无线信道与电波传播原理：从自由空间到多径衰落

你有没有想过——为什么同一个基站，你在阳台打电话信号满格，走进电梯就断线？为什么网速测试时走几步路结果就天差地别？答案藏在一个看不见、摸不着，却决定了整个移动通信系统设计的东西里：无线信道。

一、无线信道是什么？用"声音在房间中传播"来理解

想象你站在一个大房间里对朋友说话。你的声音会通过几条路径传到朋友耳朵里：

• 直射路径：声音直线传过去（如果中间没有遮挡）
• 墙壁反射：声音碰到墙壁弹回来
• 家具散射：声音碰到椅子、桌子后四散开来

你朋友听到的声音，其实是所有这些路径传来的声音的叠加。有些路径传来的声音互相增强，有些互相抵消——这就是无线信道的核心原理。

把声波换成电磁波，把房间换成城市街道，就是移动通信中无线信道的真实写照。

二、电磁波传播的四大机制

电磁波从发射天线出发后，主要通过四种物理机制到达接收端：

graph TD
    A[电磁波发射] --> B[直射 LOS]
    A --> C[反射 Reflection]
    A --> D[绕射 Diffraction]
    A --> E[散射 Scattering]

    B --> B1[直线传播<br/>信号最强最稳定]
    C --> C1[碰到建筑物/地面<br/>像镜面反弹]
    D --> D1[绕过建筑物边缘<br/>类似水波绕过石头]
    E --> E1[碰到树叶/雨滴/标牌<br/>四散传播]

    B1 --> F[接收端：所有路径<br/>信号叠加]
    C1 --> F
    D1 --> F
    E1 --> F

    style A fill:#4CAF50,color:white
    style F fill:#FF9800,color:white

为什么这很重要？ 因为每一种机制都会改变信号的幅度、相位和到达时间。接收端收到的不是"一个干净的信号"，而是无数个"迟到早退、强强弱弱"的信号副本叠加在一起。

三、信道衰落的三层蛋糕

无线信道的衰落可以分成三个层次，就像一个三层蛋糕：

graph TB
    subgraph 三层衰落模型
        L1[第一层：路径损耗 Path Loss]
        L2[第二层：阴影衰落 Shadowing]
        L3[第三层：多径衰落 Multipath Fading]
    end

    L1 --- |距离相关<br/>可预测| L2
    L2 --- |障碍物相关<br/>统计建模| L3
    L3 --- |环境相关<br/>快速随机变化| R[接收信号]

    style L1 fill:#E3F2FD,stroke:#1565C0
    style L2 fill:#FFF3E0,stroke:#E65100
    style L3 fill:#FCE4EC,stroke:#C62828
    style R fill:#E8F5E9,stroke:#2E7D32

用一个具体的数字感受一下：

在 2 GHz 频率下，半波长只有 7.5 厘米。这意味着你手机移动一个拳头的距离，信号强度可能就经历了一个完整的衰落周期！

四、第一层：路径损耗——距离越远信号越弱

4.1 自由空间路径损耗（FSPL）

最理想的情况——没有任何障碍物，信号在真空中传播。即便如此，信号也会随距离衰减，因为能量在球面上扩散。

$$P_r = P_t \cdot G_t \cdot G_r \cdot \left(\frac{\lambda}{4\pi d}\right)^2$$

用 dB 表示：

$$\text{FSPL(dB)} = 20\log_{10}(d) + 20\log_{10}(f) + 20\log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)$$

其中 $d$ 是距离（米），$f$ 是频率（Hz），$c$ 是光速。

关键直觉：距离翻倍，信号衰减 6 dB（功率降为 1/4）。频率翻倍，同样衰减 6 dB。这就是为什么高频段（毫米波）覆盖范围小。

4.2 实际路径损耗模型

现实中没有"自由空间"。工程师们根据大量实测数据，总结出了一系列经验模型：

以 3GPP TR 38.901 中城市微蜂窝（UMi）的 NLOS 路径损耗为例：

$$PL_{\text{UMi-NLOS}} = 35.3\log_{10}(d) + 22.4 + 21.3\log_{10}(f_c) - 0.3(h_{UE}^{1.5})$$

