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電波伝搬とは、真空中または大気中のさまざまな場所で、電波が一点から別の点へ伝搬する、または伝搬される際の電波の挙動のことです。[ 1 ] : 26-1光波と同様に、電磁放射の一形態として、電波は反射、屈折、回折、吸収、偏光、散乱の現象の影響を受けます。[ 2 ]さまざまな条件が電波伝搬に及ぼす影響を理解することは、アマチュア無線通信や国際短波放送局の周波数の選択から、信頼性の高い移動電話システムの設計、無線航法、レーダーシステムの運用まで、多くの実用的な応用があります。
実際の無線伝送システムでは、いくつかの異なる伝搬方式が用いられています。見通し線伝搬とは、送信アンテナから受信アンテナまで電波が直線的に伝搬する方式です。見通し線伝送は、携帯電話、コードレス電話、トランシーバー、無線ネットワーク、FMラジオ、テレビ放送、レーダー、衛星通信（衛星テレビなど）といった中距離無線伝送に用いられます。地球表面における見通し線伝送は、送信アンテナと受信アンテナの高さによって決まる視界の地平線までの距離に制限されます。地球の大気は均一な性質を持たないため、「見通し線」距離の計算には、大気中の屈折効果、および降水や水蒸気による一部の周波数での減衰を考慮する必要があります。見通し線距離は、自然または人工の反射体によって延長することができます。
MF、LF、VLF帯の低周波数では、回折によって電波が丘やその他の障害物を越えて曲がり、地球の輪郭に沿って地平線を超えて伝搬します。これらは表面波または地表波伝搬と呼ばれます。AM放送局やアマチュア無線局は、受信エリアをカバーするために地表波を使用します。周波数が低くなるにつれて、距離による減衰が小さくなるため、超低周波（VLF）から極低周波（ELF）の地表波は世界中で通信に使用できます。VLFからELFの波は水や土をかなりの距離まで透過できるため、これらの周波数は機雷通信や潜水艦との軍事通信に使用されます。
中波および短波周波数帯（MF帯およびHF帯）では、電波は大気圏上層にある荷電粒子（イオン）の層である電離層で屈折します。つまり、空に向かって斜めに送信される中波および短波の電波は、地平線の彼方、大陸を越えるほどの距離まで屈折して地球に戻ってくる可能性があります。これは電離層反射波伝搬と呼ばれます。アマチュア無線家はこれを遠方の国の無線家との通信に利用し、短波放送局は国際的に送信するために利用しています。[ a ]
さらに、 VHF周波数帯における対流圏散乱（トロポスキャッター）、対流圏ダクト伝搬（ダクト伝搬）、近垂直入射電離層反射波（NVIS）など、あまり一般的ではない電波伝搬メカニズムがいくつかあり、これらは数百マイル以内のHF通信が必要な場合に使用されます。
異なる周波数では、電波は異なるメカニズムまたはモードで大気中を伝搬します。[ 3 ]
自由空間では、すべての電磁波（電波、光、X線など）は逆二乗法則に従います。これは、電力密度が電磁波の伝搬速度は距離の二乗の逆数に比例する点源から[ 1 ]： 26-19または：
送信機からの一般的な通信距離では、送信アンテナは通常、点光源で近似できます。受信機と送信機の距離を2倍にすると、その新しい位置における放射波の電力密度は、以前の値の4分の1に減少します。
単位面積あたりの電力密度は、電界強度と磁界強度の積に比例する。したがって、送信機からの伝搬経路距離を2倍にすると、自由空間経路における受信電界強度はそれぞれ半分になる。
真空中では電波は光速で伝わります。地球の大気は薄いため、大気中の電波は光速に非常に近い速度で伝わりますが、密度や温度の変化によって、距離に応じて電波がわずかに屈折（曲がる）することがあります。
