В беспроводной связи затухание — это изменение затухания сигнала в зависимости от таких переменных, как время, географическое положение и радиочастота. Затухание часто моделируется как случайный процесс . В беспроводных системах затухание может быть вызвано либо многолучевым распространением , называемым многолучевым затуханием, погодой (особенно дождем), либо затенением от препятствий, влияющих на распространение волны , иногда называемым теневым затуханием .
Затухающий канал — это канал связи, который подвержен затуханию.
Наличие отражателей в окружающей среде, окружающей передатчик и приемник, создает несколько путей, по которым может пройти передаваемый сигнал. В результате приемник видит суперпозицию нескольких копий передаваемого сигнала, каждая из которых проходит свой путь. Каждая копия сигнала будет испытывать различия в затухании , задержке и сдвиге фазы при прохождении от источника к приемнику. Это может привести либо к конструктивной, либо к деструктивной интерференции , которая усиливает или ослабляет мощность сигнала, наблюдаемую на приемнике. Сильные деструктивные помехи часто называют глубоким замиранием , и они могут привести к временному сбою связи из-за сильного падения отношения сигнал/шум в канале .
Типичным примером глубокого затухания является опыт остановки на светофоре и прослушивания FM-вещания, которое превращается в статику, в то время как сигнал восстанавливается, если транспортное средство перемещается всего на долю метра. Потеря трансляции вызвана остановкой транспортного средства в точке, где сигнал подвергается сильным разрушительным помехам. Сотовые телефоны также могут демонстрировать подобные кратковременные затухания.
Модели затухающих каналов часто используются для моделирования эффектов электромагнитной передачи информации по воздуху в сотовых сетях и широковещательной связи. Модели затухающих каналов также используются в подводной акустической связи для моделирования искажений, вызванных водой.
Термины медленное и быстрое замирание относятся к скорости, с которой изменяется амплитуда и фазовое изменение, налагаемое каналом на сигнал. Время когерентности является мерой минимального времени, необходимого для того, чтобы амплитуда или фазовое изменение канала стали некоррелированными с его предыдущим значением.
В канале с быстрым замиранием передатчик может воспользоваться изменениями в условиях канала, используя временное разнесение , чтобы повысить надежность связи при временном глубоком замирании. Хотя глубокое замирание может временно стереть часть передаваемой информации, использование кода с исправлением ошибок в сочетании с успешно переданными битами в другие моменты времени ( перемежение ) может позволить восстановить стертые биты. В канале с медленным замиранием невозможно использовать временное разнесение, поскольку передатчик видит только одну реализацию канала в пределах своего ограничения задержки. Таким образом, глубокое замирание длится всю продолжительность передачи и не может быть смягчено с помощью кодирования.
Время когерентности канала связано с величиной, известной как доплеровское распространение канала. Когда пользователь (или отражатели в его окружении) движется, скорость пользователя вызывает сдвиг частоты сигнала, передаваемого по каждому пути сигнала. Это явление известно как доплеровское смещение . Сигналы, проходящие по разным путям, могут иметь разные доплеровские сдвиги, соответствующие разным скоростям изменения фазы. Разница в доплеровских сдвигах между различными компонентами сигнала, способствующая затуханию сигнала в канале, известна как доплеровское распространение. Каналы с большим доплеровским распространением имеют компоненты сигнала, каждый из которых независимо изменяется по фазе с течением времени. Поскольку затухание зависит от того, добавляются ли компоненты сигнала конструктивно или деструктивно, такие каналы имеют очень короткое время когерентности.
В общем случае время когерентности обратно пропорционально доплеровскому распространению и обычно выражается как
где - время когерентности, - доплеровское распространение. Это уравнение является лишь приближением, [2] если быть точным, см. Время когерентности .
Блочное замирание происходит, когда процесс замирания приблизительно постоянен для ряда интервалов символов. [3] Канал может быть «двойным блочным замиранием», когда он блочно замирает как во временной, так и в частотной областях. [4] Многие каналы беспроводной связи являются динамическими по своей природе и обычно моделируются как блочное замирание. В этих каналах каждый блок символа проходит через статистически независимое преобразование. Обычно медленно меняющиеся каналы, основанные на модели Джейкса спектра Рэлея [5], используются для блочного замирания в системе OFDM .
