CC BY
22
УДК 621.391
Борисов А.С. студент второго курса магистратуры Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Россия, г. Самара
ПРИЧИНЫ ЗАМИРАНИЙ В МНОГОПУТЕВЫХ КАНАЛАХ
РАДИОСВЯЗИ
Аннотация:
В статье рассматриваются основные причины замираний сигнала в каналах связи. Проведён обзор видов замираний сигнала.
Ключевые слова: цифровая связь, замирания, многопутевое распространение, отражение, дифракция, рассеяние.
Borisov A.S.
Student of magistracy Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics
Russia, Samara
CAUSES OF FADING ON THE MULTIPATH RADIOWAVE CHANNELS
Abstract:
In this article are reviewed the main causes of signal fading in the communication channels. A review of the types of signal fading.
Key Words: digital communications, fading, multipath propagation, reflection, difraction, scattering.
В системах радиосвязи компоненты сигнала могут передаваться по множеству путей по разным причинам. Такое распространение называют многопутевое распространение или многолучёвость. Одним из феноменов, присущих каналам с многопутевым распространением, являются замирания сигнала. Вследствие такого распространения, суммарный сигнал на приёмной стороне может иметь случайные отклонения фазы и амплитуды. Эти флуктуации, возникающие вследствие распространения сигнала по разным путям, и называют замираниями сигнала. В радиоастрономии используется понятие сцинтилляция, если речь идёт о замираниях, вызванных изменениями электронной плотности слоёв ионосферы. Причиной сцинтилляций являются механизмы, существенные на расстояниях намного меньших, чем длина волны. Слои ионосферы обладают способностью отражать высокочастотные радиосигналы, на этой особенности основана ионосферная радиосвязь в диапазоне ВЧ (3-30 МГц) и радиосвязь с ионосферным рассеянием (30-300 МГц). Ионы, образующие слои ионосферы находятся в постоянном движении. Если передавать один и тот же сигнал в разные интервалы времени (например, в разное время суток), то пути распространения сигнала окажутся различными и принятые сигналы будут отличаться (рис. 1). Пользователям такого канала движение ионов и
изменения в откликах канала в разные временные интервалы могут показаться случайными. Следовательно, меняющиеся во времени отклики канала трактуются статистически (как реализации случайного процесса) [1].
Рис. 1. Изменение путей распространения сигнала в разные моменты
времени в ионосферной связи
Моделирование механизмов, приводящих к замиранию сигнала является неотъемлемой частью проектирования систем связи. Уже начиная с середины двадцатого века они применялись в радиосвязи, главным образом в тропосферной и ионосферной связи, охватывающей весьма широкий диапазон частот. Как уже было отмечено выше, замирания можно наблюдать при тропосферной радиосвязи на частотах 0,3-3 ГГц и 3-30 ГГц (связь, использующая тропосферное рассеяние сигнала) и при ионосферной радиосвязи на частотах 3-30 МГц и 30-300 МГц (связь, использующая ионосферное рассеяние). Импульсная характеристика § (¿) в этих каналах переменна во времени из-за изменения физических характеристик среды передачи.
Эффекты замирания в каналах систем подвижной радиосвязи несколько отличаются от тех, что встречаются в каналах передачи через ионосферу и тропосферу. Однако, ранние модели всё же приемлемы для описания эффектов замирания в системах мобильной связи. [2] Переменная во времени импульсная характеристика этих каналов так же является следствием постоянно меняющихся физических характеристик среды.
Одной из моделей канала связи является модель свободного пространства. Она может быть применима в том случае, если характеристики канала не заданы. Предполагается, что в модели идеального свободного пространстве область между антеннами передатчика и приёмника (т.е., в непрерывном канале) является однородной средой непоглощающей средой, не содержащей поглощающих либо отражающих объектов (в том числе и поверхность Земли). В этой модели мощность
сигнала ослабляется с расстоянием в Ь8 (^) раз [2]. Этот параметр, называемый потерями в свободном пространстве, определяется как:
г мл f 4*d Y m
Ls(d) = ~r ' (1)
V * J
где d - расстояние между приёмником и передатчиком;
Ä - длина волны сигнала.
При распространении сигнала в идеальном свободном пространстве мощность сигнала на приёмной стороне легко предсказать. В реальных же каналах радиосвязи распространение может происходить по многим путям в условиях меняющейся атмосферы и препятствий вблизи поверхности Земли. Поэтому модель свободного пространства не может адекватно описать поведение канала.
Эффекты замираний, характерных для подвижной радиосвязи можно разделить на два типа: крупномасштабные (медленные) и мелкомасштабные (быстрые) замирания.
