无线通信中的那些专业术语（二）-千家网

来源：贤集网 2020-07-20

导读

类比：和煦的阳光普照大地的时候，树木、房屋就有影子，这个影子不是完全的黑暗，是一种强度减弱很多的光。

阴影效应 Shadowing Effect

类比：和煦的阳光普照大地的时候，树木、房屋就有影子，这个影子不是完全的黑暗，是一种强度减弱很多的光。

在传播路径上，无线电波遇到地形不平、高低不等的建筑物、高大的树木等障碍物的阻挡时，在阻挡物的后面，会形成电波信号场强较弱的阴影区。这个现象就叫做阴影效应。

慢衰落 Slow Fading

类比：在股市下降过程中，虽然其分时曲线波动剧烈，但是5周线变化比较缓慢。

无线电波传播过程中，信号强度曲线的中值呈现慢速变化，叫做慢衰落。慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值，反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化，一般遵从对数正态分布。

慢衰落产生的原因：

1）慢衰落的主要原因是路径损耗；

2）阴影效应导致的信号衰落：

快衰落 Fast Fading

类比：在股市下降过程中，股价的分时瞬时值变化剧烈，很像快衰落。

快衰落就是接收信号场强值的瞬时快速起伏、快速变化的现象。快衰落是由于各种地形、地物、移动体引起的多径传播信号在接收点相叠加，由于接收的多径信号的相位不同、频率、幅度也有所变化，导致叠加以后的信号幅度波动剧烈。在移动台高速运行的时候，接收到的无线信号的载频范围随时间不断变化，也可引起叠加信号幅度的剧烈变化。也就是说多径效应和多普勒效应可以引起快衰落。

一般快衰落可以细分为：

1）多径效应引起空间选择性衰落，即不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样；

2）载波频率的变化引起载波宽度范围超出了相干带宽的范围，引起的信号失真，叫做频率选择性衰落；

3）多普勒效应或多径效应可以引起不同信号到达接收点的时间差不一样，超过相干时间，引起的信号失真叫时间选择性衰落。

时间色散 Time Dispersion

类比：一个女生先有一个帅哥喜欢，过了不久，又有一个同样帅的男孩喜欢她，她不知如何选择。

在无线通信中，到达接收机的主信号和其他多径信号在空间传输时间差异而带来的同频干扰问题。时间色散可以使来自远离接收天线的物体反射的无线信号到达接收端比直射信号慢几个符号的时间，这样可能导致互相符号间干扰。如“1”影响“0”，使接收机解码错误。

传播损耗 Propagation Loss

类比：做蔬菜长途贩运生意的人都知道，假若从农民手里购买的白菜为每斤1毛钱，加上中间环节的运输费、摊位费、税、包装费等，到了最终消费者手中每斤至少得5毛钱。最终卖菜者赚得钱需要从总营业额中减去所有的利润损耗。

给定频率的无线制式，无线传播损耗主要是随距离变化的路径损耗（Path Loss），影响该路径损耗的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射，即有反射损耗（Reflection Loss）、绕射损耗(Scattered Loss)、地物损耗（Clutter Loss）。如果电磁波穿过墙体、车体、树木等等障碍物，还需考虑穿透损耗(Penetration Loss)。如果将手机贴近的人体使用，还需考虑人体损耗(Body Loss)等等。

路径损耗的环境因子系数n一般随传播环境不同而不同，一般密集城区取4~5，普通城区取3~4，郊区取2.5~3。在实际无线环境中，天线的高度可以影响路径损耗。一般发射天线或接收天线的高度增加一倍，可以补偿6dB的传播损耗。

反射损耗随反射表面不同而不同，水面的反射损耗在0~1dB，麦田的反射损耗在2~4dB，城市、山体的反射损耗可达14dB~20dB.

