Wprowadzenie do kanału bezprzewodowego
Modele propagacyjne opisują średnią siłę sygnału i tłumienie ścieżki na danym dystansie, co jest podstawą planowania sieci. Nie opisują pełnej zmienności rzeczywistego środowiska bezprzewodowego. Fala radiowa odbija się, ugina i rozprasza, dlatego jej droga może różnić się od prostej ścieżki między nadajnikiem i odbiornikiem.
obejmuje przestrzeń, przeszkody, reflektory oraz sygnały konkurujące z transmisją. Zjawiska zachodzące w kanale zmieniają amplitudę, fazę i czas nadejścia sygnału. W praktycznej analizie rozróżnia się propagację wielodrogową, interferencje i szum. Ich rozróżnienie pomaga dobrać rozwiązania inżynieryjne do przyczyny pogorszenia łącza, a parametry ocenia się dla określonego pasma, układu anten i czasu obserwacji. Wyniki wspierają dobór equalizacji, filtracji, planu ponownego użycia kanałów i adaptacji łącza.
Propagacja wielodrogowa
W idealnym środowisku przestrzeni swobodnej odbiornik przechwyciłby pojedynczą, czystą kopię nadanego sygnału. W rzeczywistości prawie nigdy tak się nie dzieje. Nadana fala elektromagnetyczna promieniuje na zewnątrz i oddziałuje z otaczającym środowiskiem. Odbija się od budynków, ziemi i pojazdów, ugina się wokół ostrych narożników i rozprasza się na mniejszych obiektach, takich jak drzewa i latarnie.
W rezultacie antena odbiornika przechwytuje wiele kopii sygnału, które przebyły ścieżki o różnych długościach. Zjawisko to nazywa się . Każda ścieżka wnosi własne opóźnienie, tłumienie i przesunięcie fazowe. Odbierany sygnał jest sumą wektorową tych kopii, a wynik zależy także od ich amplitud, szerokości pasma sygnału i czasu obserwacji. Dla różnicy dróg Δl zmiana fazy składowej jest związana w przybliżeniu z zależnością Δφ = 2πΔl/λ, więc ta sama geometria daje inny efekt przy innej częstotliwości.
Interferencja konstruktywna i destrukcyjna (zaniki)
Gdy wielokrotne kopie sygnału docierają do odbiornika, interferują ze sobą. Wynik zależy od ich względnych faz, amplitud i opóźnień, które mogą zmieniać się wraz z położeniem oraz częstotliwością.
- Interferencja Konstruktywna:Jeśli szczyty dwóch fal docierają w tym samym czasie (są "w fazie"), ich amplitudy dodają się, tworząc sygnał silniejszy niż którakolwiek z pojedynczych kopii.
- Interferencja Destrukcyjna:Jeśli szczyt jednej fali dociera w tym samym czasie co dolina innej fali (są "w przeciwfazie"), ich amplitudy znoszą się, co prowadzi do znacznie słabszego sygnału lub, w najgorszym przypadku, do całkowitego wygaszenia, tworząc "martwy punkt".
Ta gwałtowna fluktuacja siły sygnału podczas ruchu odbiornika w złożonym polu fal jest znana jako zaniki krótkoskalowe. W paśmie 2,4 GHz długość fali wynosi około 12,5 cm, więc przesunięcia rzędu kilku centymetrów zmieniają fazy ścieżek. Głębokość zaniku zależy jednak od geometrii, amplitud i szerokości pasma, dlatego sama odległość nie wyznacza wyniku.
Interferencja międzysymbolowa (ISI)
Inną konsekwencją wielodrogowości jest rozciągnięcie odpowiedzi sygnału w czasie przez opóźnione kopie. Komunikacja cyfrowa polega na wysyłaniu dyskretnych symboli, z których każdy reprezentuje jeden lub więcej bitów i trwa przez określony czas.
Wyobraźmy sobie, że nadajnik wysyła ostry impuls reprezentujący '1', a następnie okres ciszy reprezentujący '0'. Odbiornik najpierw otrzymuje bezpośrednią, najkrótszą kopię impulsu, a później słabsze kopie odbite. Jeżeli ich energia nakłada się na następny symbol, powstaje . Skutek dla bitowej stopy błędów zależy od modulacji, kodowania i algorytmu odbiornika.
