Desvanecimiento

En las comunicaciones inalámbricas , el desvanecimiento es la variación de la atenuación de la señal en función de variables como el tiempo, la posición geográfica y la frecuencia de radio. El desvanecimiento se suele modelar como un proceso aleatorio . En los sistemas inalámbricos, el desvanecimiento puede deberse a la propagación por trayectos múltiples , lo que se conoce como desvanecimiento inducido por trayectos múltiples, al clima (en particular, la lluvia) o a la sombra de obstáculos que afectan la propagación de las ondas , a veces denominada desvanecimiento por sombra .

Un canal que se desvanece es un canal de comunicación que experimenta desvanecimiento.

La presencia de reflectores en el entorno que rodea a un transmisor y un receptor crea múltiples caminos que una señal transmitida puede recorrer. Como resultado, el receptor ve la superposición de múltiples copias de la señal transmitida, cada una recorriendo un camino diferente. Cada copia de la señal experimentará diferencias en atenuación , retardo y cambio de fase mientras viaja desde la fuente hasta el receptor. Esto puede resultar en interferencia constructiva o destructiva , que amplifica o atenúa la potencia de la señal que se ve en el receptor. La interferencia destructiva fuerte se conoce con frecuencia como desvanecimiento profundo y puede resultar en una falla temporal de la comunicación debido a una caída severa en la relación señal-ruido del canal .

Un ejemplo común de desvanecimiento profundo es la experiencia de detenerse en un semáforo y escuchar una transmisión de FM que se degrada a estática, mientras que la señal se recupera si el vehículo se mueve solo una fracción de metro. La pérdida de la transmisión se produce cuando el vehículo se detiene en un punto en el que la señal experimentó una interferencia destructiva grave. Los teléfonos celulares también pueden presentar desvanecimientos momentáneos similares.

Los modelos de canal de desvanecimiento se utilizan a menudo para modelar los efectos de la transmisión electromagnética de información por aire en redes celulares y comunicaciones de radiodifusión. Los modelos de canal de desvanecimiento también se utilizan en comunicaciones acústicas submarinas para modelar la distorsión causada por el agua.

Los términos desvanecimiento lento y rápido se refieren a la velocidad a la que cambia la magnitud y el cambio de fase impuestos por el canal a la señal. El tiempo de coherencia es una medida del tiempo mínimo necesario para que el cambio de magnitud o el cambio de fase del canal pierdan correlación con su valor anterior.

• El desvanecimiento lento surge cuando el tiempo de coherencia del canal es grande en relación con el requisito de retardo de la aplicación. ^[1] En este régimen, el cambio de amplitud y fase impuesto por el canal puede considerarse aproximadamente constante durante el período de uso. El desvanecimiento lento puede ser causado por eventos como el sombreado , donde una gran obstrucción como una colina o un edificio grande oscurece la ruta principal de la señal entre el transmisor y el receptor. El cambio de potencia recibida causado por el sombreado a menudo se modela utilizando una distribución logarítmica normal con una desviación estándar de acuerdo con el modelo de pérdida de ruta logarítmica-distancia .
• El desvanecimiento rápido se produce cuando el tiempo de coherencia del canal es pequeño en relación con el requisito de retardo de la aplicación. En este caso, el cambio de amplitud y fase impuesto por el canal varía considerablemente durante el período de uso.

En un canal con desvanecimiento rápido, el transmisor puede aprovechar las variaciones en las condiciones del canal utilizando diversidad temporal para ayudar a aumentar la solidez de la comunicación ante un desvanecimiento profundo temporal. Aunque un desvanecimiento profundo puede borrar temporalmente parte de la información transmitida, el uso de un código de corrección de errores acoplado con bits transmitidos con éxito durante otras instancias de tiempo ( entrelazado ) puede permitir recuperar los bits borrados. En un canal con desvanecimiento lento, no es posible utilizar diversidad temporal porque el transmisor solo ve una única realización del canal dentro de su restricción de retardo. Por lo tanto, un desvanecimiento profundo dura toda la duración de la transmisión y no se puede mitigar utilizando codificación.

El tiempo de coherencia del canal está relacionado con una cantidad conocida como dispersión Doppler del canal. Cuando un usuario (o reflectores en su entorno) se mueve, la velocidad del usuario provoca un cambio en la frecuencia de la señal transmitida a lo largo de cada ruta de señal. Este fenómeno se conoce como desplazamiento Doppler . Las señales que viajan a lo largo de diferentes rutas pueden tener diferentes desplazamientos Doppler, que corresponden a diferentes tasas de cambio de fase. La diferencia en los desplazamientos Doppler entre los diferentes componentes de la señal que contribuyen a un desvanecimiento de la señal en el canal se conoce como dispersión Doppler. Los canales con una gran dispersión Doppler tienen componentes de señal que cambian independientemente en fase a lo largo del tiempo. Dado que el desvanecimiento depende de si los componentes de la señal se suman de manera constructiva o destructiva, dichos canales tienen un tiempo de coherencia muy corto.

