Multipath Fading Channel

Introdução

Em sistemas de comunicação sem fio o sinal transmitido sofre várias perdas devido as características intrínsecas do canal móvel. Efeitos de propagação, distorções, ruído e interferência são características do canal, que de forma aleatória trás a ocorrência da variação da potência do sinal transmitido, causando consequentemente atenuações no sinal. Essas variações de intensidade do sinal são denominadas de desvanecimento, característica presente nos canais sem fio. A propagação por múltiplos caminhos é um fenômeno muito comum que trás a ocorrência do desvanecimento nas transmissões por canais móveis. Ela corresponde aos vários caminhos que o sinal percorre entre o transmissor e o receptor ao se refletir pelas superfícies dos obstáculos presentes no meio e a difração e reflexão acima e no entorno dos mesmos. O espalhamento desses retardos causam variações de fase e amplitude gerando atenuações do sinal recebido caracterizando o desvanecimento

Modelando um sistema de comunicação móvel percebemos que essas atenuações e os atrasos de propagação pelos múltiplos caminhos presentes variam de forma aleatória dependendo da distribuição da intensidade do sinal. Assim modelos estatísticos de distribuição são utilizados para descrever o nível do sinal recebido em boa parte dos sistemas móveis. . Em ambientes onde não há linha de visada (LOS) entre transmissor e receptor, restando para comunicação as componentes de multipercurso o canal móvel e denotado com desvanecimento Rayleigh, caso contrario é denotado com desvanecimento Rician.

Modelo em Simulink

Primeiramente baixe o arquivo a seguir Sistema.zip (que é uma versão parametrizável daquele encontrado na pasta em /opt/MATLAB/R20xxx/toolbox/comm/commdemos). Descompacte e certifique-se que no Matlab você esteja no diretório onde descompactou o arquivo. Digite no terminal do Matlab:

open_system('multipathfading')

ou

multipathfading

Toolbox e blocos necessários

Para realização da simulação, é necessários o Communications System Toolbox html, pdf fornecido pelo próprio Simulink. A seguir temos os blocos utilizados no modelo de simulação:

Communications System Toolbox

Para uma melhor visualização dos blocos e subsistemas usar [Tools>Model Explorer]

Descrição do Modelo

Este modelo mostra como utilizar os blocos de desvanecimento Rayleigh e Rician do Communications System Toolbox™. Os canais Rayleigh e Rician são modelos úteis de fenômenos do mundo real em comunicações sem fio. Basicamente o modelo simula uma transmissão por frames utilizando modulações digitais em um canal com desvanecimento de multipercurso seguindo uma distribuição Rayleigh e Rician. Mais informações [1]

Parâmetros e Seleção das Configurações do Modelo

Neste modelo é possível controlar através das variáveis do bloco "Parâmetros do modelo", os parâmetros para realização do mesmo bem como eventual testes. Os parâmetros fornecidos por este bloco são:

Bloco Bernoulli Binary Generator

bitRate -> Transmission rate (b/s);
symbolPerFrame -> Number of symbols per transmitted frame.

Bloco Modulador Baseband

Modulation used -> Choice of modulation used (M-QAM,BPSK,QPSK,M-FSK,M-DPSK);
M_ary -> Order modulation.

Blocos Multipath Rayleigh Fading Channel e Multipath Rician Fading Channel

maxDopplerShift -> Maximum Doppler shift of diffuse components (Hz);
delayVector -> Discrete delays of channel (s);
gainVector -> Average path gains (dB);
LOSDopplerShift -> Doppler shift of line-of-sight component (Hz);
KFactor -> Ratio of specular power to diffuse power.

Possibilidades de Testes

Os testes foram realizados nas versões 2014a e 2015a do software Matlab, funcionando perfeitamente nas mesmas. A seguir alguns testes que podem ser feitos com este modelo.

Podemos ver o mapeamento dos bits modulados após o mesmo sofrer as degradações impostas pelo canal através de pontos em uma constelação pelos blocos After Rayleigh Fading e After Rician Fading;
Outro teste válido é alterar o tipo de modulação utilizada para fins de comparação;

Para visualizar os resultados e características do canal Rayleigh simulado, digite no Matlab os seguintes comando:

multipathfading
modelname = 'multipathfading';
rayleigh_block = [modelname '/Multipath Rayleigh Fading Channel'];
rician_block = [modelname '/Multipath Rician Fading Channel'];
set_param(rayleigh_block, 'openVisAtStart', 'on');
set_param(rician_block, 'openVisAtStart', 'off'); 
Tsim = 20;
sim(modelname, Tsim);

Resultados e características visualizadas:

Resposta ao impulso do canal;
Resposta em frequência do canal;
Resposta ao impulso do canal em cascata;
Função de espalhamento;
Trajetória fasorial;
Ganhos de cada percurso;
Componentes de multipercurso;
Espectro Doppler;

Para visualizar os mesmos resultados e características do canal Rician simulado, digite no Matlab os seguintes comando:

multipathfading
modelname = 'multipathfading';
rayleigh_block = [modelname '/Multipath Rayleigh Fading Channel'];
rician_block = [modelname '/Multipath Rician Fading Channel'];
set_param(rayleigh_block, 'openVisAtStart', 'off');
set_param(rician_block, 'openVisAtStart', 'on'); 
Tsim = 20;
sim(modelname, Tsim);