맨위로가기

페이딩

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

페이딩은 송신기와 수신기 사이의 전파 경로 상의 다양한 요인에 의해 발생하는 신호 세기의 감쇠 또는 변동 현상을 의미한다. 다중 경로 페이딩, 음영 페이딩, 시간 및 주파수 특성에 따른 분류 등 여러 종류가 있으며, 페이딩의 정도는 결맞음 시간, 도플러 확산 등과 관련된다. 페이딩은 통신 시스템의 성능 저하를 유발하므로, 다이버시티, 등화, 부호화, OFDM, MIMO 등의 기법을 통해 완화할 수 있다.

2. 페이딩의 주요 원인 및 개념

페이딩은 송신기와 수신기 사이의 전파 경로에 있는 다양한 요인 때문에 발생한다. 이러한 요인에는 장애물, 반사체, 굴절 등이 있으며, 이로 인해 신호 세기가 달라진다.

페이딩은 크게 다중 경로 페이딩과 음영 페이딩으로 나눌 수 있다. 다중 경로 페이딩은 여러 경로를 통해 전달된 신호들이 서로 간섭을 일으켜 발생하며, 신호가 강해지는 보강 간섭과 약해지는 상쇄 간섭이 나타날 수 있다. 음영 페이딩(Shadow Fading)은 건물, 산 등 큰 장애물에 의해 전파가 가려져 신호 세기가 약해지는 현상이다.[8]

페이딩 채널 모델은 셀룰러 네트워크 및 방송 통신에서 공기를 통한 정보의 전자기 전송 영향을 모델링하는 데 사용된다. 또한, 물로 인한 왜곡을 모델링하기 위해 수중 음향 통신에도 사용된다.

2. 1. 다중 경로 페이딩

다중 경로 페이딩은 송신기와 수신기를 둘러싼 환경에 반사체가 존재하여 전송된 신호가 여러 경로를 통해 이동할 때 발생한다. 결과적으로 수신기는 각각 다른 경로를 통과하는 전송된 신호의 여러 복사본의 중첩을 보게 된다.[8] 각 신호 복사본은 소스에서 수신기로 이동하는 동안 감쇠, 지연 및 위상 변화의 차이를 경험하게 된다. 이는 수신기에서 감지되는 신호 전력을 증폭하거나 감쇠시키는 보강 또는 상쇄 간섭을 초래할 수 있다. 심한 상쇄 간섭은 종종 '''심각한 페이딩'''이라고 하며 채널 신호 대 잡음비의 심각한 감소로 인해 통신의 일시적인 실패를 초래할 수 있다.[8]

심각한 페이딩의 일반적인 예는 신호가 차량이 불과 몇 미터만 움직여도 다시 수신되는 동안 신호등에 멈춰 FM 방송이 잡음으로 변하는 것을 듣는 경험이다. 방송 손실은 차량이 신호가 심각한 상쇄 간섭을 경험하는 지점에 멈춰 서기 때문에 발생한다. 휴대전화도 이와 유사한 일시적인 페이딩을 나타낼 수 있다.[8]

전파가 송신 지점에서 수신 지점까지 도달하는 경로가 여러 개일 때 발생한다. 각 전파 경로의 길이가 다른 것으로 인해 수신 지점에서 각 신호의 위상이 어긋나 서로 간섭하여 강해지거나 약해지는 것이 원인이다. 주파수가 높을수록, 또한 이동국의 이동 속도가 빠를수록 페이딩의 변동이 빨라진다.[8]

2. 2. 음영 페이딩 (Shadow Fading)

전파가 여러 경로로 전달될 때, 건물이나 터널 등에 의해 전파가 가려지는 음영 지역이 발생한다. 실제 환경에서 나무나 빌딩 등에 의해 전파가 약해지는 현상은 갑작스러운 신호 세기 변화를 일으킨다. 송신기와 수신기 사이의 실제 주변 환경에 따라 경로 손실(path loss)은 크게 달라지며, 이는 경로 손실 모델(예: two-ray 모델)로 보정할 수 있다. 신호를 받기 어려운 위치에서 신호가 약하거나 수신되지 않는 경우를 '''그림자 페이딩''' 또는 '''섀도 페이딩'''(shadow fading)이라고 한다.

