Про замирания

ПРО ЗАМИРАНИЯ. Оригинал: http://x097.com/wiki/tiki-download_file.php?fileId=172

http://x097.com/wiki/tiki-index.php?page=HomePage

Почти всегда передача сигнала сопровождается воздействием на него помех. Помехи представляют собой физические процессы, происходящие в среде, в которой передается сигнал. В одних случаях помехи арифметически складываются с сигналом (аддитивные помехи), в других – помехи воздействуют на сигнал более сложным образом. Воздействие помехи на сигнал обычно бывает необратимым и вызывает потерю части информации о передаваемом сообщении. Источник сообщения, получатель сообщения, среда, в которой проходит сигнал, и вся аппаратура, обеспечивающая передачу сообщения от источника к получателю, образуют тракт связи (см. рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1 Среда и совокупность технических устройств, обеспечивающих прохождение сигнала от некоторой точки А тракта связи до некоторой точки B, представляют канал связи. Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Вся часть системы связи, расположенная до точки А, служит источником сигнала для этого канала. В реальных радиоканалах действуют разнообразные помехи, порождаемые внешними источниками, а также случайные искажения. Прежде чем сиг¬нал появится на входе приемника, на него накладывается целый ряд искажений, вносимых средой распространения сигнала. К ним относятся затухание, замирания, внутрисимвольная и межсимвольная интерференция, доплеровский сдвиг несущего колебания, нелинейные искажения, межстанционные помехи и аддитивный шум. Выбор и обоснование модели канала является важнейшей составной частью исследования и проектирования систем беспроводного доступа, в том числе, для решения задач анализа помехоустойчивости приема сигналов при различных методах их формирования и обработки в условиях действия различного рода помех. Модель канала в общем случае должна включать в себя следующие компоненты: 1. Модели источников сообщений; 2. Модель тракта передачи, отражающей методы формирования сигналов на передаче, в том числе, методов объединения, кодирования, модуляции сигналов пользователей, а также в общем случае модели нелинейности передающего тракта; 3. Модель среды распространения сигналов, учитывающая ее статистические свойства и характер взаимодействия сигналов и помех; 4. Модели помех и взаимодействия сигналов и помех. При анализе помехоустойчивости приема сигналов одной из важных задач является определение и обоснование модели наблюдения сигналов и помех на входе приемника, которая должна учитывать большинство из перечисленных выше компонент модели канала. В частности, вид и содержание модели наблюдения на входе приемника в существенной степени зависит от способов построения передающих трактов радиосистем передачи (в том числе, от способов формирования и объединения сигналов), от механизмов распространения радиоволн, взаимодействия сигналов и помех различного происхождения. При распространении радиоволн на трассе между точкой доступа и подвижным пользователем имеют место затухание и медленные и быстрые замирания сигналов. В случае, когда применяется изотропная антенна и на пути распространения нет препятствий, радиоволны распространяются во всех направлениям равномерно, фронт волны представляет собой сферу и сигнал уменьшается пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником. В условиях городской среды величина затухания зависит также от типа и плотности застройки, высоты антенн БС и АС и многих других факторов. При расчете средних потерь мощности на трассе распространения применяются методы Окумуры-Хата и Кся Бертони. 13 Данные методы основаны на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяют рассчитать средние потери для различных типов местности. Медленные замирания сигналов обусловлены изменением условий рефракции радиоволн (атмосферные осадки, смена дня и ночи, времен года и т.п.), а также перемещением мобильных пользователей на расстояния, превышающие длину волны на несколько порядков и более (или перемещением больших по сравнению с длиной волны объектов, находящихся на пути распространения сигнала). Медленные замирания принято моделировать логарифмически-нормальным законом распределения мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала x с плотностью вероятности: , где mx – математическое ожидание , σ2 x – дисперсия замираний сигнала, выраженные в дБ. Вредное влияние медленных замираний невозможно устранить выбором системы сигналов и методов обработки. Поэтому для достижения удовлетворительной работоспособности системы при длительном ухудшении состояния канала, учитываемом техническими требованиями к системе, необходимо предусмотреть достаточную мощность излучения, размер антенны и т.д. (системный запас). Причиной быстрых замираний является многолучевость распространения радиоволн и передвижение пользователей на короткие расстояния, сравнимые с длиной волны. Под многолучевостью понимают существование в канале большого числа лучей (путей), по которым может распространяться электромагнитная энергия из передающей точки в приемную, в пределах диаграмм направленности антенн, причем время прохождения сигнала от передатчика к приемнику по отдельным лучам различно. Многолучевость заключается в том, что в точку приема приходит множество переотраженных лучей от местных предметов (зданий, автомобилей и т.д.), которые имеют различные фазы и амплитуды, а также доплеровские сдвиги частоты. Физически многолучевость объясняется тем, что дальнее распространение сигнала в среде сопровождается процессами отражения и рассеивания, причем вследствие динамического характера среды “отражатели”, “рассеиватели” или “неоднородности среды” постоянно изменяются. Некоторый макроскопический параметр среды, такой как полное время многолучевого растяжения или среднее затухание сигнала в канале, может оставаться неизменным на интервалах времени длительностью до нескольких часов и более, но это значит лишь, что на протяжении такого интервала процесс передачи сигнала может рассматриваться как стационарный флуктуационный процесс. Этот флуктуационный процесс состоит в случайных изменениях микроструктуры многолучевости в пределах полного интервала многолучевого растяжения. Максимальная глубина быстрых замираний может достигать 20…30 дБ, а интервал корреляции – доли, единицы секунд. При наличии преобладающего по амплитуде прямого незамирающего луча распределение мгновенных значений огибающей сигнала удовлетворительно аппроксимируется законом Рэлея-Райса: , x ≥ 0, где I0(z) – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка первого рода; K – параметр, характеризующий отношение энергии прямого луча к суммарной энергии рассеянных сигналов. В том случае, когда точка доступа находится вне зоны прямой видимости терминала пользователя, а значит – прямой луч отсутствует и на входе приемника есть только рассеянные компоненты сигнала, распределение Рэлея-Райса сводится к рэлеевскому распределению (К = 0): , x ≥ 0. Замирания сигнала могут быть плоскими и частотно-селективными. Величина задержки лучей (интервал многолучевости) может составлять от десятков, сотен наносекунд в беспроводных локальных сетях (в пределах помещений) до единиц, десятков микросекунд в беспроводных сетях городского масштаба. Ослабление отраженных лучей, учитываемое при моделировании, колеблется от единиц децибел до –20 дБ. Трудности, возникающие из-за ухудшения состояния канала, можно преодолеть, вводя изменения параметров системы передачи. Подобные системы называются адаптивными. Как правило, при больших отношениях сигнал/шум в канале используются схемы модуляции и кодирования, имеющие высокую спектральную эффективность. К примеру: КАМ-64, КАМ-16 в сочетании со сверточным или турбо-кодированием со скоростями ¾, ⅞. При плохих отношениях сигнал/шум используются сигналы с двоичной ФМ или QPSK.

