Esta página describe los conceptos básicos y los tipos de desvanecimiento en la comunicación inalámbrica. Los tipos de desvanecimiento se dividen en desvanecimiento a gran escala y desvanecimiento a pequeña escala (dispersión de retardo por trayectos múltiples y dispersión Doppler).
El desvanecimiento plano y el desvanecimiento por selección de frecuencia forman parte del desvanecimiento multitrayecto, mientras que el desvanecimiento rápido y el desvanecimiento lento forman parte del desvanecimiento por dispersión Doppler. Estos tipos de desvanecimiento se implementan según las distribuciones o modelos de Rayleigh, Rician, Nakagami y Weibull.
Introducción:
Como sabemos, un sistema de comunicación inalámbrica consta de un transmisor y un receptor. El trayecto entre el transmisor y el receptor no es uniforme y la señal transmitida puede sufrir diversas atenuaciones, como la pérdida de trayectoria y la atenuación por trayectos múltiples. La atenuación de la señal a lo largo del trayecto depende de varios factores, como el tiempo, la radiofrecuencia y la posición del transmisor y el receptor. El canal entre el transmisor y el receptor puede ser variable en el tiempo o fijo, dependiendo de si el transmisor y el receptor están fijos o se mueven uno con respecto al otro.
¿Qué es lo que se está desvaneciendo?
La variación temporal de la potencia de la señal recibida debido a cambios en el medio de transmisión o en la trayectoria se conoce como desvanecimiento. El desvanecimiento depende de varios factores, como se mencionó anteriormente. En un entorno fijo, depende de las condiciones atmosféricas, como la lluvia, los rayos, etc. En un entorno móvil, depende de los obstáculos en la trayectoria, que varían con el tiempo. Estos obstáculos generan efectos de transmisión complejos en la señal transmitida.
La figura 1 muestra un gráfico de amplitud en función de la distancia para los tipos de desvanecimiento lento y rápido, que analizaremos más adelante.
Tipos de desvanecimiento
Considerando varias deficiencias relacionadas con el canal y la posición del transmisor/receptor, los siguientes son los tipos de desvanecimiento en el sistema de comunicación inalámbrica.
➤Desvanecimiento a gran escala: Incluye pérdida de trayectoria y efectos de sombreado.
➤Desvanecimiento a pequeña escala: Se divide en dos categorías principales: dispersión de retardo por trayectos múltiples y dispersión Doppler. La dispersión de retardo por trayectos múltiples se divide a su vez en desvanecimiento plano y desvanecimiento selectivo en frecuencia. La dispersión Doppler se divide en desvanecimiento rápido y desvanecimiento lento.
➤Modelos de desvanecimiento: Los tipos de desvanecimiento mencionados anteriormente se implementan en varios modelos o distribuciones que incluyen Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull, etc.
Como sabemos, la atenuación de la señal se produce por reflejos del suelo y los edificios circundantes, así como por la dispersión de señales provenientes de árboles, personas y torres presentes en una amplia zona. Existen dos tipos de atenuación: la atenuación a gran escala y la atenuación a pequeña escala.
1.) Desvanecimiento a gran escala
El desvanecimiento a gran escala se produce cuando un obstáculo se interpone entre el transmisor y el receptor. Este tipo de interferencia provoca una reducción significativa de la intensidad de la señal, ya que la onda electromagnética queda atenuada o bloqueada por el obstáculo. Esto se relaciona con grandes fluctuaciones de la señal a lo largo de la distancia.
1.a) Pérdida de trayectoria
La pérdida de trayectoria en el espacio libre se puede expresar de la siguiente manera.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Dónde,
Pt = Potencia de transmisión
Pr = Recibir potencia
λ = longitud de onda
d = distancia entre la antena transmisora y la receptora
c = velocidad de la luz, es decir, 3 x 108
De la ecuación se deduce que la señal transmitida se atenúa con la distancia, ya que la señal se extiende sobre un área cada vez mayor desde el extremo transmisor hacia el extremo receptor.
