無線通信傳播工程 Propagation Engineering in Wireless Communications

王敬超

男，軍事科學院高 級工程師。 
2010年獲清華大學電子科學與技術工學博士學位，主要研究方向包括空間信息網絡、
通信衛星總體與體制規劃、無線通信系統設計等。完成國家自然科學基金、國家863計劃等項目10餘項。
發表學術論文40餘篇，獲發明專利授 權9項。

 

甘小鶯

女，現任上海交通大學電子信息與電氣工程學院副教授，智能物聯網研究中心副主任。
主持的項目以及研究論文多次獲獎。 
“基於雲WiFi的無線城市運營平台”項目獲上海市科技進步獎，
“基於認知的無線傳感器網絡在工業信息化中的關鍵技術與核心系統”
項目獲上海市技術發明獎，論文獲IEEE WCSP國際會議十週年優秀論文獎。
研究方向包括智能物聯網、網絡大數據、網絡經濟學等。
研究成果發表在IEEE JSAC、IEEE TMC、IEEE TPDS、IEEE TVT、
IEEE TWC和IEEE TOC等國際期刊，以及IEEE INFOCOM、
IEEE ICC和IEEE GLOBECOM等國際會議論文集，獲得授 權40餘項。

 

 

目 錄

 

第 1章 無線電波簡介 001

1.1 引言 001

1.2 無線電服務 002

1.3 國際通行編碼和標準 003

1.3.1 目標 003

1.3.2 編碼和標準類型 004

1.3.3 無線電規則 004

1.3.4 ITU-R推薦規範 005

1.4 基本術語和定義 006

1.5 無線電系統分類 006

1.5.1 基於頻帶的分類 006

1.5.2 基於服務類型的分類 006

1.6 無線電頻帶 007

1.6.1 頻率在無線通信中的地位 007

1.6.2 頻帶的分類 008

1.7 頻帶的應用 010

1.7.1 ELF、ULF和VLF頻帶 010

1.7.2 LF頻帶（30～300 kHz） 010

1.7.3 MF頻帶（300～3 000 kHz） 010

1.7.4 HF頻帶（3～30 MHz） 011

1.7.5 VHF頻帶（30～300 MHz） 011

1.7.6 UHF頻帶（300～3 000 MHz） 011

1.7.7 SHF頻帶（3～30 GHz） 012

1.7.8 EHF頻帶（30～300 GHz） 012

1.7.9 微米和納米帶 012

1.8 頻率分配 013

1.8.1 概述 013

1.8.2 頻率登記 013

1.8.3 ITU頻率分配區域 013

1.8.4 頻率分配 014

1.9 大氣層 016

1.9.1 對流層 016

1.9.2 平流層 017

1.9.3 電離層 017

1.9.4 磁層 018

1.10 發射標識 018

1.11 總結 019

1.12 思考題 020

第 2章 無線電波傳播的基本原理 024

2.1 引言 024

2.2 傳輸媒介 025

2.2.1 媒介特性 025

2.2.2 無線電波的速度 026

2.2.3 無線電波的穿透深度 027

2.3 電磁波 028

2.3.1 麥克斯韋方程 028

2.3.2 電磁波譜 029

2.4 波動方程和頻譜 030

2.4.1 平面波 030

2.4.2 無線電頻譜 031

2.5 媒介對無線電波的影響 031

2.6 傳播參數 032

2.7 無線電波極化 032

2.8 無線電波極化的主要類型 033

2.9 無線電鏈路 036

2.10 自由空間損耗 037

2.10.1 功率通量密度 037

2.10.2 自由空間損耗 038

2.10.3 ITU-R公式 040

2.11 有效輻射功率 042

2.11.1 天線增益 042

2.11.2 ERP和EIRP 043

2.11.3 電場強度 044

2.12 傳輸損耗 045

2.12.1 無線電鏈路損耗術語 045

2.12.2 基本傳輸損耗 046

2.12.3 系統損耗和總損耗 047

2.13 無線電射線路徑和K因子 047

2.13.1 射線路徑曲率 047

2.13.2 K因子 050

2.14 總結 051

2.15 思考題 051

第3章 無線電波在對流層中的傳播 055

3.1 引言 055

3.2 地球大氣 056

3.2.1 主要參數 056

3.2.2 下部對流層 056

3.2.3 標準地球大氣 057

3.2.4 非標準大氣參數 059

3.3 無線電波折射 060

3.3.1 空氣折射率 060

3.3.2 電波路徑和有效地球半徑 061

3.4 K因子 061

3.4.1 定義 061

3.4.2 K因子的變化範圍 062

3.4.3 地球凸起 064

3.4.4 無線電地平線 065

3.4.5 大氣波導 066

3.5 對流層無線電波衰減 074

3.5.1 引言 074

3.5.2 降雨衰減 075

3.5.3 雲霧衰減 077

3.5.4 冰雹和降雪衰減 079

3.5.5 氣懸浮顆粒 080

3.6 無線電波反射 081

3.6.1 反射方程 081

3.6.2 多徑接收 084

3.6.3 覆蓋圖和高度增益曲線 086

3.6.4 菲涅耳區 089

