路径损耗和阴影衰落

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。

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。

下行链路预算模型为：天线口功率（dBm）=路径损耗+阴影衰落余量（dB）+人体损耗（dB）-终端接收增益（dB）+终端接收灵敏度（dBm）1、路径损耗根据室内传播模型Keenan-Motley：LP=32.5+20logf+20logd+pWiLP：路径损耗f：频率（MHz）取值2600Mhzd：发射机与接收机间距离（km）取值0.02P：墙壁的数目取值2Wi：室内墙壁损耗取值20dBLP=32.5+20lg(2600)+20lg(0.02)+2*20=106.822、阴影衰落余量阴影衰落遵循对数正态分布，又称慢衰落。

决定阴影衰落的主要参数有阴影衰落的标准方差和边缘通信概率，阴影衰落标准方差的典型值在5～12dB之间，一般取8dB，边缘通信概率是根据服务质量要求有关，服务质量越高边缘概率越大。

阴影衰落余量=NORMINV(边缘覆盖概率,0,标准方差)，其中的0是指正态分布函数的均值。

阴影衰落余量= NORMINV(95%,0,8)=13.163、人体损耗人体对电磁信号的影响，一般取3dB。

4、终端接收增益是指接收机的天线增益，一般取0dB。

5、终端接收灵敏度终端接收灵敏度=噪声功率+噪声系数+信噪比噪声功率=热噪声功率谱密度*带宽热噪声功率谱密度=K*TK:玻尔兹曼常数（J/K）1.38*10-23J/KT：绝对温度（K）300K(27℃)热噪声功率谱密度=10lg（K*T*1000）=-174dBm/Hz带宽（Hz）:20*106Hz噪声功率=-174+10lg(20*106)=-174+73=-101dBm噪声系数:输入端信噪比/输出端信噪比，取5dB信噪比：-6dB终端接收灵敏度=-101+5-6=-102dBm天线口功率（dBm）=106.82+13.16+3-102=20.98。

