Cette page décrit les principes de base et les différents types d'évanouissement dans les communications sans fil. Ces types d'évanouissement sont classés en évanouissement à grande échelle et évanouissement à petite échelle (étalement temporel dû aux trajets multiples et étalement Doppler).
L'évanouissement plat et l'évanouissement par sélection de fréquence font partie de l'évanouissement multitrajet, tandis que l'évanouissement rapide et l'évanouissement lent font partie de l'évanouissement par étalement Doppler. Ces types d'évanouissement sont implémentés selon les distributions ou modèles de Rayleigh, Rice, Nakagami et Weibull.
Introduction:
Comme nous le savons, un système de communication sans fil se compose d'un émetteur et d'un récepteur. Le trajet entre l'émetteur et le récepteur n'est pas continu et le signal transmis peut subir diverses atténuations, notamment l'affaiblissement de propagation et l'atténuation due aux trajets multiples. L'atténuation du signal dépend de plusieurs facteurs : le temps, la fréquence radio et la position de l'émetteur et du récepteur. Le canal entre l'émetteur et le récepteur peut être variable dans le temps ou fixe, selon que l'émetteur et le récepteur sont fixes ou en mouvement l'un par rapport à l'autre.
Qu'est-ce que le déclin ?
La variation temporelle de la puissance du signal reçu, due aux changements du milieu ou du trajet de transmission, est appelée évanouissement. L'évanouissement dépend de divers facteurs, comme mentionné précédemment. En environnement fixe, il dépend des conditions atmosphériques telles que la pluie ou la foudre. En environnement mobile, il dépend des obstacles présents sur le trajet et dont la position varie dans le temps. Ces obstacles engendrent des effets de transmission complexes sur le signal émis.
La figure 1 représente le graphique de l'amplitude en fonction de la distance pour les types d'évanouissement lent et rapide que nous aborderons plus tard.
Types de décoloration
Compte tenu des différentes altérations liées au canal et à la position de l'émetteur/récepteur, voici les types d'évanouissement dans un système de communication sans fil.
➤Atténuation à grande échelle : comprend les effets de perte de propagation et d’ombrage.
➤ Évanouissement à petite échelle : Il se divise en deux grandes catégories : l’étalement temporel dû aux trajets multiples et l’étalement Doppler. L’étalement temporel dû aux trajets multiples se subdivise en évanouissement plat et évanouissement sélectif en fréquence. L’étalement Doppler se divise en évanouissement rapide et évanouissement lent.
➤Modèles d'atténuation : Les types d'atténuation ci-dessus sont implémentés dans divers modèles ou distributions, notamment Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, etc.
Comme nous le savons, l'affaiblissement du signal est dû aux réflexions sur le sol et les bâtiments environnants, ainsi qu'à la diffusion du signal par les arbres, les personnes et les antennes-relais présents dans la zone. Il existe deux types d'affaiblissement : l'affaiblissement à grande échelle et l'affaiblissement à petite échelle.
1.) Décoloration à grande échelle
Un fort affaiblissement du signal se produit lorsqu'un obstacle se trouve entre l'émetteur et le récepteur. Ce type d'interférence entraîne une réduction significative de la puissance du signal, car l'onde électromagnétique est masquée ou bloquée par l'obstacle. Il est lié à d'importantes fluctuations du signal en fonction de la distance.
1.a) Affaiblissement de propagation
L'affaiblissement du trajet en espace libre peut être exprimé 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 d'émission et l'antenne de réception
c = vitesse de la lumière, soit 3 x 10⁻⁵ m/s8
L'équation implique que le signal transmis s'atténue avec la distance, car il se répartit sur une surface de plus en plus grande, de l'extrémité émettrice vers l'extrémité réceptrice.
1.b) Effet d'ombrage
Ce phénomène s'observe en communication sans fil. L'ombrage correspond à l'écart entre la puissance reçue du signal électromagnétique et sa valeur moyenne.
• Cela résulte d'obstacles sur le trajet 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'affaiblissement 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 surétalement du délai multitrajetIl existe deux types d'évanouissement à petite échelle : l'évanouissement plat et l'évanouissement sélectif en fréquence. Ces types d'évanouissement multi-trajets dépendent de l'environnement de propagation.
2.a) Décoloration plate
On dit qu'un canal sans fil présente un évanouissement plat s'il a un gain constant et une réponse en phase linéaire sur une bande passante supérieure à celle du signal transmis.
Dans ce type d'évanouissement, toutes les composantes fréquentielles du signal reçu fluctuent simultanément dans les mêmes proportions. On parle également d'évanouissement non sélectif.
• Bande passante du signal << Bande passante du canal
• Période du symbole >> Écart de délai
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
Elle affecte différentes composantes spectrales d'un signal radio avec des amplitudes différentes. D'où le nom d'évanouissement sélectif.
• Bande passante du signal > Bande passante du canal
• Période du symbole < Écart de délai
Basé surdiffusion DopplerIl existe deux types d'évanouissement : l'évanouissement rapide et l'évanouissement lent. Ces types d'évanouissement par effet 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 caractérise par des fluctuations rapides du signal sur de petites surfaces (c'est-à-dire une bande passante réduite). Lorsque les signaux arrivent de toutes les directions du plan, un évanouissement rapide est observé quelle que soit la direction de propagation.
