Trådløs kanal-fadinger variationen i modtaget signalamplitude, fase eller effekt forårsaget af ændringer i udbredelsesstien. Det kan reducere linkmarginen, forvrænge bredbåndssignaler og gøre RF-målinger vanskelige at reproducere. Forståelse af den type fading, der findes i et system, hjælper ingeniører med at vælge passende antenner, testmetoder og afbødningsteknikker.
Denne guide forklarer fading i stor og lille skala, flade og frekvensselektive kanaler, langsom og hurtig fading samt de mest almindelige statistiske kanalmodeller. Den viser også, hvordan antennemønster, polarisering og testgeometri påvirker praktiske fadingmålinger.
Hvad er trådløs kanalfading?
Et radiosignal når sjældent en modtager gennem kun én ideel vej. Bygninger, terræn, køretøjer, udstyr og andre genstande kan blokere, reflektere, diffraktere eller sprede elektromagnetiske bølger. Flere kopier af det samme signal kan derfor ankomme med forskellige forsinkelser, amplituder, faser og ankomstvinkler. Kombinationen af dem kan være konstruktiv på ét sted eller med en bestemt frekvens og destruktiv på et andet.
Fading er forskelligt fra deterministisk tab af frirumsveje. Vejtab beskriver den generelle reduktion i effekt, når afstand og frekvens øges, mens fading beskriver yderligere variation omkring dette gennemsnit. Ingeniører klassificerer normalt fading på to uafhængige akser: rumlig skala og kanalselektivitet.
Figur 1.Langsomme og hurtige variationer i det modtagede signalniveau illustrerer forskellige fadingtids- eller afstandsskalaer.
Hvordan trådløs fading klassificeres
Storstilet falmningbeskriver gradvise ændringer over relativt lange afstande, hovedsageligt fra variationer i stitab og skyggeeffekter.Småskala falmningbeskriver hurtige ændringer over korte afstande eller korte tidsintervaller på grund af flervejsbevægelse.
Småskala fading kan derefter klassificeres ved forsinkelsesspredning som flad eller frekvensselektiv, og ved Doppler-spredning som langsom eller hurtig. Disse er separate klassifikationer: en kanal kan være flad og hurtig, flad og langsom, frekvensselektiv og hurtig, eller frekvensselektiv og langsom.
Storskala-fading: Stitab og skyggeeffekter
Trend med tab af sti
Stigtab er den gennemsnitlige reduktion i modtaget effekt med udbredelsesafstanden. I uhindret frit rum er tabet relateret til bølgelængde og afstand. Virkelige miljøer tilføjer terræn, støj, atmosfæriske effekter og afhængigheder af antennehøjde, så praktiske linkbudgetter bruger normalt en udbredelsesmodel, der er passende til implementeringsscenariet.
Skyggeudblegning
Skygning opstår, når store objekter delvist eller helt blokerer den direkte udbredelsesvej. Bygninger, bakker, maskiner og køretøjskarosserier kan producere relativt langsomme ændringer i modtaget niveau, når senderen, modtageren eller det omgivende miljø ændrer sig. Skyggefald repræsenteres ofte statistisk omkring det lokale gennemsnitlige vejtab.
Småskala fading: Multipath og bevægelse
Flad fading vs. frekvensselektiv fading
En kanal er cirkaflad fadingnår dens kohærensbåndbredde er bredere end den optagne signalbåndbredde. Kanalen ændrer derefter signalamplitude og -fase uden at ændre sit spektrum kraftigt.
En kanal bliverfrekvensselektivnår signalbåndbredden er stor sammenlignet med kohærensbåndbredden. Forskellige spektrale komponenter oplever forskellig forstærkning og fase. Den underliggende årsag er opløselig flervejsforsinkelsesspredning, som kan skabe intersymbolinterferens i digitale links.
Langsom fading vs. hurtig fading
Langsom falmningbetyder, at kanalen ændrer sig lidt i løbet af det relevante signalinterval.Hurtig falmningbetyder, at kanalen ændrer sig betydeligt over det interval. Relativ bevægelse mellem senderen, modtageren og de omgivende scattere producerer Doppler-forskydninger og forkorter kanalens kohærenstid.
| Klassifikation | Nøglesammenligning | Typisk effekt |
|---|---|---|
| Flad fading | Signalbåndbredden er mindre end kohærensbåndbredden | Bred amplitude- og fasevariation over hele signalet |
| Frekvensselektiv | Signalbåndbredden er større end kohærensbåndbredden | Spektral forvrængning og mulig intersymbolinterferens |
| Langsom falmning | Kohærenstiden er lang i forhold til signalintervallet | Gradvis variation på linkniveau |
| Hurtig falmning | Kohærenstiden er kort i forhold til signalintervallet | Hurtig variation og Doppler-relateret svækkelse |
Almindelige statistiske fadingmodeller
- Rayleigh-fading:almindeligvis brugt, når der ikke er nogen enkelt dominerende synslinjekomponent til stede, og det modtagne signal dannes af mange spredte komponenter.
