目录
一、无线信道信道容量信道带宽时延扩展信号衰落多普勒效应原理公式公式原理公式意义
三、信道模型瑞利衰落信道模型莱斯衰落信道模型AWGN模型信道适用条件对比
四、无线信道中的衰落大尺度衰落与小尺度衰落路径损耗路径损耗模型对数距离路径损耗模型
多径传播四种小尺度衰落频率选择性衰落平坦衰落快衰落慢衰落
阴影效应多径效应
首先，信道（Channel）是指以传输媒质为基础的信号通道。根据新到的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道；如果这种信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的转换装置，这种信道称为广义信道。
狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道。有线信道包括对称电缆、同轴电缆及光纤等。无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波、移动无线电信道等。常把广义信道简称为信道。
广义信道按照它包括的功能可分为调制信道（Modulated Channel）、编码信道（Coding Channel）等。
一、无线信道
无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不止一条，我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，可以想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道，无线信道也就是常说的无线的“频段（Channel）“。
信道容量
信道容量反映了信道所能传输的最大信息量。 信道容量可以表示为单位时间内可传输的二进制位的位数（称信道的数据传输速率，位速率），以位/秒（b/s）形式予以表示，简记为bps。
信道带宽
信道带宽是限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，可以理解为一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5KHz至15KHz，则其带宽为13.5KHz。
时延扩展
无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。 由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。
信号衰落
由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接受端迭加，有的迭加而加强（方向相同），有的迭加而减弱（方向相反），导致接收信号的幅度急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落。 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化，主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播时间随时间变化而变化，多径传播到达固定接受点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。
多普勒效应
生活中有这样一个有趣的现象：当一辆救护车迎面驶来的时候，听到声音比原来纤细；而车离去的时候声音的音高比原来雄浑。你可能没有意识到，这个现象和医院使用的彩超同属于一个原理，那就是“多普勒效应”。
多普勒效应 (Doppler effect) 是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为
物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。
根据波红（或蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
原理
多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为λ，波速为u，观察者移动速度为v（以下分析方法不适用于光波）： 当观察者走近波源时观察到的波源频率为（u+v）/λ，反之则观察到的波源频率为（u-v）/λ。
产生原因：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．
公式
观察者 (Observer) 和发射源 (Source) 的频率关系为（此式不适用于光波，光波的多普勒效应见下文）：
f‘为观察到的频率； f为发射源于该介质中的原始发射频率； v为波在该介质中的行进速度； v_0为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为 + 号, 反之则为 - 号； v_s为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为 - 号，反之则为 + 号。 通过这个公式，我们就知道火车接近你的时候音调变化的原因：公式中分子是声音传播速度和观察者速度之和（v+v0），分母是声音传播速度和火车速度之差（v-vs），然后和声源原始频率（f）进行乘法运算。观察者接受到的频率f’比火车笛声的原始频率变高，所以听到的火车鸣笛音调变纤细。反之，当观察者和火车远离的时候，分子减法运算变小，分母加法运算变大，计算得到的频率比火车鸣笛的原始声音频率变低，故听到音调变雄浑。
