Diese Seite beschreibt die Grundlagen und Arten von Fading in der drahtlosen Kommunikation. Die Fading-Arten werden in großskaliges Fading und kleinskaliges Fading (Mehrwegeausbreitung und Doppler-Ausbreitung) unterteilt.
Flaches Fading und frequenzselektives Fading gehören zum Mehrwege-Fading, während schnelles und langsames Fading zum Doppler-Fading zählen. Diese Fading-Typen werden gemäß den Rayleigh-, Rician-, Nakagami- und Weibull-Verteilungen bzw. -Modellen implementiert.
Einführung:
Wie wir wissen, besteht ein drahtloses Kommunikationssystem aus einem Sender und einem Empfänger. Der Weg vom Sender zum Empfänger ist nicht gleichmäßig, und das gesendete Signal kann verschiedene Dämpfungsarten erfahren, darunter Pfadverlust und Mehrwegeausbreitung. Die Signaldämpfung auf diesem Weg hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Zeit, der Funkfrequenz und der Position von Sender und Empfänger. Der Kanal zwischen Sender und Empfänger kann zeitlich variabel oder konstant sein, je nachdem, ob Sender und Empfänger fest positioniert sind oder sich relativ zueinander bewegen.
Was verblasst?
Die zeitliche Schwankung der Empfangssignalleistung aufgrund von Änderungen im Übertragungsmedium oder auf dem Übertragungsweg wird als Fading bezeichnet. Fading hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie bereits erwähnt. Im stationären Bereich wird Fading durch atmosphärische Bedingungen wie Regen, Blitz usw. beeinflusst. Im mobilen Bereich wird Fading durch Hindernisse auf dem Übertragungsweg verursacht, deren Position sich zeitlich verändert. Diese Hindernisse führen zu komplexen Übertragungseffekten auf das gesendete Signal.
Die Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der Amplitude in Abhängigkeit von der Entfernung für langsame und schnelle Fading-Typen, die wir später besprechen werden.
Verblassende Arten
Unter Berücksichtigung verschiedener kanalbedingter Störungen und der Position von Sender und Empfänger sind folgende Arten von Fading in drahtlosen Kommunikationssystemen zu unterscheiden.
➤Großflächiges Überblenden: Es beinhaltet Pfadverlust- und Schatteneffekte.
➤Kleinräumiges Fading: Es wird in zwei Hauptkategorien unterteilt: Mehrwegeausbreitung und Doppler-Ausbreitung. Die Mehrwegeausbreitung wird weiter in flaches Fading und frequenzselektives Fading unterteilt. Die Doppler-Ausbreitung wird in schnelles und langsames Fading unterteilt.
➤Fading-Modelle: Die oben genannten Fading-Typen werden in verschiedenen Modellen oder Verteilungen implementiert, darunter Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull usw.
Bekanntlich kommt es durch Reflexionen vom Boden und umliegenden Gebäuden sowie durch Streuung von Signalen durch Bäume, Personen und Mobilfunkmasten in der Umgebung zu Signalabschwächungen. Man unterscheidet zwei Arten von Signalabschwächungen: großflächige und kleinflächige Abschwächungen.
1.) Großflächiges Ausbleichen
Großflächiges Fading tritt auf, wenn sich ein Hindernis zwischen Sender und Empfänger befindet. Diese Art von Störung führt zu einer erheblichen Reduzierung der Signalstärke. Dies liegt daran, dass die elektromagnetische Welle durch das Hindernis abgeschattet oder blockiert wird. Es geht mit starken Signalschwankungen über die Entfernung einher.
1.a) Pfadverlust
Der Freiraumverlust kann wie folgt ausgedrückt werden.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Wo,
Pt = Sendeleistung
Pr = Empfangsleistung
λ = Wellenlänge
d = Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
c = Lichtgeschwindigkeit, d.h. 3 x 108
Aus der Gleichung geht hervor, dass das übertragene Signal mit zunehmender Entfernung abnimmt, da es sich vom Sender zum Empfänger über eine immer größere Fläche ausbreitet.
