现代智能汽车中的无线技术3——蜂窝移动通信技术（2）

信号的衰减与多径效应：向物理环境妥协的艺术

1、5G的Cyclic Prefix 和 Reference Signal

在 5G 通信中，CP (循环前缀) 和 Pilot (导频，5G 标准中称为参考信号 RS) 是两个为了保证信号能被正确接收而付出的"必须的代价"（系统开销）。如果把 5G 信号比作一列飞驰的高铁：

CP (循环前缀) 就像是每节车厢之间的**"防撞缓冲器"**。
Pilot (导频/RS) 就像是轨道旁边的**"路标"和车厢上的"校准器"**。

两者虽然都是辅助功能，但处理的维度和作用完全不同。

一、核心区别一览

特性	CP (Cyclic Prefix)	Pilot (Reference Signal / RS)
主要位置	时域 (Time Domain)	频域 + 时域 (Resource Grid)
处理阶段	IFFT 之后 (波形生成后)	IFFT 之前 (填格子时)
对抗的敌人	多径时延 (ISI)	信道畸变 (Fading/Phase Shift)
核心作用	防止前后符号撞车	测量信道质量、辅助解调
5G 关键类型	NCP (普通), ECP (扩展)	DMRS, CSI-RS, PT-RS, SRS

二、 Pilot (导频) 的处理详解在 5G 中，我们不说"Pilot"，而是说 RS (Reference Signal，参考信号)。它的本质是发收双方都已知的一段数据。 1. 为什么要处理 Pilot？信号在空气中传播时，会发生幅度衰减（变弱）和相位旋转（变歪）。

接收端困惑： "收到一个弱弱的信号，它是原本就这么弱，还是因为路太远变弱了？"
Pilot 的解答：基站发送一个标准的 Pilot（比如规定幅度为 1，相位为 0）。
信道估计：接收端收到 Pilot 后发现："幅度变成了 0.5，相位转了 30 度"。
结论： "原来这个信道会把信号减半并旋转 30 度。"于是，接收端把后面收到的所有数据都放大 2 倍并反向转 30 度（均衡），这就还原了数据。

5G 中的关键 Pilot 类型 5G 相比 4G，引入了"精简载波"设计，Pilot 不再一直发，而是按需发送。

DMRS (解调参考信号) ------ 最核心的 Pilot
作用：它是跟着数据走的。有数据发给手机时，才发 DMRS。手机靠它来解调数据。
处理：它的"长相"（波束方向）和数据完全一样，享受同样的波束赋形增益。
位置：也就是通常说的"前置导频"（Front-loaded），放在时隙的最前面，为了让手机尽快解调，降低时延。
PT-RS (相位跟踪参考信号) ------ 5G 特有
作用：专门为了**高频（毫米波）**设计的。
原因：高频振荡器容易抖动（相位噪声）。PT-RS 就像一个极其密集的"校准尺"，专门用来修正这种快速的抖动。
CSI-RS (信道状态信息参考信号)
作用：手机测量一下它的强弱，然后告诉基站："我现在这边的信号质量是 5 分，请用最快的速度发给我"或者"信号很差，请慢点发"。

三、 CP 与 Pilot 的联合处理流程让我们看看这哥俩在信号链条中是如何配合的： 1. 发送端 (Tx) ------ "先插路标，再加保险杠"

资源映射 (Resource Mapping)：

面对一个空白的"时频网格"。
先把 Pilot (DMRS) 填进特定的格子里（比如第 3 行第 4 列）。
再把用户数据填进剩下的格子里。
注意：此时 Pilot 和数据在同一张图上，但互不重叠。

IFFT (生成波形)：

把这张填满的图变成时间波形。

添加 CP (CP Insertion)：

切下波形的尾巴，贴到最前面。
完成！信号发出。

接收端 (Rx) ------ "先拆保险杠，再看路标修路"

