Podstawy zanikania sygnału i rodzaje zanikania sygnału w komunikacji bezprzewodowej

Biorąc pod uwagę różne rodzaje zakłóceń sygnału związanych z kanałami i położeniem nadajnika/odbiornika, przedstawiono poniższe typy zanikania sygnału w systemach komunikacji bezprzewodowej.
➤Zanikanie na dużą skalę: obejmuje utratę ścieżki i efekty cieniowania.
➤Zanikanie sygnału w małej skali: dzieli się na dwie główne kategorie: zanikanie wielodrożne i zanikanie Dopplera. Zanikanie wielodrożne dzieli się dalej na zanikanie płaskie i zanikanie z selektywną częstotliwością. Zanikanie Dopplera dzieli się na zanikanie szybkie i zanikanie wolne.
➤Modele zanikania: Powyższe typy zanikania są implementowane w różnych modelach lub dystrybucjach, w tym Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull itp.

Jak wiemy, zanikanie sygnału powstaje w wyniku odbić od podłoża i otaczających budynków, a także sygnałów rozproszonych od drzew, ludzi i wież znajdujących się na dużym obszarze. Istnieją dwa rodzaje zanikania sygnału: zanikanie na dużą skalę i zanikanie na małą skalę.

1.) Zanikanie na dużą skalę

Zanik sygnału na dużą skalę występuje, gdy między nadajnikiem a odbiornikiem pojawia się przeszkoda. Ten rodzaj interferencji powoduje znaczną redukcję siły sygnału. Dzieje się tak, ponieważ fala elektromagnetyczna jest przesłaniana lub blokowana przez przeszkodę. Jest to związane z dużymi wahaniami sygnału w zależności od odległości.

1.a) Utrata ścieżki

Straty ścieżki w wolnej przestrzeni można wyrazić następująco.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)²/ λ²} = (4*π*f*d)²/c²
Gdzie,
Pt = Moc nadawania
Pr = Moc odbiorcza
λ = długość fali
d = odległość między anteną nadawczą i odbiorczą
c = prędkość światła, czyli 3 x 10⁸

Z równania wynika, że ​​przesyłany sygnał ulega osłabieniu wraz z odległością, ponieważ sygnał rozprzestrzenia się na coraz większym obszarze od końca nadawczego do końca odbiorczego.

1.b) Efekt zacienienia

• Zjawisko to obserwuje się w komunikacji bezprzewodowej. Zacienianie to odchylenie mocy odbieranego sygnału elektromagnetycznego od wartości średniej.
• Jest to wynik przeszkód na drodze pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.
• Zależy to od położenia geograficznego oraz częstotliwości radiowej fal EM (elektromagnetycznych).

2. Zanikanie na małą skalę

Zanik sygnału na małą skalę wiąże się z szybkimi wahaniami siły odbieranego sygnału na bardzo małej odległości i w krótkim okresie czasu.

Na podstawierozprzestrzenianie się opóźnienia wielodrogowegoIstnieją dwa rodzaje zanikania na małą skalę: zanikanie płaskie i zanikanie selektywne częstotliwościowo. Te typy zanikania wielodrogowego zależą od środowiska propagacji.

2.a) Płaskie zanikanie

Kanał bezprzewodowy nazywamy kanałem o płaskim zanikaniu, jeżeli charakteryzuje się stałym wzmocnieniem i liniową odpowiedzią fazową w paśmie większym niż pasmo przesyłanego sygnału.

W tym typie zanikania wszystkie składowe częstotliwości odbieranego sygnału ulegają równoczesnym fluktuacjom w tych samych proporcjach. Jest to również znane jako zanikanie nieselektywne.

• Sygnał BW << Kanał BW
• Okres symbolu >> Rozprzestrzenianie się opóźnienia

Efekt płaskiego zanikania sygnału jest widoczny jako spadek współczynnika SNR. Te kanały o płaskim zanikaniu sygnału są znane jako kanały o zmiennej amplitudzie lub kanały wąskopasmowe.

2.b) Zanikanie selektywne częstotliwościowo

Wpływa na różne składowe widmowe sygnału radiowego o różnych amplitudach. Stąd nazwa „selektywne zanikanie”.