3. 페이딩의 종류

페이딩은 변화 속도, 주파수 특성 등에 따라 다양하게 분류할 수 있다.


  • '''시간 선택적 페이딩'''은 시간에 따라 페이딩 크기가 달라지는 것을 의미하며, 도플러 확산에 의해 발생한다. 송신 신호가 채널의 변화 정도에 따라 얼마나 빠르게 변하는가에 따라 고속 페이딩(Fast Fading)과 저속 페이딩(Slow Fading)으로 구분된다.
  • '''주파수 선택적 페이딩'''(Frequency Selective Fading) 또는 '''선택적 페이딩'''(selective fading)은 상관 대역폭이 전송 신호 주파수 대역보다 좁은 경우를 말하며, 다중 경로 채널의 응답과 연관되어 나타난다. 다중 경로 지연 확산이 전송 심볼율보다 큰 경우에 발생한다. OFDMA 시스템에서 주파수 선택적 사용자 스케줄링 기법이나 주파수 다이버시티 기법 등에 활용되어 전체 시스템 이득을 개선하기도 한다.
  • '''그림자 페이딩''' 또는 '''섀도 페이딩'''(shadow fading)은 건물이나 터널 등으로 인해 전파의 음영 지역이 나타나는 현상이다. 실제 환경에서 나무나 빌딩 등에 의해 전파가 감쇠하여 신호 세기가 갑작스럽게 변한다.


이 외에도 다음과 같은 페이딩 종류가 있다.

  • '''편파성 페이딩''': 전파가 송신점에서 수신점에 도달하는 동안, 시간에 따라 편파면이 변화하는 경우에 발생한다.
  • '''도약성 페이딩''': 전리층의 전자 밀도 변화에 따라 전파가 전리층에서 반사되거나 전리층을 통과하면서 발생한다.
  • '''흡수성 페이딩''': 전파가 D층 및 E층을 통과할 때 감쇠를 받는데, D층 또는 F층의 전자 밀도가 시간에 따라 변화하면 감쇠량도 변화하여 발생한다.
  • '''K형 페이딩''': 대기 굴절률 분포 상태 변화로 인해 지구의 등가 반경 계수가 변화하여 발생한다.
  • '''신틸레이션 페이딩'''(Scintillation Fading): 대기층의 요동 등으로 인해 부분적으로 굴절률이 변화하고, 전파의 일부가 산란하여 직접파와 간섭하기 때문에 발생한다.
  • '''덕트형 페이딩''': 무선 덕트가 발생하여, 수신 전계 강도가 불규칙하게 변동하면서 발생한다.

3. 1. 시간에 따른 분류

시간에 따른 페이딩은 페이딩 크기가 시간에 따라 달라지는 현상으로, 도플러 확산에 의해 발생한다. 송신 신호가 채널의 변화 정도에 따라 얼마나 빠르게 변하는가에 따라 고속 페이딩(Fast Fading)과 저속 페이딩(Slow Fading)으로 구분된다.

느린 페이딩과 빠른 페이딩은 채널이 신호에 가하는 크기와 위상 변화의 속도를 나타낸다. 결맞음 시간(coherence time)은 채널의 크기 변화 또는 위상 변화가 이전 값과 상관관계가 없어지는 데 필요한 최소 시간을 측정하는 지표이다.

일반적으로 결맞음 시간은 도플러 확산과 반비례 관계를 가진다.

:T_c \approx \frac{1}{D_s}

여기서 T_c는 결맞음 시간이고 D_s는 도플러 확산이다. 이 방정식은 결맞음 시간의 근삿값이다.[2]

블록 페이딩은 페이딩 과정이 여러 심볼 간격 동안 거의 일정하게 유지되는 현상이다.[3] 시간 및 주파수 도메인 모두에서 블록 페이딩이 발생할 경우 '이중 블록 페이딩'이라고 한다.[4]

3. 1. 1. 느린 페이딩 (Slow Fading)

느린 페이딩은 채널의 결맞음 시간이 응용 프로그램의 지연 요구 사항에 비해 클 때 발생한다.[1] 이러한 상황에서 채널이 가하는 진폭 및 위상 변화는 사용 기간 동안 대략 일정하다고 간주할 수 있다.