Zakres rozciągnięcia odpowiedzi w czasie opisuje rozproszenie opóźnienia. Można je szacować jako różnicę czasu między pierwszym i ostatnim istotnym składnikiem albo jako średniokwadratowe rozproszenie opóźnienia RMS, obliczane z profilu mocy opóźnienia. RMS uwzględnia względną moc poszczególnych ścieżek, więc często lepiej opisuje wpływ kanału niż sam skrajny składnik. Duża wartość w porównaniu z okresem symbolu zwiększa ryzyko ISI, lecz dokładny skutek zależy od kształtu odpowiedzi i zastosowanego odbiornika.
Zaniki selektywne częstotliwościowo
Efekty interferencji konstruktywnej i destrukcyjnej są silnie zależne od fazy fal, co z kolei zależy od ich częstotliwości. Oznacza to, że dla sygnału szerokopasmowego (sygnału zajmującego pewien zakres częstotliwości), interferencja wielodrogowa wpłynie na różne częstotliwości w obrębie tego sygnału w różny sposób.
Prowadzi to do . Kanał działa wtedy jak filtr, tłumiąc część widma i wzmacniając inną. Szeroki sygnał może zawierać częstotliwości o różnych zyskach, lecz głębokość wycięć zależy od profilu wielodrogowego i szerokości pasma. Pasmo koherencji określa przedział, w którym wzmocnienie jest podobne według przyjętego kryterium korelacji. Jego wartość jest odwrotnie związana z rozproszeniem opóźnienia, a stała zależy od definicji. Przy podawaniu wartości należy wskazać próg korelacji, ponieważ różne progi dają różne oszacowania. Gdy szerokość sygnału jest mniejsza od tego pasma, można stosować przybliżenie kanału płaskiego. Gdy jest większa, potrzebne są techniki odporne na różne zyski podpasma.
Interferencja w kanale bezprzewodowym
Oprócz problemów, które sygnał sam sobie stwarza przez wielodrogowość, musi on również konkurować z zewnętrznymi sygnałami. Nazywa się to . Podczas gdy szum jest losowy, interferencja jest ustrukturyzowana. Może być sygnałem komunikacyjnym innego użytkownika lub systemu, traktowanym przez odbiornik jako niepożądane zakłócenie.
Interferencja Współkanałowa (CCI)
Jest to interferencja od innych nadajników używających tego samego kanału częstotliwości co sygnał pożądany. W systemach komórkowych ponowne wykorzystanie częstotliwości może zwiększać pojemność, lecz znaczenie CCI zależy od odległości, obciążenia, geometrii komórek, kierunkowości anten i algorytmów odbiornika. Użytkownik na skraju komórki może odbierać słabszy sygnał stacji obsługującej oraz podobnie silny sygnał komórki sąsiedniej używającej tej samej częstotliwości. Planowanie sieci, pochylenie anten, kontrola mocy i przetwarzanie odbiorcze ograniczają ten składnik interferencji.
Interferencja z Kanału Sąsiedniego (ACI)
Żaden nadajnik ani odbiornik nie ma idealnie prostokątnej charakterystyki. Emisje pozapasmowe nadajnika i ograniczona selektywność odbiornika tworzą ACI. W paśmie Wi-Fi 2,4 GHz środek kanału 6 to około 2437 MHz, a kanału 7 około 2442 MHz, lecz rzeczywiste nakładanie zależy od szerokości kanałów, mocy, masek emisji, filtrów i czułości odbiornika. Silny sygnał sąsiedni może więc pogorszyć odbiór słabego sygnału. Filtry nadajnika ograniczają emisję, a filtry odbiornika odrzucają sygnały spoza pasma.
Interferencja z Innych Systemów
Jest to szczególnie istotne w nielicencjonowanym paśmie ISM , gdzie Wi-Fi współdzieli widmo między innymi z Bluetooth, telefonami bezprzewodowymi i nianiami elektronicznymi. Kuchenka mikrofalowa pracuje w pobliżu , lecz wpływ jej emisji zależy od ekranowania, odległości, cyklu pracy i poziomu promieniowania poza obudową. W zatłoczonym środowisku te warunki mogą zwiększać liczbę retransmisji Wi-Fi oraz pogarszać jakość dźwięku Bluetooth.
