Deze pagina beschrijft de basisprincipes en soorten fading in draadloze communicatie. De fadingsoorten worden onderverdeeld in grootschalige fading en kleinschalige fading (multipath delay spread en doppler spread).
Vlakke fading en frequentieselectieve fading maken deel uit van multipath fading, terwijl snelle fading en langzame fading deel uitmaken van dopplerspreidingsfading. Deze fadingtypen worden geïmplementeerd volgens de Rayleigh-, Rician-, Nakagami- en Weibull-verdelingen of -modellen.
Invoering:
Zoals we weten, bestaat een draadloos communicatiesysteem uit een zender en een ontvanger. Het pad van de zender naar de ontvanger is niet vlak en het verzonden signaal kan verschillende vormen van verzwakking ondervinden, waaronder padverlies en meervoudige padverzwakking. De signaalverzwakking tijdens het pad is afhankelijk van diverse factoren, zoals tijd, radiofrequentie en het pad of de positie van de zender/ontvanger. Het kanaal tussen zender en ontvanger kan in de tijd variëren of vast zijn, afhankelijk van of de zender/ontvanger ten opzichte van elkaar stilstaat of beweegt.
Wat is vervagen?
De tijdsafhankelijke variatie van het ontvangen signaalvermogen als gevolg van veranderingen in het transmissiemedium of de transmissieroutes staat bekend als fading. Fading is afhankelijk van diverse factoren, zoals hierboven vermeld. In een vaste omgeving is fading afhankelijk van atmosferische omstandigheden zoals regenval, bliksem, enz. In een mobiele omgeving is fading afhankelijk van obstakels op de transmissieroute die in de loop van de tijd variëren. Deze obstakels veroorzaken complexe transmissie-effecten op het verzonden signaal.
Figuur 1 toont de amplitude versus afstandsgrafiek voor langzame en snelle fading, die we later zullen bespreken.
Vervagingstypen
Rekening houdend met diverse kanaalgerelateerde verstoringen en de positie van zender/ontvanger, zijn de volgende soorten fading te onderscheiden in draadloze communicatiesystemen.
➤Grootschalige vervaging: Dit omvat padverlies- en schaduweffecten.
➤Kleinschalige fading: Deze wordt onderverdeeld in twee hoofdcategorieën, namelijk multipath-vertragingspreiding en dopplerspreiding. Multipath-vertragingspreiding wordt verder onderverdeeld in vlakke fading en frequentieselectieve fading. Dopplerspreiding wordt onderverdeeld in snelle fading en langzame fading.
➤Vervagingsmodellen: Bovenstaande vervagingstypen worden geïmplementeerd in verschillende modellen of verdelingen, waaronder Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, enz.
Zoals we weten, treedt signaalverzwakking op door reflecties van de grond en omliggende gebouwen, evenals door verstrooide signalen van bomen, mensen en zendmasten in een groot gebied. Er zijn twee soorten signaalverzwakking: grootschalige verzwakking en kleinschalige verzwakking.
1.) Grootschalige vervaging
Grootschalige signaalverzwakking treedt op wanneer een obstakel zich tussen de zender en de ontvanger bevindt. Dit type interferentie veroorzaakt een aanzienlijke vermindering van de signaalsterkte. Dit komt doordat de elektromagnetische golf door het obstakel wordt afgeschermd of geblokkeerd. Het is gerelateerd aan grote schommelingen van het signaal over afstand.
1.a) Padverlies
Het padverlies in vrije ruimte kan als volgt worden uitgedrukt.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Waar,
Pt = Zendvermogen
Pr = Ontvang kracht
λ = golflengte
d = afstand tussen de zend- en ontvangstantenne
c = lichtsnelheid, oftewel 3 x 108
Uit de vergelijking blijkt dat het verzonden signaal over afstand verzwakt, omdat het signaal zich over een steeds groter gebied verspreidt vanaf de zender naar de ontvanger.