En general, el tiempo de coherencia está inversamente relacionado con la propagación Doppler, que normalmente se expresa como

${\displaystyle T_{c}\approx {\frac {1}{D_{s}}}}$

donde es el tiempo de coherencia, es la dispersión Doppler. Esta ecuación es solo una aproximación, ^[2] para ser exactos, véase Tiempo de coherencia .$Estilo de visualización T_{c}}$${\displaystyle D_{s}}$

El desvanecimiento por bloques es un proceso en el que el desvanecimiento es aproximadamente constante para una cantidad de intervalos de símbolos. ^[3] Un canal puede sufrir un "desvanecimiento por bloques doble" cuando presenta desvanecimiento por bloques tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. ^[4] Muchos canales de comunicaciones inalámbricas son dinámicos por naturaleza y se modelan comúnmente como desvanecimiento por bloques. En estos canales, cada bloque de símbolo pasa por una transformación estadísticamente independiente. Normalmente, los canales de variación lenta basados ​​en el modelo de Jakes del espectro de Rayleigh ^[5] se utilizan para el desvanecimiento por bloques en un sistema OFDM .

El desvanecimiento selectivo o desvanecimiento selectivo de frecuencia es una anomalía de propagación de radio causada por la cancelación parcial de una señal de radio por sí misma: la señal llega al receptor por dos caminos diferentes y al menos uno de los caminos está cambiando (alargándose o acortándose). Esto suele ocurrir a primera hora de la tarde o a primera hora de la mañana, cuando las distintas capas de la ionosfera se mueven, se separan y se combinan. Los dos caminos pueden ser ondas ionosféricas o uno puede ser ondas terrestres .

El desvanecimiento selectivo se manifiesta como una perturbación lenta y cíclica; el efecto de cancelación, o "nulo", es más profundo en una frecuencia particular, que cambia constantemente, recorriendo el audio recibido .

A medida que varía la frecuencia portadora de una señal, también varía la magnitud del cambio en amplitud. El ancho de banda de coherencia mide la separación en frecuencia después de la cual dos señales experimentarán un desvanecimiento no correlacionado.

• En el desvanecimiento plano , el ancho de banda de coherencia del canal es mayor que el ancho de banda de la señal. Por lo tanto, todos los componentes de frecuencia de la señal experimentarán la misma magnitud de desvanecimiento.
• En el desvanecimiento selectivo de frecuencia , el ancho de banda de coherencia del canal es menor que el ancho de banda de la señal. Por lo tanto, los diferentes componentes de frecuencia de la señal experimentan un desvanecimiento no correlacionado.

Dado que los diferentes componentes de frecuencia de la señal se ven afectados de forma independiente, es muy poco probable que todas las partes de la señal se vean afectadas simultáneamente por un desvanecimiento profundo. Ciertos esquemas de modulación, como la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) y el acceso múltiple por división de código (CDMA), son adecuados para emplear la diversidad de frecuencia para proporcionar robustez al desvanecimiento. OFDM divide la señal de banda ancha en muchas subportadoras de banda estrecha moduladas lentamente , cada una expuesta a un desvanecimiento plano en lugar de un desvanecimiento selectivo de frecuencia. Esto se puede combatir mediante codificación de errores , ecualización simple o carga de bits adaptativa. La interferencia entre símbolos se evita introduciendo un intervalo de guarda entre los símbolos llamado prefijo cíclico . CDMA utiliza el receptor de rastrillo para tratar cada eco por separado.

Los canales de desvanecimiento selectivo de frecuencia también son dispersivos , ya que la energía de la señal asociada con cada símbolo se distribuye en el tiempo. Esto hace que los símbolos transmitidos que son adyacentes en el tiempo interfieran entre sí. A menudo se utilizan ecualizadores en dichos canales para compensar los efectos de la interferencia entre símbolos .

Los ecos también pueden estar expuestos al efecto Doppler , lo que da como resultado un modelo de canal que varía en el tiempo.

El efecto se puede contrarrestar aplicando algún esquema de diversidad , por ejemplo OFDM (con entrelazado de subportadoras y corrección de errores hacia adelante ), o utilizando dos receptores con antenas separadas a un cuarto de longitud de onda , o un receptor de diversidad especialmente diseñado con dos antenas. Un receptor de este tipo compara continuamente las señales que llegan a las dos antenas y presenta la mejor señal.

