第二章 信道特性与传播模型：自由空间传播损耗、多径效应、多普勒频移、大气吸收与降雨衰减

各位工程师朋友，大家好。今天我们聊聊无人机通信里最基础、也最绕不开的话题——信道特性。

说实话，我刚入行那会儿，总觉得信道模型是书本上的东西，跟实际飞无人机关系不大。直到有一次，我在郊区测试一架巡检无人机，明明地面站和飞机直线距离只有3公里，信号却断断续续。后来一查，原来是忘了算自由空间损耗。嗯，从那以后，我再也不敢小看这些模型了。

这一章，我会把自由空间传播损耗、多径效应、多普勒频移、大气吸收和降雨衰减这几个核心概念，掰开揉碎了讲清楚。你想想看，搞懂了这些，你就能预判信号什么时候会掉链子，而不是等掉链子了再手忙脚乱。

2.1 自由空间传播损耗

自由空间传播损耗，说白了就是电磁波在真空中传播时，能量自然发散造成的衰减。虽然我们无人机飞在大气里，但自由空间模型是所有传播模型的基础。

公式很简单，我直接给你：

L_fs = 20 * log10(d) + 20 * log10(f) + 32.44

其中：

• L_fs：自由空间损耗，单位 dB
• d：收发距离，单位 km
• f：工作频率，单位 MHz

举个例子。假设你的无人机工作在2.4 GHz，距离地面站1公里。代入公式：

L_fs = 20 * log10(1) + 20 * log10(2400) + 32.44
     = 0 + 20 * 3.38 + 32.44
     = 67.6 + 32.44
     = 100.04 dB

你看，仅仅1公里，损耗就达到了100 dB。这意味着你的发射功率如果是20 dBm（100 mW），到达接收端就只剩下 -80 dBm了。嗯，这个信号强度，对于大多数接收机来说，已经接近灵敏度极限了。

2.2 多径效应

多径效应，说白了就是信号从发射机到接收机，走了不止一条路。反射、绕射、散射，都会产生多径。

为什么会这样？你想想看，无人机在城市里飞，信号打到高楼、地面、甚至汽车上，都会反射。这些反射信号和直射信号到达接收机的时间不同、相位不同，叠加起来就会造成信号增强或抵消。

多径效应带来的典型问题有两个：

• 频率选择性衰落：某些频率点上的信号被严重衰减，导致误码率飙升。
• 符号间干扰（ISI）：反射信号延迟较大，和前一个符号重叠，干扰当前符号。

我记得有一次，在测试一款图传系统时，无人机悬停在30米高度，画面突然出现马赛克。我一开始以为是干扰，后来用频谱仪一看，发现是地面反射波和直射波刚好相位相反，造成了深度衰落。这就是典型的多径效应。

多径效应的数学描述，常用的是瑞利衰落和莱斯衰落模型：

• 瑞利衰落：适用于没有直射路径的场景，比如城市峡谷、室内。
• 莱斯衰落：适用于存在强直射路径的场景，比如开阔地、高空飞行。

我个人习惯，在无人机视距内飞行时，优先用莱斯模型。因为大部分时候，直射路径是存在的。但一旦进入非视距（NLOS）环境，就得切换到瑞利模型了。

2.3 多普勒频移

多普勒频移，你肯定不陌生。简单说，就是相对运动导致接收频率发生变化。无人机飞得快，这个效应就越明显。

公式也很直接：

f_d = (v / λ) * cos(θ)

其中：

• f_d：多普勒频移，单位 Hz
• v：相对速度，单位 m/s
• λ：波长，单位 m
• θ：运动方向与信号传播方向的夹角

举个例子。无人机以20 m/s（约72 km/h）的速度飞向地面站，工作频率2.4 GHz（波长约0.125 m）。那么：

f_d = (20 / 0.125) * cos(0°)
    = 160 * 1
    = 160 Hz

160 Hz的频移，对于窄带系统来说，已经不能忽略了。如果接收机的频率跟踪环路跟不上，就会导致解调失败。

你可能会问，怎么对抗多普勒频移？常用的方法有：

• 自动频率控制（AFC）：接收机自动跟踪并补偿频移。
• 导频辅助：在发送信号中插入已知的导频符号，接收端根据导频估计频移。
• 增大子载波间隔：牺牲一点频谱效率，换取抗多普勒能力。

2.4 大气吸收与降雨衰减

大气吸收，主要是氧气和水蒸气对电磁波的吸收。频率越高，吸收越严重。尤其是60 GHz附近的氧气吸收峰，和22 GHz附近的水蒸气吸收峰。

对于无人机常用的频段（900 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz），大气吸收的影响其实不大。但如果你用毫米波频段（比如60 GHz），那大气吸收就是个大问题了。

降雨衰减，这个更直观。雨滴会散射和吸收电磁波，导致信号衰减。频率越高，降雨衰减越严重。

我直接给你一个经验公式（ITU-R P.838模型）：

γ_R = k * R^α

其中：

• γ_R：单位距离的降雨衰减，单位 dB/km
• R：降雨强度，单位 mm/h
• k、α：与频率和极化方式有关的系数

举个例子。在2.4 GHz，水平极化，降雨强度10 mm/h（中雨）时，k≈0.0001，α≈1.0。那么：

γ_R = 0.0001 * 10^1.0 = 0.001 dB/km

你看，2.4 GHz在10 mm/h的雨中，衰减几乎可以忽略。但如果是5.8 GHz，同样的降雨强度，衰减可能达到0.01 dB/km。如果是毫米波，比如30 GHz，衰减可能超过1 dB/km。

大气吸收和降雨衰减的应对策略：

• 降低频率：900 MHz比2.4 GHz抗雨衰能力强。
• 增加发射功率：但要注意法规限制。
• 使用分集技术：比如空间分集、频率分集。
• 自适应调制编码：降雨严重时，自动降低调制阶数，保证链路不断。

2.5 综合链路预算示例

说了这么多，我们来做一个完整的链路预算。假设：

• 工作频率：2.4 GHz
• 距离：5 km
• 发射功率：23 dBm（200 mW）
• 发射天线增益：3 dBi
• 接收天线增益：5 dBi
• 接收机灵敏度：-95 dBm
• 降雨强度：5 mm/h

第一步，算自由空间损耗：

L_fs = 20 * log10(5) + 20 * log10(2400) + 32.44
     = 20 * 0.699 + 20 * 3.38 + 32.44
     = 13.98 + 67.6 + 32.44
     = 114.02 dB

第二步，算降雨衰减（2.4 GHz，5 mm/h，k≈0.0001，α≈1.0）：

γ_R = 0.0001 * 5^1.0 = 0.0005 dB/km
总降雨衰减 = 0.0005 * 5 = 0.0025 dB

嗯，几乎可以忽略。

第三步，算接收信号功率：

P_rx = P_tx + G_tx + G_rx - L_fs - 降雨衰减
     = 23 + 3 + 5 - 114.02 - 0.0025
     = -83.0225 dBm

第四步，算链路余量：

链路余量 = P_rx - 灵敏度 = -83.02 - (-95) = 11.98 dB

11.98 dB的余量，对于5 km的视距链路来说，是够用的。但如果遇到大雨（比如50 mm/h），或者多径衰落严重，这个余量可能就不够了。

下一章，我们会讲调制与编码技术。到时候，我会结合今天讲的信道特性，告诉你为什么OFDM和LDPC码在无人机通信中这么流行。咱们下章见。