کانال مخابراتی

تصویری از خطوط تلفن قدیمی.
کانال مخابراتی (به انگلیسی: Communication channel) به محیطی گفته می‌شود که از آن برای انتقال اطلاعات از یک فرستنده به یک گیرنده استفاده می‌شود.
در ارتباطات راه دور و شبکه‌های رایانه‌ای، یک کانال ارتباطی، یا کانال به یک رسانه انتقال فیزیکی، همانند سیم یا یک ارتباط منطقی به وسیله یک رسانه‌ی(رابط) مشترک، برای مثال یک کانال رادیویی اشاره دارد.
تداخل کانال مجاور
هر کدام از فرکانس‌های حامل به اندازه ۲۰۰khz از یکدیگر فاصله دارند.اگر دو فرکانس حامل متوالی(کانال‌های مجاور) به عنوان دو فرکانس TRX از یک سلول انتحاب گرند، آنگاه فاصله فرکانسی آن‌ها کم بوده و احتمال ایجاد تداخل وجود دارد.این نوع تداخل را تداخل کانال مجاور گویند.
معیار اندازه‌گیری تداخل کانال مجاور a C/I
تداخل کانال‌های هم فرکانس
در فرایند تکرار فرکانس، اگر فاصله کافی بین سلول‌های هم فرکانس نباشد، تداخلی موسوم به تداخل کانال‌های هم فرکانس ایجاد می‌شود، که معیار اندازه‌گیری آن C/Ic است. محاسبه نسبت سیگنال به تداخل(C/I):
کاهش تداخل با استفاده از تکنیک‌های خاص
پرش فرکانسی، کنترل توان، VAD/DTX، قطاع بندی آنتن ایستگاه پایه
پرش فرکانس:
یک تماس در یک سلول فقط از طریق یک فرکانس برقرار نمی‌شود
burstهایی از تماس با فرکانس‌هایی مختلفی که توسط MAتعیین می‌شود ارسال می‌شوند.
چون اثر محو شدگی و در نتیجه میزان تداخل برای فرکانس‌های مختلف متفاوت هست کیفیت فرکانس‌های استفاده شده متفاوت خواهد بود. VAD/DTX: در طول یک تماس تلفنی، به ندرت هر دو مشترک تلفنی هم‌زمان با یکدیگر صحبت می‌کنند.بنابر این اطلاعات صحبت در نصف مدت زمان مکالمه، باید ارسال شودتوسط تکنیک انتقال ناپیوسته (DTX) زمان سکوت، فرستنده رادیویی خاموش می‌شود.این روش مستلزم آن است تا بتوانیم زمان‌های سکوت را در یک مکالمه تشخیص دهیم.
انتشار امواج رادیویی در محیط به وسیله سه عامل جداکننده زیر شناخته می‌شود۱- افت مسیر (Path Loss)
۲- فیدینگ بلند مدت (Long-Term Fading)
۳- فیدینگ کوتاه مدت (Short-Term Fading)
افت مسیر
افت مسیر حاصل از افت ذاتی در توان سیگنال وتاثیر محیط بر سیگنال می‌باشد. در طراحی یک سیستم افت مسیر را می‌توان از روی مدل‌های انتشار بدست آورد. از آنجایی که افت مسیر تحت تاثیر تعداد و موقعیت سلول‌ها است بنابراین محاسبه افت مسیر یک صرفه جویی درهزینه و زمان است
تلفات مسیر در محیط‌های رادیویی موبایل
در یک محیط انتشار رادیویی واقعی افت مسیر را به وسیله معادله فضای آزاد نمی‌توان محاسبه کرد. به دلیل پیچیدگی محاسبات اتلاف مسیر درمحیط‌های واقعی مدل‌های انتشار مختلفی زیادی بوجود آمده‌است. مدل هاتا(Hata) و اکومورا(Okumura) وگسترش COST-۲۳۱،۲-GHz سه نمونه از این مدل‌ها می‌باشد.
