Каналы со случайными параметрами

Большинство реальных систем связи используют каналы передачи, параметры которых изменяются во времени случайным образом. Это могут быть медленные изменения, период которых сравним с длительностью сеанса связи или превосходить его. Причинами медленных замираний являются изменения свойств среды распространения радиоволн в зависимости от метеоусловий, времени суток, года, от солнечной активности и т.п. Соответственно, быстрые изменения характеризуются периодом, меньшим длительности сеанса связи. В результате этих изменений мощность принимаемых сигналов также меняется – возникают замирания (фединг). Если устранить медленные замирания, проявляющиеся от сеанса к сеансу, можно благодаря системному запасу, в данном случае энергетическому, то быстрые замирания существенно ухудшают качество связи. Медленные замирания обычно достаточно хорошо описываются логарифмически нормальным распределением.

Наиболее яркими представителями каналов со случайными параметрами являются каналы городской мобильной связи. Электромагнитные волны в таких каналах распространяются по многим путям, причем прямой луч, распространяющийся по линии визирования (ЛВ), зачастую отсутствует. Каналы с различными путями распространения электромагнитных волн называют многолучевыми. Вследствие интерференции волн различных лучей результирующая сумма в точке приема существенно меняется как при движении приемника относительно передатчика, так и при отсутствии этого движения – из-за отражений от движущихся объектов (транспортных средств, листва в ветреную погоду и т.п.).

Быстрое (в литературе встречаются названия мелкомасштабное, или вызванное изменением микроструктуры среды) замирание — это значительные изменения амплитуды и фазы сигнала, которые на практике могут быть результатом небольших изменений (порядка половины длины волны) расстояния между передатчиком и приемником.

Прием сигналов в каналах со случайными параметрами представляет собой значительно более сложную задачу, чем прием в каналах с постоянными параметрами: замирания на некоторых интервалах приводят к резкому падению уровня принимаемого сигнала, зачастую ниже уровня аддитивных помех. В результате достоверность принятой информации резко ухудшается, а скорость передачи падает.

Ограничимся в дальнейшем рассмотрением многолучевых каналов, характерных для ионосферных, тропосферных, мобильных систем связи, а также гидроакустических систем. Существует два класса таких каналов:

§ каналы с прямой волной;

§ каналы с отраженно-рассеянной волной.

Каналы, содержащие прямую волну, характеризуются случайными флуктуациями огибающей принятого сигнала вокруг некоторого среднего значения. Плотность распределения огибающей обычно достаточно хорошо описывается законом Релея-Райса.

Каналы, в которых прямая волна отсутствует, имеют более глубокие замирания. Если огибающая принятого сигнала описывается законом Релея, такие каналы называются релеевскими, характеризующимися наиболее глубокими замираниями.

Существует три основных механизма, воздействующих на распространение сигнала в системах связи с многолучевым распространением радиоволн.

• Отражение происходит тогда, когда распространяющаяся электромагнитная волна сталкивается с гладкой поверхностью, размер которой гораздо больше длины волны радиочастотного сигнала l.

• Дифракция встречается тогда, когда путь распространения между передатчиком и приемником преграждается плотным телом, размеры которого велики по сравнению с l, что вызывает появление вторичных волн, образующихся позади преграждающего тела. Дифракция — это явление, которое является причиной того, что распространение радиочастотной энергии от передатчика к приемнику происходит в обход пути прямой видимости между ними. Ее часто называют затенением, поскольку дифрагированное поле может достичь приемника, даже если оно затенено непроницаемой преградой.

• Рассеяние встречается тогда, когда радиоволна сталкивается с любой неровной поверхностью или с поверхностью, размеры которой порядка l или меньше, что приводит к распространению (рассеянию) или отражению энергии во всех направлениях. В городской местности обычные препятствия, вызывающие рассеивание сигнала, — это фонарные столбы, уличные знаки и листья. Название рассеивающий элемент применимо к любым препятствиям на пути распространения, которые являются причиной отражения или рассеяния сигнала.