Cette page décrit les bases et les différents types d'évanouissements dans les communications sans fil. Les types d'évanouissements sont divisés en évanouissements à grande échelle et à petite échelle (étalement du délai multitrajet et étalement Doppler).
L'évanouissement plat et l'évanouissement par sélection de fréquence font partie de l'évanouissement par trajets multiples, tandis que l'évanouissement rapide et l'évanouissement lent font partie de l'évanouissement par propagation Doppler. Ces types d'évanouissement sont implémentés selon les distributions ou modèles de Rayleigh, Rician, Nakagami et Weibull.
Introduction:
Comme nous le savons, un système de communication sans fil est composé d'un émetteur et d'un récepteur. Le trajet entre l'émetteur et le récepteur n'est pas fluide et le signal transmis peut subir diverses atténuations, notamment l'affaiblissement de propagation, l'atténuation par trajets multiples, etc. L'atténuation du signal sur ce trajet dépend de plusieurs facteurs, notamment le temps, la fréquence radio et la trajectoire ou la position de l'émetteur/récepteur. Le canal entre l'émetteur et le récepteur peut varier dans le temps ou être fixe, selon que l'émetteur/récepteur est fixe ou mobile.
Qu'est-ce que la décoloration ?
La variation temporelle de la puissance du signal reçu due à des changements de support ou de trajet de transmission est appelée évanouissement. L'évanouissement dépend de divers facteurs, comme mentionné précédemment. En situation fixe, il dépend des conditions atmosphériques telles que les précipitations, la foudre, etc. En situation mobile, il dépend des obstacles sur le trajet, qui varient dans le temps. Ces obstacles créent des effets de transmission complexes sur le signal transmis.
La figure 1 illustre le graphique de l'amplitude en fonction de la distance pour les types de décoloration lente et rapide dont nous parlerons plus tard.
Types de décoloration
Compte tenu des différentes dégradations liées au canal et de la position de l'émetteur/récepteur, voici les types de décoloration dans le système de communication sans fil.
➤Décoloration à grande échelle : elle inclut la perte de chemin et les effets d'ombrage.
➤Évanouissement à petite échelle : il se divise en deux catégories principales : l'étalement du retard par trajets multiples et l'étalement Doppler. L'étalement du retard par trajets multiples se divise en évanouissement plat et évanouissement sélectif en fréquence. L'étalement Doppler se divise en évanouissement rapide et évanouissement lent.
➤Modèles de fondu : les types de fondu ci-dessus sont implémentés dans divers modèles ou distributions, notamment Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, etc.
Comme nous le savons, les signaux d'atténuation se produisent en raison des réflexions sur le sol et les bâtiments environnants, ainsi que des signaux diffusés par les arbres, les personnes et les pylônes présents dans une zone étendue. Il existe deux types d'atténuation : l'atténuation à grande échelle et l'atténuation à petite échelle.
1.) Décoloration à grande échelle
Un affaiblissement important se produit lorsqu'un obstacle s'interpose entre l'émetteur et le récepteur. Ce type d'interférence entraîne une réduction significative de l'intensité du signal. En effet, l'onde électromagnétique est masquée ou bloquée par l'obstacle. Ce phénomène est lié à d'importantes fluctuations du signal sur la distance.
1.a) Perte de trajet
La perte de trajet en espace libre peut être exprimée comme suit.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Où,
Pt = Puissance d'émission
Pr = Puissance de réception
λ = longueur d'onde
d = distance entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice
c = vitesse de la lumière soit 3 x 108
D'après l'équation, le signal transmis s'atténue avec la distance, car il se propage sur une zone de plus en plus grande, de l'extrémité de transmission vers l'extrémité de réception.
1.b) Effet d'ombrage
• On l'observe dans les communications sans fil. L'effet d'ombre est un écart entre la puissance reçue du signal électromagnétique et la valeur moyenne.
• C'est le résultat d'obstacles sur le chemin entre l'émetteur et le récepteur.
• Cela dépend de la position géographique ainsi que de la fréquence radio des ondes EM (électromagnétiques).
2. Décoloration à petite échelle
L'évanouissement à petite échelle concerne les fluctuations rapides de la force du signal reçu sur une très courte distance et une courte période de temps.
Basé surpropagation du délai multitrajetIl existe deux types d'évanouissements à petite échelle : l'évanouissement plat et l'évanouissement sélectif en fréquence. Ces types d'évanouissements multitrajets dépendent de l'environnement de propagation.
2.a) Décoloration plate
On dit que le canal sans fil est à évanouissement plat s'il présente un gain constant et une réponse de phase linéaire sur une bande passante supérieure à la bande passante du signal transmis.
Dans ce type d'évanouissement, toutes les composantes fréquentielles du signal reçu fluctuent simultanément dans les mêmes proportions. On parle alors d'évanouissement non sélectif.
• Signal BW << Canal BW
• Période du symbole >> Spread de retard
L'effet d'un évanouissement plat se traduit par une diminution du rapport signal/bruit. Ces canaux à évanouissement plat sont appelés canaux à amplitude variable ou canaux à bande étroite.
2.b) Évanouissement sélectif en fréquence
Il affecte différentes composantes spectrales d'un signal radio avec différentes amplitudes, d'où le nom d'évanouissement sélectif.
