无线电波在传播过程中，除了经历由于路径传播以及折射、散射、反射、衍射引起的衰减外，还会经历大气及雨水带来的衰减。相对于低频点的信道传播，无线信号经过6 GHz以上高频段的传输会经历更加显著的大气衰减（简称气衰）和雨水衰减（简称雨衰）。

1.大气衰减

文献[8]给出了各个频点的无线电波在地面传播环境下的大气衰减模型。无线电波在大气中的衰减主要由于干燥空气和水汽所造成。文献[8]采用了累加氧气和水汽各自谐振线的方法，准确地计算出了无线电波在大气气体中的衰减率。

对于地面传播路径，由大气引起的衰减值A_G计算如下：

其中，r₀为传播路径所经历的长度，单位为km；γ为特征大气衰减值，该衰减值由两个部分组成：γ₀是干燥空气条件下的衰减率（或称“特征衰减”，仅指氧气条件下，由于大气压力造成的氮和非谐振Debye衰减），单位为dB/km，γ_w是在一定水汽密度条件下的衰减率，单位为dB/km；N″（f）是该频率相关的复合折射率的假设部分：

其中，S_i是第i线的强度；F_i是曲线形状因子（对于高于118.75 GHz的f频率而言，只应将高于60GHz的氧气线包括在总结中）；N″_D（f）是大气压力造成的氮气吸收和Debye频谱的干燥连续带。

其中，P为干燥空气压力，单位为hPa；E为水汽压力，单位为hPa（总大气压力P=p+e）；θ=300/T，T是温度，单位为K。

对水平路径，或者是微小倾斜的接近于地面的倾斜路径，文献[8]给出了大气衰减与频点的关系。图6-13取自文献[8]，可以看出，在0～100 GHz范围内，大气衰减有两个峰值，第一个出现在23 GHz，衰减约为0.2 dB/km；另一个出现在60 GHz，衰减约为13 dB/km。

2.雨水衰减

无线电波在降雨的天气条件下传播时，除了会历经大气衰落，还会历经降雨带来的衰减。由于该衰减与降雨强度有着密切的关系，文献[9]对不同降雨量强度下无线电波的衰减情况进行了分析。

雨水衰减A_R（dB）可以通过下式进行计算：

图6-13 典型条件下的气体特征衰减[8]

A_R=γ_Rr₀ （6-4）其中，r₀为传播路径所经历的长度，单位为km；γ_R为特征大气衰减值，可以由下式给出：

γ_R=kR^α （6-5）

其中，R是降雨量，单位是mm/h；系数k和a的值由下列等式确定：

其中，f为频率（GHz）；k和α为系数。

水平极化的系数k_H的常数值在表6-8中给出，而垂直极化的系数k_V的常数值在表6-9中给出。表6-10给出了水平极化的系数α_H的常数值，表6-11给出了垂直极化的系数α_V的常数值。

表6-8 k_H系数

表6-9 k_V系数

表6-10 α_H系数

表6-11 α_V系数

文献[9]同时给出了雨衰简化计算的方法，即对于线极化和圆极化中所有的路径几何，可以通过表6-8～表6-11给出的数值，由下面的等式计算出式（6-5）中的系数：

k=[k_H+k_V+（k_H-k_V）cos²θcos2τ]/2 （6-8）

a=[k_Ha_H+k_Va_V+（k_Ha_H-k_Va_V）cos²θcos2τ]/2k （6-9）

此处，θ是路径斜角；T是相对水平位置的极化斜角（对于圆极化，τ=45。）。读者可以根据图6-14～图6-16快速查询不同频点的系数^[9]。

图6-14 水平极化系数kH

图6-15 水平极化的系数αH

图6-16 垂直极化的系数αV

降雨强度一般采用每小时降雨量来衡量，本章节采用大雨的降雨量，即2 mm/h，进行雨水衰减的评估。

3.大气和雨水总衰减

由于气衰和雨衰两种衰减都是典型的衰减因素，且在高频点下都不可忽略，因此本节对上述两种衰减进行了综合考虑。由于雨衰与信号传播的极化方式有关，本节仅针对常用的垂直极化对总衰减进行分析。

大气和雨水的总衰减为：

A=A_G+A_R=γr₀=（γ₀+γ_w+kR^α）r₀ （6-10）

其中，A_G和A_R分别是大气衰减和雨水衰减。

由于天气状况不同，大气和雨水总衰减将有所不同。下面考察两种天气状况。

·晴好天气状况：此时降雨量为R=0mm/h，空气中仅含有一定的水汽密度（本节取水汽密度为7.5g/m³）。此时，仅需考虑大气衰减。

·恶劣天气状况（大雨天气）：降雨量达到R=2 mm/h。此时，需考虑大气和雨水衰减。

图6-17和图6-18给出了不同频点时大气和雨水总衰减。由结果可以看出，随着频率的升高，总衰减率总体提高，并在23 GHz和60 GHz出现峰值。60 GHz作为氧气分子的吸收谱线，衰减率在100 GHz以内最大。此外，对比晴天和雨天，可以看出，雨天相对于晴天的衰减率差别不大，因此可忽略降雨为R=2 mm/h的情况下，降雨对频段衰减率的影响。(www.daowen.com)

