无线电波穿越空间并非总是一帆风顺的直线旅程。当信号从发射天线出发，抵达接收天线时，它往往经历了多条路径的复杂“冒险”，遭遇了强弱起伏的“风浪”。理解多径效应及其导致的信号衰落，是掌握无线通信原理、设计可靠系统的关键基石。
一、无线传播的基本原理：不止是直线飞行
无线电波在自由空间（理想真空）的传播遵循自由空间路径损耗模型：信号功率随传播距离的平方衰减，并与频率的平方成反比。然而，真实世界充满障碍物（建筑物、山脉、树木、室内墙壁等）和反射体（地面、水面、金属表面等），这使得信号传播行为变得极其复杂：
1.直射径：从发射端到接收端的最短、通常也是最强的直线路径。但视距传播常被阻挡。
2.反射：信号遇到尺寸远大于波长的光滑表面（如墙壁、地面、天花板）时，遵循光学反射定律改变方向。这是产生多径的主要机制之一。
3.衍射：信号遇到障碍物边缘或尖端时，会像水波一样发生弯曲，绕到障碍物后方传播。这使得信号能到达非视距区域。
4.散射：信号遇到尺寸与波长相当或更小的粗糙表面、不规则物体（如树叶、街道标志、粗糙墙面）时，会向多个方向随机发散。这进一步增加了传播路径的复杂性。
正是这些反射、衍射和散射机制，使得单一发射信号能够通过多条不同的路径传播，最终在接收端汇聚。这种现象被称为多径传播。
LOS径示意图
NLOS径示意图
二、多径效应：时延、干扰与失真的根源
当携带相同信息但经历不同路径的多个信号副本（称为多径分量）几乎同时到达接收天线时，就产生了多径效应。其主要影响体现在：
1.时延扩展：
不同路径长度不同，导致各信号副本到达接收端的时间存在差异。这个最大的时间差称为最大时延扩展。
后果：如果发送的符号持续时间很短（高速数据传输），前一个符号的“拖尾”（来自长路径的信号）可能会干扰到后一个符号，造成码间干扰，导致接收端判决错误。
2.信号叠加与衰落：
多个多径分量在接收端进行矢量叠加。它们的幅度和相位各不相同（相位差异由路径长度差决定）。
坤恒顺维信道模拟器多径信号处理流程
关键点：相位差至关重要。如果各分量同相叠加，信号增强；如果反相叠加，信号抵消减弱。
后果：接收信号强度会随着接收端位置的微小移动（波长量级，如几厘米）或环境物体的微小变化（如车流、风吹树叶）而发生剧烈、快速的起伏波动。这种在短时间或短距离内发生的剧烈信号起伏称为小尺度衰落或快衰落。
坤恒顺维信道模拟器——多径配置界面
坤恒顺维信道模拟器时延步进分辨率为0.1ns，可模拟最小0.3cm尺度通信距离。
3.频率选择性衰落：
多径效应导致的信号抵消或增强，对不同频率分量并非一致。
关键概念：相干带宽：在此带宽范围内，信道频率响应可以认为是平坦的（即各频率分量经历的衰落相似）。相干带宽与时延扩展成反比。时延扩展越大，相干带宽越小。
后果：如果传输信号的带宽大于信道的相干带宽，信号的不同频率分量将经历不同程度的衰落（有的频率被严重削弱，有的则被增强），导致信号波形失真。这种衰落称为频率选择性衰落。反之，若信号带宽远小于相干带宽，则所有频率分量经历相似的衰落，称为平坦衰落。
三、衰落模型：刻画信道特性的数学工具
为了分析、仿真和设计无线通信系统，需要数学模型来描述多径信道的行为。衰落模型主要分为两大类：
1.大尺度衰落模型：
描述对象：信号功率在较大地理范围（几百米到几公里）或较长时间（秒级到小时级）内的平均变化趋势。
主要因素：传播距离（路径损耗）、地形地貌、建筑物密度和高度（阴影效应）。
核心模型：
自由空间路径损耗模型：基础模型，Pr=Pt*(Gt*Gr*λ²)/((4πd)²*L)，，其中Pr/Pt为收/发功率，Gt/Gr为收/发天线增益，λ为波长，d为距离，L为系统损耗因子（>1）。
阴影衰落：
由大型障碍物（如山丘、大型建筑）阻挡直射路径引起，导致信号在局部区域（几十个波长范围）内围绕平均路径损耗值做缓慢的波动（慢衰落）。
通常用对数正态分布建模：接收功率（dB值）服从正态分布。
阴影衰落是发射机和接收机之间的障碍物造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰落信号功率，严重时甚至会阻断信号。信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化也会造成接收功率的随机变化。因此建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰减。最常用的模型是对数正态阴影模型，经过假设与讨论得知：发射和接收功率的比值的分贝值服从均值为、标准差为的正态分布：