1.b) Efecto de sombreado
• Se observa en la comunicación inalámbrica. El sombreado es la desviación de la potencia recibida de la señal electromagnética respecto al valor promedio.
• Es el resultado de obstáculos en la trayectoria entre el transmisor y el receptor.
• Depende de la posición geográfica, así como de la radiofrecuencia de las ondas electromagnéticas (EM).
2. Desvanecimiento a pequeña escala
El desvanecimiento a pequeña escala se refiere a las fluctuaciones rápidas de la intensidad de la señal recibida en distancias muy cortas y periodos de tiempo breves.
Residencia enpropagación del retardo por trayectos múltiplesExisten dos tipos de desvanecimiento a pequeña escala: el desvanecimiento plano y el desvanecimiento selectivo en frecuencia. Estos tipos de desvanecimiento multitrayecto dependen del entorno de propagación.
2.a) Desvanecimiento plano
Se dice que un canal inalámbrico presenta desvanecimiento plano si tiene una ganancia constante y una respuesta de fase lineal en un ancho de banda mayor que el ancho de banda de la señal transmitida.
En este tipo de desvanecimiento, todos los componentes de frecuencia de la señal recibida fluctúan simultáneamente en las mismas proporciones. También se conoce como desvanecimiento no selectivo.
• Ancho de banda de la señal << Ancho de banda del canal
• Periodo del símbolo >> Diferencial de retardo
El efecto del desvanecimiento plano se manifiesta como una disminución de la relación señal/ruido (SNR). Estos canales de desvanecimiento plano se conocen como canales de amplitud variable o canales de banda estrecha.
2.b) Desvanecimiento selectivo en frecuencia
Afecta a diferentes componentes espectrales de una señal de radio con diferentes amplitudes. De ahí el nombre de desvanecimiento selectivo.
• Ancho de banda de la señal > Ancho de banda del canal
• Periodo del símbolo < Diferencia de retardo
Residencia enpropagación DopplerExisten dos tipos de desvanecimiento: desvanecimiento rápido y desvanecimiento lento. Estos tipos de desvanecimiento por efecto Doppler dependen de la velocidad del móvil, es decir, de la velocidad del receptor con respecto al transmisor.
2.c) Desvanecimiento rápido
El fenómeno de desvanecimiento rápido se caracteriza por fluctuaciones rápidas de la señal en áreas pequeñas (es decir, ancho de banda). Cuando las señales llegan desde todas las direcciones en el plano, se observará desvanecimiento rápido en todas las direcciones de movimiento.
El desvanecimiento rápido se produce cuando la respuesta impulsional del canal cambia muy rápidamente dentro de la duración del símbolo.
• Alta dispersión Doppler
• Periodo del símbolo > Tiempo de coherencia
• Variación de la señal < Variación del canal
Estos parámetros dan lugar a dispersión de frecuencia o desvanecimiento selectivo en el tiempo debido al efecto Doppler. El desvanecimiento rápido es consecuencia de las reflexiones de los objetos cercanos y del movimiento de los objetos con respecto a estos.
En el desvanecimiento rápido, la señal recibida es la suma de numerosas señales reflejadas por diversas superficies. Esta señal es la suma o diferencia de múltiples señales, que pueden ser constructivas o destructivas según el desfase relativo entre ellas. Las relaciones de fase dependen de la velocidad del movimiento, la frecuencia de transmisión y las longitudes relativas de los trayectos.
El desvanecimiento rápido distorsiona la forma del pulso de banda base. Esta distorsión es lineal y creaISI(Interferencia entre símbolos). La ecualización adaptativa reduce la ISI eliminando la distorsión lineal inducida por el canal.
2.d) Desvanecimiento lento
El desvanecimiento gradual es el resultado de las sombras que proyectan los edificios, las colinas, las montañas y otros objetos que se encuentran en el camino.
