Funkkanal-SchwundFading bezeichnet die Schwankung der empfangenen Signalamplitude, -phase oder -leistung, die durch Änderungen im Ausbreitungsweg verursacht wird. Es kann die Verbindungsreserve verringern, Breitbandsignale verzerren und die Reproduzierbarkeit von HF-Messungen erschweren. Das Verständnis der im System auftretenden Fading-Art hilft Ingenieuren bei der Auswahl geeigneter Antennen, Testmethoden und Kompensationsmaßnahmen.
Dieser Leitfaden erläutert groß- und kleinskaliges Fading, flache und frequenzselektive Kanäle, langsames und schnelles Fading sowie die gängigsten statistischen Kanalmodelle. Er zeigt außerdem, wie Antennencharakteristik, Polarisation und Testgeometrie praktische Fadingmessungen beeinflussen.
Was ist Kanalschwund bei drahtlosen Funkverbindungen?
Ein Funksignal erreicht einen Empfänger selten nur auf einem einzigen idealen Weg. Gebäude, Gelände, Fahrzeuge, Geräte und andere Objekte können elektromagnetische Wellen blockieren, reflektieren, beugen oder streuen. Mehrere Kopien desselben Signals können daher mit unterschiedlichen Verzögerungen, Amplituden, Phasen und Einfallswinkeln eintreffen. Ihre Überlagerung kann an einem Ort oder bei einer bestimmten Frequenz konstruktiv und an einer anderen destruktiv sein.
Fading unterscheidet sich von der deterministischen Pfaddämpfung im freien Raum. Pfaddämpfung beschreibt die allgemeine Leistungsabnahme mit zunehmender Entfernung und Frequenz, während Fading zusätzliche Schwankungen um diesen Mittelwert beschreibt. Ingenieure klassifizieren Fading üblicherweise anhand zweier unabhängiger Achsen: räumlicher Skala und Kanalselektivität.
Abbildung 1.Langsame und schnelle Schwankungen des empfangenen Signalpegels veranschaulichen unterschiedliche Fading-Zeit- oder Entfernungsskalen.
Wie drahtloses Fading klassifiziert wird
großflächiges Ausbleichenbeschreibt allmähliche Veränderungen über relativ lange Distanzen, hauptsächlich aufgrund von Pfadverlustvariationen und Abschattung.Kleinflächiges Verblassenbeschreibt schnelle Veränderungen über kurze Distanzen oder kurze Zeitintervalle aufgrund von Mehrwegeausbreitung und Bewegung.
Kleinskaliges Fading lässt sich anhand der Laufzeitstreuung in flach oder frequenzselektiv und anhand der Doppler-Streuung in langsam oder schnell einteilen. Es handelt sich dabei um separate Klassifizierungen: Ein Kanal kann flach und schnell, flach und langsam, frequenzselektiv und schnell oder frequenzselektiv und langsam sein.
Großflächiges Ausbleichen: Pfadverlust und Abschattung
Pfadverlusttrend
Die Pfaddämpfung ist die durchschnittliche Abnahme der Empfangsleistung mit zunehmender Ausbreitungsdistanz. Im freien Raum ohne Hindernisse hängt die Dämpfung von der Wellenlänge und der Entfernung ab. In realen Umgebungen kommen Gelände, Hindernisse, atmosphärische Einflüsse und die Antennenhöhe hinzu. Daher verwenden praktische Link-Budget-Berechnungen üblicherweise ein Ausbreitungsmodell, das dem jeweiligen Einsatzszenario entspricht.
Schatten verblassen
Abschattung tritt auf, wenn große Objekte den direkten Ausbreitungsweg teilweise oder vollständig blockieren. Gebäude, Hügel, Maschinen und Fahrzeugkarosserien können relativ langsame Änderungen des Empfangspegels verursachen, wenn sich Sender, Empfänger oder die Umgebung ändern. Die Abschattung wird häufig statistisch anhand der mittleren lokalen Pfaddämpfung dargestellt.
Kleinräumiges Fading: Mehrwegeausbreitung und Bewegung
Flaches Fading vs. frequenzselektives Fading
Ein Kanal ist ungefährflaches AusbleichenWenn die Kohärenzbandbreite größer ist als die Bandbreite des belegten Signals, ändert der Kanal Amplitude und Phase des Signals, ohne dessen Spektrum wesentlich zu verändern.
Ein Kanal wirdfrequenzselektivWenn die Signalbandbreite im Vergleich zur Kohärenzbandbreite groß ist, erfahren verschiedene Spektralkomponenten unterschiedliche Verstärkung und Phase. Die zugrundeliegende Ursache ist die auflösbare Mehrwegeausbreitung, die in digitalen Verbindungen zu Intersymbolinterferenzen führen kann.
Langsames Ausblenden vs. schnelles Ausblenden
Langsames Ausblendenbedeutet, dass sich der Kanal während des relevanten Signalisierungsintervalls nur geringfügig verändert.Schnelles VerblassenDies bedeutet, dass sich der Kanal in diesem Zeitraum deutlich verändert. Die Relativbewegung zwischen Sender, Empfänger und umgebenden Streukörpern erzeugt Dopplerverschiebungen und verkürzt die Kohärenzzeit des Kanals.
| Einstufung | Wichtigster Vergleich | Typischer Effekt |
|---|---|---|
| Flaches Ausbleichen | Die Signalbandbreite ist kleiner als die Kohärenzbandbreite. | Breite Amplituden- und Phasenvariationen über das gesamte Signal |
| Frequenzselektiv | Die Signalbandbreite ist größer als die Kohärenzbandbreite. | Spektrale Verzerrung und mögliche Intersymbolinterferenz |
| Langsames Ausblenden | Die Kohärenzzeit ist im Vergleich zum Signalintervall lang. | Graduelle Variation auf Verbindungsebene |
| Schnelles Verblassen | Die Kohärenzzeit ist im Vergleich zum Signalintervall kurz. | Schnelle Variation und Doppler-bedingte Beeinträchtigung |
Gängige statistische Fading-Modelle
- Rayleigh-Verblassen:Diese Methode wird häufig angewendet, wenn keine einzelne dominante Sichtlinienkomponente vorhanden ist und das empfangene Signal aus vielen verstreuten Komponenten besteht.
