第3章 无线传播理论与模型

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自由空间传播模型
在实际使用低增益天线，1～2GHz地区的系统中，参考距离 d 0 在室 内环境典型值取为1m，室外环境取为100m或1km，这样公式（8）和 公式（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。
陆地移动通信中的无线信号
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。 无线电波传播极其复杂，受到反射、绕射和散射等多 径传播的影响，有时会引起严重的信号衰落 。 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。
无线信号三种基本传播机制
1． 反射（无线电波遇到远大于波长的障碍物表面） 电波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。如果 平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中，一部 分能量反射回到第一介质，没有能量损耗。如果第二介质为理想发射体， 则所有能量被反射回第一介质，无能量损耗。反射波和传输波的电场强度 取决于费涅尔（Fresnel）反射系数 。反射系数为材料的函数，并与极性 、入射角和频率有关。 一般来说，电磁波为极化波，即在空间相互垂直的方向上同时存在电场分 量。极化波在数学上可表示成两个空间相互垂直成分的和，例如水平和垂 直，左手环和右手环成分等。对一定的极性，可通过叠加计算反射场。
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。
不同频段内的频率具有不同的传播特性
无线传播理论概述
无线电波分布在3Hz到3000GHz之间，在这个频谱内划分为12个带， 如上表。在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。 频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；而且频率越低，绕射能力 越强，建筑物内覆盖效果越好。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；而且频率越高，绕射能力越弱，建筑物内覆盖效果越 差。而且频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。 移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与 其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应 用于移动通信领域。当然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需 要的容量越来越大，移动通信系统必然要向高频段发展。
无线信号三种基本传播机制
3． 散射（遇到大量尺寸远小于波长的颗粒） 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。像 树、街道标志和灯柱这样的物体在所有的方向上散射能量，这就给接收机 提供了额外的能量。 远大于波长的平滑表面可建模成反射面，对于粗糙表面，反射系数需乘以 一个散射损耗系数 ，以代表减弱的反射场。物体表面粗糙程度可以使用 瑞利（Rayleigh）准则来判断，如果平面上最大的突起高度h小于hc，则 认为表面为光滑的，反之则为粗糙的。
无线信号三种基本传播机制
在移动通信中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。 接收功率（或它的反面，路径损耗）是基于反射、散射和绕射的大尺 度传播模型预测的最重要的参数。这三种传播机制也描述了小尺度衰 弱和多径传播。 当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生发射，发射发生于地球表面 、建筑物和墙壁表面。 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由 阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。当接收机 和发射机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波弯曲。在高频波 段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波振幅、 相位和极化的情况。 当电磁波穿行的介质中存在小于或等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。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、街道标志和灯柱都会 引发散射。
无线传播理论概述
Frequency 3-30Hz 30-300Hz 300-3000Hz 3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz 300-3000GHz Classification Extremely Low Frequency Voice Frequency Very-low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency Designation ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
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
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。
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。
第三章无线传播理论 与模型
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无线传播理论与模型
摘要 本章首先介绍无线传播理论，着重介绍了自 由空间传播模型，电场与功率的关系，以及 三种基本传播机制。然后介绍无线传播模型 ，包括传播模型概述和分类，并分别介绍宏 小区、微小区和室内传播模型。最后介绍了 传播模型在蜂窝技术中的应用。
学习目标
d
d
d 2D
其中，D为天线的最大物理尺寸。此外对于远地地区， ： 和
d f D
d f Hale Waihona Puke Baidu
df
必须满足
自由空间传播模型
显而易见公式1不包括d＝0的情况。为此，大尺度传播模型使用近地距 ) d 的 Pr 离 0 作为接收功率的参考点。当 d d 0 时，接收功率 Pr (d与 0 P ( d ) 相关。 r 0 可由公式（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 d f ，同时 d 0 小于移动通信系统中所用的实际距 离。这样，使用公式（1），当距离大于 d 0 时，自由空间中接收功率为 2 d 0 P ( d ) P ( d ) d d 0 d f 公式 （8） r r 0 d 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为单位来表示接受电平。公式（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 P 单位为dBm，接收功率为 r ： P (d )dBm 10log Pr (d 0 ) 20log d 0 d d0 d f r 0 . 001 W d 公式 （9） Pr (d 0 ) 其中， 单位为瓦。
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。
自由空间传播模型
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。等效各向同性辐射功率（EIRP）定义为： 公式 （4）
EIRP Pt Gt
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。 实际上用有效发射功率（ERP）代替EIRP，来表示同半波偶极子天线 相比的最大发射功率。由于偶极子天线具有1.64的增益（比全向天线 高2.15dB），因此对于同一传输系统，ERP比EIRP低2.15dB。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 与半波偶极子天线相比的dB增益。
公式 （5）
当不包括天线增益时，设定天线增益具有单位增益。其路径损耗为：
2 Pt PL(dB) 10 log 10 log 2 2 Pr ( 4 ) d
公式 （6）
自由空间传播模型
Friis自由空间模型仅当d为发射天线远场值时使用。天线的远场定义为 超过远场距离 的地区， 与发射天线截面的最大线性尺寸和载 f f 波波长有关： 2 f

PG G P (d ) (4 ) d L
其中， Pt为发射功率； P r(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； 为波长 ，单位米。 天线增益与它的有效截面相关，即： e 公式 （2）
自由空间传播模型
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。卫星通信和微波视距无线链路是典型的自由空间传播 。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）。自由空间中距发射机d处天线的接收 功率由Friis公式给出： 2 公式 （1） t t r r 2 2