Transcript Multipath

MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJE
MULTIPATH FEDING
MULTIPATH EFEKAT
BS
Refleksija
Rasijanje
LOS
MJ
Difrakcija
Multipath efekat je pojava prostiranja signala po više putanja i
on je posljedica prisutnosti različitih objekata na kojima dolazi
do refleksije, difrakcije i/ili rasijanja prenošenog signala
MULTIPATH FEDING
Snaga primljenog signala [dB]
• Multipath feding (Small-scale feding) predstavlja brze
fluktuacije amplitude radio signala na mjestu prijema u
toku kratkog vremenskog intervala ili duž malog pređenog
rastojanja, pri čemu se efekti slabljenja i log-normalnog
fedinga mogu zanemariti
x=t
x=vt
MULTIPATH FEDING
• Multipath feding je posljedica interferencije između
dvije ili više replika prenošenog signala koje stižu na
mjesto prijema u bliskim, ali različitim,
vremenskim trenucima
• Višestruke replike signala nosioca poruke se
kombinuju u prijemniku dajući rezultujući prijemni
signal čija amplituda i faza variraju u vremenu i
prostoru
MULTIPATH FEDING
• Multipath prouzrokuje tri vrste efekata:
 Brze promjene anvelope primljenog signala tokom
kratkog vremenskog intervala i duž malog pređenog
rastojanja
 Vremensko širenje (disperzija) prenošenog signala
koje je posljedica različitog propagacionog vremena
multipath komponenti primljenog signala
 Slučajnu frekvencijsku modulaciju koja je posljedica
različitog Doppler-ovog pomjeraja multipath
komponenti primljenog signala
MULTIPATH FEDING
• Faktori koji uzrokuju multipath feding
 Prostiranje po više putanja (multipath propagacija)
 Kretanje mobilne jedinice
 Kretanje okolnih objekata (elemenata okruženja)
 Širina opsega prenošenog signala
DOPPLER-OV POMJERAJ
S
razlika dužina putanja
l  d cos   vt cos 
fazna razlika primljenih signala
2l 2vt
 

cos 


l


X
d
Y
pomjeraj frekvencije
(Doppler-ov pomjeraj)
1  v
fd 

  cos   f m cos 
2 t 
v
fm= v/λ – maksimalni Doppler-ov pomjeraj
Matematička interpretacija multipath efekta
• Sa stanovišta mobilnosti mobilne jedinice, odnosno
objekata u okruženju postoje tri situacije u kojima se
javlja multipath efekat:
 Kada su i mobilna jedinica i okolni objekti (elementi
okruženja) nepokretni
 Kada je mobilna jedinica nepokretna, a elementi
okruženja u pokretu
 Kada su i mobilna jednica i okolni objekti u pokretu
Matematička interpretacija multipath efekta
I slučaj
6
Bazna
stanica
1
1
6
2
5
2
5
4
3
3
4
Matematička interpretacija multipath efekta
I slučaj
neka se mobilnim radio kanalom prenosi deterministički signal
s0 t   a0 exp j2f 0t  0 
primljeni signal u RF opsegu predstavlja sumu od N multipath
komponenti
N
r t     i s0 t   i 
i 1
r t   xt exp j2f 0t  0 
ekvivalent primljenog signala u osnovnom opsegu
N
xt    ai exp j 2f 0 i 
i 1
ai  a0  i
Matematička interpretacija multipath efekta
II slučaj
u trenutku t1
Bazna
stanica
 1 t1 
u trenutku t 2
1
1
 2 t 2 
t1
Matematička interpretacija multipath efekta
II slučaj
Primljeni signal:
N
xt    ai t  exp j 2f 0 i t 
i 1
N
Rt    ai t  cos2f 0 i t ,
i 1
N
S t    ai t sin 2f 0 i t ,
xt   Rt   jS t  
 At  exp j t ,
i 1
At   R 2 t   S 2 t ,
 S t  
.
 t   arctan
 Rt  
anvelopa primljenog signala
faza primljenog signala
Matematička interpretacija multipath efekta
III slučaj
s o t 

