フェーディングの基礎と無線通信におけるフェーディングの種類

様々なチャネル関連の障害や送信機／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以下のとおりです。
➤大規模なフェージング：パスロス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：これは、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けられます。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けられます。
➤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、ライシアン、ナカガミ、ワイブルなど、さまざまなモデルまたは分布で実装されています。

ご存知のとおり、フェージング信号は、地面や周囲の建物からの反射、および広範囲に存在する樹木、人、塔からの散乱信号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. 大規模なフェージング

大規模フェージングは​​、送信機と受信機の間に障害物が存在する場合に発生します。このタイプの干渉は、信号強度の著しい低下を引き起こします。これは、電磁波が障害物によって遮られたり、遮断されたりするためです。また、距離に応じて信号が大きく変動することにも関連しています。

1.a) パス損失

自由空間伝搬損失は次のように表すことができます。
➤ 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より広い範囲に拡散されるため、距離とともに減衰することが示唆される。

1.b) 影の効果

・無線通信において観測される現象です。シャドウイングとは、受信される電磁信号の電力が平均値からずれる現象です。
・これは、送信機と受信機の間の経路上の障害物によって生じる結果です。
・それは地理的な位置と電磁波の周波数に依存します。

2. 小規模な退色

小規模フェージングとは、非常に短い距離と短い時間間隔で受信信号強度が急速に変動する現象を指します。

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利得と線形位相応答を持つ場合、フラットフェージ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
・シンボル期間 >> 遅延スプレッド

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して知られています。

2.b) 周波数選択性フェージング

これは、無線信号の異なるスペクトル成分に異なる振幅で影響を与える。そのため、選択的フェージングと呼ばれる。

• 信号帯域幅 > チャネル帯域幅
・シンボル期間＜遅延スプレッド

に基づくドップラー拡散フェージングには、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、移動体の速度、つまり送信機に対する受信機の速度に依存します。

2.c) 急速なフェードアウト

高速フェージング現象は、狭い領域（すなわち帯域幅）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、高速フェージングは​​あらゆる方向の移動において観測されます。

高速フェージングは​​、チャネルの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。

・ドップラー拡散が大きい
・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相対的な動きによって生じます。

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総和となります。この信号は複数の信号の和または差であり、それらの信号間の相対的な位相差に基づいて、信号が強め合ったり弱め合ったりします。位相関係は、移動速度、送信周波数、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る。この歪みは線形であり、ISI（符号間干渉）。適応等化は、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アウト

ゆっくりとした退色は、建物、丘、山、その他の物体が歩道に影を落とすことによって生じる現象です。

・低ドップラー拡散
• 記号期間 <
・信号変動 >> チャネル変動

フェーディングモデルまたはフェーディング分布の実装

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、ライシアンフェージング、ナカガミフェージング、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の要件に従って、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。

レイリーの減衰

・レイリーモデルでは、送信機と受信機の間で非見通し線（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は見通し線（LOS）経路は存在しないものと想定されています。
• MATLABには、レイリーチャネルモデルをシミュレートするための「rayleighchan」関数が用意されています。
・電力は指数関数的に分布する。
・位相は均一に分布しており、振幅とは無関係です。これは無線通信において最もよく用いられるフェージングの種類です。

ライシアン退色

・ライシアンモデルでは、送信機と受信機の間で、見通し線（LOS）成分と非見通し線（NLOS）成分の両方がシミュレートされます。
• MATLABには、ライシアンチャネルモデルをシミュレートするための「ricianchan」関数が用意されています。

中上フェード

ナカガミ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。都市部や郊外など、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。ナカガミ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。