พื้นฐานการเฟดและประเภทของการเฟดในการสื่อสารไร้สาย

เมื่อพิจารณาถึงความบกพร่องต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับช่องสัญญาณและตำแหน่งของเครื่องส่ง/เครื่องรับ ต่อไปนี้คือประเภทของการเฟดในระบบการสื่อสารไร้สาย
➤การเฟดภาพขนาดใหญ่: รวมถึงการสูญเสียเส้นทางและเอฟเฟกต์เงา
➤การเฟดแบบสเกลเล็ก: แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การเฟดแบบมัลติพาธดีเลย์สเปรด และ การเฟดแบบดอปเปลอร์ การเฟดแบบมัลติพาธดีเลย์สเปรดยังแบ่งย่อยได้อีกเป็น การเฟดแบบแบน และการเฟดแบบเลือกความถี่ ส่วนการเฟดแบบดอปเปลอร์แบ่งออกเป็น การเฟดแบบเร็ว และการเฟดแบบช้า
➤โมเดลการเฟด: ประเภทการเฟดข้างต้นถูกนำไปใช้ในโมเดลหรือการแจกแจงต่างๆ ซึ่งรวมถึง Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull เป็นต้น

อย่างที่ทราบกันดีว่า สัญญาณเฟดเกิดจากการสะท้อนจากพื้นดินและอาคารโดยรอบ รวมถึงสัญญาณที่กระจัดกระจายจากต้นไม้ ผู้คน และอาคารสูงในพื้นที่กว้าง การเฟดมีสองประเภท ได้แก่ การเฟดในระดับใหญ่และการเฟดในระดับเล็ก

1.) การเฟดภาพขนาดใหญ่

การเฟดสัญญาณขนาดใหญ่จะเกิดขึ้นเมื่อมีสิ่งกีดขวางเข้ามาระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ สัญญาณรบกวนประเภทนี้ทำให้ความแรงของสัญญาณลดลงอย่างมาก เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกบดบังหรือถูกสิ่งกีดขวางบดบัง ซึ่งเกี่ยวข้องกับความผันผวนของสัญญาณอย่างมากตามระยะทาง

1.ก) การสูญเสียเส้นทาง

การสูญเสียเส้นทางของพื้นที่ว่างสามารถแสดงได้ดังนี้
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)²/ λ²} = (4*π*f*d)²/c²
ที่ไหน,
Pt = กำลังส่ง
Pr = รับอำนาจ
λ = ความยาวคลื่น
d = ระยะห่างระหว่างเสาอากาศส่งและเสาอากาศรับสัญญาณ
c = ความเร็วแสง คือ 3 x 10⁸

จากสมการนี้ แสดงว่าสัญญาณที่ส่งออกจะลดทอนลงตามระยะทาง เนื่องจากสัญญาณถูกกระจายไปในพื้นที่ที่กว้างขึ้นเรื่อยๆ จากฝั่งส่งไปยังฝั่งรับ

1.b) เอฟเฟกต์เงา

• พบในการสื่อสารไร้สาย Shadowing คือความเบี่ยงเบนของกำลังรับของสัญญาณ EM จากค่าเฉลี่ย
• เป็นผลจากสิ่งกีดขวางเส้นทางระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
• ขึ้นอยู่กับตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ รวมถึงความถี่วิทยุของคลื่น EM (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า)

2. การเฟดแบบขนาดเล็ก

การเฟดในระดับเล็กเกี่ยวข้องกับความผันผวนอย่างรวดเร็วของความแรงของสัญญาณที่รับได้ในระยะทางสั้นมากและช่วงเวลาสั้น

ขึ้นอยู่กับการแพร่กระจายความล่าช้าแบบหลายเส้นทางการเฟดดิ้งขนาดเล็กมีสองประเภท ได้แก่ การเฟดดิ้งแบบแบน และการเฟดดิ้งแบบเลือกความถี่ การเฟดดิ้งแบบหลายเส้นทางเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการแพร่กระจาย

2.ก) การเฟดแบบแบน

ช่องสัญญาณไร้สายจะเรียกว่าเฟดแบบแบนหากมีค่าเกนคงที่และการตอบสนองเฟสเชิงเส้นในแบนด์วิดท์ที่มากกว่าแบนด์วิดท์ของสัญญาณที่ส่งออก

ในการเฟดประเภทนี้ ส่วนประกอบความถี่ทั้งหมดของสัญญาณที่รับได้จะผันผวนในสัดส่วนเดียวกันพร้อมๆ กัน เรียกอีกอย่างหนึ่งว่าการเฟดแบบไม่เลือก

• สัญญาณ BW << ช่องสัญญาณ BW
• สัญลักษณ์ช่วงเวลา >> การแพร่กระจายความล่าช้า

ผลกระทบของการเฟดแบบแบนด์จะเห็นได้จากการลดลงของ SNR ช่องสัญญาณเฟดแบบแบนด์เหล่านี้เรียกว่าช่องสัญญาณที่แปรผันแอมพลิจูด หรือช่องสัญญาณแบนด์แคบ

2.b) การเฟดแบบเลือกความถี่

มันส่งผลกระทบต่อองค์ประกอบสเปกตรัมที่แตกต่างกันของสัญญาณวิทยุที่มีแอมพลิจูดต่างกัน ดังนั้นจึงเรียกว่า การเฟดแบบเลือกสรร