- Ricansk falmning:inkluderer en dominant komponent sammen med spredte flervejskomponenter. Den Ricanske K-faktor udtrykker styrkeforholdet mellem de dominante og diffuse komponenter.
- Nakagami-falmning:en fleksibel empirisk fordeling, der kan repræsentere en række fading-sværhedsgrader gennem dens formparameter.
- Weibull-fading:en anden tilpasningsdygtig statistisk fordeling, der anvendes til udvalgte målte udbredelsesmiljøer.
Modelvalg skal baseres på det faktiske miljø, frekvens, mobilitet, antennekonfiguration og måledata. Moderne MATLAB-arbejdsgange bruger objekter som f.eks.comm.RayleighChannelogcomm.RicianChanneli stedet for de forældede funktioner, der er nævnt i den tidligere version af denne artikel.
Figur 3.Statistiske konvolutfordelinger giver kompakte modeller til målt fadingadfærd.
Hvordan fading påvirker RF-systemets ydeevne
Fading kan reducere modtaget effekt, sænke signal-støj-forholdet, øge fejlraten og afbryde en radioforbindelse. Frekvensselektiv fading kan også forvrænge bredbåndsbølgeformer, mens hurtig Doppler-variation kan gøre kanalestimering vanskeligere.
Almindelige afbødningsmetoder omfatter:
- tilstrækkelig linkmargin og automatisk forstærkningskontrol;
- tids-, frekvens-, rumlig eller polarisationsdiversitet;
- udligning og design af multibærerbølgeform;
- kanalkodning, interleaving og adaptiv modulation;
- MIMO-behandling og strålestyring;
- omhyggelig antenneplacering, mønstervalg og polarisationskontrol.
Ingen enkelt teknik eliminerer alle fading-mekanismer. Den korrekte fremgangsmåde afhænger af kanalstatistik, optaget båndbredde, mobilitet, dækningskrav og acceptabel sandsynlighed for udfald.
Figur 4.Målte data bør afgøre, om en statistisk fordeling er passende for en specifik kanal.
Antennevalg til kanallyd- og fadingtest
En antenne skaber ikke selv udbredelseskanalen, men den påvirker i høj grad, hvilke veje og polarisationer der transmitteres eller modtages. Forstærkning, strålebredde, strålingsmønster, polarisationsrenhed, fasestabilitet og monteringsgeometri kan alle påvirke den målte kanaladfærd.
For gentagelige kanal- eller fadingmålinger, dokumenter:
- det komplette frekvensområde og den øjeblikkelige målebåndbredde;
- antenneforstærkning og strålebredde over frekvens;
- krav til lineær, dual-lineær eller cirkulær polarisering;
- antennehøjde, orientering, afstand og omgivende strukturer;
- RF-stik, kabeltab og kalibreringsreferenceplan;
- sender-, modtager- og sprederbevægelse;
- forsinkelsesspredning, Doppler-spredning og krævet dynamisk område.
RF MISO-antennemuligheder
RF MISO designer og leverer RF- og mikrobølgeantenner til laboratorie-, felt- og systemintegrationsarbejde. Afhængigt af den nødvendige dækning og målegeometri kan ingeniører overvejebredbåndshornantennertil retningsbestemte bredbåndsmålinger,log-periodiske antennerfor bred frekvensdækning, elleromnidirektionelle antennerfor udvalgte dæknings- og udbredelsesstudier.
Gennemgå det aktuelle modeldatablad for frekvensområde, forstærkning, polarisering, VSWR, stik og mekaniske dimensioner. For applikationsspecifik udvælgelse, del testbånd, båndbredde, krævet mønster, polarisering, monteringsbegrænsninger og målemiljø med RF MISO-teamet.
Diskuter dine RF-målingskrav
RF MISO kan hjælpe med at identificere antennemuligheder til kanalmåling, udbredelsesstudier, evaluering af trådløse systemer og relaterede RF-målinger.
Referencer og videre læsning
Opslagstidspunkt: 14. august 2023
