無線伝搬

電波伝搬とは、真空中または大気圏のさまざまな部分に電波が伝搬されるときの挙動のことです。^[1]^：26‑1光波と同様に電磁放射の一種である電波は、反射、屈折、回折、吸収、偏光、散乱など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の周波数選択から、信頼性の高い携帯電話システムの設計、無線ナビゲーション、レーダーシステムの操作まで、多くの実用的な用途があります。

実際の無線伝送システムでは、いくつかの異なるタイプの伝搬が使用されています。見通し内伝搬とは、送信アンテナから受信アンテナまで電波が直線的に伝わることを意味します。見通し内伝送は、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）などの中距離無線伝送に使用されます。地球表面での見通し内伝送は、送信アンテナと受信アンテナの高さに応じて、視程までの距離に制限されます。これは、マイクロ波周波数以上で可能な唯一の伝搬方法です。 ^[a]

MF、LF、VLF帯域の低周波数では、回折により電波は丘やその他の障害物を越え、地球の輪郭に沿って地平線を越えて進みます。これらは表面波または地上波伝播と呼ばれます。AM放送局やアマチュア無線局は、聴取エリアをカバーするために地上波を使用しています。周波数が低くなるにつれて距離による減衰が減少するため、超低周波（VLF）から極低周波（ELF）の地上波を使用して世界中で通信できます。VLFからELFの波は水や地面をかなりの距離まで浸透できるため、これらの周波数は機雷通信や水中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（MFおよびHFバンド）では、電波は電離層（大気圏上層部の荷電粒子（イオン）の層）で屈折することがあります。つまり、斜めに上空に送信された中波および短波の電波は、地平線をはるかに越えた遠く、大陸をまたぐ距離でも地球に屈折して戻ってくる可能性があります。これをスカイウェーブ伝播と呼びます。アマチュア無線家が遠方の国の無線家と通信するために、また短波放送局が国際的に送信するために使用されています。^[b]

さらに、数百マイル以内で HF 通信が必要な場合に使用される、対流圏散乱(トロポスキャッター)、VHF 周波数での対流圏ダクト(ダクト)、および近垂直入射スカイウェーブ(NVIS) などのあまり一般的ではない無線伝搬メカニズムがいくつかあります。

周波数依存性

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わります。^[3]

自由空間伝播

自由空間では、すべての電磁波（電波、光、X線など）は逆二乗則に従います。これは、電磁波の電力密度が点源からの距離の二乗の逆数に比例するというものです^[1]^{: 26‑19}または: $\rho \,$ $r\,$

\rho \propto {\frac {1}{r^{2}}}~.

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、点源で近似できます。受信機から送信機までの距離が 2 倍になると、その新しい場所で放射される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します。したがって、送信機からの伝搬経路距離を 2 倍にすると、自由空間経路上の受信電界強度はそれぞれ半分に減少します。

真空中の電波は光速で伝わります。地球の大気は十分に薄いため、大気中の電波は光速に非常に近い速度で伝わりますが、密度と温度の変化により、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。

直接モード（視線）

見通し内とは、送信アンテナから受信アンテナまで一直線に伝わる電波を指し、直接波とも呼ばれる。必ずしも見通しの利いた経路を必要としない。低周波数では、電波は建物、木の葉、その他の障害物を通過できる。これは、VHF以上で最も一般的な伝搬モードであり、マイクロ波周波数以上で唯一可能なモードである。地球の表面では、見通し内の伝搬は、視程によって約40マイル（64 km）に制限される。これは、携帯電話、^{[c] 、} コードレス電話、トランシーバー、ワイヤレスネットワーク、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ている方式である。衛星通信では、より長い見通し内経路が使用される。たとえば、家庭用の衛星放送用アンテナは、地球の22,000マイル（35,000 km）上空にある通信衛星から信号を受信し、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る。

グランドプレーンの反射効果は、VHF の見通し内伝搬において重要な要素です。直接ビームの見通し内伝搬と地面反射ビームの干渉により、グランドプレーン制限放射に対して、実効的に逆 4 乗( 1 ⁄距離⁴ )の法則が成立することがよくあります。^[要出典]

