3.2 随参信道

3.2.1 陆地移动信道

陆地移动通信的工作频段主要在VHF和UHF频段，该电波传播特点是以直射波为主。但是，由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典型的随参信道。

1.自由空间传播

在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式主要有自由空间直射波、地面反射波、大气折射波、建筑物等的散射波等。

当移动台和基站天线在视距范围之内时，电波传播的主要方式是直射波。直射波传播可以按自由空间传播来分析。由于传播路径中没有阻挡，所以电波能量不会被障碍物吸收，也不会产生反射和折射。设发射机输入给天线的功率为P_T（W），则接收天线上获得的功率为

式中，G_T为发射天线增益；G_R为接收天线增益；d为接收天线与发射天线之间的直线距离；为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都等于1时，式（3-1）简化为

自由空间传播损耗定义为

代入式（3-2）可得

用dB可表示为

式中，d为接收天线与发射天线之间直线距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz。由式（3-4）可以看出，自由空间传播损耗与距离d的平方成正比，距离越远损耗越大。图3-6给出了移动信道中自由空间、雾、暴雨情况下传播损耗与频率和距离的关系示意图。

2.反射波与散射波

当电波辐射到地面或建筑物表面时，会发生反射或散射，从而产生多径传播现象，如图3-7所示。这些反射面通常是不规则和粗糙的。为了分析方便，可以认为反射面是平滑表面，此时电波的反射角等于入射角，分析模型如图3-8所示。不同界面的反射系数为

图3-6 移动信道中自由空间传播损耗

其中

式中，ε为介电常数；σ为电导率；λ为波长。

图3-7 移动信道的传播路径

图3-8 平滑表面反射

3.折射波

电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空间传播时会产生折射、散射等。大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征。地球的实际半径和地球等效半径之间的关系为

式中，k称为地球等效半径系数；r₀=6370km，r₀为地球实际半径；r_e为地球等效半径。在标准大气折射情况下，地球等效半径系数k=4/3，此时地球等效半径为

3.2.2 短波电离层反射信道

短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60～600km的大气层电离形成电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为3～30MHz（波长为10～100m）的短波（或称为高频）无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。

电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F₁和F₂四层，如图3-9所示。由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F₁和F₂四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射减弱，D层和F₁层几乎完全消失，因此只有E层和F₂层存在。由于D、E层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电波不会被反射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，使电波能量损耗。F₂层是反射层，其高度为250～300km，所以一次反射的最大距离约为4000km。

图3-9 电离层结构示意图

由于电离层密度和厚度随时间随机变化，因此短波电波满足反射条件的频率范围也随时间变化。通常用最高可用频率给出工作频率上限。最高可用频率是指当电波以φ₀角入射时，能从电离层反射的最高频率，可表示为

式中，f₀为φ₀=0时能从电离层反射的最高频率（称为临界频率）。

在白天，电离层较厚，F₂层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，F₂层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。

短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式：

1）电波从电离层的一次反射和多次反射。

2）电离层反射区高度所形成的细多径。

3）地球磁场引起的寻常波和非寻常波。

4）电离层不均匀性引起的漫射现象。

以上4种形式如图3-10所示。

图3-10 多径形式示意图

a）一次反射和两次反射 b）反射区高度不同 c）寻常波与非寻常波 d）漫射现象