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無線通信におけるフェーディングとは、時間、地理的位置、無線周波数などの変数による信号減衰の変化のことです。フェーディングは、ランダム プロセスとしてモデル化されることがよくあります。無線システムでは、フェーディングは、マルチパス伝播(マルチパス誘導フェーディングと呼ばれる)、天候 (特に雨)、または電波伝播に影響を与える障害物による影 (シャドウ フェーディングと呼ばれることもあります)が原因で発生することがあります。
フェーディング チャネルは、フェーディングが発生する通信チャネルです。
重要な概念
送信機と受信機の周囲の環境に反射体が存在すると、送信信号が通過できる複数の経路が作成されます。その結果、受信機は、それぞれが異なる経路を通過する送信信号の複数のコピーの重ね合わせを確認します。各信号コピーは、ソースから受信機まで移動する間に、減衰、遅延、および位相シフトに違いが生じます。これにより、建設的干渉または破壊的干渉が発生し、受信機で確認される信号電力が増幅または減衰します。強い破壊的干渉は、ディープフェードと呼ばれることが多く、チャネルの信号対雑音比が大幅に低下するため、一時的に通信が失敗する可能性があります。
ディープフェードの一般的な例としては、信号で停止したときに FM 放送が雑音に変質するのを耳にするが、車両がほんの数メートル移動すると信号が再び受信されるという体験が挙げられます。放送が途切れるのは、信号が深刻な破壊的干渉を受けた地点で車両が停止したためです。携帯電話でも、同様の瞬間的なフェードが発生することがあります。
フェーディング チャネル モデルは、携帯電話ネットワークやブロードキャスト通信における無線による情報の電磁伝送の影響をモデル化するためによく使用されます。また、フェーディング チャネル モデルは、水中音響通信において、水によって引き起こされる歪みをモデル化するために使用されます。
種類
遅いフェードと速いフェード
低速フェーディングと高速フェーディングという用語は、チャネルによって信号に課される振幅と位相の変化の速度を指します。コヒーレンス時間は、チャネルの振幅の変化または位相の変化が以前の値から相関しなくなるのに必要な最小時間の測定値です。
- 低速フェーディングは、チャネルのコヒーレンス時間がアプリケーションの遅延要件に比べて大きい場合に発生します。[1]この状況では、チャネルによって課される振幅と位相の変化は、使用期間にわたってほぼ一定であると見なすことができます。低速フェーディングは、丘や大きな建物などの大きな障害物が送信機と受信機間の主な信号経路を遮るシャドウイングなどのイベントによって引き起こされる可能性があります。シャドウイングによって引き起こされる受信電力の変化は、多くの場合、対数距離パス損失モデルに従って標準偏差を持つ対数正規分布を使用してモデル化されます。
- 高速フェージングは、チャネルのコヒーレンス時間がアプリケーションの遅延要件に比べて短い場合に発生します。この場合、チャネルによって課される振幅と位相の変化は、使用期間にわたって大幅に変化します。
高速フェージング チャネルでは、送信機は時間ダイバーシティを使用してチャネル条件の変化を利用し、一時的なディープ フェードに対する通信の堅牢性を高めることができます。ディープ フェードにより、送信された情報の一部が一時的に消去されることがありますが、他の時間インスタンス (インターリーブ)中に正常に送信されたビットと組み合わせたエラー訂正コードを使用すると、消去されたビットを復元できます。低速フェージング チャネルでは、送信機は遅延制約内でチャネルの単一の実現しか認識しないため、時間ダイバーシティを使用することはできません。したがって、ディープ フェードは送信の全期間にわたって続き、コーディングを使用して軽減することはできません。
チャネルのコヒーレンス時間は、チャネルのドップラー拡散と呼ばれる量と関連しています。ユーザー (またはその環境内の反射体) が移動している場合、ユーザーの速度によって、各信号パスに沿って送信される信号の周波数にシフトが生じます。この現象はドップラーシフトと呼ばれます。異なるパスに沿って移動する信号は、位相の変化率に応じて異なるドップラーシフトを持つ場合があります。信号フェーディング チャネル タップに寄与する異なる信号成分間のドップラーシフトの差は、ドップラー拡散と呼ばれます。ドップラー拡散が大きいチャネルには、時間の経過とともに位相がそれぞれ独立して変化する信号成分があります。フェーディングは信号成分が建設的に追加するか破壊的に追加するかによって決まるため、このようなチャネルのコヒーレンス時間は非常に短くなります。
一般的に、コヒーレンス時間はドップラー拡散と反比例関係にあり、典型的には次のように表される。
ここで、はコヒーレンス時間、はドップラー拡散です。この式は単なる近似値であり、[2]正確にはコヒーレンス時間を参照してください。
