Wprowadzenie: Duch w Maszynie Bezprzewodowej

W naszych badaniach nad propagacją bezprzewodową dowiedzieliśmy się, że modele propagacyjne mogą przewidywać średnie tłumienie ścieżki, dając nam szacunkową wartość osłabienia sygnału na danym dystansie. To stanowi kluczowy punkt wyjścia do projektowania sieci. Jednak każdy, kto korzystał z telefonu komórkowego lub sieci Wi-Fi, doświadczył frustrującego zjawiska, którego te średnie modele w pełni nie oddają: sygnał, który w jednej chwili jest idealnie czysty, a w następnej słaby lub całkowicie zanika, nawet bez przemieszczania się na dużą odległość. Ta gwałtowna, nieprzewidywalna fluktuacja siły sygnału jest znana jako zanikanie.

Zanikanie (ang. fading) jest prawdopodobnie najtrudniejszym pojedynczym problemem w komunikacji bezprzewodowej. Jest to duch w maszynie, główny powód zrywanych połączeń, zacinającego się streamingu wideo i wolnych prędkości internetu. Jest spowodowane złożonymi interakcjami fal radiowych ze środowiskiem. Sygnał nie porusza się tylko po jednej prostej linii; odbija się, ugina i rozprasza, docierając do odbiornika wieloma ścieżkami. Ta propagacja wielodrogowa powoduje, że fale interferują ze sobą, czasami wzmacniając sygnał, ale często go wygaszając. Celem tej dyskusji jest zgłębienie tego złożonego tematu, zrozumienie różnych typów zanikania, ich przyczyn, a co najważniejsze, genialnych technik inżynieryjnych opracowanych w celu zwalczania ich skutków i umożliwienia nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej.

Klasyfikacja Zanikania: Wielkoskalowe vs. Małoskalowe

Zjawiska zanikania są szeroko klasyfikowane na podstawie skali geograficznej, na której występują. To rozróżnienie jest kluczowe, ponieważ przyczyny i charakterystyka każdego typu są różne, a co za tym idzie, różne są też metody ich łagodzenia.

Zanikanie Wielkoskalowe (Cienienie)

Zanikanie wielkoskalowe opisuje zmianę średniej mocy odbieranego sygnału na dużych odległościach, zazwyczaj setek lub tysięcy metrów. Jest spowodowane przez duże przeszkody na ścieżce propagacji, które blokują sygnał, rzucając "cień" radiowy.

• Przyczyna: Główną przyczyną jest cienienie od dużych przeszkód, takich jak budynki, wzgórza czy gęste lasy. Gdy użytkownik porusza się, na przykład z otwartej ulicy w obszar zasłonięty przez wysoki budynek, średnia siła sygnału znacznie spadnie.
• Charakterystyka: Fluktuacje te są powolne i występują, gdy użytkownik przemieszcza się na znaczne odległości. Statystyczna zmienność tego efektu cienienia jest często modelowana rozkładem logarytmiczno-normalnym. Oznacza to, że chociaż przez większość czasu siła sygnału utrzymuje się blisko średniej przewidywanej przez modele tłumienia ścieżki, istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia znacznie głębszych, przedłużonych spadków siły sygnału w cieniu.
• Łagodzenie: Zanikanie wielkoskalowe jest zwalczane głównie poprzez staranne planowanie sieci. Obejmuje to strategiczne rozmieszczenie stacji bazowych w celu zminimalizowania dziur w zasięgu, zapewnienie wystarczającego nakładania się komórek oraz stosowanie procesu zwanego makrozróżnicowaniem, który jest bardziej znany jako przełączenie (handover). Gdy sygnał z jednej stacji bazowej staje się zbyt słaby, ponieważ znalazłeś się w cieniu, twój telefon jest przełączany do innej, pobliskiej stacji, od której odbiera silniejszy sygnał.

Wykres pokazuje modul pola w funkcji roznicy drog, a panel po prawej laczy bezposrednia oraz odbita trase tak jak w prostym modelu dwusciezkowym.

Zanikanie Małoskalowe

Jest to rodzaj zanikania, który jest znacznie szybszy i występuje na bardzo krótkich dystansach, często rzędu połowy długości fali. Sygnał o częstotliwości $2.4 \text{ GHz}$ ma długość fali około 12,5 centymetra, co oznacza, że można doświadczyć głębokiego zaniku, przesuwając telefon zaledwie o 6 centymetrów.

• Przyczyna: Jedyną przyczyną zanikania małoskalowego jest konstruktywna i destrukcyjna interferencja wielu kopii sygnału docierających do odbiornika poprzez propagację wielodrogową.
• Charakterystyka: Charakteryzuje się bardzo głębokimi, gwałtownymi fluktuacjami amplitudy i fazy sygnału, gdy odbiornik przemieszcza się nawet na niewielką odległość. Statystyczne zachowanie tych fluktuacji jest często modelowane przez specyficzne rozkłady, takie jak rozkład Rayleigha lub Rice'a, w zależności od tego, czy istnieje dominująca ścieżka w zasięgu wzroku.
• Łagodzenie: Zanikanie małoskalowe jest zbyt szybkie i zlokalizowane, aby można było nim zarządzać poprzez planowanie sieci. Musi być zwalczane na poziomie przetwarzania sygnałów w odbiorniku i nadajniku za pomocą zaawansowanych technik, takich jak zróżnicowanie, korekcja i zaawansowane schematy modulacji, które szczegółowo omówimy.

