Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.10: Багатошляховий та затримка розповсюдження

  • Page ID
    30654
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Багатопроменевий раніше обговорювався в розділах 4.6.1 та 4.6.3 в контексті зменшення амплітуди сигналу через руйнівні перешкоди сигналу, що рухається по декількох шляхах. Інший ефект багатопроменевого полягає в тому, що екземпляри сигналу, що рухається від передавача до приймача різними шляхами, надходять до приймача з різними затримками. Ці затримки можуть відрізнятися на десятки або тисячі наносекунд, що набагато довше, ніж період мікрохвильового сигналу, наприклад,\(1\text{ GHz}\) сигнал має період\(1\text{ ns}\).

    4.7.1 Поширення затримки

    Кожен з шляхів підтримує те, що називається екземпляром сигналу. Для однотонального сигналу ефект різних затримок полягає в тому, щоб екземпляри сигналу надходили до приймача з дуже різними фазами. Крім того, екземпляри сигналу незмінно мають різні амплітуди, що призводить до композитного прийнятого сигналу, який є непередбачуваною комбінацією конструктивних та руйнівних перешкод. Іноді конструктивні перешкоди призводять до більш сильного композитного прийнятого сигналу, але це не так важливо. Що набагато важливіше - це руйнівні перешкоди, які призведуть до згасання сигналу, а отриманий сигнал часом дуже малий. Розглянемо два екземпляри сигналу\(y_{1}(t)\) і\(y_{2}(t)\), подорожуючи від передавача до приймача по шляхах\(1\) і\(2\) відповідно. Якщо\(y_{1}(t)\) і\(y_{2}(t)\) мають однакову амплітуду і фазу, то комбінований сигнал буде\(6\text{ dB}\) збільшений лише на сигнал, який рухається лише одним шляхом. Однак якщо\(y_{1}(t)\) і\(y_{2}(t)\) мають однакову амплітуду, але фази, які відрізняються на\(180^{\circ}\) той час, буде повне скасування і не буде отримано композитний сигнал. Так що руйнівні втручання набагато більш значущі, ніж конструктивне втручання.

    Для стільникового радіо в сільській місцевості можуть бути два або три значні шляхи, зазвичай приймаються як шляхи, що мають екземпляри сигналу, які знаходяться в межах\(20\text{ dB}\) найбільшого екземпляра сигналу. У міському середовищі можуть бути десятки значних шляхів, оскільки є багато відображень від будівель, і часто немає шляху LOS, який інакше мав би найбільший екземпляр сигналу. При декількох шляхах малоймовірно, що буде повне скасування прийнятого сигналу, але дуже ймовірно, що прийнятий сигнал буде меншим, ніж якби був один шлях.

    Раннє стільникове радіо мало вузьку пропускну здатність, наприклад,\(200\text{ kHz}\) для стільникової системи 2G GSM, і модуляцію низького порядку, наприклад,\(2\) біти на символ, і було достатньо використовувати фазові концепції конструктивних та руйнівних перешкод, щоб зрозуміти наслідки багатопроменевої передачі. Зі збільшенням пропускної здатності каналів і збільшенням порядку модуляції необхідно було враховувати фактичний фізичний ефект шляхів, що мають різні затримки.

    Якщо є шлях LOS, скажімо, без будівлі на шляху, то екземпляр сигналу LOS буде сильнішим, ніж екземпляр сигналу, який рухається будь-яким іншим шляхом. Він також матиме найменшу затримку. Частково це пояснюється тим, що кожен шлях, що не є LOS (NLOS), буде подорожувати далі і, отже, поширюватися більше, а також тому, що при відображеннях буде втрата сигналу. Якщо на шляху є розсіювання або дифракція, амплітуда цього екземпляра сигналу на цьому шляху буде ще меншою. Навіть якщо є шлях LOS, якщо є кілька шляхів NLOS, то комбіновані екземпляри сигналу NLOS дійсно можуть бути більшими, ніж екземпляр сигналу LOS. Якщо шляху LOS немає, то одним із шляхів NLOS стане

