Deze pagina beschrijft de basisprincipes van fading en de verschillende soorten fading in draadloze communicatie. De soorten fading worden onderverdeeld in grootschalige fading en kleinschalige fading (multipath delay spread en doppler spread).
Flat fading en frequentieselecterende fading maken deel uit van multipath fading, terwijl fast fading en slow fading deel uitmaken van doppler spread fading. Deze fadingtypen worden geïmplementeerd volgens 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 zender naar ontvanger is niet glad en het verzonden signaal kan verschillende soorten demping ondergaan, waaronder padverlies, multipad-verzwakking, enz. De signaalverzwakking over het pad is afhankelijk van verschillende factoren, zoals tijd, radiofrequentie en het pad of de positie van de zender/ontvanger. Het kanaal tussen zender en ontvanger kan tijdsafhankelijk of vast zijn, afhankelijk van of de zender/ontvanger vast of ten opzichte van elkaar bewegen.
Wat is verbleken?
De tijdsvariatie van het ontvangen signaalvermogen als gevolg van veranderingen in het transmissiemedium of -pad staat bekend als fading. Fading is afhankelijk van verschillende factoren, zoals hierboven vermeld. In een vast scenario hangt fading af van atmosferische omstandigheden zoals regenval, bliksem, enz. In een mobiel scenario hangt fading af van obstakels op het pad die in de tijd variëren. Deze obstakels creëren complexe transmissie-effecten op het verzonden signaal.
Figuur 1 toont een grafiek waarin de amplitude wordt afgezet tegen de afstand voor de typen langzaam en snel vervagen. We zullen dit later bespreken.
Vervagende typen
Rekening houdend met de verschillende kanaalgerelateerde beperkingen en de positie van de zender/ontvanger, volgen hier de soorten vervaging in draadloze communicatiesystemen.
➤Grootschalige vervaging: Hierbij gaat het om padverlies en schaduweffecten.
➤Small Scale Fading: Dit wordt onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: multipath delay spread en doppler spread. De multipath delay spread wordt verder onderverdeeld in flat fading en frequentieselectieve fading. Doppler spread wordt onderverdeeld in fast fading en slow fading.
➤Fadingmodellen: Bovenstaande fadingtypen zijn geïmplementeerd in verschillende modellen of distributies, waaronder Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull etc.
Zoals we weten, ontstaan fadingsignalen door reflecties van de grond en omliggende gebouwen, evenals door verstrooide signalen van bomen, mensen en torens in een groot gebied. Er zijn twee soorten fading: grootschalige fading en kleinschalige fading.
1.) Grote schaalvervaging
Grootschalige fading treedt op wanneer er een obstakel tussen zender en ontvanger komt. Deze vorm van interferentie veroorzaakt een aanzienlijke vermindering van de signaalsterkte. Dit komt doordat de elektromagnetische golf wordt overschaduwd of geblokkeerd door het obstakel. Het houdt verband met grote schommelingen in het signaal over een afstand.
1.a) Padverlies
Het padverlies in de vrije ruimte kan als volgt worden uitgedrukt.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Waar,
Pt = Zendvermogen
Pr = Ontvangstvermogen
λ = golflengte
d = afstand tussen zend- en ontvangstantenne
c = lichtsnelheid, d.w.z. 3 x 108
Uit de vergelijking blijkt dat het verzonden signaal verzwakt over een grotere afstand, omdat het signaal over een steeds groter gebied wordt verspreid, van het zendeinde naar het ontvangsteinde.
1.b) Schaduweffect
• Schaduwvorming wordt waargenomen in draadloze communicatie. Schaduwvorming is een afwijking van het ontvangen vermogen van een EM-signaal ten opzichte van de gemiddelde waarde.
• Het is een gevolg van obstakels op het pad tussen zender en ontvanger.
• Het hangt af van de geografische positie en van de radiofrequentie van EM (elektromagnetische) golven.
2. Kleine schaalvervaging
Bij kleinschalige vervaging zijn er snelle schommelingen in de sterkte van het ontvangen signaal over een zeer korte afstand en in een korte tijdsperiode.
Gebaseerd opmultipath-vertraging spreidingEr zijn twee soorten kleinschalige fading: vlakke fading en frequentieselectieve fading. Deze multipath-fadingtypen zijn afhankelijk van de propagatieomgeving.
2.a) Vlak vervagen
Er wordt gezegd dat een draadloos kanaal een vlak fadingkanaal is 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 gelijktijdig in dezelfde verhouding. Dit wordt ook wel niet-selectieve fading genoemd.
• Signaalbandbreedte << Kanaalbandbreedte
• Symboolperiode >> Vertraging Spread
Het effect van flat fading is te zien als een afname van de signaal-ruisverhouding (SNR). Deze flat fading-kanalen staan bekend als amplitude-variërende kanalen of smalbandkanalen.
2.b) Frequentieselectieve fading
Het beïnvloedt verschillende spectrale componenten van een radiosignaal met verschillende amplitudes. Vandaar de naam selectieve fading.