ブロックフェード
ブロック フェージングとは、フェージング プロセスがいくつかのシンボル間隔にわたってほぼ一定である状態です。[3]チャネルは、時間領域と周波数領域の両方でブロック フェージングである場合、「二重ブロック フェージング」である可能性があります。[4]多くの無線通信チャネルは本質的に動的であり、一般的にブロック フェージングとしてモデル化されます。これらのチャネルでは、シンボルの各ブロックは統計的に独立した変換を経ます。通常、レイリー スペクトルのジェイク モデル[5]に基づくゆっくりと変化するチャネルは、OFDMシステムでのブロック フェージングに使用されます。
選択的フェード
選択的フェージングまたは周波数選択的フェージングは、無線信号自体の部分的なキャンセルによって発生する無線伝搬異常です。信号は2 つの異なる経路で受信機に到達し、少なくとも 1 つの経路は変化しています (長くなったり短くなったり)。これは通常、夕方または早朝に電離層のさまざまな層が移動、分離、結合するときに発生します。2 つの経路は両方とも空中波の場合もあれば、一方が地上波の場合もあります。
選択的フェーディングは、ゆっくりとした周期的な妨害として現れます。キャンセル効果、つまり「ヌル」は、特定の周波数で最も深くなり、受信されたオーディオ全体に渡って絶えず変化します。
信号の搬送周波数が変化すると、振幅の変化の大きさも変化します。コヒーレンス帯域幅は、 2 つの信号が相関のないフェージングを経験する周波数の分離を測定します。
- フラット フェージングでは、チャネルのコヒーレンス帯域幅は信号の帯域幅よりも大きくなります。したがって、信号のすべての周波数成分は同じ大きさのフェージングを経験します。
- 周波数選択性フェージングでは、チャネルのコヒーレンス帯域幅は信号の帯域幅よりも小さくなります。したがって、信号の異なる周波数成分は相関のないフェージングを経験します。
信号の異なる周波数成分は独立して影響を受けるため、信号のすべての部分が同時に深いフェードの影響を受ける可能性はほとんどありません。直交周波数分割多重(OFDM) や符号分割多重接続(CDMA) などの特定の変調方式は、周波数ダイバーシティを使用してフェーディングに対する堅牢性を提供するのに適しています。OFDM は、広帯域信号を多くの低速で変調された狭帯域サブキャリアに分割し、各サブキャリアは周波数選択性フェーディングではなくフラット フェーディングにさらされます。これは、エラー コーディング、単純なイコライゼーション、またはアダプティブ ビット ローディングによって対処できます。シンボル間の干渉は、巡回プレフィックスと呼ばれるシンボル間のガード インターバルを導入することで回避されます。CDMA は、レイク レシーバーを使用して各エコーを個別に処理します。
周波数選択フェージング チャネルも分散的であり、各シンボルに関連付けられた信号エネルギーが時間的に拡散します。これにより、時間的に隣接する送信シンボルが相互に干渉します。このようなチャネルでは、シンボル間干渉の影響を補正するためにイコライザーが使用されることがよくあります。
エコーはドップラーシフトの影響を受ける可能性があり、その結果、時間によって変化するチャネル モデルが生成されます。
この効果は、OFDM（サブキャリアインターリーブと前方誤り訂正機能付き）などのダイバーシティ方式を適用するか、1/4波長離れた別々のアンテナを備えた2つの受信機を使用するか、2つのアンテナを備えた特別に設計されたダイバーシティ受信機を使用することで打ち消すことができます。このような受信機は、2つのアンテナに到着する信号を継続的に比較し、より良い信号を提示します。
アップフェード
アップフェードはフェージングの特殊なケースで、無線信号が強くなる状況で建設的干渉を説明するために使用されます。 [6]一部のマルチパス条件では、異なるパスを通過する信号が同位相で受信機に到達し、メイン信号に加算されるため、信号の振幅がこのように増加します。したがって、受信機に到達する合計信号は、マルチパス条件がない場合の信号よりも強くなります。この効果は、 無線LANシステムでも顕著です。 [7]
モデル
減衰の分布に関するフェージング モデルの例は次のとおりです。
- 分散フェージングモデルでは、複数のエコーがあり、それぞれが異なる遅延、ゲイン、位相シフト (多くの場合は一定) にさらされます。これにより、周波数選択フェージングとシンボル間干渉が発生します。ゲインはレイリー分布またはライス分布になります。エコーはドップラー シフトにさらされる場合もあり、その結果、時間によって変化するチャネル モデルになります。
- 中上衰退
- 対数正規分布の影のフェード
- レイリーフェーディング
- ライスフェーディング
- 拡散電力（TWDP）による2波フェーディング
- ワイブルフェーディング
緩和