느린 페이딩은 주로 언덕이나 큰 건물과 같은 큰 장애물이 송신기와 수신기 사이의 주요 신호 경로를 가리는 '''음영 현상'''으로 인해 발생한다. 음영 현상으로 인한 수신 전력 변화는 종종 로그 정규 분포를 사용하여 로그 거리 경로 손실 모델에 따라 표준 편차를 모델링한다.

채널의 결맞음 시간은 채널의 '''도플러 확산'''과 반비례 관계를 가지며, 일반적으로 다음과 같이 표현된다.

:T_c \approx \frac{1}{D_s}

여기서 T_c는 결맞음 시간이고, D_s는 도플러 확산이다. 이 방정식은 근삿값일 뿐이다.[2]

'''블록 페이딩'''은 페이딩 과정이 여러 심볼 간격 동안 거의 일정하게 유지되는 현상이다.[3] 채널은 시간 및 주파수 도메인 모두에서 블록 페이딩이 발생할 경우 '이중 블록 페이딩'될 수 있다.[4]

3. 1. 2. 빠른 페이딩 (Fast Fading)

빠른 페이딩은 채널의 결맞음 시간이 응용 프로그램의 지연 요구 사항에 비해 작을 때 발생한다. 이 경우 채널이 가하는 진폭 및 위상 변화는 사용 기간 동안 상당히 달라진다.[1] 즉, 채널의 변화가 신호의 심볼 주기보다 빠르게 발생한다.

빠른 페이딩 채널에서 송신기는 시간 다이버시티를 사용하여 채널 조건의 변화를 활용하여 일시적인 딥 페이드에 대한 통신의 견고성을 높일 수 있다. 딥 페이드가 일시적으로 전송된 일부 정보를 지울 수 있지만, 다른 시간 인스턴스 동안 성공적으로 전송된 비트와 함께 인터리빙을 사용하면 지워진 비트를 복구할 수 있다.[1]



채널의 결맞음 시간은 채널의 '''도플러 확산'''으로 알려진 양과 관련이 있다. 사용자(또는 사용자의 환경에 있는 반사체)가 움직이면 사용자의 속도로 인해 각 신호 경로를 따라 전송된 신호의 주파수가 이동한다. 이 현상은 도플러 이동으로 알려져 있다. 서로 다른 경로를 따라 이동하는 신호는 위상 변화율이 다르므로 서로 다른 도플러 이동을 가질 수 있다. 신호 페이딩 채널 탭에 기여하는 서로 다른 신호 구성 요소 간의 도플러 이동 차이를 도플러 확산이라고 한다. 도플러 확산이 큰 채널은 신호 구성 요소가 시간에 따라 위상이 각각 독립적으로 변화한다. 페이딩은 신호 구성 요소가 건설적으로 또는 파괴적으로 더해지는지에 따라 달라지기 때문에 이러한 채널은 결맞음 시간이 매우 짧다.[2]

일반적으로 결맞음 시간은 도플러 확산과 반비례 관계가 있으며, 다음과 같이 표현된다.[2]

:T_c \approx \frac{1}{D_s}

여기서 T_c는 결맞음 시간이고 D_s는 도플러 확산이다.

이동체가 빠르게 이동하면, 수신 신호가 응축되어 대역폭이 커진다. 따라서 가간섭성 시간이 펄스 지속 시간보다 작아지게 된다.

:Tc = 9 / (16 * pi * fd)

즉, 주파수 대역폭이 커지면 가간섭성 시간이 작아진다. 펄스가 지속되어야 하는 최소한의 시간보다 작아져 왜곡이 발생한다. 이를 "Fast Fading"이라 한다. 일반적으로 신호의 왜곡은 송신 주파수 대비 도플러 확산이 증가하면 증가한다. 실제적인 경우 fast fading은 오직 저속 데이터 전송을 경우 발생한다.

주파수가 높을수록, 또한 이동국의 이동 속도가 빠를수록 페이딩의 변동이 빨라진다.[8]

3. 2. 주파수 특성에 따른 분류

주파수 특성에 따라 페이딩은 크게 주파수 선택적 페이딩과 평탄 페이딩으로 나뉜다.

