Esta página descreve os conceitos básicos e os tipos de desvanecimento em comunicações sem fio. Os tipos de desvanecimento são divididos em desvanecimento em grande escala e desvanecimento em pequena escala (dispersão de atraso multicaminho e dispersão Doppler).
O desvanecimento plano e o desvanecimento por seleção de frequência fazem parte do desvanecimento multicaminho, enquanto o desvanecimento rápido e o desvanecimento lento fazem parte do desvanecimento por dispersão Doppler. Esses tipos de desvanecimento são implementados de acordo com as distribuições ou modelos de Rayleigh, Rician, Nakagami e Weibull.
Introdução:
Como sabemos, um sistema de comunicação sem fio consiste em um transmissor e um receptor. O caminho do transmissor ao receptor não é linear e o sinal transmitido pode sofrer vários tipos de atenuação, incluindo perda de percurso, atenuação por múltiplos caminhos, etc. A atenuação do sinal ao longo do percurso depende de diversos fatores, como tempo, radiofrequência e o caminho ou posição do transmissor/receptor. O canal entre o transmissor e o receptor pode ser variável no tempo ou fixo, dependendo se o transmissor/receptor está fixo ou em movimento um em relação ao outro.
O que é o desvanecimento?
A variação temporal da potência do sinal recebido devido a mudanças no meio de transmissão ou nos percursos é conhecida como desvanecimento. O desvanecimento depende de diversos fatores, como mencionado anteriormente. Em um cenário fixo, o desvanecimento depende de condições atmosféricas como chuva, raios, etc. Em um cenário móvel, o desvanecimento depende de obstáculos no percurso que variam com o tempo. Esses obstáculos criam efeitos complexos na transmissão do sinal.
A figura 1 apresenta um gráfico de amplitude versus distância para os tipos de desvanecimento lento e rápido, que discutiremos mais adiante.
Tipos de desbotamento
Considerando as diversas imperfeições relacionadas ao canal e a posição do transmissor/receptor, seguem os tipos de desvanecimento em um sistema de comunicação sem fio.
➤Desvanecimento em Grande Escala: Inclui perda de percurso e efeitos de sombreamento.
➤Desvanecimento em pequena escala: Divide-se em duas categorias principais: dispersão de atraso multicaminho e dispersão Doppler. A dispersão de atraso multicaminho subdivide-se em desvanecimento plano e desvanecimento seletivo em frequência. A dispersão Doppler divide-se em desvanecimento rápido e desvanecimento lento.
➤Modelos de desvanecimento: Os tipos de desvanecimento acima são implementados em vários modelos ou distribuições, incluindo Rayleigh, Rician, Nakagami, Weibull etc.
Como sabemos, o desvanecimento de sinais ocorre devido a reflexões do solo e dos edifícios circundantes, bem como à dispersão de sinais provenientes de árvores, pessoas e torres presentes na área. Existem dois tipos de desvanecimento: o desvanecimento em grande escala e o desvanecimento em pequena escala.
1.) Desvanecimento em grande escala
O desvanecimento em grande escala ocorre quando um obstáculo se interpõe entre o transmissor e o receptor. Esse tipo de interferência causa uma redução significativa na intensidade do sinal, pois a onda eletromagnética é sombreada ou bloqueada pelo obstáculo. Isso está relacionado a grandes flutuações do sinal ao longo da distância.
1.a) Perda de percurso
A perda de percurso no espaço livre pode ser expressa da seguinte forma.
➤ Pt/Pr = {(4 * π * d)2/ λ2} = (4*π*f*d)2/c2
Onde,
Pt = Potência de transmissão
Pr = Receber energia
λ = comprimento de onda
d = distância entre a antena transmissora e a antena receptora
c = velocidade da luz, ou seja, 3 x 108
A equação implica que o sinal transmitido atenua-se com a distância, uma vez que o sinal se espalha por uma área cada vez maior, desde a extremidade transmissora até à extremidade receptora.
1.b) Efeito de sombreamento
• É observado em comunicações sem fio. O sombreamento é o desvio da potência recebida do sinal eletromagnético em relação ao valor médio.
• É resultado de obstáculos no caminho entre o transmissor e o receptor.
• Depende da posição geográfica, bem como da radiofrequência das ondas EM (eletromagnéticas).
2. Desvanecimento em pequena escala
O desvanecimento em pequena escala refere-se às rápidas flutuações da intensidade do sinal recebido em distâncias muito curtas e em curtos períodos de tempo.
Baseado empropagação de atraso multicaminhoExistem dois tipos de desvanecimento em pequena escala: o desvanecimento plano e o desvanecimento seletivo em frequência. Esses tipos de desvanecimento por múltiplos caminhos dependem do ambiente de propagação.
2.a) Desbotamento plano
Diz-se que um canal sem fio apresenta desvanecimento plano se possuir ganho constante e resposta de fase linear em uma largura de banda maior que a largura de banda do sinal transmitido.
Nesse tipo de desvanecimento, todos os componentes de frequência do sinal recebido flutuam simultaneamente nas mesmas proporções. Também é conhecido como desvanecimento não seletivo.
• Largura de banda do sinal << Largura de banda do canal
• Período simbólico >> Difusão de atraso
O efeito do desvanecimento plano é observado como uma diminuição na relação sinal-ruído (SNR). Esses canais de desvanecimento plano são conhecidos como canais de amplitude variável ou canais de banda estreita.
2.b) Desvanecimento seletivo em frequência
Afeta diferentes componentes espectrais de um sinal de rádio com diferentes amplitudes. Daí o nome de desvanecimento seletivo.
