Khái niệm cơ bản về suy giảm tín hiệu và các loại suy giảm tín hiệu trong truyền thông không dây

Xem xét các yếu tố gây suy giảm tín hiệu liên quan đến kênh truyền và vị trí của máy phát/máy thu, dưới đây là các loại suy hao tín hiệu trong hệ thống truyền thông không dây.
➤Hiện tượng suy giảm tín hiệu trên diện rộng: Bao gồm hiện tượng mất tín hiệu trên đường truyền và hiệu ứng bóng mờ.
➤Suy hao quy mô nhỏ: Được chia thành hai loại chính: suy hao do trễ đa đường và suy hao Doppler. Suy hao do trễ đa đường được chia nhỏ hơn nữa thành suy hao phẳng và suy hao chọn lọc tần số. Suy hao Doppler được chia thành suy hao nhanh và suy hao chậm.
➤Các mô hình suy giảm tín hiệu: Các kiểu suy giảm tín hiệu nêu trên được áp dụng trong nhiều mô hình hoặc phân phối khác nhau, bao gồm Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, v.v.

Như chúng ta đã biết, hiện tượng suy giảm tín hiệu xảy ra do sự phản xạ từ mặt đất và các tòa nhà xung quanh, cũng như sự tán xạ tín hiệu từ cây cối, con người và các cột phát sóng trong khu vực rộng lớn. Có hai loại suy giảm tín hiệu: suy giảm tín hiệu quy mô lớn và suy giảm tín hiệu quy mô nhỏ.

1.) Hiện tượng phai màu trên diện rộng

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

1.a) Suy hao đường truyền

Tổn hao đường truyền trong không gian tự do có thể được biểu diễn như sau.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)²/ λ²} = (4*π*f*d)²/c²
Ở đâu,
Pt = Công suất truyền tải
Pr = Công suất nhận
λ = bước sóng
d = khoảng cách giữa anten phát và anten thu
c = tốc độ ánh sáng, tức là 3 x 10⁶⁸

Phương trình này cho thấy tín hiệu truyền đi bị suy giảm theo khoảng cách vì tín hiệu được lan truyền 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 bóng mờ là sự sai lệch của công suất tín hiệu điện từ nhận được so với giá trị trung bình.
• Đó là kết quả của các vật cản trên đường truyền giữa máy phát và máy thu.
• Điều này phụ thuộc vào vị trí địa lý cũng như tần số vô tuyến của sóng điện từ (EM).

2. Hiện tượng phai màu quy mô nhỏ

Hiện tượng suy hao tín hiệu quy mô nhỏ liên quan đến sự dao động nhanh chóng của cường độ tín hiệu thu được trong khoảng cách rất ngắn và thời gian ngắn.

Dựa trênsự lan truyền trễ đa đườngCó hai loại suy hao tín hiệu quy mô nhỏ, đó là suy hao phẳng và suy hao chọn lọc tần số. Các loại suy hao đa đường này phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn.

2.a) Làm mờ phẳng

Kênh truyền dẫn không dây được gọi là suy hao phẳng nếu nó có độ khuếch đại không đổi và đáp ứng pha tuyến tính trên một băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu được truyền đi.

Trong kiểu suy hao này, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu nhận được đều dao động đồng thời với tỷ lệ như nhau. Nó còn được gọi là suy hao không chọn lọc.

• Băng thông tín hiệu << Băng thông kênh
• Chu kỳ ký hiệu >> Chênh lệch độ trễ

Hiệu ứng suy hao phẳng được thể hiện qua sự giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Các kênh suy hao phẳng này được gọi là kênh biến đổi biên độ hoặc kênh băng hẹp.

2.b) Suy hao chọn lọc tần số

Hiện tượng này ảnh hưởng đến các thành phần phổ khác nhau của tín hiệu vô tuyến với biên độ khác nhau. Do đó, nó được gọi là hiện tượng suy giảm tín hiệu có chọn lọc.

• Băng thông tín hiệu > Băng thông kênh
• Chu kỳ ký hiệu < Chênh lệch độ trễ

Dựa trênsự lan truyền dopplerCó hai loại suy hao tín hiệu: suy hao nhanh và suy hao chậm. Các loại suy hao tín hiệu do hiệu ứng Doppler này phụ thuộc vào tốc độ của thiết bị di động, tức là tốc độ của bộ thu so với bộ phát.

2.c) Mờ dần nhanh

Hiện tượng suy hao nhanh được thể hiện bằng sự dao động nhanh của tín hiệu trên các vùng nhỏ (tức là băng thông). Khi tín hiệu đến từ mọi hướng trong mặt phẳng, hiện tượng suy hao nhanh sẽ được quan sát thấy đối với mọi hướng chuyển động.

Hiện tượng suy hao nhanh xảy ra khi đáp ứng xung của kênh thay đổi rất nhanh trong khoảng thời gian của ký hiệu.

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

Các thông số này dẫn đến hiện tượng tán xạ tần số hoặc suy hao chọn lọc theo thời gian do hiệu ứng Doppler. Suy hao nhanh là kết quả của sự phản xạ từ các vật thể cục bộ và chuyển động của các vật thể so với những vật thể đó.

Trong hiện tượng suy hao nhanh, tín hiệu thu được là tổng của nhiều tín hiệu phản xạ từ các bề mặt khác nhau. Tín hiệu này là tổng hoặc hiệu của nhiều tín hiệu, có thể là tín hiệu cộng hưởng hoặc triệt tiêu tùy thuộc vào 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.

Hiện tượng suy giảm tín hiệu nhanh làm biến dạng hình dạng của xung tín hiệu băng tần cơ sở. Sự biến dạng này là tuyến tính và tạo raISI(Nhiễu xuyên ký tự). Cân bằng thích ứng giảm nhiễu xuyên ký tự bằng cách loại bỏ sự méo tuyến tính do kênh gây ra.

2.d) Mờ dần chậm

Hiện tượng mờ dần chậm là do bóng của các tòa nhà, đồi, núi và các vật thể khác che khuất đường đi.

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

Triển khai các mô hình suy giảm tín hiệu hoặc phân bố suy giảm tín hiệu.

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

Rayleigh đang dần tàn phai

• Trong mô hình Rayleigh, chỉ có các thành phần không nhìn thấy trực tiếp (NLOS) được mô phỏng giữa máy phát và máy thu. Giả định rằng không có đường truyền trực tiếp 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 hàm mũ.
• Pha được phân bố đồng đều và độc lập với biên độ. Đây là loại suy hao tín hiệu phổ biến nhất trong truyền thông không dây.

Rician phai màu

• Trong mô hình Rician, cả thành phần truyền tín hiệu trực tiếp (LOS) và không trực tiếp (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

Mô hình kênh suy hao Nakagami là một mô hình thống kê được sử dụng để mô tả các kênh truyền thông không dây trong đó tín hiệu nhận được bị suy hao đa đường. Nó thể hiện môi trường có mức độ suy hao 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 suy hao Nakagami.