干货！无线电波的传播与衰落

一、无线电波的传播模式

作为无线通信中信息传播的载体，无线电波在现实生活中无处不在。无线广播、无线电视、卫星通信、移动通信、雷达、无线组网设备都会涉及到相关应用。

无线电波传播环境十分复杂，包含自由空间（一个理想的无限大的、电波传播各向同性、真空或者无耗均匀介质空间，是为了简化问题研究而提出的一种科学的抽象）与介质（地壳、海水、大气等）传播；传播方式多种多样，几乎囊括了电波传播的所有过程，如:直射、反射、折射、绕射、散射等。

直射:

直射是无线电波在自由空间传播的方式。自由空间不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象。

反射:

当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射（在两种介质分界面上改变传播方向又返回原介质）的现象。

折射：

电磁波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变（与原方向产生一定的夹角，但不返回原介质）的现象。

绕射:

当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，电波绕过障碍物的边缘继续前进的现象。绕射能使无线电信号传播到阻挡物后面。

散射:

由于传播介质的不均匀性——如曲率较大、不光滑等引起的电磁波向四周扩散分布的现象。当传播路径上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常大时发生散射。

在一个典型的蜂窝移动通信环境中，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。电波传播的过程中会遇到不同的物体，因而除了直射也会产生不同的反射、折射和散射，这些经过不同传播路径到达接收机的信号具有不同的幅度和相位，它们的合成效果将导致接收机收到的信号变得非常复杂，甚至产生干扰或失真，即多径传播效应。

二、无线电波的衰落（损耗）

1. 无线电波衰落特性

无线电波的直射、折射、反射、散射、绕射以及吸收等特性使无线电波随着传播距离的增加而逐渐衰减。

(1) 如无线电波在自由空间传播到越来越大的距离和空间区域，电波能量便越来越分散，造成扩散衰减（即路径损耗），其定义为：距辐射源某传播距离处的功率密度同单位距离处的功率密度之比，其值反比于传播距离的平方。

(2) 而在介质中传播，除了有扩散衰减，电波能量还会被介质消耗，造成吸收衰减和折射衰减等，电磁波在不同介质中传播的折射率n和吸收衰减常数ɑ各不相同。

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。无线电波传播还和频率相关，频率越高，路径损耗越大，绕射能力越弱，传播的距离也越近。低频反之。

2. 无线电波衰落分类：

(1) 根据衰落对无线信号造成的影响，无线电波在无线空间传输时经历的衰落分为3类:

平均路径损耗——平均接收信号强度与距离长度增加的某次幂成反比变化。

阴影衰落——当电波传播路径上遇到不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台移动速度做比较平缓的变化，称为阴影衰落（由于该变化缓慢，故又称慢衰落）。

多径衰落——由于多径传播引起的衰落。接收处合成波的幅度和相位随移动台的运动迅速产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落（由于接收信号强度变化快，故又称快衰落）。

(2) 根据接收信号场强变化的大小，无线电波在无线空间中传输时经历的衰落分为3类:

大尺度衰落——描述由距离引起的信号的衰减，大尺度区间（数百或千米）内接收信号强度随发射接收距离变化的特性。

中尺度衰落——中等尺度区间（数百波长）内接收信号强度中值的慢速变化特性。

小尺度衰落——小尺度区间（数十波长）内接收信号场强瞬时值的快速变化特性。

在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多径，从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期快衰落；第二种是直接可见路径产生的主要信号强度的长期缓慢变化。信道工作于服从瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度符合对数正态分布的慢衰落。

3. 无线电波传播损耗计算

无线传输路径分析是无线传输网络设计的重要步骤，它便于网络设计者根据无线链路的裕量大小选择合适类型的天线，确定合适的安装高度，并配备合适类型及长度的馈缆结构。分析中最常涉及到的几种计算有：自由空间损耗的计算，信号接收强度的计算，链路系统裕量的计算。

(1) 自由空间传播损耗

①　自由空间传播损耗的计算：

该式是在气温25度，1个大气压的理想情况的计算公式。

其中f为工作频率(MHz)，d为传播距离(km)。由上式可计算出，当频率或距离增加一倍时，自由空间的路径损耗会分别增加6dB（因为20lg2 6）。同时，减小波长也会使路径损耗增大。

②　信号接收强度的计算：

信号接收强度（RSS）是指接收站设备接收到的无线信号的强度。

当用Pt表示发射功率，Gt表示发射天线增益，Gr表示接收天线增益，Lc表示电缆和缆头的损耗，Lbf表示自由空间损耗时，信号接收强度计算公式如下：

RSS=Pt+Gt+Gr-Lc-Lbf

③　链路系统裕量SFM(Syetem Fade Margin)的计算：

链路系统裕量是指接收站设备实际接收到的无线信号与接收站设备允许的最低接收阈值（设备接收灵敏度）相比多的富裕dB数值。

SFM= RSS-Rs，Rs为设备接收灵敏度。

系统裕量是衡量无线链路可用性和稳定性的重要指标。因为无线信道是一个参变信道，干扰和噪音信号随时会影响有用信号，有时干扰和噪音信号的强度瞬间可达到 20~30dB，所以在建设无线链路时，必须保留一定的系统裕量。虽然系统裕量大于5dB系统可以工作，但通常建议系统裕量大于15-20dB。

下面举一个例子，帮助大家熟悉上面的计算：

在1.4GHz工作频率下，如果发射站与接收站两站点相距100Km，设备发射功率5W，发射天线增益为8dBi，接收天线增益为9dBi，电缆和缆头损耗3dBi，设备接收灵敏度为-99.5dBm。则:

自由空间损耗为：Lbf=32.4+20lg1400+20lg100=32.4+63+40=135.4 dB

接收信号强度为：RSS=37+8+9-3-135.4=-84.4 dBm

链路系统裕量为：SFM=-84.4-(-99.5)=15.1 dB

这里需要注意几点：

①　步骤2中的发射功率37dBm涉及到W与dBm的换算，换算方法及相关知识点见本平台之前的一篇文章《一文看懂Mesh组网，安排》

②　天线增益常用dBi和dBd表示（相关知识点也可参见往期文章《方向图与天线增益》）。当表示同一个增益时，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。如：0dBd=2.15dBi；13dBd=15.15dBi。

③　dBi与dBm可以相加减；用一个dBx减另一个dBx时，得到的结果用dB表示。dBm与dB也可以相加减，单位依然是dBm。dBm与dBm一般不相加。

(2) 反射损耗

不同物体反射损耗情况参见下表：

(3) 其他传播损耗

在分析山区或者城市建筑物密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗和穿透损耗。一般室内的电波分量是穿透分量和绕射分量的叠加。这里进行一个简单的了解。

当入射角小于10度时,信号穿透损耗会明显增大。

常见物体阻挡/穿透损耗参考范围：

参考文献：

樊昌信.《通信原理》

马玉珉.《通信系统理论》

闻映红.《天线与电波传播理论》

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