• Largura de banda do sinal > Largura de banda do canal
• Período simbólico < Difusão de atraso
Baseado empropagação do DopplerExistem dois tipos de desvanecimento: o desvanecimento rápido e o desvanecimento lento. Esses tipos de desvanecimento por dispersão Doppler dependem da velocidade do dispositivo móvel, ou seja, da velocidade do receptor em relação ao transmissor.
2.c) Desvanecimento rápido
O fenômeno do desvanecimento rápido é caracterizado por flutuações rápidas do sinal em pequenas áreas (ou seja, largura de banda). Quando os sinais chegam de todas as direções no plano, o desvanecimento rápido será observado em todas as direções do movimento.
O desvanecimento rápido ocorre quando a resposta ao impulso do canal muda muito rapidamente dentro da duração do símbolo.
• Alta dispersão Doppler
• Período simbólico > Tempo de coerência
• Variação do sinal < Variação do canal
Esses parâmetros resultam em dispersão de frequência ou desvanecimento seletivo no tempo devido ao espalhamento Doppler. O desvanecimento rápido é resultado de reflexões de objetos locais e do movimento dos objetos em relação a esses objetos.
Em condições de desvanecimento rápido, o sinal recebido é a soma de inúmeros sinais refletidos por diversas superfícies. Esse sinal é a soma ou a diferença de múltiplos sinais, que podem ser construtivos ou destrutivos, dependendo da defasagem relativa entre eles. As relações de fase dependem da velocidade de propagação, da frequência de transmissão e dos comprimentos relativos dos percursos.
O desvanecimento rápido distorce a forma do pulso de banda base. Essa distorção é linear e criaISI(Interferência Inter-Símbolo). A equalização adaptativa reduz a ISI removendo a distorção linear induzida pelo canal.
2.d) Desvanecimento lento
O desbotamento gradual é resultado do sombreamento causado por prédios, colinas, montanhas e outros objetos ao longo do caminho.
• Baixa dispersão Doppler
• Período simbólico <
• Variação do sinal >> Variação do canal
Implementação de modelos de desvanecimento ou distribuições de desvanecimento
As implementações de modelos ou distribuições de desvanecimento incluem o desvanecimento de Rayleigh, o desvanecimento de Rician, o desvanecimento de Nakagami e o desvanecimento de Weibull. Essas distribuições ou modelos de canal são projetados para incorporar o desvanecimento no sinal de dados em banda base, conforme os requisitos do perfil de desvanecimento.
Desvanecimento de Rayleigh
• No modelo de Rayleigh, apenas os componentes sem visada direta (NLOS) são simulados entre o transmissor e o receptor. Assume-se que não existe um caminho de visada direta (LOS) entre o transmissor e o receptor.
• O MATLAB fornece a função "rayleighchan" para simular o modelo de canal de Rayleigh.
• A potência é distribuída exponencialmente.
• A fase é distribuída uniformemente e independente da amplitude. É o tipo de desvanecimento mais utilizado em comunicações sem fio.
Desvanecimento riciano
• No modelo de Rician, tanto os componentes de linha de visada (LOS) quanto os de não linha de visada (NLOS) são simulados entre o transmissor e o receptor.
• O MATLAB fornece a função "ricianchan" para simular o modelo de canal de Rice.
Desvanecimento de Nakagami
O modelo de canal de desvanecimento de Nakagami é um modelo estatístico usado para descrever canais de comunicação sem fio nos quais o sinal recebido sofre desvanecimento por múltiplos caminhos. Ele representa ambientes com desvanecimento moderado a severo, como áreas urbanas ou suburbanas. A seguinte equação pode ser usada para simular o modelo de canal de desvanecimento de Nakagami.
• Neste caso, denotamos h = r*ejΦe o ângulo Φ está uniformemente distribuído em [-π, π]
• Assume-se que as variáveis r e Φ sejam mutuamente independentes.
• A função de densidade de probabilidade de Nakagami é expressa como acima.
• Na função de densidade de probabilidade de Nakagami, 2σ2= E{r2}, Γ(.) é a função Gama e k >= (1/2) é a figura de desvanecimento (graus de liberdade relacionados ao número de variáveis aleatórias Gaussianas adicionadas).
• Foi originalmente desenvolvido empiricamente com base em medições.
• A potência de recepção instantânea segue uma distribuição Gama. • Com k = 1, Rayleigh = Nakagami
Desvanecimento Weibull
Este canal é outro modelo estatístico usado para descrever canais de comunicação sem fio. O canal de desvanecimento de Weibull é comumente usado para representar ambientes com vários tipos de condições de desvanecimento, incluindo desvanecimento fraco e severo.
Onde,
2σ2= E{r2}
• A distribuição de Weibull representa outra generalização da distribuição de Rayleigh.
• Quando X e Y são variáveis gaussianas independentes e identicamente distribuídas com média zero, o envelope de R = (X2+ Y2)1/2é distribuída de Rayleigh. • No entanto, o envelope é definido como R = (X2+ Y2)1/2e a função de densidade de probabilidade (pdf) correspondente (perfil de distribuição de potência) segue uma distribuição de Weibull.
• A seguinte equação pode ser usada para simular o modelo de desvanecimento de Weibull.
Nesta página, abordamos diversos tópicos sobre desvanecimento, como o que é um canal de desvanecimento, seus tipos, modelos de desvanecimento, suas aplicações, funções e assim por diante. As informações fornecidas nesta página podem ser utilizadas para comparar e derivar diferenças entre desvanecimento em pequena escala e em grande escala, entre desvanecimento plano e desvanecimento seletivo em frequência, entre desvanecimento rápido e desvanecimento lento, entre desvanecimento Rayleigh e desvanecimento Rician, e assim por diante.
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Data da publicação: 14 de agosto de 2023