Głębsze Spojrzenie na Mechanizmy Zanikania Małoskalowego

Samo zanikanie małoskalowe można dalej klasyfikować na podstawie dwóch kluczowych zjawisk fizycznych: efektu rozmycia w czasie spowodowanego wielodrogowością (rozproszenie opóźnienia) oraz efektu przesunięcia częstotliwości spowodowanego ruchem (rozproszenie Dopplerowskie). Te dwa efekty dają początek klasyfikacji zanikania typu dwa na dwa.

Zanikanie w Zależności od Rozproszenia Opóźnienia Czasowego

Rozproszenie opóźnienia to różnica w czasie dotarcia między pierwszym a ostatnim znaczącym składnikiem wielodrogowym. Związek między rozproszeniem opóźnienia kanału a okresem symbolu nadawanego sygnału określa rodzaj zanikania.

Zanikanie w Zależności od Rozproszenia Dopplerowskiego

Rozproszenie Dopplerowskie to miara tego, jak szybko zmienia się kanał. Jest spowodowane względnym ruchem między nadajnikiem a odbiornikiem lub ruchem obiektów w otoczeniu. Ten ruch powoduje przesunięcie częstotliwości odbieranych składowych sygnału, znane jako efekt Dopplera. Związek między tą szybkością zmian a szybkością symboli sygnału określa rodzaj zanikania.

Antidotum: Siła Zróżnicowania

Jeśli wiemy, że sygnał może być wyjątkowo słaby w określonym punkcie przestrzeni, na określonej częstotliwości lub w określonym czasie, jak możemy zaprojektować system, aby był niezawodny? Najpotężniejszą i najczęściej stosowaną strategią jest zróżnicowanie (ang. diversity).

Fundamentalna zasada zróżnicowania polega na dostarczeniu odbiornikowi wielu kopii tego samego nadawanego sygnału, które doświadczyły różnych, a idealnie niezależnych, warunków zanikania. Opiera się to na statystycznej obserwacji, że prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia głębokiego zaniku na wszystkich kopiach jest znacznie niższe niż prawdopodobieństwo wystąpienia głębokiego zaniku na pojedynczej kopii. Jeśli jedna kopia jest słaba, istnieje duża szansa, że inna jest silna. Istnieje kilka sposobów uzyskania tych niezależnych kopii sygnału.

Zaawansowane Strategie Łagodzenia Skutków Zanikania

Oprócz zróżnicowania, nowoczesne systemy bezprzewodowe stosują zaawansowane techniki przetwarzania sygnałów do aktywnego zwalczania specyficznych zniekształceń powodowanych przez zanikanie.

• Korekcja Kanału (Equalization): Główną bronią przeciwko interferencji międzysymbolowej (ISI) spowodowanej zanikaniem selektywnym częstotliwościowo jest korektor (equalizer). Korektor to adaptacyjny filtr cyfrowy wewnątrz odbiornika, który próbuje odwrócić zniekształcenia wprowadzone przez kanał. "Uczy się", co kanał robi z sygnałem, i stosuje filtr odwrotny, aby to zniwelować, skutecznie przywracając "rozmazane" symbole do ich pierwotnej formy przed podjęciem ostatecznej decyzji.
• Ortogonalne Multipleksowanie z Podziałem Częstotliwości (OFDM): OFDM, podstawowa technologia Wi-Fi, 4G i 5G, stosuje genialnie inne podejście do radzenia sobie z zanikaniem selektywnym częstotliwościowo. Zamiast walczyć ze zniekształceniami szerokopasmowego kanału za pomocą złożonego korektora, sprytnie dzieli szerokopasmowy kanał na tysiące bardzo wąskich, wolnych podkanałów. Każdy podkanał jest teraz tak wąski, że doświadcza prostego zanikania płaskiego, a nie selektywnego. To przekształca jeden bardzo trudny problem w wiele znacznie prostszych problemów do rozwiązania, co czyni praktycznym szybką bezprzewodową transmisję danych.
• Systemy MIMO: Jako ostateczna forma zróżnicowania przestrzennego, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wykorzystuje wiele anten zarówno po stronie nadajnika, jak i odbiornika. Może wykorzystać ten wymiar przestrzenny nie tylko do poprawy niezawodności (zysk zróżnicowania), ale także do wysyłania wielu niezależnych strumieni danych jednocześnie w tym samym paśmie częstotliwości (multipleksacja przestrzenna), drastycznie zwiększając szybkość transmisji danych. Systemy MIMO w zasadzie zamieniają kanał wielodrogowy z wroga w sprzymierzeńca.