hr
ht
T ht-hr hobs-hr d1 d2 R
直射和绕射路径差和相应的相位差分别为： h 2 d1 d 2 2 2 h 2 d1 d 2 , 2 d1d 2 2 d1d 2 2 d1 d 2 Fresnel Kirchoff 绕射参数 为： h d1d 2
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
2 sin t 1 sin i 2 sin i 1 sin t , 2 sin t 1 sin i 2 sin i 1 sin t
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p (
) dB
1 2
dB
exp[
(
dB
dB )
2
dB
2
2
]
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型
将路径损耗模型和阴影衰落模型叠加在一起就可以同时反映出功率随 距离的减小和阴影造成的路径损耗随机衰减。 按照这个模型，接收功率和发射功率之比的分贝值为：
]
对应的分贝值为：
Pr dBm Pt dBm KbB 10 log [ 10 d d0 ]
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.7 阴影衰落
信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化， 从而造成给定距离处接受信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化 也会造成接收功率的随机变化。因此需要建立一个模型来描述这些因素 造成的信号随机衰减。最常用的模型是对数正态阴影模型。 经过假设与讨论得知：发射和接收功率的比值 的分贝值服从均 值为 dB 、标准差为 dB 的正态分布：
2.4.4 本地平均接收功率
射线跟踪中可用所有路径的幅度平方和，求出接收机位置附近的本 地平均接收功率 Pr 本地平均接收功率能较好地反映链路质量，经常用在 蜂窝系统的功率控制中。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.5 经验路径损耗模型
大多数移动通信系统运行在复杂的传播环境之中，这些传播环境难 以用自由空火路径损耗或射线跟踪法精确建模。我们可以先针对特定的 环境按不同的距离和频率取得测量数据，再用这些数据建模。实测时为 了得到路径损耗，一般是把附近几个波长范围内的测量数据进行平均， 以消除多径的影响。这样得到的平均路径损耗叫做距离d处的本地平均损 耗。对于城市等具体环境，本地平均损耗和测量时发射机和接收机的具 体位置有关。
常用模型 模型名称 奥村模型 哈塔模型 使用的距离范围 1km～100km 0km～100km 使用的频率范围 150MHz～1500MHz 150MHz～1500MHz 1.5GHz～2GHz
哈塔模型的COST231扩展 1km～20km
第二章 路径损耗和阴影衰减
室内衰减
室内传播因具体环境的不同由很大的差异，因此很难建立出能够准 确计算特定室内环境中的路径损耗的通用模型。
典型隔壁损耗（对应频率是900MHz～1300MHz） 隔壁类型 布料 双层石膏墙板 绝缘箔型 隔壁损耗（dB） 1.4 3.4 3.9 隔壁类型 混凝土墙 铝墙板 全金属型 隔壁损耗（dB） 13 20.4 26
即使对于相同的频率和相同类型的隔壁，不同研究者得出的损耗差 别也非常大，因此很难得到一般化的结论。
Pr Pt
dB 10 log
10
K 10 log
d
10
d0
dB
2.9 路径损耗和阴影衰落造成的中断率
无线通信系统一般有一个目标最小接收功率 Pmin ，当实际接收功率低 于该目标时，系统性能就会变得不可接受。
定义路径损耗和阴影衰落造成的中断率
r
Pout
（ 为Pout Pmin
, d ） p ( Pr ( d ) Pmin )
2.1 无线电波传播
电磁波在空中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波
形成反射、散射和绕射。人们采取一些近似方法来描述信号的传播特性，
避免求解复杂的麦克斯韦方程。最常见的一种近似方法就是射线跟踪技术。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.2 发送和接受信号模型
我们所研究的发射和接收信号都是实信号，但为了便于分析，常把实的 发送和接收信号表示成一个复数的实部，这就是带通信号的等效基带表示。 定义信道的路径损耗真值为发射功率和接收功率的比值：
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.6 简化的路径损耗模型
信号传播的复杂性使我们很难用单一模型来精确反映各种传播环境 下的路径损耗。如果只是为了对不同的系统设计进行一般的优劣分析， 则可以不用复杂模型，用一个能反映信号传播主要特性的简单模型即可。
在系统设计中经常使用下面的简化路径损耗模型：
d0 d
Pr Pt K
2
4 ht h r
d
]
2
令式子中的直射信号和反射信号的相位差
可近似得到临界距离
d c 4 ht h r /
临界距离可用于系统设计。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.4.2 十径模型（介电峡谷）
这种模型将环境假定为一个方方正正的城市，街道两边是建筑物，发 射天线和接收天线的高度接近于地面。两旁排列着建筑物的街道对无线电 信号相当于一个介电峡谷。十径模型包括各种一次、两次和三次反射信号， 具体有直射路径（LOS）、地面反射路径（GR）、一次墙面反射路径 （SW）、两次墙面反射路径（DW）、三次墙面反射路径（TW）、墙地反射 路径（WG）和地墙反射路径（GW）。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.4 射线跟踪
射线跟踪法把波近似为粒子，用一些简单的几何方程取代复杂的麦克 斯韦方程。最一般的射线跟踪模型包括直射、反射、绕射和散射等各种衰 落分量，其建模需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介电性质。
2.4.1 两径模型
接收信号由两部分组成：经自由空间到达接收端的直射分量和经过地 面反射到达接收端的反射分量。 其中接收功率可近似为：
，即距离d处的接收功率 P ( d ) 低于目标值 Pmin 的概率。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.10 小区覆盖范围
蜂窝系统的小区覆盖范围定义为小区内接收功率超过最小规定值的位 置所占的百分比。 小区中断率： 定义小区中断率为小区中接收功率达不到最小要求值 Pmin 的面积百分 比：即 cell Pout 1 C 小区中断位置： 小区中接收功率低于Pmin 的位置称为中断位置。
Pr Pt [
4
] |
2
Gl l
i 1
9
Ri
Gx e
i
j i
|
2
xi
由接收功率公式得知，无论发射天线是高于或低于建筑物，十径模型 得到的接收功率随距离的平方下降。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.4.3 通用路径跟踪
对于任意建筑物布局和任意天线位置的情形，可用通用路径跟踪来预 测场强和时延扩展。它需要准确的建筑物数据以及收发天线相对于建筑物 的位置。这些信息和特定的站址有关，所以该模型不用于研究一般性的系 统性能和网络规划问题，而是为了解释城市电波传播的基本机理。
PL Pt Pr
定义信道的路径损耗为路径损耗真值的分贝数：
PL dB 10 log
Pt
10
dB
Pr
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.3 自由空间路径损耗
在自由空间中发射机和接收机之间没有任何障碍物，信号沿直线传播。 可得到接收功率和发射功率的比为：
Pr Pt
[
Gl 4 d
]
2
可见接收功率与收发天线间距d的平方成反比，与波长的平方成正比， 因此载波频率越高则接收功率越小。
第二章 路径损耗和阴影衰减
2.1 无线电波传播
2.2 发送和接受信号模型
2.3 自由空间路径损耗 2.4 射线跟踪
2.5 经验路径损耗模型
2.6 简化的路径损耗模型 2.7 阴影衰落
2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型
2.9 路径损耗和阴影衰落造成的中断率 2.10 小区覆盖范围
第二章 路径损耗和阴影衰减 本章讨论由路径损耗和阴影衰落效应所引起的接收信号功率随距 离变化的规律。路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性 造成的，阴影衰落是由发射机和接收机之间的障碍物造成的。