• สัญญาณ BW > ช่องสัญญาณ BW
• ระยะเวลาสัญลักษณ์ < การแพร่กระจายความล่าช้า

ขึ้นอยู่กับการแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์การเฟดดิ้งมีสองประเภท ได้แก่ การเฟดดิ้งแบบเร็วและการเฟดดิ้งแบบช้า การเฟดดิ้งแบบกระจายตัวดอปเปลอร์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความเร็วเคลื่อนที่ กล่าวคือ ความเร็วของเครื่องรับเทียบกับเครื่องส่ง

2.c) การซีดจางอย่างรวดเร็ว

ปรากฏการณ์เฟดดิ้งอย่างรวดเร็วเกิดจากความผันผวนของสัญญาณอย่างรวดเร็วในพื้นที่ขนาดเล็ก (เช่น แบนด์วิดท์) เมื่อสัญญาณมาจากทุกทิศทางในระนาบ จะสังเกตเห็นการเฟดดิ้งอย่างรวดเร็วในทุกทิศทางของการเคลื่อนที่

การเฟดอย่างรวดเร็วจะเกิดขึ้นเมื่อการตอบสนองของแรงกระตุ้นช่องเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วภายในระยะเวลาของสัญลักษณ์

• การแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์สูง
• ช่วงสัญลักษณ์ > เวลาความสอดคล้อง
• การเปลี่ยนแปลงสัญญาณ < การเปลี่ยนแปลงช่องสัญญาณ

พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลให้เกิดการกระจายความถี่หรือการเฟดแบบเลือกเวลาอันเนื่องมาจากการแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์ การเฟดแบบเร็วเป็นผลมาจากการสะท้อนของวัตถุเฉพาะที่และการเคลื่อนที่ของวัตถุเทียบกับวัตถุเหล่านั้น

ในการเฟดแบบเร็ว สัญญาณรับคือผลรวมของสัญญาณจำนวนมากที่สะท้อนจากพื้นผิวต่างๆ สัญญาณนี้เป็นผลรวมหรือความแตกต่างของสัญญาณหลายสัญญาณ ซึ่งอาจเป็นแบบสร้างสรรค์หรือแบบทำลาย ขึ้นอยู่กับการเลื่อนเฟสสัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณ ความสัมพันธ์ของเฟสขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ ความถี่ในการส่งสัญญาณ และความยาวเส้นทางสัมพัทธ์

การเฟดอย่างรวดเร็วทำให้รูปร่างของพัลส์เบสแบนด์ผิดเพี้ยน การบิดเบือนนี้เป็นแบบเส้นตรงและสร้างไอเอสไอ(การรบกวนระหว่างสัญลักษณ์) การปรับสมดุลแบบปรับได้ช่วยลด ISI โดยการกำจัดการบิดเบือนเชิงเส้นที่เกิดจากช่องสัญญาณ

2.d) การจางลงช้า

การเฟดออกอย่างช้าๆ เป็นผลมาจากเงาจากอาคาร เนินเขา ภูเขา และวัตถุอื่นๆ บนเส้นทาง

• การแพร่กระจายแบบดอปเปลอร์ต่ำ
• สัญลักษณ์ช่วงเวลา <
• การเปลี่ยนแปลงสัญญาณ >> การเปลี่ยนแปลงช่องสัญญาณ

การนำแบบจำลองการซีดจางหรือการแจกแจงแบบซีดจางไปใช้

การนำแบบจำลองการเฟดดิ้งหรือการกระจายแบบเฟดดิ้งไปใช้งาน ได้แก่ การเฟดดิ้งแบบเรย์ลีห์ การเฟดดิ้งแบบริเชียน การเฟดดิ้งแบบนากากามิ และการเฟดดิ้งแบบไวบูลล์ แบบจำลองหรือการกระจายช่องสัญญาณเหล่านี้ได้รับการออกแบบให้รวมการเฟดดิ้งไว้ในสัญญาณข้อมูลแบนด์เบสตามข้อกำหนดของโปรไฟล์การเฟดดิ้ง

เรย์ลีห์กำลังซีดจาง

• ในแบบจำลองเรย์ลีห์ จะมีการจำลองเฉพาะส่วนประกอบที่ไม่ใช่แนวสายตา (NLOS) ระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับเท่านั้น โดยสมมติว่าไม่มีเส้นทาง LOS ระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
• MATLAB มีฟังก์ชัน "rayleighchan" เพื่อจำลองแบบจำลองช่องสัญญาณเรย์ลี
• อำนาจมีการกระจายแบบทวีคูณ
• เฟสมีการกระจายสม่ำเสมอและไม่ขึ้นกับแอมพลิจูด เป็นรูปแบบเฟดดิ้งที่นิยมใช้มากที่สุดในการสื่อสารไร้สาย

ริเชียนซีดจาง

• ในแบบจำลองริเชียน ทั้งส่วนประกอบแบบเส้นสายตา (LOS) และส่วนประกอบที่ไม่ใช่แบบเส้นสายตา (NLOS) จะถูกจำลองระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
• MATLAB มีฟังก์ชัน "ricianchan" เพื่อจำลองแบบจำลองช่องสัญญาณ rician

นาคากามิซีดจาง

ช่องสัญญาณเฟดดิ้ง Nakagami เป็นแบบจำลองทางสถิติที่ใช้อธิบายช่องสัญญาณการสื่อสารไร้สายที่สัญญาณที่ได้รับมีการเฟดดิ้งแบบหลายเส้นทาง แบบจำลองนี้แสดงถึงสภาพแวดล้อมที่มีการเฟดดิ้งระดับปานกลางถึงรุนแรง เช่น เขตเมืองหรือชานเมือง สมการต่อไปนี้สามารถใช้จำลองแบบจำลองช่องสัญญาณเฟดดิ้ง Nakagami ได้