Questa pagina descrive i principi di base e le tipologie di fading nelle comunicazioni wireless. Le tipologie di fading si dividono in fading su larga scala e fading su piccola scala (diffusione del ritardo multipath e diffusione Doppler).
Il fading piatto e il fading con selezione di frequenza fanno parte del fading multipath, mentre il fading veloce e il fading lento fanno parte del fading a diffusione 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 lineare e il segnale trasmesso può subire vari tipi di attenuazione, tra cui la perdita di percorso, l'attenuazione multipath, ecc. L'attenuazione del segnale lungo il percorso dipende da diversi fattori: il tempo, la radiofrequenza e il percorso o la posizione del trasmettitore/ricevitore. Il canale tra trasmettitore e ricevitore può essere variabile nel tempo o fisso, a seconda che il trasmettitore/ricevitore siano fissi o in movimento l'uno rispetto all'altro.
Cos'è lo sbiadimento?
La variazione nel tempo della potenza del segnale ricevuto dovuta a cambiamenti nel mezzo o nel percorso di trasmissione è nota come fading. Il fading dipende da diversi fattori, come menzionato in precedenza. In un ambiente fisso, il fading dipende da condizioni atmosferiche come pioggia, fulmini, ecc. In un ambiente mobile, il fading dipende dagli ostacoli presenti lungo il percorso, che variano nel tempo. Questi ostacoli creano complessi effetti di trasmissione sul segnale trasmesso.
La figura 1 mostra il grafico dell'ampiezza in funzione della distanza per i tipi di dissolvenza lenta e rapida, che analizzeremo in seguito.
Tipi di sbiadimento
Considerando le varie problematiche legate al canale e alla posizione del trasmettitore/ricevitore, di seguito sono riportate le tipologie di fading nei sistemi di comunicazione wireless.
➤Dissolvenza su larga scala: include effetti di perdita di percorso e di ombreggiatura.
➤Fading su piccola scala: si divide in due categorie principali, ovvero la diffusione del ritardo multipath e la 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 descritti sono implementati in vari modelli o distribuzioni, tra cui Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull ecc.
Come sappiamo, l'attenuazione del segnale si verifica a causa delle riflessioni dal terreno e dagli edifici circostanti, nonché dei segnali diffusi da alberi, persone e torri presenti in un'ampia area. Esistono due tipi di attenuazione: attenuazione su larga scala e attenuazione su piccola scala.
1.) Dissolvenza su larga scala
L'attenuazione su larga scala si verifica quando un ostacolo si interpone tra trasmettitore e ricevitore. Questo tipo di interferenza causa una significativa riduzione dell'intensità del segnale. Ciò è dovuto al fatto che l'onda elettromagnetica viene schermata o bloccata dall'ostacolo. È correlata alle ampie 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 = Ricevere potenza
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, poiché si diffonde su un'area sempre più ampia, dal punto di trasmissione verso il punto di ricezione.
1.b) Effetto ombreggiatura
• Si osserva nelle comunicazioni wireless. L'effetto shadowing è la deviazione della potenza ricevuta del segnale elettromagnetico dal valore medio.
• È il risultato di ostacoli sul percorso tra trasmettitore e ricevitore.
• Dipende dalla posizione geografica e dalla frequenza radio delle onde elettromagnetiche (EM).
2. Sbiadimento su piccola scala
Il fading su piccola scala riguarda le rapide fluttuazioni dell'intensità del segnale ricevuto su distanze molto brevi e in brevi periodi di tempo.
In base adiffusione del ritardo multipathEsistono 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) Dissolvenza piatta
Si dice che un canale wireless presenta fading piatto se ha guadagno costante e 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 di banda del segnale << Larghezza di banda del canale
• Periodo del simbolo >> Spread di ritardo
L'effetto dello svanimento piatto si manifesta come una diminuzione del rapporto segnale/rumore (SNR). Questi canali a svanimento piatto sono noti come canali a variazione di ampiezza o canali a banda stretta.
2.b) Dissolvenza selettiva in frequenza
Influisce su diverse componenti spettrali di un segnale radio con ampiezze differenti. Da qui il nome di fading selettivo.
• Larghezza di banda del segnale > Larghezza di banda del canale
• Periodo del simbolo < Spread di ritardo
In base adiffusione DopplerEsistono due tipi di fading: fading rapido e fading lento. Questi tipi di fading a diffusione Doppler dipendono dalla velocità del dispositivo mobile, ovvero dalla velocità del ricevitore rispetto al trasmettitore.