v
mobilna jedinica se kreće konstantnom brzinom v
r t   a0 exp j 2f 0 t  0  2f d t  
 
v

 a0 exp j 2f 0 t  0  2 t cos ,


 
Matematička interpretacija multipath efekta
III slučaj
ekvivalent primljenog signala u osnovnom obliku
 
v

xt    ai t exp j 2f 0 i t   2 t cos i t   At exp j t 


i 1
 
N
At   R 2 t   S 2 t , anvelopa primljenog signala
 S t  
,
  arctan
faza primljenog signala
 Rt  
N
Rt    ai t  cos i t ,
i 1
N
S t    ai t sin  i t ,
i 1
 i t   2f 0 i t   2
v

t cos i t .
Disperzivne karakteristike mobilnog
radio kanala
• U cilju upoređivanja karakteristika različitih
multipath kanala i razvijanja opštih metoda
projektovanja mobilnih radio sistema definišu se
parametri koji kvantitativno opisuju mobilni
radio kanal
• Mobilni radio kanal se ponaša disperzivno i u
vremenskom i u frekvencijskom domenu
• Razlikujemo parametre koji opisuju vremensku i
frekvencijsku disperzivnost mobilnog radio
kanala
Vremenska disperzivnost mobilnog
radio kanala
• Vremenska disperzivnost mobilnog radio kanala je
posljedica njegove multipath prirode
• Svaki poslati impuls na prijemu se manifestuje kao
niz impulsa koji se mogu tretirati kao kontinualni
signal određenog trajanja
r t 
st 
t
t
delay spread
Parametri vremenske disperzivnosti
• Vremenski parametri
 srednje kašnjenje multipath komponenti ( )
 srednje kvadratna vrijednost (root mean square – rms) deay
spread-a ( )
 maksimalno kašnjenje ( max ( X (dB)) )
• Frekvencijski parametar
 koherentni opseg (BC)
• Većina tih parametara izvodi se iz snage primljenog signala u
funkciji kašnjenja multipath komponenti (multipath power
delay profile) ( P )
Parametri vremenske disperzivnosti
Normalizovana primljena snaga [dB]
rms delay spread-a    46.40 ns
0
 max 10 dB  84 ns
-10
Nivo praga šuma = -20 dB
-20
Srednje kašnjenje   45.05 ns
-30
-50
0
50
100
150
200
250
kašnjenje [ns]
300
350
400
450 500
Parametri vremenske disperzivnosti
• Srednje kašnjenje multipath komponenti definiše se kao
N

a 
i 1
N
2
i i
2
a
 i
i 1
N

 P 
i 1
N
i
i
 P 
i 1
i
ai – amplituda i-te multipath komponente
 i – relativno kašnjenje i-te multipath komponente u
odnosu na direktnu komponentu
P i  – normalizovana primljena snaga koju nosi i-ta
multipath kopmponenta
Parametri vremenske disperzivnosti
• Srednje kvadratna vrijednost delay spread-a definiše se kao

