Αυτή η σελίδα περιγράφει τα βασικά στοιχεία της εξασθένισης και τους τύπους εξασθένισης στην ασύρματη επικοινωνία. Οι τύποι εξασθένισης χωρίζονται σε εξασθένιση μεγάλης κλίμακας και εξασθένιση μικρής κλίμακας (διασπορά καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομών και εξάπλωση Doppler).
Η επίπεδη εξασθένηση και η εξασθένηση με επιλογή συχνότητας αποτελούν μέρος της εξασθένισης πολλαπλών διαδρομών, ενώ η γρήγορη εξασθένηση και η αργή εξασθένηση αποτελούν μέρος της εξασθένισης με διάχυτη διάχυση Doppler. Αυτοί οι τύποι εξασθένισης υλοποιούνται σύμφωνα με τις κατανομές ή τα μοντέλα Rayleigh, Rician, Nakagami και Weibull.
Εισαγωγή:
Όπως γνωρίζουμε, το ασύρματο σύστημα επικοινωνίας αποτελείται από πομπό και δέκτη. Η διαδρομή από τον πομπό στον δέκτη δεν είναι ομαλή και το μεταδιδόμενο σήμα μπορεί να περάσει από διάφορα είδη εξασθενήσεων, όπως απώλεια διαδρομής, εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών κ.λπ. Η εξασθένηση του σήματος μέσω της διαδρομής εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Αυτοί είναι ο χρόνος, η ραδιοσυχνότητα και η διαδρομή ή η θέση του πομπού/δέκτη. Το κανάλι μεταξύ πομπού και δέκτη μπορεί να μεταβάλλεται χρονικά ή να είναι σταθερό, ανάλογα με το αν οι πομποί/δέκτες είναι σταθεροί ή κινούνται ο ένας ως προς τον άλλον.
Τι είναι το ξεθώριασμα;
Η χρονική μεταβολή της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος λόγω αλλαγών στο μέσο μετάδοσης ή στις διαδρομές είναι γνωστή ως εξασθένηση (fading). Η εξασθένηση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Σε σταθερό σενάριο, η εξασθένηση εξαρτάται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η βροχόπτωση, οι αστραπές κ.λπ. Σε κινητό σενάριο, η εξασθένηση εξαρτάται από εμπόδια στη διαδρομή, τα οποία μεταβάλλονται ως προς το χρόνο. Αυτά τα εμπόδια δημιουργούν σύνθετα φαινόμενα μετάδοσης στο μεταδιδόμενο σήμα.
Το σχήμα-1 απεικονίζει το διάγραμμα πλάτους έναντι απόστασης για τύπους αργής και γρήγορης εξασθένισης, τους οποίους θα συζητήσουμε αργότερα.
Τύποι ξεθωριάσματος
Λαμβάνοντας υπόψη διάφορες βλάβες που σχετίζονται με το κανάλι και τη θέση του πομπού/δέκτη, οι ακόλουθοι τύποι εξασθένισης σε ασύρματα συστήματα επικοινωνίας είναι οι ακόλουθοι.
➤Μεγάλη εξασθένιση κλίμακας: Περιλαμβάνει απώλεια διαδρομής και εφέ σκίασης.
➤Μικρή Κλίμακα Εξασθένισης: Χωρίζεται σε δύο κύριες κατηγορίες, την εξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομών και την εξάπλωση Doppler. Η εξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομών διαιρείται περαιτέρω σε επίπεδη εξασθένιση και εξασθένιση επιλεκτικής συχνότητας. Η εξάπλωση Doppler διαιρείται σε γρήγορη εξασθένιση και αργή εξασθένιση.
➤Μοντέλα εξασθένισης: Οι παραπάνω τύποι εξασθένισης εφαρμόζονται σε διάφορα μοντέλα ή κατανομές που περιλαμβάνουν τα Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull κ.λπ.