去除 CP (CP Removal)：

收到信号的第一件事，粗暴地切掉最前面那段 CP。
原因：里面混有上一个符号的回声（垃圾数据），切掉它就消除了符号间干扰 (ISI)。

FFT (还原网格)：

把剩下的波形变回"时频网格"。

提取 Pilot (Pilot Extraction)：

接收端知道发射端把 Pilot 藏在哪（比如第 3 行第 4 列）。
把那个格子里的数据拿出来。

信道估计 (Channel Estimation)：

用收到的 Pilot 对比标准的 Pilot，算出一张**"畸变地图"**（信道矩阵 H）。

均衡 (Equalization)：

用这张"畸变地图"去修正那些装数据的格子，把数据还原回本来的面目。

总结

CP (循环前缀) 是物理层面的保镖，它牺牲时间资源，保护信号不被"多径回声"撞坏。它的处理非常简单：发端复制粘贴，收端切除扔掉。
Pilot (导频/RS) 是逻辑层面的向导，它牺牲频率/功率资源，告诉接收端"环境有多恶劣，你该怎么修图"。它的处理涉及复杂的数学估算。

两者缺一不可：没有 CP，FFT 窗口对不准；没有 Pilot，解调出来的全是乱码。

2、5G 信道：窄带 vs 宽带，快衰 vs 慢衰

在 5G 通信中，理解**"窄带 vs 宽带"和"快衰 vs 慢衰"，就是理解信号在空气中到底经历了什么折磨**。简单来说：

窄带/宽带描述的是信道对频率是否挑剔（频率选择性）。
快衰/慢衰描述的是信道随时间变化快不快（时间选择性）。

一、窄带 vs 宽带 (Narrowband vs Broadband) 这里的"宽窄"不是指你的网速快慢，而是指信号带宽与信道相干带宽的对比关系。这决定了信号会不会发生"频率选择性衰落"。 1. 核心概念：多径时延

信号从基站发出，走不同的路（直射、反射）到达手机。
反射路比直射路远，所以到达时间晚。这个时间差叫**"多径时延扩展"**。
时延越长，信道在频域上的起伏就越剧烈（就像水波纹越密）。

窄带衰落 (Narrowband / Flat Fading)

定义：你的信号带宽 < 信道的相干带宽。
现象：
信号所占的频段比较窄。
信道对你这段频率"一视同仁"。要强都强，要弱都弱。
结果：整个信号的幅度一起波动（平坦衰落）。
5G 里的处理：虽然 5G 整体是宽带系统，但在 OFDM 技术下，我们将宽带切成了几千个极窄的子载波。对于每一个单独的子载波来说，它经历的就是窄带平坦衰落。这正是 OFDM 的高明之处------化宽为窄，简化均衡。

宽带衰落 (Broadband / Frequency Selective Fading)

定义：你的信号带宽 > 信道的相干带宽。
现象：
信号频段太宽了（比如 100MHz）。
信道在这个频段内"坑坑洼洼"。可能 2.6GHz 处信号很好，但 2.61GHz 处信号被抵消了（深衰落）。
结果：信号波形产生严重的畸变（码间串扰 ISI）。
5G 里的场景：如果看整个 100MHz 的 5G 载波，它绝对是宽带衰落。如果不适用 OFDM 切割，接收端就需要极其复杂的均衡器来修复这种畸变（就像早期的 CDMA 系统那样）。

二、快衰 vs 慢衰 (Fast Fading vs Slow Fading) 这一对描述的是时间维度的变化，主要取决于手机移动速度。 1. 核心概念：多普勒频移

当你移动时，接收到的频率会发生变化（类似救护车声音变调）。
移动越快，多普勒频移越大，信道变化越快。

快衰落 (Fast Fading)

定义：你的符号周期 > 信道的相干时间。
换人话：在你发送一个符号的时间里，信道环境已经变脸了。
场景：高铁、高速公路。
当你以 350km/h 坐高铁时，信道变化极快。可能你刚发完半个字，信道就变了。
5G 的对策：
大子载波间隔 (SCS)： 5G 允许使用更大间隔（如 30kHz, 60kHz）。子载波间隔变大 →→ 符号时间变短。让符号发得足够快，快到信道来不及变脸，我就发完了。
高频次 Pilot (DMRS)：在高铁模式下，DMRS 导频插得更密，时刻监视信道变化。