表面モード（地上波）

低周波（30 ～ 3,000 kHz）の垂直偏波の電波は、地球の輪郭に沿って表面波として伝わります。これを地上波伝搬と呼びます。

このモードでは、電波は地球の導電性表面と相互作用して伝播します。電波は表面に「くっついて」地球の曲率に従うため、地上波は山を越え、地平線を越えて移動できます。地上波は垂直偏波で伝播するため、垂直アンテナ (モノポール) が必要です。地面は完全な電気導体ではないため、地上波は地球の表面に沿って進むにつれて減衰します。減衰は周波数に比例するため、地上波はMF、LF、VLF帯域の低周波数での主な伝播モードです。地上波は、MF および LF 帯域のラジオ放送局、および時報や無線ナビゲーションシステムで使用されます。

さらに低い周波数、 VLFからELF帯域では、地球電離層導波機構によってさらに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、海水中のかなり深いところまで浸透できるため、水中の潜水艦への一方向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）では、長波帯の低周波が使用され、地上波伝播のみに依存していました。3MHzを超える周波数は役に立たないと見なされ、アマチュア無線家に与えられました。 1920年頃に電離層反射または空中波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となり、商業および軍事ユーザーに割り当てられました。 ^[9]

非視線モード

見通し外(NLOS) 無線伝搬は、地面の反射など、送信機と受信機間の通常の見通し外 (LOS) の外側で発生します。見通し外 (NLOS) 状態は、最も内側のフレネルゾーンにある物理的な物体によって部分的に遮られることを指します。

NLOS 伝播を引き起こす一般的な障害物には、建物、木、丘、山、場合によっては高圧電力線などがあります。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乱し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は、多くの種類の無線伝送の使用が制限されます。

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。電力レベルが低い原因としては、少なくとも 3 つの基本的な理由が考えられます。Wi -Fi電力レベルなどの送信レベルが低い、送信機が5 マイル (8.0 km) 以上離れている、テレビが31 マイル (50 km) 以上離れているなど、送信機が遠い、送信機と受信機の間に障害物があり、明確な経路がない、などが挙げられます。

NLOS では、有効な受信電力が低下します。NLOS の場合は、通常、より高性能なアンテナを使用して対処できますが、NLOS の場合は、通常、代替パスまたはマルチパス伝播方法が必要になります。

効果的な NLOS ネットワーキングを実現する方法は、現代のコンピュータネットワーキングにおける主要な課題の 1 つとなっています。現在、ワイヤレスコンピュータネットワークで NLOS 状態に対処する最も一般的な方法は、NLOS 状態を回避し、中継器を追加の場所に配置して、障害物を迂回して無線送信の内容を送信することです。より高度な NLOS 送信方式では、マルチパス信号伝播を使用して、無線信号を近くの他の物体に反射させて受信機に届けます。

見通し外（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見通し 外（LOS）がない無線チャネルまたはリンクを表すためによく使用される用語である。この文脈では、LOSは

いかなる視覚的障害物もない直線として、たとえ人間の肉眼では実際には遠すぎて見えないとしても
仮想LOS、つまり視覚的に遮蔽する物質を通過する直線として、電波を検出するのに十分な透過性を残す

伝送媒体には、電波の伝播に影響する電気的特性が多数あり、NLOS パスを介した無線チャネルの動作品質（可能であれば）にも影響します。

NLOS という頭字語は、無線ローカルエリアネットワーク(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コンテキストでより一般的になっています。これは、このようなリンクが適切なレベルの NLOS カバレッジを提供できるため、最も頻繁に使用される一般的な都市環境での市場性と汎用性が大幅に向上するためです。ただし、NLOS には無線通信のその他の多くのサブセットが含まれます。

視覚障害物が NLOS リンクに与える影響は、無視できる程度から完全に抑制される程度までさまざまです。例として、テレビ放送アンテナと屋根に取り付けられた受信アンテナ間の LOS パスが挙げられます。雲がアンテナの間を通過すると、リンクは実際に NLOS になりますが、無線チャネルの品質は実質的に影響を受けません。代わりに、パス上に大きな建物が建設されて NLOS になると、チャネルを受信できなくなる可能性があります。

見通し外 (BLOS) は、軍事分野でよく使用される関連用語で、LOS 通信には遠すぎる、または地形によって完全に遮られている人員またはシステムを接続する無線通信機能を表します。これらの無線は、アクティブリピータ、地上波伝搬、対流圏散乱リンク、および電離層伝搬を利用して、通信範囲を数キロメートルから数千キロメートルに拡張します。