Όπως γνωρίζουμε, τα σήματα εξασθένισης εμφανίζονται λόγω ανακλάσεων από το έδαφος και τα γύρω κτίρια, καθώς και διάσπαρτων σημάτων από δέντρα, ανθρώπους και πύργους που υπάρχουν στην μεγάλη περιοχή. Υπάρχουν δύο τύποι εξασθένισης, η εξασθένιση μεγάλης κλίμακας και η εξασθένιση μικρής κλίμακας.
1.) Μεγάλης κλίμακας ξεθώριασμα
Η μεγάλης κλίμακας εξασθένιση συμβαίνει όταν ένα εμπόδιο παρεμβάλλεται μεταξύ πομπού και δέκτη. Αυτός ο τύπος παρεμβολής προκαλεί σημαντική μείωση της ισχύος του σήματος. Αυτό συμβαίνει επειδή το ηλεκτρομαγνητικό κύμα σκιάζεται ή μπλοκάρεται από το εμπόδιο. Σχετίζεται με μεγάλες διακυμάνσεις του σήματος σε σχέση με την απόσταση.
1.α) Απώλεια διαδρομής
Η απώλεια διαδρομής ελεύθερου χώρου μπορεί να εκφραστεί ως εξής.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Οπου,
Pt = Ισχύς μετάδοσης
Pr = Λήψη ισχύος
λ = μήκος κύματος
d = απόσταση μεταξύ κεραίας εκπομπής και κεραίας λήψης
c = ταχύτητα του φωτός, δηλαδή 3 x 108
Από την εξίσωση προκύπτει ότι το μεταδιδόμενο σήμα εξασθενεί με την πάροδο της απόστασης καθώς το σήμα εξαπλώνεται σε όλο και μεγαλύτερη περιοχή από το άκρο μετάδοσης προς το άκρο λήψης.
1.β) Εφέ σκίασης
• Παρατηρείται στην ασύρματη επικοινωνία. Η σκίαση είναι η απόκλιση της λαμβανόμενης ισχύος του ηλεκτρομαγνητικού σήματος από τη μέση τιμή.
• Είναι αποτέλεσμα εμποδίων στη διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση καθώς και από τη ραδιοσυχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (EM).
2. Μικρής κλίμακας ξεθώριασμα
Η μικρής κλίμακας εξασθένηση αφορά τις γρήγορες διακυμάνσεις της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος σε πολύ μικρή απόσταση και σύντομο χρονικό διάστημα.
Με βάσηεξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομώνΥπάρχουν δύο τύποι εξασθένισης μικρής κλίμακας, η επίπεδη εξασθένιση και η εξασθένιση επιλεκτικής συχνότητας. Αυτοί οι τύποι εξασθένισης πολλαπλών διαδρομών εξαρτώνται από το περιβάλλον διάδοσης.
2.α) Επίπεδη εξασθένιση
Ένα ασύρματο κανάλι λέγεται ότι έχει επίπεδη εξασθένηση (flat fading) εάν έχει σταθερό κέρδος και γραμμική απόκριση φάσης σε εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος.
Σε αυτόν τον τύπο εξασθένισης, όλες οι συνιστώσες συχνότητας του λαμβανόμενου σήματος κυμαίνονται ταυτόχρονα στις ίδιες αναλογίες. Είναι επίσης γνωστή ως μη επιλεκτική εξασθένιση.
• Σήμα BW << Κανάλι BW
• Περίοδος συμβόλου >> Διασπορά καθυστέρησης
Το αποτέλεσμα της επίπεδης εξασθένισης θεωρείται ως μείωση του SNR. Αυτά τα κανάλια επίπεδης εξασθένισης είναι γνωστά ως κανάλια μεταβαλλόμενου πλάτους ή κανάλια στενής ζώνης.
2.β) Επιλεκτική συχνότητα εξασθένισης
Επηρεάζει διαφορετικά φασματικά στοιχεία ενός ραδιοσήματος με διαφορετικά πλάτη. Εξ ου και η ονομασία επιλεκτική εξασθένηση.