慢衰落 (Slow Fading)

定义：你的符号周期 < 信道的相干时间。
换人话：信道变化很慢，在你发完几百个符号后，信道状态才变一点点。
场景：步行、坐在咖啡厅里。
主要受阴影效应影响（比如你走到大楼后面被挡住了）。
5G 的对策：
这是最舒服的场景。利用 AMC (自适应调制编码)。
基站发现你信号变差了（慢衰），就自动降低网速（从 256QAM 降到 QPSK），等你走出阴影再升回去。
功率控制：信号弱了就吼大声点。

三、总结：5G 如何应对这四种组合？我们可以画一个二维坐标系：

维度	现象	5G 的核心解法
频域	宽带衰落 (频率选择性)	OFDM：把你切成无数个窄带子载波，化敌为友。
时域	快衰落 (时间选择性)	SCS (子载波间隔)：增加间隔，缩短符号时间；<br>DMRS：增加前置导频密度。

最恶劣的场景（双选信道）：宽带 + 快衰（比如你在高铁上用 100MHz 带宽看 4K 视频）。这时候信道既在频率上坑坑洼洼，又在时间上变幻莫测。 5G 的应对是：OFDM 切片 + 缩短符号周期 + 密集的导频 + 强大的 LDPC 纠错。

3、信道相干时间和相干带宽

相干时间 (Coherence Time) 和相干带宽 (Coherence Bandwidth) 是无线通信教材里最让人头晕的两个概念。

但只要换个角度，它们其实是在描述同一个道理："信道能保持'性格稳定'的极限范围是多少？"

我们可以把信道比作一个**"喜怒无常的考官"**。

一、相干时间 (Coherence Time, Tc) ------ 考官心情变脸有多快？

定义：信道在时间域上保持相对稳定的最大时间间隔。

直白解释：
考官（信道）现在心情很好（信号强）。
相干时间就是：由于你跑得太快（多普勒效应），考官的心情多久会变一次？
在这个时间内，信道对信号的影响（放大倍数、相位旋转）基本是常数。
超过这个时间，信道就"变脸"了，之前的经验（信道估计）就作废了。
决定因素：移动速度（多普勒频移）。
你坐着不动：考官心情很稳，相干时间很长（慢衰落）。
你坐高铁：考官变脸极快，相干时间极短（快衰落）。
公式关系： $$ T_c \approx \frac{1}{f_m} $$ （fm 是最大多普勒频移。跑得越快，fm 越大，Tc 越短）。

二、相干带宽 (Coherence Bandwidth, BcBc) ------ 考官对不同科目的态度有多一致？

定义：信道在频率域上保持特性相似的最大频率范围。

直白解释：
你同时考语文（频率 A）和数学（频率 B）。
相干带宽就是：考官对这两门课的评分标准是否一致？
在相干带宽内：考官是一视同仁的。如果语文给高分，数学也给高分（平坦衰落）。
超过相干带宽：考官就是"双标"的。可能语文给 100 分，数学直接给 0 分（频率选择性衰落）。
决定因素：多径时延扩展（Multipath Delay Spread, ττ）。
空旷草原（无反射）：回声极少，时延扩展极小。考官对所有频率态度一致，相干带宽很大。
复杂市区（到处乱反射）：回声延迟很长且乱。不同频率的波峰波谷相互抵消的位置不同。考官极度挑剔，相干带宽很窄。
公式关系： $$ B_c \approx \frac{1}{\tau} $$ （τ 是多径时延扩展。环境越复杂，回声拖得越久，Bc 越窄，信道越容易在不同频率上表现出不同特性）。

三、总结对比图

概念	维度	影响因素	物理含义	5G 的应对
相干时间 (TcTc)	时间	速度 (多普勒频移)	"保质期"<br>在这个时间内，信道状态不变。	如果 Tc 很短 (高铁)，就要发更短的符号 (SCS 变大)，并在每个时隙里多插几次导频。
相干带宽 (BcBc)	频率	环境 (多径时延)	"平坦区"<br>在这个频段内，信道响应平坦。	如果信号带宽 > Bc (宽带)，就要用 OFDM 把信号切碎，保证每个子载波的宽度 < Bc。