3.6.5 菲涅耳區半徑計算 090

3.7 無線電波衍射 093

3.7.1 引言 093

3.7.2 衍射參數 094

3.7.3 衍射區域的場 095

3.7.4 乾擾區域的場 096

3.7.5 中路區域的場 098

3.8 障礙物的衰減 100

3.8.1 衍射條件下的障礙物損耗 101

3.8.2 阻塞的無線電路徑 103

3.9 森林和植被區 105

3.9.1 綜述 105

3.9.2 VHF/UHF頻帶 106

3.9.3 SHF/EHF頻帶 108

3.10 總結 112

3.11 思考題 113

第4章 無線電波在電離層中的傳播 119

4.1 引言 119

4.2 電離層中的電離 120

4.2.1 電離和等離子態 120

4.2.2 電離層分類 121

4.2.3 電離現象 121

4.3 在中頻/高頻頻帶的電離層通信 122

4.3.1 無線電波在電離層的傳播 122

4.3.2 應用 123

4.3.3 電離層中的垂直傳播 124

4.3.4 電離層波的傾斜傳播 126

4.3.5 最佳使用頻率 127

4.3.6 長距離通信 128

4.3.7 D子層和日/夜頻率的影響 130

4.3.8 不同傳輸模式的時延 130

4.3.9 太陽效應 133

4.3.10 地磁場效應 134

4.4 電離層對衛星通信的影響 135

4.4.1 主要影響 135

4.4.2 電離層電離 135

4.4.3 法拉第旋轉 136

4.4.4 群時延 137

4.4.5 色散 138

4.4.6 閃爍 139

4.4.7 電離層效應的頻率依賴性 141

4.5 電離層參考特徵 142

4.5.1 引言 142

4.5.2 映射函數 143

4.5.3 f0F2和M（3 000）F2的預測 145

4.5.4 f0E的預測 146

4.5.5 f0F1的預測 148

4.5.6 軟件項目 149

4.6 電離層主要參數 150

4.6.1 主要指標 150

4.6.2 太陽黑子數目 150

4.6.3 Φ指數 151

4.7 總結 152

4.8 思考題 153

第5章 無線電波在3 kHz～30 MHz頻帶中的傳播 157

5.1 引言 157

5.1.1 應用 157

5.1.2 發展趨勢 158

5.1.3 主要考慮因素 158

5.2 在VLF/LF頻帶的傳播 158

5.2.1 引言 158

5.2.2 無線電波在海水中傳播 159

5.2.3 設計註意事項 160

5.2.4 潛艇無線電通信 161

5.2.5 地球大氣層中的傳播 166

5.3 錶面波傳播 166

5.3.1 引言 166

5.3.2 電氣特性 167

5.3.3 電氣特性變化 167

5.3.4 波滲透 168

5.3.5 電氣特性的有效因素 169

5.3.6 接收功率 170

5.3.7 垂直極化波 170

5.3.8 水平極化波 172

5.3.9 ITU-R圖表 173

5.3.10 混合路徑 178

5.4 MF/HF頻段的波傳播 180

5.4.1 控制點的位置 181

5.4.2 E層和F2層的篩選頻率 182

5.4.3 傳播模式 183

5.4.4 波仰角 183

5.4.5 波場強度 184

5.4.6 接收功率 188

5.4.7 信噪比 188

5.4.8 最低可用頻率 189

5.4.9 設計註意事項 189

5.4.10 MF頻段中的波傳播 192

5.5 總結 194

5.6 思考題 195

第6章 地面移動無線電傳播 200

6.1 引言 200

6.2 衍射損耗 201

6.2.1 菲涅耳區 201

6.2.2 基本概念 203

6.2.3 球形地球的衍射 204

6.2.4 障礙衍射 207

6.2.5 單刃障礙 208

6.2.6 單圓障礙 209

6.2.7 雙重隔離障礙 212

6.2.8 多重隔離障礙 214

6.3 移動無線電通信的傳播環境 216

6.4 信號電平變化 217

6.4.1 引言 217

6.4.2 陰影 217

6.4.3 位置變化 218

6.4.4 時間變化 221

6.4.5 位置和時間變化 222

6.4.6 衰落餘量 222

6.5 極化 224

6.5.1 去極化效應 224

6.5.2 極化分集 224

6.6 天線高度 225

6.6.1 概要 225

6.6.2 天線高度增益 225

6.6.3 固定天線高度增益 227

6.6.4 移動天線增益 229

6.7 反射和多徑 229

6.7.1 局部反射 229

6.7.2 主要和不需要信號之間的相關性 230

6.7.3 多徑衰落 230

6.8 時延擴展 232

6.8.1 接收信號時延 232

6.8.2 系統性能 233

6.9 氣候影響 233

6.9.1 折射率 234

6.9.2 氣候因素 234

6.10 地球影響 235

6.10.1 海水 235

6.10.2 田野和丘陵 236

6.11 導向無線電波傳播 237

6.11.1 隧道中的無線電波傳播 238

6.11.2 漏電饋線 238

6.11.3 風道 239

6.12 移動效應 239

