作者：王振世
出版社：人民邮电出版社
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实战无线通信应知应会 新手入门 老手温故 第二版试读：
前言
PREFACE无线信息高速公路上跑的车不仅越来越快，而且样式不断翻新。这客观上迫使人们不断探讨提高这个高速公路承载能力的途径，有的人建议不断拓宽公路（带宽），有的人建议公路分层分流（多载波），还有的人建议提高汽车本身的机动性能（QoS）和可靠性（无差错传送），等等。
无线通信的发展史就是人们不断追求在有限的带宽上实现更高速率、更高质量、更丰富业务的过程。高速丰富的业务最终的物理承载必须是一定频段的无线电波。无线电波在空间和器件里的衰落和各种干扰噪声自然会影响业务的承载速率，我们引入了各种编码、调制、分集技术来克服这些无线电波传播过程中的不良影响。在本书的第一篇中，介绍了这些无线通信的基础知识，包括3章：第1章介绍了无线电波在空间的传播；第2 章介绍了无线电波在射频器件里的传播；第 3 章介绍了信息从信源经无线环境到信宿传送的基本过程，这个过程不外乎围绕如何克服衰落、如何克服干扰、如何提高单位带宽的数据传送速率来组织的。
第二篇介绍了具体无线制式的实现、组网和资源调度方面的内容，也包括3章：第4 章介绍了目前主要无线制式的技术特点，从中可以看到，承载速率不断提高，LTE 最初规划的最高空口速率是100Mbit/s，而5G设计的空口速率已经达到10Gbit/s，下载一部大型电影可能用不了1秒钟的时间。这些都得益于复用技术、编码技术、扩频技术、调制技术、多天线技术的成熟和普及，而支撑这些技术成熟和普及的最深层原因则是芯片计算能力的飞速提升。第5章开始着眼于网络整体，一个人水平再高，单枪匹马很难做成大事；一个网元设备性能再强，不参与组网也是毫无用处。《世界是平的》一书中提到，在经济全球化、全球一体化的情况下，人类社会也会越来越扁平化。网络架构的变迁伴随无线通信网络发展的始终，最终会向高效扁平化的网络结构演进。网络架构的扁平化必然对每个网元的功能、性能提出更高的要求。人类社会中，各类资源如劳动力资源、矿产资源、石油天然气的高效利用在经济生活中有着举足轻重的作用，谁控制和支配了这些资源，谁就把握了社会经济的命脉。在网络中，也有各种各样的资源，这些资源的合理分配无疑是网络性能提升的关键所在。第6章介绍网络资源调度的方方面面，涉及功率控制、信道资源分配、切换控制、分组调度、准入控制等知识。
第三篇介绍了整网性能相关的知识，包括网络规划、网络优化和性能评估。事前的规划和事后的优化是很多事情操作成功的必要工作。高性能的无线网络必然要求可实施的规划方案和精耕细作的优化工作。第7章、第8章将分别介绍无线网络规划和优化方面的内容。一个较为成熟的网络，它的性能如何？我们要做出评估，以便指导网络运维和业务开展工作。第9章介绍了无线网络评估的相关概念。为了衡量无线网络健康与否，人们根据数据来源的不同、分析维度的不同、字段和算法的不同，设计了众多的指标；而且对网络健康度的评测也从传统的听诊器时代过渡到了核磁共振时代。
本书采用从基础理论到协议实现，再到实际应用的递进逻辑来把无线通信常用的术语串起来，术语之间既相互独立又彼此联系，便于快速阅读，也便于分类查询。本书主要以WCDMA和LTE制式中常见的术语为例进行介绍，如果说到其他制式，会特别指出。
无论是无线制式标准的制定，还是组网性能的提高，抗干扰、抗衰落是永恒的主题。全书采用从局部到整体、从本质到表象的结构逐步展开介绍，主要脉络就是各种无线制式如何克服无线电波的衰落和干扰，以提高频谱利用效率；如何组网，以提高网络整体性能。
本书对每组术语的重要程度、难易程度进行了评级。如果是 5 颗实星“★★★★★”，表示程度级别最高；1颗实星“★”代表1级，表示程度级别最低。我请了5位一线工程师对每组术语进行打分，综合得出了最后的评级，可供读者在学习和查阅的过程中参考。
任何事情都是“仁者见仁、智者见智”，欢迎广大读者对本书提出改进意见，在阅读本书的过程中如果发现任何问题都可以反馈给我们。作者邮箱：cougarwang@eyou.com。本书编辑邮箱：yangling@ptpress.com.cn。—— 第一篇 ——无线基础篇第1章无线电波传播
老子说：“常无，欲以观其妙。”无形的事物总是给人玄妙不易掌握的感觉。远古的时候，人类没有远距离传送信息的方式，远程沟通是一件奇妙且不可想象的事情。
人类在不断地探索，文字的出现使得人类的意图有了直观的表现形式，通过书信远距离传送信息成为现实。“常有，欲以观其徼（徼，jiao，边界）”，有形的事物必然会有其边界，自然就会有局限性。书信传达信息的局限性很明显，最显著的特点就是慢，用时较长，不便于反复确认。人类自然就会想到：如果声音也可以像书信那样远传就好了。
