small scale channel model에서는 크게 delay spread와 doppler spread 두가지 현상을 바라봄
- delay spread : frequency가 선택적으로 다른 영향을 미칠 것인가, 아니면 모든 주파수 대역에서 똑같은 영향을 미칠 것인가.
- doppler spread : 수신된 신호의 파워 값이 변화되는데 이 변화가 빠르냐 느리냐를 좌우
Delay Spread
무선 이동통신에서는 아래 그림처럼 이동통신 환경에서 reflection, diffraction, scattering의 현상으로 인해 신호가 수신되었을 때 하나의 신호만 오는 것이 아닌, 여러 개의 multi path를 통한 다중 신호가 수신됨.
impulse signal을 예로보면, impulse signal s(t)는 delta(t)라는 신호를 무선 채널을 통해서 전송을 했을 경우 수신단에서 delta(t-tau), 1/2*delta(t--2tau),...의 4개의 impulse 신호를 수신단에서 수신함.
wireless channel을 LTI system이라고 가정하면 impulse signal을 전송했을 때 수신한 신호는 impulse response라고 말할 수 있으며, 이 signal이 impulse를 보냈을 때 수신된 신호이므로, 이것을 impulse response h(t)라고 놓고 h(t)는 아래 그림과 같이 4개의 서로 다른 impulse signal이 서로 다른 delay와 amplitude 값을 가지게 됨
이러한 신호들이 delay되서 들어오면, 신호가 겹치는 부분들이 생기는데 이렇게 현재 수신된 신호가 이전 신호와 서로 겹쳐서 내가 받은 신호가 무엇인지를 판단하기 어렵게 만드는 현상이 바로 Inter symbol interference
delay spread에 비해서 T 값이 작거나 비슷하면(pulse의 폭이 좁으면) ISI에 대한 영향이 심각하고
delay spread에 비해 T 값이 크면(Pulse의 폭이 크면) ISI에 대한 영향이 작을 것임
이를 modulation과 연관짓는다면 아래의 수식의 관계를 가짐
Coherent bandwidth : 시간적으로 말하는 delay spread를 주파수 도메인에서 해석하여 H(f)가 ISI에 심각한 영향을 받지 않도록 하는, 다시말해 채널이 flat한 것으로 간주될 수 있는 주파수 범위의 통계적 측정값
Frequency Flat Fading : 넓은 주파수 영역에 걸쳐서 fading이 나타나는 현상
Frequency Selective Fading : Symbol duration이 좁아서(T가 작아서) 주파수가 선택적으로 영향을 받은 현상
ISI를 극복하기 위해 여러 방법이 있지만 multi-carrier transmission 방법을 알아볼 것임
receiver는 신호를 수신했을 때 scattering, diffraction, reflection의 3가지 요소에 의해 하나의 신호가 아닌, 여러 개의 신호를 수신함. 게다가, 만약 수신자가 계속 움직이고 있다면(mobility 존재) 주변에 있는 환경은 계속해서 변화되어서(Scattering, diffraction, reflection에 의해) 수신된 신호의 세기가 계속해서 달라짐
scattering(산란) : 어떤 매질을 직선 경로로 통과하는 빛, 소리 등의 복사가 하나 이상의 국부적 불균일성에 의해 경로를 벗어나는 현상
diffraction(회절) : 음파나 전파 또는 광파 등이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 파동이 그 뒤편까지 전파하는 현상
reflection(반사) : 파동이 다른 두 매질의 경계에서 방향을 바꿔 진행하는 물리 현상
통신공학에서는 이렇게 변화하는 특성들을 wireless channel이라 하여 black box 모델로서 표현
Digital Communications(디지털 통신)
Signal Power
Instantaneous power : 순간에 측정한 파워, 매 시간에 따라 변함
Average power : 시간적으로 average를 취한 power
Mathematical Model of Wireless channels
신호를 받았을 때(r(t)) AWGN을 제거하고, f에 대한 역함수를 취하면 s(t)를 그대로 복원할 수 있지 않을까?
우리의 목적은 무선 채널 모델인 f 함수를 알아내는 것이며, f라는 함수를 알아내는 것이 채널을 예측하는 과정.
채널 모델 Categorization
평균 전력(Average Power)에 따른 채널 모델 상황
Instantaneous Power에 따른 채널 모델 상황
Delay Spread : 무선 전파의 다중경로(Multipath)환경에서 각각 다른 경로를 거치게 된, 첫 번째 수신된 전파와 그 다음 반사되어 오는 수신전파 사이에 지연된 시간
scattering, diffraction, reflection이 있는 환경에서, 신호를 하나 보냈음에도 수신단에서는 N개의 서로 다른 delay를 가진 여러 개의 신호(t, t-τ1, t-τ2...)를 받을 것임
Doppler Spread : 도플러 효과(어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상) 등에 의해서 주파수 변동/퍼짐/늘려짐을 겪게되는 현상
즉, mobility가 존재하는 node의 속도에 비례해서 변이가 일어남
Average Power와 Instantaneous Power가 모두 고려된 상황에서의 Received Signal Power 그림
궁극적인 목표.
Large scale fading model : average power에 대한 채널 모델
즉, path loss와 shadowing을 모델링하는 것
Small scale fading model : Instantaneous power에 대한 채널 모델
주파수 성분마다 다른 영향을 받느냐에 따라 frequency flat이냐 frequency selective냐를 볼 것이고 추가로 fast fading이나 slow fading이냐를 볼 것인데, 이들을 고려한 모델링.
즉, 받은 신호의 주파수 성분, 다시 말해 주파수대역 마다 다른 영향을 받는다면 frequency selective fading이라고 말을 하고 같은 영향을 받는다면 frequency flat fading이라고 함