    Частота\((\text{GHz})\) Відстань Tx-Rx\((\text{km})\) Навколишнє середовище макс. надлишкова затримка\(\tau_{d,\text{ max}}\text{ (ns)}\) серединна затримка надлишку\(\tau_{d,\text{ med}}\text{ (ns)}\)
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.43\) \ (\ текст {км})\) ">\(3.8^{†}\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1300\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(900\) [18]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(2.2\) сільський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(800\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(–\) [19]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(5\) сільський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1900\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(–\) [20]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(2\) приміські \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(3700\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(300\) [21]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(2.2\) приміські \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(900\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(300\) [19]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(0.6\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(700\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(200\) [22]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(3.5\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(5000\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(1100\) [23]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(7.0\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(15000\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(1900\) [24]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(1.0\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(2000\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(700\) [21]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(13\) гора\(^{$}\) \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(3800\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(–\) [25]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(0.90\) \ (\ текст {км})\) ">\(6.0\) гора\(^{$}\) \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1800\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(–\) [26]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(1.35\) \ (\ текст {км})\) ">\(3.8^{†}\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1400\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(850\) [18]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(2.26\) \ (\ текст {км})\) ">\(3.8^{†}\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1400\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(800\) [18]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(5.75\) \ (\ текст {км})\) ">\(3.8^{†}\) міський \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1000\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(300\) [18]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(28\) \ (\ текст {км})\) ">\(0.052\) міський ЛОС \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(754\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(<200\) [27]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(28\) \ (\ текст {км})\) ">\(0.097\) міський НЛОС \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(1388\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(200\) [27]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(38\) \ (\ текст {км})\) ">\(0.2^{†}\) міський ЛОС \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(12\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(1.5\) [28]
    \ (\ текст {ГГц})\) ">\(38\) \ (\ текст {км})\) ">\(0.2^{†}\) міський НЛОС \ (\ tau_ {d,\ text {max}}\ текст {(ns)}\) ">\(133\) \ (\ tau_ {d,\ текст {мед}}\ текст {(ns)}\) ">\(14\) [28]

    Таблиця\(\PageIndex{1}\): Виміряні надлишкові затримки для різних несучих частот, відстаней Tx-Rx та багатопроменевих середовищ. Дані були нормовані там, де це необхідно\(\tau_{d,\text{ max}}\), так що, є максимальною надмірною затримкою, яка перевищується тільки\(1\%\) часу. \(†d\)діапазон від\(0.04\text{ km}\) до\(3.8\text{ km}\) і\(\tau_{d,\text{ max}}\) тут максимальна затримка перевищена тільки\(10\%\) часу. \(‡\)керовані антени з високим коефіцієнтом посилення. \($\)міська територія в оточенні гір

    найбільший екземпляр прийнятого сигналу і він може не мати найкоротшу затримку. Як правило, слід враховувати лише екземпляри сигналу, які знаходяться в межах\(20\text{ dB}\) найбільшого екземпляра сигналу, а потім затримка, також називається «delay (\(20\text{ dB}\))», що має значення надмірна затримка\(\tau_{d}\), яка є різницею між найранішими та останніми екземплярами сигналу, що надходить у межах цього \(20\text{ dB}\)вікно. Важливо, щоб зв'язок підтримувався певний відсоток часу, наприклад\(99\%\), для певного рівня обслуговування. Це мінімізує кількість разів, коли пакети повинні бути повторно передані і забезпечує прийнятну роботу системи. Таким чином, максимальна затримка перевищення,\(\tau_{d,\text{ max}}\) стає важливою метрикою і визначає інтервал, для якого прийнятий сигнал недійсний, необхідну охоронну смугу для запобігання сигналів з більш раннього інтервалу символу, що перекривається з поточним інтервалом символу, а також максимальну корисну пропускну здатність сигналу.