• Signaalbandbreedte > Kanaalbandbreedte
• Symboolperiode < Vertraging Spread
Gebaseerd opdopplerspreidingEr zijn twee soorten fading: snelle fading en langzame fading. Deze doppler spread fading-typen zijn afhankelijk van de snelheid van de mobiele telefoon, d.w.z. de snelheid van de ontvanger ten opzichte van de zender.
2.c) Snel vervagen
Het fenomeen van snelle vervaging wordt gekenmerkt door snelle signaalfluctuaties over kleine gebieden (d.w.z. bandbreedte). Wanneer de signalen vanuit alle richtingen in het vlak aankomen, zal snelle vervaging in alle bewegingsrichtingen worden waargenomen.
Er is sprake van snel vervagen als de impulsrespons van het kanaal zeer snel verandert binnen de symboolduur.
• Hoge dopplerspreiding
• Symboolperiode > Coherentietijd
• Signaalvariatie < Kanaalvariatie
Deze parameters resulteren in frequentiedispersie of tijdsselectieve vervaging als gevolg van dopplerspreiding. Snelle vervaging is het gevolg van reflecties van lokale objecten en de beweging van objecten ten opzichte van die objecten.
Bij snelle fading is het ontvangen signaal de som van een groot aantal signalen die door verschillende oppervlakken worden gereflecteerd. Dit signaal is de som of het verschil van meerdere signalen die constructief of destructief kunnen zijn op basis van de relatieve faseverschuiving tussen de signalen. Faseverhoudingen zijn afhankelijk van de bewegingssnelheid, de transmissiefrequentie en de relatieve padlengtes.
Snel vervagen vervormt de vorm van de basisbandpuls. Deze vervorming is lineair en creëertISI(Inter-symboolinterferentie). Adaptieve equalizer vermindert ISI door lineaire vervorming veroorzaakt door het kanaal te verwijderen.
2.d) Langzaam vervagen
Langzame vervaging ontstaat doordat gebouwen, heuvels, bergen en andere objecten op het pad in de schaduw liggen.
• Lage Doppler-spreiding
• Symboolperiode <
• Signaalvariatie >> Kanaalvariatie
Implementatie van Fading-modellen of fading-distributies
Implementaties van fadingmodellen of fadingdistributies zijn onder andere Rayleigh-fading, Rician-fading, Nakagami-fading en Weibull-fading. Deze kanaaldistributies of -modellen zijn ontworpen om fading in het basisbanddatasignaal op te nemen volgens de vereisten van het fadingprofiel.
Rayleigh vervaagt
• In het Rayleigh-model worden alleen Non Line of Sight (NLOS)-componenten gesimuleerd tussen zender en ontvanger. Er wordt aangenomen dat er geen LOS-pad is tussen zender en ontvanger.
• MATLAB biedt de "rayleighchan"-functie om het Rayleigh-kanaalmodel te simuleren.
• Het vermogen is exponentieel verdeeld.
• De fase is gelijkmatig verdeeld en onafhankelijk van de amplitude. Dit is de meest gebruikte vorm van fading in draadloze communicatie.
Riciaanse vervaging
• In het Ribian-model worden zowel Line of Sight (LOS) als non Line of Sight (NLOS) componenten gesimuleerd tussen zender en ontvanger.
• MATLAB biedt de "ricianchan"-functie 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 representeert 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 duiden we h = r*e aanjΦen hoek Φ is gelijkmatig verdeeld over [-π, π]
• Er wordt aangenomen dat de variabelen r en Φ onderling onafhankelijk zijn.
• De Nakagami pdf wordt hierboven weergegeven.
• In de Nakagami pdf, 2σ2= E{r2}, Γ(.) is de Gamma-functie en k >= (1/2) is de vervagende figuur (vrijheidsgraden gerelateerd aan het aantal toegevoegde Gaussion-stompvariabelen).
• Het werd oorspronkelijk empirisch ontwikkeld op basis van metingen.
• Het onmiddellijk ontvangen vermogen is gamma-verdeeld. • Met k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull vervaagt
Dit kanaal is een ander statistisch model dat gebruikt wordt om draadloze communicatiekanalen te beschrijven. Het Weibull-fadingkanaal wordt vaak gebruikt om omgevingen met verschillende soorten fadingcondities weer te geven, waaronder zowel zwakke als sterke fading.
Waar,
2σ2= E{r2}
• De Weibull-verdeling is een andere generalisatie van de Rayleigh-verdeling.
• Als X en Y iid nul gemiddelde gaussische variabelen zijn, is de omhullende van R = (X2+ J2)1/2is Rayleigh verdeeld. • Hoe de envelop ook gedefinieerd is, R = (X2+ J2)1/2, en de bijbehorende pdf (power distribution profile) is via Weibull gedistribueerd.
• De volgende vergelijking kan worden gebruikt om het Weibull-fadingmodel te simuleren.
Op deze pagina hebben we diverse onderwerpen over fading besproken, zoals wat een fadingkanaal is, de soorten fading, fadingmodellen, hun toepassingen, functies, enzovoort. De informatie op deze pagina kan worden gebruikt om de verschillen 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 Riciaan-fading, enzovoort, te vergelijken en af te leiden.
E-mail:info@rf-miso.com
Telefoon: 0086-028-82695327
Website: www.rf-miso.com
Plaatsingstijd: 14-08-2023