HF伝搬の測定

HF伝搬状況は、 Voice of America Coverage Analysis Program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、 WSPRモードは、送信機と受信機のネットワーク間のリアルタイムの伝搬状況を示すマップを提供します。^[10]特別なビーコンがなくても、リアルタイムの伝搬状況を測定できます。受信機の世界規模のネットワークは、アマチュア無線周波数でモールス信号をリアルタイムでデコードし、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]

実用的な効果

一般の人は、無線伝搬の変化の影響をいくつかの方法で認識できます。

AM放送では、中波帯で夜間に起こる劇的な電離層の変化により、米国では独自の放送免許制度が施行されており、夜間の空中波伝播に対処するために、送信機の出力レベルと指向性アンテナパターンが全く異なっている。夜間に変更を加えずに放送できる放送局はごくわずかで、北米ではクリアなチャンネルの放送局のみが認められている。^[12]多くの放送局は、日中以外の時間帯に放送する許可を全く得ていない。

FM放送（および残っている数少ない低周波数帯のテレビ局）にとって、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日中の変動も伴う。^[13]これらの変化は、深夜や早朝の晴れた時間帯などの気温逆転時に最も顕著になり、地面とその近くの空気がより急速に冷却される。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」が発生し、信号が下方に曲げられ、通常の電波地平線上で地球の曲率に沿うことができるようになる。その結果、通常、別のメディア市場（通常は近隣の市場だが、数百キロメートル（マイル）離れた場所の市場）から複数の局が聞こえることになる。氷嵐も逆転の結果であるが、これは通常、より分散した全方向伝搬を引き起こし、主に干渉を引き起こし、多くの場合、気象ラジオ局間で干渉を引き起こす。晩春から初夏にかけて、他の大気要因の組み合わせにより、高出力の信号が 1,000 km (600 マイル) 以上離れた場所に伝わるスキップが発生することがあります。

放送以外の信号も影響を受けます。携帯電話の信号は UHF 帯域で、700 MHz から 2600 MHz を超える範囲で、この範囲では天候による伝搬の変化がさらに起こりやすくなります。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影響が部分的に相殺されます。より小さなセルでは、実効放射電力とビームチルトが低くなるため干渉が減り、周波数の再利用とユーザー容量が増加します。ただし、田舎の地域ではコスト効率があまり良くないため、これらのセルは大きくなり、伝搬条件が許せば長距離で干渉を引き起こす可能性が高くなります。

これは携帯電話ネットワークがセルツーセルのハンドオフを処理する方法のおかげで、通常ユーザーには透過的ですが、国境を越えた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しない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に沿った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移動でき、冷たい水温は地表の空気の逆転も引き起こすため、この「フリンジローミング」は五大湖を横切って、およびカリブ海の島々の間で時々発生します。信号はドミニカ共和国からプエルトリコの山腹に（またはその逆）、または米国とイギリス領バージン諸島の間などでスキップすることがあります。意図しない国境を越えた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は削除されません。

経験的モデル

無線伝搬モデルは、電波伝搬モデルまたは無線周波数伝搬モデルとも呼ばれ、周波数、距離、その他の条件の関数として電波伝搬の特性を表す経験的な数学的定式化です。通常、同様の制約下にあるすべての同様のリンクの伝搬動作を予測するために、1 つのモデルが開発されます。ある場所から別の場所への電波の伝搬方法を形式化することを目的として作成されたこのようなモデルは、通常、リンクに沿ったパス損失または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、最大伝送距離はアンテナの高さの 2 乗に比例して変化するという、無線伝播に関する最初の大まかな経験則を定式化しました。

無線リンクで発生するパス損失は、リンクの伝播の特性評価において主要な要因となるため、無線伝播モデルは通常、送信機のカバー範囲を予測したり、さまざまな領域にわたる信号の分布をモデル化したりする補助的なタスクとともに、パス損失の実現に重点を置いています。

個々の通信リンクはそれぞれ異なる地形、経路、障害物、大気の状態、その他の現象に遭遇するため、すべての通信システムの正確な損失を単一の数式で定式化することは困難です。その結果、さまざまな条件におけるさまざまなタイプの無線リンクに対して、さまざまなモデルが存在します。これらのモデルは、検討対象の条件が発生する一定の確率の下で、リンクの平均経路損失を計算することに依存しています。