    Встановлено, що розкид затримки збільшується з відстанню між передавачем та приймачем, відстань TX-Rx, збільшується з частотою та збільшується при багатшому багатопроменевому середовищі. Наприклад, у сільській місцевості мало шляхів, але використовуються великі розміри клітин, а відстань Tx-Rx відносно велика, що призводить до великої затримки надлишку, але щільна міська територія має невеликі осередки, але багате багатопроменеве середовище з багатьма відображеннями від будівель. Виміряні надлишкові затримки для різних ситуацій наведені в табл\(\PageIndex{1}\). Існує багато змін у надлишкових затримках, але це явно зменшується з меншими клітинами та менш багатим багатопроменевим середовищем.

    Також встановлено, що як мобільний пристрій рухається надмірна затримка і кількість значних шляхів змінюється десятки або сотні разів на секунду залежно від навколишнього середовища, а також мобільності, наприклад, пішоходів проти швидкості шосе. Однак протягом мілісекунди розповсюдження виявляється ефективно фіксованим, і, отже, системи розробляються з даними, що надсилаються пакетами, які зазвичай не перевищують мілісекунди.

    Розглядаючи таблицю\(\PageIndex{1}\) далі, помічено, що стільникові діапазони 2G та 3G нижче,\(2\text{ GHz}\) а розкиди затримки можуть бути кілька мілісекунд і навіть більшими при більших відстанях Tx-Rx у міській місцевості. На більш високих мікрохвильових частотах до\(6\text{ GHz}\) покриття робочого діапазону частот 4G, розкид затримки менший.

    \(38\text{ GHz}\)Діапазони\(28\text{ GHz}\) та - це те, де 5G працює з короткими відстанями Tx-Rx. Тут кількість шляхів вище\(20\text{ dB}\) приблизно\(4\)\(8\) для поділу Tx-Rx\(35\) до\(193\text{ m}\) [27, 28].

    Спреди відносно низькі, і це значною мірою є результатом використання керованих антен з високим коефіцієнтом посилення, які мають важливе значення для роботи 5G. Антени з високим коефіцієнтом посилення зменшують поширення довжин багатопроменевого шляху, а отже, зменшують надлишковий розподіл затримки, концентруючи відбиті шляхи близько до антен передачі та прийому.

    Попередні обговорення багатопроменевих ефектів та радіочастотного зв'язку розглядають одночастотний тон, що поширюється від передавальної антени та приймаючої антени. Коли однотональний сигнал рухається кількома шляхами, виникнуть руйнівні та/або конструктивні перешкоди.

    4.7.2 Міжсимвольні перешкоди

    Міжсимвольна інтерференція (ISI) виникає, коли символ, що рухається по одному шляху, заважає символу, що рухається іншим шляхом. Це результат того, що шляхи мають різні затримки. Вплив надлишкової затримки на прийнятий композитний сигнал вказано на рис\(\PageIndex{1}\). Розглянемо ситуацію, коли існує чотири шляхи з надмірною затримкою шляху\(1\) буття\(0\) за визначенням\(2\)\(\tau_{d, 2} = 100\text{ ns}\), т\(\tau_{d, 4} = 300\text{ ns}\). Е\(\tau_{d, 1} = 0\).\(\tau_{d, 3} = 200\text{ ns}\) Стільникові системи 2G—5G передають ряд символів, тут\(\mathsf{A, B, C, D,}\) і\(\mathsf{E}\), які мають тривалість символу, яка відрізняється стандартом. На малюнку розглядаються\(\PageIndex{1}\) чотири шляхи, і чотири екземпляри сигналу кожен рухається іншим шляхом і об'єднані в антені приймача, щоб отримати композитний прийнятий сигнал. Символи кожного з екземплярів сигналу перекриваються, викликаючи ISI.

