Cơ bản về Fading và các loại Fading trong truyền thông không dây

Xem xét các suy giảm liên quan đến kênh và vị trí của máy phát/máy thu, sau đây là các loại fading trong hệ thống truyền thông không dây.
➤Fading quy mô lớn: Bao gồm hiệu ứng mất đường truyền và đổ bóng.
Fading quy mô nhỏ: Được chia thành hai loại chính là trải trễ đa đường và trải trễ Doppler. Trải trễ đa đường được chia thành fading phẳng và fading chọn lọc tần số. Trải Doppler được chia thành fading nhanh và fading chậm.
➤Các mô hình mờ dần: Các loại mờ dần ở trên được triển khai trong nhiều mô hình hoặc phân phối khác nhau bao gồm Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, v.v.

Như chúng ta đã biết, tín hiệu fading xảy ra do phản xạ từ mặt đất và các tòa nhà xung quanh, cũng như tín hiệu phân tán từ cây cối, người và tháp trong một khu vực rộng lớn. Có hai loại fading: fading quy mô lớn và fading quy mô nhỏ.

1.) Sự phai màu quy mô lớn

Fading quy mô lớn xảy ra khi có vật cản giữa máy phát và máy thu. Loại nhiễu này làm giảm đáng kể cường độ tín hiệu. Nguyên nhân là do sóng điện từ bị che khuất hoặc bị chặn bởi vật cản. Hiện tượng này liên quan đến sự dao động lớn của tín hiệu theo khoảng cách.

1.a) Mất mát đường truyền

Suy hao đường truyền không gian tự do có thể được biểu thị như sau.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)²/ λ²} = (4*π*f*d)²/c²
Ở đâu,
Pt = Công suất truyền tải
Pr = Nhận năng lượng
λ = bước sóng
d = khoảng cách giữa ăng-ten phát và thu
c = tốc độ ánh sáng tức là 3 x 10⁸

Từ phương trình này, ta thấy rằng tín hiệu truyền đi bị suy giảm theo khoảng cách khi tín hiệu được truyền đi trên một diện tích ngày càng lớn từ đầu phát đến đầu thu.

1.b) Hiệu ứng đổ bóng

• Hiện tượng này được quan sát thấy trong truyền thông không dây. Hiện tượng che khuất là độ lệch của công suất tín hiệu EM nhận được so với giá trị trung bình.
• Là kết quả của những chướng ngại vật trên đường truyền giữa máy phát và máy thu.
• Nó phụ thuộc vào vị trí địa lý cũng như tần số vô tuyến của sóng EM (Điện từ).

2. Phai màu quy mô nhỏ

Sự suy giảm ở quy mô nhỏ liên quan đến sự biến động nhanh của cường độ tín hiệu nhận được trong khoảng cách rất ngắn và thời gian ngắn.

Dựa trênđộ trễ đa đường lan truyềnCó hai loại fading quy mô nhỏ: fading phẳng và fading chọn lọc tần số. Các loại fading đa đường này phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn.

2.a) Phai phẳng

Kênh không dây được coi là fading phẳng nếu nó có độ khuếch đại không đổi và đáp ứng pha tuyến tính trên băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu được truyền.

Trong loại fading này, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu nhận được đều dao động cùng một tỷ lệ đồng thời. Nó còn được gọi là fading không chọn lọc.

• Tín hiệu BW << Kênh BW
• Chu kỳ ký hiệu >> Độ trễ lan truyền

Hiệu ứng fading phẳng được thể hiện qua sự giảm SNR. Các kênh fading phẳng này được gọi là kênh biến thiên biên độ hoặc kênh băng hẹp.

2.b) Fading chọn lọc tần số

Nó ảnh hưởng đến các thành phần quang phổ khác nhau của tín hiệu vô tuyến với biên độ khác nhau. Do đó có tên là fading chọn lọc.