# 二、天线增益 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能够同时减少双向系统增益预算余量。另外，表示天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为0dBi。 ### 原理 可以这样理解增益的物理含义：在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性电源作为发射天线，需要100W是输入功率，而用增益为G=13 dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W.换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想电源相比，把输入功率放大的倍数。
半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。 如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是 dBd 。 半波对称振子的增益为G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值为1 ，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为G=8.15 –2.15=6dBd 。
公式
实际应用中，即使集中某个方向，天线还是会在空间各个方向都有大小不同的增益，天线增益通常是指产生最大增益的方向上的增益，数学上用公式 单位为dBi或者dBd，两者的区别是参考基准不同，前者的参考基准是全方向性天线（在空间各个方向辐射特性相同的天线），后者的参考基准是偶极子天线（可以简单理解为双向天线）。 在位置A处可以达到相同的辐射强度 方向性天线，A 在其最大辐射方向上，发射功率为P_t 。 理想化点源的发射功率为P_tG。 则G为该方向性天线的增益，理想化点源G = 1，方向性天线G > 1。
原理
可以这样来理解增益的物理含义：在一定距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W 的输入功率，而用增益为G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。
半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。
如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是 dBd 。
半波对称振子的增益为G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值为1 ，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为G=8.15 –2.15=6dBd 。
公式
1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益： G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）} 式中， 2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000 是统计出来的经验数据。
2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2} 式中，D 为抛物面直径； λ0为中心工作波长； 4.5 是统计出来的经验数据。
3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi）=10Lg{2L/λ0} 式中，L 为天线长度； λ0 为中心工作波长；
意义
天线增益不仅是天线最重要的参数之一，而且对无线通信系统的运行质量也非常重要，增加天线增益，就可以增大某个方向上的信号覆盖范围，或者范围不变，但该范围内的信号强度增强。对于单天线而言，要想提高天线的增益，最简单的办法就是将天线的发射方向进一步缩窄，就是所谓的缩窄波瓣宽度。而这种方法在实际应用中对系统性能改善毕竟有限。通常直接提升带宽和频谱的方法也会受到各种条件制约，也不能无限制地增加。在带宽和频谱不变的前提下，为了提高系统的用户容量、数据吞吐量和覆盖距离和范围，智能天线技术和MIMO技术应运而生。其中智能天线技术利用多个天线组成天线阵列，利用天线之间的位置关系，通过向用户发送相同的数据，相当于某个方向上集中辐射能量，从而提高天线增益，而MIMO技术则在收发端都采用多个天线系统，利用多径传播等电磁波特性，发收不同数据，提高传输效率的同时，实现了空间复用。从天线增益角度看，也可以认为不增大单个天线增益，而是增加天线数量，从而获得收发天线增益乘积的效果。另外，无论天线阵列还是MIMO技术在传输信号时都采用了分集的技术，而该技术能够降低信号衰落的机会，减小信噪比的波动，从而获取一部分额外的增益，称之为分集增益。MIMO技术已经在基于LTE技术的4G网络中得到广泛应用。
三、信道模型
信道模型是用数学表达式描述信道特性。 h_ij，其中i 表示接受天线，j表示发送天线，H_21 表示1发2收。
瑞利衰落信道模型
信号通过无线信道之后，其信号的幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络（包络即随机过程的振幅随着时间变化的曲线）服从瑞利分布，这样的信道叫做“瑞利信道”。 瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。
莱斯衰落信道模型
如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外，还有从发射机直接到达接收机（如从卫星直接到达地面接收机）的信号，那么总信号的强度服从莱斯分步，故称为莱斯衰落。 信号在传输过程中由于多径效应，接收信号是直射信号（主信号）和多径信号的叠加，此时接受信号的包络服从莱斯分布。