人类还是在不断地探索。1875年，贝尔的“沃森特先生，快来帮帮我”成为人类通过电话传送的第一句话，标志着有线电话的诞生。
但是“有无相生”，人类自然在想：有线还不是很方便，能否通过无线的方式传送话音呢？人类一思考，上帝就会发笑，心想，“通过电闪雷鸣的现象我告诉你们很多遍了，你们还是不知道！”
无形的东西确实很玄妙，掌握起来也确实比较困难。我们伟大的祖先发现了人体中存在一种无形的气血运行通道，就是经络；西方解剖学无法证实，很长时间怀疑它的存在。
麦克斯韦预言电磁波的存在，最初也遭到了学者的怀疑，正如经络学遭到质疑一样。智者眼里看到的，普通受众无法理解，有时还称智者为胡言乱语。
1887年赫兹证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，才找到了话音远距离无线传送的载体。那么，我们首先来了解一下电磁波是什么，其在空间传播有怎样的特点，如何度量其在自然空间的传播损耗，电磁波的传播损耗随空间距离的变化规律是怎样的，工程上如何建立传播模型等概念。1.1 电磁波--麻雀减少之谜电磁波：Electromagnetic Wave
重要程度：★★★★★
难易程度：★
趣闻：英国曾有2400万只“家养”麻雀。这些麻雀都在房屋阁楼处搭窝，每天在各家花园内嬉戏，成为英国一道风景线。然而，近年来，英国麻雀数量突然急剧减少。英国科学家对此百思不得其解。有人认为是猫吃了麻雀；有人认为是无铅汽油影响了虫子的生存，而麻雀就靠这种虫子来喂养小麻雀；还有人认为是建筑阁楼被封闭，使得麻雀无法搭窝。最近，英国的科学家和动物学家指出，手机发出的电磁波是造成麻雀失踪的罪魁祸首。英国人从1994年开始大量使用手机。正是在这些年中，英国麻雀开始大量减少。研究表明，电磁波影响麻雀的方向感。麻雀依靠地球磁场来辨别方向，电磁波会干扰麻雀找路。研究还表明，电磁波还会影响动物的精子数量和排卵功能。
电磁波首先是一种波，这里简单回顾一下描述波的基本特征的参量：幅值（A）、相位（θ）、波速（v）、波长（λ）、频率（f）和周期（T），如图1-1所示。图1-1 波的基本特征参量
波的参量之间存在如下关系：
电磁波是电磁场的一种运动形态，是在空间传播的周期性变化的电磁场。电场和磁场的振动方向相互垂直，二者和波的传播方向也垂直，所以电磁波是横波。电与磁可以说是一体两面，变化的电流会产生磁场，变化的磁场又会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分割的统一的场。电磁波在自由空间的速率是光速c=3×810m/s，因此描述电磁波的基本特征有3个量就可以了，即幅值、频率、相位，如图1-2所示。周期是频率的倒数，波长由速度和频率决定，不是一个独立的量。图1-2 电磁波的基本特征
在低频的电磁振荡中，电磁之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有辐射出去；在高频的电磁振荡中，电磁互变很快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化会以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波。电磁波无影无踪（除光波外），但无处不在；电磁波功在千秋（承载信息），但又罪在不赦（干扰辐射）。电磁波脾气古怪，但又踏实肯干。
下面介绍一些与电磁波相关的知识。麦克斯韦方程组——传大的理论、孤独的灵魂
重要程度：★
难易程度：★★★★
麦克斯韦方程组：Maxwell's Equations
趣闻：麦克斯韦晚年的生活充满了烦恼，他的学说没有人理解，妻子又久病不愈。这双重的不幸，压得他筋疲力尽。为了看护妻子，他曾经连续3个星期没有在床上睡过觉。尽管这样，他的演讲，他的实验室工作，却从来没有中断过。1879年是麦克斯韦生命的最后一年，他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他只有两个听众，一个是来自美国的研究生，另一个是后来发明电子管的弗莱明。空旷的阶梯教室里，只在头排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，表情严肃而庄重，仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解释自己的理论，如图1-3所示。图1-3 麦克斯韦的伟大和孤独
1879年11月5日，麦克斯韦因癌症去世，终年只有49岁。他的功绩，在他活着的时候没有得到人们的重视。在赫兹证明了电磁波存在以后，人们才公认麦克斯韦是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。
