Questa pagina descrive i fondamenti del fading e i diversi tipi di fading nelle comunicazioni wireless. I tipi di fading si dividono in fading su larga scala e fading su piccola scala (multipath delay spread e doppler spread).
Il fading piatto e quello con selezione di frequenza fanno parte del fading multipath, mentre il fading veloce e quello lento fanno parte del fading diffuso Doppler. Questi tipi di fading sono implementati secondo le distribuzioni o i modelli di Rayleigh, Rician, Nakagami e Weibull.
Introduzione:
Come sappiamo, un sistema di comunicazione wireless è costituito da un trasmettitore e un ricevitore. Il percorso dal trasmettitore al ricevitore non è fluido e il segnale trasmesso può subire diversi tipi di attenuazioni, tra cui perdita di percorso, attenuazione multipath, ecc. L'attenuazione del segnale lungo il percorso dipende da diversi fattori, tra cui tempo, frequenza radio e percorso o posizione del trasmettitore/ricevitore. Il canale tra trasmettitore e ricevitore può essere variabile nel tempo o fisso a seconda che i due dispositivi siano fissi o in movimento l'uno rispetto all'altro.
Cos'è lo sbiadimento?
La variazione temporale della potenza del segnale ricevuto dovuta a cambiamenti nel mezzo o nei percorsi di trasmissione è nota come fading. Il fading dipende da vari fattori, come menzionato in precedenza. In uno scenario fisso, il fading dipende dalle condizioni atmosferiche come pioggia, fulmini, ecc. In uno scenario mobile, il fading dipende dagli ostacoli presenti sul percorso, che variano nel tempo. Questi ostacoli creano complessi effetti di trasmissione sul segnale trasmesso.
La figura 1 illustra il grafico ampiezza/distanza per i tipi di dissolvenza lenta e rapida, di cui parleremo più avanti.
Tipi di dissolvenza
Considerando i vari problemi relativi al canale e alla posizione del trasmettitore/ricevitore, di seguito sono riportati i tipi di fading nei sistemi di comunicazione wireless.
➤Svanimento su larga scala: include effetti di perdita di percorso e di ombreggiatura.
➤ Fading su piccola scala: si divide in due categorie principali: diffusione del ritardo multipath e diffusione Doppler. La diffusione del ritardo multipath è ulteriormente suddivisa in fading piatto e fading selettivo in frequenza. La diffusione Doppler è suddivisa in fading veloce e fading lento.
➤Modelli di dissolvenza: i tipi di dissolvenza sopra indicati sono implementati in vari modelli o distribuzioni, tra cui Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull ecc.
Come sappiamo, il fading dei segnali si verifica a causa delle riflessioni provenienti dal terreno e dagli edifici circostanti, nonché dei segnali diffusi provenienti da alberi, persone e torri presenti nell'area. Esistono due tipi di fading: quello su larga scala e quello su piccola scala.
1.) Scolorimento su larga scala
Un fading su larga scala si verifica quando un ostacolo si frappone tra trasmettitore e ricevitore. Questo tipo di interferenza causa una significativa riduzione della potenza del segnale. Questo perché l'onda elettromagnetica viene oscurata o bloccata dall'ostacolo. È correlato a grandi fluttuazioni del segnale sulla distanza.
1.a) Perdita di percorso
La perdita di percorso nello spazio libero può essere espressa come segue.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Dove,
Pt = Potenza di trasmissione
Pr = Potenza di ricezione
λ = lunghezza d'onda
d = distanza tra l'antenna trasmittente e quella ricevente
c = velocità della luce cioè 3 x 108
Dall'equazione si deduce che il segnale trasmesso si attenua con la distanza man mano che viene distribuito su un'area sempre più ampia dall'estremità di trasmissione a quella di ricezione.
1.b) Effetto ombra
• Si osserva nelle comunicazioni wireless. L'effetto shadowing è la deviazione della potenza ricevuta del segnale EM dal valore medio.
• È il risultato di ostacoli sul percorso tra trasmettitore e ricevitore.
• Dipende dalla posizione geografica e dalla frequenza radio delle onde EM (elettromagnetiche).
2. Scolorimento su piccola scala
Lo sbiadimento su piccola scala riguarda le rapide fluttuazioni della potenza del segnale ricevuto su distanze molto brevi e in periodi di tempo brevi.
Basato sudiffusione del ritardo multipercorsoEsistono due tipi di fading su piccola scala: il fading piatto e il fading selettivo in frequenza. Questi tipi di fading multipath dipendono dall'ambiente di propagazione.
2.a) Scolorimento piatto
Si dice che il canale wireless sia a dissolvenza piatta se ha un guadagno costante e una risposta di fase lineare su una larghezza di banda maggiore della larghezza di banda del segnale trasmesso.
In questo tipo di fading, tutte le componenti di frequenza del segnale ricevuto fluttuano simultaneamente nelle stesse proporzioni. È anche noto come fading non selettivo.
• Larghezza segnale << Larghezza canale
• Periodo simbolo >> Spread di ritardo
L'effetto del fading piatto si manifesta con una diminuzione del rapporto segnale/rumore (SNR). Questi canali con fading piatto sono noti come canali ad ampiezza variabile o canali a banda stretta.
2.b) Fading selettivo in frequenza
Agisce su diverse componenti spettrali di un segnale radio con ampiezze diverse. Da qui il nome "fading selettivo".