6.12.1 周邊地區 239

6.12.2 身體損耗 239

6.13 媒體條件 240

6.13.1 引言 240

6.13.2 主要因素 241

6.13.3 接收功率方程 241

6.14 接收信號電平 244

6.14.1 引言 244

6.14.2 鏈路功率預算方程 244

6.15 區域覆蓋預測模型 247

6.15.1 引言 247

6.15.2 模型分類 247

6.15.3 模型局限性 248

6.16 基本模型 248

6.16.1 理論模型 248

6.16.2 簡單的經驗模型 249

6.17 應用模型 250

6.17.1 Bullington模型 251

6.17.2 Hata模型 252

6.17.3 COST 231-Hata模型 255

6.17.4 Lee模型 256

6.18 總結 258

6.19 思考題 259

第7章 視距傳播 268

7.1 引言 268

7.1.1 傳播環境 268

7.1.2 主要因素 269

7.1.3 頻帶 269

7.2 射線軌跡 270

7.2.1 無線電路徑曲率半徑 270

7.2.2 K因子 272

7.2.3 地球大氣層 273

7.2.4 K因子的典型值 274

7.2.5 無線電波路徑剖面 275

7.3 地面障礙物 278

7.3.1 障礙物類型 278

7.3.2 菲涅耳區半徑 279

7.3.3 衍射損耗 279

7.4 無線電路徑間隙 281

7.4.1 單天線標準 281

7.4.2 雙天線空間分集標準 281

7.4.3 三天線空間分集配置 282

7.4.4 最低天線高度 282

7.4.5 單天線高度 283

7.4.6 天線空間分集 283

7.4.7 最佳天線高度 284

7.4.8 天線周圍間隙 285

7.5 視距無線鏈路中的傳播損耗 286

7.5.1 通信方程 286

7.5.2 傳播損耗 288

7.5.3 降水損耗 289

7.5.4 交叉極化鑒別 293

7.5.5 天線耦合損耗 295

7.6 設計標準 296

7.6.1 假設參考電路 296

7.6.2 系統等級 297

7.6.3 可用性和不可用性標準 297

7.6.4 質量標準 299

7.6.5 性能標準 299

7.7 接收信號的衰減 300

7.7.1 永久性衰減 300

7.7.2 偶爾衰減 301

7.7.3 衰落 301

7.7.4 多徑 301

7.7.5 過度接收 304

7.7.6 衰落發生概率 306

7.7.7 ITU-R新方法 309

7.8 中斷時間 314

7.8.1 引言 314

7.8.2 衰落餘量 314

7.8.3 連接中斷時間 315

7.8.4 計算衰落餘量 316

7.9 設計註意事項 317

7.9.1 設計標準 317

7.9.2 無線電站點選擇 318

7.9.3 基礎和地球網絡 318

7.9.4 氣候 319

7.9.5 無線電路徑傾斜 319

7.9.6 Z字形路徑 319

7.9.7 路徑長度 320

7.9.8 天線周圍間隙 320

7.9.9 無線電源 320

7.9.10 降水 320

7.9.11 改進技術 321

7.9.12 技術計算 321

7.10 總結 321

7.11 思考題 323

第8章 導向介質中的傳播 329

8.1 引言 329

8.2 RF漏電電纜 329

8.3 波導 331

8.3.1 TE模式 332

8.3.2 TM模式 334

8.4 光纖電纜 336

8.4.1 引言 336

8.4.2 FOC頻帶和窗口 338

8.4.3 在電信中的應用 340

8.4.4 FOC傳播準則 343

8.4.5 主要參數 347

8.4.6 FOC網絡中的限制因素 349

8.4.7 FOC標準 352

8.4.8 FOC電信網絡 352

8.4.9 FOC鏈路計算 355

8.4.10 機械和民事方面的考慮 362

8.5 總結 363

8.6 思考題 363

第9章 無線電波傳播專題 368

9.1 範圍 368

9.2 光學無線電鏈路 369

9.2.1 引言 369

9.2.2 主要的大氣影響 369

9.2.3 大氣吸收 370

9.2.4 大氣散射 371

9.2.5 閃爍 372

9.2.6 大氣降水 373

9.2.7 氣溶膠吸收 376

9.2.8 環境日光效應 376

9.2.9 能見度 377

9.3 光無線電鏈路設計 378

9.3.1 設計計算 379

9.3.2 FSO鏈路設計 383

9.4 在20～375 THz頻帶中的無線電波傳播 386

9.4.1 大氣的主要影響 387

9.4.2 吸收 387

9.4.3 散射 388

9.4.4 湍流 389

附錄A 對數單位制 391

A.1 引言 391

A.2 定義 391

A.3 基本公式 392

A.4 常用的對數量 392

A.5 對數單位制準則 393

A.6 對數單位制的優點 394

附錄B ITU-R推薦規範P系列 396

附錄C 基於ITU-R的非電離媒質傳播術語和定義 400

參考文獻 404

名詞索引 407