1.b) Schaduweffect
• Dit verschijnsel wordt waargenomen bij draadloze communicatie. Schaduwvorming is de afwijking van het ontvangen vermogen van een elektromagnetisch signaal ten opzichte van de gemiddelde waarde.
• Het is het gevolg van obstakels op het pad tussen zender en ontvanger.
• Het hangt af van de geografische locatie en de radiofrequentie van de elektromagnetische golven.
2. Kleinschalige vervaging
Kleinschalige fading heeft betrekking op snelle schommelingen in de sterkte van het ontvangen signaal over zeer korte afstanden en gedurende een korte tijdsperiode.
Gebaseerd opmultipath-vertragingspreidingEr zijn twee soorten kleinschalige fading, namelijk vlakke fading en frequentieselectieve fading. Deze vormen van multipath fading zijn afhankelijk van de propagatieomgeving.
2.a) Vlakke vervaging
Een draadloos kanaal wordt als vlakvervagend beschouwd als het een constante versterking en een lineaire faserespons heeft over een bandbreedte die groter is dan de bandbreedte van het verzonden signaal.
Bij dit type fading fluctueren alle frequentiecomponenten van het ontvangen signaal tegelijkertijd in dezelfde verhoudingen. Dit wordt ook wel niet-selectieve fading genoemd.
• Signaalbandbreedte << Kanaalbandbreedte
• Symboolperiode >> Vertragingsspreiding
Het effect van vlakke fading is te zien als een afname van de signaal-ruisverhouding (SNR). Deze kanalen met vlakke fading staan bekend als amplitude-variërende kanalen of smalbandkanalen.
2.b) Frequentie-selectieve fading
Het beïnvloedt verschillende spectrale componenten van een radiosignaal met verschillende amplitudes. Vandaar de naam selectieve fading.
• Signaalbandbreedte > Kanaalbandbreedte
• Symboolperiode < Vertragingsspreiding
Gebaseerd opDoppler-spreidingEr zijn twee soorten fading: snelle fading en langzame fading. Deze vormen van dopplerverspreiding zijn afhankelijk van de snelheid van de mobiele verbinding, oftewel de snelheid van de ontvanger ten opzichte van de zender.
2.c) Snel vervagen
Het fenomeen van snelle fading wordt gekenmerkt door snelle fluctuaties van het signaal over kleine gebieden (d.w.z. bandbreedte). Wanneer signalen vanuit alle richtingen in het vlak aankomen, zal snelle fading in alle bewegingsrichtingen worden waargenomen.
Snelle fading treedt op wanneer de impulsrespons van een kanaal zeer snel verandert binnen de symboolduur.
• Grote Doppler-spreiding
• Symboolperiode > Coherentietijd
• Signaalvariatie < Kanaalvariatie
Deze parameters leiden tot frequentiedispersie of tijdsselectieve fading als gevolg van dopplerspreiding. Snelle fading is het gevolg van reflecties van lokale objecten en beweging van objecten ten opzichte van die objecten.
Bij snelle fading is het ontvangstsignaal de som van talloze signalen die van verschillende oppervlakken worden weerkaatst. Dit signaal is de som of het verschil van meerdere signalen, die constructief of destructief kunnen zijn, afhankelijk van de relatieve faseverschuiving ertussen. Faseverhoudingen zijn afhankelijk van de bewegingssnelheid, de transmissiefrequentie en de relatieve padlengtes.
Snelle fading vervormt de vorm van de basisbandpuls. Deze vervorming is lineair en creëertISI(Inter-symboolinterferentie). Adaptieve egalisatie vermindert ISI door lineaire vervorming, veroorzaakt door het kanaal, te verwijderen.
2.d) Langzame vervaging
Langzame vervaging wordt veroorzaakt door schaduwen van gebouwen, heuvels, bergen en andere objecten langs het pad.