اختلاف در کانال‌های رادیویی
ارتباط بین MS وBS در محیط سلولی بندرت به شکل دید مستقیم (LOS) است، زیرا شرایطی مثل موانع طبیعی وساختمان‌ها مانع از این کار می‌شود. همچنین MS می‌تواند در جهت مختلف وبا سرعت‌های متفاوت حرکت کند. در نتیجه سیگنال RF به وسیله عواملی مثل انعکاس پراکنده می‌شود. در نتیجه باعث می‌شود سیگنال فرستاده شده توسط فرستنده درمسیرهای دید غیر مستقیم (NLOS) به گیرنده برسد. این کار باعث نوسان‌های کوتاه مدت وبلند مدت درشدت سیگنال دریافتی (RSS) می‌شود وعاملی است که کارایی کانال را تنزل می‌دهد.
فیدینگ بلندمدت
فیدینگ بلند مدت، میرایی و تضعیف سیگنال‌های RF به علت انسداد محیط است. معمولا موقعیت و عوارض طبیعی زمین باعث این نوع از فیدینگ می‌شود ولی ساختمان‌ها و عوارض مصنوعی باعث فیدینگ کوتاه مدت می‌شود.
توزیعLog-Normal
فیدینگ بلندمدت باعث می‌شود که شدت سیگنال دریافتی دارای توزیع Log-Normal باشد اگر این شدت سیگنال را در یک فاصله که حداقل ۴۰ است اندازه بگیریم. که طول موج برحسب متر است.
داده‌های آزمایشی باند MHZ ۸۵۰ نشان می‌دهد که واریانس درشهرها بین dB ۱۲-۸ است. 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، ومعمولا ناشی از انعکاس می‌باشد. فیدینگ کوتاه مدت علاوه برفیدینگ بلند مدت بر روی سیگنال اثر می‌گذارد. معمولا تنها ساختمان‌ها وموانع مصنوعی سبب این نوع از فیدینگ می‌شود.
توزیع رایلی
فیدینگ کوتاه مدت باعث می‌شود که شدت سیگنال دریافت شده دارای توزیع
باشد اگر که فقط جزء NLOS سیگنال RF وجود داشته باشد.
where .
توزیع ریسین
فدینگ کوتاه مدت باعث می‌شود که شدت سیگنال دریافت شده دارای توزیع اگر که یک جزء قوی LOS سیگنال RF با چندین جزء NLOS سیگنال وجود داشته باشد. این نوع از توزیع بیشتر در نواحی روستایی و داخلی ساختمان‌ها دیده می‌شود.
مدل کانال
روش‌های آماری مدل کردن کانال
این روش در مدل‌سازی کانال‌های رادیویی در محیط‌های شهری و خارج ساختمان استفاده می‌شود.
تا پیش از توسعه پردازنده‌های با سرعت و حافظه بالا (دهه 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 کارآیی سیستم‌های مخابراتی مناسب هستند که برای طراحی سیستم‌های مخابراتی بسیار سودمند است، اما نمی‌توانند دقیقا معین کنند که کارآیی 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 دامنه 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.
کانال پیچیده و متغیر با زمان داخل ساختمان را می‌توان مدل نمود. 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 مولفه‌های چندمسیری آن به‌طور کامل مدل نمود ۲. به‌طور کلی بعضی از مهمترین مشخصه‌های کانال مانند تغییرات موقتی کانال، افت مسیر (path loss)، تاخیر اضافه میانگین (mean excess delay)، گسترش تاخیر rms (rms delay spread) و … را می‌توان با دانستن پاسخ ضربه بدست آورد. 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. در این مدل محور زمان به بازه‌های کوچک زمانی به نام ‘bin’ تقسیم می‌شود. فرض می‌شود که هر bin یا حاوی یک مولفه چند مسیره‌است یا حاوی هیچ مولفه‌ای نیست و احتمال آنکه یک bin شامل بیش از یک مولفه باشد در نظر گرفته نمی‌شود.
مقادیر عملی اندازه هر bin را قدرت تفکیک زمانی وسیله اندازه‌گیری مشخص می‌کند، به نحویکه دو مسیری که در یک bin قرار گرفته‌اند توسط وسیله اندازه‌گیری قابل تفکیک نیستند. با استفاده از این مدل هر پاسخ ضربه را می‌توان با استفاده از دنباله‌ای از صفر و یک معین کرد. این دنباله را دنباله معین‌کننده مسیر می‌نامند. در این دنباله هر “یک” نشانگر وجود یک مولفه در bin متناظر با آن و هر “صفر” نشانگر عدم وجود مولفه در bin متناظر با آن است. به هر “یک” دامنه و فاز مولفه متناظر با آن هم نسبت داده می‌شود. حسن این روش آن است که عمل شبیه‌سازی را بسیار آسان می‌کند. به علاوه تجزیه و تحلیل کارآیی 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 دامنه ثابت (مدوله نشده) در محیط چند مسیری ارسال می‌شود یک گیرنده در حال حرکت به دلیل جمع برداری مولفه‌های چند مسیری یک سینوسی با تغییرات دامنه شدید را مشاهده می‌کند.
