Auf dieser Seite werden die Grundlagen und Arten des Fadings in der drahtlosen Kommunikation beschrieben. Die Fading-Arten werden in großflächiges Fading und kleinflächiges Fading (Mehrwegeverzögerungsausbreitung und Dopplerausbreitung) unterteilt.
Flaches Fading und Frequenzauswahl-Fading gehören zum Mehrwege-Fading, während schnelles Fading und langsames Fading zum Doppler-Spread-Fading gehören. Diese Fading-Typen werden gemäß den Verteilungen bzw. Modellen Rayleigh, Rician, Nakagami und Weibull implementiert.
Einführung:
Drahtlose Kommunikationssysteme bestehen bekanntlich aus Sender und Empfänger. Der Weg vom Sender zum Empfänger ist nicht gleichmäßig, und das übertragene Signal kann verschiedene Dämpfungen wie Streckenverluste, Mehrwegedämpfung usw. erfahren. Die Signaldämpfung auf dem Weg hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören Zeit, Funkfrequenz und Weg bzw. Position von Sender/Empfänger. Der Kanal zwischen Sender und Empfänger kann zeitlich variieren oder fest sein, je nachdem, ob Sender/Empfänger feststehend sind oder sich relativ zueinander bewegen.
Was ist Fading?
Die zeitliche Schwankung der empfangenen Signalleistung aufgrund von Änderungen des Übertragungsmediums oder der Übertragungswege wird als Fading bezeichnet. Fading hängt, wie bereits erwähnt, von verschiedenen Faktoren ab. Im stationären Bereich hängt Fading von atmosphärischen Bedingungen wie Regen, Blitz usw. ab. Im mobilen Bereich hängt Fading von zeitlich variierenden Hindernissen auf dem Weg ab. Diese Hindernisse erzeugen komplexe Übertragungseffekte auf das gesendete Signal.
Abbildung 1 zeigt ein Amplituden-Distanz-Diagramm für langsam und schnell verblassende Typen, die wir später besprechen werden.
Fading-Typen
Unter Berücksichtigung verschiedener kanalbezogener Beeinträchtigungen und der Position von Sender/Empfänger sind die folgenden Arten von Fading in drahtlosen Kommunikationssystemen möglich.
➤Großflächiges Verblassen: Beinhaltet Pfadverlust und Schatteneffekte.
➤Kleines Fading: Es wird in zwei Hauptkategorien unterteilt: Mehrwegeverzögerungsausbreitung und Dopplerausbreitung. Die Mehrwegeverzögerungsausbreitung wird weiter in flaches Fading und frequenzselektives Fading unterteilt. Die Dopplerausbreitung wird in schnelles Fading und langsames Fading unterteilt.
➤Fading-Modelle: Die oben genannten Fading-Typen werden in verschiedenen Modellen oder Verteilungen implementiert, darunter Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull usw.
Wie wir wissen, entstehen Signalschwunde durch Reflexionen vom Boden und umliegenden Gebäuden sowie durch Streusignale von Bäumen, Menschen und Türmen im großen Bereich. Es gibt zwei Arten von Schwund: den großflächigen und den kleinflächigen Schwund.
1.) Großflächiges Verblassen
Großflächiges Fading tritt auf, wenn sich ein Hindernis zwischen Sender und Empfänger befindet. Diese Störungsart führt zu einer deutlichen Verringerung der Signalstärke. Dies liegt daran, dass die elektromagnetische Welle durch das Hindernis abgeschattet oder blockiert wird. Dies ist auf starke Signalschwankungen über die Distanz zurückzuführen.
1.a) Pfadverlust
Der Freiraumpfadverlust 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 lässt sich schließen, dass das übertragene Signal mit der Entfernung abgeschwächt wird, da sich das Signal vom Sendeende zum Empfangsende über eine immer größere Fläche ausbreitet.
1.b) Schatteneffekt
• Wird bei der drahtlosen Kommunikation beobachtet. Abschattung ist eine Abweichung der empfangenen Leistung eines EM-Signals vom Durchschnittswert.