フェーディングは、ノイズのパワーを減らすことなく信号パワーの損失を引き起こす可能性があるため、通信システムのパフォーマンスを低下させる可能性があります。この信号損失は、信号帯域幅の一部またはすべてで発生する可能性があります。フェーディングは、時間の経過とともに変化するため、問題になることもあります。通信システムは、このような障害に適応するように設計されることがよくありますが、フェーディングは適応よりも速く変化する可能性があります。このような場合、チャネルでフェーディングが発生する可能性 (および信号対雑音比の低下に伴うビット エラー) が、リンクのパフォーマンスを制限する要因になります。
フェーディングの影響は、ダイバーシティを使用して、独立したフェーディングを経験する複数のチャネルを介して信号を送信し、受信機でそれらをコヒーレントに組み合わせることで対処できます。この複合チャネルでフェーディングを経験する確率は、すべてのコンポーネント チャネルで同時にフェーディングを経験する確率に比例しますが、これははるかに起こりにくいイベントです。
ダイバーシティは時間、周波数、空間のいずれでも実現できます。信号フェーディングを克服するために使用される一般的な技術には、次のものがあります。
ダイバーシティ以外にも、巡回プレフィックスの適用（ OFDMなど）やチャネル推定およびイコライゼーションなどの技術もフェージングに対処するために使用できます。
参照
- 減衰歪み
- バックホーフェード
- 多様性スキーム
- フェードマージン
- フェーディング分布
- 最適な送信周波数
- リンクバジェット
- 使用可能な最低高周波数
- 最大使用可能周波数
- マルチパス伝播
- 直交周波数分割多重
- 雨が消える
- レイリーフェーディング
- 熱による退色
- 拡散電力（TWDP）による2波フェーディング
- 超広帯域
- アップフェード
参考文献
- ^ Tse, David; Viswanath, Pramod (2006).無線通信の基礎(第4版). ケンブリッジ (英国): ケンブリッジ大学出版局. p. 31. ISBN 0521845270。
- ^ Ahlin, Lars; Zander, Jens; Slimane, Ben; Principles of Wireless Communications、Professional Publishing Svc.、2006 年、126-130 ページ。
- ^ Biglieri, Ezio; Caire, Giuseppe ; Taricco, Giorgio (1999)。「フェージング チャネルのコーディング: 調査」。Byrnes, Jim S. (編)。マルチメディア向け信号処理。IOS Press。p. 253。ISBN 978-90-5199-460-5。
- ^ Médard, Muriel ; Tse, David NC 「ブロックフェーディングチャネルでの拡散」(PDF)。第 34 回 Asilomar 信号、システム、およびコンピュータ会議の会議記録。第 34 回 Asilomar 信号、システム、およびコンピュータ会議、2000 年 10 月 29 日～11 月 1 日、カリフォルニア州パシフィックグローブ、米国。第 2 巻。pp. 1598～1602。doi : 10.1109 / ACSSC.2000.911259。ISBN 0-7803-6514-3. 2014年10月20日閲覧。
- ^ Sklar, Bernard (1997 年 7 月). 「モバイル デジタル通信システムにおけるレイリー フェーディング チャネル .I. 特性評価」. IEEE Communications Magazine . 35 (7): 90–100. doi :10.1109/35.601747.
- ^ Lehpamer, Harvey;マイクロ波伝送ネットワーク: 計画、設計、展開、McGraw-Hill、2010年、ISBN 0-07-170122-2、100ページ
- ^ Lewis, Barry D.; Davis, Peter T.; Wireless networks for dummies、For Dummies、2004年、ISBN 0-7645-7525-2、234ページ
文学
- TS Rappaport、「ワイヤレス通信：原理と実践」、第 2 版、Prentice Hall、2002 年。
- David Tse および Pramod Viswanath、「無線通信の基礎」、ケンブリッジ大学出版局、2005 年。
- M. Awad、KT Wong [1] [永久リンク切れ] & Z. Li、「屋内無線波チャネルの時間的特性に関する公開文献の経験的データの統合的概要」、 [2] IEEE Transactions on Antennas & Propagation、vol. 56、no. 5、pp. 1451–1468、2008年5月。
- P. Barsocchi、「地上無線通信のチャネル モデル: 調査」、CNR- ISTI技術レポート、2006 年 4 月。
外部リンク
- マルチパス効果によるフェージング