• Tín hiệu BW > Kênh BW
• Chu kỳ ký hiệu < Độ trễ lan truyền

Dựa trênsự lan truyền DopplerCó hai loại fading: fading nhanh và fading chậm. Các loại fading trải Doppler này phụ thuộc vào tốc độ di động, tức là tốc độ của máy thu so với máy phát.

2.c) Phai màu nhanh

Hiện tượng fading nhanh được biểu thị bằng sự dao động nhanh của tín hiệu trên các vùng nhỏ (tức là băng thông). Khi tín hiệu đến từ mọi hướng trên mặt phẳng, hiện tượng fading nhanh sẽ được quan sát thấy ở mọi hướng chuyển động.

Hiện tượng fading nhanh xảy ra khi đáp ứng xung kênh thay đổi rất nhanh trong thời gian tồn tại của ký hiệu.

• Độ lan truyền Doppler cao
• Chu kỳ ký hiệu > Thời gian kết hợp
• Biến thiên tín hiệu < Biến thiên kênh

Các thông số này dẫn đến sự phân tán tần số hoặc fading chọn lọc theo thời gian do hiệu ứng Doppler. Fading nhanh là kết quả của sự phản xạ của các vật thể cục bộ và chuyển động của các vật thể so với các vật thể đó.

Trong fading nhanh, tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu phản xạ từ nhiều bề mặt khác nhau. Tín hiệu này là tổng hoặc hiệu của nhiều tín hiệu, có thể mang tính xây dựng hoặc phá hủy dựa trên độ lệch pha tương đối giữa chúng. Mối quan hệ pha phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, tần số truyền và độ dài đường truyền tương đối.

Sự phai nhanh làm biến dạng hình dạng của xung băng tần cơ sở. Sự biến dạng này là tuyến tính và tạo raISI(Nhiễu giữa các ký hiệu). Cân bằng thích ứng làm giảm ISI bằng cách loại bỏ độ méo tuyến tính do kênh gây ra.

2.d) Mờ dần

Sự mờ dần chậm là kết quả của bóng đổ từ các tòa nhà, đồi, núi và các vật thể khác trên đường đi.

• Độ lan truyền Doppler thấp
• Ký hiệu chu kỳ <
• Biến thiên tín hiệu >> Biến thiên kênh

Triển khai các mô hình Fading hoặc phân phối fading

Các mô hình hoặc phân phối fading bao gồm fading Rayleigh, fading Rician, fading Nakagami và fading Weibull. Các phân phối hoặc mô hình kênh này được thiết kế để tích hợp fading vào tín hiệu dữ liệu băng tần cơ sở theo yêu cầu của hồ sơ fading.

Rayleigh mờ dần

• Trong mô hình Rayleigh, chỉ các thành phần không nằm trong tầm nhìn thẳng (NLOS) được mô phỏng giữa máy phát và máy thu. Giả định rằng không có đường truyền LOS nào tồn tại giữa máy phát và máy thu.
• MATLAB cung cấp hàm "rayleighchan" để mô phỏng mô hình kênh rayleigh.
• Công suất được phân bố theo cấp số nhân.
• Pha được phân bố đồng đều và không phụ thuộc vào biên độ. Đây là loại Fading được sử dụng nhiều nhất trong truyền thông không dây.

Rician mờ dần

• Trong mô hình Rician, cả thành phần trong tầm nhìn (LOS) và không trong tầm nhìn (NLOS) đều được mô phỏng giữa máy phát và máy thu.
• MATLAB cung cấp hàm "ricianchan" để mô phỏng mô hình kênh rician.

Nakagami mờ dần

Kênh Fadding Nakagami là một mô hình thống kê được sử dụng để mô tả các kênh truyền thông không dây trong đó tín hiệu thu được bị fading đa đường. Mô hình này đại diện cho các môi trường có fading từ trung bình đến nghiêm trọng, chẳng hạn như khu vực đô thị hoặc ngoại ô. Phương trình sau có thể được sử dụng để mô phỏng mô hình kênh Fadding Nakagami.