  • '''주파수 선택적 페이딩 (Frequency Selective Fading)''' 또는 '''선택적 페이딩'''(selective fading)은 다중 경로 전파에 의해 무선 신호가 자체적으로 부분 상쇄되어 발생한다.[8] 주로 전리층의 상태 변화에 영향을 받는다. 결맞음 대역폭이 신호의 대역폭보다 작을 때 발생하며, 신호의 주파수 성분마다 다른 페이딩을 경험한다.
  • '''평탄 페이딩 (Flat Fading)'''은 채널의 결맞음 대역폭이 신호의 대역폭보다 클 때 발생한다. 신호의 모든 주파수 성분이 동일한 크기의 페이딩을 겪는다.


'''시간 선택적 페이딩'''(Time selective fading)은 시간에 따라 페이딩 크기가 달라지는 현상으로, 도플러 확산에 의해 발생한다. 송신 신호의 변화 속도에 따라 고속 페이딩(Fast Fading)과 저속 페이딩(Slow Fading)으로 구분된다.

  • '''고속 페이딩(Fast Fading)''' : 이동체가 빠르게 움직일 때 발생하며, 수신 신호의 대역폭이 넓어져 가간섭성 시간이 짧아진다. 펄스 지속 시간보다 가간섭성 시간이 짧아지면 왜곡이 발생한다.
  • '''저속 페이딩(Slow Fading)''' : 가간섭성 시간이 펄스 지속 시간보다 길어 왜곡이 발생하지 않는 경우를 말한다.

3. 2. 1. 주파수 선택적 페이딩 (Frequency Selective Fading)

'''주파수 선택적 페이딩'''(Frequency Selective Fading) 또는 '''선택적 페이딩'''(selective fading)은 신호의 주파수 대역폭에 따라 페이딩 정도가 다르게 나타나는 현상이다. 다중 경로 전파로 인해 무선 신호가 자체적으로 부분 상쇄되어 발생한다.[8] 전리층의 다양한 층이 이동, 분리, 결합되는 이른 저녁이나 이른 아침에 주로 발생한다.



무선 전송된 신호는 다중 경로 채널을 통과하면서 주파수상에서 다양한 페이딩 환경(감쇠, 위상 변화)을 겪는다. 그 결과, 무선 통신 링크에서 페이딩을 측정하면 특정 수신 주파수가 다른 주파수에 비해 더 큰 감쇠를 겪는 경우가 있다. 이는 상관 대역폭이 전송 신호 주파수 대역보다 좁을 때 발생하며, 다중 경로 채널의 응답과 관련되어 나타난다. 다중 경로 지연 확산이 전송 심볼율보다 큰 경우에 발생한다.

선택적 페이딩은 느리고 주기적인 교란으로 나타난다. 상쇄 효과("널")는 특정 주파수에서 가장 깊으며, 이 주파수는 끊임없이 변화하면서 수신된 음향을 휩쓴다.

신호의 반송 주파수가 바뀌면 진폭 변화 크기도 달라진다. 결맞음 대역폭은 두 신호가 상관되지 않은 페이딩을 경험한 후 주파수 분리를 측정한다.

  • '''평탄 페이딩'''에서는 채널의 결맞음 대역폭이 신호 대역폭보다 크다. 따라서 신호의 모든 주파수 성분은 동일한 크기로 페이딩된다.
  • '''주파수 선택적 페이딩'''에서는 채널의 결맞음 대역폭이 신호 대역폭보다 작다. 따라서 신호의 서로 다른 주파수 성분은 상관되지 않은 페이딩을 경험한다.


신호의 서로 다른 주파수 성분이 독립적으로 영향을 받기 때문에, 신호 전체가 동시에 깊은 페이드에 의해 영향을 받을 가능성은 매우 낮다. 직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) 및 코드 분할 다중 접속 (CDMA)와 같은 특정 변조 방식은 주파수 다이버시티를 활용하여 페이딩에 대한 견고성을 제공한다. OFDM은 광대역 신호를 천천히 변조된 많은 협대역 부반송파로 나누며, 각 부반송파는 주파수 선택적 페이딩이 아닌 평탄 페이딩을 겪는다. 이는 오류 정정 부호, 등화 또는 적응형 비트 로딩을 통해 해결할 수 있다. 심볼 간 간섭은 사이클릭 프리픽스라는 심볼 간 가드 인터벌을 도입하여 방지한다. CDMA는 각 에코를 별도로 처리하기 위해 레이크 수신기를 사용한다.

