Βασικά στοιχεία εξασθενισμού και τύποι εξασθένισης στην ασύρματη επικοινωνία

Λαμβάνοντας υπόψη τις διάφορες βλάβες που σχετίζονται με το κανάλι και τη θέση του πομπού/δέκτη, ακολουθούν οι τύποι εξασθένισης στο σύστημα ασύρματης επικοινωνίας.
➤Μεγάλη κλίμακα Fading: Περιλαμβάνει απώλεια διαδρομής και εφέ σκίασης.
➤Small Scale Fading: Χωρίζεται σε δύο κύριες κατηγορίες δηλαδή. εξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομών και εξάπλωση doppler. Η εξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομών διαιρείται περαιτέρω σε επίπεδη εξασθένιση και επιλεκτική εξασθένηση συχνότητας. Η εξάπλωση Doppler διακρίνεται σε fast fading και slow fading.
➤Μοντέλα ξεθωριάσματος: Οι παραπάνω τύποι εξασθένισης υλοποιούνται σε διάφορα μοντέλα ή διανομές που περιλαμβάνουν τα Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull κ.λπ.

Όπως γνωρίζουμε, τα σήματα εξασθένησης εμφανίζονται λόγω αντανακλάσεων από το έδαφος και τα γύρω κτίρια καθώς και από διάσπαρτα σήματα από δέντρα, ανθρώπους και πύργους που υπάρχουν στη μεγάλη περιοχή. Υπάρχουν δύο τύποι ξεθώριασμα δηλαδή. μεγάλης κλίμακας ξεθώριασμα και μικρής κλίμακας ξεθώριασμα.

1.) Εξασθένιση μεγάλης κλίμακας

Το ξεθώριασμα μεγάλης κλίμακας συμβαίνει όταν ένα εμπόδιο μπαίνει μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Αυτός ο τύπος παρεμβολής προκαλεί σημαντική μείωση της ισχύος του σήματος. Αυτό συμβαίνει επειδή το κύμα EM σκιάζεται ή μπλοκάρεται από το εμπόδιο. Σχετίζεται με μεγάλες διακυμάνσεις του σήματος σε 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 λήψης
c = ταχύτητα φωτός, δηλαδή 3 x 10⁸

Από την εξίσωση υπονοεί ότι το μεταδιδόμενο σήμα εξασθενεί σε απόσταση καθώς το σήμα εξαπλώνεται σε όλο και μεγαλύτερη περιοχή από το άκρο εκπομπής προς το άκρο λήψης.

1.β) Εφέ σκίασης

• Παρατηρείται στην ασύρματη επικοινωνία. Η σκίαση είναι η απόκλιση της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος ΗΜ από τη μέση τιμή.
• Είναι αποτέλεσμα εμποδίων στη διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση καθώς και από τη ραδιοσυχνότητα των ΗΜ (Ηλεκτρομαγνητικών) κυμάτων.

2. Εξασθένιση μικρής κλίμακας

Η εξασθένηση μικρής κλίμακας σχετίζεται με γρήγορες διακυμάνσεις της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος σε πολύ μικρή απόσταση και μικρή χρονική περίοδο.

Με βάσηεξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών διαδρομώνυπάρχουν δύο τύποι εξασθένισης μικρής κλίμακας, δηλαδή. επίπεδο ξεθώριασμα και επιλεκτικό ξεθώριασμα συχνότητας. Αυτοί οι τύποι εξασθένισης πολλαπλών διαδρομών εξαρτώνται από το περιβάλλον διάδοσης.

2.α) Επίπεδο ξεθώριασμα

Το ασύρματο κανάλι λέγεται ότι εξασθενεί επίπεδο εάν έχει σταθερό κέρδος και γραμμική απόκριση φάσης σε ένα εύρος ζώνης που είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος.

Σε αυτόν τον τύπο εξασθένησης, όλες οι συνιστώσες συχνότητας του λαμβανόμενου σήματος κυμαίνονται στις ίδιες αναλογίες ταυτόχρονα. Είναι επίσης γνωστό ως μη επιλεκτικό ξεθώριασμα.

• Σήμα BW << Κανάλι BW
• Περίοδος συμβόλων >> Καθυστέρηση εξάπλωσης

Η επίδραση της επίπεδης εξασθένισης θεωρείται ως μείωση του SNR. Αυτά τα επίπεδα ξεθωριασμένα κανάλια είναι γνωστά ως κανάλια μεταβαλλόμενου πλάτους ή κανάλια στενής ζώνης.

2.β) Συχνότητα Επιλεκτική εξασθένιση

Επηρεάζει διαφορετικές φασματικές συνιστώσες ενός ραδιοφωνικού σήματος με διαφορετικά πλάτη. Εξ ου και το όνομα επιλεκτικό ξεθώριασμα.