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。

路径损耗多径衰落阴影效应多普勒效应路径损耗是指无线信号在传输过程中由于传播距离增加而导致的信号衰减。

在无线通信中，信号在传输过程中会遇到多种因素的影响，其中路径损耗是最主要的因素之一。

路径损耗与传输距离成正比，距离越远，信号衰减越大。

多径衰落是指信号在传输过程中由于经过多条路径到达接收端，不同路径的信号相互干扰而引起的衰落现象。

当信号经过不同路径到达接收端时，由于路径长度和传播时间的不同，信号会出现相位差，导致信号之间相互叠加或相消，从而引起信号强度的变化。

阴影效应是指信号在传输过程中遇到建筑物、地形等物体的阻挡而引起的信号衰减现象。

当信号遇到建筑物等物体时，会发生衍射、反射和绕射等现象，从而使信号强度发生变化。

阴影效应是不可预测的，会导致信号强度在不同位置和时间发生剧烈变化。

多普勒效应是指当信号源或接收器相对于传播介质运动时，引起信号频率发生变化的现象。

根据多普勒效应的原理，当信号源或接收器向远离方向运动时，信号频率会降低；当信号源或接收器向靠近方向运动时，信号频率会升高。

多普勒效应在无线通信中起到重要作用，尤其在移动通信中，需要对多普勒效应进行补偿。

路径损耗、多径衰落、阴影效应和多普勒效应是无线通信中不可避免的现象，对无线信号的传输质量产生重要影响。

在无线通信中，路径损耗是由于信号在传输过程中经过空气、建筑物等介质而导致的信号衰减。

路径损耗与传输距离成正比，同时也受到频率和传输介质的影响。

在传输过程中，信号会经历自由空间损耗、地面反射损耗、穿透损耗等，这些因素都会导致信号强度的减弱。

为了克服路径损耗，可以采用增大发射功率、使用高增益天线、改进调制技术等方法。

多径衰落是由于信号在传输过程中经过多条路径到达接收端而引起的衰落现象。

在城市环境中，由于建筑物的存在，信号会经过多次反射、绕射和散射，从而引起信号强度的变化。

多径衰落会导致接收端接收到的信号出现淡化、增强或失真等现象。

为了克服多径衰落，可以采用等化技术、多天线技术等方法。

信道频率损耗模型阴影模型衰落模型本文主要介绍无线通信中常用的四个模型：信道频率模型、损耗模型、阴影模型和衰落模型。

这些模型是对无线信号传输的描述，可用于无线电路设计、无线网络规划、信号覆盖预测等领域。

一、信道频率模型信道频率模型是描述无线信道频率特性的模型。

由于每个频率都有不同的传播特性，因此，无线信道的频率响应是需要建模的一个方面。

信道频率模型主要用于预测在不同频率（即不同带宽）上信道的性能和损失。

其中，常见的信道频率模型有两种：理想无限平坦频率响应模型和实际的有限频带响应模型。

理想的无限平坦频率响应模型假定无线信道对所有频率的信号响应相同，并无任何滚降和干扰。

这种模型主要用于在不同频谱范围内比较不同的无线网络方案，例如Wi-Fi和蜂窝无线电连接。

实际的有限带宽响应模型基于实际信道的复杂特性，由于加性白噪声和多径反射等，信号的响应会随着信号频率而发生变化。

这种模型更加接近实际情况，但是比起理想模型更加复杂。

二、损耗模型在无线通信系统中，有很多因素能够影响信号的传输质量，如空气介质、障碍物、雨雪、建筑物等。

而这些环境因素会因传输距离的不同而导致信号衰减，这就是所谓的信号损耗。

损耗模型主要被用来描述这种随距离而发生变化的信号弱化。

由于信号损耗涉及到多个因素，因此建立一个准确的信号损耗模型是必须的。

普遍采用的损耗模型包括路径损耗模型和自由空间传输损耗模型。

路径损耗模型考虑了多种影响信号强度的因素，包括距离、传播介质、障碍物、频率、传输功率等。

该模型描绘了信号强度沿着直线传输路径的弱化过程，并使用密集度函数表示环境因素对信号传输的影响。

自由空间传输损耗模型是另一种常见的损耗模型，它假定空气介质是完全透明的，没有任何干扰。

这种模型假设无线信号在没有障碍物的情况下沿着一条直线传播，其信号强度随着传输距离的平方根而减弱。

三、阴影模型阴影模型是一种经验模型，用于描述障碍物阻挡无线信号的效果。

在真实环境中，无线信号发射器和接收器之间存在很多干扰，包括建筑物、植被、地形等障碍物，因此阴影模型非常重要。

快衰落与慢衰落移动通信中信号随接受机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落。

其中，信号强度曲线的中直呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。

可见快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然他们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。

慢衰落(又称阴影衰落）：它是由于在电波传输路径上受到建筑物或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。

慢衰落产生的原因：（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。

（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。

（3）天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。

快衰落（又称瑞利衰落）定义：移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落快衰落原因（1）多径效应。

1、时延扩展：多径效应（同一信号的不同分量到达的时间不同）引起的接受信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展。

时延扩展（多径信号最快和最慢的时间差）小于码元周期可以避免码间串扰，超过一个码元周期（WCDMA中一个码片）需要用分集接受，均衡算法来接受。

2、相关带宽：相关带宽内各频率分量的衰落时一致的也叫相关的，不会失真。

载波宽度大于相关带宽就会引起频率选择性衰了使接收信号失真。

（2）多普勒效应。

f频移 = V相对速度/（C光速/f电磁波频率）*cosa（入射电磁波与移动方向夹角）。

多普勒效应引起时间选择性衰落，我的理解是由于相对速度的变化引起频移度也随之变化这是即使没有多径信号，接受到的同一路信号的载频范围随时间不断变化引起时间选择性衰落。

交织编码可以克服时间选择性衰落。

时间选择性衰落用T相关时间来表示=1/相关频率。

例如某移动台速度为540公里/小时那么它的最大频移为1KH相关时间就是1毫秒想要克服这样速度的快衰落就要有1.5倍于衰落变化频率的功控即1500Hz快速功控。

二、影响慢衰落的因素：
1、慢衰落产生的原因：
（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。

（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。

（3）天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。

2、远近效应
由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化，若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。

通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。

因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。

3、多普勒效应
它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户的运动速度成正比。

随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特性。

至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量（如调整发射功率）来弥补。

而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。

其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。

其基本思想就是，快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。

4、阴影效应
移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。

阴影效应是产生慢衰落的主要原因。