無線伝搬モデルは本質的に経験的であり、つまり、特定のシナリオのために収集された大量のデータに基づいて開発されます。どのモデルでも、その特定のシナリオで発生する可能性のあるあらゆる種類の状況に十分な可能性 (または十分な範囲) を提供できるように、データのコレクションが十分に大きくなければなりません。すべての経験的モデルと同様に、無線伝搬モデルはリンクの正確な動作を指摘するのではなく、指定された条件下でリンクが示す可能性のある最も可能性の高い動作を予測します。

さまざまな条件での伝搬動作を実現するニーズを満たすために、さまざまなモデルが開発されています。無線伝搬のモデルの種類は次のとおりです。

自由空間減衰のモデル

屋外減衰モデル

地形モデル
都市モデル

屋内減衰モデル

参照

脚注

^ マイクロ波周波数では、大気中の水分（降雨減衰）によって伝送が劣化する可能性があります。
^空中波通信は変動性があり、 電離層の状態に依存します。長距離の短波伝送は夜間と冬季に最も信頼性があります。1960年代に通信衛星が登場して以来、以前は空中波を使用していた多くの長距離通信ニーズは、空中波通信の不安定なパフォーマンスへの依存を避けるために、現在では衛星と海底ケーブルを使用しています。
^ 携帯電話ネットワークは、携帯電話基地局を介した複数の見通し線に沿って信号を中継することで、単一の見通し線がなくても機能します。

参考文献

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さらに読む

ボワタイス、ルシアン（1987年）。『電波伝搬』ニューヨーク、NY：McGraw-Hill Book Company。ISBN 0-07-006433-4。
Rawer, Karl (1993)。電離層における波動伝播。ドルドレヒト、オランダ：Kluwer Acad. Publ. ISBN 0-7923-0775-5。
Pocock, Emil (2010)。「無線信号の伝搬」。Silver, H. Ward および Wilson, Mark J. (編) 。ARRL 無線通信ハンドブック(第 88 版)。コネチカット州ニューイントン: アメリカ無線中継連盟。第 19 章。ISBN 978-0-87259-095-3。
Blanarovich, Yuri (VE3BMV, K3BU) (1980 年 6 月)。「伝導による電磁波の伝播」。CQマガジン、p. 44。{{cite magazine}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
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外部リンク

太陽ウィジェット NOAA データに基づく伝播ウィジェット。WordPress プラグインとしてもご利用いただけます。
ARRL 伝播ページ無線伝播に関するアメリカ無線中継連盟のページ。
HF 無線および電離層予測サービス - オーストラリア
NASA 宇宙天気行動センター
オンライン伝播ツール、HF 太陽データ、HF 伝播チュートリアル
HF電離層伝播数ページ

[3] マイクロ波周波数では、大気中の水分（降雨減衰）によって伝送が劣化する可能性があります。

[4] ^空中波通信は変動性があり、 電離層の状態に依存します。長距離の短波伝送は夜間と冬季に最も信頼性があります。1960年代に通信衛星が登場して以来、以前は空中波を使用していた多くの長距離通信ニーズは、空中波通信の不安定なパフォーマンスへの依存を避けるために、現在では衛星と海底ケーブルを使用しています。

[11] 携帯電話ネットワークは、携帯電話基地局を介した複数の見通し線に沿って信号を中継することで、単一の見通し線がなくても機能します。

[Westman-1968-1] Westman, HP; et al., eds. (1968). Reference Data for Radio Engineers (第 5 版). Howard W. Sams and Co. ISBN 0-672-20678-1LCCN 43-14665 。

[2] パリ、デメトリウス T. およびハード、F. ケネス (1969)。基礎電磁気理論。ニューヨーク、NY: マグロウヒル。第 8 章。ISBN 0-07-048470-8。

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[caltech-10] 「近赤外線、中赤外線、遠赤外線」。Caltech 赤外線処理・分析センター。カリフォルニア工科大学。2012年5月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年1月28日閲覧。

[12] デソト、クリントン B. (1936)。200メートル以下-アマチュア無線の物語。コネチカット州ニューイントン:アメリカ無線中継連盟。pp. 132– 146。ISBN 0-87259-001-1。

[13] 「WSPR 伝播条件」。wsprnet.org (地図) 。2020 年12 月 4 日閲覧。

[14] 「リアルタイム解析のためのCW信号デコーダーのネットワーク」リバースビーコンネットワーク。 2020年12月4日閲覧。

[15] AM放送局が夜間の電力を削減、運用を変更、または放送を中止しなければならない理由（レポート）。米国連邦通信委員会。2015年12月11日。 2017年2月11日閲覧。

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