Trådløs kanalfadinger variasjonen i mottatt signalamplitude, fase eller effekt forårsaket av endringer i forplantningsbanen. Det kan redusere lenkemarginen, forvrenge bredbåndssignaler og gjøre RF-målinger vanskelige å reprodusere. Å forstå typen fading som finnes i et system hjelper ingeniører med å velge passende antenner, testmetoder og avbøtende teknikker.
Denne veiledningen forklarer storskala og litenskala fading, flate og frekvensselektive kanaler, langsom og rask fading, og de vanligste statistiske kanalmodellene. Den viser også hvordan antennemønster, polarisering og testgeometri påvirker praktiske fadingmålinger.
Hva er falming av trådløse kanaler?
Et radiosignal når sjelden en mottaker gjennom bare én ideell bane. Bygninger, terreng, kjøretøy, utstyr og andre objekter kan blokkere, reflektere, diffraktere eller spre elektromagnetiske bølger. Flere kopier av samme signal kan derfor ankomme med forskjellige forsinkelser, amplituder, faser og ankomstvinkler. Kombinasjonen av disse kan være konstruktiv på ett sted eller med en annen frekvens og destruktiv på et annet.
Fading er forskjellig fra deterministisk fritt rom-banetap. Banetap beskriver den generelle reduksjonen i effekt når avstand og frekvens øker, mens fading beskriver ytterligere variasjon rundt gjennomsnittet. Ingeniører klassifiserer vanligvis fading på to uavhengige akser: romlig skala og kanalselektivitet.
Figur 1.Langsomme og raske variasjoner i mottatt signalnivå illustrerer forskjellige fadetids- eller avstandsskalaer.
Hvordan trådløs falming klassifiseres
Storskala falmingbeskriver gradvise endringer over relativt lange avstander, hovedsakelig fra variasjon i stitap og skyggelegging.Småskala falmingbeskriver raske endringer over korte avstander eller korte tidsintervaller på grunn av flerbane og bevegelse.
Småskala fading kan deretter klassifiseres etter forsinkelsesspredning som flat eller frekvensselektiv, og etter Doppler-spredning som langsom eller rask. Dette er separate klassifiseringer: en kanal kan være flat og rask, flat og langsom, frekvensselektiv og rask, eller frekvensselektiv og langsom.
Storskala falming: Banetap og skyggelegging
Trend med tap av sti
Banetap er den gjennomsnittlige reduksjonen i mottatt effekt med forplantningsavstand. I uhindret fritt rom er tapet relatert til bølgelengde og avstand. Virkelige miljøer legger til terreng, støy, atmosfæriske effekter og avhengigheter av antennehøyde, så praktiske lenkebudsjetter bruker vanligvis en forplantningsmodell som er passende for utplasseringsscenarioet.
Skyggefalming
Skygging oppstår når store objekter delvis eller fullstendig blokkerer den direkte forplantningsbanen. Bygninger, åser, maskiner og kjøretøykarosserier kan produsere relativt langsomme endringer i mottatt nivå når senderen, mottakeren eller omgivelsene endres. Skyggefalming er ofte representert statistisk rundt det lokale gjennomsnittlige banetapet.
Småskala fading: Flervei og bevegelse
Flat fading vs. frekvensselektiv fading
En kanal er omtrentflat falmingnår koherensbåndbredden er bredere enn den okkuperte signalbåndbredden. Kanalen endrer da signalamplitude og -fase uten å endre spekteret vesentlig.
En kanal blirfrekvensselektivnår signalbåndbredden er stor sammenlignet med koherensbåndbredden. Ulike spektrale komponenter opplever ulik forsterkning og fase. Den underliggende årsaken er oppløsbar flerveisforsinkelsesspredning, som kan skape intersymbolinterferens i digitale lenker.
Langsom falming vs. rask falming
Langsom falmingbetyr at kanalen endres lite i løpet av det relevante signalintervallet.Rask falmingbetyr at kanalen endres betydelig over det intervallet. Relativ bevegelse mellom senderen, mottakeren og omkringliggende spredere produserer Doppler-forskyvninger og forkorter kanalens koherenstid.
| Klassifikasjon | Nøkkelsammenligning | Typisk effekt |
|---|---|---|
| Flat falming | Signalbåndbredden er mindre enn koherensbåndbredden | Bred amplitude- og fasevariasjon over hele signalet |
| Frekvensselektiv | Signalbåndbredden er større enn koherensbåndbredden | Spektral forvrengning og mulig intersymbolinterferens |
| Langsom falming | Koherenstiden er lang i forhold til signalintervallet | Gradvis variasjon på lenkenivå |
| Rask falming | Koherenstiden er kort i forhold til signalintervallet | Rask variasjon og Doppler-relatert svekkelse |
Vanlige statistiske fadingmodeller
- Rayleigh-fading:vanligvis brukt når ingen dominerende synslinjekomponent er til stede, og det mottatte signalet dannes av mange spredte komponenter.
