無線通信におけるフェージングの基礎と種類

さまざまなチャネル関連の障害と送信機/受信機の位置を考慮すると、無線通信システムにおけるフェージングの種類は次のようになります。
➤大規模フェーディング: パス損失とシャドウイング効果が含まれます。
➤小規模フェージング：マルチパス遅延拡散とドップラー拡散の2つの主要なカテゴリに分けられます。マルチパス遅延拡散はさらにフラットフェージングと周波数選択性フェージングに分類されます。ドップラー拡散は高速フェージングと低速フェージングに分類されます。
➤フェージング モデル: 上記のフェージング タイプは、レイリー、ライス、ナカガミ、ワイブルなどのさまざまなモデルまたは分布で実装されています。

ご存知の通り、フェージング信号は、地面や周囲の建物からの反射、そして広範囲に存在する樹木、人、電波塔からの散乱によって発生します。フェージングには、大規模フェージングと小規模フェージングの2種類があります。

1.) 大規模フェージング

大規模フェージングは​​、送信機と受信機の間に障害物が入ったときに発生します。この干渉は、信号強度を大幅に低下させます。これは、電磁波が障害物によって遮蔽または遮断されるためです。これは、距離に応じて信号が大きく変動することに関連しています。

1.a) パス損失

自由空間経路損失は次のように表されます。
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)²/ λ²} = (4*π*f*d)²/c²
どこ、
Pt = 送信電力
Pr = 受信電力
λ = 波長
d = 送信アンテナと受信アンテナ間の距離
c = 光速、つまり 3 x 10⁸

この式から、送信信号は送信端から受信端に向かってどんどん広い領域に広がるため、距離が進むにつれて減衰することがわかります。

1.b) シャドウイング効果

• 無線通信において観測される現象で、シャドウイングとは、電磁信号の受信電力が平均値から変動することを指します。
• 送信機と受信機の間の経路上に障害物があるために発生します。
• 地理的な位置と電磁波の無線周波数によって異なります。

2. 小規模フェード

小規模フェーディングは、非常に短い距離と短い期間における受信信号強度の急激な変動に関係します。

に基づくマルチパス遅延拡散小規模フェージングには、フラットフェージングと周波数選択性フェージングの2種類があります。これらのマルチパスフェージングの種類は、伝搬環境によって異なります。

2.a) フラットフェード

無線チャネルは、送信信号の帯域幅よりも広い帯域幅にわたって一定のゲインと線形位相応答を持つ場合、フラット フェーディングであると言われます。

このタイプのフェージングでは、受信信号のすべての周波数成分が同時に同じ割合で変動します。これは非選択性フェージングとも呼ばれます。

• 信号帯域幅 << チャネル帯域幅
• シンボル周期 >> 遅延拡散

フラットフェージングの影響は、SNRの低下として現れます。このようなフラットフェージングチャネルは、振幅変動チャネルまたは狭帯域チャネルと呼ばれます。

2.b) 周波数選択フェージング

選択的フェージングは​​、異なる振幅を持つ無線信号の異なるスペクトル成分に影響を与えます。そのため、「選択的フェージング」と呼ばれます。

• 信号帯域幅 > チャンネル帯域幅
• シンボル周期 < 遅延拡散

に基づくドップラースプレッドフェージングには、高速フェージングと低速フェージングの2種類があります。これらのドップラー拡散フェージングの種類は、移動速度、つまり送信機に対する受信機の速度に依存します。

2.c) 速いフェード

高速フェージング現象は、狭い範囲（つまり帯域幅）における信号の急激な変動によって表されます。信号が平面上のあらゆる方向から到達する場合、あらゆる方向の移動において高速フェージングが観測されます。

高速フェージングは​​、チャネル インパルス応答がシンボル期間内に非常に急速に変化するときに発生します。

• 高いドップラー拡散
• シンボル周期 > コヒーレンス時間
• 信号変動 < チャネル変動

これらのパラメータは、ドップラー拡散による周波数分散または時間選択性フェージングを引き起こします。高速フェージングは​​、局所的な物体の反射と、それらの物体に対する物体の動きによって発生します。

高速フェージングでは、受信信号は様々な表面から反射された多数の信号の和となります。この信号は複数の信号の和または差であり、信号間の相対的な位相差に基づいて、強め合う場合も弱め合う場合もあります。位相関係は、移動速度、伝送周波数、および相対的な経路長に依存します。

高速フェージングは​​ベースバンドパルスの形状を歪ませます。この歪みは線形であり、ISI（シンボル間干渉）。適応イコライゼーションは、チャネルによって引き起こされる線形歪みを除去することでISIを低減します。

2.d) ゆっくりとしたフェード

ゆっくりとしたフェードアウトは、パス上にある建物、丘、山、その他の物体による影によって発生します。

• ドップラー拡散が低い
• シンボルピリオド <
• 信号の変化 >> チャネルの変化

フェージングモデルまたはフェージング分布の実装

フェージングモデルまたはフェージング分布の実装には、レイリーフェージング、ライスフェージング、仲上フェージング、ワイブルフェージングなどがあります。これらのチャネル分布またはモデルは、フェージングプロファイル要件に従って、ベースバンドデータ信号にフェージングを組み込むように設計されています。

レイリーフェージング

• レイリーモデルでは、送信機と受信機間の見通し外（NLOS）成分のみがシミュレートされます。送信機と受信機の間に見通し外パスは存在しないものと仮定されます。
• MATLAB は、レイリー チャネル モデルをシミュレートするための「rayleighchan」関数を提供します。
• 電力は指数分布します。
• 位相は均一に分布し、振幅とは独立しています。これは無線通信で最もよく使用されるフェージングの種類です。

ライスフェーディング

• ライスモデルでは、送信機と受信機の間で、見通し内（LOS）と非見通し内（NLOS）の両方のコンポーネントがシミュレートされます。
• MATLAB は、ライス チャネル モデルをシミュレートするための「ricianchan」関数を提供します。

中上が衰退

仲上フェージングチャネルは、受信信号がマルチパスフェージングを受ける無線通信チャネルを記述するために使用される統計モデルです。これは、都市部や郊外地域など、中程度から重度のフェージングが発生する環境を表します。仲上フェージングチャネルモデルをシミュレートするには、次の式を使用できます。