了解麦克斯韦方程组之前首先要了解一下通量的概念。假若高速公路上有一排收费站，进入收费站多少辆车，就从收费站出来多少辆车，则在收费站净停留的车辆数为0，也就是净通量为0。假若进入收费站5辆车，从收费站只出来4辆车，在收费站坏了一辆车，这叫净通量为1，如图1-4所示。图1-4 高速公路收费站净停留车辆
麦克斯韦方程组用精确的数学公式描述出了电场、磁场的性质及电场、磁场互变的规律，具体来说包括以下电磁波的规律。（1）变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场。（2）磁场激发的感应电场是旋涡场，它的电力线是闭合的，封闭曲面的电场净通量为零，也就是说，进入封闭曲面多少电场通量，就从封闭曲面出来多少电场通量，如图1-5所示。图1-5 旋涡场和封闭曲面的通量（3）变化的电场激发的磁场也是旋涡场，磁感应线是闭合线，封闭曲面的磁场净通量为零，也就是说进入封闭曲面多少磁场通量，就从封闭曲面出来多少磁场通量，如图1-5所示。赫兹——戴维也是这么想的
重要程度：★★★
难易程度：★
赫兹：Hertz
插曲：比赫兹实验早7年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未给予重视，他的发现就这样被埋没了，如图1-6所示。图1-6 后悔莫及的戴维
赫兹，德国物理学家，对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1 月，赫兹将自己的研究成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。为了纪念赫兹，国际单位制中频率的单位被定义为赫兹，它是每秒周期性变动重复次数的计量。UHF——和军事上的长波不一样
重要程度：★★
难易程度：★★★
UHF：Ultra High Frequency，超高频
参考：长波通信是波长为1 000～10 000m（频率为30～300kHz）的无线电通信。长波通信主要用于军事上，如潜艇通信、地下通信及导航等。在一定范围内，长波通信以地波传播为主，当通信距离大于地波的最大传播距离时，则靠天波来传播信号。长波通信的优点是，通信距离长，能透过山体、海水一定深度，通信比较稳定、可靠。其缺点是，由于波长超长，收发设备及天线系统庞大，造价高；通频带窄，不适于多路和快速通信；易受天电干扰。
无线电的频率分布于 3Hz～3 000GHz，在这个频谱内划分为 12 个带。不同频段内的频率传播特性不同。频率越小，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段频率资源丰富，系统容量大；但频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越小，绕射能力越弱，实现的技术难度越大，系统的成本也相应提高。
超高频（UHF），分米波段，是频率为 300～3 000MHz 的特高频无线电波。移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖和容量效果。UHF频段与其他频段相比，在覆盖和容量之间折中得比较好，被广泛应用于移动通信领域。1.2 电磁波的传播——你打过台球吗直射波、反射波、绕射波、散射波——台球运动
重要程度：★★★
难易程度：★
直射波：Direct Wave；反射波：Reflection Wave
绕射波：Diffraction Wave；散射波：Scattered Wave
台球这项运动的很多规律和电磁波相近。当直接撞击球中心打出去的时候，假使没有任何阻挡，球将沿直线运行；如果打出的球碰到台边，它就按照反射角等于入射角的规律运行；若母球和另一个球相切，根据力度和方向，它可以绕过视距范围内的球，很像绕射；假设在一个范围内，很多球的彼此间距不超过一个球，当母球打到这些球中间时，会激起很多球向不同方向运动，很像散射。台球的几种不同运动形态如图1-7所示。大自然的很多事情最根本的规律是相通的，这就是道可道的原因。但我们道出来的规律又总感觉有些欠缺，又是“非常道”，最根本的道只能去悟。图1-7 台球运动
由发射天线沿直线到达接收点的无线电波，被称为直射波。自由空间传播是指电波在真空中的传播，是一种理想传播条件。电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物吸收，也不会产生反射或散射。
无线信号通过地面或其他障碍物反射到达接收点，称为反射波。反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。反射波在两种密度不同的传播媒介分界面上才会发生，分界面媒质密度差越大，波的反射量越大，折射量越小。波的入射方向越接近垂直于分界面，反射量越小，折射量越大。直射波和反射波合称为空间波。