見通し線伝搬とは、送信アンテナから受信アンテナまで直線的に伝搬する電波を指し、直接波とも呼ばれます。必ずしも見通しの良い経路が必要というわけではなく、低周波数帯では電波は建物や樹木などの障害物を通過できます。これはVHF帯以上で最も一般的な伝搬モードであり、マイクロ波帯以上では唯一可能なモードです。地球の表面では、見通し線伝搬は視界の地平線によって約40マイル（64km ）に制限されます。これは、携帯電話、[ b ]コードレス電話、トランシーバー、無線ネットワーク、ポイントツーポイントのマイクロ波無線中継リンク、FMおよびテレビ放送、レーダーで使用される方法です。衛星通信では、より長い見通し線経路が使用されます。たとえば、家庭用衛星アンテナは、地球上空22,000マイル（35,000km ）の通信衛星からの信号を受信し、地上局は地球から数十億マイル離れた宇宙船と通信できます。
地表面反射効果は、VHF帯の見通し線伝搬において重要な要素である。直接ビームと地表面反射ビームとの干渉により、地表面制限放射に対して実質的に逆4乗（1 /距離⁴）の法則が成り立つことが多い。
周波数が低い（30～3,000kHz ）垂直偏波の電波は、地球の輪郭に沿って表面波として伝搬する。これを地表波伝搬と呼ぶ。
このモードでは、電波は地球の導電性表面と相互作用しながら伝搬します。電波は地表に「張り付く」ため、地球の曲率に沿って伝搬し、地表波は山を越えて地平線の彼方まで到達できます。地表波は垂直偏波で伝搬するため、垂直アンテナ（モノポール）が必要です。地面は完全な電気伝導体ではないため、地表波は地表に沿って伝搬するにつれて減衰します。減衰は周波数に比例するため、地表波はMF、LF、VLF帯といった低周波数帯における主要な伝搬モードです。地表波は、MF帯とLF帯のラジオ放送局、時刻信号、無線航法システムなどで利用されています。
さらに低い周波数帯、すなわちVLF帯からELF帯では、地球・電離層導波管機構により、より長距離の伝送が可能になります。これらの周波数は、安全な軍事通信に使用されます。また、海水中にかなりの深さまで浸透できるため、潜水艦との一方通行の軍事通信にも使用されます。
1920年代半ば以前の初期の長距離無線通信（無線電信）は、長波帯の低周波数を使用し、地表波伝搬のみに依存していた。3 MHzを超える周波数は役に立たないと考えられ、アマチュア無線家に割り当てられていた。1920年頃に電離層反射または電離層反射のメカニズムが発見されたことで、中波と短波の周波数が長距離通信に有用になり、商業および軍事ユーザーに割り当てられるようになった。 [ 9 ]
非見通し線（NLOS）無線伝搬は、送信機と受信機の間の通常の見通し線（LOS）の外側で発生するもので、地面反射などがこれに該当します。近見通し線（NLOSとも呼ばれる）状態とは、フレネルゾーンの内側に存在する物体によって部分的に遮られている状態を指します。
非見通し線伝搬を引き起こす一般的な障害物には、建物、樹木、丘、山、そして場合によっては高圧送電線などがあります。これらの障害物の中には特定の無線周波数を反射するものもあれば、単に信号を吸収したり歪ませたりするものもありますが、いずれの場合も、特に電力予算が少ない場合、多くの種類の無線伝送の使用を制限します。
受信機の電力レベルが低いと、送信を正常に受信できる可能性が低くなります。電力レベルが低くなる主な原因は少なくとも3つあります。送信レベルが低い場合（例えば、Wi-Fiの電力レベル）、送信機が遠く離れている場合（例えば、3Gやテレビが遠く離れている場合）、そして送信機と受信機の間に障害物があり、明確な経路が確保されていない場合です。
見通し線外（NLOS）では、受信電力の実効値が低下します。見通し線内（NLOS）の場合は、より高性能なアンテナを使用することで対処できますが、見通し線外（NLOS）の場合は、代替経路やマルチパス伝搬方式が必要となるのが一般的です。
効果的な非見通し線（NLOS）ネットワークを実現する方法は、現代のコンピュータネットワークにおける主要な課題の一つとなっています。現在、無線コンピュータネットワークにおけるNLOS条件への対処法として最も一般的なのは、NLOS条件を回避し、追加の場所に中継器を配置して、無線送信内容を障害物を迂回して送信することです。より高度なNLOS伝送方式の中には、マルチパス信号伝搬を利用し、無線信号を近くの他の物体に反射させて受信機に到達させるものもあります。