주파수 선택적 페이딩 채널은 각 심볼과 관련된 신호 에너지가 시간에 걸쳐 분산되므로 ''분산적''이다. 이는 시간에 인접한 전송된 심볼이 서로 간섭하게 만든다. 등화기는 이러한 채널에서 심볼 간 간섭 영향을 보상하기 위해 자주 사용된다.

CDMA 통신에서는 심한 ISI(Inter Symbol Interference)를 유발할 수 있다. OFDMA 시스템에서는 주파수 선택적 사용자 스케줄링 기법이나 주파수 다이버시티 기법 등에 활용되어 전체 시스템 이득을 개선하기도 한다.

도플러 시프트에 노출되어 시간 변화 채널 모델이 생성될 수도 있다.

이러한 효과는 일부 다이버시티 방식을 적용하여 해결할 수 있다. 예를 들어 OFDM (부반송파 인터리빙 및 전방 오류 정정), 또는 별도 안테나를 사용하여 1/4 파장 간격으로 배치된 두 개의 수신기, 또는 두 안테나가 있는 특별히 설계된 다이버시티 수신을 사용할 수 있다. 이러한 수신기는 두 안테나에 도달하는 신호를 지속적으로 비교하여 더 나은 신호를 제공한다.

3. 2. 2. 평탄 페이딩 (Flat Fading)

평탄 페이딩(Flat Fading)은 채널의 결맞음 대역폭이 신호의 대역폭보다 클 때 발생한다. 이 경우 신호의 모든 주파수 성분은 동일한 크기의 페이딩을 겪는다. 평탄 페이딩은 상관 대역폭이 전송 신호 주파수 대역보다 넓어, 신호의 모든 주파수 성분이 같은 정도로 페이딩되는 현상이다.

3. 3. 기타 페이딩

블록 페이딩은 페이딩 과정이 여러 심볼 간격 동안 거의 일정하게 유지되는 현상이다.[3] 시간 및 주파수 도메인 모두에서 블록 페이딩이 발생할 경우 '이중 블록 페이딩'이라고 한다.[4] 많은 무선 통신 채널은 동적이며, 블록 페이딩으로 모델링된다. OFDM 시스템에서 레일리 스펙트럼의 자케스 모델을 기반으로 하는 서서히 변동하는 채널[5]이 블록 페이딩에 사용된다.

선택적 페이딩(주파수 선택적 페이딩)은 다중 경로 전파로 인해 무선 신호가 자체적으로 부분 상쇄되어 발생하는 전파 이상 현상이다. 신호가 다중 경로 전파를 통해 수신기에 도달하며, 경로 중 적어도 하나가 변화(길어지거나 짧아짐)한다. 두 경로는 모두 전파(skywave)일 수도 있고, 하나는 지표파(groundwave)일 수도 있다.

선택적 페이딩은 느리고 주기적인 교란으로 나타나며, 상쇄 효과("널")는 특정 주파수에서 가장 깊다. 이 주파수는 끊임없이 변화하면서 수신된 음향을 휩쓴다.

신호의 반송 주파수가 변경됨에 따라 진폭 변화의 크기도 달라진다. 결맞음 대역폭은 두 신호가 상관되지 않은 페이딩을 경험한 후 주파수의 분리를 측정한다.

  • 평탄 페이딩: 채널의 결맞음 대역폭이 신호의 대역폭보다 크다. 신호의 모든 주파수 성분은 동일한 크기의 페이딩을 경험한다.
  • 주파수 선택적 페이딩: 채널의 결맞음 대역폭이 신호의 대역폭보다 작다. 신호의 서로 다른 주파수 성분은 상관되지 않은 페이딩을 경험한다.