注意路径损耗指数是 3.53——比自由空间的 2 大得多。这意味着城市环境中信号衰减比理想情况快得多：距离翻倍，信号衰减超过 10 dB！

4.3 工程实战：链路预算中的路径损耗

链路预算（Link Budget）是网络规划的核心工具。本质上就是：

$$\text{接收功率} = \text{发射功率} + \text{天线增益} - \text{路径损耗} - \text{其他损耗} + \text{其他增益}$$

发射功率 43 dBm
+ 天线增益 18 dBi
- 馈线损耗 2 dB
- 路径损耗 130 dB        ← 占比最大
- 阴影衰落余量 8 dB
- 穿透损耗 15 dB          ← 室内覆盖
= 接收功率 -94 dBm

调试陷阱： 很多新手做链路预算时忘记留阴影衰落余量。如果不留余量，50% 位置的信号会低于计算值。通常要留 6~10 dB 的余量（对应 90%~95% 覆盖概率）。

五、第二层：阴影衰落——为什么大楼背后信号差

5.1 物理本质

当信号传播路径上遇到山丘、建筑物等大型障碍物时，障碍物会在背后形成一个"阴影区"。这种衰落的特点是：

• 空间相关性高：相隔几米内的两点，阴影衰落值接近
• 对数正态分布：用 dB 表示的衰落服从正态分布
• 标准差 4~12 dB：城市环境通常 8 dB 左右

$$P_{\text{shadow}} \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2)$$

5.2 阴影衰落如何影响覆盖规划

假设基站覆盖半径为 500 米，路径损耗计算出小区边缘信号为 -90 dBm。但由于阴影衰落（标准差 8 dB）：

这就是为什么网优工程师经常说"覆盖概率 90% 比 95% 能省一半基站"。 从 90% 提升到 95%，需要多留约 3 dB 余量，对应覆盖半径缩小约 25%，意味着基站数量要增加约 78%。

六、第三层：多径衰落——走一步信号就变的秘密

6.1 多径效应是怎么产生的

基站发出一个信号脉冲，由于环境中存在大量的反射体，这个脉冲会通过不同路径到达手机。每条路径有不同的：

• 延迟：路径长短不同 → 到达时间不同
• 衰减：反射/绕射损耗不同 → 幅度不同
• 相移：路径长度不同 → 载波相位不同

当这些不同延迟、不同相位的信号副本叠加时，就产生了建设性叠加（信号增强）和破坏性叠加（信号减弱）。

                    反射路径1（建筑物）
                   ╱    延迟 τ₁ = 0.5 μs
                  ╱     相位 φ₁ = 45°
                 ╱
基站 ──── 直射（LOS）─────── 手机
   ╲               延迟 τ₀ = 0 μs
    ╲              相位 φ₀ = 0°
     ╲
      反射路径2（地面）
       延迟 τ₂ = 1.2 μs
       相位 φ₂ = 180°

6.2 时延扩展与相干带宽

时延扩展（Delay Spread） 描述多径信号到达时间的散布程度，通常用 RMS 时延扩展 $\sigma_\tau$ 表示。

$$\sigma_\tau = \sqrt{\overline{\tau^2} - (\overline{\tau})^2}$$

相干带宽（Coherence Bandwidth） 是与时延扩展对应的频域参数，表示信道增益"大致保持不变"的频率范围：

$$B_c \approx \frac{1}{5\sigma_\tau}$$

关键理解： 如果信号带宽 > 相干带宽 → 频率选择性衰落（不同频率分量衰落不同，OFDM的子载波会受不同影响）。如果信号带宽 < 相干带宽 → 平坦衰落（所有频率分量同涨同落）。

这就是 OFDM 技术被广泛采用的核心原因之一：将宽带信号分成多个窄带子载波，每个子载波经历平坦衰落，大大简化了均衡器设计。

6.3 多普勒扩展与相干时间

当你坐在高速移动的高铁上打电话，你的运动会导致接收信号频率发生偏移——这就是多普勒效应。

$$f_d = \frac{v}{\lambda} \cos\theta$$

其中 $v$ 是移动速度，$\lambda$ 是波长，$\theta$ 是入射角。

多普勒扩展 $f_{d,\max}$ 的倒数就是相干时间：

$$T_c \approx \frac{1}{f_{d,\max}}$$

实战意义： 相干时间决定了信道估计的有效时长。高铁场景下，信道不到 1 ms 就变了，这意味着必须在非常短的时间内完成信道估计和数据传输。5G 的迷你时隙（Mini-slot）就是为了应对这种高速场景。