绕射波在绕射点四处扩散，扩散到除障碍物以外的所有方向，不同情况损耗差别较大。地物损耗主要由于地表散射造成，损耗大小视具体情况而定。

穿透损耗和建筑物的材质以及电磁波的入射角关系较大，一般情况下隔墙阻挡取5～20dB，楼层阻挡每层20dB，厚玻璃 6～10dB，火车车厢的穿透损耗为15～30dB，电梯的穿透损耗为30dB左右。

人体损耗一般取3个dB，也就是无线电波经过人体，一半的能量被人体吸收。

传播模型 Propagation Model

搞笑类比：一个私企老板经常跟大家强调：“我要的是结果，你给我结果，我不要过程。”一天一个数学建模专家找这个老板推销他的万能数学模型，该模型的特点是能够给出任何问题的结果，过程你不用关心；但前提是你按要求输入不超过三组数据。公司用这个模型进行销售预测、人力需求预测、降低成本预测等等，结果证明都非常正确。

于是私企老板想用这个模型对自己是个什么样的人有什么样的发展做一个判断。万能数学模型首先要求输入他一年来给员工开的工资的数据、再次要求他输入员工上下班的考勤记录、最后要求他输入的情人个数，经过长达半小时的计算，模型给出了计算结果：请不要拿不下蛋的铁公鸡来开玩笑。

实际无线环境中不可能有自由空间那样理想的无线传播条件。在不同的反射、绕射、散射条件的影响下，电波场强中值变化规律非常复杂，很难用简单的数学表达式来计算。通过理论或者实测的方式建立的无线电波传播损耗的数学表达式称为传播模型。有两个途径研究传播模型：一是从无线传播理论出发分析所有从发射点到接收点的电磁波得出传播损耗的数学规律；另外一个是在大量测试数据的基础上统计分析出传播损耗的数学规律。

感悟：人类总是想用数学的手段为纷繁芜杂的社会、自然现象建立模型，以此得出一些数学的规律来指导我们的工作和生活。但遗憾的是，任何数学模型都是对事物发展变化的普遍规律的近似表达，而不能完全符合实际。如果经济模型管用，那金融危机就不会爆发；如果管理模型管用，就不会有公司倒闭；如果无线传播模型绝对准确，无线网络就不会有弱覆盖。

射线跟踪模型 Ray Tracing Model

类比：每天有成千上万的人从北京出发去往全国各地，假若现在想知道每天有多少乘客从北京出发到上海。理论上我们只要把每天从北京到上海所有可能的交通工具包括飞机、火车、汽车所能运输的人加起来便可以了。但是你有可能少考虑一部分人，他们可能跑步到上海，或者先乘火车到天津，再做轮船到上海。但这样的人毕竟少数，对计算结果的影响不大。

射线跟踪模型的基本原理分析某种场景下无线电波从发射点传播到接收点理论上所有可能的传播途径，包括直射、发射、绕射等，通过接收点信号矢量叠加，计算得出接收信号场强。

Volcano模型，WaveSight模型以及WinProp模型就是典型的射线追踪模型。

射线模型需要高精度的三维数字地图，至少5m精度，1m精度更好。由于对地图精度要求较高，所以用这种方法进行无线环境建模比较昂贵，一般只在密集城区使用就可以了。模型预测的准确性和数字地图的精确性、站点工程参数如天线位置、天线高度、方向角、下倾角等设置的准确性相关较大。同时射线跟踪模型一般不考虑移动的车辆对无线信号传播的影响，也忽略较高阶的反射/衍射波、地面反射波、从建筑物下方穿过的电磁波、透射波、漫反射波等。

Okumura模型

类比：一位美国社会学家研究过人受教育的程度和工作后年收入的关系。经过对大量履历上的学历和目前工作的收入数据分析发现，博士生年收入比硕士生多$XXXX，硕士生年收入比本科生多$ XXXX，本科生年收入比未上大学的多$XX XX。这个社会学家虽然开创了研究教育程度和年收入关系的先河，但是在很多情况下这种基于实际数据统计分析出来的关系模型并不成立。

这个关系无法解释工作多年的本科年收入比硕士还可能多，没有考虑不同行业待遇的差距，不同职务待遇的差距。于是后来的社会学家建模又考虑进去了工龄、行业、职务对收入的影响，进一步完善了学历和收入的关系模型，这个关系模型变得更加复杂了。但是还是有一种情况不能适用，很多企业创始人他们的收入和他们的学历、工龄没有这么直接的关系。于是再后来的社会学家又在研究这个方向上发表了论文，修正了上述关系，使它应用于企业创始人群体。

