Auf dieser Seite werden die Grundlagen des Fadings und die Arten des Fadings bei der drahtlosen Kommunikation beschrieben. Die Fading-Typen werden in großräumiges Fading und kleinräumiges Fading (Mehrwegeverzögerungsspreizung und Dopplerspreizung) unterteilt.
Flaches Fading und Frequenzauswahl-Fading sind Teil des Mehrwege-Fadings, während schnelles Fading und langsames Fading Teil des Doppler-Spread-Fadings sind. Diese Fading-Typen werden gemäß den Verteilungen oder Modellen von Rayleigh, Rician, Nakagami und Weibull implementiert.
Einführung:
Wie wir wissen, besteht ein drahtloses Kommunikationssystem aus Sender und Empfänger. Der Weg vom Sender zum Empfänger ist nicht glatt und das übertragene Signal kann verschiedene Arten von Dämpfungen durchlaufen, einschließlich Pfadverlust, Mehrwegedämpfung usw. Die Signaldämpfung über den Pfad hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dies sind Zeit, Funkfrequenz und Weg bzw. Position des Senders/Empfängers. Der Kanal zwischen Sender und Empfänger kann zeitlich variieren oder fest sein, je nachdem, ob Sender/Empfänger fest sind oder sich relativ zueinander bewegen.
Was ist Verblassen?
Die zeitliche Schwankung der empfangenen Signalleistung aufgrund von Änderungen im Übertragungsmedium oder in den Übertragungswegen wird als Fading bezeichnet. Das Ausbleichen hängt, wie oben erwähnt, von verschiedenen Faktoren ab. In einem festen Szenario hängt der Schwund von atmosphärischen Bedingungen wie Regen, Blitz usw. ab. In einem mobilen Szenario hängt der Schwund von Hindernissen auf dem Weg ab, die sich im Laufe der Zeit ändern. Diese Hindernisse führen zu komplexen Übertragungseffekten auf das übertragene Signal.
Abbildung 1 zeigt ein Amplituden-Distanz-Diagramm für langsame und schnelle Fading-Typen, auf die wir später noch eingehen werden.
Verblassende Typen
Unter Berücksichtigung verschiedener kanalbedingter Beeinträchtigungen und der Position der Sender-/Empfängerfolge sind die Arten von Schwund in drahtlosen Kommunikationssystemen zu berücksichtigen.
➤Großflächiges Verblassen: Es umfasst Pfadverlust- und Schatteneffekte.
➤Fading im kleinen Maßstab: Es ist in zwei Hauptkategorien unterteilt, nämlich. Mehrwegeverzögerungsspreizung und Dopplerspreizung. Die Mehrwegeverzögerungsspreizung wird weiter in flaches Fading und frequenzselektives Fading unterteilt. Die Doppler-Ausbreitung 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 schwächere Signale durch Reflexionen vom Boden und umliegenden Gebäuden sowie durch Streusignale von Bäumen, Menschen und Türmen in der großen Umgebung. Es gibt zwei Arten des Verblassens, nämlich. Verblassen im großen Maßstab und Verblassen im kleinen Maßstab.
1.) Großflächiges Ausbleichen
Ein großräumiges Fading tritt auf, wenn ein Hindernis zwischen Sender und Empfänger gerät. Dieser Interferenztyp führt zu einer erheblichen Verringerung der Signalstärke. Dies liegt daran, dass die EM-Welle durch das Hindernis abgeschattet oder blockiert wird. Dies hängt mit großen Schwankungen des Signals über die Entfernung zusammen.
1.a) Pfadverlust
Der Verlust des Freiraumpfads kann wie folgt ausgedrückt werden.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Wo,
Pt = Sendeleistung
Pr = Strom empfangen
λ = Wellenlänge
d = Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
c = Lichtgeschwindigkeit, also 3 x 108
Aus der Gleichung geht hervor, dass das übertragene Signal mit zunehmender Entfernung schwächer wird, da das Signal über einen immer größeren Bereich vom Sendeende zum Empfangsende verteilt wird.
1.b) Abschattungseffekt
• Es wird bei der drahtlosen Kommunikation beobachtet. Unter Abschattung versteht man die Abweichung der Empfangsleistung des EM-Signals vom Durchschnittswert.
• Dies ist auf Hindernisse auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger zurückzuführen.
• Dies hängt von der geografischen Position sowie der Hochfrequenz der EM-Wellen (elektromagnetischen Wellen) ab.
2. Verblassen im kleinen Maßstab
Beim kleinräumigen Fading handelt es sich um schnelle Schwankungen der empfangenen Signalstärke über sehr kurze Entfernungen und kurze Zeiträume.
Bezogen aufAusbreitung der MehrwegeverzögerungEs gibt zwei Arten von kleinräumigem Verblassen, nämlich. flaches Fading und frequenzselektives Fading. Diese Multipath-Fading-Typen hängen von der Ausbreitungsumgebung ab.