• Lage Doppler-spreiding
• Symboolperiode <
• Signaalvariatie >> Kanaalvariatie
Implementatie van fadingmodellen of fadingdistributies
Implementaties van fadingmodellen of fadingverdelingen omvatten Rayleigh-fading, Rician-fading, Nakagami-fading en Weibull-fading. Deze kanaalverdelingen of -modellen zijn ontworpen om fading in het basisbanddatasignaal te integreren volgens de vereisten van het fadingprofiel.
Rayleigh-vervaging
• In het Rayleigh-model worden alleen niet-zichtlijncomponenten (NLOS) tussen zender en ontvanger gesimuleerd. Er wordt aangenomen dat er geen directe zichtlijn bestaat tussen zender en ontvanger.
• MATLAB biedt de functie "rayleighchan" om een Rayleigh-kanaalmodel te simuleren.
• Het vermogen is exponentieel verdeeld.
• De fase is gelijkmatig verdeeld en onafhankelijk van de amplitude. Dit is het meest gebruikte type fading in draadloze communicatie.
Rician vervaagt
• In het Rician-model worden zowel de directe zichtlijn (LOS) als de niet-directe zichtlijn (NLOS) componenten tussen zender en ontvanger gesimuleerd.
• MATLAB biedt de functie "ricianchan" om het rician-kanaalmodel te simuleren.
Nakagami vervaagt
Het Nakagami-fadingkanaal is een statistisch model dat wordt gebruikt om draadloze communicatiekanalen te beschrijven waarin het ontvangen signaal multipath-fading ondergaat. Het model is representatief voor omgevingen met matige tot ernstige fading, zoals stedelijke of voorstedelijke gebieden. De volgende vergelijking kan worden gebruikt om het Nakagami-fadingkanaalmodel te simuleren.
• In dit geval noteren we h = r*ejΦen de hoek Φ is gelijkmatig verdeeld over [-π, π]
• Er wordt aangenomen dat de variabelen r en Φ onderling onafhankelijk zijn.
• De Nakagami-pdf wordt zoals hierboven weergegeven.
• In de Nakagami pdf, 2σ2= E{r2}, Γ(.) is de Gammafunctie en k >= (1/2) is de fading-figuur (vrijheidsgraden gerelateerd aan het aantal toegevoegde Gaussiaanse willekeurige variabelen).
• Het is oorspronkelijk empirisch ontwikkeld op basis van metingen.
• Het momentane ontvangstvermogen is gammaverdeeld. • Met k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull-trend vervaagt
Dit kanaal is een ander statistisch model dat wordt gebruikt om draadloze communicatiekanalen te beschrijven. Het Weibull-fadingkanaal wordt vaak gebruikt om omgevingen met verschillende soorten fadingomstandigheden weer te geven, waaronder zowel zwakke als sterke fading.
Waar,
2σ2= E{r2}
• De Weibull-verdeling is een andere generalisatie van de Rayleigh-verdeling.
• Wanneer X en Y onafhankelijke en identiek verdeelde Gaussische variabelen met een gemiddelde van nul zijn, is de omhullende van R = (X2+ Y2)1/2is Rayleigh-verdeeld. • De envelop is echter gedefinieerd als R = (X2+ Y2)1/2En de bijbehorende kansdichtheidsfunctie (vermogensverdelingsprofiel) is Weibull-verdeeld.
• De volgende vergelijking kan worden gebruikt om het Weibull-vervagingsmodel te simuleren.
Op deze pagina hebben we verschillende onderwerpen over fading behandeld, zoals wat een fadingkanaal is, de verschillende typen, fadingmodellen, hun toepassingen, functies, enzovoort. De informatie op deze pagina kan worden gebruikt om de verschillen te vergelijken en af te leiden tussen kleinschalige en grootschalige fading, het verschil tussen vlakke fading en frequentieselectieve fading, het verschil tussen snelle en langzame fading, het verschil tussen Rayleigh-fading en Rician-fading, enzovoort.
E-mail:info@rf-miso.com
Telefoon: 0086-028-82695327
Website: www.rf-miso.com
Geplaatst op: 14 augustus 2023
