2.5.2　通信信道

通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道可分为物理信道和逻辑信道。物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质和有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送和接收数据信号的双方通过中间节点所实现的逻辑通路，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。

物理信道根据传输介质的不同可分为有线信道和无线信道，本节主要讨论无线信道（本节所述信道均为无线信道）。通信信号被发射源发出后，以电磁波的形式在空间传播，最终被接收端接收。无线通信发送方和接收方之间不存在有形的连接，而是看不见的连接。

1. 无线通信信道的传播特性

无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接收机之间的无线传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到由各种复杂的物体（如建筑物、山脉和树叶等）所引起的反射、绕射和散射传播等。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，它具有极大的随机性。而且，接收机相对于发射机无线信号的方向和速度，甚至收发双方附近的无线物体也对接收信号有很大的影响。因此，可以认为无线的传播环境是一种随时间、环境及其他外部因素而变化的传播环境。

在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：反射、绕射和散射。反射发生在当电磁波遇到比波长大得多的物体时，常发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。反射波和传输波的电场强度取决于菲涅尔（Fresnel）反射系数Γ，反射系数是材料的函数，并与入射波的极性、入射角和频率有关。

绕射发生在当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，阻挡物表面产生的二次波散布于空间，包括阻挡物的背面。在高频波段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点处入射波的振幅、相位和极化情况。绕射使得无线电信号绕着地球表面传播，能够传播到阻挡物的背面。尽管当接收机移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减得非常迅速，但绕射场依然存在并常常有足够大的强度。

散射发生在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物的个数非常多时，散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会发生散射。

无线通信信道中的电波传播示意图如图2.4所示。

2. 自由空间信道

自由空间信道是一种理想的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道。如图2.5所示，假定信号发射源是一个点（点a），天线辐射功率为Pt，传播空间是自由空间，则与点a相距的任一点上（相当于面积为4πd2的球面上单位面积）的功率（通量）密度为

式中，Pt/P0=4πd2，称为传播因子。

在实际的无线通信系统中，真正的全向型天线是不存在的，实际天线都是存在方向性的，一般用天线增益来表示。如发射天线在某方向的增益为G1，则在该方向的功率密度增加为G1倍，那么与发射天线相距d处的点上单位面积接收功率为Pt/G1=4πd2（W/m2）。

对于接收天线而言，增益可以理解为天线接收定向电波功率的能力。根据电磁场理论，接收天线的增益G2与有效面积Ae和工作的电磁波长有关，接收天线增益与天线有效面积Ae的关系为

则与发射机相距d的接收机接收到的信号载波功率为

将式（2.1）代入式（2.2）可得

这就是著名的弗里斯（Friis）传输公式，它表明了接收天线的接收功率和发射天线的发射功率之间的关系。其中，Lfs称为自由空间传播损耗（Path Loss），只与λ、d有关。考虑到当电磁波在空间传播时，空间并不是理想的（如气候因素），假设由气候影响带来的损耗为Ls，则接收天线接收功率可表示为

则收发天线之间总的损耗可以表示为

3. 多径信道

在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物，如楼房、高大建筑物或山丘等，它们会使电波产生反射、折射或衍射等。因此，到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象称为多径传播。

对于无线传感器网络而言，其通信大都是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面较近，所以对于一般的场景（如走廊），可以认为它主要存在三条路径，即障碍物反射、直射和地面反射。

为了分析方便，下面以地面反射波对直射波的影响为例进行简述，如图2.6所示。设直射波信号和地面反射波信号到达接收天线的路径分别为r1和r2，高度分别为ht和hr，二者之间的水平距离为d，地面反射波面的入射切角为ψ。

接收信号场强可表示两径场的矢量和，即

式中，Г为反射系数，它取决于表面特性、入射切角、射频频率、极化方向（水平或垂直）；θ、θ1、θ2分别是各自场强的角度。如果入射切角很小，不管水平极化还是垂直极化，|Г|=1，则直射波与地面反射波的路径差为

如果，则式（2.6）可表示为

路径相位差为。若反射信号与直射信号幅度相等，即E1=E2= E3=E，则接收信号幅度为

式中，变化范围为0~2E，取决于∆φ。若（如有时节点布置在较低的位置，1 m左右），则，此时接收信号幅度可表示为

4. 加性噪声信道

对于噪声通信信道，最简单的数学模型是加性噪声信道，如图2.7所示。图中，传输信号s(t)被一个附加的随机噪声n(t)所污染。加性噪声可能来自电子元件和系统接收端的放大器，或传输中受到的干扰，无线传输主要采用这种模型。

如果噪声主要是由电子元件和系统接收端的放大器引入的，则称为热噪声，在统计学上表征为高斯噪声。因此，该数学模型称为加性高斯白噪声信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型。由于该模型可以广泛地应用于许多通信信道，且它在数学上易处理，所以这是在目前通信系统分析和设计中主要应用的信道模型。信道衰减很容易结合这个模型，当信号遇到衰减时，则接收到的信号为

式中，a表示衰减因子。