• Es ist das Ergebnis von Hindernissen auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger.
• Es hängt von der geografischen Position sowie der Radiofrequenz der EM-Wellen (elektromagnetische Wellen) ab.
2. Kleinflächiges Verblassen
Beim Small Scale Fading handelt es sich um schnelle Schwankungen der empfangenen Signalstärke über sehr kurze Distanzen und kurze Zeiträume.
Bezogen aufAusbreitung der MehrwegeverzögerungEs gibt zwei Arten von kleinräumigem Fading: flaches Fading und frequenzselektives Fading. Diese Arten des Mehrwege-Fadings hängen von der Ausbreitungsumgebung ab.
2.a) Flaches Fading
Der drahtlose Kanal hat einen flachen Schwund, wenn er über eine konstante Verstärkung und eine lineare Phasenantwort über eine Bandbreite verfügt, die größer ist als die Bandbreite des übertragenen Signals.
Bei dieser Art des Fadings schwanken alle Frequenzkomponenten des empfangenen Signals gleichzeitig im gleichen Verhältnis. Es wird auch als nicht-selektives Fading bezeichnet.
• Signalbandbreite << Kanalbandbreite
• Symbolperiode >> Delay Spread
Der Effekt des Flat Fadings zeigt sich in einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese Flat-Fading-Kanäle werden als amplitudenvariierende Kanäle oder Schmalbandkanäle bezeichnet.
2.b) Frequenzselektives Fading
Es betrifft verschiedene Spektralkomponenten eines Funksignals mit unterschiedlichen Amplituden. Daher der Name selektives Fading.
• Signalbandbreite > Kanalbandbreite
• Symbolperiode < Verzögerungsspread
Bezogen aufDoppler-AusbreitungEs gibt zwei Arten von Fading: schnelles Fading und langsames Fading. Diese Doppler-Spread-Fading-Typen hängen von der Geschwindigkeit des Mobiltelefons ab, d. h. von der Geschwindigkeit des Empfängers im Verhältnis zum Sender.
2.c) Schnelles Verblassen
Das Phänomen des schnellen Verblassens wird durch schnelle Signalschwankungen über kleine Bereiche (d. h. Bandbreite) dargestellt. Wenn die Signale aus allen Richtungen der Ebene eintreffen, wird für alle Bewegungsrichtungen ein schnelles Verblassen beobachtet.
Schnelles Fading tritt auf, wenn sich die Kanalimpulsantwort innerhalb der Symboldauer sehr schnell ändert.
• Hohe Doppler-Spreizung
• Symbolperiode > Kohärenzzeit
• Signalvariation < Kanalvariation
Diese Parameter führen zu Frequenzdispersion oder zeitselektivem Fading aufgrund der Doppler-Ausbreitung. Schnelles Fading ist das Ergebnis von Reflexionen lokaler Objekte und der 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 je nach relativer Phasenverschiebung konstruktiv oder destruktiv sein können. Die Phasenbeziehungen hängen von Bewegungsgeschwindigkeit, Übertragungsfrequenz und relativen Weglängen ab.
Schnelles Fading verzerrt die Form des Basisbandimpulses. Diese Verzerrung ist linear und erzeugtISI(Intersymbolinterferenz). Die adaptive Entzerrung reduziert ISI durch Entfernen der durch den Kanal verursachten linearen Verzerrung.
2.d) Langsames Verblassen
Langsames Verblassen ist die Folge der Schattenbildung durch Gebäude, Hügel, Berge und andere Objekte auf dem Weg.
• Geringe Doppler-Spreizung
• Symbolperiode <
• Signalvariation >> Kanalvariation
Implementierung von Fading-Modellen oder Fading-Verteilungen
Zu den Implementierungen von Fading-Modellen oder Fading-Verteilungen gehören Rayleigh-Fading, Rician-Fading, Nakagami-Fading und Weibull-Fading. Diese Kanalverteilungen oder Modelle sind so konzipiert, dass sie Fading gemäß den Fading-Profilanforderungen in das Basisband-Datensignal integrieren.
