موضوع مقاله: کانال مخابراتی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # کانال مخابراتی | مقدمه: در ارتباطات راه دور و شبکه‌های رایانه‌ای، یک کانال ارتباطی (یا کانال)، به یک محیط انتقال فیزیکی مانند سیم یا کانال رادیویی، اشاره می‌کند. | ## بخش 1: کانال مخابراتی | از آنجایی که افت مسیر تحت تأثیر تعداد و موقعیت سلول‌ها است بنابراین محاسبه افت مسیر، باعث صرفه جویی در هزینه و زمان است. تلفات مسیر در محیط‌های رادیویی موبایل در یک محیط انتشار رادیویی واقعی، افت مسیر را نمی‌توان به وسیله معادله فضای آزاد محاسبه کرد. به دلیل پیچیدگی محاسبات اتلاف مسیر در محیط‌های واقعی، مدل‌های انتشار مختلفی به وجود آمده‌است. اختلاف در کانال‌های رادیویی ارتباط بین MS وBS در محیط سلولی به ندرت به شکل دید مستقیم (LOS) است، زیرا شرایطی مثل موانع طبیعی و ساختمان‌ها مانع از این کار می‌شود. در نتیجه باعث می‌شود سیگنال فرستاده شده توسط فرستنده در مسیرهای دید غیرمستقیم (NLOS) به گیرنده برسد. این کار باعث نوسان‌های کوتاه مدت و بلند مدت در شدت سیگنال دریافتی (RSS) می‌شود و عاملی است که کارایی کانال را کاهش می‌دهد. فیدینگ بلندمدت فیدینگ بلند مدت، میرایی و تضعیف سیگنال‌های RF به علت انسداد محیط است. معمولاً موقعیت و عوارض طبیعی زمین باعث این نوع از فیدینگ می‌شود ولی ساختمان‌ها و عوارض مصنوعی باعث فیدینگ کوتاه مدت می‌شود. درحالت کلی واریانس درمناطق شهری از مناطق روستایی بیشتر است و در شهرها هم هر چه ارتفاع ساختمان‌ها بیشتر باشد واریانس بیشتر است. افت مسیر برای محیط‌های انتشار رادیویی موبایل واریانس در حدودdB ۱۲–۵ (دسی بل) دارد. فیدینگ کوتاه مدت فیدینگ کوتاه مدت مجموع سیگنال‌های RF است که در گیرنده به هم می‌رسند، که این سیگنال‌ها درامتداد NLOS ,LOS انتشار یافته‌اند، و معمولاً ناشی از انعکاس می‌باشد. توزیع رِیلی فیدینگ کوتاه مدت باعث می‌شود که شدت سیگنال دریافت شده دارای توزیع رِیلی باشد اگر که فقط جزء NLOS سیگنال RF وجود داشته باشد. توزیع رایسیَن فدینگ کوتاه مدت باعث می‌شود که شدت سیگنال دریافت شده دارای توزیع رایسین اگر که یک جزء قوی LOS سیگنال RF با چندین جزء NLOS سیگنال وجود داشته باشد. مدل کانال روش‌های آماری مدل کردن کانال این روش در مدل‌سازی کانال‌های رادیویی در محیط‌های شهری و خارج ساختمان استفاده می‌شود. تا پیش از توسعهٔ پردازنده‌های با سرعت و حافظهٔ بالا (دههٔ اخیر)، روش‌های آماری تنها راه قابل قبول برای مدل کردن کانال‌های رادیویی بودند. در حال حاضر نیز این روش‌ها از اهمیت زیادی به خصوص در مدل‌سازی کانال‌های رادیویی در محیط‌های شهری و خارج ساختمان برخوردارند با این حال به علت عدم توانایی آن‌ها در تعیین پاسخ ضربه کانال بر حسب مکان در محیط‌های داخل ساختمان اکنون