Źródła szumu
W odróżnieniu od ustrukturyzowanej interferencji, jest losową składową energii w torze odbiorczym i w otoczeniu radiowym. Słychać go jako trzaski lub szum w odbiorniku dostrojonym poza stacją. Poziom szumu zależy od pasma, temperatury, współczynnika szumów odbiornika i środowiska. Szum pochodzi z wielu źródeł:
- Szum Wewnętrzny (Szum Termiczny): Powstaje wskutek losowych drgań termicznych nośników w przewodnikach, rezystorach i tranzystorach o temperaturze powyżej zera absolutnego. Dla idealnego rezystora moc szumu w paśmie B opisuje zależność N = kTB, gdzie k jest stałą Boltzmanna, a T temperaturą bezwzględną. Rzeczywisty odbiornik zwiększa ją zgodnie ze swoim współczynnikiem szumów, więc szerokość pasma i pierwszy stopień toru ograniczają czułość.
- Szum Atmosferyczny: Powstaje w wyniku naturalnych zjawisk w atmosferze ziemskiej, przede wszystkim wyładowań atmosferycznych. Wyładowania generują silne impulsy energii radiowej w szerokim zakresie częstotliwości. Szum ten dominuje w niższych pasmach częstotliwości, takich jak radio AM, a w systemach o wyższych częstotliwościach, takich jak Wi-Fi i sieci komórkowe, jest zwykle słabszym czynnikiem, choć jego poziom zależy od lokalizacji, pory i szerokości pasma anteny.
- Szum Pozaziemski: Słońce emituje znaczny poziom szumu radiowego, którego odbierany poziom zależy od warunków obserwacji, a odległe gwiazdy i galaktyki również emitują fale radiowe, które przyczyniają się do poziomu szumu tła. Szum kosmiczny może ograniczać czułe zastosowania, takie jak radioastronomia i komunikacja w głębokim kosmosie, w których kierunek anteny i czas obserwacji wpływają na odbierany poziom.
- Szum Sztuczny (wytworzony przez człowieka): Odnosi się do niezamierzonego promieniowania z urządzeń elektrycznych i elektronicznych, które nie są zaprojektowane jako nadajniki. Źródła obejmują iskry z układów zapłonowych samochodów, silniki elektryczne, zasilacze impulsowe w komputerach i uszkodzone linie energetyczne. Ten typ szumu jest zazwyczaj najsilniejszy w gęstych środowiskach miejskich i przemysłowych.
SNR i SINR w odbiorniku
Aby pomyślnie odebrać sygnał bezprzewodowy, odbiornik musi być w stanie odróżnić pożądany sygnał od wszystkich tych konkurujących zakłóceń. Jedną z często używanych metryk jest . Jest to prosty stosunek porównujący moc pożądanego sygnału () do mocy szumu tła ().
Wyrażony w decybelach wzór to:
Wyższy SNR zwiększa odstęp między sygnałem i szumem, lecz osiągana Bitowa Stopa Błędów (BER) zależy także od modulacji, kodowania, synchronizacji i implementacji odbiornika. Przy tych samych pozostałych założeniach wyższy SNR zwykle pozwala uzyskać niższy BER. Dla idealnego kanału Gaussa zależność graniczna ma postać C = B log2(1 + SNR), natomiast system praktyczny osiąga mniejszą przepływność przez narzut kodowania, ograniczenia widma i wymagany BER.
SINR w obecności interferencji
W systemie, w którym jednocześnie występują sygnały innych nadajników, jakość odbioru opisuje także . Metryka ta porównuje moc pożądanego sygnału z sumą mocy sygnałów zakłócających () i szumu tła ().
Wysoki SINR jest korzystny, lecz osiągalna przepływność zależy również od szerokości pasma, sprawności widmowej, kodowania i adaptacji łącza. MIMO może zwiększyć liczbę niezależnych strumieni, a kształtowanie wiązki może poprawić zysk lub ograniczyć interferencję. Obie techniki mogą podnieść SINR, lecz ich wpływ zależy od kanału i konfiguracji systemu. W systemie współdzielącym zasoby celem jest także kontrola mocy, harmonogramu i ponownych transmisji, ponieważ sama poprawa jednej próbki SINR nie gwarantuje stałej przepływności.