Podstawy zanikania sygnału i rodzaje zanikania sygnału w komunikacji bezprzewodowej

Biorąc pod uwagę różne rodzaje zakłóceń sygnału w systemach komunikacji bezprzewodowej oraz położenie nadajnika/odbiornika, przedstawiono poniżej typy zaników sygnału.
➤Duża skala zanikania: obejmuje utratę ścieżki i efekty cieniowania.
➤Małe zanikanie: dzieli się na dwie główne kategorie, tj. rozproszenie opóźnienia wielościeżkowego i rozproszenie Dopplera. Rozproszenie opóźnienia wielościeżkowego dzieli się dalej na płaskie zanikanie i zanikanie selektywne częstotliwościowo. Rozproszenie Dopplera dzieli się na szybkie zanikanie i wolne zanikanie.
➤Modele zanikania: Powyższe typy zanikania są implementowane w różnych modelach lub dystrybucjach, w tym Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull itp.

Jak wiemy, zanikanie sygnałów następuje z powodu odbić od podłoża i otaczających budynków, a także rozproszonych sygnałów z drzew, ludzi i wież obecnych na dużym obszarze. Istnieją dwa rodzaje zanikania, tj. zanikanie na dużą skalę i zanikanie na małą skalę.

1.) Wyblaknięcie na dużą skalę

Zanikanie na dużą skalę występuje, gdy przeszkoda pojawia się między nadajnikiem a odbiornikiem. Ten typ zakłóceń powoduje znaczną redukcję siły sygnału. Dzieje się tak, ponieważ fala elektromagnetyczna jest zacieniana 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, gdyż sygnał rozprzestrzenia się na coraz większym obszarze od końca nadawczego do końca odbiorczego.

1.b) Efekt zacienienia

• Obserwuje się to w komunikacji bezprzewodowej. Zacienienie jest odchyleniem mocy otrzymanej sygnału EM od wartości średniej.
• Jest to wynik przeszkód znajdujących się 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 podstawiewielodrożne opóźnienie rozprzestrzenianiaIstnieją dwa typy zanikania na małą skalę, tj. zanikanie płaskie i zanikanie selektywne częstotliwościowo. Te typy zanikania wielościeżkowego zależą od środowiska propagacji.

2.a) Płaskie zanikanie

Mówimy, że kanał bezprzewodowy charakteryzuje się płaskim zanikaniem, 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 fluktuują w tych samych proporcjach jednocześnie. Jest to również znane jako zanikanie nieselektywne.

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

Efekt płaskiego zaniku jest widoczny jako spadek SNR. Te płaskie kanały zaniku są znane jako kanały o zmiennej amplitudzie lub kanały wąskopasmowe.

2.b) Wybiórcze zanikanie częstotliwości

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 typy zanikania, tj. szybkie zanikanie i wolne zanikanie. Te typy zanikania rozprzestrzeniania Dopplera zależą od prędkości mobilnej, 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 dla wszystkich kierunków 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 skutkują dyspersją częstotliwości lub selektywnym zanikaniem w czasie z powodu rozprzestrzeniania się Dopplera. Szybkie zanikanie jest wynikiem odbić lokalnych obiektów i ruchu obiektów względem tych obiektów.

W przypadku szybkiego zanikania, sygnał odbiorczy jest sumą wielu sygnałów, które są odbijane od różnych powierzchni. Ten sygnał jest sumą lub różnicą wielu sygnałów, które mogą być konstruktywne lub destruktywne w oparciu o względne przesunięcie fazowe 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 symboli interferencyjnych). Adaptacyjne wyrównanie redukuje ISI poprzez usuwanie zniekształceń liniowych wywołanych przez kanał.

2.d) Powolne zanikanie

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

• Niskie rozproszenie Dopplera
• Okres symbolu <
• Zmiana sygnału >> Zmiana 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 są zaprojektowane tak, aby uwzględniać zanikanie w sygnale danych pasma podstawowego zgodnie z wymaganiami profilu zanikania.

Zanikanie Rayleigha

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

Zanikanie Rician

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

Zanikanie Nakagami

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