应用：在高速铁路覆盖选站的时候，要关注无线电波的入射角问题。备选站址不能离铁路太近，否则列车远离站址的车厢入射方向会接近平行于分界面，进入车厢内的折射信号就会减少；也不能太远，否则会影响有效覆盖范围。一般都选取离铁路 100m 左右的站址（还需考虑多普勒效应等其他因素的影响）。
当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，无线电波绕过障碍物而传播的现象称为绕射。绕射时，波的路径发生了改变或弯曲。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至阻挡体的背面。绕射损耗是各种障碍物对电波传输所引起的损耗。
当波穿行的介质中存在小于波长的物体，并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，将引起波经此处后四处发射，就是散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等均会引发散射。不久前看到一起车祸，很多车辆在行驶，彼此间距不足以再穿过一个车，可是有个车没有任何减速地从后面冲到众多车辆中间，如同波要穿过小于波长的物体间缝隙，其他车的运行方向发生了明显的改变，就像“散射”一样，现场惨不忍睹。nLOS——工科大学读书的时候
重要程度：★★★★
难易程度：★
nLOS：Non Line of Sight，非视距传输
趣事：在工科大学读书的时候，女生很少，大家对女性的生活感到非常神秘。幸运的是，和我们男生宿舍楼成直角的地方就有一个女生宿舍楼，而且水房就在靠近男生楼这一端。夏天的时候，只闻其声，不见其人。一个同学说：“哎，可惜是非视距传输。”过了没多久，就发现该同学很创意地在不远的墙上装了一个反射镜，如图1-8所示。“视距范围内看不到的东西，非视距的方法可以看到”，他还说得冠冕堂皇：“我是女生行为的研究专家”。图1-8 非视距传输
无线信号从发射点到接收端有障碍物阻挡，不能沿直线进行传播，叫作非视距传输。非视距传输的无线传播损耗比视距传输要增加很多；正如通过反射镜看到的事物比直接看到的效果要差一些，这是因为非视距传输的路损增加了。多径效应——水的流向
重要程度：★★★★★
难易程度：★★★
多径效应：Multipath Effect
现象类比：大家小时候都玩过泥土，在一个小土堆的顶端倒水，水从四处流开，很多水都渗进土里或流到不同方向损失掉了，有部分水流通过不同路径、不同时间汇到同一个低洼的地方，如图1-9所示。图1-9 水流的多径效应
信号从发射端到接收端常有许多时延不同、损耗各异的传输路径，可以是直射、反射或是绕射。无线电波的多径效应是指不同路径的相同信号在接收端叠加会增大或减小接收信号能量的现象，如图1-10所示。图1-10 电磁波的多径效应时间色散——究竟是什么
重要程度：★★
难易程度：★★★★
时间色散：Time Dispersion
色散是在光学中常用的词汇，我们在中学时就知道白光通过三棱镜或光栅分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色的现象叫作光的色散。在物理学中，色散用来描述从同一波源发射出的几列波在媒质中有不同传播特性的现象。
几个同学出去玩，在森林里隐隐约约看到远处有一个动物（类似信息发射端），张三说：“那是一只鹿！”过一会儿，李四说：“从我这个角度看，像是一匹马。”在后面的王五说：“你们俩谁说的对，我无法判断了。”（接收机解调问题）在这种情况下，同样一个动物从不同角度（传播路径）看印象差别这么大，大家无法判断到底是鹿还是马了（无法解调了），如图1-11所示。只有再走近一点才可能看清楚。图1-11 是鹿还是马
在无线通信中，无线电波从发射端到接收端会经过直射、反射等很多传播途径，反射路径要比直射路径长一些，因此，从发射端辐射出的波经过反射路径到达接收端用的时间要比走直射路径长一些。从接收端来看，先后收到了来自同一信源的两列波；这两列波走的路径不同，传播环境不同，受到的干扰也不同。
时间色散是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰问题。假若发射机发送了一个“1”，由于多径效应，接收机先收到“1”这个数据，又收到“0”这个数据，接收机困惑了，不知道究竟是“0”还是“1”了，所以解码就可能出现错误，如图1-12所示。图1-12 时间色散图例
发射信号经过远离接收天线的物体反射容易导致时间色散，可以通过工程参数调整来规避时间色散问题，也可以通过创新技术来识别和避免此类问题。多普勒效应——警车的警报声由远而近
重要程度：★★★★
难易程度：★★★★
多普勒效应：Doppler Effect
钟端（终端的化名）刚参加工作的时候，非常害怕领导姬占（基站的化名）问及工作相关的问题。当钟端以一定的速度走近姬占的时候，感觉到心跳频率加快（频偏为正）；当他离开姬占的时候，心跳就逐渐平缓下来了（没有频偏），如图1-13所示。这个过程类似多普勒频移效应。图1-13 心跳变化的钟端