• Baja dispersión Doppler
• Período del símbolo <
• Variación de la señal >> Variación del canal
Implementación de modelos de desvanecimiento o distribuciones de desvanecimiento
Las implementaciones de modelos o distribuciones de desvanecimiento incluyen el desvanecimiento de Rayleigh, el desvanecimiento de Rice, el desvanecimiento de Nakagami y el desvanecimiento de Weibull. Estas distribuciones o modelos de canal están diseñados para incorporar el desvanecimiento en la señal de datos de banda base según los requisitos del perfil de desvanecimiento.
Rayleigh se desvanece
• En el modelo de Rayleigh, solo se simulan los componentes sin línea de visión (NLOS) entre el transmisor y el receptor. Se supone que no existe una trayectoria LOS entre el transmisor y el receptor.
• MATLAB proporciona la función "rayleighchan" para simular el modelo de canal de Rayleigh.
• La potencia se distribuye exponencialmente.
• La fase se distribuye uniformemente y es independiente de la amplitud. Es el tipo de desvanecimiento más utilizado en las comunicaciones inalámbricas.
Desvanecimiento riciano
• En el modelo rician, se simulan tanto los componentes de línea de visión (LOS) como los de no línea de visión (NLOS) entre el transmisor y el receptor.
• MATLAB proporciona la función "ricianchan" para simular el modelo del canal de Rice.
Nakagami se desvanece
El canal de desvanecimiento de Nakagami es un modelo estadístico que describe canales de comunicación inalámbrica donde la señal recibida sufre desvanecimiento por trayectos múltiples. Representa entornos con desvanecimiento de moderado a severo, como áreas urbanas o suburbanas. La siguiente ecuación permite simular el modelo de canal de desvanecimiento de Nakagami.
• En este caso denotamos h = r*ejΦy el ángulo Φ se distribuye uniformemente en [-π, π]
• Se supone que las variables r y Φ son mutuamente independientes.
• El PDF de Nakagami se expresa como se indica arriba.
• En el pdf de Nakagami, 2σ2= E{r2}, Γ(.) es la función Gamma y k >= (1/2) es la figura de desvanecimiento (grados de libertad relacionados con el número de variables aleatorias gaussianas añadidas).
• Originalmente se desarrolló de forma empírica basándose en mediciones.
• La potencia de recepción instantánea tiene una distribución Gamma. • Con k = 1 Rayleigh = Nakagami
Weibull se desvanece
Este canal es otro modelo estadístico utilizado para describir canales de comunicación inalámbrica. El canal de desvanecimiento de Weibull se usa comúnmente para representar entornos con diversos tipos de condiciones de desvanecimiento, incluyendo desvanecimiento débil y severo.
Dónde,
2σ2= E{r2}
• La distribución de Weibull representa otra generalización de la distribución de Rayleigh.
• Cuando X e Y son variables gaussianas independientes e idénticamente distribuidas con media cero, la envolvente de R = (X2+ Y2)1/2se distribuye según Rayleigh. • Sin embargo, la envolvente se define R = (X2+ Y2)1/2y la función de densidad de probabilidad (pdf) correspondiente (perfil de distribución de potencia) sigue una distribución de Weibull.
• La siguiente ecuación se puede utilizar para simular el modelo de desvanecimiento de Weibull.
En esta página hemos analizado diversos temas relacionados con el desvanecimiento, como qué es un canal de desvanecimiento, sus tipos, modelos de desvanecimiento, sus aplicaciones, funciones, etc. La información proporcionada aquí permite comparar y determinar las diferencias entre el desvanecimiento a pequeña y gran escala, entre el desvanecimiento plano y el desvanecimiento selectivo en frecuencia, entre el desvanecimiento rápido y el lento, entre el desvanecimiento de Rayleigh y el de Rice, entre otros.
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Fecha de publicación: 14 de agosto de 2023
