Затухание сигнала в беспроводной связи

Введение

Термин в беспроводной связи

В беспроводной связи затухание относится к изменению ослабления сигнала в зависимости от таких факторов, как время, географическое положение и радиочастота. Затухание часто моделируется как случайный процесс. В беспроводных системах затухание может быть вызвано многопутным распространением, известным как многолучевое затухание, погодными условиями (особенно дождем) или затенением от препятствий, влияющим на распространение волн, которое иногда называют теневым затуханием. Канал с затуханием – это канал связи, подверженный затуханию.

Основные понятия

Наличие отражателей в окружающей среде передатчика и приемника создает множество путей, по которым может распространяться передаваемый сигнал. В результате приемник принимает суперпозицию нескольких копий передаваемого сигнала, каждая из которых прошла по своему пути. Каждая копия сигнала будет испытывать различные потери, задержки и сдвиги фазы при распространении от источника к приемнику. Это может приводить к конструктивной или деструктивной интерференции, усиливающей или ослабляющей мощность сигнала, принимаемого на приемнике. Сильная деструктивная интерференция часто называется глубоким затуханием и может вызывать временные перебои связи из-за резкого снижения отношения сигнал/шум. Типичным примером глубокого затухания является ситуация, когда при остановке на светофоре FM-радиосигнал превращается в шум, но восстанавливается при перемещении автомобиля даже на небольшое расстояние. Потеря сигнала происходит из-за остановки автомобиля в точке, где сигнал испытывает сильную деструктивную интерференцию. Мобильные телефоны также могут демонстрировать подобные кратковременные затухания. Модели каналов с затуханием часто используются для моделирования эффектов электромагнитной передачи информации по воздуху в сотовых сетях и вещательной связи. Эти же модели применяются в подводной акустической связи для моделирования искажений, вызванных водой.

Блокировка

Блоковое затухание характеризуется тем, что процесс затухания остаётся приблизительно постоянным в течение нескольких интервалов символов. Канал может испытывать "двойное блоковое затухание", если оно проявляется как во временной, так и в частотной областях. Многие беспроводные каналы связи динамичны по своей природе и часто моделируются как блоковое затухание. В таких каналах каждый блок символов подвергается статистически независимой трансформации. Для моделирования блокового затухания в системах OFDM обычно используются медленно изменяющиеся каналы, основанные на модели Джейкса для спектра Рэлея.

Выборочное затухание

Селективное затухание или частотное селективное затухание — это аномалия распространения радиоволн, вызванная частичной самокомпенсацией радиосигнала. Сигнал достигает приемника по двум различным путям, и по крайней мере один из этих путей изменяется (удлиняется или укорачивается). Обычно это происходит в ранний вечер или раннее утро, когда различные слои ионосферы перемещаются, разделяются и объединяются. Оба пути могут быть ионосферными волнами или одним – наземной волной. Селективное затухание проявляется как медленное, циклическое искажение; эффект компенсации, или "нуль", наиболее выражен на определенной частоте, которая постоянно меняется, проходя через принятый аудиосигнал. При изменении несущей частоты сигнала величина изменения амплитуды также будет меняться. Когерентная полоса пропускания измеряет разницу в частоте, после которой два сигнала начинают испытывать некоррелирующее затухание. При плоском затухании когерентная полоса пропускания канала больше полосы пропускания сигнала. Следовательно, все частотные компоненты сигнала испытывают одинаковую степень затухания. При частотном селективном затухании когерентная полоса пропускания канала меньше полосы пропускания сигнала. Различные частотные компоненты сигнала, таким образом, испытывают некоррелирующее затухание. Поскольку различные частотные компоненты сигнала подвергаются воздействию независимо друг от друга, крайне маловероятно, что все части сигнала одновременно подвергнутся глубокому затуханию. Определенные схемы модуляции, такие как ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) и многоканальный доступ с кодовым разделением (CDMA), хорошо подходят для использования частотного разнесения для обеспечения устойчивости к затуханию. OFDM разделяет широкополосный сигнал на множество медленно модулированных узкополосных поднесущих, каждая из которых подвержена плоскому затуханию, а не частотно-селективному. Это можно компенсировать с помощью кодирования с исправлением ошибок, простой эквализации или адаптивной загрузки битов. Межсимвольная интерференция предотвращается путем введения защитного интервала между символами, называемого циклическим префиксом. CDMA использует реке-приемник для обработки каждого отраженного сигнала отдельно. Каналы частотного селективного затухания также являются дисперсионными, поскольку энергия сигнала, связанная с каждым символом, распределяется во времени. Это приводит к тому, что соседние по времени переданные символы мешают друг другу. В таких каналах часто используются эквалайзеры для компенсации эффектов межсимвольной интерференции. Отраженные сигналы также могут подвергаться доплеровскому сдвигу, что приводит к модели канала, изменяющейся во времени. Этот эффект можно нейтрализовать, применяя схему разнесения, например OFDM (с переплетением поднесущих и прямой коррекцией ошибок), или используя два приемника с раздельными антеннами, расположенными на расстоянии в четверть длины волны друг от друга, или специально разработанный приемник разнесения с двумя антеннами. Такой приемник непрерывно сравнивает сигналы, поступающие на две антенны, и выбирает лучший сигнал.

