이 페이지에서는 무선 통신에서 페이딩의 기본 원리와 페이딩 유형을 설명합니다. 페이딩 유형은 대규모 페이딩과 소규모 페이딩(다중 경로 지연 확산 및 도플러 확산)으로 구분됩니다.
플랫 페이딩과 주파수 선택 페이딩은 다중경로 페이딩의 일부이며, 고속 페이딩과 저속 페이딩은 도플러 확산 페이딩의 일부입니다. 이러한 페이딩 유형은 레일리, 라이시안, 나카가미, 와이블 분포 또는 모델에 따라 구현됩니다.
소개:
아시다시피 무선 통신 시스템은 송신기와 수신기로 구성됩니다. 송신기에서 수신기까지의 경로는 매끄럽지 않으며, 전송된 신호는 경로 손실, 다중 경로 감쇠 등 다양한 감쇠 현상을 겪을 수 있습니다. 경로를 통한 신호 감쇠는 시간, 무선 주파수, 그리고 송신기/수신기의 경로 또는 위치 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 송신기와 수신기 사이의 채널은 송신기/수신기가 서로 고정되어 있는지 또는 이동하는지에 따라 시간에 따라 변하거나 고정될 수 있습니다.
페이딩이란 무엇인가요?
전송 매체 또는 경로의 변화로 인해 수신 신호 전력이 시간적으로 변하는 현상을 페이딩이라고 합니다. 페이딩은 위에서 언급한 다양한 요인에 따라 달라집니다. 고정된 환경에서는 강우, 낙뢰 등과 같은 대기 조건에 따라 페이딩이 발생합니다. 이동 환경에서는 경로 상의 장애물에 따라 페이딩이 발생하며, 이러한 장애물은 시간에 따라 변합니다. 이러한 장애물은 전송 신호에 복잡한 전송 효과를 발생시킵니다.
그림 1은 우리가 나중에 설명할 느리게 페이딩되는 유형과 빠르게 페이딩되는 유형에 대한 진폭 대 거리 차트를 보여줍니다.
페이딩 유형
다양한 채널 관련 장애와 송신기/수신기의 위치를 고려할 때 무선 통신 시스템의 페이딩 유형은 다음과 같습니다.
➤대규모 페이딩: 경로 손실과 그림자 효과가 포함됩니다.
➤소규모 페이딩: 다중경로 지연 확산과 도플러 확산의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 다중경로 지연 확산은 플랫 페이딩과 주파수 선택적 페이딩으로 더 나뉩니다. 도플러 확산은 고속 페이딩과 저속 페이딩으로 나뉩니다.
➤페이딩 모델: 위의 페이딩 유형은 Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull 등을 포함한 다양한 모델이나 분포로 구현됩니다.
아시다시피, 신호 페이딩은 지면과 주변 건물의 반사 신호뿐만 아니라 넓은 지역에 있는 나무, 사람, 타워에서 발생하는 산란 신호로 인해 발생합니다. 페이딩에는 대규모 페이딩과 소규모 페이딩, 두 가지 유형이 있습니다.
1.) 대규모 페이딩
대규모 페이딩은 송신기와 수신기 사이에 장애물이 있을 때 발생합니다. 이러한 간섭 유형은 신호 강도를 상당히 감소시킵니다. 이는 전자기파가 장애물에 의해 가려지거나 차단되기 때문입니다. 이는 거리에 따라 신호의 변동이 크기 때문입니다.
1.a) 경로 손실
자유 공간 경로 손실은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
어디,
Pt = 전송 전력
Pr = 수신 전력
λ = 파장
d = 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리
c = 빛의 속도, 즉 3 x 108
방정식에 따르면 전송된 신호는 송신단에서 수신단으로 갈수록 더 넓은 영역으로 퍼지기 때문에 거리에 따라 약해진다는 것을 의미합니다.
1.b) 그림자 효과
• 무선 통신에서 관찰되는 현상입니다. 섀도잉은 전자기파 신호의 수신 전력이 평균값과 차이가 나는 현상입니다.
• 송신기와 수신기 사이의 경로에 장애물이 있기 때문에 발생합니다.
• 지리적 위치뿐만 아니라 EM(전자기파)의 주파수에 따라 달라집니다.
2. 소규모 페이딩
소규모 페이딩은 매우 짧은 거리와 짧은 시간 동안 수신 신호 강도의 급격한 변동과 관련이 있습니다.
기반으로다중 경로 지연 확산소규모 페이딩에는 플랫 페이딩과 주파수 선택적 페이딩의 두 가지 유형이 있습니다. 이러한 다중 경로 페이딩 유형은 전파 환경에 따라 달라집니다.
2.a) 플랫 페이딩
무선 채널은 전송 신호의 대역폭보다 큰 대역폭에서 일정한 이득과 선형 위상 응답을 갖는 경우 평탄 페이딩이라고 합니다.
이러한 유형의 페이딩에서는 수신 신호의 모든 주파수 성분이 동시에 동일한 비율로 변동합니다. 비선택적 페이딩이라고도 합니다.
• 신호 대역폭 << 채널 대역폭
• 심볼 기간 >> 지연 스프레드
플랫 페이딩 효과는 SNR 감소로 나타납니다. 이러한 플랫 페이딩 채널은 진폭 변화 채널 또는 협대역 채널이라고 합니다.
2.b) 주파수 선택적 페이딩
이는 서로 다른 진폭을 가진 무선 신호의 여러 스펙트럼 성분에 영향을 미칩니다. 따라서 선택적 페이딩이라는 이름이 붙었습니다.