• Σήμα BW > Κανάλι BW
• Περίοδος συμβόλου < Καθυστέρηση Διασποράς
Με βάσηδιάδοση ΝτόπλερΥπάρχουν δύο τύποι εξασθένισης, η γρήγορη εξασθένιση και η αργή εξασθένιση. Αυτοί οι τύποι εξασθένισης με διάχυση Doppler εξαρτώνται από την ταχύτητα του κινητού, δηλαδή την ταχύτητα του δέκτη σε σχέση με τον πομπό.
2.γ) Γρήγορη εξασθένιση
Το φαινόμενο της γρήγορης εξασθένισης αντιπροσωπεύεται από γρήγορες διακυμάνσεις του σήματος σε μικρές περιοχές (δηλαδή εύρος ζώνης). Όταν τα σήματα φτάνουν από όλες τις κατευθύνσεις στο επίπεδο, θα παρατηρηθεί γρήγορη εξασθένιση για όλες τις κατευθύνσεις κίνησης.
Η γρήγορη εξασθένηση συμβαίνει όταν η απόκριση ώθησης του καναλιού αλλάζει πολύ γρήγορα εντός της διάρκειας του συμβόλου.
• Υψηλή εξάπλωση Doppler
• Περίοδος συμβόλου > Χρόνος συνοχής
• Μεταβολή Σήματος < Μεταβολή Καναλιού
Αυτές οι παράμετροι οδηγούν σε διασπορά συχνότητας ή χρονικά επιλεκτική εξασθένηση λόγω της εξάπλωσης Doppler. Η γρήγορη εξασθένηση είναι αποτέλεσμα των ανακλάσεων τοπικών αντικειμένων και της κίνησης των αντικειμένων σε σχέση με αυτά τα αντικείμενα.
Στην ταχεία εξασθένηση, το σήμα λήψης είναι το άθροισμα πολυάριθμων σημάτων που ανακλώνται από διάφορες επιφάνειες. Αυτό το σήμα είναι το άθροισμα ή η διαφορά πολλαπλών σημάτων που μπορούν να είναι εποικοδομητικά ή καταστροφικά με βάση τη σχετική μετατόπιση φάσης μεταξύ τους. Οι σχέσεις φάσης εξαρτώνται από την ταχύτητα κίνησης, τη συχνότητα μετάδοσης και τα σχετικά μήκη διαδρομής.
Η γρήγορη εξασθένηση παραμορφώνει το σχήμα του παλμού βασικής ζώνης. Αυτή η παραμόρφωση είναι γραμμική και δημιουργείISI(Παρεμβολή Διασυμβόλων). Η προσαρμοστική ισοστάθμιση μειώνει το ISI αφαιρώντας τη γραμμική παραμόρφωση που προκαλείται από το κανάλι.
2.δ) Αργή εξασθένηση
Η αργή εξασθένηση είναι αποτέλεσμα της σκίασης από κτίρια, λόφους, βουνά και άλλα αντικείμενα πάνω από τη διαδρομή.
• Χαμηλή διάδοση Doppler
• Σύμβολο περίοδος <
• Μεταβολή Σήματος >> Μεταβολή Καναλιού
Υλοποίηση μοντέλων Fading ή κατανομών fading
Οι υλοποιήσεις μοντέλων fading ή κατανομών fading περιλαμβάνουν fading Rayleigh, fading Rician, fading Nakagami και fading Weibull. Αυτές οι κατανομές ή μοντέλα καναλιών έχουν σχεδιαστεί για να ενσωματώνουν fading στο σήμα δεδομένων βασικής ζώνης σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προφίλ fading.
Το ξεθώριασμα του Rayleigh
• Στο μοντέλο Rayleigh, προσομοιώνονται μόνο στοιχεία εκτός οπτικής επαφής (NLOS) μεταξύ πομπού και δέκτη. Υποτίθεται ότι δεν υπάρχει διαδρομή LOS μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Το MATLAB παρέχει τη συνάρτηση "rayleighchan" για την προσομοίωση του μοντέλου καναλιού rayleigh.
• Η ισχύς κατανέμεται εκθετικά.
• Η φάση είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη και ανεξάρτητη από το πλάτος. Είναι ο πιο χρησιμοποιούμενος τύπος Fading στην ασύρματη επικοινωνία.