El desvanecimiento es un caso especial de desvanecimiento, que se utiliza para describir la interferencia constructiva , en situaciones en las que una señal de radio gana fuerza. ^[6] Algunas condiciones de trayectos múltiples hacen que la amplitud de una señal aumente de esta manera porque las señales que viajan por diferentes caminos llegan al receptor en fase y se vuelven aditivas a la señal principal. Por lo tanto, la señal total que llega al receptor será más fuerte de lo que hubiera sido de otra manera sin las condiciones de trayectos múltiples. El efecto también se nota en los sistemas LAN inalámbricos . ^[7]

Ejemplos de modelos de desvanecimiento para la distribución de la atenuación son:

• Modelos de desvanecimiento dispersivo , con varios ecos, cada uno expuesto a diferentes retardos, ganancias y cambios de fase, a menudo constantes. Esto da como resultado desvanecimiento selectivo de frecuencia e interferencia entre símbolos. Las ganancias pueden tener una distribución Rayleigh o Rician. Los ecos también pueden estar expuestos al cambio Doppler, lo que da como resultado un modelo de canal que varía en el tiempo.
• Nakagami se desvanece
• Desvanecimiento de sombras log-normal
• Desvanecimiento de Rayleigh
• Desvanecimiento de Rician
• Desvanecimiento de potencia difusa (TWDP) de dos ondas
• Desvanecimiento de Weibull

El desvanecimiento puede provocar un rendimiento deficiente en un sistema de comunicación porque puede provocar una pérdida de potencia de la señal sin reducir la potencia del ruido. Esta pérdida de señal puede afectar a todo o parte del ancho de banda de la señal. El desvanecimiento también puede ser un problema, ya que cambia con el tiempo: los sistemas de comunicación suelen estar diseñados para adaptarse a estas deficiencias, pero el desvanecimiento puede cambiar más rápido de lo que se pueden hacer las adaptaciones. En estos casos, la probabilidad de experimentar un desvanecimiento (y errores de bits asociados a medida que disminuye la relación señal/ruido ) en el canal se convierte en el factor limitante del rendimiento del enlace.

Los efectos del desvanecimiento se pueden combatir utilizando la diversidad para transmitir la señal a través de múltiples canales que experimentan desvanecimiento independiente y combinándolos coherentemente en el receptor. La probabilidad de experimentar un desvanecimiento en este canal compuesto es entonces proporcional a la probabilidad de que todos los canales componentes experimenten simultáneamente un desvanecimiento, un evento mucho más improbable.

La diversidad se puede lograr en el tiempo, la frecuencia o el espacio. Las técnicas comunes que se utilizan para superar el desvanecimiento de la señal incluyen:

• Recepción y transmisión de la diversidad
• MIMO
• OFDM
• Receptores de rastrillo
• Códigos espacio-temporales
• Corrección de errores hacia adelante
• Entrelazado

Además de la diversidad, también se pueden utilizar técnicas como la aplicación de prefijo cíclico (por ejemplo, en OFDM ) y la estimación y ecualización de canal para abordar el desvanecimiento.

• Distorsión de atenuación
• Desvanecimiento de la retroexcavadora
• Planes de diversidad
• Margen de desvanecimiento
• Distribución de desvanecimiento
• Frecuencia de transmisión óptima
• Presupuesto de enlaces
• Frecuencia alta más baja utilizable
• Frecuencia máxima utilizable
• Propagación por trayectos múltiples
• OFDM
• Desvanecimiento por lluvia
• Desvanecimiento de Rayleigh
• Desvanecimiento térmico
• Desvanecimiento de potencia difusa (TWDP) de dos ondas
• Banda ultra ancha
• Desvanecimiento

• TS Rappaport, Comunicaciones inalámbricas: principios y práctica , segunda edición, Prentice Hall, 2002.
• David Tse y Pramod Viswanath, Fundamentos de la comunicación inalámbrica, Cambridge University Press, 2005.
• M. Awad, KT Wong [1] ^{[ enlace muerto permanente ]} y Z. Li, Una visión general integradora de los datos empíricos de la literatura abierta sobre las propiedades temporales del canal de ondas de radio en interiores, [2] IEEE Transactions on Antennas & Propagation, vol. 56, no. 5, págs. 1451–1468, mayo de 2008.
• P. Barsocchi, Modelos de canal para comunicaciones inalámbricas terrestres: un estudio , informe técnico CNR- ISTI , abril de 2006.

• Desvanecimiento debido al efecto de trayectoria múltiple