Одной из наиболее важных задач на этапе проектировании сетей беспроводного доступа городского масштаба является оценка помехоустойчивости приема сигналов. Для канала, на который воздействует аддитивный белый гауссовский шум, можно рассчитать помехоустойчивость приема сигналов с различными видами модуляции аналитически по уже существующим формулам и не проводить имитационное моделирование. Но для канала с быстрыми частотно-селективными замираниями аналитический расчет затруднен. Поэтому наиболее подходящим способом для оценки помехоустойчивости в канале с быстрыми замираниями является компьютерное моделирование. В данной главе предлагается имитационная модель канала с замираниями в среде MATLAB, разработанная на базе моделей SUI (Stanford University Interim). С помощью этой модели можно проводить исследования помехоустойчивости беспроводных городских сетей в условиях, имитирующих городскую территорию, методами компьютерного моделирования.

2.3 Многолучевость и замирания. Физическая природа замираний Логнормальные замирания обусловлены особенностями местности, такими как холмы, здания и т.п. между приемником и передатчиком. Наибольшее распространение среди статистических моделей получили модели «угловых коэффициентов».17 Детерминированный компонент принимается в виде:

где R – расстояние между антеннами, а α и β – параметры, определяемые моделью. Значения α и β могут быть определены с помощью экспериментальных измерений.

Рисунок 2.2.1. На рисунках а и б представлено логнормальное затухание и быстрые замирания. (а) Их комбинация, логнормальное затухание обозначено пунктиром. (б) Только быстрые замирания.

В любой беспроводной системе связи может быть больше одного пути, по которому сигнал распространяется от передатчика к приемнику. Наличие нескольких путей связано с рассеянием и отражениями в атмосфере, или отражениями от зданий и других объектов. Если передать в многолучевой среде достаточно короткий импульс, то принятый сигнал будет представлять собой последовательность запаздывающих импульсов. Полное время запаздывания последнего импульса относительно первого называют временем многолучевого растяжения. Сигналы, пришедшие по разным путям, будут иметь разные задержки и затухания, и могут складываться на приемной антенне, как усиливая, так и ослабляя друг друга. Если длина или геометрия путей изменяется из-за относительного перемещения антенн или изменения внешних условий, то уровень сигнала подвергается сильным флуктуациям. Многолучевость влияет на сигнал двумя способами: появляется дисперсия (растяжение по времени или частотная избирательность) и зависимость от времени характеристик канала. Различают два случая многолучевости: 1. Количество компонент мало, и они хорошо различимы. Так бывает при отражении от небольших холмов или домов на открытой или сельской местности. В результате, модель канала представляет конечное количество многолучевых компонент. Такой канал называется каналом с дискретной многолучевостью. 2. Пути генерируются большим количеством отражений, которые невозможно различить. Такое часто бывает в горных районах и в городских кварталах с высокой плотностью застройки. В этом случае сигнал представляет из себя континуум многолучевых компонентов, и называется каналом с непрерывной многолучевостью. Стоит заметить, что реальные каналы обычно содержат оба компонента. В целях упрощения моделирования при моделировании каналы разделяют на диффузные и дискретные компоненты. Комплексные огибающие принятого и излученного сигналов связаны между собой такой же зависимостью, как и при передаче через линейный фильтр с переменными во времени параметрами. Таким образом, при передаче монохроматического колебания, амплитуда и фаза принятого сигнала претерпевают изменения во времени и принятый сигнал уже не является монохроматическим. При наличии достаточного количества «рассеивателей», амплитуда сигнала будет распределена по закону Рэлея, а фаза равномерно распределена от 0 до 2π. 9