روش‌های معین (deterministic) برای مدل کردن کانال‌های داخل ساختمان اهمیت بیشتری یافته‌اند. روش‌های آماری برای بررسی کلی کارایی سیستم‌های مخابراتی مناسب هستند که برای طراحی سیستم‌های مخابراتی بسیار سودمند است، اما نمی‌توانند دقیقاً معین کنند که کارایی یک سیستم مخابراتی با دانستن شکل کانال و مکان فرستنده و گیرنده چه خواهد بود. در روش‌های آماری مدل کردن کانال مشخصات آماری بعضی از مهم‌ترین پارامترهای سیگنال دریافتی در گیرنده بیان می‌شود. به عنوان مثال توزیع دامنهٔ سیگنال دریافتی از مهم‌ترین پارامترهایی است که مورد بررسی محققین قرار گرفته‌است. در این روش‌ها پس از تعداد زیادی آزمایش تجربی توزیع آماری پارامتر مورد اندازه‌گیری، سپس با توزیع‌های شناخته شده موجود یا توزیع‌هایی که با استفاده از محاسبات تئوری محتمل به نظر می‌رسند مقایسه شده و بهترین توزیع برای توصیف آن پارامتر انتخاب و معرفی می‌شود. با دانستن توزیع پارامترهای مهم می‌توان عملکرد سیستم‌های مخابراتی را بررسی کرد یا بهترین طراحی را برای محیط مورد آزمایش صورت داد. مدل پاسخ ضربه کانال یک روش مناسب برای بررسی مشخصات کانال‌های داخل ساختمان بررسی پاسخ ضربه آن است. برای هر نقطه در فضا، کانال یک فیلتر خطی متغیر با زمان با پاسخ ضربه معادل باند پایه‌است. زیرا کانال‌های فیدینگ را می‌توان با زمان و دامنه مؤلفه‌های چندمسیری آن به‌طور کامل مدل نمود [۲]. البته در بسیاری از موارد با استفاده از آزمایش‌های تجربی صورت پذیرفته در فرکانس‌های مختلف، مقدار عددی این مشخصه‌ها به‌طور مستقیم محاسبه شده‌است. پاسخ ضربه گسسته در زمان یک مدل مناسب برای مشخصه برداری کانال داخل ساختمان مدل پاسخ ضربه گسسته در زمان است. فرض می‌شود که هر bin یا حاوی یک مؤلفه چند مسیره‌است یا حاوی هیچ مؤلفه‌ای نیست و احتمال آنکه یک bin شامل بیش از یک مؤلفه باشد در نظر گرفته نمی‌شود. مقادیر عملی اندازة هر bin را قدرت تفکیک زمانیِ وسیلة اندازه‌گیری مشخص می‌کند، به نحویکه دو مسیری که در یک bin قرار گرفته‌اند توسط وسیله اندازه‌گیری قابل تفکیک نیستند. | ## بخش 2: کانال مخابراتی | با استفاده از این مدل هر پاسخ ضربه را می‌توان با استفاده از دنباله‌ای از صفر و یک معین کرد. در این دنباله هر «یک» نشانگر وجود یک مؤلفه در bin متناظر با آن و هر «صفر» نشانگر عدم وجود مؤلفه در bin متناظر با آن است. به علاوه تجزیه و تحلیل کارایی نیز با یک مدل گسسته در مقایسه با یک مدل پیوسته آسان‌تر است. کاهش به مدل باند باریک از مدل ضربه وقتی یک سینوسی ساده با دامنة ثابت (مدوله نشده) در محیط چند مسیری ارسال می‌شود یک گیرندة در حال حرکت به دلیل جمع برداری مؤلفه‌های چند مسیری یک سینوسی با تغییرات دامنه شدید را مشاهده می‌کند. مدلی برای پاشیدگی چند مسیری امواج اصلی معمولاً شامل ۱-اشعة