Затухание

В беспроводной связи затухание — это изменение затухания сигнала в зависимости от таких переменных, как время, географическое положение и радиочастота. Затухание часто моделируется как случайный процесс . В беспроводных системах замирание может быть вызвано многолучевым распространением , называемым замиранием, вызванным многолучевым распространением, погодными условиями (особенно дождем) или затенением от препятствий, влияющих на распространение волн , иногда называемым теневым замиранием .

Канал затухания — это канал связи, который испытывает затухание.

Ключевые понятия

Наличие отражателей в среде, окружающей передатчик и приемник, создает множество путей, по которым может пройти передаваемый сигнал. В результате приемник видит суперпозицию нескольких копий передаваемого сигнала, каждая из которых проходит свой путь. Каждая копия сигнала будет иметь различия в затухании , задержке и фазовом сдвиге при прохождении от источника к приемнику. Это может привести как к конструктивным, так и к деструктивным помехам , которые усиливают или ослабляют мощность сигнала, воспринимаемого приемником. Сильные деструктивные помехи часто называют глубоким замиранием и могут привести к временному сбою связи из-за серьезного падения отношения сигнал/шум в канале .

Типичным примером глубокого замирания является остановка на светофоре и звук FM-трансляции, превращающейся в помехи, в то время как сигнал снова принимается, если транспортное средство перемещается всего на долю метра. Потеря трансляции вызвана остановкой транспортного средства в точке, где сигнал подвергся серьезным разрушительным помехам. Сотовые телефоны также могут демонстрировать подобные кратковременные затухания.

Модели затухающих каналов часто используются для моделирования эффектов электромагнитной передачи информации по воздуху в сотовых сетях и широковещательной связи. Модели затухающих каналов также используются в подводной акустической связи для моделирования искажений, вызванных водой.

Типы

Медленное и быстрое затухание

Термины «медленное» и «быстрое замирание» относятся к скорости, с которой изменяется величина и фаза, налагаемые каналом на сигнал. Время когерентности — это мера минимального времени, необходимого для того, чтобы изменение величины или фазы канала стало некоррелированным с его предыдущим значением.

Медленное затухание возникает, когда время когерентности канала велико по сравнению с требованиями приложения к задержке. ^[1] В этом режиме изменение амплитуды и фазы, вызванное каналом, можно считать примерно постоянным в течение периода использования. Медленное затухание может быть вызвано такими событиями, как затенение , когда большое препятствие, например холм или большое здание, заслоняет основной путь сигнала между передатчиком и приемником. Изменение полученной мощности, вызванное затенением, часто моделируется с использованием логарифмически нормального распределения со стандартным отклонением в соответствии с моделью потерь на трассе с логарифмическим расстоянием .
Быстрое затухание происходит, когда время когерентности канала мало по сравнению с требованиями приложения к задержке. В этом случае изменение амплитуды и фазы, вносимое каналом, значительно меняется в течение периода использования.

В канале с быстрым замиранием передатчик может воспользоваться изменениями условий канала, используя временное разнесение , чтобы повысить устойчивость связи при временном глубоком замирании. Хотя глубокое затухание может временно стереть часть переданной информации, использование кода исправления ошибок в сочетании с успешно переданными битами в другие моменты времени ( перемежение ) может позволить восстановить стертые биты. В канале с медленным замиранием невозможно использовать временное разнесение, поскольку передатчик видит только одну реализацию канала в пределах ограничения задержки. Таким образом, глубокое затухание длится на протяжении всего времени передачи и не может быть смягчено с помощью кодирования.

Время когерентности канала связано с величиной, известной как доплеровское расширение канала. Когда пользователь (или отражатели в его среде) движется, скорость пользователя вызывает сдвиг частоты сигнала, передаваемого по каждому пути прохождения сигнала. Это явление известно как доплеровский сдвиг . Сигналы, идущие по разным путям, могут иметь разные доплеровские сдвиги, соответствующие разным скоростям изменения фазы. Разница в доплеровском сдвиге между различными компонентами сигнала, способствующая замиранию сигнала в канале, известна как доплеровский разброс. Каналы с большим доплеровским разбросом имеют компоненты сигнала, каждый из которых изменяется независимо по фазе с течением времени. Поскольку замирание зависит от того, конструктивно или деструктивно складываются компоненты сигнала, такие каналы имеют очень короткое время когерентности.

В общем, время когерентности обратно пропорционально доплеровскому разбросу, обычно выражаемому как

T_{c}\approx {\frac {1}{D_{s}}}

где $T_{c}$ время когерентности, $D_{s}$ это допплеровский разброс. Это уравнение является лишь приближением, ^[2] если быть точным, см. Время когерентности .

Блокировать затухание

Блочное замирание — это когда процесс замирания примерно постоянен для ряда интервалов символов. ^[3] Канал может иметь «двойное блочное замирание», когда он является блочным замиранием как во временной, так и в частотной областях. ^[4] Многие каналы беспроводной связи являются динамическими по своей природе и обычно моделируются как блочное замирание. В этих каналах каждый блок символов проходит статистически независимое преобразование. Обычно медленно меняющиеся каналы основаны на модели Джейкса спектра Рэлея. ^[5] используется для блочного замирания в системе OFDM .