解释：

最著名的基于测试数据统计的无线传播模型是Okumura模型，它是Okumura在日本的大量测试数据基础上统计出的以曲线图表示的传播模型。但它适用范围窄，应用不十分方便。

在Okumura模型的基础上，Hata利用数学回归分析方法拟合出便于计算机计算的无线传播经验公式，即Okumura-Hata公式，适用频率在150～1500MHz的无线传播，如GSM900。该公式可应用在宏蜂窝(大区)条件下，半径在1-20km范围内的普通城区，郊区，乡村的无线环境。

但是随后出现了DCS1800，而且3G的工作频率都在2000MHz左右，原来的Okumura-Hata公式又不适用了，COST 231-Hata将Okumura-Hata模型的频率范围扩展到2000MHz，但是仍只适用于宏蜂窝条件。

随着人们对无线通信需求的不断增长，原来的宏蜂窝组网不能满足密集城区人们对无线网络质量的高要求，需要通过微蜂窝完善覆盖，于是有了适用于微蜂窝的Walfisch公式。

人们对无线通信的需求还是不断增长，室内无线用户日益增多，仅通过室外宏蜂窝覆盖室内不能满足人们对无线网络质量的高要求，需要建设室内分布系统，于是产生了应用于室内Keenan-Motley模型。

李氏准则 Lee’s Criteria

类比：话说郓哥告诉武大潘金莲和西门庆偷情的事，武大卖完炊饼后早回去两次没有碰着，和郓哥说，“我娘子是正经人家的女子，怎么会有这种事？”郓哥提醒他：“做这种事怎么会在你卖完炊饼后呢？也不可能在你的家里，抓这种事就得在合适的时间多回来几次才能碰着，而且王婆家你也要去看看。”

郓哥说得话用通信的语言说就是你的采样次数要足够多，采样地点要正确。

如何能够测试无线信号场强，充分的反应无线环境的特征。William Lee 博士1985年发表了关于无线信号场强采样的著名论文，通过严格的数学推导给出无线信号场强采样的标准：在40个波长内采样36～50个点。这一标准在无线通信工程中得到了广泛应用。

理解：假设我们的无线制式使用的频率是2000MHz，扫频仪每秒钟最多打100个点，那么进行无线环境测试的车速的上限是多少？

2000MHz的无线电波波长是0.15m，40个波长就是6m，也就是说6m的距离内必须够50个点。扫频仪每秒钟最多打100个点，也就是每秒钟最多走12米，即车速不能高于12m/s，走得多采样点就不够了。

SPM 模型 Standard Propagation Model

类比：在先秦时代，各诸侯国的文字是不统一的，不同国家的人交流起来十分不方便。最后秦始皇告诉天下人，他用的字就是标准字，大家统一用这种文字。

无线传播模型有很多种形式，也有很多适用范围，由于形式上的不统一，无线工程师使用起来很不方便，对同一无线环境很难有比较统一的认识。

SPM模型的推出解决了这个问题。SPM模型适用于从150MHz到2GHz比较宽的频率范围，也适用于从密集城区、普通城区、郊区、农村的各种无线环境。所以目前应用比较广泛。

Path Loss= K1+ K2log(d)+ K3log(Htxeff)+ K4Diffration+ K5log(d) log(Htxeff)+ K6(HRxeff ) +Kclutterf(clutter)

其中：

d：接收机与发射机之间的距离(m)；

HTxeff：发射天线的有效高度 (m)；

Diffraction loss：经过有障碍路径引起的衍射损耗(dB)；

HRxeff：接收天线的有效高度(m)；

f(clutter): 因地物所引起的平均加权损耗；

K1：常数 (dB)；

K2：log(d)的系数；

K3：log(HTxeff)的系数；

K4：衍射损耗的系数；

K5: log(HTxeff)log(d)的系数；

K6: HRxeff的系数；

Kclutter: f(clutter)的系数。

在自由空间传播模型中，K3、K4、K5、K6、Kclutter都是0，K1=38.45，K2=20。

在一般的无线环境中，K1和K1取值也是非常重要的，对整个结果的准确性影响比较大，因为我们在利用传播模型计算的时候，主要关注的就是离发射机不同位置的情况下，我的路损是多少，可以得到的信号场强是多少。而其他因素如天线高度在一定情况下我们认为不变化