دید مستقیم (LOS) و چند ۲-اشعه انعکاسی یا ۳-پراکنده شده توسط سازه‌های اصلی موجود مانند دیوارهای خارجی، زمین، سقف، کمدهای فلزی و… می‌شود. سیگنال ارسالی توسط ایستگاه پایه توسط یک یا چند موج اصلی به گیرنده‌های سیار رادیویی می‌رسد. این اشعه‌ها در حوزة فضایی واحد سیار به دلیل پراکندگی ناشی از اثاثیه و دیگر اشیاء می‌شکنند. نتیجه این خواهد بود که مسیرهای ناشی از هر مسیر اصلی که با تأخیرهای تقریباً مشابه به گیرنده می‌رسند تضعیف‌های تقریباً مشابه اشعه‌های اصلی بر حسب مکان گیرنده تصادفی هستند. نتیجه این خواهد بود که مسیرهای ناشی از هر مسیر اصلی که با تأخیرهای تقریباً مشابه به گیرنده می‌رسند تضعیف‌های تقریباً مشابه دیده‌اند، ولی به دلیل طی مسیرهای مختلف فاز آن‌ها متفاوت خواهد بود. مشخصه‌سازی مدل پاسخ ضربه توزیع دنبالة زمانی رسیدن مؤلفه‌ها در اینجا چندین فرایند نقطه‌ای نامزد مورد بررسی قرار می‌گیرند: مدل پواسن استاندارد: چنین فرایندی در عمل هنگامی‌رخ می‌دهد که رخدادهای مشخصی به‌طور کاملاً تصادفی در زمان رخ می‌دهند. در مدل داخل ساختمان اگر موانعی که باعث فیدینگ چند مسیره می‌شوند به‌طور کاملاً تصادفی قرار گرفته باشند فرض پواسن باید برای توصیف زمان رسیدن مؤلفه‌ها کافی باشد. مدل پواسن تصحیح شده: این مدل که نخستین بار توسط تورین و همکاران برای توصیف دنبالة زمان رسیدن در کانال موبایل پیشنهاد شد و توسط سوزوکی به خوبی بهبود یافت. این مدل خاصیت خوشه‌ای بودن مؤلفه‌ها ناشی از گروهی بودن پراکنده کنندگان را در نظر می‌گیرد. این فرایند دو حالت دارد: حالت-۱: که در آن نرخ میانگین رسیدن مسیرهااست، و حالت–۲: که در آن نرخ میانگین رسیدن مؤلفه‌هااست. پواسن تصحیح شده – فاصله‌های زمانی غیر نمایی:اگر فاصله زمانی بین دو مؤلفه را نمایی بگیریم، فرایند بدست آمده پواسن خواهد بود و در غیر این صورت توزیع‌های دیگری بدست خواهد آمد. مدل صالح و والنزوئلا: یکی از مهم‌ترین روش‌های استفاده شده برای مدل کردن کانال‌های داخل ساختمان مدل صالح و والنزوئلا می‌باشد. این مدل با نام مدل خوشه‌ای نیمن -اسکات نیز خوانده شده‌است و اولین بار نسخة دو بعدی آن در کیهان‌شناسی برای مطالعة توزیع کهکشان‌ها استفاده شده‌است. در یک محیط چند مسیری اگر تفاوت تأخیر زمانی تعدادی از مؤلفه‌ها بسیار کمتر از معکوس پهنای باند سیگنال باشد این مؤلفه‌ها را نمی‌توان به صورت پالس‌های مجزا تفکیک کرد. این زیر مؤلفه‌های غیرقابل تفکیک به صورت برداری (با توجه به قدرت و فازشان) جمع می‌شوند و دامنه مجموع آن‌ها مشاهده می‌شود؛ بنابراین مقدار دامنه یک متغیر تصادفی است. توزیع ناکاگامی این توزیع که به توزیع نیز معروف است بسیاری از توزیع‌های دیگر را به عنوان حالت خاص شامل می‌شود. در حالت فیدینگ رایلی فرض شده بود که طول بردارهای مؤلفه‌های