Wireless Channel 의 구성 및 종류
✔ 무선통신: 유선(전선)을 통하지 않고, 전파(RF 파)를 통해 정보를 전달하는 기술, 때론, 전파 외에도 빛(적외선),초음파 등을 포함한 통신을 지칭하기도 한다.
channel = pass loss * fading
fading: 경로가 다른 2개이상의 전파가 상호간섭하여 신호진폭 및 위상 등이 시간적으로 불규칙하게 변하는 현상을 말한다.
📌 Fading의 유형
🎈 Large Scale fading (대규모 페이딩)
- 이름 그대로 거시적인 관점에서의 페이딩이다. 정거리 이동에서 겪는 페이딩, 송신측에서 수신측이 멀어지면서 강도가 약해지는 자연스러운 Path loss나 경로상의 공기저항, 빗방울이나 낙엽같이 작은 물체를 지나면서 에너지가 소실되는(이런 현상을 Shadowing이라 한다) 경우를 말한다. 변화 주기가 길다는 점 때문에 Slow fading 또는 Long-term fading이라고 불린다.
💡 Path Loss(경로손실)
- 경로 손실(path loss)이란 송신기(transmitter)와 수신기(receiver) 사이의 통신 경로(communication path) 상에서 신호의 전력(signal's power)이 감소(reduction)하는 것을 말한다. 오늘날 산업 현장에서 쓰이는 수많은 모델들이 있으나, 이들 중에서 가장 공통적으로 쓰이는 경로 손실 요소 세 가지를 뽑으면 다음과 같다.
: 자유 공간(free space)
: 하타(Hata) 모델
: 리(Lee) 모델💡 Shadowing(쉐도잉)
- 빌딩이나 지형(intervening terrain), 초목가 같은 큰 물체에 의해 신호가 요동치는 현상을 말한다. 송수신기 사이의 거리가 동일한 상태에서도 측정 값이 달라지는 현상으로 보통 log-normal 랜덤 변수로 모델링 한다.
🎈 Small Scale Fading(소규모 페이딩)
- 단거리 이동에서 겪는 페이딩, 주로 송신측에서 가까운 구조물에 의해 신호가 산란(Scattering)되면서 여러 경로로 시간차를 두고 들어오는 다중경로 수신에 의해 신호가 왜곡되는 Multi-path fading이 있다. 이 현상은 송신측과 수신측이 멀 경우 Rayleigh Distribution를 따르고 가까울 경우 Rician Distribution을 따른다. 그리고 송신측의 이동에 따라 Doppler 효과에 의해 발생하는 신호대역폭 변화 현상도 포함한다.
💡 Doppler 효과
- 소리나 물결파와 같은 파동을 일으키는 물체가 가만히 있지않고, 물체가 이동하거나 또는 관찰자가 이동하면서 처음 파동(파원)의 진동수가 변화하는 현상이다. 여기서는 전파의 송신부, 수신부가 가까워지거나 멀어짐에 따라 상대적으로 수신 주파수가 높아지거나 낮아지는 현상을 의미한다.
: Fast Fading(기지국과 이동국이 가까워져 도플러 효과로 인해 수신신호 주파수가 높아지는 현상)
: Slow Fading(기지국과 이동국이 멀어지는 경우 도플러 효과로 인해 수신신호 주파수가 낮아지는 현상)💡 Multi-path fading(다중경로 페이딩)
- 신호를 전달하는 전파가 통로상의 여러 가지 장애물에 의해 2개 이상의 경로를 통하여 수신 측에 도달하는 경우, 그 합성 신호가 서로다른 진폭, 위상, 입사각, 편파 등이 간섭(보강간섭, 소멸간섭)을 일으켜, 불규칙 요동치는 현상이다.
📌 Multi-path fading(다중경로 페이딩) 상세
- 전파가 진행하는 경로에 여러 가지 장애물이 있을 경우 반사가 일어나고 반사파는 반사되는 경로에 따라 진폭과 위상이 달라진다. 이러한 채널 환경에서 수신기는 직접파와 반사파 또는 반사파만으로 구성된 복합된 신호를 수신하게 되어 수신장애를 받는다. 이것을 심볼간 간섭(ISI)라고 한다.