峰均比 PAR Peak-to-Average Ratio

类比：

一个村子里面有比较富裕的人家，也有比较穷的人家，但大多数都是收入中等的普通人家，我们最有钱的人家的财富和村子户平均财富的比或者最穷人家的财富和户平均财富的比，可以衡量出村子贫富两极分化的程度。

但从全国来看，用排在胡润排行榜上第一名的财富来和中国家庭的平均收入来比就显得不那么合适，不能全面衡量中国的贫富差距现象。如果用1%的中国富裕阶层的平均财富和中国家庭的平均收入，就可以说明一些问题。假若中国家庭平均年收入是3万元，而最有钱的富豪家庭的年收入为30亿，30亿和3亿一比，就是10万倍，如果用dB表示，就是50dB。

如果我们研究全国各自然村富翁的财富的分布情况，以说明不同省份经济发展水平，也可以用峰均比的概念，即最有钱的村富翁的财富和所有村富翁财富的平均值相比。也就是说，峰均比一定要指出是什么样的峰值和均值的比，单位是绝对的比值还是dB值。

解释：无线信号从时域上观测是幅度不断变化的正弦波，幅度并不恒定，一个周期内的信号幅度峰值和其他周期内的幅度峰值是不一样的，因此每个周期的平均功率和峰值功率是不一样的。

在一个较长的时间内，峰值功率是以某种概率出现的最大瞬态功率，通常概率取为0.01%。在这个概率下的峰值功率跟系统总的平均功率的比就是峰均比。在概率为0.01%处的PAR，一般称为峰值因子（CF CREST Factor，CF）。

理解峰均比的概念是需要注意以下几点：

1.由于功率的峰均比是电压的峰均比的平方，PAR一般是指功率的峰均比，但也有书上把他当做电压的峰均比来用。

2.如果功率幅值随时间没有变化，即“包络的最大值”与“包络的平均值”处处相等，即“恒包络”信号的峰均比为1或者是0dB。

3.如果只考虑一个周期的无线信号纯正弦波，功率峰均比就是2，即3dB；而其电压的峰值因子CF就是功率峰均比的平方根1.414。但一般情况下，峰均比很少是指这种情况。

4.调制技术、多载波技术都可能带来较大的峰均比，峰均比过大不是什么好事，会影响很多射频器件的应用效率。

CW（Continuous Wave）测试

毛主席教导我们：“没有调查，就没有发言权。调查研究就像十月怀胎，解决问题就像一朝分娩。”原始材料的获取是正确解决一切问题的前提。同样的，原始数据的获取是一切数学建模的最关键一环。调查、监控、测试是获取原始数据的手段。

无线传播模型与具体的地形地貌因素密切相关，通过大量测试对各类场景SPM模型（或者其他模型）的各项K值进行确定的过程叫做模型校正。

CW测试（连续波测试）是获取无线电波传播的测试数据的重要步骤。CW测试获取的数据是不同位置的接受电平强度，即经纬度信息和场强值的对应。

可以作为模型校正的数据源。对测试获取的数据要求具备典型性和平衡性，即要求数据能够代表该地区的无线传播特性且可以“成比例”的反映该地区不同地物的无线传播特性。做CW测试需要避免地理定位时卫星遮挡或发射天线近端有高大建筑物阻挡，以免影响经纬度信息的准确性。

射频 RF RF Radio Frequency

类比：人若想在空中遨游，可以用飞机作为载体。飞机升空的条件是必须有一定的速度，通过一定长度的机场跑道才能把速度提上去。

信息在空中传递，必须有无线电波作为载体，但是无线电波的频率低于100 KHz时，电波就会被地物吸收，而且接收装置也非常复杂。只有达到一定频率的电波才能在空中远距离传送，也容易把信息接收下来。

射频就是能够发射出去的高频交变电波，频率范围从300KHz～30GHz之间。