Βασικές αρχές ασύρματης επικοινωνίας David Tse University of California, Berkeley Pramod Viswanath University of Illinois, Urbana-Champaign

2. Το ασύρματο κανάλι

Ασύρματο κανάλι με πολλές διαδρομές Το κανάλι έχει δύο είδη χωρικών διακυμάνσεων: διαλείψεις μεγάλης κλίμακας διαλείψεις μικρής κλίμακας

Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Στον ελεύθερο χώρο, η εξασθένηση της λαμβανόμενης ισχύος είναι ανάλογη του 1/r2 (αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης). Αν γίνονται ανακλάσεις ή υπάρχουν εμπόδια, η εξασθένηση μπορεί να είναι ακόμα πιο απότομη όσο αυξάνεται η απόσταση. Η λεπτομερής μοντελοποίηση είναι πολύ σύνθετη. Οι χρονικές σταθερές που σχετίζονται με τις διακυμάνσεις του καναλιού, κατά τη μετατόπιση του κινητού, είναι πολύ μεγάλες, της τάξης πολλών δευτερολέπτων ή και λεπτών. Μεγαλύτερη σημασία στην επιλογή της τοποθεσίας των κυψελών, μικρότερη σημασία στο σχεδιασμό συστημάτων επικοινωνίας.

Πολυδιαδρομικές διαλείψεις μικρής κλίμακας Η ασύρματη επικοινωνία συνήθως υλοποιείται σε πολύ υψηλές συχνότητες των φορέων (για παράδειγμα, fc = 900 MHz ή 1,9 GHz για τα κινητά τηλέφωνα) Οι πολυδιαδρομικές διαλείψεις οφείλονται στην ενισχυτική και καταστροφική παρεμβολή των μεταδιδόμενων κυμάτων. Όταν το κινητό μετακινείται σε απόσταση της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος κύματος του φορέα, το κανάλι μεταβάλλεται. Για κινητά τηλέφωνα που λειτουργούν στη συχνότητα των 900 Mhz, αυτή η απόσταση είναι περίπου 0,3 m. Αν αναφερόμαστε σε ταχύτητες κίνησης οχημάτων, αυτό συνεπάγεται ότι ο ρυθμός διακύμανσης του καναλιού είναι της τάξης των 100 Hz. Είναι ο κινητήριος μοχλός του σχεδιασμού συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας.

Πλάνο δράσης Θέλουμε να κατανοήσουμε πώς οι φυσικές παράμετροι η συχνότητα του φορέα η ταχύτητα του κινητού το εύρος ζώνης η εξάπλωση καθυστέρησης η γωνιακή εξάπλωση επηρεάζουν τη συμπεριφορά του ασύρματου καναλιού από την προοπτική των συστημάτων επικοινωνίας. Θα ξεκινήσουμε από τα αιτιοκρατικά φυσικά μοντέλα και θα προχωρήσουμε στα στατιστικά μοντέλα, τα οποία είναι πιο χρήσιμα στην αξιολόγηση του σχεδιασμού και της απόδοσης.

Φυσικά μοντέλα Τα ασύρματα κανάλια μοντελοποιούνται ως γραμμικά χρονικά μεταβαλλόμενα συστήματα: όπου ai(t) και i(t) είναι η απολαβή της κεραίας και η καθυστέρηση της διαδρομής i. Η κρουστική απόκριση για το χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι είναι: Πρώτα θα εξετάσουμε την ειδική περίπτωση στην οποία το κανάλι είναι χρονικά αμετάβλητο:

Μετατροπή από ζωνοπερατή περιοχή στη ζώνη βάσης Η επικοινωνία γίνεται στο εύρος Η επεξεργασία γίνεται στη ζώνη βάσης

Ισοδύναμο μιγαδικό κανάλι ζώνης βάσης Η συχνοτική απόκριση του συστήματος μετατοπίζεται από τη ζωνοπερατή περιοχή στη ζώνη βάσης. Με κάθε διαδρομή σχετίζεται μια τιμή καθυστέρησης και μια μιγαδική τιμή απολαβής κεραίας.

Διαμόρφωση και δειγματοληψία

Ανάλυση διαδρομών Μοντέλο ισοδύναμου καναλιού ζώνης βάσης με δειγματοληψία: όπου hl είναι η i-οστή μιγαδική θυρίδα καναλιού και γίνεται άθροιση σε όλες τις διαδρομές που ανήκουν στο τμήμα (bin) της καθυστέρησης Το σύστημα αναλύει τις διαδρομές για καθυστερήσεις που φτάνουν και ως το 1/W.

Ερμηνεία της δειγματοληψίας hl είναι το i-οστό δείγμα της χαμηλοπερατής εκδοχής της απόκρισης hb(¢) του καναλιού. Η συνεισφορά της i-οστής διαδρομής είναι η προβολή του aib (-i) στο sinc(W-l).

Κανάλια επίπεδων (ως προς τη συχνότητα) διαλείψεων και συχνοεπιλεκτικά κανάλια Όταν η παρεμβολή των πολλών διαδρομών που συνεισφέρουν σε μια θυρίδα καναλιού είναι καταστροφική, τότε προκαλούνται διαλείψεις. Εξάπλωση καθυστέρησης Σύμφωνο εύρος ζώνης μία θυρίδα, επίπεδες (ως προς τη συχνότητα) διαλείψεις πολλές θυρίδες, συχνοεπιλεκτικό κανάλι

Η απόδοση του καναλιού εξαρτάται τόσο από το φυσικό περιβάλλον όσο και από το εύρος ζώνης!

Σύνοψη Κατανοήσαμε τον τρόπο με τον οποίο η χρονική και συχνοτική επιλεκτικότητα των ασύρματων καναλιών εξαρτάται από κομβικές φυσικές παραμέτρους. Διατυπώσαμε στατιστικά μοντέλα καναλιών τα οποία είναι χρήσιμα στην ανάλυση και το σχεδιασμό.