В беспроводной связи затухание относится к изменению затухания сигнала в зависимости от таких переменных , как время, географическое положение и радиочастота. Затухание часто моделируется как случайный процесс . В беспроводных системах замирание может быть вызвано либо многолучевым распространением , называемым замиранием, вызванным многолучевым распространением, погодой (особенно дождем), либо затенением от препятствий, влияющих на распространение волн , иногда называемым теневым замиранием .
Канал затухания — это канал связи, который испытывает затухание.
Наличие отражателей в среде, окружающей передатчик и приемник, создает множество 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 иметь различия в затухании , задержке и фазовом сдвиге при прохождении от источника к приемнику. Это может привести как к конструктивным, так и к деструктивным помехам , которые усиливают или ослабляют мощность сигнала, воспринимаемого приемником. Сильные деструктивные помехи часто называют глубоким замиранием и могут привести к временному сбою связи из-за серьезного падения отношения сигнал/шум в канале .
Распространенным примером глубокого замирания является остановка на светофоре и звук FM-трансляции, превращающейся в помехи, в то время как сигнал снова принимается, если транспортное средство перемещается всего на долю метра. Потеря трансляции вызвана остановкой транспортного средства в точке, где сигнал подвергся серьезным 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 величина и фаза, налагаемые каналом на сигнал. Время когерентности — это мера минимального времени, необходимого для того, чтобы изменение величины или фазы канала стало некоррелированным с его предыдущим значением.
В канале с быстрым замиранием передатчик может воспользоваться изменениями условий канала, используя временное разнесение , чтобы повысить устойчивость связи при временном глубоком замирании. Хотя глубокое затухание может временно стереть часть переданной информации, использование кода исправления 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 ограничения задержки. Таким образом, глубокое затухание длится на протяжении всего времени передачи и не может быть смягчено с помощью кодирования.
Время когерентности канала связано с величиной, известной как доплеровское расширение канала. Когда пользователь (или отражатели в его среде) движется, скорость пользователя вызывает сдвиг частоты сигнала, передаваемого по каждому пути прохождения сигнала. Это явление известно как доплеровский сдвиг . Сигналы, идущие по разным путям, могут иметь разные доплеровские сдвиги, соответствующие разным скоростям изменения фазы. Разница в доплеровских сдвигах между различными компонентами сигнала, способствующая замиранию сигнала в канале, известна как доплеровский разброс. Каналы с большим доплеровским разбросом имеют компоненты сигнала, каждый из которых изменяется независимо по фазе с течением времени. Поскольку замирание зависит от того, складываются ли компоненты сигнала конструктивно или деструктивно, такие каналы имеют очень короткое время когерентности.
В общем, время когерентности обратно пропорционально доплеровскому разбросу, обычно выражаемому как
где время когерентности, доплеровский разброс. Это уравнение является всего лишь приближением, если быть точным [2] , см. Время когерентности .
Блочное замирание — это когда процесс замирания примерно постоянен для ряда интервалов символов. [3] Канал может иметь «двойное блочное замирание», когда он является блочным замиранием 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 символов проходит статистически независимое преобразование. Обычно медленно меняющиеся каналы, основанные на модели Джейкса спектра Рэлея [5] , используются для блочного замирания в системе OFDM .
Селективное замирание или частотно-селективное замирание — аномалия распространения радиосигнала , вызванная частичным подавлением радиосигнала самим собой — сигнал приходит к приемнику двумя разными путями , и хотя бы один из путей изменяется (удлиняется или сокращается). Обычно это происходит ранним вечером или ранним утром, когда различные слои ионосферы движутся , разделяются и объединяются. Оба пути могут быть небесными или один из них может быть земной волной .
Избирательное замирание проявляется как медленное циклическое нарушение; эффект отмены, или «нулевой», наиболее глубок на одной конкретной частоте, которая постоянно меняется, проходя через принимаемый звук .
Поскольку несущая частота сигнала изменяется, величина изменения амплитуды будет меняться. Полоса когерентности измеряет разделение по частоте, после которого два сигнала испытывают некоррелированное затухание.
Поскольку различные частотные компоненты сигнала затрагиваются независимо, маловероятно, что все части сигнала будут одновременно затронуты глубоким замиранием. Определенные схемы модуляции, такие как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), хорошо подходят для использования частотного разнесения для обеспечения устойчивости к замираниям. 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 посредством кодирования ошибок , простой коррекции или адаптивной загрузки битов. Межсимвольных помех можно избежать путем введения защитного интервала между символами, называемого циклическим префиксом . CDMA использует рейк-приемник для обработки каждого эха отдельно.
Каналы с частотно-избирательным замиранием также являются дисперсионными , поскольку энергия сигнала, связанная с каждым символом, распределена во времени. Это приводит к тому, что передаваемые символы, соседние во времени, мешают друг другу. В таких каналах часто используются эквалайзеры для компенсации влияния межсимвольных помех .
Эхо-сигналы также могут подвергаться доплеровскому сдвигу , что приводит к изменению во времени модели канала.
Эффекту можно противодействовать, применив некоторую схему разнесения , например OFDM (с перемежением поднесущих и прямой коррекцией ошибок ), или используя два приемника с отдельными антеннами , разнесенными на четверть длины волны друг от друга, или специально разработанный приемник разнесения с двумя антеннами. Такой приемник постоянно сравнивает сигналы, поступающие на две антенны, и выдает лучший сигнал.
Upfade — это особый случай замирания, используемый для описания конструктивных помех в ситуациях, когда радиосигнал набирает силу. [6] Некоторые условия многолучевого распространения приводят к увеличению амплитуды сигнала, поскольку сигналы, идущие по разным путям, достигают приемника синфазно и становятся аддитивными к основному сигналу. Следовательно, общий сигнал, достигающий приемника, будет сильнее, чем сигнал, который в противном случае был бы без условий многолучевого распространения. Эффект также заметен в системах беспроводных локальных сетей . [7]
Примеры моделей замирания для распределения затухания:
Затухание может привести к снижению производительности системы связи, поскольку оно может привести к потере мощности сигнала без снижения мощности шума. Эта потеря сигнала может происходить в некоторой или во всей полосе пропускания сигнала. Затухание также может быть проблемой, поскольку оно меняется с течением времени: системы связи часто проектируются с возможностью адаптации к таким нарушениям, но затухание может меняться быстрее, чем можно произвести адаптацию. В таких случаях вероятность возникновения затухания (и связанных с ним битовых ошибок при падении отношения сигнал/шум ) в канале становится ограничивающим фактором производительности канала.
С эффектами замирания можно бороться, используя разнесение для передачи сигнала по нескольким каналам, которые испытывают независимое замирание, и когерентно объединяя их в приемнике. Тогда вероятность возникновения замирания в этом составном канале пропорциональна вероятности того, что все составляющие каналы одновременно испытают замирание, что является гораздо более маловероятным событием.
Разнообразие может быть достигнуто во времени, частоте или пространстве. Общие методы, используемые для преодоления замирания сигнала, включают:
Помимо разнесения, для борьбы с замиранием также могут использоваться такие методы, как применение циклического префикса (например, в OFDM ) и оценка канала и коррекция .