- Rician verblasst:Beinhaltet eine dominante Komponente sowie verstreute Mehrwegekomponenten. Der Rician-K-Faktor drückt das Leistungsverhältnis zwischen der dominanten und der diffusen Komponente aus.
- Nakagami verblasst:Eine flexible empirische Verteilung, die durch ihren Formparameter eine Bandbreite von Fading-Stärken darstellen kann.
- Weibull schwindet:Eine weitere anpassungsfähige statistische Verteilung wird für ausgewählte gemessene Ausbreitungsumgebungen verwendet.
Die Modellauswahl muss auf der tatsächlichen Umgebung, Frequenz, Mobilität, Antennenkonfiguration und den Messdaten basieren. Moderne MATLAB-Workflows verwenden Objekte wie beispielsweise …comm.RayleighChannelUndcomm.RicianChannelanstatt der veralteten Funktionen, auf die in der früheren Version dieses Artikels verwiesen wurde.
Abbildung 3.Statistische Hüllkurvenverteilungen liefern kompakte Modelle für das gemessene Fadingverhalten.
Wie sich Fading auf die Leistung von HF-Systemen auswirkt
Fading kann die Empfangsleistung verringern, das Signal-Rausch-Verhältnis senken, die Fehlerrate erhöhen und eine Funkverbindung unterbrechen. Frequenzselektives Fading kann zudem Breitbandsignale verzerren, während schnelle Doppler-Variationen die Kanalschätzung erschweren.
Gängige Minderungsmaßnahmen sind:
- ausreichende Verbindungsreserve und automatische Verstärkungsregelung;
- Zeitliche, frequenzbezogene, räumliche oder Polarisationsdiversität;
- Entzerrung und Mehrträger-Wellenformdesign;
- Kanalcodierung, Interleaving und adaptive Modulation;
- MIMO-Verarbeitung und Strahlsteuerung;
- Sorgfältige Antennenplatzierung, Auswahl des Abstrahlmusters und Kontrolle der Polarisation.
Keine einzelne Technik kann alle Fading-Mechanismen eliminieren. Die richtige Vorgehensweise hängt von den Kanalstatistiken, der belegten Bandbreite, der Mobilität, den Abdeckungsanforderungen und der akzeptablen Ausfallwahrscheinlichkeit ab.
Abbildung 4.Anhand der Messdaten sollte ermittelt werden, ob eine statistische Verteilung für einen bestimmten Kanal geeignet ist.
Antennenauswahl für Kanalklang- und Fading-Tests
Eine Antenne erzeugt den Ausbreitungskanal nicht von selbst, beeinflusst aber maßgeblich, welche Wege und Polarisationen gesendet oder empfangen werden. Verstärkung, Strahlbreite, Strahlungsdiagramm, Polarisationsreinheit, Phasenstabilität und Montagegeometrie können das gemessene Kanalverhalten beeinflussen.
Für wiederholbare Kanal- oder Fading-Messungen dokumentieren Sie Folgendes:
- den gesamten Frequenzbereich und die momentane Messbandbreite;
- Antennengewinn und Strahlbreite über die Frequenz;
- Anforderungen an lineare, dual-lineare oder zirkulare Polarisation;
- Antennenhöhe, Ausrichtung, Abstand und umgebende Strukturen;
- HF-Anschluss, Kabeldämpfung und Kalibrierungsreferenzebene;
- Bewegung von Sender, Empfänger und Streukörper;
- Verzögerungsstreuung, Doppler-Streuung und erforderlicher Dynamikbereich.
RF MISO Antennenoptionen
RF MISO entwickelt und liefert HF- und Mikrowellenantennen für Labor-, Feld- und Systemintegrationsanwendungen. Je nach benötigter Abdeckung und Messgeometrie können Ingenieure verschiedene Optionen in Betracht ziehen.Breitband-Hornantennenfür gerichtete Breitbandmessungen,logarithmisch-periodische Antennenfür eine breite Frequenzabdeckung, oderRundstrahlantennenfür ausgewählte Abdeckungs- und Ausbreitungsstudien.
Prüfen Sie das aktuelle Datenblatt des Modells hinsichtlich Frequenzbereich, Verstärkung, Polarisation, VSWR, Anschluss und Abmessungen. Für eine anwendungsspezifische Auswahl teilen Sie dem RF MISO-Team bitte das Testband, die Bandbreite, das erforderliche Strahlungsdiagramm, die Polarisation, die Montagebedingungen und die Messumgebung mit.
Besprechen Sie Ihre Anforderungen an die HF-Messung
RF MISO kann dabei helfen, Antennenoptionen für Kanalsondierungen, Ausbreitungsstudien, die Bewertung drahtloser Systeme und damit verbundene HF-Messungen zu identifizieren.
Literaturhinweise und weiterführende Literatur
Veröffentlichungsdatum: 14. August 2023
