淺析無(wú)線電波傳播模式

一、無(wú)線電波傳播模式

作為無(wú)線通信中信息傳播的載體，無(wú)線電波在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)處不在。無(wú)線廣播、無(wú)線電視、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)、無(wú)線組網(wǎng)設(shè)備都會(huì)涉及到相關(guān)應(yīng)用。

無(wú)線電波傳播環(huán)境十分復(fù)雜，包含自由空間（一個(gè)理想的無(wú)限大的、電波傳播各向同性、真空或者無(wú)耗均勻介質(zhì)空間，是為了簡(jiǎn)化問(wèn)題研究而提出的一種科學(xué)的抽象）與介質(zhì)（地殼、海水、大氣等）傳播；傳播方式多種多樣，幾乎囊括了電波傳播的所有過(guò)程，如:直射、反射、折射、繞射、散射等。

** 直射 : **

直射是無(wú)線電波在自由空間傳播的方式。自由空間不存在電波的反射、折射、繞射、色散和吸收等現(xiàn)象。

** 反射 : **

當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射（在兩種介質(zhì)分界面上改變傳播方向又返回原介質(zhì)）的現(xiàn)象。

折射：

電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變（與原方向產(chǎn)生一定的夾角，但不返回原介質(zhì)）的現(xiàn)象。

** 繞射 : **

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，電波繞過(guò)障礙物的邊緣繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象。繞射能使無(wú)線電信號(hào)傳播到阻擋物后面。

** 散射 : **

由于傳播介質(zhì)的不均勻性——如曲率較大、不光滑等引起的電磁波向四周擴(kuò)散分布的現(xiàn)象。當(dāng)傳播路徑上存在小于波長(zhǎng)的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常大時(shí)發(fā)生散射。

在一個(gè)典型的蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境中，在蜂窩基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信不是通過(guò)直達(dá)路徑，而是通過(guò)許多其他路徑完成的。電波傳播的過(guò)程中會(huì)遇到不同的物體，因而除了直射也會(huì)產(chǎn)生不同的反射、折射和散射，這些經(jīng)過(guò)不同傳播路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)具有不同的幅度和相位，它們的合成效果將導(dǎo)致接收機(jī)收到的信號(hào)變得非常復(fù)雜，甚至產(chǎn)生干擾或失真，即 多徑傳播效應(yīng) 。

二、無(wú)線電波的衰落（損耗）

1. 無(wú)線電波衰落特性

無(wú)線電波的直射、折射、反射、散射、繞射以及吸收等特性使無(wú)線電波隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。

(1) 如無(wú)線電波在自由空間傳播到越來(lái)越大的距離和空間區(qū)域，電波能量便越來(lái)越分散，造成擴(kuò)散衰減（即路徑損耗），其定義為：距輻射源某傳播距離處的功率密度同單位距離處的功率密度之比，其值反比于傳播距離的平方。

(2) 而在介質(zhì)中傳播，除了有擴(kuò)散衰減，電波能量還會(huì)被介質(zhì)消耗，造成吸收衰減和折射衰減等，電磁波在不同介質(zhì)中傳播的折射率n和吸收衰減常數(shù)ɑ各不相同。

基站發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的傳播路徑損耗受地面地形地物的影響很大，基站越高信號(hào)傳得越遠(yuǎn)。無(wú)線電波傳播還和頻率相關(guān)，頻率越高，路徑損耗越大，繞射能力越弱，傳播的距離也越近。低頻反之。

2. 無(wú)線電波衰落分類：

(1) 根據(jù) 衰落對(duì)無(wú)線信號(hào)造成的影響 ，無(wú)線電波在無(wú)線空間傳輸時(shí)經(jīng)歷的衰落分為3類:

平均路徑損耗 ——平均接收信號(hào)強(qiáng)度與距離長(zhǎng)度增加的某次冪成反比變化。

陰影衰落 ——當(dāng)電波傳播路徑上遇到不同障礙物阻擋所造成的電磁場(chǎng)陰影時(shí)，其局部中值電平隨地點(diǎn)、時(shí)間以及移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度做比較平緩的變化，稱為陰影衰落（由于該變化緩慢，故又稱慢衰落）。

多徑衰落 ——由于多徑傳播引起的衰落。接收處合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)迅速產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落（由于接收信號(hào)強(qiáng)度變化快，故又稱快衰落）。

(2) 根據(jù) 接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化的大小 ，無(wú)線電波在無(wú)線空間中傳輸時(shí)經(jīng)歷的衰落分為3類:

大尺度衰落 ——描述由距離引起的信號(hào)的衰減，大尺度區(qū)間（數(shù)百或千米）內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度隨發(fā)射接收距離變化的特性。

