Zanikanie i Różnorodność

Wprowadzenie do zanikania

Modele propagacyjne przewidują średnie tłumienie ścieżki i osłabienie sygnału na danym dystansie, co stanowi podstawę projektowania sieci. Nie opisują pełnej zmienności kanału. Sygnał może w jednej chwili być wyraźny, a w następnej słaby lub chwilowo niewykrywalny, nawet przy niewielkiej zmianie położenia. Ta zmienność siły odbieranego sygnału jest znana jako zanikanie.

Zanikanie (ang. fading) jest zmianą tłumienia sygnału wywołaną interakcją fal radiowych ze środowiskiem. Fala odbija się, ugina i rozprasza, docierając do odbiornika wieloma ścieżkami, a ich superpozycja może wzmacniać albo osłabiać sygnał. Zrozumienie typów zanikania pozwala dobrać planowanie sieci, przetwarzanie sygnału i kodowanie do warunków łącza.

Zanikanie wielkoskalowe i małoskalowe

Zjawiska zanikania klasyfikuje się między innymi według skali przestrzennej. Rozróżnienie wskazuje, czy obserwowana zmiana wynika z przeszkód i średniej mocy na dłuższej trasie, czy z lokalnej superpozycji ścieżek. Metoda łagodzenia zależy od tej przyczyny.

Zanikanie Wielkoskalowe (Cienienie)

Zanikanie wielkoskalowe opisuje zmianę średniej mocy odbieranego sygnału na odległościach większych niż lokalne fluktuacje fazy. Skala zależy od częstotliwości, środowiska i geometrii, a przyczyną są przeszkody na ścieżce propagacji, które tworzą 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. W modelach tłumienia składową tę często zapisuje się jako losowy składnik w dB dodany do średniej straty ścieżki. Jego wariancja zależy od typu zabudowy i skali uśredniania.
• Charakterystyka: Fluktuacje te są powolne i występują, gdy użytkownik przemieszcza się na odległości większe od lokalnej skali wielodrogowości. Statystyczna zmienność tego efektu cienienia jest często modelowana rozkładem logarytmiczno-normalnym, którego odchylenie opisuje zmienność w danym środowisku. Średnia moc zależy od modelu tłumienia ścieżki, a przeszkody mogą powodować głębsze i dłuższe spadki w cieniu.
• Łagodzenie: Zanikanie wielkoskalowe ogranicza się przez planowanie sieci, rozmieszczenie stacji bazowych i kontrolę pokrycia. Makrozróżnicowanie wykorzystuje obserwacje z wielu komórek lub punktów transmisji, aby wybrać albo połączyć korzystniejszą ścieżkę. Przełączenie (handover) jest procedurą mobilności, która przenosi połączenie między komórkami. Może korzystać z pomiarów makrozróżnicowania, lecz nie jest jego nazwą. Gdy sygnał stacji obsługującej słabnie w cieniu, telefon może zostać przełączony do innej stacji.

Wykres pokazuje moduł pola w funkcji różnicy dróg, a panel po prawej łączy bezpośrednią oraz odbitą trasę tak jak w prostym modelu dwuścieżkowym. Zmiana różnicy dróg przesuwa fazę składnika odbitego, więc ten sam model pokazuje naprzemienne wzmocnienia i wygaszenia.

Zanikanie Małoskalowe

Jest to rodzaj zanikania obserwowany na odległościach porównywalnych z długością fali, a także przy zmianach czasu lub częstotliwości. Sygnał o częstotliwości $2.4 \text{ GHz}$ ma długość fali około 12,5 centymetra, więc przesunięcie o około 6 centymetrów może zmienić fazy ścieżek. Głębokość zaniku zależy jednak od geometrii, amplitud i pasma.

• Przyczyna: Dominującym mechanizmem zanikania małoskalowego jest konstruktywna i destrukcyjna interferencja kopii sygnału docierających przez propagację wielodrogową. Na obserwowaną zmienność wpływają także ruch, rozpraszanie Dopplerowskie i szerokość pasma.
• Charakterystyka:Amplituda i faza mogą silnie fluktuować przy niewielkiej zmianie położenia. Rozkład Rayleigha stosuje się w modelu bez dominującej ścieżki bezpośredniej, a rozkład Rice'a opisuje obecność takiej składowej. Parametr K określa jej udział, więc przejście między modelami jest ciągłe.
• Łagodzenie: Planowanie sieci określa położenie punktów transmisji, lecz lokalne zaniki wymagają także przetwarzania sygnałów w nadajniku i odbiorniku. Stosuje się zróżnicowanie, korekcję kanału, kodowanie i adaptację modulacji.