신호의 서로 다른 주파수 성분이 독립적으로 영향을 받기 때문에 신호의 모든 부분이 동시에 깊은 페이드에 의해 영향을 받을 가능성은 매우 낮다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 및 코드 분할 다중 접속(CDMA)과 같은 특정 변조 방식은 주파수 다이버시티를 활용하여 페이딩에 대한 견고성을 제공한다. OFDM은 광대역 신호를 천천히 변조된 많은 협대역 부반송파로 나누며, 각 부반송파는 주파수 선택적 페이딩이 아닌 평탄 페이딩에 노출된다. 이는 오류 정정 부호, 등화 또는 적응형 비트 로딩을 통해 해결할 수 있다. 심볼 간 간섭은 사이클릭 프리픽스라는 심볼 간의 가드 인터벌을 도입하여 방지한다. CDMA는 레이크 수신기를 사용한다.

주파수 선택적 페이딩 채널은 각 심볼과 관련된 신호 에너지가 시간에 걸쳐 분산되기 때문에 '분산적'이다. 이는 시간에 인접한 전송된 심볼이 서로 간섭을 일으키게 한다. 등화기는 이러한 채널에서 심볼 간 간섭의 영향을 보상하기 위해 자주 사용된다.

에코는 도플러 시프트에 노출되어 시간 변화 채널 모델을 생성할 수 있다.

이러한 효과는 OFDM (부반송파 인터리빙 및 전방 오류 정정) 또는 1/4 파장 간격으로 배치된 안테나를 사용하는 다이버시티 방식등으로 해결할 수 있다.

업페이드는 상쇄 간섭을 설명하는 데 사용되는 페이딩의 특수한 경우로, 무선 신호가 강해지는 상황이다.[6] 일부 다중 경로 환경에서는 서로 다른 경로를 통해 이동하는 신호가 수신기에 동위상으로 도착하여 주 신호에 더해져 신호 진폭이 증가한다. 따라서 수신기에 도달하는 전체 신호는 다중 경로 조건이 없을 경우보다 더 강해진다. 이 효과는 무선 LAN 시스템에서 두드러진다.[7]

3. 3. 1. 편파성 페이딩

전파가 송신점에서 수신점에 도달하는 동안, 시간에 따라 편파면이 변화하는 경우에 발생한다. 전리층에서 전파가 반사될 때 등에 이 작용을 받을 수 있다.

3. 3. 2. 도약성 페이딩

전리층에서 반사된 전파를 수신할 때 도약성 페이딩이 발생하는 경우가 있다. 전리층의 전자 밀도 변화에 따라 전파가 전리층에서 반사되거나 전리층을 통과하기도 한다. 수신 지점이 송신 지점으로부터 도약 거리 근처에 있을 때 이러한 현상을 겪기 쉽다.[1]

3. 3. 3. 흡수성 페이딩

전리층에서 반사된 전파를 수신할 때 흡수성 페이딩이 발생할 수 있다. 예를 들어, F층에서 반사된 전파를 수신할 때, 송신점에서 발사된 전파는 D층 및 E층을 통과하여 F층에서 반사되고, 다시 E층 및 D층을 통과하여 수신점에 도달한다. 전파가 D층 및 E층을 통과할 때 감쇠를 받는다. D층 또는 F층의 전자 밀도가 시간에 따라 변화하면, 이 감쇠량도 변화한다. 이로 인해, 수신점에 도달하는 전파의 세기도 시간에 따라 변화한다.[1]

3. 3. 4. K형 페이딩

대기 굴절률 분포 상태가 변화하여 지구의 등가 반경 계수가 변화하기 때문에, 직접파와 지표 반사파 간의 간섭 상태나 지표에 의한 회절 상태가 변화하여 발생한다. 지구 반지름에 등가 반경 계수를 곱한 것을 등가 지구 반경이라고 하며, 전파 경로를 직선으로 간주하여 취급할 수 있다. 또한, 일본의 표준 전파 상태에서는 등가 반경 계수는 4/3이 된다.[1]

3. 3. 5. 신틸레이션 페이딩 (Scintillation Fading)

대기층의 요동 등으로 인해 부분적으로 굴절률이 변화하고, 전파의 일부가 산란하여 직접파와 간섭하기 때문에 수신 전계 강도가 비교적 짧은 주기로 소폭 변동한다.