6.4 瑞利衰落 vs 莱斯衰落

多径衰落的统计分布取决于是否存在直射路径：

graph LR
    A[多径环境] --> B{有直射路径？}
    B -->|有| C[莱斯衰落 Rician]
    B -->|没有| D[瑞利衰落 Rayleigh]

    C --> C1[K因子大 → 衰落轻微<br/>如：卫星通信、微蜂窝LOS]
    D --> D1[衰落严重<br/>如：城市NLOS、室内]

    D --> E[特殊：Nakagami-m<br/>通用化模型]

    style A fill:#9C27B0,color:white
    style C fill:#4CAF50,color:white
    style D fill:#F44336,color:white

瑞利衰落（无直射路径，城市 NLOS 场景）：

$$f(r) = \frac{r}{\sigma^2} \exp\left(-\frac{r^2}{2\sigma^2}\right), \quad r \geq 0$$

莱斯衰落（有直射路径 + 散射路径）：

$$f(r) = \frac{r}{\sigma^2} \exp\left(-\frac{r^2 + A^2}{2\sigma^2}\right) I_0\left(\frac{Ar}{\sigma^2}\right)$$

莱斯 K 因子定义了直射路径与散射路径的功率比：

$$K = \frac{A^2}{2\sigma^2} = \frac{\text{直射路径功率}}{\text{散射路径功率}}$$

实际意义： 在 5G 网络规划中，LOS 场景（如毫米波固定无线接入）的链路预算比 NLOS 场景宽松得多。这也是为什么 5G 高频段部署需要更密集的基站——高频信号绕射能力差，很难维持 LOS。

七、衰落类型的完整分类

把以上所有概念整合起来，无线信道衰落可以按两个维度分类：

graph TD
    A[无线信道衰落] --> B[大尺度衰落]
    A --> C[小尺度衰落]

    B --> B1[路径损耗<br/>距离相关/确定性]
    B --> B2[阴影衰落<br/>对数正态分布/慢变]

    C --> D{按时间散布<br/>时延扩展}
    C --> E{按频率散布<br/>多普勒扩展}

    D --> D1[平坦衰落<br/>信号带宽 < 相干带宽]
    D --> D2[频率选择性衰落<br/>信号带宽 > 相干带宽]

    E --> E1[慢衰落<br/>符号时间 < 相干时间]
    E --> E2[快衰落<br/>符号时间 > 相干时间]

    style A fill:#1A237E,color:white
    style B fill:#1565C0,color:white
    style C fill:#C62828,color:white

八、5G 信道模型：从理论到工程

8.1 5G 面临的新挑战

5G 比 4G 在信道建模上面临更多挑战：

8.2 3GPP TR 38.901 信道模型框架

5G 信道模型采用随机-确定性混合方法：

步骤1：确定宏观参数
  → 场景选择（UMi/UMa/RMa/Indoor）
  → LOS/NLOS概率判定
  → 计算路径损耗

步骤2：生成随机参数
  → 多径数量、每径的功率/时延/角度
  → 交叉极化鉴别率（XPR）

步骤3：生成信道系数
  → 叠加多径分量
  → 加入多普勒频移
  → 应用天线辐射方向图

步骤4：输出
  → 信道冲激响应 h(t,τ)
  → 可用于系统仿真

8.3 不同场景的 LOS 概率

工程启示： 在城市微蜂窝场景中，距离超过 100 米后 LOS 概率已经降到 20% 以下。这意味着大部分连接是 NLOS 场景，信号要靠反射和绕射到达——这直接影响路径损耗模型的选用和链路预算的计算。