Mechanizmy zanikania małoskalowego

Zanikanie małoskalowe opisuje się na dwóch osiach: rozciągnięciu odpowiedzi w czasie przez wielodrogowość, czyli rozproszeniu opóźnienia, oraz zmianie częstotliwości wywołanej ruchem, czyli rozproszeniu Dopplerowskim. Relacja tych parametrów do pasma i czasu symbolu prowadzi do klasyfikacji płaskiej albo selektywnej częstotliwościowo oraz szybkiej albo wolnej.

Zanikanie w Zależności od Rozproszenia Opóźnienia Czasowego

Rozproszenie opóźnienia można określić jako różnicę czasu między pierwszym i ostatnim istotnym składnikiem albo jako średniokwadratowe rozproszenie opóźnienia RMS z profilu mocy opóźnienia. Rodzaj zanikania zależy od porównania tego parametru z okresem symbolu i od relacji pasma sygnału do pasma koherencji.

Zanikanie w Zależności od Rozproszenia Dopplerowskiego

Rozproszenie Dopplerowskie opisuje szybkość zmian kanału i przesunięcia częstotliwości składowych sygnału. Dla ruchu o prędkości v maksymalne przesunięcie ma w przybliżeniu wartość f_D = v/λ, z czynnikiem zależnym od kąta nadejścia. Wynika ono ze względnego ruchu nadajnika, odbiornika lub obiektów w otoczeniu. Relacja czasu koherencji kanału do okresu symbolu określa, czy zanikanie jest szybkie czy wolne. Czas koherencji definiuje się względem ustalonego progu korelacji czasowej, dlatego jego wartość zależy od przyjętej konwencji oraz modelu ruchu.

Zróżnicowanie przeciw zanikaniu

Jeśli sygnał może być słaby w określonym punkcie przestrzeni, na częstotliwości lub w czasie, system może zwiększyć niezawodność przez 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. Korzyść maleje przy silnie skorelowanych kopiach, dlatego odstęp anten, separacja częstotliwości lub odstęp czasu dobiera się do statystyk kanału. Istnieje kilka sposobów uzyskania tych niezależnych kopii sygnału.

Techniki ograniczania skutków zanikania

Oprócz zróżnicowania systemy bezprzewodowe stosują przetwarzanie sygnałów dopasowane do zniekształceń powodowanych przez zanikanie.

• Korekcja Kanału (Equalization): Przy zanikaniu selektywnym częstotliwościowo korektor ogranicza interferencję międzysymbolową (ISI). Jest to filtr cyfrowy, który na podstawie estymacji kanału kompensuje jego wpływ przed decyzją odbiornika. Współczynniki korektora muszą śledzić zmianę kanału i uwzględniać szum.
• Ortogonalne Multipleksowanie z Podziałem Częstotliwości (OFDM): OFDM jest szeroko stosowane w odmianach Wi-Fi, 4G i 5G. Dzieli szerokopasmowy kanał na wiele wąskich, ortogonalnych podnośnych, z których każda może doświadczać w przybliżeniu płaskiego zanikania. Prefiks cykliczny i korekcja w odbiorniku ograniczają wpływ wielodrogowości, o ile jego długość i parametry kanału spełniają założenia systemu. Liczba podnośnych zależy od standardu i konfiguracji.
• Systemy MIMO: MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) używa wielu anten po stronie nadajnika i odbiornika. Może poprawiać niezawodność przez zróżnicowanie albo przesyłać wiele niezależnych strumieni w tym samym paśmie przez multipleksację przestrzenną. Wybór trybu zależy od rzędu i korelacji kanału, SNR, interferencji oraz estymacji kanału. Multipleksacja wymaga kilku dostatecznie niezależnych dróg przestrzennych. Przy wysokiej korelacji system zwykle przechodzi w tryb zróżnicowania.