多普勒效应是指无线电波在波源快速移向观察者时接收频率变高，类似于钟端靠近领导时，他心跳频率的增加；而在波源远离观察者时接收频率变低，好像钟端远离领导时，他的心跳频率逐渐平缓一样。
当警车的警报声、赛车的发动机以一定的速度接近我们的时候，声音会比平常更刺耳；离我们远去的时候，声音会缓和一些；同样的道理，你可以在火车经过时听出刺耳声的变化，这就说明了多普勒效应的存在。
在移动通信中，当移动台移向基站时，接收频率变高；远离基站时，频率变低，如图1-14所示。接收频率随移动台与基站之间相对移动速度变化的现象，就是移动通信中的多普勒效应。图1-14 多普勒效应
多普勒频偏的大小与终端和基站的相对移动速度v有很大关系；也和无线电波的波长λ有关，当然在一定频点的无线制式下，波长λ可以认为近似不变；多普勒频偏的大小还和入射角θ有很大关系，入射角θ是终端与基站的连线与相对运动速度v的方向的夹角。
多普勒频偏和相对移动速度v、无线电波的波长λ、入射角θ的关系为：
其中：Δf 为多普勒频偏，单位是Hz；v为相对移动速度，单位是m/s；λ为波长，单位是m，2000MHz时为0.15m；θ为相对移动速度方向与信号到达方向的夹角。
从式（1-3）可以得出，终端和基站的相对移动速度越大，频偏越严重，这就要求在高速移动的通信中，必须考虑频偏问题。各厂家的设备在高速移动的场景中都会应用频率纠偏算法，以克服多普勒效应对通话质量的影响。波长越小，频偏越严重，3G的无线制式使用的频率比2G时代要高很多，波长也小很多，因此在3G时代更需要考虑多普勒效应的影响。终端和基站相互靠近的时候，0°＜θ ＜90°，频偏为正，接收频率变大；终端和基站相互远离的时候，90°＜θ ＜180°，频偏为负，接收频率变小；入射角θ越接近90°，频偏越小，入射角θ 越接近0°和180°，频偏越大。这就要求覆盖高速公路或高速铁路等移动场景的基站不能离路太近，太近的话，夹角在某些时候会很小，频偏就会很大；也不能太远，太远的话，覆盖就会较弱。工程上一般要求基站离高速公路或高速铁路100m左右为宜。菲涅尔区——人眼的有效视力范围
重要程度：★★★
难易程度：★★★★★
菲涅尔区：Fresnel Zone
有时候，我感觉人的眼睛最有效的视力范围是一个椭球体。椭球体之外的东西虽然也能看到，但是已经不是特别的清晰。一个训练有素的射击运动员，他的有效视力范围一定集中在他和目标之间半径非常小的椭球体内，这中间不能有阻挡。
我们知道，从电磁波的发射点到接收点的传播路径上，既有直射波，又有反射波和绕射波。直射波和反射波的传播路径差不大的情况下，反射波的电场方向正好与直射波相反，相位相差 180°，这样反射波将会减弱直射波的信号强度，对传播效果产生破坏作用。
这种现象就好比在学校里宣传主基调“知识就是力量”（理解为直射波），而社会上有另外一种反思潮：读书无用论（可以理解为相位完全相反的反射波）。如果这种反思潮在学校范围内（类似于一个菲涅尔区域）存在，将会打击学生们学习知识的热情（影响传播效果）。
经过推导，直射波与反射波路径差Δd为：
带来的相位变化δ为：
其中：h为发射端离地面（反射面）的高度；h为接收端离地面tr（反射面）的高度；d为发射机到接收机间的水平距离；λ为无线电波波长。
从上面两式可以看出，直射波与反射波的路径差以及其带来的相位变化和天线高度、传播距离有关系。天线高度较低且距离较远时，路径差就会变小，相位变化也会减小，反射波对直射波的影响就会加大。从这一角度上看，天线高度越高越好，传播范围越小越好。因此，在无线工程设计中，在成本允许、干扰可控的条件下，要求基站的天线尽可能高。
菲涅尔区是一个椭球体，如图1-15所示，其中收发天线位于该椭球的两个焦点A点和B点上。在实际传播环境中，如果该椭球体内存在阻挡物，直射波和反射波（或绕射波）的路径差小于半个波长，相位差的影响小于π/2，这样的话就会大大影响无线电波的传播效果。这个椭球体的半径就是第一菲涅尔半径。在自由空间中，从发射点辐射到接收点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件，否则电磁波的多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至通信中断。图1-15 菲涅尔区
第一菲涅尔区是主传播区，它的半径R为：
其中：d为反射点到发射端的距离；d为反射点到接收端的距离；trd为发射机到接收机间的水平距离。
[例]在典型的城市无线环境中，基站覆盖半径为1.5km，若地面反射点离发射天线为150m，离接收天线约为1 380m，那么对于采用2 000MHz频率的无线制式（波长为0.15m）来说，该点处的第一菲涅尔区半径是多少？