Выборочное затухание

Селективное замирание или частотно-избирательное замирание — это аномалия распространения радиосигнала , вызванная частичным подавлением радиосигнала самим собой — сигнал приходит к приемнику по двум разным путям , и хотя бы один из путей меняется (удлиняется или сокращается). Обычно это происходит ранним вечером или ранним утром, когда различные слои ионосферы движутся , разделяются и объединяются. Два пути могут быть либо небесными волнами , либо одним — земной волной .

Избирательное замирание проявляется как медленное циклическое нарушение; эффект отмены, или «нулевой», наиболее глубок на одной конкретной частоте, которая постоянно меняется, проходя через принимаемый звук .

Поскольку несущая частота сигнала изменяется, величина изменения амплитуды будет меняться. Полоса когерентности измеряет разделение по частоте, после которого два сигнала испытывают некоррелированное затухание.

При плоском замирании полоса когерентности канала больше, чем полоса пропускания сигнала. Следовательно, все частотные компоненты сигнала будут испытывать одинаковую величину замирания.
При частотно-избирательном замирании полоса когерентности канала меньше ширины полосы сигнала. Поэтому различные частотные компоненты сигнала испытывают некоррелированное затухание.

Поскольку различные частотные компоненты сигнала затрагиваются независимо, маловероятно, что все части сигнала будут одновременно затронуты глубоким замиранием. Определенные схемы модуляции, такие как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), хорошо подходят для использования частотного разнесения для обеспечения устойчивости к замираниям. OFDM делит широкополосный сигнал на множество медленно модулированных узкополосных поднесущих , каждая из которых подвергается плоскому замиранию, а не частотно-избирательному замиранию. С этим можно бороться посредством кодирования ошибок , простой коррекции или адаптивной загрузки битов . Межсимвольных помех можно избежать путем введения защитного интервала между символами, называемого циклическим префиксом . CDMA использует рейк-приемник для обработки каждого эха отдельно.

Каналы с частотно-избирательным замиранием также являются дисперсионными , поскольку энергия сигнала, связанная с каждым символом, распределена во времени. Это приводит к тому, что передаваемые символы, соседние во времени, мешают друг другу. В таких каналах часто используются эквалайзеры для компенсации влияния межсимвольных помех .

Эхо-сигналы также могут подвергаться доплеровскому сдвигу , что приводит к изменению во времени модели канала.

Эффекту можно противодействовать, применив некоторую схему разнесения , например OFDM (с перемежением поднесущих и прямой коррекцией ошибок ), или используя два приемника с отдельными антеннами, разнесенными на четверть длины волны друг от друга, или специально разработанный приемник разнесения с двумя антеннами. Такой приемник постоянно сравнивает сигналы, поступающие на две антенны, и выдает лучший сигнал.

Обновление

Upfade — это особый случай замирания, используемый для описания конструктивных помех в ситуациях, когда радиосигнал набирает силу. ^[6] Некоторые условия многолучевого распространения приводят к увеличению амплитуды сигнала, поскольку сигналы, идущие по разным путям, достигают приемника синфазно и становятся аддитивными к основному сигналу. Следовательно, общий сигнал, достигающий приемника, будет сильнее, чем сигнал, который в противном случае был бы без условий многолучевого распространения. Эффект также заметен в системах беспроводных локальных сетей . ^[7]

Модели

Примеры моделей замирания для распределения затухания:

Модели дисперсионного замирания с несколькими эхо-сигналами, каждый из которых подвергается разной задержке, усилению и фазовому сдвигу, часто постоянным. Это приводит к частотно-избирательному замиранию и межсимвольным помехам. Прибыль может быть распределена по Рэлею или по Райсу. Эхо-сигналы также могут подвергаться доплеровскому сдвигу, что приводит к изменению во времени модели канала.
Накагами исчезает
Логнормальное затухание теней
Рэлеевское затухание
Райсиан исчезает
Двухволновое замирание с диффузной мощностью (TWDP)
Затухание Вейбулла

смягчение последствий

Затухание может привести к снижению производительности системы связи, поскольку оно может привести к потере мощности сигнала без снижения мощности шума. Эта потеря сигнала может происходить в некоторой или во всей полосе пропускания сигнала. Затухание также может быть проблемой, поскольку оно меняется с течением времени: системы связи часто проектируются с возможностью адаптации к таким нарушениям, но затухание может меняться быстрее, чем можно произвести адаптацию. В таких случаях вероятность возникновения замирания (и связанных с ним битовых ошибок при падении отношения сигнал/шум ) в канале становится ограничивающим фактором производительности канала.

С эффектами замирания можно бороться, используя разнесение для передачи сигнала по нескольким каналам, которые испытывают независимое замирание, и когерентно объединяя их в приемнике. Тогда вероятность возникновения замирания в этом составном канале пропорциональна вероятности того, что все составляющие каналы одновременно испытают замирание, что является гораздо более маловероятным событием.