九、信道知识在现网中的应用

9.1 网络规划

当你新建一个 5G 基站时： - 选择路径损耗模型：根据场景选 UMi/UMa/RMa - 链路预算：用路径损耗 + 阴影余量计算覆盖半径 - 容量估算：根据 SINR 分布估算小区吞吐量

9.2 网优排障

9.3 常见误解

误解 1："路径损耗指数越大覆盖越差"

不完全对。路径损耗指数大确实意味着信号衰减快，但它也意味着小区间干扰衰减更快——这在密集组网中反而有利（干扰协调更容易）。

误解 2："瑞利衰落是最差的衰落"

不对。瑞利衰落是最常见的 NLOS 小尺度衰落模型，但在某些恶劣场景中（如城市峡谷中的波导效应），衰落可能比瑞利更严重。

误解 3："5G 毫米波就是因为路径损耗大所以覆盖差"

路径损耗确实大（频率高 → 自由空间损耗大），但更关键的是绕射能力差和穿透损耗大。即使很薄的墙壁，毫米波也可能有 20~40 dB 的穿透损耗。

十、从信道模型到系统设计——一个闭环

理解了信道原理后，你会发现移动通信的很多设计决策都"有迹可循"：

理解了"为什么"，你就能在遇到问题时快速定位是路径损耗问题、阴影问题还是多径问题，而不是盲目调参数。

常见问题

Q: 路径损耗和衰落有什么区别？

A: 路径损耗是确定性的，由频率和距离决定，可以精确计算。衰落是随机性的，由环境因素（障碍物、多径）导致，只能用统计方法描述。打个比方：路径损耗是你离说话人越远听到的声音越小（可预测），衰落是房间里有人开风扇导致声音忽大忽小（随机波动）。

Q: 平坦衰落和频率选择性衰落如何判断？

A: 看信号带宽与相干带宽的关系。如果信号带宽 $B_s < B_c$（相干带宽），则是平坦衰落，信号所有频率分量经历相同的衰减。如果 $B_s > B_c$，则是频率选择性衰落，不同频率分量衰减不同。例如 5G NR 100 MHz 带宽在城市环境（相干带宽约 200 kHz）中一定是频率选择性衰落。

Q: 为什么 OFDM 能对抗多径效应？

A: OFDM 将宽带信号分成多个窄带子载波，每个子载波的带宽远小于相干带宽，因此每个子载波经历的是平坦衰落。这避免了复杂的时域均衡器。同时，OFDM 加入循环前缀（CP）来吸收多径时延扩展，消除子载波间的码间干扰。

Q: 高铁场景的信道有什么特殊之处？

A: 高铁场景的三大信道特征：(1) 大多普勒频移：350 km/h 在 3.5 GHz 下产生约 1.1 kHz 频移，信道相干时间不到 1 ms；(2) 频繁切换：高铁沿线的基站密度高，每 20~30 秒就可能切换一次；(3) 群组衰落：车厢内用户同时经历相似的信道条件，需要考虑多用户相关性。

Q: 5G 高频段（毫米波）的信道建模和低频段有什么不同？

A: 毫米波信道的主要差异：(1) 路径损耗更大（频率高），(2) 绕射能力极差，高度依赖 LOS 路径，(3) 反射路径数少（通常只有 1~2 条有效反射），(4) 需要考虑大气吸收损耗（尤其在 60 GHz 附近有氧吸收峰），(5) 天线阵列增益成为补偿路径损耗的关键手段。

参考来源

1. 一文搞懂无线通信中的路径损耗模型 - CSDN博客 — 系统梳理了从自由空间到5G的路径损耗模型演进
2. RF Propagation Modeling: From Free-Space Path Loss to Urban Canyon - dev.to — 英文教程，对比各模型的适用场景
3. Coherence Bandwidth and Coherence Time - SalimWireless — 图文详解时延扩展与相干带宽的关系
4. Delay Spread and Doppler Spread - RF Wireless World — 对比时延扩展与多普勒扩展的工程参数
5. 4.2 路径损耗与阴影衰落 - 清华大学《物联网前沿实践》 — 清华教材，含MATLAB仿真示例
6. Radio Propagation Models: From 5G NR to 6G Sub-THz - CafeTele — 从5G到6G的传播模型演进分析

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。