    З системою 2G GSM довжина символів є\(3690\text{ ns}\) і перший\(300\text{ ns}\) екземпляр символу, який рухається по першому шляху, щоб прибути, має перешкоди від попереднього символу, що рухається по інших трьох шляхах, див. Рисунок\(\PageIndex{1}\) (а). У цьому випадку перший\(300\text{ ns}\) з символів\(3690\text{ ns}\) спотворюється. У цьому прикладі поширення затримки просто,\(300\text{ ns}\) але це консервативно. Таблиця\(\PageIndex{1}\) вказує, що в деяких середовищах, що надлишковий розкид\(1\%\) затримки часу може бути таким же довгим, як інтервал символів для 2G/GSM (працює нижче\(2\text{ GHz}\)). Тож навіть якщо рівень сигналу високий, прийом може бути неможливим через ISI.

    З 3G довжина пакету\(260\text{ ns}\) така з надмірним розповсюдженням затримки\(300\text{ ns}\) для чотирьох прикладів шляху, що перешкода символу є серйозною, див. Рисунок\(\PageIndex{1}\) (b), і, як зазначалося,\(300\text{ ns}\) є дуже консервативною оцінкою розповсюдження надлишкової затримки. Однією з особливостей 3G є метод відокремлення окремих екземплярів сигналу. Тільки коли існує дуже велика кількість значних шляхів, 3G має проблеми. У міській місцевості іноді зв'язок не може бути встановлений з 2G та 3G, навіть якщо потужність сигналу висока.

    Система 4G мінімізує проблему ISI, маючи дуже довгий інтервал символів,\(71.35\:mu\text{s}\) а\(300\text{ ns}\) надлишковий спред затримки становить невелику частку довжини символу. Інтервал символів значно довший, ніж будь-який з максимальних спредів затримки, наведених у табл\(\PageIndex{1}\). Також стандарт 4G

    clipboard_e70d58abbc77d7643a0f4d4385c9de397.png

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вплив надмірної затримки на інтерференції символів, коли є чотири шляхи. Надмірна затримка кожного шляху\(\tau_{d, x}\), збільшується на\(100\text{ ns}\). Показані п'ять символів:\(\mathsf{A, B, C, D}\), і\(\mathsf{E}\). Стандарт 2G GSM має тривалість символу\(3.6928\:\mu\text{s}\), стандарт 3G WCDMA має тривалість символу\(260\text{ ns}\), а стандарт 4G OFDM має тривалість символу\(71.35\:\mu\text{s}\). Ситуація з 5G аналогічна ситуації для 4G.

    має часову смугу охорони, відому як циклічний префікс. (Циклічний префікс трохи більше, ніж охоронна смуга, оскільки він передбачає повторення кінця символу, але ця додаткова функція буде розглянута пізніше.) Циклічний префікс може бути як\(4.7\:\mu\text{s},\: 5.2\:\mu\text{s},\: 16.7\:\mu\text{s}\), так і\(33.3\:\mu\text{s}\) вміщує різні надлишкові розвороти затримки. Цього більш ніж достатньо, щоб уникнути проблеми ISI, оскільки будь-які максимальні надлишкові затримки, перераховані в таблиці,\(\PageIndex{1}\) менші за максимальну циклічну довжину префікса. Довгий інтервал символів має на увазі дуже вузьку пропускну здатність або пропускну здатність підканалу. Система 4G спілкується з користувачем, використовуючи дуже велику кількість підканалів, підтримуючи, таким чином, високі швидкості передачі даних.

    4.7.3 Резюме

    Різні надлишкові затримки на різних шляхах викликають міжсимвольні перешкоди. Високий рівень міжсимвольних перешкод призводить до неможливості встановлення лінії зв'язку. Надмірна затримка є основним обмеженням системи 2G/GSM, і єдиним рішенням є використання дуже маленьких осередків у міських умовах, які мають багато значних сигнальних шляхів. Система 3G використовує техніку кодування, яка дозволяє вирішити перші кілька різних шляхів, тим самим обмежуючи проблему ISI, але не усуваючи її. Система 4G та 5G працює аналогічно, використовує тривалий час охорони, циклічну приставку, щоб повністю уникнути ISI.

    • Was this article helpful?