2.3 无线信道的传输损耗与衰落

2.3.1 无线信道传输损耗

由于无线信道的开放性、接收环境的复杂性、通信用户的随机移动性，使得信号在无线信道传输时会发生三种不同层次的损耗和四种不同的效应[1]。

三种不同层次的损耗包括：

（1）路径传播损耗：是指电波在空间传播时产生的损耗，反映了在宏观大范围（千米量级）的空间距离上传播的信号电平平均值的变化趋势。

（2）慢衰落损耗：是指电波在传播路径上受建筑物等的遮挡产生阴影效应，从而造成的损耗，反映了在中等范围内（数百波长量级）的空间距离上传播的信号电平平均值的变化趋势。

（3）快衰落损耗：反映了微观小范围（数十波长以下量级）空间距离上传播的信号电平平均值的变化趋势，其电平幅度一般服从瑞利（Rayleigh）分布、莱斯（Rice）分布和纳卡伽米（Nakagami）分布。在不同的空间、不同的频率和不同的时间上，衰落特性是不一样的，因此快衰落又可以细分为空间选择性快衰落、频率选择性快衰落和时间选择性快衰落[1]。

四种不同的效应包括：

（1）阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的遮挡，会在电波传播路径上产生传播半盲区，类似于太阳光受遮挡后产生的阴影。光波的波长较短，因此阴影可见；电波波长较长，因此阴影不可见，但可以在接收端（如手机）通过专用仪表进行测试。

（2）远近效应：由于移动用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各个移动用户发射信号的功率相同，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的移动用户出现掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。

（3）多径效应：由于接收端所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同物体（如建筑物）反射过来以及绕射过来的其他路径信号，而且这些信号到达时的强度、时间以及载波相位都是不一样的。接收端接收到的信号实际上是多条路径信号的向量和，也就是说各路径之间可能产生自干扰，这类自干扰称为多径干扰或多径效应。多径干扰是非常复杂的，有时接收端根本收不到直射波，接收到的都是一些连续反射波或绕射波。

（4）多普勒效应：是由移动用户处于高速移动时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与移动用户的运动速度成正比。只有在高速（移动速度大于或等于70km/h）的应用场景中（如车载通信）才需要考虑多普勒效应，在慢速移动的应用场景中（如步行和准静态的室内通信）无须考虑多普勒效应。

2.3.2 三种主要的快衰落

1.空间选择性衰落

空间选择性衰落指在不同地点与空间位置的衰落特性是不一样的，其现象、成因与机理如图2-2所示。

信道输入：

➲ 射频：单频等幅载波。

➲ 角度域：在φ0处输入一个δ脉冲波束。

信道输出：

➲ 时空域：在不同接收点（如S1、S2、S3），时域上衰落特性是不一样的，即同一时间、不同地点（空间）的衰落是不一样的。从时空域上看，信号的包络周期为T1。

➲ 角度域：在φ0处的δ脉冲波束产生了扩散，其扩散宽度为Δδ。

结论：开放型时变信道使天线的点波束产生了扩散，引起了空间选择性衰落，其衰落周期T1=λ/Δφ，其中λ为波长。

空间选择性衰落通常也称为平坦瑞利衰落，这里的平坦是指在时域、频域中不存在选择性衰落。

2.频率选择性衰落

频率选择性衰落指在不同频段上的衰落特性是不一样的，其现象、成因与机理如图2-3所示。

信道输入：

➲ 频域：白色等幅频谱。

➲ 时域：在t0时刻输入一个脉冲δ。

信道输出：

➲ 频域：衰落起伏的有色谱。

➲ 时域：在t0+Δt瞬间，δ脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为L/2，其中Δt为绝对时延。

结论：信道在时域上的扩散，引起了频域上的频率选择性衰落，衰落周期T2=1/L，与时域中的扩散程度成正比。

3.时间选择性衰落

时间选择性衰落是指在不同的时间衰落特性是不一样的，其现象、成因与机理如图2-4所示。

信道输入：

➲ 时域：单频等幅载波。

➲ 频域：在频率f0处输入单根谱线（δ脉冲）。

信道输出：

➲ 时域：包络起伏不平。

➲ 频域：以f0+Δf为中心产生频率扩散，其宽度为B，其中Δf为绝对多普勒频移，B为相对值。

结论：移动用户在高速移动时，在频域上会引起多普勒频移，在相应的时域上，波形会产生时间选择性衰落，其衰落周期为T3=π/B。