1.b) Schatteneffekt
• Dieses Phänomen tritt in der drahtlosen Kommunikation auf. Abschattung ist die Abweichung der empfangenen Leistung eines elektromagnetischen Signals vom Mittelwert.
• Es ist die Folge von Hindernissen auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger.
• Es hängt sowohl von der geografischen Lage als auch von der Radiofrequenz der elektromagnetischen Wellen ab.
2. Kleinflächiges Ausbleichen
Beim Small-Scale-Fading geht es um schnelle Schwankungen der Empfangssignalstärke über sehr kurze Distanzen und kurze Zeiträume.
Bezogen aufMehrwegeausbreitungEs gibt zwei Arten von kleinräumigem Fading, nämlich flaches Fading und frequenzselektives Fading. Diese Arten von Mehrwege-Fading hängen von der Ausbreitungsumgebung ab.
2.a) Flaches Ausbleichen
Ein Funkkanal wird als flachfading bezeichnet, wenn er über eine Bandbreite, die größer als die Bandbreite des gesendeten Signals ist, eine konstante Verstärkung und einen linearen Phasengang aufweist.
Bei dieser Art von Fading schwanken alle Frequenzkomponenten des empfangenen Signals gleichzeitig im gleichen Verhältnis. Es wird auch als nicht-selektives Fading bezeichnet.
• Signalbandbreite << Kanalbandbreite
• Symbolperiode >> Verzögerungsspread
Der Effekt des Flat-Fadings äußert sich in einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Diese Flat-Fading-Kanäle werden als amplitudenvariable Kanäle oder Schmalbandkanäle bezeichnet.
2.b) Frequenzselektives Fading
Es beeinflusst verschiedene Spektralkomponenten eines Funksignals mit unterschiedlichen Amplituden. Daher der Name selektives Fading.
• Signalbandbreite > Kanalbandbreite
• Symbolperiode < Verzögerungsspread
Bezogen aufDoppler-SpreizungEs gibt zwei Arten von Fading: schnelles und langsames Fading. Diese Doppler-Fading-Arten hängen von der Mobilgeschwindigkeit ab, d. h. von der Geschwindigkeit des Empfängers relativ zum Sender.
2.c) Schnelles Verblassen
Das Phänomen des schnellen Fadings äußert sich in raschen Signalschwankungen auf kleinem Raum (d. h. in kleinen Bandbreiten). Treffen die Signale aus allen Richtungen in der Ebene ein, ist schnelles Fading in allen Bewegungsrichtungen zu beobachten.
Schnelles Fading tritt auf, wenn sich die Kanalimpulsantwort innerhalb der Symboldauer sehr schnell ändert.
• Hohe Doppler-Ausbreitung
• Symbolperiode > Kohärenzzeit
• Signalvariation < Kanalvariation
Diese Parameter führen aufgrund der Doppler-Verbreiterung zu Frequenzdispersion oder zeitselektivem Fading. Schnelles Fading entsteht durch Reflexionen an Objekten in der Nähe und durch die Bewegung von Objekten relativ zu diesen Objekten.
Bei schnellem Fading ist das Empfangssignal die Summe zahlreicher Signale, die von verschiedenen Oberflächen reflektiert werden. Dieses Signal ist die Summe oder Differenz mehrerer Signale, die sich je nach relativer Phasenverschiebung konstruktiv oder destruktiv überlagern können. Die Phasenbeziehungen hängen von der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Sendefrequenz und den relativen Weglängen ab.
Schnelles Fading verzerrt die Form des Basisbandimpulses. Diese Verzerrung ist linear und erzeugtISI(Intersymbolinterferenz). Die adaptive Entzerrung reduziert die ISI durch Beseitigung linearer, kanalbedingter Verzerrungen.
2.d) Langsames Ausblenden
Das langsame Verblassen ist die Folge von Schattenwurf durch Gebäude, Hügel, Berge und andere Objekte entlang des Weges.