مدلی برای پاشیدگی چند مسیری
امواج اصلی معمولا شامل ۱-اشعه 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. اشعه‌های اصلی بر حسب مکان گیرنده تصادفی هستند. این اشعه‌ها در حوزه 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 تاخیرهای تقریبا مشابه به گیرنده می‌رسند تضعیف‌های تقریبا مشابه اشعه‌های اصلی بر حسب مکان گیرنده تصادفی هستند.
line of sight
reflected
scattered
این اشعه‌ها در حوزه 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 تاخیرهای تقریبا مشابه به گیرنده می‌رسند تضعیف‌های تقریبا مشابه دیده‌اند، ولی به دلیل طی مسیرهای مختلف فاز آن‌ها متفاوت خواهد بود. واحد سیار جمع دامنه این مسیرها را که یک متغیر تصادفی است دریافت می‌کند.
مشخصه‌سازی مدل پاسخ ضربه
توزیع دنباله زمانی رسیدن مولفه‌ها:
در اینجا چندین فرایند نقطه‌ای نامزد مورد بررسی قرار می‌گیرند:
مدل پواسن استاندارد: چنین فرایندی در عمل هنگامی‌رخ می‌دهد که رخدادهای مشخصی به‌طور کاملا تصادفی در زمان رخ می‌دهند. در مدل داخل ساختمان اگر موانعی که باعث فیدینگ چند مسیره می‌شوند به‌طور کاملا تصادفی قرار گرفته باشند فرض پواسن باید برای توصیف زمان رسیدن مولفه‌ها کافی باشد.
مدل پواسن تصحیح شده: این مدل که نخستین بار توسط تورین و همکاران برای توصیف دنباله زمان رسیدن در کانال موبایل پیشنهاد شد و توسط سوزوکی به خوبی بهبود یافت. این مدل خاصیت خوشه‌ای بودن مولفه‌ها 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 مولفه‌هااست.
پواسن تصحیح شده – فاصله‌های زمانی غیر نمایی:اگر فاصله زمانی بین دو مولفه 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 نسخه دو بعدی آن در کیهان‌شناسی برای مطالعه توزیع کهکشان‌ها استفاده شده‌است. این فرایند دارای مراکز خوشه‌ای است که از توزیع پواسن پیروی می‌کنند. به علاوه عناصر هر خوشه نیز دارای توزیع پواسن هستند.
توزیع دامنه مولفه‌ها
در این قسمت توزیع دامنه مولفه‌ها بررسی می‌شود. در یک محیط چند مسیری اگر تفاوت تاخیر زمانی تعدادی از مولفه‌ها بسیار کمتر از معکوس پهنای باند سیگنال باشد این مولفه‌ها را نمی‌توان به صورت پالسهای مجزا تفکیک کرد. این زیر مولفه‌های غیر قابل 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. با این حال به میزان کمتری مورد توجه قرار گرفته‌است.
در حالت فیدینگ رایلی فرض شده بود که طول بردارهای مولفه‌های رسیده برابر و فاز آن‌ها تصادفی است. در یک مدل واقعی‌تر که توسط ناکاگامی پیشنهاد شد، تصادفی بودن طول بردارهای مولفه‌های رسیده نیز مد نظر قرار گرفت.
مدل کردن کانال با استفاده از روش‌های فرکانسی یا Super-Resolution:
به‌طور کلی روش‌های Autoregressive :AR برای مدل نمودن فرایندهای تصادفی استفاده می‌شوند. در این
مدل‌ها فرض می‌شود که فرایند اتفاقی حاصل عبور یک نویز سفید از یک کانال تمام قطب می‌باشد.
در مدل کردن کانال به روش AR فرض می‌شود که نمونه‌های مشاهده شده فرایند خروجی یک فیلتر
خطی با تابع انتقال خاص خود هستند، که با سیگنال نویز تحریک شده‌است. فیلتر فوق را می‌توان باP قطب در صفحه مختلطZ نیز نمایش داد.
