【通信知识】无线通信中的衰落

1 为什么会有衰落？

相比于有线信道来说，无线信道较为恶劣：移动台既可以处于城市建筑群之间，也可以处于山川、森林和海洋等地形复杂的区域，且由于移动台的移动性，无线电波的衰落特性就更为复杂，具有很大的随机性。无线电波除直射外，每遇到一个障碍物，就会根据自己的波长和障碍物的相对大小的不同从而发生反射、绕射、散射，这都会对无线电波的能量有一定的损耗，从而造成信号产生了衰落。简单一句话，就是信号在实际信道中传播的时候会遇到很多的坎坷（树木、建筑物、高山等），每一个坎坷都会对信号本身的小心灵造成一定的损伤。

2 衰落的分类

衰落的分类是根据移动台移动的距离和无线电波波长的大小关系来进行划分的。

根据接收信号场强变化的区间大小，无线电波可以分为大尺度衰落、中尺度衰落和小尺度衰落。

这里的区间大小的意思就是我们所观察的移动台移动的距离和信号本身波长的关系，也就是要看这个区间总共包含了多少个波长。

• 大尺度衰落

​ 大尺度衰落是描述发射机和接收机长距离（数百或数千个） 或长时间范围内上的信号场强的变化。

• 中尺度衰落

​ 中尺度衰落通常用来描述发射机和接收机中等距离（数百波长）范围内的信号场强的变化。

• 小尺度衰落

​ 小尺度衰落描述的是小尺度区间（数个或数十个波长） 或短时间（秒级）内的信号场强的快速变化情况。也就是当移动台移动一个较 小距离时，接收信号在短期内的快速波动，这个很短的一段距离必须是和该信号的波长是一个量级的。

一般而言，无线电波衰落也可以划分为大尺度衰落和小尺度衰落，而中尺度衰落被认为是大尺度衰落的一种。接下来就仔细再说一下大尺度衰落和小尺度衰落。

3 大尺度衰落

大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落两种类型。

3.1 路径损耗

路径损耗指在基站和移动台之间的传播环境中引入的损耗量。它具有幂定律的传播特征，即信号电平与距离长度增加的某些幂成反比例变化，与收发天线的方向性等参数无关，仅与传输路径有关，路径越长，路径损耗就越大。平均路径损耗指在一段距离内路径损耗的均值，通常可以用对数距离路径损耗模型来表示。

3.2 阴影衰落

无线电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物和树木等障碍物的阻挡，在障碍物的后面会形成电波的阴影区。阴影区的信号场强较弱，当移动台在运动中穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢变化，通常把这种现象称为阴影效应。已证实阴影衰落的统计规律近似服从对数正态分布。由于阴影衰落是叠加在路径损耗之上的，且阴影衰落服从对数正态分布，因此，对于距离发射机特定距离的某一点的路径损耗来说，也是一个服从正态分布的随机变量。

4 小尺度衰落

4.1 是什么造成了小尺度衰落

4.1.1 多径传播（多径效应）

由于电波传播过程中会有各种各样的反射、散射和绕射，入射电波从不同方向传播，具有不同的传播时延，这就导致到达移动台的信号是由许多路径的电波合成的。这些具有随机分布幅度、相位和入射角度的多径成分被接收机天线按向量合并成幅度和相位都急剧变化的信号，使得接收信号产生衰落失真，这种有多径传播引起的衰落称为多径衰落，属于小尺度衰落。举一个极端的例子，假如只有两个路径的单频正弦信号到达接收端，而如果两个路径接收到的正弦信号正好相差半个波长（也就是相位相差180°），那么接收端进行合成之后，两路信号就会正好抵消了，就直接为0了，这就是多径传播带来的后果。（当然这只是一个很极端的例子，现实中没有这么可怕）

4.1.2 移动台的运动速度（多普勒效应）

基站和移动台的相对运动导致多径成分产生不同的多普勒频移，从而引起随机频率调制。

4.1.3 环境物体的运动速度（多普勒效应）

如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定性的作用。否则，可以仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。

4.1.4 信号的传输带宽

如果无线信号的传输带宽大于多径信道带宽，接收信号将会失真，但是本地接收机信号强度不会衰落很多（即小尺度衰落不占主导地位）。相对于有线信道来说，若传输信号为窄带信号，则信号幅度会快速变化，但是信号不会出现时间失真。

4.2 小尺度衰落的特征参数

4.2.1 多径时延扩展与相关带宽

接收信号由多个可分辨的独立多径信号组成，造成了接收信号持续时间比该信号发送时的持续时间长（因为某些路径长的，那么它的到达接收机的时间就会比较长），造成了时域上的时间色散，用时延扩展来衡量；在频域上反映为频率选择性衰落，用相干带宽衡量。

（1）多径时延扩展：最后到达接收机的信号与最先到达接收机的信号之间的时间差。

（2）相干带宽：约等于时延扩展的倒数，但是在一般的情况下，要确定多径信道对某一特定信号的精确影响，需要用到频谱分析技术与仿真。当两个频率分量的频率间隔小于相干带宽时，它们具有很强的幅度相关性。