2.c) Dissolvenza rapida
Il fenomeno del fading rapido è rappresentato da rapide fluttuazioni del segnale su aree ristrette (ovvero larghezza di banda). Quando i segnali arrivano da tutte le direzioni sul piano, si osserverà un fading rapido per tutte le direzioni di movimento.
L'attenuazione rapida si verifica quando la risposta impulsiva del canale cambia molto rapidamente entro la durata del simbolo.
• Elevata diffusione Doppler
• Periodo simbolico > Tempo di coerenza
• Variazione del segnale < Variazione del canale
Questi parametri determinano una dispersione di frequenza o un'attenuazione selettiva nel tempo dovuta all'effetto Doppler. L'attenuazione rapida è il risultato delle riflessioni degli oggetti locali e del movimento degli oggetti rispetto a tali oggetti.
Nel caso di 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 a seconda dello sfasamento relativo tra di essi. Le relazioni di fase dipendono dalla velocità di movimento, dalla frequenza di trasmissione e dalle lunghezze relative dei percorsi.
Lo svanimento rapido distorce la forma dell'impulso in banda base. Questa distorsione è lineare e creaISI(Interferenza intersimbolica). L'equalizzazione adattiva riduce l'ISI eliminando la distorsione lineare indotta dal canale.
2.d) Sbiadimento lento
Lo sbiadimento graduale è dovuto all'ombreggiatura proiettata da edifici, colline, montagne e altri oggetti che si trovano sul sentiero.
• Bassa diffusione Doppler
• Periodo simbolo <
• Variazione del segnale >> Variazione del canale
Implementazione di modelli di fading o distribuzioni di fading
Le implementazioni dei modelli o delle 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 svanisce
• Nel modello di Rayleigh, vengono simulate solo le componenti non in linea di vista (NLOS) tra trasmettitore e ricevitore. Si presume che non esista alcun percorso in linea di vista tra trasmettitore e ricevitore.
• MATLAB fornisce la funzione "rayleighchan" per simulare il modello del canale di Rayleigh.
• La potenza è distribuita in modo esponenziale.
• La fase è distribuita uniformemente e indipendente dall'ampiezza. È il tipo di fading più utilizzato nelle comunicazioni wireless.
sbiadimento riciano
• Nel modello rician, vengono simulate sia le componenti Line of Sight (LOS) che Non Line of Sight (NLOS) tra trasmettitore e ricevitore.
• MATLAB fornisce la funzione "ricianchan" per simulare il modello del canale di Rician.
Nakagami svanisce
Il modello di canale con fading di Nakagami è un modello statistico utilizzato per descrivere i canali di comunicazione wireless in cui il segnale ricevuto subisce 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 di canale con fading di Nakagami.
• In questo caso indichiamo h = r*ejΦe l'angolo Φ è distribuito uniformemente su [-π, π]
• Si assume che le variabili r e Φ siano mutuamente 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 figura di dissolvenza (gradi di libertà relativi al numero di variabili casuali Gaussiane aggiunte).
• È stato originariamente sviluppato empiricamente sulla base di misurazioni.
• La potenza di ricezione istantanea è distribuita secondo una distribuzione Gamma. • Con k = 1 Rayleigh = Nakagami
L'attenuazione di Weibull
Questo canale è un altro modello statistico utilizzato per descrivere i canali di comunicazione wireless. Il canale di fading di Weibull è comunemente usato per rappresentare ambienti con vari tipi di condizioni di fading, inclusi fading deboli e forti.
Dove,
2σ2= E{r2}
• La distribuzione di Weibull rappresenta un'ulteriore generalizzazione della distribuzione di Rayleigh.
• Quando X e Y sono variabili gaussiane iid a media zero, l'inviluppo di R = (X2+ Y2)1/2è distribuito secondo Rayleigh. • Tuttavia l'inviluppo è definito R = (X2+ Y2)1/2e la corrispondente funzione di densità di probabilità (profilo di distribuzione della potenza) segue una distribuzione di Weibull.
• La seguente equazione può essere utilizzata per simulare il modello di fading di Weibull.
In questa pagina abbiamo trattato vari argomenti relativi al fading, come ad esempio cos'è il fading di canale, i suoi tipi, i modelli di fading, le loro applicazioni, le funzioni e così via. È possibile utilizzare le informazioni fornite in questa pagina per confrontare e comprendere 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.
E-mail:info@rf-miso.com
Telefono: 0086-028-82695327
Sito web: www.rf-miso.com
Data di pubblicazione: 14 agosto 2023