- Ricansk falming:inkluderer en dominant komponent sammen med spredte flerveiskomponenter. Den Ricanske K-faktoren uttrykker effektforholdet mellom de dominante og diffuse komponentene.
- Nakagami-falming:en fleksibel empirisk fordeling som kan representere et område av falmingsgrad gjennom sin formparameter.
- Weibull-falming:en annen tilpasningsdyktig statistisk fordeling brukt for utvalgte målte forplantningsmiljøer.
Modellvalg må baseres på det faktiske miljøet, frekvens, mobilitet, antennekonfigurasjon og måledata. Moderne MATLAB-arbeidsflyter bruker objekter somcomm.RayleighChannelogcomm.RicianChanneli stedet for de foreldede funksjonene som det refereres til i den tidligere versjonen av denne artikkelen.
Figur 3.Statistiske konvoluttfordelinger gir kompakte modeller for målt falmingsatferd.
Hvordan falming påvirker RF-systemets ytelse
Fading kan redusere mottatt effekt, senke signal-til-støy-forholdet, øke feilraten og avbryte en radiolink. Frekvensselektiv fading kan også forvrenge bredbåndsbølgeformer, mens rask Doppler-variasjon kan gjøre kanalestimering vanskeligere.
Vanlige avbøtende metoder inkluderer:
- tilstrekkelig koblingsmargin og automatisk forsterkningskontroll;
- tids-, frekvens-, romlig eller polarisasjonsmangfold;
- utjevning og design av flerbærerbølgeformer;
- kanalkoding, interleaving og adaptiv modulering;
- MIMO-prosessering og strålestyring;
- nøye plassering av antennen, mønstervalg og polarisasjonskontroll.
Ingen enkelt teknikk eliminerer alle fademekanismer. Den riktige tilnærmingen avhenger av kanalstatistikk, okkupert båndbredde, mobilitet, dekningskrav og akseptabel sannsynlighet for utfall.
Figur 4.Målte data bør avgjøre om en statistisk fordeling er passende for en spesifikk kanal.
Antennevalg for kanallyding og fadingtester
En antenne lager ikke forplantningskanalen av seg selv, men den påvirker sterkt hvilke baner og polarisasjoner som sendes eller mottas. Forsterkning, strålebredde, strålingsmønster, polarisasjonsrenhet, fasestabilitet og monteringsgeometri kan alle påvirke den målte kanalens oppførsel.
For repeterbare kanal- eller fadingmålinger, dokumenter:
- hele frekvensområdet og den umiddelbare målebåndbredden;
- antenneforsterkning og strålebredde over frekvens;
- krav til lineær, dual-lineær eller sirkulær polarisering;
- antennehøyde, orientering, avstand og omkringliggende strukturer;
- RF-kontakt, kabeltap og kalibreringsreferanseplan;
- sender-, mottaker- og sprederbevegelse;
- forsinkelsesspredning, Doppler-spredning og nødvendig dynamisk område.
RF MISO-antennealternativer
RF MISO designer og leverer RF- og mikrobølgeantenner for laboratorie-, felt- og systemintegrasjonsarbeid. Avhengig av nødvendig dekning og målegeometri kan ingeniører vurderebredbåndshornantennerfor retningsbestemte bredbåndsmålinger,log-periodiske antennerfor bred frekvensdekning, ellerrundstrålende antennerfor utvalgte deknings- og forplantningsstudier.
Gjennomgå det gjeldende modelldatabladet for frekvensområde, forsterkning, polarisering, VSWR, kontakt og mekaniske dimensjoner. For applikasjonsspesifikk valg, del testbånd, båndbredde, nødvendig mønster, polarisering, monteringsbegrensninger og målemiljø med RF MISO-teamet.
Diskuter dine RF-målingskrav
RF MISO kan bidra til å identifisere antennealternativer for kanalmåling, forplantningsstudier, evaluering av trådløse systemer og relaterte RF-målinger.
Referanser og videre lesning
Publisert: 14. august 2023