4.2.2 多普勒扩展与相干时间

信道的时变特性是由移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的，其本质是多个不可分辨路径的叠加造成时域信号的波动。时变特性决定了信道的频率色散，相干时间和多普勒扩展是描述这两个特性（时变特性和频率色散）的重要参数。

（1）多普勒扩展：多普勒扩展是频率展宽的测量值，定义为单一频率正弦波（未被调制的载波）传输时的频谱带宽。对接收信号的影响是传输信号频率的多普勒扩展，而不是最大的多普勒频移，如果基带信号的带宽远远大于多普勒扩展，那么接收端就可以忽略多普勒扩展的影响。（多普勒频移是频率的瞬时变化值，是一个频率值，而多普勒扩展是一个频率范围）。

（2）相干时间：信道的相干时间是一个时间量度，用于时域描述信道频率色散的时变特性。相干时间可以简单地认为约等于最大多普勒频移的倒数。 在这个期望的持续时间上，信道对信号的响应基本是时不变的，即在此间隔内，两个到达信号有很强的的幅度相关性（我们在上面的相干带宽中也提到了很强的幅度相关性）。

4.3 小尺度衰落的分类

小尺度衰落的类型取决于发送信号的特性（信号带宽和符号周期）和信道特性（时延扩展和多普勒扩展）。信号参数和信道参数之间的关系决定了不同的发送信号会经历不同的衰落特性。根据信道的时延扩展（相干带宽），可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；根据信道的多普勒扩展（相干时间），可以把信道分为快衰落信道和慢衰落信道。

4.3.1 基于多径时延扩展的衰落效应

多径特性引起的时间色散使得接收端收到许多不同时延的脉冲组成的信号。对应于频域，信道对发送信号进行了滤波，信号中不同频率的分量衰落幅度不一样，从而导致了发送信号产生平坦衰落和频率选择性衰落。

（1）平坦衰落

​ 如果移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益和线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落。在平坦衰落的情 形下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机处保持不变。但由于多径效应结构导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随 时间变化。典型的平坦衰落信道可导致深度衰落，因此在深度衰落期间常需要增加一定的发送功率。

（2）频率选择性衰落

​ 若信道具有恒定增益且线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。在频率选择性衰落 的情况下，信道冲激响应具有多经时延扩展，其值大于发送信号周期。此时接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径 波，因而接收信号产生失真，从而引起符号间干扰(ISI)。

当信号的带宽小于相干带宽时（多径时延扩展小），就可以认为信号所有的频率分量都是同时增大或减小，这样就不会造成失真，即为非频率选择性衰落（平坦衰落）；而当信号的带宽大于信道的相干带宽时（多径时延扩展大），那么信号中有些频率和其他频率就不会同时增大或同时减小，就会出现有些频率分量被增强了，而有些频率分量被削弱了，这就是频率选择性衰落，这就会造成失真。

4.3.2 基于多普勒扩展的衰落效应

由于移动台与基站之间的相对运动，或是由于信道路径中物体的运动，多普勒扩展得以产生，引起信道随时间的变化，从而产生信道的时变特性（时间选择性）。根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。

（1）快衰落

​ 当信道的相干时间比发送信号的周期短（信号带宽小于多普勒扩展），且基带信号的带宽小于多普勒扩展时，信道冲激响应在符号周期 内变化很快，从而导致信号产生快衰落。从频域上可看出，由快衰落引起的信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。

（2）慢衰落

​ 当信道上的相干时间远远大于发送信号的周期（信号带宽大于多普勒扩展），且基带信号的带宽远远大于多普勒扩展时，信道冲激响应 的变化比要传送的信号码元周期低得多，则可以认为该信道是慢衰落信道，在慢衰落信道中，可认为信道参数在一个或多个信号码元周 期内时稳定的。

当信道被认定为快衰落或慢衰落信道时，并不能据此认定衰落为平坦衰落或为频率选择性衰落。快、慢衰落仅与由运动引起的信道变化有关。在频率选择性衰落和快衰落信道中，任意多径分量的幅度、相位及时间变化率都快于发送信号的变化率。事实上，快衰落仅发生在数据速率非常低的情况下。

4.4 小尺度衰落信道包络的统计特性

典型的描述小尺度衰落的分布函数有瑞利分布和莱斯分布。瑞利分布用于描述收发信机之间不存在视距传播（LOS）的独立多径分量的包络统计特性；莱斯分布是在瑞利分布的基础上，又加上了一条直射径的影响而造成的衰落类型。

4.5 小尺度衰落的四种组合

• 频率上可分为：平坦衰落和频率选择性衰落

• 时间上可分为：慢衰落和快衰落

​ 所以就有以下四种组合：

​ 其中对于一般的生活场景，移动台的移动速度都比较慢，所以主要是频率选择性慢衰落，典型的就是3G、4G、5G。然而对于高铁上或 者高速上（120km/h）的速度而言，就成了频率选择性快衰落（双选衰落、双选信道）。而对于卫星通信来说，由于卫星的运动速度很 快，会有很明显的多普勒效应，所以就会有快衰落，但是由于卫星和地球一般都是直射传播，没有什么多径，所以就是平坦衰落，所以 卫星通信信道就是平坦快衰落信道；而平坦慢衰落在移动通信中出现的不多，一般会在一些固定接入里面会出现。