2.a) Flaches Ausbleichen
Der drahtlose Kanal wird als Flat-Fading bezeichnet, wenn er eine konstante Verstärkung und einen linearen Phasengang über eine Bandbreite aufweist, die größer als die Bandbreite des übertragenen Signals ist.
Bei dieser Art des Fadings schwanken alle Frequenzkomponenten des empfangenen Signals gleichzeitig im gleichen Verhältnis. Es wird auch als nicht-selektives Fading bezeichnet.
• Signal-BW << Kanal-BW
• Symbolperiode >> Delay Spread
Der Effekt des flachen Fadings zeigt sich in einer Abnahme des SNR. Diese Kanäle mit flachem Fading 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.
• Signal-BW > Kanal-BW
• Symbolperiode < Delay Spread
Bezogen aufDoppler-AusbreitungEs gibt zwei Arten des Verblassens, nämlich. schnelles Verblassen und langsames Verblassen. Diese Doppler-Spread-Fading-Typen hängen von der mobilen Geschwindigkeit ab, dh der Geschwindigkeit des Empfängers im Verhältnis zum Sender.
2.c) Schnelles Verblassen
Das Phänomen des schnellen Fadings wird durch schnelle Signalschwankungen über kleine Bereiche (dh Bandbreite) dargestellt. Wenn die Signale aus allen Richtungen der Ebene eintreffen, wird für alle Bewegungsrichtungen ein schnelles Abklingen beobachtet.
Ein 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 einer Frequenzdispersion oder einem zeitselektiven Schwund aufgrund der Doppler-Spreizung. Schnelles Ausbleichen ist das Ergebnis von Reflexionen lokaler Objekte und der Bewegung von Objekten relativ zu diesen Objekten.
Beim schnellen Fading ist das Empfangssignal die Summe zahlreicher Signale, die von verschiedenen Oberflächen reflektiert werden. Dieses Signal ist die Summe oder Differenz mehrerer Signale, die aufgrund der relativen Phasenverschiebung zwischen ihnen konstruktiv oder destruktiv sein können. Phasenbeziehungen hängen von der Bewegungsgeschwindigkeit, der Übertragungsfrequenz und den relativen Pfadlängen ab.
Schnelles Fading verzerrt die Form des Basisbandimpulses. Diese Verzerrung ist linear und erzeugtISI(Intersymbolinterferenz). Die adaptive Entzerrung reduziert ISI, indem sie durch den Kanal verursachte lineare Verzerrungen beseitigt.
2.d) Langsames Verblassen
Das langsame Verblassen ist auf die Verschattung durch Gebäude, Hügel, Berge und andere Objekte auf dem Weg zurückzuführen.
• 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 darauf ausgelegt, Fading im Basisband-Datensignal entsprechend den Fading-Profilanforderungen zu integrieren.
Rayleigh verblasst
• Im Rayleigh-Modell werden nur NLOS-Komponenten (Non Line of Sight) zwischen Sender und Empfänger simuliert. Es wird davon ausgegangen, dass zwischen Sender und Empfänger kein LOS-Pfad vorhanden ist.
• 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. Es handelt sich um die am häufigsten verwendete Fading-Art in der drahtlosen Kommunikation.
Rician verblasst
• Im Rician-Modell werden sowohl Komponenten der Sichtlinie (LOS) als auch Komponenten ohne Sichtlinie (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, bei denen das empfangene Signal einem Mehrwege-Fading unterliegt. Es handelt sich um Umgebungen mit mäßigem bis starkem Ausbleichen, wie z. B. städtische oder vorstädtische Gebiete. Die folgende Gleichung kann verwendet werden, um das Nakagami-Fading-Kanalmodell zu simulieren.
• 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 die Schwundzahl (Freiheitsgrade bezogen auf die Anzahl der hinzugefügten Gaußsion-Zufallsvariablen).
• Es wurde ursprünglich empirisch auf der Grundlage von Messungen entwickelt.
• Die momentane Empfangsleistung ist Gamma-verteilt. • Mit k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull verblasst
Dieser Kanal ist ein weiteres statistisches Modell zur Beschreibung des drahtlosen Kommunikationskanals. Der Weibull-Fading-Kanal wird üblicherweise zur Darstellung von Umgebungen mit verschiedenen Arten von Fading-Bedingungen verwendet, 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 gleich Null sind, bedeuten Gaußsche Variablen die Einhüllende von R = (X2+ Y2)1/2ist Rayleigh-verteilt. • Allerdings ist die Hüllkurve definiert als R = (X2+ Y2)1/2, und das entsprechende PDF (Stromverteilungsprofil) 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 ein Fading-Kanal ist, seine Typen, Fading-Modelle, ihre Anwendungen, Funktionen usw. Man kann die auf dieser Seite bereitgestellten Informationen verwenden, um den Unterschied zwischen kleinem Schwund und großräumigem Schwund, den Unterschied zwischen flachem Schwund und frequenzselektivem Schwund, den Unterschied zwischen schnellem Schwund und langsamem Schwund, den Unterschied zwischen Rayleigh-Fading und Rician-Fading usw. abzuleiten bald.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. August 2023