• Σήμα BW > Κανάλι BW
• Περίοδος συμβόλων < Καθυστέρηση εξάπλωσης

Με βάσηεξάπλωση dopplerυπάρχουν δύο τύποι ξεθώριασμα δηλαδή. γρήγορο ξεθώριασμα και αργό ξεθώριασμα. Αυτοί οι τύποι εξασθένισης εξάπλωσης doppler εξαρτώνται από την ταχύτητα του κινητού, δηλαδή την ταχύτητα του δέκτη σε σχέση με τον πομπό.

2.γ) Γρήγορο ξεθώριασμα

Το φαινόμενο της γρήγορης εξασθένησης αντιπροσωπεύεται από γρήγορες διακυμάνσεις του σήματος σε μικρές περιοχές (δηλ. εύρος ζώνης). Όταν τα σήματα φτάνουν από όλες τις κατευθύνσεις στο επίπεδο, θα παρατηρηθεί γρήγορη εξασθένηση για όλες τις κατευθύνσεις κίνησης.

Το γρήγορο ξεθώριασμα συμβαίνει όταν η απόκριση παλμών καναλιού αλλάζει πολύ γρήγορα εντός της διάρκειας συμβόλου.

• Υψηλή εξάπλωση doppler
• Περίοδος συμβόλων > Χρόνος συνοχής
• Παραλλαγή σήματος < Παραλλαγή καναλιού

Αυτές οι παράμετροι οδηγούν σε διασπορά συχνότητας ή χρονικά επιλεκτική εξασθένιση λόγω εξάπλωσης doppler. Το γρήγορο ξεθώριασμα είναι αποτέλεσμα των αντανακλάσεων των τοπικών αντικειμένων και της κίνησης των αντικειμένων σε σχέση με αυτά τα αντικείμενα.

Στο γρήγορο ξεθώριασμα, το σήμα λήψης είναι το άθροισμα πολλών σημάτων που αντανακλώνται από διάφορες επιφάνειες. Αυτό το σήμα είναι το άθροισμα ή η διαφορά πολλαπλών σημάτων που μπορεί να είναι εποικοδομητικά ή καταστροφικά με βάση τη σχετική μετατόπιση φάσης μεταξύ τους. Οι σχέσεις φάσεων εξαρτώνται από την ταχύτητα κίνησης, τη συχνότητα μετάδοσης και τα σχετικά μήκη διαδρομής.

Το γρήγορο ξεθώριασμα παραμορφώνει το σχήμα του παλμού της ζώνης βάσης. Αυτή η παραμόρφωση είναι γραμμική και δημιουργείISI(Inter Symbol Interference). Η προσαρμοστική ισοστάθμιση μειώνει το ISI αφαιρώντας τη γραμμική παραμόρφωση που προκαλείται από το κανάλι.

2.δ) Αργή ξεθώριασμα

Το αργό ξεθώριασμα είναι αποτέλεσμα της σκιάς από κτίρια, λόφους, βουνά και άλλα αντικείμενα πάνω από το μονοπάτι.

• Χαμηλή εξάπλωση Doppler
• Περίοδος συμβόλων <
• Παραλλαγή σήματος >> Παραλλαγή καναλιού

Υλοποίηση μοντέλων Fading ή διανομών fading

Οι υλοποιήσεις μοντέλων ξεθωριάσματος ή διανομών ξεθωριάσματος περιλαμβάνουν το Fading Rayleigh, το Rician fading, το Nakagami fading και το Weibull fading. Αυτές οι διανομές καναλιών ή τα μοντέλα έχουν σχεδιαστεί για να ενσωματώνουν το fading στο σήμα δεδομένων της ζώνης βάσης σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προφίλ εξασθένισης.

Ο Rayleigh ξεθωριάζει

• Στο μοντέλο Rayleigh, μόνο τα στοιχεία Non Line of Sight (NLOS) προσομοιώνονται μεταξύ πομπού και δέκτη. Υποτίθεται ότι δεν υπάρχει διαδρομή LOS μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Το MATLAB παρέχει λειτουργία "rayleighchan" για την προσομοίωση μοντέλου καναλιού rayleigh.
• Η ισχύς κατανέμεται εκθετικά.
• Η φάση είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη και ανεξάρτητη από το πλάτος. Είναι οι πιο χρησιμοποιούμενοι τύποι Fading στην ασύρματη επικοινωνία.

Ρικιανό ξεθώριασμα

• Στο μοντέλο rician, τα στοιχεία Line of Sight (LOS) και non Line of Sight (NLOS) προσομοιώνονται μεταξύ πομπού και δέκτη.
• Το MATLAB παρέχει λειτουργία "ricianchan" για την προσομοίωση μοντέλου καναλιού rician.

Ο Νακαγκάμι ξεθωριάζει

Το Nakagami fadding channel είναι ένα στατιστικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περιγραφή των καναλιών ασύρματης επικοινωνίας στα οποία το λαμβανόμενο σήμα υφίσταται εξασθένιση πολλαπλών διαδρομών. Αντιπροσωπεύει περιβάλλοντα με μέτρια έως σοβαρή εξασθένιση, όπως αστικές ή προαστιακές περιοχές. Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του μοντέλου καναλιού εξασθένισης Nakagami.