- Inter-Symbol Interference (ISI)는 위 Delay Spread와 관련하여 생길 수 있는 왜곡 현상을 가리키는 말이다. 같은 전파가 딜레이를 두고 들어오다 보면 심벌(모듈레이션을 통해 0, 1 등 값을 구분하는 단위. 다음에 다룬다) 끼리의 간섭이 생겨 데이터가 달라지거나 모호해 질 수 있게 된다. 이런 심볼끼리의 간섭을 ISI라 한다.
💡 시간분산으로 발생한 페이딩: Frequency-Selective 페이딩 채널
1. Flat fading channel
Falt fading은 전송된 신호의 대역폭이 상관대역폭(Coherense Bandwidth)보다 작으면 전송신호 대역폭 내의 모든 주파수들은 일정한 페이딩 채널의 특성을 가진다. 이러한 유형의 페이딩에서는 수신된 신호의 모든 주파수 성분이 동일한 영향을 받는다.(fading 되거나 안되거나) 주파수 비선택적 페이딩이라고도 한다.
• 신호 BW < 채널 BW (주파수관점)
• Symbol period > Delay Spread (시간관점)
플랫 페이딩의 효과는 ISI 왜곡을 일으키지는 않으나 신호가 fading되므로 수신신호의 SNR(신호대 잡음비)의 감소가 나타난다. 이러한 플랫 페이딩 채널은 진폭 변화 채널 또는 협대역 채널로 알려져 있다.
2. Frequency Selective fading channel
Frequency selective fading은 전송된 신호의 대역폭이 상관 대역폭(Coherense Bandwidth) 보다 큰 경우,
신호의 각 주파수 성분이 서로 다른 페이딩 특성을 가진다. 이는 신호의 위상과 진폭이 채널 전반에 걸쳐 변한다는 것을 의미한다.
• 신호 BW > 채널 BW (주파수관점)
• Symbol period < Delay Spread (시간관점)
수신심볼의 다중경로성분이 신호의 주기를 초과해 ISI(심볼간 간섭) 발생한다.💡 주파수 분산으로 발생한 페이딩: Time-Selective 페이딩 채널
1. Fast fading
주파수에 따라 빠르게 변합니다. 빠른 페이딩은 다중 경로로 인해 발생하는 보강 및 상쇄 간섭 패턴의 영향으로 인해 발생합니다. 기지국과 이동국이 가까워지는 경우 도플러 효과로 인해 상대적으로 수신 신호 주파수가 높아지는 현상으로 수신신호대역폭이 도플러 확산보다 작을 때를 의미한다.
2. Slow fading
주파수에 따라 빠르게 변하지 않는다. 느린 페이딩은 이동성의 영향으로 인해 발생하고 나무나 건물과 같은 장애물과 그림자로 인한 신호 경로 변경의 결과이다. 기지국과 이동국이 멀어지는 경우 도플러 효과로 인해 상대적으로 수신 신호 주파수가 낮아지는 현상으로 수신신호대역폭이 도플러 확산보다 높을 때를 의미한다.
📌 Rayleigh fading vs. Rician fading
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두 채널은 모두 small-scale fading 채널이다. 수신신호의 진폭의 특성에 다라 나뉘어진다.
Rayleigh 페이딩은 송신기와 수신기 사이의 가시선을 따라 지배적인 전파(LOS)가 없을 때 가장 적합한 모델로 수신 경로가 다중의 반사 산란 경로인 NLOS(non line of sight)구성요소만 존재하는 형태이다.
Rician 페이딩은 송신기와 수신기 사이에 지배적인 시선(LOS)이 있고 다수의 반사 산란 경로가 존재하는 경우에 적용된다. 한 경로의 신호가 다른 경로보다 높은 진폭을 가질 때 신호의 진폭은 Rician 분포를 가지며 페이딩은 Rician 페이딩이라고 한다. 이것은 지배적인 신호 경로(보통 LOS 경로)가 있을 때 발생한다. -
모든 다중 경로 신호가 무작위로 균일하게 분포된 위상을 가질 때 결과 신호의 진폭은 레일리 분포를 가지며 페이딩은 레일리 페이딩이라고 합니다. 이는 단일 지배적 신호 경로 (예: LOS 경로) 가 없을 때 발생합니다. Rayleigh 페이딩은 무선 신호가 수신기에 도달하기 전에 산란하는 환경에 많은 물체가 있는 경우에 합리적인 모델이다. Rayleigh 페이딩은 직접 신호 경로(LOS 경로) 진폭이 0인 Rician 페이딩의 특수한 경우이다.