Η εξασθένηση της Ρικίας
• Στο μοντέλο της Ρωσικής Οπτικής, προσομοιώνονται τόσο τα στοιχεία της Γραμμής Οπτικής Οπτικής (LOS) όσο και τα στοιχεία που δεν ανήκουν στη Γραμμή Οπτικής Οπτικής (NLOS) μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Το MATLAB παρέχει τη συνάρτηση "ricianchan" για την προσομοίωση του μοντέλου καναλιού rician.
Ο Νακαγκάμι ξεθωριάζει
Το κανάλι Nakagami fadding είναι ένα στατιστικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περιγραφή ασύρματων καναλιών επικοινωνίας στα οποία το λαμβανόμενο σήμα υφίσταται εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών. Αντιπροσωπεύει περιβάλλοντα με μέτρια έως σοβαρή εξασθένηση, όπως αστικές ή προαστιακές περιοχές. Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του μοντέλου καναλιού Nakagami fading.
• Σε αυτήν την περίπτωση συμβολίζουμε h = r*ejΦκαι η γωνία Φ κατανέμεται ομοιόμορφα στο [-π, π]
• Οι μεταβλητές r και Φ θεωρούνται αμοιβαία ανεξάρτητες.
• Το pdf του Nakagami εκφράζεται όπως παραπάνω.
• Στο pdf του Νακαγκάμι, 2σ2= E{r2}, Γ(.) είναι η συνάρτηση Γάμμα και k >= (1/2) είναι το σχήμα που εξασθενεί (βαθμοί ελευθερίας που σχετίζονται με τον αριθμό των προστιθέμενων τυχαίων μεταβλητών Gaussion).
• Αρχικά αναπτύχθηκε εμπειρικά με βάση μετρήσεις.
• Η στιγμιαία ισχύς λήψης κατανέμεται γάμμα. • Με k = 1 Rayleigh = Nakagami
Ξεθώριασμα του Weibull
Αυτό το κανάλι είναι ένα άλλο στατιστικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του ασύρματου καναλιού επικοινωνίας. Το κανάλι εξασθένισης Weibull χρησιμοποιείται συνήθως για την αναπαράσταση περιβαλλόντων με διάφορους τύπους συνθηκών εξασθένισης, συμπεριλαμβανομένων τόσο ασθενών όσο και σοβαρών εξασθένισης.
Οπου,
2σ2= E{r2}
• Η κατανομή Weibull αντιπροσωπεύει μια άλλη γενίκευση της κατανομής Rayleigh.
• Όταν τα X και Y είναι iid μηδενικές μέσες γκαουσιανές μεταβλητές, η περιβάλλουσα του R = (X2+ Υ2)1/2είναι κατανεμημένο Rayleigh. • Ωστόσο, η περιβάλλουσα ορίζεται R = (X2+ Υ2)1/2, και το αντίστοιχο pdf (προφίλ κατανομής ισχύος) διανέμεται από την Weibull.
• Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του μοντέλου εξασθένισης Weibull.
Σε αυτήν τη σελίδα έχουμε εξετάσει διάφορα θέματα σχετικά με το fading, όπως τι είναι το fading channel, οι τύποι του, τα μοντέλα fading, οι εφαρμογές τους, οι λειτουργίες τους κ.ο.κ. Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει τις πληροφορίες που παρέχονται σε αυτήν τη σελίδα για να συγκρίνει και να εξαγάγει τη διαφορά μεταξύ του fading μικρής κλίμακας και του fading μεγάλης κλίμακας, τη διαφορά μεταξύ του flat fading και του fading επιλεκτικής συχνότητας, τη διαφορά μεταξύ του fast fading και του slow fading, τη διαφορά μεταξύ του fading rayleigh και του fading rician κ.ο.κ.
E-mail:info@rf-miso.com
Τηλέφωνο: 0086-028-82695327
Ιστότοπος: www.rf-miso.com
Ώρα δημοσίευσης: 14 Αυγούστου 2023