رسیده برابر و فاز آن‌ها تصادفی است. در یک مدل واقعی‌تر که توسط ناکاگامی پیشنهاد شد، تصادفی بودن طول بردارهای مؤلفه‌های رسیده نیز مد نظر قرار گرفت. در این مدل‌ها فرض می‌شود که فرایند اتفاقی حاصلِ عبور یک نویز سفید از یک کانال تمام قطب می‌باشد. در مدل کردن کانال به روش AR فرض می‌شود که نمونه‌های مشاهده شده فرایندْ خروجیِ یک فیلتر خطی با تابع انتقال خاص خود هستند، که با سیگنال نویز تحریک شده‌است. در مدل ARِ زمانی قطبِ نزدیک به دایرة واحد (درنمودار مکان قطب‌ها) نشانگر توان قابل توجه در فرکانس مربوط به زاویة آن قطب است. در کاربرد ARِ فرکانسی، قطب نزدیک به دایرة واحد نشانگر توان قابل توجه در زمان مربوط به زاویة آن قطب است. توزیع فاز مؤلفه‌ها کارایی سیستم‌های مخابراتی داخل ساختمان به خواص آماری دنبالة فاز مؤلفه‌ها بستگی دارد. با این حال به دلیل سختی اندازه‌گیری جداگانة فاز مؤلفه‌ها تاکنون هیچ مدل تجربی برای توزیع فاز مؤلفه‌ها بدست نیامده‌است. | ## بخش 3: کانال مخابراتی | فاز سیگنال به شدت به طول مسیر حساس است و با تغییر طول مسیر به اندازة طول موج سیگنال (۳۰ سانتی‌متر در یک گیگاهرتز) به میزان تغییر می‌کند. با در نظر گرفتن هندسة مسیر موج، تغییرات معمول واحد سیار در مکان باعث تغییرات بزرگی در فاز می‌شود؛ بنابراین معقول است که توزیع فاز را یک توزیع یکنواخت روی در نظر بگیریم. با این حال در تغییرات مکانی کوچک ممکن است انحرافات جدی از توزیع یکنواخت پیش اید. به علاوه، اگر پاسخ کانال در نرخ سمبولینگ (چند ده تا چند صد کیلو بیت بر ثانیه) نمونه برداری شود مقادیر فاز به شدت همبسته هستند؛ بنابراین مقادیر فاز در یک تأخیر ثابت برای یک مکان مشخص همبسته هستند. اما مؤلفه‌های چند مسیره قابل آشکارسازی مجاور دارای فازهای مستقل اند، زیرا فاصلة اضافة آن‌ها (تأخیر اضافه ضربدر سرعت نور) بزرگتر از یک طول موج حتی برای اندازه‌گیری‌های با قدرت تفکیک بسیار بالا (در حد چند نانو ثانیه) می‌باشد. با توجه به ملاحظات فوق می‌توان گفت که مقدار مطلق فاز مؤلفه چند مسیره در هر نقطة ثابت در فضا اهمیت ندارد بلکه تأکید مدل‌سازی باید بر تغییرات فاز هنگام تغییر مکان واحد سیار در کانال قرار گیرد. وابستگی ما بین متغیرهای تصادفی مختلف مؤلفه‌ها محتمل است که مؤلفه‌های مجاور در یک پروفایل همبسته باشند. با این حال به غیر از موارد استثنایی که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود وجود و درجة این نوع همبستگی تاکنون بررسی نشده‌است. خاصیت همبستگی بین زمان‌های رسیدن در صورت وجود به دلیل خاصیت گروهی بودن سازه‌ها در محل آزمایش است. مدل که قبلاً توضیح داده شد، مثالی از یک مدل است که زمان‌های رسیدن در آن وابسته هستند. از آنجائیکه پژواک هر مؤلفه با گذشت زمان بیشتر تضعیف می‌گردد احتمال آشکارسازی و