2、无线信道衰落与路径损耗模型详解

无线信道衰落与路径损耗模型详解

1. 衰落现象概述

衰落是一种随机现象，其影响只能通过概率分布来预测。例如，阴影衰落通常用对数正态分布来建模。由于衰落的随机性，必须添加一定的功率余量，以确保接收到的信号强度达到期望水平。在设计中，需要确定一个余量，保证接收信号功率在目标速率（如 98 - 99%）内超过给定阈值。通常，大尺度和小尺度余量的设置要使中断率保持在 1 - 2%，即接收信号功率低于目标设计水平的概率为 0.02 或更小。因此，在分析中，表征阴影衰落和路径损耗的概率特性至关重要。

2. 大尺度衰落路径损耗模型

2.1 通用路径损耗模型

2.1.1 自由空间传播模型

自由空间传播模型用于预测视距（LOS）环境中接收信号的强度，在这种环境下，发射机和接收机之间没有障碍物，常用于卫星通信系统。设发射机和接收机之间的距离为 $d$（单位：米），当使用具有发射增益 $G_t$ 和接收增益 $G_r$ 的非各向同性天线时，距离 $d$ 处的接收功率 $P_r(d)$ 由著名的 Friis 方程表示：
[P_r(d) = \frac{P_tG_tG_r\lambda^2}{(4\pi)^2d^2L}]
其中，$P_t$ 表示发射功率（单位：瓦），$\lambda$ 是辐射波长（单位：米），$L$ 是系统损耗因子，与传播环境无关，代表实际系统硬件（包括传输线、滤波器和天线）的总衰减或损耗。一般情况下，$L > 1$，若假设系统硬件无损耗，则 $L = 1$。从该方程可以明显看出，接收功率随距离 $d$ 呈指数衰减。

在无系统损耗的情况下，自由空间路径损耗 $P_{LF}(d)$ 可直接从上述