非見通し線（NLOS）とは、無線通信において、送信アンテナと受信アンテナの間に視覚的な見通し線（LOS）がない無線チャネルまたはリンクを説明するためによく使用される用語です。この文脈では、LOSは
伝送媒体には、電波伝搬に影響を与え、ひいては非見通し線（NLOS）経路における無線チャネルの動作品質（そもそも動作可能な場合）に影響を与える多くの電気的特性が存在する。
NLOSという略語は、無線LAN （WLAN）やWiMAXなどの無線メトロポリタンエリアネットワークの分野で広く使われるようになりました。これは、これらのネットワークが適切なレベルのNLOSカバレッジを提供できることで、最も頻繁に使用される典型的な都市環境における市場性や汎用性が大幅に向上するためです。しかし、NLOSには無線通信の他の多くのサブセットが含まれています。
非見通し線（NLOS）リンクにおける視覚的な障害物の影響は、無視できる程度から完全に遮断されるまで様々です。例えば、テレビ放送アンテナと屋上設置型受信アンテナ間の見通し線（LOS）経路を考えてみましょう。雲がアンテナ間を通過した場合、実際にはリンクは非見通し線（NLOS）状態になる可能性がありますが、無線チャネルの品質はほとんど影響を受けないかもしれません。一方、経路上に大きな建物が建設されて非見通し線になった場合、チャネルの受信は不可能になる可能性があります。
見通し外通信（BLOS）は、軍事分野でよく用いられる関連用語で、見通し線通信では遠すぎる、あるいは地形によって完全に遮られてしまうような人員やシステム間を結ぶ無線通信能力を指します。これらの無線機は、アクティブリピーター、地表波伝搬、対流圏散乱リンク、電離層伝搬などを利用して、通信範囲を数キロメートルから数千キロメートルまで拡張します。
HF伝搬条件は、ボイス・オブ・アメリカのカバレッジ分析プログラムなどの無線伝搬モデルを使用してシミュレートでき、チャープ送信機を使用してリアルタイム測定を行うことができます。アマチュア無線家向けには、WSPRモードが送信機と受信機のネットワーク間のリアルタイム伝搬条件のマップを提供します。[ 10 ]特別なビーコンがなくても、リアルタイム伝搬条件を測定できます。世界中の受信機ネットワークがアマチュア無線周波数のモールス符号信号をリアルタイムで復号し、受信したすべての局に対して高度な検索機能と伝搬マップを提供します。[ 11 ]
一般の人々は、電波伝搬の変化による影響を様々な形で感じ取ることができる。
AM放送では、中波帯で夜間に発生する劇的な電離層の変化[ 12 ]により、米国では独自の放送免許制度が採用されており、夜間の電離層反射波伝搬に対応するため、送信機の出力レベルや指向性アンテナパターンが全く異なっている。夜間に改造なしで運用できる放送局はごくわずかで、通常は北米のクリアチャンネルを使用している放送局のみである[ 13 ]。多くの放送局は、日中以外の時間帯には全く運用する許可を得ていない。
FM放送（および残っている少数の低帯域テレビ局）の場合、天候はVHF伝搬の変化の主な原因であり、空がほとんど雲に覆われていないときの日中の変化も原因となります。[ 14 ]これらの変化は、気温逆転時に最も顕著になります。これは、晴れた深夜や早朝に地面とその付近の空気がより急速に冷えるためです。これにより、露、霜、霧が発生するだけでなく、電波の下部にわずかな「抵抗」が生じ、信号が地球の曲率に沿って通常の電波の水平線を越えるように下向きに曲がります。その結果、通常は別のメディア市場（通常は近隣ですが、数百キロメートル（マイル）離れた場所の場合もあります）から複数 の放送局が聞こえるようになります。氷嵐も逆転現象の結果ですが、氷嵐は通常、より散乱した全方向伝搬を引き起こし、主に干渉、特に気象ラジオ局間の干渉を引き起こします。晩春から初夏にかけては、他の大気要因が複合的に作用することで、高出力信号が1000km （600マイル）以上離れた場所にまで伝わる現象（スキップ現象）が時折発生することがある。
