无线电波的空间传输

李京生

（新华通讯社，北京 100803）

无线电波的空间传输

李京生

（新华通讯社，北京 100803）

本文给出了无线电波在空间传输时损耗的计算方法，列举了最常用的定轨卫星系统、地面蜂窝移动通信系统和地面无线宽带接入系统中的无线电波传输，给出了各系统中常用的发射电平和接收机的最小灵敏度，可以计算出各系统的覆盖范围。

无线电波；Wi-Fi；蜂窝移动通信

无线电波在空间传输受到多种因素的影响，主要包括自由空间的传播损耗、由地形结构引起的阴影效应、由周围的局部散射体引起的多径效应等。

1 自由空间的无线电波传播

自由空间中无线电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想条件下的无线电波传播。只要大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波就可以视作在自由空间传播。

无线电波在自由空间传播时，其单位面积通过的能量会随着范围扩散而减少，这就是自由空间的传播损耗。

2 定轨卫星到地面站之间的无线电波传输

在定轨卫星传输中，影响无线电波传输的主要因素是自由空间的传播损耗。同步卫星轨道的半径（Rs＝42 164km），地球半径（Re=6 378km），卫星高度（h=Rs-Re=35 786km），卫星到地球站之间的距离从35 786km到41 678km。

常用C波段卫星频率为4～8GHz，卫星链路损耗为：

PL(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)

C波段最小损耗：PL(dB)=32.44+20lg4000+20lg35786=195.56dB；C波段最大损耗：PL(dB)=32.44+20lg8000+20lg41678=202.90dB。

常用Ku波段卫星频率为12～18GHz，卫星链路损耗为：

Ku波段最小损耗：PL(dB)=32.44+20lg12000+20lg35786=205.1dB；Ku波段最大损耗：PL(dB)=32.44+20lg18000+20lg41678=209.94dB。

3 地面上无线电波传播计算模型

无线电波在地面传播时，除自由空间损耗外，还有地面路径损耗。这可以通过提高发射和接收天线的增益来补偿。

奥村模型（Okumura）是最常用的传播模型，比较简单，分析起来比较方便，常用于无线网络的设计中。奥村模型得名于奥村，奥村在20世纪60年代测量了日本东京等地无线信号的传播特性，根据测量数据得到了一些统计图表，用于对信号衰耗的估计。奥村模型有一定的适用范围，例如，载波频率从150～2 000MHz；离基站不能太近，有效距离为1～100km；天线高度要在30m以上。

Hata在奥村模型上做了改进，将统计图表转换为公式，这样计算信号衰耗就不必查图表，非常方便，而且还适合计算机处理。尽管如此，这些公式仍然统称为奥村模型。在城市，奥村模型描述为以下的Hata公式：

Lp=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd

式中，Lp对应路径损耗；f代表载波频率；hb代表基站的等效高度；hm代表终端的等效高度；d代表基站与终端之间的距离；a(hm)是与终端有关的修正因子，当终端的等效高度为1.5m时a(hm)被忽略。

除了城市以外，奥村模型还分别针对郊区、农村和开阔地定义了相应的公式。一般天线的高度为30m，考虑到上行信号的频率为1.9GHz，可以简化Hata公式中上行信号损耗计算公式为：

其中，城市环境A为134.7；郊区环境A为127.5；农村环境A为115.4。同样，考虑到下行信号的频率为2.1GHz，可以简化Hata公式中下行信号损耗计算公式为：

其中，城市环境A为135.8；郊区环境A为128.6；农村环境A为116.5。

奥村模型是无线信号传播模型的鼻祖，后来又产生了许多基于奥村模型的修正模型，如COST-231Hata模型、TCPU规划工具采用的9999模型和Atoll规划工具采用的SPM模型等。另外，思科也建立了一种模型，在损耗计算公式中加入了环境因子和穿层因子。

式中，Pf(n)是穿层因子，对于不同介质给出了不同的穿层因子。2.4GHz射频信号穿过木材损耗3～6dB，穿过塑料损耗3～6dB，穿过玻璃损耗8dB，穿过砖损耗8～12dB，穿过混凝士损耗12～20dB，穿过塑料损耗3～6dB，穿过承重墙损耗20dB，穿过混凝士楼板损耗30dB以上等。在计算障碍物对发射信号的损耗时，需考虑信号的入射角度。一面厚0.5m的墙，当信号到墙的入射角呈45°时，相当于0.7m厚的墙。