图6-176 GHz、10 GHz、14 GHz、26 GHz大气和雨水衰减与距离关系

图6-1838 GHz、45 GHz、60 GHz、80 GHz大气和雨水衰减与距离关系

4.穿透损耗

当无线电波穿过建筑物等障碍物后，会造成无线信号强度的额外损耗，该损耗被称为穿透损耗。由于在不同频段上，无线信号的穿透损耗存在很大差异。因此，为了能够了解无线信号在高频段的穿透能力、分析高频段的应用场景，测量无线信号在高频段的穿透损耗变得十分重要。

文献[10]中建议在2～6 GHz频段，无线信号穿过水泥墙的穿透损耗为20 dB，文献[8，11-14]中给出了3 GHz以下频段与40 GHz、60 GHz频段穿透损耗（见表6-12）。

表6-12 穿透损耗表

通过对比可以看出，当信号穿过厚度为10 cm的混凝土墙时，3 GHz以下频段的穿透损耗为17.7 dB，而40 GHz频段的穿透损耗为175 dB。不难看出无线电波在高频段穿过10 cm的混凝土墙体后，信号强度将变得很小，因此，高频段通信不适用于室外到室内或室内到室外的覆盖场景。

除此之外，无线电波在室外穿过植物（如树木）时，同样会对传播造成影响，文献[13]中给出了0～100 GHz，不同植被深度的情况下，无线信号的穿透损耗。例如，当频段为60 GHz、植被深度为10m时，植被的穿透损耗约为20 dB。由此可见，在分析高频通信覆盖时，植被的影响是不能被忽略的。

5.传播模型

无线电波在无线环境传播过程中会历经大尺度衰落，自由空间的信号传播模型可以用下面的式子给出：

其中，λ（m）=c/f为载波的波长；f（Hz）为中心频点；c=3×10⁸m/s为光速。可以取参考距离d₀=1m，那么无线电波所历经的大尺度衰落可以由下面一般的公式表示：

其中，PLE（Path Loss Exponent）表示路径损耗因子，该因子表征无线信号的衰减程度。文献[10]给出了城区宏基站的传播模型，当收发器满足视距传输（LOS）条件时PLE为2.2；当收发器满足非视距传输（NLOS）条件，基站高度为25 m时，PLE为3.9。

6.信道测量

随着高频通信越来越受到研究者的关注，为了能够掌握高频信道特性，研究高频通信的可行性，分析高频通信的应用场景，国内外已经有很多研究机构开展了针对高频候选频段的信道测量工作^[15～18]。下面分别对已有的28 GHz、38 GHz、73 GHz的高频信道测量结果进行介绍。

（1）28 GHz信道测量

28 GHz频段的测试是在纽约的曼哈顿密集城区进行的，测量参数见表6-13。

表6-13 纽约密集城区28GHz频段测量参数

图6-19a给出了测试环境示意图，其中深色的圆形图标表示发送端的位置，带有标号的白色方形图标表示接收端的位置。根据图6-19b测试结果显示，在发射机和接收机满足最佳波束匹配条件下，LOS链路的路损指数为1.68，NLOS链路的路损指数为4.58。

图6-19 28 GHz信道测量结果

a）纽约曼哈顿街区测试点 b）路径损耗测量结果

（2）38 GHz信道测量

38 GHz频段的测试是在德克萨斯大学奥斯丁分校进行的，测量参数见表6-14。

表6-14 德克萨斯大学奥斯丁分校38GHz信道测量参数

图6-20a给出了测试环境示意图，其中五角星图标表示发送端的位置，圆形图标表示接收端的位置。根据图6-20b所示的测试结果显示，在发射机和接收机满足最佳波束匹配条件下，LOS链路的路损指数为1.89，NLOS链路的路损指数为3.2。此外，当发射机与接收机相距在200 m距离内时，所有通信链路均可以完成通信，即使在200 m以外，仍然有链路可以正常通信。

图6-20 38 GHz信道测量结果

a）德克萨斯大学奥斯丁分校测试点 b）路损和RMS延时扩展测试结果

（3）73 GHz信道测量

73 GHz频段的测试同样是在纽约的曼哈顿密集城区进行的，测量参数见表6-15。

表6-15 纽约密集城区73GHz信道测量参数

图6-21给出了测试环境示意图，其中五角星图标表示发送端的位置，圆形图标表示接收端的位置。根据图6-22测试结果显示，当接收机为移动终端时（接入链路，天线高度2m），LOS路径的路损指数为2.57，NLOS路径的路损指数为4.29；当接收机为基站时（回传链路，天线高度为4.06 m），LOS路径的路损指数为2.58，NLOS路径的路损指数为4.44。

根据目前高频信道测量结果，各个频段接入链路的PLE见表6-16。

表6-16 高频信道测量PLE

注：高频信道测量PLE与测量场景密切相关，相同频点在不同场景所测量的PLE会有区别，6.4.1节中NLOS的PLE测量结果是对最佳NLOS的统计。

图6-21 纽约密集城区测试点

图6-22 73 GHz信道测量结果

a）回传链路测量结果 b）接入链路测量结果