Крупномасштабные замирания возникают вследствие затенения приёмника крупными наземными объектами, например такими как здания, возвышенности рельефа, высокие деревья и т.д. Длительность таких замираний зависит от скорости движения приёмника. Например, если абонент сотовой связи находится в автомобиле, движущемся со скоростью 60 км/ч, длительность замирания составляет 2-3 с. Это довольно много, учитывая, что длительность передачи пакета в сотовой связи составляет не более нескольких десятков мс [4]. Крупномасштабные замирания могут привести к потере больших объёмов информации. Статистика крупномасштабного замирания позволяет приблизительно рассчитать потери в тракте как функцию расстояния. Это часто описывается через средние потери в тракте (степенной закон n-го порядка) и логарифм нормального распределения отклонения от среднего:
(ln( х )—m( х))2
1 — 9
f (х) =-= е 2- , (2)
xayj 2ж
Мелкомасштабные замирания - это значительные изменения амплитуды и фазы сигнала, вызванные небольшим изменением расстояния между приёмником и передатчиком (до половины длины волны). Такие замирания выражаются в расширении сигнала во времени и нестационарном поведении канала. Скорость замираний зависит от скорости изменения условий распространения сигнала. Импульсная характеристика при этом непрерывно меняется случайным образом. При этом предполагается, что
коэффициенты передач у разных путей статистически независимы и случайны. Если сигналы в канале имеют различные задержки, то имеет место временная дисперсия сигнала. Мелкомасштабные замирания называют релеевскими, если имеется большое число (как правило, пять и более) многократно отражённых путей распространения сигнала и нет компонента сигнала вдоль пути прямой видимости. Огибающая принятого сигнала описывается с помощью релеевской функции плотности вероятности:
/ \ x — x 2/2ст 2 w (x) = ^r e '
a2
(3)
2 2 2 где a = ac = as - дисперсия,
равная дисперсиям квадратурных
компонент сигнала;
В случае, когда имеется незамирающий компонент сигнала вдоль пути прямой видимости, огибающая описывается функцией плотности вероятности Райса (обобщённая функция Релея) [3]:
( X2 —
W ( X ) =
X
(mC +mS)
2a2
I г
a
2 Г 2 . 2
x yjmc + ms
2 ac
v
(4)
J
где а = ас = а^ - дисперсия, равная дисперсиям квадратурных
компонент сигнала;
2 2 гс и т
m„ и m математические ожидания квадратурных компонент
сигнала;
2 Г 2 , 2
x у) mc + ms
2 a2
- модифицированная функция Бесселя нулевого
J
порядка.
Иными словами, статистики мелкомасштабного замирания всегда распределены по Релею, если путь распространения блокирован, в противном случае имеем распределение Райса.
Существует три основных механизма, воздействующих на распространение сигнала в системах мобильной связи:
Отражение (reflection) (рис. 2). Происходит в том случае, когда распространяющаяся электромагнитная волна сталкивается с гладкой поверхностью, размер которой гораздо больше длины волны радиосигнала.
Рис. 2. Пути распространения радиосигнала в случае отражения Дифракция (difraction) - это явление огибания электромагнитными волнами препятствий на пути распространения. Это явление возникает в тех случаях, когда волновой фронт электромагнитной волны между передатчиком и приёмником оказывается преграждён телом, размеры гораздо больше длины волны (рис. 3). При этом позади преграждающего тела образуются вторичные электромагнитные волны. Дифракция является причиной распространения компонент сигнала в обход прямой видимости между передатчиком и приёмником, т.е., вызывает релеевские замирания. Также дифракцию часто называют затенением (shadowing), поскольку дифрагированное поле может достичь приёмника даже в том случае, когда он заграждён преградой, непроницаемой для электромагнитных волн используемого для передачи диапазона частот.
Рис. 3. Пути распространения радиосигнала при в случае дифракции
Рассеяние (scattering). Возникает тогда, когда происходит столкновение электромагнитной волны с любой ровной поверхностью или
поверхностью, размеры которой порядка длины волны или меньше. При этом происходит отражение энергии во всех направлениях. Препятствие (рис. 4) на пути распространения радиосигнала, которое является причиной отражения и рассеивания, называют рассеивающий элемент (Бсайегег). В городской местности такими являются фонарные столбы, уличные знаки листва деревьев, элементы оград и т.п.
Рис. 4. Пути распространения радиосигнала в случае рассеяния
Использованные источники:
1. Прокис Дж. Цифровая связь: монография. Пер. с англ. / Под ред.: Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.: ил.
2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.: ил.
3. Кловский Д.Д. Теория электрической связи. - М.: Радиотехника, 2009. -648 с., ил.
4. Ермолаев В.Т. Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в системах мобильной радиосвязи (Электронное методическое пособие). Нижний новгород. : 2010. - 107 с., ил.