دریافت مؤلفة ناشی از پژواک با افزایش تأخیر اضافه کاهش می‌یابد. در اندازه‌گیری‌هایی که با قدرت تفکیک بالا انجام می‌شود، احتمال آنکه دامنة مؤلفه‌های مجاور چند مسیره با هم همبسته باشند می‌رود زیرا اشیاء پراکنده‌کننده این مسیرها احتمالاً یکی هستند. آنالیز داده‌هایی که از محیط‌های کارخانه‌ای جمع‌آوری شده‌است نشان داده که همبستگی مؤلفه LOS با مؤلفه‌های مجاور آن ناچیز است. به‌طور دقیق‌تر دامنه مؤلفه LOS با دامنه مؤلفه رسیده در ۸ نانوثانیه ناهمبسته، با مؤلفه ۱۶ نانوثانیه همبسته با ضریب منفی و با مؤلفه‌هایی که بعد از ۲۵ نانوثانیه می‌رسند نیز ناهمبسته بوده‌است. در حالتی که مؤلفة LOS وجود ندارد دامنه‌ها برای تأخیر اضافه بزرگتر از ۲۵ نانوثانیه ناهمبسته می‌شوند. نتیجه‌گیری کلی این بوده‌است که دامنة مؤلفه‌ها تنها در صورتی‌که با فاصلة کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه از یکدیگر برسند همبسته هستند. آنالیز داده‌های جمع‌آوری شده از دو ساختمان اداری در همبستگی بین دامنه مؤلفه‌های چند مسیری مجاور در یک پروفایل نشان داده‌است که ضرایب همبستگی معمولاً بین ۰٫۲ تا ۰٫۳ قرار دارند. دیگر مباحث مربوط به کانال تغییرات زمانی کانال: به دلیل حرکت افراد و وسایل در اکثر محیط‌های داخل ساختمان، کانال داخل ساختمان ایستان نیست. به عبارتی آمارگان کانال داخل ساختمان حتی در صورت ثابت بودن مکان فرستنده و گیرنده با گذشت زمان تغییر می‌کند. به همین دلیل اکثر آزمایش‌های بررسی کانال با فرض ایستان بودن کانال صورت پذیرفته‌است. افت مسیر مقیاس بزرگ: مدل پاسخ ضربه برای مشخصه‌سازی کانال در سطح میکروسکوپی مناسب است، اما برای مشخصه‌سازی کانال در سطح ماکروسکوپی باید از مدل‌های افت مسیر استفاده نمود. اطلاعات افت مسیر در تعیین منطقة پوشش آنتن و تعیین بهترین مکان نصب آنتن‌ها بسیار مهم است. کانال داخل ساختمان افت مسیر بسیار شدیدتری در مقایسه با کانال‌های موبایل نشان می‌دهد. به علاوه تغییرات وسیع در افت مسیر در فواصل بسیار کوتاه نیز در داخل ساختمان بسیار محتمل است. به دلیل پیچیدگی افت مسیر در داخل ساختمان هیچ مدل جهان شمولی در این زمینه وجود ندارد. گسترش تأخیر میانگین و گسترش تأخیر rms: مقدار عددی گسترش تأخیر میانگین و گسترش تأخیر rms به اندازه و نوع ساختمان، وجود یا عدم وجود LOS، و… بستگی دارد. | ## جمع‌بندی | مقادیر گزارش شده برای گسترش تأخیر میانگین بین ۲۰ تا ۵۰ نانوثانیه برای ساختمان‌های اداری کوچک و متوسط، بین ۳۰ و ۳۰۰ نانوثانیه برای چندین محیط کارخانه‌ای، زیر ۱۰۰ نانوثانیه برای محیط‌های دانشگاهی، کمتر از ۱۶۰ نانوثانیه برای یک محیط محفوظ، کمتر از ۸۰ نانوثانیه برای یک محیط اداری، زیر ۱۲۰ نانوثانیه برای یک محیط اداری بزرگ و تا ۲۰۰ نانوثانیه برای چند محیط اداری بزرگ دیگر بوده‌است.