Многолучевое распространение сигнала

Многолучевое распространение сигнала (Multipath) в сетях Wi-Fi


Многолучевое распространение это феномен распространения сигнала, в результате которого появляются два или более путей прибытия сигнала на антенну приемника в одно и то же время или с минимальным отличием по времени (наносекунды разницы). При обычном распространении волн в привычных каждому окружениях при распространении возникают такие эффекты как:
- отражение,
- отражение с разбиением на множество малых волн,
- прохождение волн через препятствия с изменением характеристик,
- огибание волнами препятствий и изменение направления волны при достижении крупного препятствия.
И все это всякий раз проявляется по разному. Также важно понимать, что в определенных условиях отдельные эффекты проявляются значительно сильнее, например существенное отражение возникнет когда в комнате есть большие металлические шкафы или антенна находится рядом с шахтой и дверьми лифта и, вероятнее всего, в таком случае этот эффект будет преобладать.  В любом случае данные эффекты будут создавать условия возникновения множественных копий и множественных путей одного исходного сигнала. Все это в полной мере применимо к сетям стандарта WiFi 802.11.

 

 


Внутри помещений отраженные сигналы WiFi и их эхо-сигналы (копии исходного сигнала WiFi) могут вызываться такими условиями как длинные коридоры, стены, столы, пол, шкафы, а также большим количеством других препятствий. Такие внутренние зоны с большим количеством металла, как ангары аэропортов, складские ангары, цеха заводов и фабрик изначально являются объектами с высоким уровнем многолучевого распространения сигналов Wi-Fi из-за большого количества отражающих поверхностей. Обычно именно отражение является основной причиной многолучевого распространения сигнала WiFi.

На улице (вне помещений) многолучевое распространение WiFi может вызываться отражением от дороги, от большого зеркала воды (озеро, река и т.п.), от зданий или от атмосферы при возникновении специфических условий.

Таким образом мы будем иметь сигналы, которые изменяют направление (изгибаются с приближением или удалением) во многих различных направлениях.  Базовый/исходный сигнал WiFi будет доходить до приемной антенны, но множественные копии сигналов с изменными направлениями и после многих переотражений могут также добраться до приемной антенны имея совершенно непредсказуемые характеристики (фазу, аплитуду и т.п.). Обычно для отраженных сигналов требуется несколько больше времени, чтобы добраться до приемной антенны из-за необходимости пройти больший путь, чем базовый сигнал. Разница во времени может измеряться в наносекундах. Эта временная разница называется задержкой распространения сигнала (delayspread).  При этом одни технологии более подвержены такого рода задержке, другие менее.

Для радиосигналов эффект многолучевого распространения может становиться положительным или отрицательным (иногда говорят: конструктивным или деструктивным).  Значительно чаще результат является отрицательным. Из-за разницы в фазах множества путей копий сигналов комбинированный сигнал на приемнике чаще будет затухать или будет повреждаться.

Давайте рассмотрим следующие четыре результата возникновения многолучевого распространия сигнала:

Прирост уровня сигнала (Upfade)
Это увеличение силы сигнала (увеличение амплитуды). Когда множественные радиосигналы прибывают на приемник в одно и то же время и находятся в фазе или с небольшим расфазированием по отношению к базовому сигналу, то результатом будет увеличение силы сигнала (увеличение амплитуды). Небольшая разница в фазах в пределах от 0гр до 120гр будет вызывать прирост уровня сигнала. Это положительное или конструктивное многолучевое распространение сигнала.
Важно пояснить, что принятый сигнал никогда не будет сильнее исходного (сигнал вышедший с антенны передатчика) в силу огромного негативного влияния потерей при распространении в свободном пространстве (FSPL/Free Space Path Loss).

Снижение уровня сигнала (Downfade)
Это снижение силы сигнала (уменьшение амплитуды).  Когда множественные радиосигналы прибывают на приемник в одно и то же время и находятся Не в фазе с базовым сигналом результатом будет снижение уровня сигнала. Разница в фазах в диапазоне от 121гр до 179гр будет приводить к снижению уровня. В результате имеем негативное или деструктивное многолучевое распространение.

Обнуление сигнала (Nulling)
Это полное затухание сигнала. Когда множественные радиосигналы прибывают на приемник в одно и то же время и имеют разницу фаз в 180гр с базовым сигналом результатом будет обнуление. Это Полное затухание сигнала. В результате имеем негативное или деструктивное многолучевое распространение.

Повреждение данных при передаче (Datacorruption)
Из-за разницы во времени между базовым сигналом и множественными отраженными копиями (эта разница – задержка распространения) приемник может иметь проблемы с демодуляцией принимаемого сигнала.  Фактически одной из больших проблем задержки распространения является наложение битов информации друг на друга в результате чего данные повреждаются. Такой тип интерференции при многолучевом распространении называется межсимвольной интерференцией (ISI/Inter Symbol Interference). Повреждение данных это одна из наиболее частых проблем  деструктивного многолучевого распространения. При этом принимающая сторона (точка доступа) будет определять возникновение повреждения (ошибок)  путем проверки параметра контрольной суммы (CRC/Cyclic Redundancy Check) в устройстве стандарта WiFi 802.11 . Стандарт WiFi 802.11 определяет, что большинство юникастовых фреймов должны быть подтверждены принимающей стороной путем отправки специального фрейма-подтверждения. При отсутствии подтверждения отправляющая сторона должна перепослать фрейм. Приемник не будет отправлять фрейм-подтверждение в случае обнаружения проблемы с CRC с принятым фреймом. Конечно возникает необходимость перепосылки, но это лучше, чем ошибки в интерпретации  поврежденного фрейма.

 

 


Многолучевое распространение может иметь негативный эффект  на общую производительность, пропускную способность и увеличение задержек вашей сети стандарта Wi-Fi из-за необходимости выполнения перепосылок фреймов 2-го уровня, прямой причиной которых является межсимвольная интерференция.  Это касается любой сети WiFi 802.11.

Многолучевое распространение является очень серьезной проблемой для сетей устаревших стандартов Wi-Fi 802.11 a/b/g. Использование направленных антенн нередко может позволить снизить негативный эффект. Также может положительно влиять разнесение приемных антенн WiFi (diversity).  Иногда помогает снижение мощности излучения на передаче WiFi-устройства или использование антенн с меньшим коэффициентом усиления (конечно это работает пока поддерживается необходимый уровень связи с ответной стороной).

Для современных сетей стандарта WiFi 802.11n существует значительно больше механизмов компенсации проблем многолучевого распространения сигнала. Здесь большой положительной эффект оказывает применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) с разнесением антенн WiFi как на передающей стороне, так и на принимающей, а также такие техники, как комбинирование принятых сигналов с цифровой обработкой для искусственного создания условий положительной интерференции и результирующего усиления (MRC/Maximum Ratio Combining). Подробнее смотрите на Wi-Life.ru раздел Академия Wi-Fi > 802.11n-MIMO.

Для получения анонсов при выходе новых тематических статей или появлении новых материалов на сайте предлагаем подписаться.


Присоединяйтесь к нашей группе на Facebook: www.facebook.com/Wi.Life.ru
Мы публикуем новости, информацию о выходе новых статей и расширении контента основных модулей ресурса Wi-Life.ru


Wi-Life.Team

Использование материалов этого сайта разрешено только с согласия Wi-Life.ru и наличии прямой ссылки на источник.

blog comments powered by Disqus