Избирательное замирание или частотно-избирательное замирание — это аномалия распространения радиосигнала , вызванная частичным подавлением радиосигнала самим собой — сигнал поступает на приемник двумя разными путями , и по крайней мере один из путей изменяется (удлиняется или укорачивается). Обычно это происходит ранним вечером или ранним утром, когда различные слои в ионосфере движутся, разделяются и объединяются. Оба пути могут быть небесными волнами или один — земными волнами .
Избирательное затухание проявляется как медленное циклическое возмущение; эффект подавления, или «нуль», наиболее выражен на одной конкретной частоте, которая постоянно меняется, проносясь по всему принимаемому аудиосигналу .
Поскольку несущая частота сигнала меняется, величина изменения амплитуды будет меняться. Ширина полосы когерентности измеряет разделение по частоте, после которого два сигнала будут испытывать некоррелированное замирание.
Поскольку различные частотные компоненты сигнала затрагиваются независимо, крайне маловероятно, что все части сигнала будут одновременно затронуты глубоким замиранием. Некоторые схемы модуляции, такие как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM) и множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), хорошо подходят для использования частотного разнесения, чтобы обеспечить устойчивость к замиранию. OFDM делит широкополосный сигнал на множество медленно модулированных узкополосных поднесущих , каждая из которых подвергается плоскому замиранию, а не частотно-избирательному замиранию. С этим можно бороться с помощью кодирования ошибок , простого выравнивания или адаптивной загрузки битов. Межсимвольные помехи избегаются путем введения защитного интервала между символами, называемого циклическим префиксом . CDMA использует приемник Rake для обработки каждого эха отдельно.
Частотно-селективные каналы замирания также являются дисперсионными , в том смысле, что энергия сигнала, связанная с каждым символом, разбросана во времени. Это приводит к тому, что передаваемые символы, которые соседствуют во времени, мешают друг другу. Эквалайзеры часто используются в таких каналах для компенсации эффектов межсимвольной интерференции .
Эхосигналы также могут подвергаться доплеровскому сдвигу , что приводит к изменению модели канала во времени.
Эффект может быть нейтрализован путем применения некоторой схемы разнесения , например OFDM (с чередованием поднесущих и прямой коррекцией ошибок ), или путем использования двух приемников с отдельными антеннами, разнесенными на четверть длины волны , или специально разработанного приемника разнесения с двумя антеннами. Такой приемник непрерывно сравнивает сигналы, поступающие на две антенны, и представляет лучший сигнал.
Upfade — это особый случай замирания, используемый для описания конструктивной интерференции в ситуациях, когда радиосигнал усиливается. [6] Некоторые условия многолучевого распространения приводят к увеличению амплитуды сигнала таким образом, поскольку сигналы, проходящие по разным путям, поступают на приемник в фазе и становятся аддитивными к основному сигналу. Следовательно, общий сигнал, который достигает приемника, будет сильнее, чем сигнал, который был бы в противном случае без условий многолучевого распространения. Эффект также заметен в беспроводных локальных сетях. [7]
Примерами моделей затухания для распределения затухания являются:
Затухание может привести к снижению производительности в системе связи, поскольку оно может привести к потере мощности сигнала без снижения мощности шума. Эта потеря сигнала может быть в пределах части или всей полосы пропускания сигнала. Затухание также может быть проблемой, поскольку оно изменяется со временем: системы связи часто проектируются с учетом адаптации к таким ухудшениям, но затухание может меняться быстрее, чем может быть выполнена адаптация. В таких случаях вероятность возникновения затухания (и связанных с ним ошибок битов, поскольку отношение сигнал/шум падает) на канале становится ограничивающим фактором производительности линии связи.
Эффекты затухания можно преодолеть, используя разнесение для передачи сигнала по нескольким каналам, которые испытывают независимое затухание, и когерентное их объединение в приемнике. Вероятность возникновения затухания в этом составном канале тогда пропорциональна вероятности того, что все каналы-компоненты одновременно испытают затухание, что гораздо менее вероятно.
Разнообразие может быть достигнуто во времени, частоте или пространстве. Распространенные методы, используемые для преодоления затухания сигнала, включают:
Помимо разнесения, для борьбы с замираниями могут также использоваться такие методы, как применение циклического префикса (например, в OFDM ), а также оценка и выравнивание канала .