• Geringe Doppler-Ausbreitung
• Symbolperiode <
• Signalvariation >> Kanalvariation
Implementierung von Fading-Modellen oder Fading-Verteilungen
Zu den Implementierungen von Fadingmodellen bzw. Fadingverteilungen gehören Rayleigh-Fading, Rician-Fading, Nakagami-Fading und Weibull-Fading. Diese Kanalverteilungen bzw. -modelle sind so konzipiert, dass sie Fading gemäß den Anforderungen des Fadingprofils in das Basisbanddatensignal integrieren.
Rayleigh verblasst
• Im Rayleigh-Modell werden nur die Komponenten ohne Sichtverbindung (NLOS) zwischen Sender und Empfänger simuliert. Es wird angenommen, dass kein direkter Sichtpfad (LOS) zwischen Sender und Empfänger existiert.
• MATLAB stellt die Funktion "rayleighchan" zur Verfügung, um das Rayleigh-Kanalmodell zu simulieren.
• Die Leistung ist exponentialverteilt.
Die Phase ist gleichmäßig verteilt und unabhängig von der Amplitude. Es handelt sich um die am häufigsten verwendete Art von Fading in der drahtlosen Kommunikation.
Rician verblasst
• Im rician-Modell werden sowohl die Line-of-Sight-Komponente (LOS) als auch die Non-Line-of-Sight-Komponente (NLOS) zwischen Sender und Empfänger simuliert.
• MATLAB stellt die Funktion "ricianchan" zur Verfügung, um das Rician-Kanalmodell zu simulieren.
Nakagami verblasst
Der Nakagami-Fading-Kanal ist ein statistisches Modell zur Beschreibung von drahtlosen Kommunikationskanälen, in denen das empfangene Signal Mehrwegeausbreitung unterliegt. Er repräsentiert Umgebungen mit mittlerem bis starkem Fading, wie beispielsweise städtische oder vorstädtische Gebiete. Die folgende Gleichung kann zur Simulation des Nakagami-Fading-Kanalmodells verwendet werden.
• In diesem Fall setzen wir h = r*ejΦund der Winkel Φ ist gleichmäßig verteilt auf [-π, π]
• Es wird angenommen, dass die Variablen r und Φ voneinander unabhängig sind.
• Das Nakagami-PDF wird wie oben dargestellt ausgedrückt.
• Im Nakagami-PDF, 2σ2= E{r2}, Γ(.) ist die Gammafunktion und k >= (1/2) ist die Fading-Figur (Freiheitsgrade, die mit der Anzahl der hinzugefügten Gaußschen Zufallsvariablen zusammenhängen).
• Es wurde ursprünglich empirisch auf der Grundlage von Messungen entwickelt.
• Die momentane Empfangsleistung ist Gamma-verteilt. • Mit k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull-Schwäche
Dieser Kanal stellt ein weiteres statistisches Modell zur Beschreibung drahtloser Kommunikationskanäle dar. Der Weibull-Fading-Kanal wird häufig verwendet, um Umgebungen mit verschiedenen Fading-Bedingungen, einschließlich schwachem und starkem Fading, abzubilden.
Wo,
2σ2= E{r2}
• Die Weibull-Verteilung stellt eine weitere Verallgemeinerung der Rayleigh-Verteilung dar.
• Wenn X und Y unabhängige, identisch verteilte Gaußsche Zufallsvariablen mit Mittelwert Null sind, ist die Einhüllende von R = (X2+ Y2)1/2ist Rayleigh-verteilt. • Die Einhüllende ist jedoch definiert als R = (X2+ Y2)1/2und die zugehörige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Leistungsverteilungsprofil) ist Weibull-verteilt.
• Die folgende Gleichung kann zur Simulation des Weibull-Fading-Modells verwendet werden.
Auf dieser Seite haben wir verschiedene Aspekte des Fadings behandelt, darunter die Definition eines Fading-Kanals, seine Arten, Fading-Modelle, ihre Anwendungen und Funktionen. Mithilfe der hier bereitgestellten Informationen können Sie die Unterschiede zwischen kleinskaligem und großskaligem Fading, flachem und frequenzselektivem Fading, schnellem und langsamem Fading sowie Rayleigh- und Rician-Fading vergleichen und herleiten.
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Veröffentlichungsdatum: 14. August 2023