还有一种传播损耗的估算方法：在自由空间的传播损耗上引入平坦地面的路径的传播损耗：

式中，η是路径损耗指数，一般取值为4；h1为基站天线高度，单位m；h2为移动台天线高度，单位为m。

4 地面上常用无线电波传播

当前，在地面上应用最多的无线传播就是蜂窝移动通信系统和无线宽带接入系统。IEEE标准中给出了等效全向辐射功率（EIRP），对于工作在2.4G频段的AP，欧洲一般规定其输出功率为20dBm，美国一般规定其输出功率为30dBm；对于工作在5G频段的AP，欧美都规定其输出功率为23dBm。而接收机的灵敏度与数据速率、调制方式、需要的信噪比和误码情况等因素有关。无线网络的的吞吐量随基站与无线终端间距离的增加而减少。数据速率越低，接收机的灵敏度越高，通信距离越远。

GSM系统常用发射功率为37dBm，边缘信号电平为-85dBm；TD-SCDMA常用发射功率为20dBm，边缘信号电平为-85dBm；Wi-Fi系统常用发射功率为15dBm，边缘信号电平为-75dBm。实际上，蜂窝移动的LTE系统的输出功率为23～30dBm，接收机最小灵敏度门限能达到-110dbm左右。在城市传输距离为3～5km，在农村可以传输10km。

Wi-Fi基站输出功率为23～27dBm，接收机最小灵敏度门限在-65～-75dbm。AP一般输出功率为20dBm、网卡输出功率为17dBm～10dBm。实际上，对应Wi-Fi的不同标准、不同速率其接收机的灵敏度也不同。

802.11b标准：传输速率11Mb/s时，接收机灵敏度为-79dBm，室内覆盖范围250m，室内覆盖范围111m；传输速率1Mb/s时，接收机灵敏度为-87dBm，室内覆盖范围290m，室内覆盖范围140m。

802.11g标准：传输速率54Mb/s时，接收机灵敏度为-65dBm，室内覆盖范围37m，室内覆盖范围32m；传输速率6Mb/s时，接收机灵敏度为-82dBm，室内覆盖范围274m，室内覆盖范围125m。

802.11a标准：传输速率54Mb/s时，接收机灵敏度为-72dBm，室内覆盖范围30m，室内覆盖范围26m；传输速率6Mb/s时，接收机灵敏度为-89dBm，室内覆盖范围198m，室内覆盖范围100m。

802.11n标准：发射EIRP值为20～36dBm，覆盖范围12～70m。

802.11ac标准：发射EIRP值为22～29dBm，覆盖范围12～35m。当20MHz编码时，从1/2的BPSK到6/5的256QAM，接收机最小灵敏度从-80dBm到-57dBm。

5 结束语

无线通信发展迅速，随着各种新技术应用，天线的增益会越来越高，调制效率也会不断提升，接收机的最小灵敏度也会有所改善。但影响无线电波传输的条件不会改变。本文给出了无线电波在空间传输时损耗的估算方法，对于无线电通信的建设和维护给出了参考值，为各类无线传输应用给出参考算法。

[1] 赵绍刚．LTE-Advanced宽带移动通信系统．北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 高峰，高泽华，文柳，宗海峰，刘鲲汉，闫丽．无线城市：电信级Wi-Fi网络建设与运营．北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 张健．无线局域网维护与测试．上海：上海交通大学出版社，2006.

[4] 郑宝玉 等译．卫星通信．北京：机械工业出版社，2011.

[5] 郭庆，王振永，顾学迈．卫星通信系统．北京:电子工业出版社，2010.

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Space Transmission of Radio Waves

Li Jingsheng
(Xinhua News Agency, Beijing, 100803)

Influence factors of radio transmitting in the space has a lot of. This paper presents a method ofcalculation of radio wave transmission loss in space; Lists the most common radio transmission of orbit satellitesystem, ground cellular mobile communication system, the wireless broadband access system; Gives the emissionlevels used in the system and receiver’s minimum sensitivity. What can be used to calculate the coverage of eachsystem.

radio waves; Wi-Fi; cellular mobile communication

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.003

TN92

A

1672-7274（2014）10-0008-03

李京生，男，新华通讯社高级工程师，主要研究方向为卫星通信及应用。