Фединг¶

Фединг (от англ. fading — затухание, угасание) — это явление постепенного снижения уровня сигнала при передаче информации по радиоканалу, вызванное изменением условий распространения радиоволн. Фединг приводит к ухудшению качества связи, появлению ошибок в передаваемых данных и, в критических случаях, к полной потере соединения. В радиотехнике и телекоммуникациях фединг рассматривается как один из основных факторов, ограничивающих дальность и надёжность беспроводной связи.

¶Природа и механизмы возникновения

Фединг возникает в результате интерференции радиоволн, распространяющихся от передатчика к приёмнику по нескольким путям (многолучевое распространение). Сигнал, отражённый от земли, зданий, деревьев, атмосферных слоёв или других препятствий, приходит в точку приёма с различной задержкой, фазой и амплитудой. Векторное сложение этих копий сигнала в приёмной антенне приводит к тому, что результирующий уровень сигнала может как усиливаться (конструктивная интерференция), так и ослабляться (деструктивная интерференция). Быстрые изменения условий распространения, например, движение передатчика или приёмника, перемещение отражающих объектов (автомобилей, людей, листвы), а также турбулентность атмосферы, вызывают случайные флуктуации уровня сигнала во времени.

¶Классификация фединга

Фединг классифицируется по нескольким признакам, основными из которых являются масштаб изменений, скорость затухания и частотная избирательность.

¶По масштабу изменений

• Медленный фединг (large-scale fading). Обусловлен крупномасштабными изменениями условий распространения, такими как удаление от передатчика, затенение сигнала крупными препятствиями (холмами, зданиями, лесами). Уровень сигнала меняется медленно, на протяжении десятков или сотен длин волн. Моделируется логарифмически-нормальным распределением (логнормальный фединг). Характерен для мобильной связи в условиях городской застройки.
• Быстрый фединг (small-scale fading). Вызван интерференцией многолучевых компонентов сигнала на малых расстояниях (порядка длины волны). Изменения уровня сигнала происходят быстро, на протяжении долей секунды. Амплитуда сигнала при быстром фединге часто описывается распределением Рэлея (при отсутствии прямой видимости) или распределением Райса (при наличии сильного прямого луча).

¶По частотной избирательности

• Плоский фединг (flat fading). Все частотные компоненты сигнала ослабляются примерно одинаково. Возникает, когда ширина полосы сигнала меньше полосы когерентности канала. При плоском фединге сигнал искажается незначительно, но его уровень может падать до нуля (глубокий фединг).
• Частотно-селективный фединг (frequency-selective fading). Разные частотные компоненты сигнала ослабляются по-разному. Возникает, когда ширина полосы сигнала превышает полосу когерентности канала. Приводит к межсимвольной интерференции (ISI) — наложению соседних символов друг на друга, что является основной причиной ошибок в цифровых системах связи.

¶По временной изменчивости

• Рэлеевский фединг. Характерен для каналов без прямой видимости (NLOS), где сигнал приходит по множеству отражённых путей. Амплитуда сигнала распределена по закону Рэлея.
• Райсовский фединг. Характерен для каналов с сильным прямым лучом (LOS), например, в спутниковой связи или на открытой местности. Амплитуда сигнала распределена по закону Райса, параметр K (отношение мощности прямого луча к мощности отражённых лучей) определяет степень замираний.

¶Влияние на системы связи

Фединг оказывает существенное негативное влияние на все виды беспроводной связи: радиовещание, мобильную связь, Wi-Fi, спутниковую связь, радиолокацию. Основные последствия:

• Снижение отношения сигнал/шум (SNR) в моменты глубоких замираний, что приводит к увеличению вероятности битовых ошибок (BER).
• Потеря пакетов данных и необходимость повторной передачи, что снижает пропускную способность канала.
• Ухудшение качества голосовой связи (треск, прерывания, эхо).
• Снижение дальности действия радиосистем.

¶Методы борьбы с федингом

Для уменьшения влияния фединга в современных системах связи применяются различные технические решения.