Rayleigh-Verblassen
• Im Rayleigh-Modell werden nur Nicht-Sichtverbindungskomponenten (NLOS) zwischen Sender und Empfänger simuliert. Es wird angenommen, dass zwischen Sender und Empfänger kein Sichtverbindungspfad besteht.
• MATLAB bietet die Funktion „rayleighchan“ zur Simulation des Rayleigh-Kanalmodells.
• Die Leistung ist exponentiell verteilt.
• Die Phase ist gleichmäßig verteilt und unabhängig von der Amplitude. Dies ist die am häufigsten verwendete Art von Fading in der drahtlosen Kommunikation.
Ricianisches Verblassen
• Im Rican-Modell werden sowohl Sichtverbindungskomponenten (LOS) als auch Nicht-Sichtverbindungskomponenten (NLOS) zwischen Sender und Empfänger simuliert.
• MATLAB bietet die Funktion „ricianchan“ zur Simulation des Rician-Kanalmodells.
Nakagami verblasst
Der Nakagami-Fadding-Kanal ist ein statistisches Modell zur Beschreibung drahtloser Kommunikationskanäle, in denen das empfangene Signal Mehrwege-Fading aufweist. Es repräsentiert Umgebungen mit mittlerem bis starkem Fading, wie z. B. städtische oder vorstädtische Gebiete. Die folgende Gleichung kann zur Simulation des Nakagami-Fadding-Kanalmodells verwendet werden.
• In diesem Fall bezeichnen wir h = r*ejΦund der Winkel Φ ist gleichmäßig auf [-π, π] verteilt
• Es wird angenommen, dass die Variablen r und Φ voneinander unabhängig sind.
• Das Nakagami-PDF wird wie oben ausgedrückt.
• Im Nakagami-PDF, 2σ2= E{r2}, Γ(.) ist die Gammafunktion und k >= (1/2) ist der Abklingwert (Freiheitsgrade bezogen auf die Anzahl der hinzugefügten Gaußschen Zufallsvariablen).
• Es wurde ursprünglich empirisch auf der Grundlage von Messungen entwickelt.
• Die momentane Empfangsleistung ist Gamma-verteilt. • Mit k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull-Verblassen
Dieser Kanal ist ein weiteres statistisches Modell zur Beschreibung drahtloser Kommunikationskanäle. Der Weibull-Fading-Kanal wird häufig verwendet, um Umgebungen mit verschiedenen Arten von Fading-Bedingungen darzustellen, darunter sowohl schwaches als auch starkes Fading.
Wo,
2σ2= E{r2}
• Die Weibull-Verteilung stellt eine weitere Verallgemeinerung der Rayleigh-Verteilung dar.
• Wenn X und Y iid Nullmittelwert-Gauß-Variablen sind, ist die Hüllkurve von R = (X2+ Y2)1/2ist Rayleigh-verteilt. • Die Hüllkurve ist jedoch definiert als R = (X2+ Y2)1/2, und das entsprechende PDF (Leistungsverteilungsprofil) ist Weibull-verteilt.
• Die folgende Gleichung kann zur Simulation des Weibull-Fading-Modells verwendet werden.
Auf dieser Seite haben wir verschiedene Themen zum Thema Fading behandelt, z. B. was Fading-Kanäle sind, welche Typen es gibt, welche Fading-Modelle es gibt, welche Anwendungen, Funktionen usw. Die Informationen auf dieser Seite helfen Ihnen, die Unterschiede zwischen kleinräumigem und großräumigem Fading, zwischen flachem und frequenzselektivem Fading, zwischen schnellem und langsamem Fading, zwischen Rayleigh- und Rician-Fading usw. zu vergleichen und abzuleiten.
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Veröffentlichungszeit: 14. August 2023