应用：在无线站址勘测的时候，一定要注意覆盖范围内是否有大于菲涅尔半径的阻挡物，尤其要避免大的广告牌、高楼等障碍物阻挡。阴影效应——地物的影子
重要程度：★★★★
难易程度：★★
阴影效应：Shadowing Effect
光是一种频率较高的电磁波。当和煦的阳光普照大地的时候，树木、房屋都有影子，这个影子不是完全的黑暗，是一种强度减弱很多的光，这就是光传播过程的阴影效应，如图1-16所示。图1-16 阴影效应
在无线电波的传播路径上，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，在阻挡物的背面，会形成电波信号场强较弱的阴影区，这一现象叫阴影效应，和可见光的阴影效应类似，只不过我们肉眼看不到。终端从无线电波直射的区域移动到某地物的阴影区时，接收到的无线信号场强中值就会有较大幅度的降低。手机受到阴影效应的影响，有时会努力地增加更多发射功率，耗费更多的电能，正像小树生活在大树的阴影下，往往在向阳的一面增加很多茂盛的枝叶，以便吸收尽量多的阳光。
理解阴影效应要注意以下几点：（1）不同地物类型的阴影效应的大小不一，密集城区一般要比普通城区、农村、郊区有更大的阴影效应影响；（2）在进行网络规划的时候，要充分考虑不同无线环境中阴影效应对覆盖效果的影响。慢衰落、快衰落——熊市股票价格的下降
重要程度：★★★★★
难易程度：★★★
慢衰落：Slow Fading；快衰落：Fast Fading
一个智商很高的人私下学开车，可是学了很长时间却上不了路。没有办法，他只好到驾校找教练指导。教练首先考他技术常识和操作理论，他能倒背如流；再让他说说怎样操作，也说得头头是道。最后上车试一试吧，开门、上车、落座、启动一招一式就像一个老司机。可当车动起来以后，他就顾不过来了，车速还慢得不得了。知道为什么吗？教练告诉他：“不要眼睛盯着方向盘，眼睛要看300m以外的前方，用眼睛的余光看倒车镜和左右车辆。”一天不到，这个人就能开车上路了。这个故事告诉我们，要着眼大势，着眼长远，不要被眼前的纷繁芜杂扰乱了视线。有句古话说的好：“天下有重得，有重失；势可得而我勤之，此重得也；势不可得而我勤之，此重失也。”
很多事情瞬时的情况变幻莫测，没有直接的规律可循，但长期趋势却是可以把握的。股市中的价格走势瞬息万变，每天都是开盘价、最高价、最低价、收盘价，难以把握；但是中长期趋势却有一定的规律可循。大家都去买股票，对股票趋之若鹜的时候，就是快要转势的时候了。股市在经历了 2006 年到2007年波澜壮阔的上涨后，在2007年10月转势，2007年10月到2008年10月在熊市下降过程中，虽然每天的瞬时价格波动剧烈，但是5日均线变化比较缓慢，这个比较缓慢的下降趋势就是慢衰落，如图1-17所示。在股市下降过程中，有时候有疯熊特征，瞬时把价格打得很低，起到一剑封喉的作用，让你感到恐惧害怕，又不舍得亏本卖出，你越不卖，它越跌；等你一卖，它又大涨起来。股价的分时瞬时值变化剧烈，很像快衰落。图1-17 股价波动曲线图
无线电传播过程中，信号强度曲线的中值呈现慢速变化，就像股价的5日均线变化一样，叫作慢衰落。慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值，反映了数百波长范围内接收电平的均值变化，如图1-18所示，就像5日均线反映的是股市5日收盘价格均值的变化趋势一样。无线电波的慢衰落一般服从对数正态分布。
慢衰落产生的原因有：（1）路径损耗（慢衰落的主要原因）；（2）阴影效应（可以造成信号电平中值较大幅度的降低）。图1-18 信号衰落图
快衰落就是接收信号场强瞬时值的快速起伏、快速变化。由于各种地形、地物、移动体引起的多径传播信号相位不同、幅度也不同，在接收点叠加后信号幅度波动剧烈，就像股市里的市场情绪碰到一些或有或无、或真或假的消息，导致价格上蹿下跳一样。在移动台高速运行的时候，接收到的无线信号的频率范围随时间不断变化，也可引起叠加信号幅度的剧烈变化，如图1-18所示。总之，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以下3类。（1）空间选择性衰落：多径效应引起的不同地点、不同传输路径的衰落特性不一样。（2）频率选择性衰落：多普勒频移导致了载波频率的偏移，变化了的频率范围可能超出了接收带宽的范围，从而引起信号失真。（3）时间选择性衰落：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不一样，从而引起信号失真。1.3 功率单位——财富按指数方式增加dBm——如果定义1元钱是0dBm
重要程度：★★★★★
难易程度：★★
dBm：Milliwatt decibel，毫瓦分贝
在无线通信领域里，经常会遇到dBm、dB、dBi、dBc等与功率有关的单位，对这些单位的理解容易产生混淆。下面将讲解这几个单位，供电信从业者参考。