L'évanouissement rapide se produit lorsque la réponse impulsionnelle du canal change très rapidement au cours de la durée du symbole.
• Forte dispersion Doppler
• Période du symbole > Temps de cohérence
• Variation du signal < Variation du canal
Ces paramètres entraînent une dispersion de fréquence ou une atténuation sélective dans le temps due à l'effet Doppler. Une atténuation rapide résulte des réflexions sur les objets environnants et du mouvement des objets par rapport à ces derniers.
En cas d'évanouissement rapide, le signal reçu est la somme de nombreux signaux réfléchis par différentes surfaces. Ce signal est la somme ou la différence de plusieurs signaux, qui peuvent être constructifs ou destructifs selon le déphasage relatif entre eux. Les relations de phase dépendent de la vitesse de propagation, de la fréquence d'émission et des longueurs relatives des trajets.
L'atténuation rapide déforme la forme de l'impulsion en bande de base. Cette distorsion est linéaire et créeISI(Interférence intersymboles). L'égalisation adaptative réduit l'ISI en supprimant la distorsion linéaire induite par le canal.
2.d) Déclin lent
La décoloration progressive est due à l'ombre portée par les bâtiments, les collines, les montagnes et autres objets situés au-dessus du chemin.
• Faible diffusion Doppler
• Période du symbole <
• Variation du signal >> Variation du canal
Mise en œuvre de modèles d'évanouissement ou de distributions d'évanouissement
Les implémentations de modèles ou de distributions d'évanouissement comprennent l'évanouissement de Rayleigh, l'évanouissement de Rice, l'évanouissement de Nakagami et l'évanouissement de Weibull. Ces distributions ou modèles de canal sont conçus pour intégrer l'évanouissement du signal de données en bande de base conformément aux exigences du profil d'évanouissement.
Rayleigh s'estompe
Dans le modèle de Rayleigh, seules les composantes hors visibilité directe (NLOS) entre l'émetteur et le récepteur sont simulées. On suppose qu'il n'existe aucun trajet direct entre l'émetteur et le récepteur.
• MATLAB fournit la fonction « rayleighchan » pour simuler le modèle de canal de Rayleigh.
• La puissance est distribuée de façon exponentielle.
• La phase est uniformément répartie et indépendante de l'amplitude. C'est le type d'évanouissement le plus fréquemment utilisé en communication sans fil.
Déclin de Rican
• Dans le modèle ricien, les composantes de visée directe (LOS) et de non-visibilité directe (NLOS) sont simulées entre l'émetteur et le récepteur.
• MATLAB propose la fonction « ricianchan » pour simuler le modèle de canal de Rican.
Nakagami s'estompe
Le modèle de canal à évanouissement de Nakagami est un modèle statistique utilisé pour décrire les canaux de communication sans fil où le signal reçu subit un évanouissement par trajets multiples. Il représente des environnements présentant un évanouissement modéré à sévère, tels que les zones urbaines ou périurbaines. L'équation suivante permet de simuler ce modèle.
• Dans ce cas, nous notons h = r*ejΦet l'angle Φ est uniformément distribué sur [-π, π]
• On suppose que les variables r et Φ sont 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 la figure d'atténuation (degrés de liberté liés au nombre de variables aléatoires gaussiennes ajoutées).
• Elle a été initialement développée de manière empirique sur la base de mesures.
• La puissance de réception instantanée suit une distribution gamma. • Avec k = 1, Rayleigh = Nakagami
atténuation de Weibull
Ce modèle statistique est un autre exemple de modèle utilisé pour décrire un canal de communication sans fil. Le canal à évanouissement de Weibull est couramment utilisé pour représenter des environnements présentant différents types d'évanouissement, qu'il soit faible ou important.
Où,
2σ2= E{r2}
• La distribution de Weibull représente une autre généralisation de la distribution de Rayleigh.
• Lorsque X et Y sont des variables aléatoires gaussiennes indépendantes et identiquement distribuées (i.i.d.) de moyenne nulle, l'enveloppe de R = (X2+ Y2)1/2est distribuée selon une loi de Rayleigh. • Cependant, l'enveloppe est définie R = (X2+ Y2)1/2, et la fonction de densité de probabilité correspondante (profil de distribution de puissance) suit une loi de Weibull.
• L'équation suivante peut être utilisée pour simuler le modèle d'évanouissement de Weibull.
Sur cette page, nous avons abordé différents aspects de l'évanouissement, tels que la définition d'un canal d'évanouissement, ses types, les modèles d'évanouissement, leurs applications, leurs fonctions, etc. Les informations présentées ici permettent de comparer et de comprendre les différences entre l'évanouissement à petite échelle et l'évanouissement à grande échelle, entre l'évanouissement plat et l'évanouissement sélectif en fréquence, entre l'évanouissement rapide et l'évanouissement lent, entre l'évanouissement de Rayleigh et l'évanouissement de Rician, et bien d'autres encore.
E-mail:info@rf-miso.com
Téléphone : 0086-028-82695327
Site web : www.rf-miso.com
Date de publication : 14 août 2023