¶Разнесённый приём (diversity)

Один из наиболее эффективных методов. Идея заключается в том, чтобы передавать или принимать сигнал по нескольким независимым каналам (ветвям разнесения), вероятность одновременного замирания в которых мала. Основные виды разнесения:

• Пространственное разнесение: использование нескольких антенн на приёмной или передающей стороне, разнесённых на расстояние, превышающее длину волны (MIMO-технологии).
• Частотное разнесение: передача одного и того же сигнала на нескольких несущих частотах.
• Временное разнесение: повторная передача сигнала через интервал времени, превышающий время когерентности канала.
• Поляризационное разнесение: использование антенн с разной поляризацией (вертикальной и горизонтальной).

¶Адаптивная эквализация (equalization)

Используется для борьбы с частотно-селективным федингом и межсимвольной интерференцией. Эквалайзер — это адаптивный фильтр, который оценивает импульсную характеристику канала и корректирует принимаемый сигнал, компенсируя искажения. Применяется в системах с высокой скоростью передачи данных (например, в стандартах Wi-Fi 802.11n/ac/ax, LTE, 5G NR).

¶Кодирование с упреждающей коррекцией ошибок (FEC)

Введение избыточности в передаваемые данные позволяет приёмнику исправлять ошибки, вызванные кратковременными замираниями. Используются свёрточные коды, коды Рида — Соломона, турбо-коды, LDPC-коды.

¶Перемежение (interleaving)

Перестановка символов передаваемого сообщения таким образом, чтобы соседние символы исходного сообщения оказались разнесены во времени. Это позволяет превратить пакеты ошибок, вызванные глубокими замираниями, в одиночные ошибки, которые легче исправляются кодом FEC.

¶OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Метод модуляции, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на множество низкоскоростных поднесущих, передаваемых параллельно. Благодаря тому, что полоса каждой поднесущей узкая, влияние частотно-селективного фединга на каждую поднесущую сводится к плоскому федингу, который компенсируется проще. OFDM лежит в основе стандартов Wi-Fi, LTE, 5G NR, DVB-T/T2.

¶Примеры проявления в различных системах

• Мобильная связь (GSM, LTE, 5G): при движении автомобиля или пешехода уровень сигнала от базовой станции может быстро меняться, вызывая «замирания» и кратковременные обрывы связи. В городских условиях фединг особенно силён из-за отражений от зданий.
• Спутниковая связь: фединг возникает при прохождении сигнала через тропосферу и ионосферу, а также при дожде (особенно на частотах выше 10 ГГц). Для спутникового телевидения характерны кратковременные «замерзания» картинки во время сильного ливня.
• Радиолокация: отражение радиолокационного сигнала от подстилающей поверхности (земли, моря) может приводить к интерференции с прямым лучом, вызывая «слепые зоны» на малых высотах.
• Wi-Fi: фединг в помещении возникает из-за отражений от стен, мебели и людей, что приводит к нестабильной скорости и потере пакетов.

¶Интересные факты

• Явление фединга было впервые описано в контексте распространения радиоволн в ионосфере в начале XX века. Эксперименты Гульельмо Маркони по трансатлантической радиосвязи показали, что уровень сигнала на приёмной стороне постоянно меняется.
• В системах сотовой связи для оценки качества канала используется параметр «глубина фединга» — разница между средним уровнем сигнала и его минимальным значением в момент замирания. Глубина может достигать 30–40 дБ.
• Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output), широко применяемая в 4G и 5G, не только увеличивает пропускную способность, но и эффективно борется с федингом за счёт пространственного разнесения.

¶Источники

1. Прокис Дж. Цифровая связь. — М.: Радио и связь, 2000.
2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — М.: Вильямс, 2003.
3. Раппапорт Т. С. Беспроводная связь: принципы и практика. — М.: Вильямс, 2004.
4. Галкин В. А. Основы радиосвязи и телевидения. — М.: Горячая линия – Телеком, 2015.
5. Материалы курса «Распространение радиоволн» Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).