Разнообразие может быть достигнуто во времени, частоте или пространстве. Общие методы, используемые для преодоления замирания сигнала, включают:

такие методы, как применение циклического префикса (например, в OFDM ) и оценка канала и коррекция Помимо разнесения, для борьбы с замиранием также могут использоваться .

См. также

Ссылки

^ Це, Дэвид; Вишванатх, Прамод (2006). Основы беспроводной связи (4-е изд.). Кембридж (Великобритания): Издательство Кембриджского университета. п. 31. ISBN 0521845270 .
^ Алин, Ларс; Зандер, Йенс; и Слиман, Бен; Принципы беспроводной связи , Professional Publishing Svc., 2006, стр. 126–130.
^ Бильери, Эцио; Кайре, Джузеппе ; Тарикко, Джорджо (1999). «Кодирование канала затухания: обзор». В Бирнсе, Джим С. (ред.). Обработка сигналов для мультимедиа . ИОС Пресс. п. 253. ИСБН 978-90-5199-460-5 .
^ Медар, Мюриэль ; Це, Дэвид Н.К. «Распространение по каналам с блочным замиранием» (PDF) . Протокол конференции тридцать четвертой асиломарской конференции по сигналам, системам и компьютерам . 34-я Асиломарская конференция по сигналам, системам и компьютерам, 29 октября – 1 ноября 2000 г., Пасифик-Гроув, Калифорния, США. Том. 2. стр. 1598–1602. дои : 10.1109/ACSSC.2000.911259 . ISBN 0-7803-6514-3 . Проверено 20 октября 2014 г.
^ Склар, Бернард (июль 1997 г.). «Каналы с релеевским замиранием в системах мобильной цифровой связи.I. Характеристика» . Журнал коммуникаций IEEE . 35 (7): 90–100. дои : 10.1109/35.601747 .
^ Лепамер, Харви; Сети микроволновой передачи: планирование, проектирование и развертывание , McGraw-Hill, 2010 г., ISBN 0-07-170122-2 , стр. 100.
^ Льюис, Барри Д.; Дэвис, Питер Т.; Беспроводные сети для чайников , Для чайников, 2004, ISBN 0-7645-7525-2 , стр. 234

Литература

Т. С. Раппапорт, Беспроводная связь: принципы и практика , второе издание, Prentice Hall, 2002.
Дэвид Це и Прамод Вишванат, «Основы беспроводной связи» , издательство Кембриджского университета, 2005 г.
М. Авад, К. Т. Вонг [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} и З. Ли, Комплексный обзор эмпирических данных открытой литературы о временных свойствах внутреннего радиоволнового канала, [2] Транзакции IEEE по антеннам и распространению, том. 56, нет. 5, стр. 1451–1468, май 2008 г.
П. Барсокки, Модели каналов для наземной беспроводной связи: обзор , технический отчет CNR- ISTI , апрель 2006 г.

Внешние ссылки

Затухание из-за эффекта многолучевого распространения

[1] Це, Дэвид; Вишванатх, Прамод (2006). Основы беспроводной связи (4-е изд.). Кембридж (Великобритания): Издательство Кембриджского университета. п. 31. ISBN 0521845270 .

[2] Алин, Ларс; Зандер, Йенс; и Слиман, Бен; Принципы беспроводной связи , Professional Publishing Svc., 2006, стр. 126–130.

[3] Бильери, Эцио; Кайре, Джузеппе ; Тарикко, Джорджо (1999). «Кодирование канала затухания: обзор». В Бирнсе, Джим С. (ред.). Обработка сигналов для мультимедиа . ИОС Пресс. п. 253. ИСБН 978-90-5199-460-5 .

[4] Медар, Мюриэль ; Це, Дэвид Н.К. «Распространение по каналам с блочным замиранием» (PDF) . Протокол конференции тридцать четвертой асиломарской конференции по сигналам, системам и компьютерам . 34-я Асиломарская конференция по сигналам, системам и компьютерам, 29 октября – 1 ноября 2000 г., Пасифик-Гроув, Калифорния, США. Том. 2. стр. 1598–1602. дои : 10.1109/ACSSC.2000.911259 . ISBN 0-7803-6514-3 . Проверено 20 октября 2014 г.

[5] Склар, Бернард (июль 1997 г.). «Каналы с релеевским замиранием в системах мобильной цифровой связи.I. Характеристика» . Журнал коммуникаций IEEE . 35 (7): 90–100. дои : 10.1109/35.601747 .

[6] Лепамер, Харви; Сети микроволновой передачи: планирование, проектирование и развертывание , McGraw-Hill, 2010 г., ISBN 0-07-170122-2 , стр. 100.

[7] Льюис, Барри Д.; Дэвис, Питер Т.; Беспроводные сети для чайников , Для чайников, 2004, ISBN 0-7645-7525-2 , стр. 234

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]