2.小尺度衰落模型：
小尺度衰落又叫多径衰落。多径衰落即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。
在小尺度（几倍波长）上，移动无线信道主要对传播信号存在以下几种效应：由多径传播造成的信号强度在短距离（短时间）上的急剧变化（接收信号幅度变化）；多普勒频移（接收信号载频变化）；多径时延引起信号的时间色散（基带解调信号波形失真）。我们将这些效应统称为多径效应或小尺度衰落效应。简单的说，如果发射机，接收机或者相互作用体处于运动之中，干涉信号以及相应的合成信号幅度都会随着时间而变化。这种由于不同多径分量的相互干涉而引起的合成信号幅度的变化称为小尺度衰落（small-scale fading）。
若信道为平坦衰落信道，接收信号的包络通常服从瑞利分布。服从瑞利分布的条件：1、多径分量的到达时间差别不大，码间干扰不明显；2、各个到达接收机的多径分量入射方向呈散射状分布，各多径分量具有近似相等的幅度。瑞利衰落的衰落深度达到20~40dB。衰落速率（每秒内信号包络经过中值次数的一半）约为30~40次/秒。其分布函数为：
即接收信号的包络服从瑞利分布，相位服从0到2π的均匀分布。
当发射机和接收机之间存在直射（视距。LOS）路径时，这个路径的信号将表现出明显强于其他多径分量的幅度值。此时接收信号的包络将赋型莱斯分布。莱斯分布的概率密度函数（pdf）：
其中，A为主信号（LOS分量）的振幅峰值，I0()是零阶1类修正贝塞尔函数。
路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落示意图
多普勒扩展：多普勒频移的范围，反映了信道时变性的快慢。
相干时间：信道冲激响应基本保持不变的时间间隔。与多普勒扩展成反比。多普勒扩展越大（运动越快），信道变化越快，相干时间越短。
后果：相干时间短于符号周期时，信道在符号传输期间发生变化，导致失真，称为快衰落信道；反之称为慢衰落信道。
核心统计模型：描述接收信号包络（幅度）和相位的统计特性。
瑞利衰落模型：
适用场景：接收端不存在主导的直射径或强反射径，所有多径分量强度相当且相位随机（典型的非视距NLOS环境，如密集城区、室内深处）。
特性：接收信号包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。
衰落深度：可能很深（信号完全抵消），对通信可靠性挑战大。
莱斯衰落模型：
适用场景：存在一个稳定的、显著强于其他多径分量的主导信号分量（通常是直射径LOS或强反射径），叠加多个较弱的散射径。
特性：接收信号包络服从莱斯分布。其分布形状由莱斯因子K决定：K=主导分量功率/所有散射分量总功率。K=0时退化为瑞利衰落；K越大，主导分量越强，衰落越平缓。
衰落深度：通常比瑞利衰落浅，通信更可靠（如卫星通信、农村宏蜂窝、有视距的微蜂窝）。
其他重要模型：
Nakagami-m衰落：更通用的分布模型，通过m参数可以拟合瑞利m=1、莱斯（近似）以及更严重或更平缓的衰落情况，常用于建模室内或某些特定环境。
双线模型：最简单的多径模型，假设只有直射径和一个反射径到达接收端。它直观地解释了多径导致衰落的物理机制（两径干涉）以及频率选择性（某些频率点出现深衰落点）。
坤恒顺维信道模拟器信道仿真实现原理图
四、总结：在动态信道中寻求可靠连接
多径效应是无线信道的固有特性，它导致的信号衰落（大尺度和小尺度）是无线通信面临的核心挑战之一。通过深入理解自由空间损耗、反射、衍射、散射等传播机制，掌握时延扩展、相干带宽、多普勒扩展、相干时间等关键参数，以及瑞利、莱斯等统计衰落模型，我们能够定量地分析和预测无线信道的特性。
这种理解直接驱动了分集、均衡、信道编码、OFDM等核心技术的诞生与发展。这些技术相互配合，在充满“回声迷宫”和“起伏风浪”的无线信道中，为构建高速、可靠、无处不在的现代无线通信系统（从手机到物联网，从Wi-Fi到5G/6G）奠定了坚实的理论基础。无线信道虽复杂多变，但人类智慧所构建的技术体系，正不断突破其限制，架设起更稳固的信息桥梁。