در مدل AR زمانی قطب نزدیک به دایره واحد(درنمودار مکان قطب‌ها) نشانگر توان قابل توجه در فرکانس مربوط به زاویه آن قطب است. در کاربرد AR فرکانسی، قطب نزدیک به دایره واحد نشانگر توان قابل توجه در زمان مربوط به زاویه آن قطب است.
یک مدل ۲ قطبی برای نشان دادن کانال رادیویی داخل ساختمان کافی است.
توزیع فاز مولفه‌ها:
کارآیی سیستم‌های مخابراتی داخل ساختمان به خواص آماری دنباله فاز مولفه‌ها بستگی دارد. با این حال به دلیل سختی اندازه‌گیری جداگانه فاز مولفه‌ها تاکنون هیچ مدل تجربی برای توزیع فاز مولفه‌ها بدست نیامده‌است.
فاز سیگنال به شدت به طول مسیر حساس است و با تغییر طول مسیر به اندازه طول موج سیگنال (۳۰ سانتی‌متر در یک گیگاهرتز) به میزان تغییر می‌کند. با در نظر گرفتن هندسه 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 تاخیر ثابت برای یک مکان مشخص همبسته هستند. اما مولفه‌های چند مسیره قابل آشکارسازی مجاور دارای فازهای مستقل اند، زیرا فاصله اضافه آن‌ها (تاخیر 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 مولفه چند مسیره در هر نقطه ثابت در فضا اهمیت ندارد بلکه تاکید مدل‌سازی باید بر تغییرات فاز هنگام تغییر مکان واحد سیار در کانال قرار گیرد.
وابستگی ما بین متغیرهای تصادفی مختلف مولفه‌ها
محتمل است که مولفه‌های مجاور در یک پروفایل همبسته باشند. بااین حال به غیر از موارد استثنایی که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود وجود و درجه 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 قبلا توضیح داده شد، مثالی از یک مدل است که زمان‌های رسیدن در آن وابسته هستند. از آنجائیکه پژواک هر مولفه با گذشت زمان بیشتر تضعیف می‌گردد احتمال آشکارسازی و دریافت مولفه ناشی از پژواک با افزایش تاخیر اضافه کاهش می‌یابد.
در اندازه‌گیری‌هایی که با قدرت تفکیک بالا انجام می‌شود، احتمال آنکه دامنه مولفه‌های مجاور چند مسیره با هم همبسته باشند می‌رود زیرا اشیاء پراکنده‌کننده این مسیرها احتمالا یکی هستند. آنالیز داده‌هایی که از محیط‌های کارخانه‌ای جمع‌آوری شده‌است نشان داده که همبستگی مولفه LOS با مولفه‌های مجاور آن ناچیز است. به‌طور دقیق‌تر دامنه مولفه LOS با دامنه مولفه رسیده در ۸ نانوثانیه ناهمبسته، با مولفه ۱۶ نانوثانیه همبسته با ضریب منفی و با مولفه‌هایی که بعد از ۲۵ نانوثانیه می‌رسند نیز ناهمبسته بوده‌است.در حالتی که مولفه LOS وجود ندارد دامنه‌ها برای تاخیر اضافه بزرگتر از ۲۵ نانوثانیه ناهمبسته می‌شوند.
نتیجه‌گیری کلی این بوده‌است که دامنه مولفه‌ها تنها در صورتی‌که با فاصله کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه از یکدیگر برسند همبسته هستند. آنالیز داده‌های جمع‌آوری شده از دو ساختمان اداری در همبستگی بین دامنه مولفه‌های چند مسیری مجاور در یک پروفایل نشان داده‌است که ضرایب همبستگی معمولا 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. این موضوع در فیلتر متغیر با زمان رابطه نیز رعایت شده‌است. تجزیه و تحلیل چنین کانال متغیر با زمانی بسیار دشوار است. 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 منطقه 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 تاخیر میانگین و گسترش تاخیر rms: مقدار عددی گسترش تاخیر میانگین و گسترش تاخیر rms به اندازه و نوع ساختمان، وجود یا عدم وجود LOS، و… بستگی دارد. مقادیر گزارش شده برای گسترش تاخیر 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.
نظریه اطلاعات