• BW segnale > BW canale
• Periodo simbolo < Ritardo diffuso
Basato sudiffusione DopplerEsistono due tipi di fading: il fading veloce e il fading lento. Questi tipi di fading Doppler dipendono dalla velocità del dispositivo mobile, ovvero dalla velocità del ricevitore rispetto al trasmettitore.
2.c) Svanimento rapido
Il fenomeno del fading rapido è rappresentato da rapide fluttuazioni del segnale su piccole aree (ovvero sulla larghezza di banda). Quando i segnali provengono da tutte le direzioni del piano, si osserverà un fading rapido in tutte le direzioni di movimento.
Lo sbiadimento rapido si verifica quando la risposta all'impulso del canale cambia molto rapidamente entro la durata del simbolo.
• Elevata diffusione Doppler
• Periodo del simbolo > Tempo di coerenza
• Variazione del segnale < Variazione del canale
Questi parametri determinano una dispersione di frequenza o un fading selettivo nel tempo dovuto all'effetto Doppler. Il fading rapido è il risultato delle riflessioni degli oggetti locali e del movimento degli oggetti rispetto a tali oggetti.
Nel fading rapido, il segnale ricevuto è la somma di numerosi segnali riflessi da diverse superfici. Questo segnale è la somma o la differenza di più segnali, che possono essere costruttivi o distruttivi in base allo sfasamento relativo tra di essi. Le relazioni di fase dipendono dalla velocità di movimento, dalla frequenza di trasmissione e dalle lunghezze relative del percorso.
Il fading rapido distorce la forma dell'impulso in banda base. Questa distorsione è lineare e creaISI(Interferenza tra simboli). L'equalizzazione adattiva riduce l'ISI rimuovendo la distorsione lineare indotta dal canale.
2.d) Svanimento lento
Lo sbiadimento lento è dovuto all'ombra creata da edifici, colline, montagne e altri oggetti sul percorso.
• Bassa diffusione Doppler
• Periodo del simbolo <
• Variazione del segnale >> Variazione del canale
Implementazione di modelli di fading o distribuzioni di fading
Le implementazioni di modelli o distribuzioni di fading includono il fading di Rayleigh, il fading di Rician, il fading di Nakagami e il fading di Weibull. Queste distribuzioni o modelli di canale sono progettati per incorporare il fading nel segnale dati in banda base, secondo i requisiti del profilo di fading.
Rayleigh sbiadisce
• Nel modello Rayleigh, vengono simulati solo i componenti Non Line of Sight (NLOS) tra trasmettitore e ricevitore. Si presume che non esista alcun percorso LOS tra trasmettitore e ricevitore.
• MATLAB fornisce la funzione "rayleighchan" per simulare il modello del canale di Rayleigh.
• La potenza è distribuita esponenzialmente.
• La fase è distribuita uniformemente e indipendente dall'ampiezza. È il tipo di fading più utilizzato nelle comunicazioni wireless.
Svanimento Riciano
• Nel modello Rician, vengono simulati sia i componenti in linea di vista (LOS) che quelli non in linea di vista (NLOS) tra trasmettitore e ricevitore.
• MATLAB fornisce la funzione "ricianchan" per simulare il modello del canale rician.
Nakagami sbiadisce
Il canale di fading di Nakagami è un modello statistico utilizzato per descrivere i canali di comunicazione wireless in cui il segnale ricevuto subisce un fading multipath. Rappresenta ambienti con fading da moderato a grave, come aree urbane o suburbane. La seguente equazione può essere utilizzata per simulare il modello del canale di fading di Nakagami.
• In questo caso indichiamo h = r*ejΦe l'angolo Φ è distribuito uniformemente su [-π, π]
• Si suppone che le variabili r e Φ siano reciprocamente indipendenti.
• Il pdf di Nakagami è espresso come sopra.
• Nel pdf di Nakagami, 2σ2= E{r2}, Γ(.) è la funzione Gamma e k >= (1/2) è la cifra in dissolvenza (gradi di libertà correlati al numero di variabili casuali di Gauss aggiunte).
• Originariamente è stato sviluppato empiricamente basandosi su misurazioni.
• La potenza di ricezione istantanea è distribuita Gamma. • Con k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull che sbiadisce
Questo canale è un altro modello statistico utilizzato per descrivere i canali di comunicazione wireless. Il canale di fading di Weibull è comunemente utilizzato per rappresentare ambienti con vari tipi di condizioni di fading, sia deboli che gravi.
Dove,
2σ2= E{r2}
• La distribuzione di Weibull rappresenta un'altra generalizzazione della distribuzione di Rayleigh.
• Quando X e Y sono variabili gaussiane a media nulla, l'inviluppo di R = (X2+ E2)1/2è distribuito Rayleigh. • Tuttavia l'inviluppo è definito R = (X2+ E2)1/2e il pdf corrispondente (profilo di distribuzione della potenza) è distribuito secondo Weibull.
• La seguente equazione può essere utilizzata per simulare il modello di fading di Weibull.
In questa pagina abbiamo affrontato vari argomenti relativi al fading, come ad esempio cos'è il canale di fading, le sue tipologie, i modelli di fading, le loro applicazioni, le funzioni e così via. È possibile utilizzare le informazioni fornite in questa pagina per confrontare e ricavare le differenze tra fading su piccola scala e fading su larga scala, tra fading piatto e fading selettivo in frequenza, tra fading veloce e fading lento, tra fading di Rayleigh e fading di Rician e così via.
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Data di pubblicazione: 14-08-2023