2
     ,
2
N
2 
a 
i 1
N
2 2
i i
2
a
 i
i 1
N

2


P


 i i
i 1
N
 P 
i 1
i
• Maksimalno kašnjenje (  max  X dB ) definiše se kao vrijeme
za koje energija multipath komponenti padne X dB ispod
maksimalne
Tipične vrijednosti rms delay spread-a
Okruženje
Frekvencija
[MHz]
rms delay spread-a (  )
Napomena
1300 ns srednja vrijednost
New Jork City
3500 ns maksimalna vrijednost
Urbano
910
Urbano
892
10-25 μs
Suburbano
910
200-310 ns
Suburbano
910
1960-2110 ns
Ekstreman slučaj
Indoor
1500
10-50 ns
25 ns medijana
Poslovna zgrada
Indoor
850
270 ns maksimalna vrijednost
Poslovna zgrada
Indoor
1900
70-94 ns srednja vrijednost
Tri zgrade, San Francisco
1470 ns maksimalna vrijednost
San Francisco, najgori slučaj
Tipičan slučaj
Parametri vremenske disperzivnosti
• Analognao delay spread-u u vremenskom domenu, za
opisivanje disperzivnosti mobilnog radio kanala u
frekvencijskom domenu koristi se koherentni opseg (BC)
• Koherentni opseg predstavlja opseg frekvencija u kome se
kanal može smatrati "ravnim" (sve spektralne komponente
signala podliježu približno istom slabljenju i linearnoj
promjeni faze)
1
BC 
50 
BC 
1
5 
faktor korelacije > 0.9
faktor korelacije > 0.5
Frekvencijska disperzivnost mobilnog
radio kanala
• Frekvencijska disperzivnost mobilnog radio kanala
uzrokovana je kretanjem mobilne jedinice u odnosu na baznu
stanicu ili kretanjem objekata na kojima dolazi do refleksije ili
rasijanja
R f 
S f 
BD
fc
f
fc  fd f c fc  fd
• Parametri frekvencijske disperzivnosti
 Doppler-ov spread (u frekvencijskom domenu)
 Koherentno vrijeme (u vremenskom domenu)
f
Parametri frekvencijske disperzivnosti
• Doppler-ov spread (BD) je mjera proširenja spektra
prenošenog signala na mjestu prijema
• Ako je prenošeni signal sinusoidalni ton na
frekvenciji fc, spektar primljenog signala će imati
komponente u opsegu od fc - fd do fc + fd , gdje je fd
Doppler-ov pomjeraj
• Veličina spektralnog proširenja zavisi od relativne
brzine kretanja mobilne jedinice i pravca prostiranja
multipath komponenti signala u odnosu na pravac
kretanja mobilne jedinice
Parametri frekvencijske disperzivnosti
• Koherentno vrijeme (TC) je vremenski ekvivalent Dopplerovom spread-u
• Koherentno vrijeme predstavlja vremenski interval tokom
koga se impulsni odziv kanala može smatrati nepromjenljivim
Ovo znači da su dva signala koja na mjesto prijema stižu sa
vremeskim razmakom većim od TC zahvaćena različitim
uticajem kanala
• Koherentno vrijeme pedstavlja najveći vremenski interval
tokom koga dva identična signala na mjestu prijema imaju
jako korelisane amplitude
9
9
0.423
TC 