• Sygnał BW > Kanał BW
• Okres symbolu < Rozprzestrzenianie się opóźnienia

Na podstawierozproszenie DoppleraIstnieją dwa rodzaje zanikania sygnału: szybkie zanikanie i wolne zanikanie. Te typy zanikania z rozproszeniem Dopplera zależą od prędkości urządzenia mobilnego, tj. prędkości odbiornika względem nadajnika.

2.c) Szybkie zanikanie

Zjawisko szybkiego zanikania jest reprezentowane przez szybkie fluktuacje sygnału na małych obszarach (tj. szerokości pasma). Gdy sygnały docierają ze wszystkich kierunków na płaszczyźnie, szybkie zanikanie będzie obserwowane we wszystkich kierunkach ruchu.

Szybkie zanikanie występuje, gdy odpowiedź impulsowa kanału zmienia się bardzo szybko w trakcie trwania symbolu.

• Duże rozproszenie Dopplera
• Okres symbolu > Czas spójności
• Zmiana sygnału < Zmiana kanału

Parametry te powodują dyspersję częstotliwości lub selektywne zanikanie sygnału w czasie z powodu efektu Dopplera. Szybkie zanikanie sygnału jest wynikiem odbić lokalnych obiektów i ruchu obiektów względem tych obiektów.

W przypadku szybkiego zanikania, sygnał odbiorczy jest sumą wielu sygnałów odbitych od różnych powierzchni. Sygnał ten jest sumą lub różnicą wielu sygnałów, które mogą być konstruktywne lub destruktywne w zależności od względnego przesunięcia fazowego między nimi. Relacje fazowe zależą od prędkości ruchu, częstotliwości transmisji i względnych długości ścieżek.

Szybkie zanikanie zniekształca kształt impulsu pasma podstawowego. To zniekształcenie jest liniowe i tworzyISI(Interferencja między symbolami). Adaptacyjna korekcja redukuje interferencję między symbolami (ISI) poprzez usunięcie zniekształceń liniowych indukowanych przez kanał.

2.d) Powolne zanikanie

Powolne zanikanie jest wynikiem cieni rzucanych przez budynki, wzgórza, góry i inne obiekty znajdujące się na ścieżce.

• Niskie rozproszenie Dopplera
• Okres symbolu <
• Zmiany sygnału >> Zmiany kanału

Implementacja modeli zanikania lub rozkładów zanikania

Implementacje modeli zanikania lub rozkładów zanikania obejmują zanikanie Rayleigha, zanikanie Riciana, zanikanie Nakagamiego i zanikanie Weibulla. Te rozkłady lub modele kanałów zostały zaprojektowane w celu uwzględnienia zanikania w sygnale danych pasma podstawowego zgodnie z wymaganiami profilu zanikania.

Zanikanie Rayleigha

• W modelu Rayleigha symulowane są tylko komponenty niewidoczne (NLOS) między nadajnikiem a odbiornikiem. Zakłada się, że między nadajnikiem a odbiornikiem nie istnieje ścieżka LOS.
• MATLAB udostępnia funkcję „rayleighchan” do symulacji modelu kanału Rayleigha.
• Moc rozkłada się wykładniczo.
• Faza jest równomiernie rozłożona i niezależna od amplitudy. Jest to najczęściej stosowany rodzaj zanikania sygnału w komunikacji bezprzewodowej.

Zanikanie Rician

• W modelu Rician symulowane są zarówno elementy linii wzroku (LOS), jak i elementy nieliniowości wzroku (NLOS) pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.
• MATLAB udostępnia funkcję „ricianchan” do symulacji modelu kanału rician.

Zanikanie Nakagami

Kanał zanikający Nakagamiego to model statystyczny używany do opisu kanałów komunikacji bezprzewodowej, w których odbierany sygnał ulega wielodrożnemu zanikowi. Reprezentuje on środowiska o umiarkowanym lub silnym zaniku sygnału, takie jak obszary miejskie i podmiejskie. Poniższe równanie można wykorzystać do symulacji modelu kanału zanikającego Nakagamiego.