放送以外の信号も影響を受けます。携帯電話の信号はUHF帯（700～2600MHz以上）にあり 、この周波数帯は天候による伝搬変化の影響をより受けやすくしています。人口密度の高い都市部（およびある程度郊外）では、より小さなセルを使用することで、この問題は部分的に相殺されます。小さなセルは、干渉を低減するために実効放射電力とビーム傾斜を低く設定し、周波数再利用とユーザー容量を増加させます。しかし、より地方の地域では、この方法は費用対効果が高くないため、これらのセルはより大きくなり、伝搬条件が許せば、より長距離にわたって干渉を引き起こす可能性が高くなります。
セル間ハンドオフの処理方法のおかげで、これは通常ユーザーには透過的ですが、国境を越える信号が関係する場合、国外に出ていないにもかかわらず、国際ローミングの予期せぬ料金が発生する可能性があります。これは、米国とメキシコの国境の西端にあるサンディエゴ南部とティファナ北部の間、および米国とカナダの国境沿いのデトロイト東部と ウィンザー西部の間でよく発生します。信号はデトロイト川よりもはるかに大きな水域を遮られることなく伝わることができ、また水温が低いと地表の空気に逆転層が発生するため、この「フリンジローミング」は五大湖を横断したり、カリブ海の島々の間で発生することがあります。信号はドミニカ共和国からプエルトリコの山腹へ、またはその逆、あるいは米国と英国領バージン諸島の間など、さまざまな場所でスキップする可能性があります。意図しない国境を越えるローミングは携帯電話会社の課金システムによって自動的に削除されることが多いですが、島間ローミングは通常削除されません。
電波伝搬モデル（電波伝搬モデル、無線周波数伝搬モデルとも呼ばれる）は、周波数、距離、その他の条件の関数として電波伝搬を特徴付けるための経験的な数式 です。通常、単一のモデルが開発され、同様の制約条件下にあるすべての類似リンクの伝搬挙動を予測します。電波が1つの場所から別の場所に伝搬する方法を形式化することを目的として作成されたこれらのモデルは、一般的に、リンクに沿った経路損失や送信機の有効カバレッジエリアを予測します。
無線通信の発明者であるグリエルモ・マルコーニは、1900年以前に、電波伝搬に関する最初の粗雑な経験則を定式化した。それは、最大伝送距離はアンテナの高さの二乗に比例するというものである。
無線リンクにおいて発生する伝搬損失は、そのリンクの伝搬特性を決定づける主要因となるため、無線伝搬モデルは通常、伝搬損失の実現に重点を置き、送信機の通信範囲を予測したり、異なる領域における信号の分布をモデル化したりといった補助的なタスクを行う。
個々の通信リンクはそれぞれ異なる地形、経路、障害物、気象条件、その他の現象に遭遇するため、すべての通信システムにおける正確な損失を単一の数式で定式化することは困難です。そのため、異なる条件下における様々な種類の無線リンクに対して、それぞれ異なるモデルが存在します。これらのモデルは、想定される条件が発生する一定の確率におけるリンクの経路損失の中央値を計算することに基づいています。
電波伝搬モデルは経験的な性質を持つため、特定のシナリオで収集された膨大なデータに基づいて開発されます。どのモデルにおいても、データ収集は、その特定のシナリオで発生しうるあらゆる状況を十分に網羅できるだけの規模（または範囲）を備えている必要があります。他の経験的モデルと同様に、電波伝搬モデルはリンクの正確な挙動を示すのではなく、指定された条件下でリンクが示す可能性が最も高い挙動を予測します。
さまざまな条件下での伝搬挙動を実現するというニーズを満たすために、さまざまなモデルが開発されてきました。無線伝搬モデルの種類には、以下のようなものがあります。
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