ili TC 
16f m
16f m
fm
faktor korelacije > 0.5
fm – maksimalni Dopppler-ov
pomjeraj
Tipovi multipath fedinga
• Kakvom će uticaju kanala biti izložen prenošeni signal zavisi
od prirode samog signala koji se prenosi i od karakteristika
mobilnog radio kanala
• Zavisno od međusobnog odnosa parametara prenošenog
signala (širina spektra (BS), trajanje simbola (TS)) i parametara
mobilnog radio kanala (rms delay spread-a, koherentni opseg,
Doppler-ov spread, koherentno vrijeme) različiti signali
nosioci poruke će biti izloženi različitim tipovima fedinga
• Delay spread, koji karakteriše vremensku disperzivnost
kanala, uzrokuje frekvencijski selektivan feding
• Doppler-ov spread, koji karakteriše frekvencijsku
disperzivnost, uzrokuje vremenski selektivan feding
• Ova dva mehanizma su nezavisni jedan od drugog
Tipovi multipath fedinga
Multipath feding
(u odnosu na delay spread)
Ravni feding
1. BS  BC
Frekvencijski selektivni feding
2.    TS
2.    TS
1. BS  BC
Multipath feding
(u odnosu na Doppler-ov spread)
Brzi feding
1. Veliki Doppler-ov spread
2. TC  TS
3. Varijacije kanala brže nego
varijacije signala
Spori feding
1. Mali Doppler-ov spread
2. TC  TS
3. Varijacije kanala sporije
nego varijacije signala
Ravni feding
• Ako mobilni radio kanal ima konstantnu amplitudsku i
linearnu faznu karakteristiku u osegu koji je veći od širine
spektra prenošenog signala, tada je prenošeni signal izložen
ravnom fedingu
st 
st 
ht , 
ht , 
t
0
0
TS
S f 
r t 
t
0
TS  
f
fc
t
R f 
Hf 
f
fc
r t 
f
fc
Ravni feding
• Multipath struktura kanala je takva da spektralne
karakteristike prenošenog signala ostaju sačuvane na mjestu
prijema
• Snaga primljenog signala varira u vremenu zbog fluktuacija
pojačanja kanala (channel gain) koje su posljedica multipath
efekta
• Trajanje jednog simbola prenošenog signala je mnogo veće
od multipath delay spread-a
• Prenošeni signal je izložen ravnom fedingu ako je:
BS  BC
 TS   
Frekvencijski selektivni feding
• Ako mobilni radio kanal ima konstantnu amplitudsku i
linearnu faznu karakteristiku u opsegu koji je manji od širine
spektra prenošenog signala, tada kažemo da je prenošeni
signal izložen frekvencijski selektivnom fedingu
s t 
ht , 
s t 

0
TS
t
f
t
TS  
0
R f 
H f 
S f 
fc
r t 
ht , 
t
0
r t 
f
f
fc
fc
Frekvencijski selektivni feding
• Impulsni odziv kanala ima multipath delay spread koji je veći
od trajanja jednog simbola prenošenog signala, što uzrokuje
vremensku disperziju simbola koji se prenose (generiše ISI)
• Spektar prenošenog signala je širi od koherentnog opsega
kanala, što znači da na određene spektralne komponente
prenošenog signala kanal djeluje različito od ostalih
• Prenošeni signal je izložen frekvencijski selektivnom fedingu
ako je:
BS  BC
 TS   
Brzi feding
• Kod kanala sa brzim fedingom impulsni odziv kanala se mijenja
rapidno u toku trajanja jednog simbola prenošenog signala, tj.
koherentno vrijeme kanala je manje od trajanja jednog
simbola prenošenog signala
• Kod ovog vida fedinga dolazi do frekvencijske disperzije koja
izobličuje primljeni signal. Posmatrano u frekvencijskom
domenu, izobličenje primljenog signala raste sa povećanjem
Doppler-ovog spread-a u odnosu na širinu spektra prenošenog
signala
• Signal je izložen brzom fedingu ako je:
TS  TC  BS  BD
Spori feding
• Kod sporog fedinga impulsni odziv kanala se mijenja mnogo
sporije od prenošenog signala, tako da se kanal može smatrati
nepromjenljivim u toku trajanja nekoliko simbola prenošenog
signala
• U frekvencijskom domenu, Doppler-ov spread je mnogo
manji od širine spektra prenošenog signala
• Signal je zahvaćen sporim fedingom ako je:
TS  TC  BS  BD
Tipovi fedinga u funkciji parametara
prenošenog signala
TS
Ravni spori
feding

