移动通信信道 — 陆地无线电波传播特性

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1、概述

信道分类：

按传输媒质分：有线信道 、无线信道

基于信道特性参数的变化速率：恒参信道是指传输特性的变化速率极低；或者说，在足够长的时间间隔内，其参数基本保持不变。

移动通信信道是典型的无线变参信道。

目前典型移动通信使用频段：

（1）150 MHz （VHF） （2）450 MHz （UHF） （3）900 MHz （UHF） （4）1800MHz （UHF） （5）2000MHz （UHF） （6）2600MHz （UHF） （7）5G将使用5.2GHz、毫米波频段….

2、陆地无线电波传播特性

2.1 电波传播方式：

直波传播：于无界介质环境中,电磁波以直线形式传递,既不会被吸收也不会发生反射、折射或散射等现象,从而实现直达接收端的传播模式。

反射现象（Reflection）：当电磁波照射到尺寸远大于其波长的物体表面时，按照光的反射定律遵循特定规律进行；这种现象通常发生在诸如地面、建筑结构以及墙面上等表面上。

当电磁波穿过含有许多微小障碍物（尺寸小于波长）的介质时，在单位体积内的障碍物数量极其大，则会发生散射现象。其产生的表面通常是粗糙度高、尺寸较小或具有不规则形状的表面。

散射（diffraction）定义为当无线传播路径在接收端与发射端之间遇到狭小障碍物时产生的转向传播现象。

2.2 直射波：

自由空间传播模型的定义是在无界空间中假设理想均匀介质，并且满足各向同性的特性。
其中介质的电导率设为零以避免能量损耗，在静电条件下其相对介电常数和磁导率与自由空间一致。

自由空间传播模型的基本性质包括不包含电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，并且其电波传播速度与真空中的光速C相等。

自由空间传播损耗的本质：球面波在其传播过程中，伴随传播距离的增长而逐渐衰减其在球面单位面积上的能量。当接收天线的有效截面积固定时，则会相应地降低其接收到的信号功率。

接收功率计算公式：距发射机d 处天线的接收功率：

= 发射功率 (W)

= 发射天线增益

= 接收天线增益

= c/f 波长(m)，c = 光速 (3×108 m/s)

d = 发射机和接收机之间的距离(m)

自由空间传播损耗计算：

自由空间传播损耗的定义：(不考虑天线增益)传播损耗为L=

/

（发射功率/接收功率），指在传输过程中因传输介质等因素引起的能力损失。

以dB计，得到：

前提条件：天线增益为1，综合损耗=1，单位以dB计。

2.3 大气中的电波传播

折射现象产生的原因是由于电波在实际移动信道中沿着地表附近的低层大气传播时受到物理介质特性的影响所导致的光路弯曲现象。位于地球重力场中的空气中由于随高度存在明显的空间分布差异使得空气密度会发生相应的变化进而影响到光速的传播特性从而引起折射现象的发生机制。具体而言大气折射率的变化与单位体积内空气分子的数量直接相关因此当空气密度随着高度的变化而发生波动时折射率也会随之发生相应的增减变化

电磁波在传播过程中穿过密度梯度变化的大气层，在各层分界面处会发生偏折作用，使电波射束产生弯曲现象。

折射现象示意图：

Electromagnetic waves bend when they travel through different media; this phenomenon is referred to as refraction.

折射对电波传播的影响：

有利：存在折射，可使极限视线传播的距离增大

不利：吸收等因素会消耗电磁波能量

在标准大气条件下, 等效地球半径采用4/3的比例缩放, 即将实际的地球半径6370 km按比例放大1.33倍得到等效半径8500 km. 大气折射效应使传播距离超过了常规视距范围, 由此得名超视距传播.

2.4 障碍物的影响与绕射损耗

绕射现象 ：
绕射：电磁波能够绕过长度不大于波长的障碍物传播

绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面

频率越低，传播损耗越小，绕射能力越强！

绕射对电波传播的影响：

绕射衰减：在实际应用场景中，电磁波沿直线传播时会遇到各种阻碍因素，在这些障碍存在的情况下必然会产生额外的衰减现象，这种由于障碍物的存在而产生的增益衰减效应被定义为绕射衰减。

绕射损耗与菲涅尔余隙有关

菲涅尔余隙x定义为障碍物顶点至直射线TR的距离；当存在阻碍时其值呈负值状态反之则呈正值状态

计算绕射损耗的计算：

2.5 反射波

镜面反射现象发生在电磁波在两种均匀介质交界处传播时。具体而言，在电磁场变化率最大的方向上会产生最强的场强反向值。当障碍物或分界面的尺寸远小于电磁波的波动长度（即\lambda）时会产生显著的镜面反射。

地面反射模型：

双线地面反射模型是基于几何光学的非常有用的传播模型。

采用平面波作为基准进行处理，并在此过程中引入用于描述反射过程的参数 R 。其中 R 被定义为反映回波强度与入射波强度之比；当发生镜面反射时，其对应的反射系数 R 取值为-1。

适用范围：几千米范围的大尺度信号和城区视距内的微蜂窝环境。

2.6 散射波

散射产生的原理：粗糙的表面会向所有方向散射电磁波。

散射对电波传播的影响：在实际应用中发现接收信号强度会因散射而显著高于仅基于绕射与反射模型预测的结果。

散射和反射的区别：

物体表面的粗糙程度及其大小与波长之间的对比结果将决定电波是被散射还是被反射。

远大于波长的平滑表面 —> 反射模型。

小于波长的粗糙表面 —> 散射模型。

3、总结

无线电波传播机制：典型有直射、反射、绕射和散射等。

自由空间（无阻挡物）：直射，视距传播。

存在阻挡物（多条路径）：

反射：电波在不同介质交界面时，在其界面处会发生一部分的反射现象。

绕射：惠更斯原理表明其传播能力可延伸至障碍物之后。

散射：具有粗糙表面的物体会以均匀分布的方式向各个方向散射电磁波。