第2章大规模天线无线信道模型

2.1 无线信道概述

无线信道从衰落角度可分为大尺度衰落和小尺度衰落[1-5]，如图2-2所示。大尺度衰落主要是指无线电波在长距离（如收发机间距大于几十个波长范围）传播过程中，由于传播损耗（如自由空间的功率发散，反射、衍射、散射等传播机制造成的功率损耗）、大气吸收、大气波导、建筑物波导、障碍物（包括建筑物、植被及人等）阻挡造成的传播信号功率衰减，该类特征的研究主要包括：路径损耗（Path Loss, PL）、阴影衰落（Shadow Fading, SF）。

小尺度衰落是电磁波传输过程中瞬时的幅度与相位的一个表现，它通常由多径叠加和/或用户移动引起。一般来说，小尺度衰落分为多径效应和多普勒效应。多径效应是信号在无线环境传播中经过多条路径到达接收端而产生的，主要特征是各条路径的信号到达接收机的时间不同；多普勒效应是接收端以一定的速度移动而产生的频率偏移与弥散效率。

2.1.1 路径损耗

路径损耗描述的是在无线传播环境下，接收信号平均功率随传播距离而衰减的特性，它通常与无线传播环境、电磁波的频率、发射天线及接收天线的高度有关，属于大尺度衰落。其中，最简单的路径损耗模型为自由空间损耗模型，该模型建立在收发机之间存在视距传播的假设下，由Friis方程表述[1]，主要描述了路径损耗随着收发机距离及载波频段变化的特性，但实际传播环境更加复杂。因此，一些基于实测数据的模型被相继提出，如HaTa模型[2]、Walfisch-Bertoni模型[3]。实验数据表明，现实环境中，大多数情况下路径损耗都大于自由空间路径损耗。而在室内走廊类特殊环境下，由于波导效应，其路径损耗可能会小于自由空间路径损耗[4]。

2.1.2 阴影衰落

阴影衰落描述的是在相同的发射—接收距离条件下，不同位置上接收信号的平均功率随机变化的特性。阴影衰落属于大尺度衰落，主要是由于信号在传播过程中通过大的障碍物而产生的，例如，信号经历建筑物、山峰等。大尺度衰落一般变化比较缓慢，基本符合对数正态分布[1]。

2.1.3 小尺度衰落

小尺度衰落主要由多径效应和多普勒效应综合构成。多径效应（Multipath）：电磁波在传播过程中产生的不同时延、不同方向和不同强

度的多条路径信号在接收端叠加，叠加后的信号瞬时功率在很短的时间内或很小的距离上快速变化，包含多普勒频率扩展及时间弥散等，这些都属于小尺度衰落。如果通过单一的发射源（如单天线）发射一个理想的脉冲信号δ（t），接收信号将是一个脉冲信号串，如图2-3所示。通过此图也可以发现无线信道有两个固有的特性。

（1）多径特性：无线信道由于其传播路径的开放性将一个脉冲扩展为多个脉冲。

（2）时变特性：无线信道在不同时刻对脉冲的扩展特性（传播特性）是不同的。

与多径效应相关的参数是相干带宽，相干带宽是指某一特定的频率范围内，任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。若相干带宽小于信道带宽，则会发生频率选择性衰落；反之，则会发生平坦衰落，经历了平坦衰落信道的信号保持频谱形状不变，如图2-4所示。相关度为0.5时的相干带宽为

其中 为均方根延时扩展。

多普勒效应是指电磁波在传播过程中由于终端的移动而产生的频率的偏移。多普勒导致信号时域的幅度发生衰落，造成慢衰落还是快衰落，取决于多普勒最大频移与信号的符号长度。与多普勒相关的参数是相干时间，相干时间与多普勒扩展成反比，是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。如果基带信号的符号周期大于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收信号发生失真，产生时间选择性衰落，也称快衰落；如果基带信号的符号周期小于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道不会发生改变，也不会产生时间选择性衰落，这被称为慢衰落。相关度为0.5时的相干时间为