Ravni brzi
feding
Frekvencijski selektivni
spori feding
Frekvencijski selektivni
brzi feding
TS
TC
BS
Frekvencijski selektivni
brzi feding
Frekvencijski selektivni
spori feding
Ravni brzi
feding
Ravni spori
feding
BC
BD
BS
Shadowing (log-normalni feding)
• Pored multipath fedinga, koji je posljedica prostiranja signala
po više putanja, u mobilnim radiokomunikacijama javlja se i
shadowing ili log-normalni feding, koji je uzrokovan
konfiguracijom terena i okruženjem između bazne stanice
i mobilne jedinice
• Kada se multipath feding otkloni usrednjavanjem vrijednosti
anvelope na dužini od nekoliko desetina talasnih dužina,
promjene koje ostaju u nivou anvelope su rezultat lognormalnog fedinga
• Fluktuacije srednjeg nivoa anvelope primljenog signala,
koje su posljedica log-normalnog fedinga, slijede lognormalnu raspodjelu
Shadowing (log-normalni feding)
profil trase
BS
x
snaga
polja [dB]
lokalna srednja
vrijednost
pravac prostiranja
signala
putanja mobilne
jedinice
x
I primjer
profil trase
x
snaga
polja [dB]
BS
lokalna srednja
vrijednost
x
II primjer
putanja mobilne jedinice
pravac prostiranja signala
Statističke karakteristike anvelope
primljenog signala
• Obzirom da je praktično nemoguće odrediti ili izmjeriti
veličine at  i  t  za svaki multipath talas, to se one moraju
tretirati kao slučajne promjenljive u njihovim prirodnim
granicama
• Kako je funkcija dvije ili više slučajnih promjenljivih, takođe
slučajna promjenljiva, R(t) i S(t) se moraju posmatrati kao
vremenski zavisne slučajne promjenljive
• Slučajne promjenljive R(t) i S(t) slijede normalnu (Gauss-ovu)
raspodjelu (Centralna granična teorema) i imaju nultu
statističku srednju vrijednost
Rayleigh-ev feding
• Anvelopa primljenog signala u multipath okuženju ima oblik:
At   R 2 t   S 2 t ,
R(t) i S(t) – vremenski zavisne slučajne promjenljive sa Gaussovom raspodjelom i nultom statističkom srednjom vrijednošću
• Anvelopa primljenog signala slijedi Rayleigh-evu raspodjelu
čija je funkcija gustine vjerovatnoće (pdf) data sa:
a
 a2 
,
 exp 
2 
pa    2
 2 
 0,

a0
a0
σ2 – varijansa slučajne promjenljive R (ili S)
Rayleigh-ev feding
• Vjerovatnoća da anvelopa primljenog signala neće preći
specificiranu vrijednost X data je odgovarajućom
kumulativnom funkcijom raspodjele (CDF)
 X2 

F  A  Pa  X    pa da  1  exp 
2 
 2 
0
X
• Ako anvelopa signala slijedi Rayleigh-evu raspodjelu, tada
snaga tog signala slijedi eksponencijalnu raspodjelu, čija je pdf
data sa:
 1
p 


exp 
,
p0
2 
p p    2 2
 2 
 0 ,
p0
Funkcija gustine vjerovatnoće slučajne
promjenljive sa Rayleigh-evom raspodjelom
px 
1

1


2
e 1 / 2
e  / 2
0
 x
2
3
x
Rayleigh-eva raspodjela najčešće se koristi za modelovanje
anvelope primljenog signala u NLOS uslovima
Rayleigh-ev feding
• srednju vrijednost anvelope sa Rayleigh-evom raspodjelom

a mean

 EA   apa da  
2
0
 1.2533
• Varijansa anvelope sa Rayleigh-evom raspodjelom



  E A  E A   a pa da 
   2    0.4292 2
2
2

0
2
a
 
2
2
2
 2
2
• Medijana anvelope sa Rayleigh-evom raspodjelom
1

2
amedian
 pa da  a
0
median
 1.177
Rice-ov feding
• Multiptah struktura mobilnog radio kanala je često takva da na
mjesto prijema, pored više reflektovanih komponenti signala,
stiže i direktni talas između predajnika i prijemnika (LOS
okruženje)
• Direktni talas unosi deterministički elemenat u slučajnu
prirodu primljenog signala. Ova deterministička komponenta
doprinosi da jedna od slučajnih promjenljivih R(t) i S(t) ima
ne-nultu srednju vrijednost
• U takvim uslovima, anvelopa primljenog signala slijedi
Rice-ovu raspodjelu, a u kanalu je prisutan Rice-ov tip
fedinga
Rice-ov feding
• Funkcija gustine raspodjele anvelope sa Rice-ovom
raspodjelom ima oblik
 a
 a 2  A02   aA0 
  I 0  2 ,
 2 exp 
2
pa   
2