中尺度衰落 ——中等尺度區(qū)間（數(shù)百波長(zhǎng)）內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度中值的慢速變化特性。

小尺度衰落 ——小尺度區(qū)間（數(shù)十波長(zhǎng)）內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值的快速變化特性。

在蜂窩環(huán)境中有兩種影響：第一種是多徑，從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期快衰落；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要信號(hào)強(qiáng)度的長(zhǎng)期緩慢變化。信道工作于服從瑞利分布的快衰落并疊加有信號(hào)幅度符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。

3. 無(wú)線電波傳播損耗計(jì)算

無(wú)線傳輸路徑分析是無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要步驟，它便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)無(wú)線鏈路的裕量大小選擇合適類型的天線，確定合適的安裝高度，并配備合適類型及長(zhǎng)度的饋纜結(jié)構(gòu)。分析中最常涉及到的幾種計(jì)算有：自由空間損耗的計(jì)算，信號(hào)接收強(qiáng)度的計(jì)算，鏈路系統(tǒng)裕量的計(jì)算。

(1) 自由空間傳播損耗

①自由空間傳播損耗的計(jì)算：

該式是在氣溫25度，1個(gè)大氣壓的理想情況的計(jì)算公式。

其中f為工作頻率(MHz)，d為傳播距離(km)。由上式可計(jì)算出，當(dāng)頻率或距離增加一倍時(shí)，自由空間的路徑損耗會(huì)分別增加6dB（因?yàn)?0lg2≈6）。同時(shí)，減小波長(zhǎng)也會(huì)使路徑損耗增大。

②信號(hào)接收強(qiáng)度的計(jì)算：

信號(hào)接收強(qiáng)度（RSS）是指接收站設(shè)備接收到的無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度。

當(dāng)用Pt表示發(fā)射功率，Gt表示發(fā)射天線增益，Gr表示接收天線增益，Lc表示電纜和纜頭的損耗，Lbf表示自由空間損耗時(shí)，信號(hào)接收強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

RSS=P t +G t +G r -L c -Lbf

③鏈路系統(tǒng)裕量SFM(Syetem Fade Margin)的計(jì)算：

鏈路系統(tǒng)裕量是指接收站設(shè)備實(shí)際接收到的無(wú)線信號(hào)與接收站設(shè)備允許的最低接收閾值（設(shè)備接收靈敏度）相比多的富裕dB數(shù)值。

SFM= RSS-Rs，Rs為設(shè)備接收靈敏度。

系統(tǒng)裕量是衡量無(wú)線鏈路可用性和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。因?yàn)闊o(wú)線信道是一個(gè)參變信道，干擾和噪音信號(hào)隨時(shí)會(huì)影響有用信號(hào)，有時(shí)干擾和噪音信號(hào)的強(qiáng)度瞬間可達(dá)到 20~30dB，所以在建設(shè)無(wú)線鏈路時(shí)，必須保留一定的系統(tǒng)裕量。雖然系統(tǒng)裕量大于5dB系統(tǒng)可以工作，但通常建議系統(tǒng)裕量大于15-20dB。

下面舉一個(gè)例子，幫助大家熟悉上面的計(jì)算：

在1.4GHz工作頻率下，如果發(fā)射站與接收站兩站點(diǎn)相距100Km，設(shè)備發(fā)射功率5W，發(fā)射天線增益為8dBi，接收天線增益為9dBi，電纜和纜頭損耗3dBi，設(shè)備接收靈敏度為-99.5dBm。則:

自由空間損耗為：L bf =32.4+20lg1400+20lg100=32.4+63+40=135.4 dB

接收信號(hào)強(qiáng)度為：RSS=37+8+9-3-135.4=-84.4 dBm

鏈路系統(tǒng)裕量為：SFM=-84.4-(-99.5)=15.1 dB

這里需要注意幾點(diǎn)：

①步驟2中的發(fā)射功率37dBm涉及到W與dBm的換算.

②天線增益常用dBi和dBd表示。當(dāng)表示同一個(gè)增益時(shí)，用dBi表示出來(lái)比用dBd表示出來(lái)要大2.15。如：0dBd=2.15dBi；13dBd=15.15dBi。

③dBi與dBm可以相加減；用一個(gè)dBx減另一個(gè)dBx時(shí)，得到的結(jié)果用dB表示。dBm與dB也可以相加減，單位依然是dBm。dBm與dBm一般不相加。

(2) 反射損耗

不同物體反射損耗情況參見下表：

(3) 其他傳播損耗

在分析山區(qū)或者城市建筑物密集市區(qū)的傳輸損耗時(shí)，通常還要分析繞射損耗和穿透損耗。一般室內(nèi)的電波分量是穿透分量和繞射分量的疊加。這里進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的了解。