AWGN模型信道
信道的噪声在频谱（频域）上均匀分布（即白噪声），幅度上（时域）呈高斯分步。噪声在整个信道带宽下功率谱密度为常数。
适用条件对比
信道模型适用条件适用场景瑞利信道从发射机到接收机不存在直射信号的情况，即经过发射、折射或者衍射到达接收机。存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无限传播环境：多径传播和多普勒频移现象、电离层和对流层发射的短波信号，以及建筑物密集的城市环境。莱斯信道移动台与基站之间存在直射波信号，即有一条主路径。AWGN信道不存在干扰，网络中只有一个基站，基站下只有一个终端恒参信道、例如卫星通信、光纤通信、同轴电缆、香农公式成立条件
四、无线信道中的衰落
自由空间传播模型：
L _0=32.45+20log(f)+20log(d)
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度是指距离远远大于波长，是宏观意义上的衰落；小尺度是几倍波长，短距离、短时间，研究的是微观意义上的衰落。 大尺度衰落： 信号经过长距离（几百米到几十公里）传播后场强的变化，大尺度衰落主要是由于建筑物、高山等的阻挡造成的，因此也叫做阴影衰落。 小尺度衰落： 在电波传播过程中，信号场强在短短（几个信号波长）或短时（秒级）上呈现出快速波动的状况，包括由移动台和基站相对运动造成多普勒频移引起的时间选择衰落和由多径引起的频率选择性衰落。
路径损耗
路径损耗，或称传播损耗，指电波在空间传播所产生的损耗，是由发射功率的辐射扩散以及信道的传播特性造成的，反映宏观范围内接收信号功率均值的变化。 大尺度路径损耗：大尺度平均路径损耗用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落，定义为有效发射功率和平均接收功率之间的差值。几种常用的描述大尺度衰落的模型有自由空间模型、布灵顿，模型、EgLi、模型、Hata-Okumura模型。
路径损耗模型
实测表明，在发射功率、天线参数和高度、电波频率给定的情况下，平均路径损耗P L PLPL随传播距离（T-R距离）d dd的变化规律为： 其中d_0为靠近发端的参考点距发端的距离。该参考点处的路径损耗一般可以通过实测获得，n为路径损耗指数，具体指数依赖于传播环境。
对数距离路径损耗模型
距离增加10，分贝值增加10ndB。
多径传播
多径传播： 从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或者多个路径到达接收机天线的传播现象。 多径效应： 指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成的干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。
四种小尺度衰落
多普勒扩展与相干时间表征了信道时变特征，时延扩展和相干带宽用于描述本地信道时间色散特征。多普勒扩展和相干时间成反比，时延扩展和相干带宽成反比。
多普勒扩展： 移动无线信道的时变速率引起的频谱展宽程度的度量值。如果加入了多径的因素，由于单音信号经过不同的时变信道到达接收端，每个时变信道都会产生不同的多普勒频移，故在接收端会展现处多普勒扩展，即多普勒扩展的出现必须满足两个条件，时变信道和多径。 相干时间： 信道保持不变的时间，用来描述多普勒扩展。 相干带宽： 在该带宽内的信道衰落基本不变，用来描述时延扩展。指一个特定的频率范围，在此范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。
频率选择性衰落
1、信号带宽>信道带宽 2、时延扩展>发射信号符号周期
平坦衰落
1、信号带宽<信道带宽 2、时延扩展<发射信号符号周期
快衰落
1、高多普勒扩展 2、相干时间<发射信号符号周期 3、信道变化快于基带信号变化
慢衰落
1、低多普勒扩展（与基带信号带宽相比很小） 2、相干时间>发射信号符号周期 3、信道变化慢于基带信号变化
阴影效应
在无线通信系统中，移动台在运动的情况下，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接受点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。
阴影衰落一般服从对数正态分布。
在给定距离处，实际的路径损耗呈现出随机变化，其分贝值(dB)的概率密度函数为： 其中μPL为对数距离路径损耗模型中所得到的给定距离处的平均路径损耗的分贝值。 对数正态阴影模型的另一种形式： 其中Xσ为均值为0dB，标准差为σPL( dB) 的正态随机变量。
多径效应
在无线通信中，无线电信道中有一些是随参信道，随参信道的特性是“时变”的，在移动通信中，由于移动台在运动，收发两点间的传输路径自然也在变化，使得信道参量在不断变化。
一般来说，各种随参信道具有的共同特性是： （1）信号的传输衰减随时间而变 （2）信号的传输时延随时间而变 （3）信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多经传输。
第3点中的多径传输的重点在于信号沿着多条路径传输。由于多径的传输导致对信号的影响就是我们通常所说的多径效应。
多径传播对信号传输的影响主要有：
1，瑞利性衰落；2，频率弥散（频率扩展）；3，频率选择性衰落；
在多径传播中，信号的振幅和相位随时间的变化很缓慢，和振幅恒定、单一频率的发展信号比较，接收信号波形的包络有了起伏，频率不再是单一频率，而有了扩展，成为了窄带信号。这种信号包络因传播有了起伏的现象称为衰落，通常由多径效应引起的衰落称为快衰落。如果没有多径效应，而由于其他原因导致的信号衰落称为慢衰落。
# 总结