dBm用于表示功率大小的绝对值，计算公式为：
10lg（P/1mW）
其中P为功率值。
例如：如果发射功率P为2W，则用dBm表示的值应为：
10lg(2W/1mW)=10lg(2 000)=33dBm
如果定义1元钱是0dBm，那么一个拥有100dBm的人，他有多少元钱（设为x）？按上述公式计算，100=10lg（），那么x可是100亿元。
对数域里代表的绝对数值之间的关系不是线性关系，而是指数级的关系。dB——每天给我提供一个涨停的股票
重要程度：★★★★★
难易程度：★★
dB：decibel，分贝
dB用于表征功率的相对比值，是倍数的对数表达式，计算甲功率比乙功率大多少倍或小多少倍时使用。
按下面计算公式：
10lg(甲功率/乙功率)=10lg(甲功率/1mW)−10lg(乙功率/1mW) （1-7）
例如：无线信号进入电梯之前平均是−68dBm，进入电梯之后是−93dBm，电梯的穿透损耗就是25dB，两个dBm数值之间的差就是dB。
一天接到一个电话，有个人要我和他合作，声称他拥有股市的内幕消息，每天给我提供一支涨停的股票。做无线的人喜欢换算成dB来思考问题，一天我的资金增加10%，就是10lg1.1=0.4dB，100个交易日就是40dB，40dB就是 10 000 倍，1 万元钱经过 100个交易日就变成 1 个亿了。这么容易来的钱他自己不赚？天底下有这种好事么？如图1-19所示。老子说，信言不美，美言不信。让他见鬼去吧！图1-19 每天一支涨停的股票
dB和dBm的关系总结如下：（1）XdB+YdB=(X+Y)dB，表示两次放大；（2）XdB−YdB=(X−Y)dB，表示先放大再缩小或衰减；（3）XdBm+YdB=(X+Y)dBm，表示在原来的基础上放大；（4）XdBm−YdB=(X−Y)dBm，表示在原来的基础上缩小。
记住：没有这样的公式—XdBm+YdBm=？两个dBm直接相加是没有任何意义的。如两个天线接收分集，每个天线接收到的信号是−90dBm，两个信号叠加成为−90dBm+（−90dBm）=−180dBm，这个算法明显是不对的。正确的做法是两个一样的信号分集接收，获得翻倍的增益，10lg2 就是 3dB，最后两个天线分集接收后信号强度是−90dBm+3dB=−87dBm。在无线通信领域，引入“dB”等单位是为了读写计算方便。对一些特别大的数，或者特别接近 0 的数，不必书写太多的 0；而且在计算的时候，相乘的关系可以改成相加的关系。dBi、dBd——参考基准不同
重要程度：★★★★★
难易程度：★★★
dBi：decibel of isotropic，参考点源分贝；dBd：decibel of dipole，参考偶极子分贝
我以前的一个同事，问他收入怎么样？他说，月薪2 000美元，相当于人民币13 600元。他的收入参考不同的基准，有不同数值。dBi和dBd两者都是用于表示天线功率增益的相对值，只是其参考的基准不一样。
dBi 的参考基准为理想点源天线（isotropic antenna），dBd 的参考基准为偶极子（dipole）天线，两者的值略有不同，如图1-20所示。图1-20 dBi、dBd参考基准图
假若某波源位于O点，它通过理想点源天线把能量均匀地辐射到A点所在的球面上。这时如把球面压扁了，成为偶极子天线的椭球面，此时能量只集中在B点所在的椭球面上。由于能量有所集中，所以从O点到B点的增益比从O点到A点的增益大。
在工程上，一个实际的天线，它的能量集中能力更强，能够使能量集中在C点所在的更扁平的椭球面上。实际天线的能量集中能力（即增益）和理想点源天线相比的单位是dBi，和偶极子天线最大辐射方向相比的单位是dBd。
同一增益用dBi表示要比用dBd表示大2.15。
[例] 对于增益为15dBd的天线，用dBi表示为17.15dBi。dBc——量衣服时，喜欢用“尺”作单位
重要程度：★★★★
难易程度：★★★
dBc：decibel to Carrier，相对于载波的分贝
中国人在裁剪衣服的时候，大多喜欢用“尺”作长度单位；而在购买房子的时候，却喜欢用“米”作单位。
dBc与 dB一样都是用来度量两个功率相对比值的单位，但 dBc一般用来表示和载波功率相比的信号强度相对值，如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰和带外干扰）、耦合、杂散等相对于载波功率的比值。1.4 无线传播建模——成本利润模型传播损耗——做蔬菜生意的难处
重要程度：★★★★★
难易程度：★★★
传播损耗：Propagation Loss，PL（计算类比）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角，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角。最终卖菜者赚的钱需要从总营业额中减去所有的成本（利润损耗），如图1-21所示。图1-21 蔬菜生意的利润损耗