• 신호 대역폭 > 채널 대역폭
• 심볼 기간 < 지연 확산
기반으로도플러 확산페이딩에는 빠른 페이딩과 느린 페이딩, 두 가지 유형이 있습니다. 이러한 도플러 확산 페이딩 유형은 이동 통신 속도, 즉 송신기에 대한 수신기의 속도에 따라 달라집니다.
2.c) 빠른 페이딩
빠른 페이딩 현상은 작은 영역(즉, 대역폭)에서 신호가 빠르게 변동하는 현상으로 나타납니다. 신호가 평면의 모든 방향에서 도착하면 모든 이동 방향에서 빠른 페이딩이 관찰됩니다.
빠른 페이딩은 심볼 지속 시간 내에서 채널 임펄스 응답이 매우 빠르게 변할 때 발생합니다.
• 높은 도플러 확산
• 심볼 주기 > 코히어런스 시간
• 신호 변화 < 채널 변화
이러한 매개변수는 도플러 확산으로 인한 주파수 분산 또는 시간 선택적 페이딩을 초래합니다. 빠른 페이딩은 국소 물체의 반사와 해당 물체에 대한 물체의 상대적인 움직임으로 인해 발생합니다.
빠른 페이딩에서 수신 신호는 다양한 표면에서 반사되는 수많은 신호의 합입니다. 이 신호는 여러 신호의 합 또는 차이이며, 각 신호 간의 상대적인 위상 변화에 따라 생성적이거나 소멸적일 수 있습니다. 위상 관계는 운동 속도, 전송 주파수, 그리고 상대적인 경로 길이에 따라 달라집니다.
빠른 페이딩은 기저대역 펄스의 모양을 왜곡합니다. 이 왜곡은 선형적이며아이에스아이(심볼 간 간섭). 적응형 등화는 채널에 의해 발생하는 선형 왜곡을 제거하여 ISI를 줄입니다.
2.d) 천천히 페이딩
느리게 사라지는 것은 경로 위에 있는 건물, 언덕, 산 및 기타 물체의 그림자로 인해 발생합니다.
• 낮은 도플러 확산
• 기호 기간 <
• 신호 변화 >> 채널 변화
페이딩 모델 또는 페이딩 분포 구현
페이딩 모델 또는 페이딩 분포의 구현에는 레일리 페이딩, 라이시안 페이딩, 나카가미 페이딩, 와이블 페이딩이 포함됩니다. 이러한 채널 분포 또는 모델은 페이딩 프로파일 요구 사항에 따라 기저대역 데이터 신호에 페이딩을 통합하도록 설계되었습니다.
레이리 페이딩
• 레일리 모델에서는 송신기와 수신기 사이에 비가시선(NLOS) 요소만 시뮬레이션합니다. 송신기와 수신기 사이에 가시선 경로(LOS)는 존재하지 않는다고 가정합니다.
• MATLAB은 레이리 채널 모델을 시뮬레이션하기 위해 "rayleighchan" 함수를 제공합니다.
• 전력은 기하급수적으로 분포됩니다.
• 위상은 균일하게 분포되며 진폭과 무관합니다. 무선 통신에서 가장 많이 사용되는 페이딩 유형입니다.
리시안 페이딩
• rician 모델에서는 송신기와 수신기 사이에서 LOS(시야선) 및 NLOS(비시야선) 구성 요소가 모두 시뮬레이션됩니다.
• MATLAB은 리시안 채널 모델을 시뮬레이션하기 위해 "리시안찬" 함수를 제공합니다.
나카가미 페이딩
나카가미 페이딩 채널은 수신 신호가 다중 경로 페이딩을 겪는 무선 통신 채널을 설명하는 데 사용되는 통계적 모델입니다. 이는 도시 또는 교외 지역과 같이 중간 정도에서 심각한 페이딩이 발생하는 환경을 나타냅니다. 다음 방정식을 사용하여 나카가미 페이딩 채널 모델을 시뮬레이션할 수 있습니다.
• 이 경우 h = r*e로 표시합니다.제이피에스그리고 각도 Φ는 [-π, π]에 균일하게 분포됩니다.
• 변수 r과 Φ는 서로 독립적이라고 가정합니다.
• 나카가미 pdf는 위와 같이 표현됩니다.
• 나카가미 pdf에서 2σ2= E{r2}, Γ(.)는 감마 함수이고 k >= (1/2)는 페이딩 수치(추가된 가우시안 난수 변수의 수와 관련된 자유도)입니다.
• 원래는 측정을 기반으로 경험적으로 개발되었습니다.
• 순간 수신 전력은 감마 분포를 따릅니다. • k = 1인 경우 Rayleigh = Nakagami
와이불 페이딩
이 채널은 무선 통신 채널을 설명하는 데 사용되는 또 다른 통계 모델입니다. 와이블 페이딩 채널은 약한 페이딩과 심한 페이딩을 포함한 다양한 유형의 페이딩 조건이 있는 환경을 표현하는 데 일반적으로 사용됩니다.
어디,
2시그마2= E{r2}
• 와이블 분포는 레이리 분포의 또 다른 일반화를 나타냅니다.
• X와 Y가 iid 평균 0 가우스 변수일 때 R의 포락선 = (X2+ 와이2)1/2레이리 분포입니다. • 그러나 봉투는 R = (X로 정의됩니다.2+ 와이2)1/2, 해당 pdf(전력 분포 프로파일)는 Weibull 분포를 따릅니다.
• 다음 방정식은 Weibull 페이딩 모델을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.
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게시 시간: 2023년 8월 14일