  
 0,

A0  0, a  0
a0
I0(.) – modifikovana Bessel-ova funkcija prve vrste i
nultog reda
σ2 – varijansa slučajne promjenljive R (ili S)
A0 – amplituda determinističke komponente
Rice-ov feding
• Rice-ova raspodjela se često definiše preko Rice-ovog parametra
 10K / 10 2
2a  10K / 10
2

pa  
exp

a

A
0
2

A02
A
0


A02
K
2 2
  2a  10K / 10 
  I 0 

A0

 

 A02 
odnosno K dB   10log 2 
 2 
• Kada A0→0 (K(dB)→ –∞) dominantna deterministička
komponenta (direktni talas) se smanjuje, pa Rice-ova raspodjela
postaje Rayleigh-eva, a kada A0→∞ (K(dB) >> 1) Rice-ova
raspodjela postaje Gauss-ova srednje vrijednosti A0
Funkcija gustine vjerovatnoće slučajne promjenljive
sa Rice-ovom raspodjelom
px 
K   dB
K  0 dB
K  6 dB
0

2
3
4
x
Nakagami-m raspodjela
• Nakagami raspodjela objedinjuje Rayleigh-evu i Rice-ovu
raspodjelu i predstavlja najopštiji model za opisivanje
statističkih karakteristika anvelope primljenog signala u
kanalima sa multipath fedingom
• Fukcija gustine vjerovatnoće slučajne promjenljive sa
Nakagami-m raspodjelom data je kao:
 2m m a 2 m1
 m a2 
,

exp 
m
pa    m
  
 0,

a0
a0
Γ(.) – gama funkcija
m
 
E 2 A2

E A2  

2
– Nakagami parametar
 
  E A2
Funkcija gustine vjerovatnoće anvelope sa
Nakagami-m raspodjelom
pa 
m  1.8 (Rician)
m  1 (Rayleigh)
m  0.75
m  0.5
anvelopa
a
Statistika log-normalnog fedinga
• Pokazuje se da za fiksne visine antena bazne stanice i mobilne
jedinice, kao i za fiksnu frekvenciju i rastojanje mobilne
jedinice od bazne stanice, srednji nivo anvelope signala na
mjestu prijema slijedi log-normalni zakon distribucije

 ln aˆ  aˆ
1
paˆ  
exp 
2
2 2

2

2 aˆ


2




aˆ – lokalni srednji nivo anvelope
aˆ – srednji nivo anvelope primljenog signala
σ – standardna devijacija
Suzuki raspodjela
• Suzuki raspodjela predstavlja jedinstvenu statističku
formulacija fedinga koja uključuje efekte i multipath i lognormalnog fedinga
• Fukcija gustine vjerovatnoće slučajne promjenljive sa Suzuki
raspodjelom data je u obliku

 a 
a
pa    2 exp  2 
ˆ
 2aˆ 
0 a
2

 ln aˆ  aˆ
1
exp
2
2

2 aˆ

 daˆ
2

• Suzuki raspodjela se ne može dobiti u zatvorenoj analitičkoj
formi, zbog čega, iako predstavlja najopštiju statističu
formulaciju fedinga, nema praktični značaj u istaživanjima
Pregled tipova i modela fedinga u mobilnim
radiokomunikacijama
Propagacioni efekti
long term/large-scale
feding
Slabljenje d  v
short term/small-scale
feding
Rayleigh
Rice
Nakagami-m
Lognormalni
Varijacije oko
srednjeg nivoa
Suzuki
Frekvencijska disperzivnost
(Doppler)
Spori feding
Brzi feding
Vremenska disperzivnost
(multipath)
Ravni feding
Frekvencijski
selektivni feding