一句话记忆法：

相干时间衡量 "变脸快慢"（怕你跑得快）。
相干带宽衡量 "挑剔程度"（怕你环境乱）。

4、无线信道模型

第一层：宏观与微观 (大尺度 vs 小尺度)

这是对信号衰减最直观的分类：

大尺度衰落 (Large-scale Fading) 描述的是长距离、大范围的信号变化。

路径损耗 (Path Loss)：距离越远，信号越弱。这是物理定律（能量扩散）。
阴影衰落 (Shadowing)：就像光线被云挡住一样。当你走到大楼背面，信号突然下降。通常用对数正态分布 (Log-normal) 来模拟。

小尺度衰落 (Small-scale Fading) 描述的是几厘米、几毫秒内的剧烈波动。

多径效应 (Multipath)：主要是由反射波和直射波叠加引起的。哪怕你只动了一下手指，信号强度可能就变了 10dB。

第二层：经典统计模型 (教科书级)

这些是通信原理中最基础的数学模型，用来描述小尺度衰落的概率分布：

AWGN (加性高斯白噪声) 模型

场景：真空实验室 / 外太空。
特点：没有反射，没有衰落，只有背景热噪声。
地位：这是所有通信系统的**"及格线"**。如果你的算法在 AWGN 下都跑不通，那就别出门了。

Rayleigh (瑞利) 信道模型

场景：密集的城市中心 (无直射径 NLOS)。
特点：基站和手机之间被楼房挡得严严实实，收到的全是反射信号，没有主信号。
地位：移动通信最常用的"恶劣环境"测试基准。

Rician (莱斯) 信道模型

场景：乡村 / 开阔地 (有直射径 LOS)。
特点：能看到基站铁塔（有一路强直射），同时也有一些地面反射。
K因子：用来衡量直射信号有多强。K=0 就是瑞利信道；K=无穷大就是 AWGN。

第三层：现代工业标准模型 (3GPP 38.901)

到了 4G/5G 时代，简单的瑞利模型不够用了，因为我们需要模拟 MIMO（多天线）和高频（毫米波）。

5G 标准（3GPP TR 38.901）定义了目前业界通用的信道模型，核心分为两类：

TDL (Tapped Delay Line，抽头延时线) 模型

用途：简化版测试。主要用于测试接收机的解调性能（吞吐量）。
原理：把信道简化为几个"回声点"（Tap）。比如：0时刻到一个，延迟1us到一个，延迟3us到一个。不考虑信号是从哪个角度飞过来的。
典型名称： TDL-A, TDL-B, TDL-C... (代表不同的多径环境)。

CDL (Clustered Delay Line，簇延时线) 模型

用途：完整版测试。专门用于测试 MIMO 和波束赋形。
原理：极其复杂。它不仅定义了回声的延迟，还定义了**"角度"**（AoA/AoD，到达角/离开角）。
因为 5G Massive MIMO 需要知道信号是从左边来的还是上边来的，才能把波束对准你。只有 CDL 模型包含这些空间信息。

典型名称： CDL-A, CDL-B... (A/B/C 代表非视距，D/E 代表视距)。

总结：应该用哪个？

你在做什么？	推荐模型	备注
理论推导 / 写论文	Rayleigh / Rician	数学表达式简单，容易算闭式解。
测 5G 手机解调能力	3GPP TDL	行业标准，不关心天线方向，只关心多径延迟。
测 5G 波束赋形算法	3GPP CDL	必须包含空间角度信息 (3D信道)。
车联网 (V2X)	V2V 模型 (高速双选)	考虑到车和车都在高速移动，多普勒效应极严重。

简单比喻：

AWGN 是平整的高速公路。
Rayleigh 是没有路灯、全是死胡同的迷宫（城市）。
3GPP CDL 是为你量身定制的 3D 虚拟城市地图，连每栋楼反射的角度都算好了。