无线电波传播的时候，也要付出相应的成本，这个成本就是传播损耗。一定频率的无线传播损耗，主要是随距离变化的路径损耗（Path Loss）。影响该路径损耗的3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）和地物损耗（Clutter Loss）。如果电磁波穿过墙体、车体、树木等障碍物，还需考虑穿透损耗（Penetration Loss）。如果将手机贴近人体使用，还需要考虑人体损耗（Body Loss）等。
反射损耗随反射表面的不同而不同，水面的反射损耗为0～1dB，麦田的反射损耗为2～4dB，城市、山体的反射损耗可达14～20dB。
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。地物损耗主要是由于地表散射造成的，损耗大小视具体情况而定。
穿透损耗与建筑物的材质以及电磁波的入射角关系较大，一般情况下，隔墙阻挡损耗为5～20dB，楼层阻挡每层损耗为20dB，厚玻璃损耗为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。
人体损耗一般取值为3dB，也就是无线电波经过人体，一半的能量被人体吸收。
注：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。传播模型——不问过程，但要结果
重要程度：★★★
难易程度：★★★
传播模型：Propagation Model（模型类比）一个私企老板经常跟大家强调：“我要的是结果，你给我说明需要的条件（输入），能够有什么样的结果（输出），我不问过程。”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，过程不用关心；但前提是按要求输入一些实际数据。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，结果证明都非常正确。
老板想预测一下股市未来一年的趋势，万能的数学模型要求他输入很多信息，如国内外历史股价趋势，很多行业信息、政策信息等。老板烦了，说：“需要输入这么多，我如果知道还用问你？”
数学模型是对客观事物给定输入、输出关系的数学表达式。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、散射条件影响下，信号强度中值随传播距离、频率等因素变化的规律非常复杂，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，建立无线电波传播损耗随各种因素变化的数学关系表达式称为传播模型。
在一定频率、一定天线挂高、一定无线环境的情况下，传播模型给出了路损和距离的关系，从而在覆盖估算中通过路损计算覆盖范围，或者在仿真中计算不同距离的路损大小。
有两个途径研究传播模型：一个是从无线传播理论出发，分析发射点到接收点的所有电磁波，包括直射、反射、绕射、散射，得出传播损耗的数学规律；另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，下面会分别介绍。
感悟：人类总是想通过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，那么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。自由空间传播模型——我能感觉到无线信号的大小
重要程度：★★★★★
难易程度：★★★
自由空间传播模型：Free Space Propagation Model
感悟：老子说过，天下难事必作于易；天下大事必作于细。对很多物理学现象的建模过程中，我们首先考虑复杂现象中最本质最简单的规律，然后再考虑一些非本质的影响因素。
趣事：我和一个同事在北京的街道上走着，他和我开玩笑说，“做无线久了，我能感觉到我走的这个地方TD信号有多大。这里的信号是-78dBm”。我们看了一下测试手机上的信号大小，是-77.5dBm。我说：“你都快成测试手机了！”如图1-22所示。图1-22 手机信号的估算
电波在自由空间里传播如不受阻挡，则不产生反射、折射、绕射、散射和地物吸收。但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。自由空间传播损耗就是发射点的无线信号在整个球面内均匀地向外扩散，扩散到接收天线处，落在天线有效接收面积上的能量与发射总能量之比。
最后推导出的自由空间传播公式为：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]