• Signal BW > Canal BW
• Période du symbole < Spread de délai
Basé surdiffusion DopplerIl existe deux types d'évanouissement : l'évanouissement rapide et l'évanouissement lent. Ces types d'évanouissement par propagation Doppler dépendent de la vitesse du mobile, c'est-à-dire de la vitesse du récepteur par rapport à l'émetteur.
2.c) Décoloration rapide
Le phénomène d'évanouissement rapide se manifeste par des fluctuations rapides du signal sur de petites zones (c'est-à-dire la bande passante). Lorsque les signaux proviennent de toutes les directions du plan, un évanouissement rapide est observé pour toutes les directions de mouvement.
Une décoloration rapide se produit lorsque la réponse impulsionnelle du canal change très rapidement au cours de la durée du symbole.
• Écart Doppler élevé
• Période du symbole > Temps de cohérence
• Variation du signal < Variation du canal
Ces paramètres entraînent une dispersion fréquentielle ou un évanouissement temporel sélectif dû à l'étalement Doppler. Un évanouissement rapide résulte des réflexions d'objets locaux et de leur mouvement relatif.
En évanouissement rapide, le signal reçu est la somme de plusieurs signaux réfléchis par différentes surfaces. Ce signal est la somme ou la différence de plusieurs signaux, qui peuvent être constructifs ou destructifs selon leur déphasage relatif. Les relations de phase dépendent de la vitesse de déplacement, de la fréquence de transmission et de la longueur relative des trajets.
Un évanouissement rapide déforme la forme de l'impulsion en bande de base. Cette distorsion est linéaire et créeISI(Interférence entre symboles). L'égalisation adaptative réduit l'ISI en supprimant la distorsion linéaire induite par le canal.
2.d) Décoloration lente
La décoloration lente est le résultat de l'ombrage des bâtiments, des collines, des montagnes et d'autres objets sur le chemin.
• Faible propagation Doppler
• Période du symbole <
• Variation du signal >> Variation du canal
Mise en œuvre de modèles de fading ou de distributions de fading
Les implémentations de modèles ou de distributions d'évanouissement incluent l'évanouissement de Rayleigh, l'évanouissement de Rician, l'évanouissement de Nakagami et l'évanouissement de Weibull. Ces distributions ou modèles de canaux sont conçus pour intégrer l'évanouissement dans le signal de données en bande de base, conformément aux exigences du profil d'évanouissement.
Décoloration de Rayleigh
• Dans le modèle de Rayleigh, seules les composantes hors visibilité directe (NLOS) sont simulées entre l'émetteur et le récepteur. On suppose qu'il n'existe aucun chemin LOS entre l'émetteur et le récepteur.
• MATLAB fournit la fonction « rayleighchan » pour simuler le modèle de canal de Rayleigh.
• La puissance est distribuée de manière exponentielle.
• La phase est uniformément répartie et indépendante de l'amplitude. C'est le type d'évanouissement le plus utilisé en communication sans fil.
Décoloration ricienne
• Dans le modèle ricien, les composants de ligne de visée (LOS) et de non-ligne de visée (NLOS) sont simulés entre l'émetteur et le récepteur.
• MATLAB fournit la fonction « ricianchan » pour simuler le modèle de canal rician.
Nakagami s'estompe
Le canal d'évanouissement Nakagami est un modèle statistique utilisé pour décrire les canaux de communication sans fil dans lesquels le signal reçu subit un évanouissement par trajets multiples. Il représente les environnements présentant un évanouissement modéré à sévère, comme les zones urbaines ou suburbaines. L'équation suivante peut être utilisée pour simuler le modèle de canal d'évanouissement Nakagami.
• Dans ce cas, nous notons h = r*ejΦet l'angle Φ est uniformément distribué sur [-π, π]
• Les variables r et Φ sont supposées être mutuellement indépendantes.
• Le PDF de Nakagami est exprimé comme ci-dessus.
• Dans le pdf de Nakagami, 2σ2= E{r2}, Γ(.) est la fonction Gamma et k >= (1/2) est le chiffre de décoloration (degrés de liberté liés au nombre de variables aléatoires de Gaussio ajoutées).
• Il a été développé à l’origine de manière empirique sur la base de mesures.
• La puissance de réception instantanée est distribuée selon Gamma. • Avec k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull s'estompe
Ce canal est un autre modèle statistique utilisé pour décrire un canal de communication sans fil. Le canal de Weibull est couramment utilisé pour représenter des environnements présentant divers types de conditions de décoloration, notamment des atténuations faibles et importantes.
Où,
2σ2= E{r2}
• La distribution de Weibull représente une autre généralisation de la distribution de Rayleigh.
• Lorsque X et Y sont des variables gaussiennes à moyenne nulle, l'enveloppe de R = (X2+ Y2)1/2est distribuée par Rayleigh. • Cependant, l'enveloppe est définie R = (X2+ Y2)1/2, et le pdf correspondant (profil de distribution de puissance) est distribué selon la loi de Weibull.
• L’équation suivante peut être utilisée pour simuler le modèle de décoloration de Weibull.
Dans cette page, nous avons abordé divers sujets liés au fading, tels que la définition du canal de fading, ses types, ses modèles, leurs applications, ses fonctions, etc. Les informations fournies ici permettent de comparer et de distinguer les fadings à petite et grande échelle, les fadings plats et les fadings sélectifs en fréquence, les fadings rapides et les fadings lents, les fadings de Rayleigh et les fadings de Ricci, etc.
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Date de publication : 14 août 2023