Selective fading or frequency selective fading is a radio propagation anomaly caused by partial cancellation of a radio signal by itself — the signal arrives at the receiver by two different paths, and at least one of the paths is changing (lengthening or shortening). This typically happens in the early evening or early morning as the various layers in the ionosphere move, separate, and combine. The two paths can both be skywave or one be groundwave. Selective fading manifests as a slow, cyclic disturbance; the cancellation effect, or "null", is deepest at one particular frequency, which changes constantly, sweeping through the received audio. As the carrier frequency of a signal is varied, the magnitude of the change in amplitude will vary. The coherence bandwidth measures the separation in frequency after which two signals will experience uncorrelated fading. In flat fading, the coherence bandwidth of the channel is larger than the bandwidth of the signal. Therefore, all frequency components of the signal will experience the same magnitude of fading. In frequency selective fading, the coherence bandwidth of the channel is smaller than the bandwidth of the signal. Different frequency components of the signal therefore experience uncorrelated fading. Since different frequency components of the signal are affected independently, it is highly unlikely that all parts of the signal will be simultaneously affected by a deep fade. Certain modulation schemes such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and code division multiple access (CDMA) are well suited to employing frequency diversity to provide robustness to fading. OFDM divides the wideband signal into many slowly modulated narrowband subcarriers, each exposed to flat fading rather than frequency selective fading. This can be combated by means of error coding, simple equalization or adaptive bit loading. Inter symbol interference is avoided by introducing a guard interval between the symbols called a cyclic prefix. CDMA uses the rake receiver to deal with each echo separately. Frequency selective fading channels are also dispersive, in that the signal energy associated with each symbol is spread out in time. This causes transmitted symbols that are adjacent in time to interfere with each other. Equalizers are often deployed in such channels to compensate for the effects of the intersymbol interference. The echoes may also be exposed to Doppler shift, resulting in a time varying channel model. The effect can be counteracted by applying some diversity scheme, for example OFDM (with subcarrier interleaving and forward error correction), or by using two receivers with separate antennas spaced a quarter wavelength apart, or a specially designed diversity receiver with two antennas. Such a receiver continuously compares the signals arriving at the two antennas and presents the better signal.

Уффэд

Усиление – особый случай нарастания сигнала, используемый для описания конструктивной интерференции, в ситуациях, когда радиосигнал увеличивает свою мощность. Некоторые условия многолучевого распространения приводят к увеличению амплитуды сигнала, поскольку сигналы, распространяющиеся по разным путям, достигают приемника в фазе и суммируются с основным сигналом. Таким образом, суммарный сигнал, принимаемый устройством, оказывается сильнее, чем он был бы без многолучевого распространения. Этот эффект также наблюдается в беспроводных локальных сетях.