3. 3. 6. 덕트형 페이딩

대기층의 높이에 따라 습도가 급변하거나 온도 역전층이 있을 때 무선 덕트가 발생하여, 수신 전계 강도가 불규칙하게 변동한다.[10]

4. 페이딩 모델

전파가 여러 경로로 전달되면서 건물이나 터널 등에 의해 신호 세기가 약해지는 음영 지역이 나타나는데, 이를 그림자 페이딩 또는 섀도 페이딩(shadow fading)이라고 한다. 송신기와 수신기 주변에 반사체가 있으면 전송된 신호가 여러 경로를 거치게 되고, 수신기에서는 각각 다른 감쇠, 지연, 위상 변화를 겪은 신호들이 중첩되어 나타난다. 이는 보강 또는 상쇄 간섭을 일으켜 신호 전력을 증폭시키거나 감쇠시킬 수 있다. 심한 상쇄 간섭은 심각한 페이딩을 유발하여 통신 실패를 초래하기도 한다.

예를 들어, 신호등에 멈춰 FM 방송이 잡음으로 변했다가 차가 조금만 움직여도 다시 수신되는 경험은 심각한 페이딩의 흔한 예시이다.

페이딩 채널 모델은 셀룰러 네트워크, 방송 통신 등에서 전자기파 전송의 영향을 모델링하고, 수중 음향 통신에서 물로 인한 왜곡을 모델링하는 데에도 사용된다.

페이딩 모델에는 분산 페이딩 모델, 로그 정규 그림자 페이딩, 확산 전력(TWDP) 페이딩을 갖는 두 파 등이 있다.


  • '''분산 페이딩''' 모델: 여러 에코를 가지며, 각 에코는 서로 다른 지연, 이득 및 위상 변화를 가진다. 이는 주파수 선택적 페이딩과 심볼 간 간섭을 초래한다.

4. 1. 레일리 페이딩 (Rayleigh Fading)

레일리 페이딩은 가시거리(Line of Sight) 경로가 없는 환경에서 다중 경로 페이딩을 모델링하는 데 사용된다.[8]

4. 2. 라이시안 페이딩 (Rician Fading)

가시거리 경로가 존재하는 환경에서 다중경로 페이딩을 모델링하는 데 사용된다.[8]

4. 3. 나카가미 페이딩 (Nakagami Fading)

나카가미 페이딩은 레일리 페이딩보다 더 일반적인 페이딩 모델로, 다양한 페이딩 환경을 모델링할 수 있다.[8]

4. 4. 와이블 페이딩 (Weibull Fading)

와이블 페이딩은 실험적인 데이터를 기반으로 페이딩을 모델링하는 데 사용된다.[1]

5. 페이딩 완화 기법

페이딩은 통신 시스템에서 신호 전력 손실을 초래하여 성능 저하를 유발할 수 있다. 이러한 신호 손실은 신호 대역폭의 일부 또는 전체에서 발생할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 변동하는 특성 때문에 통신 시스템 설계에 어려움을 준다.

페이딩으로 인한 문제를 완화하기 위해 다양한 기술들이 사용된다.


  • 주파수 선택적 페이딩 완화: OFDMA 시스템에서는 주파수 선택적 사용자 스케줄링 기법이나 주파수 다이버시티 기법 등을 활용하여 전체 시스템 이득을 개선한다.

  • 시간 선택적 페이딩 완화: 도플러 확산에 의해 발생하는 시간 선택적 페이딩은, 송신 신호의 변화 속도에 따라 고속 페이딩(Fast Fading)과 저속 페이딩(Slow Fading)으로 구분된다.


이 외에도, 페이딩의 영향을 줄이기 위해 다이버시티, 등화, 인터리빙 등의 다양한 기술들이 활용된다.

5. 1. 다이버시티 (Diversity) 기법

다이버시티는 독립적으로 페이딩을 경험하는 여러 채널을 통해 신호를 전송하고 수신기에서 일관되게 결합하여 페이딩의 영향을 줄이는 기법이다. 이 복합 채널에서 페이드가 발생할 확률은 모든 구성 요소 채널이 동시에 페이드를 경험할 확률에 비례하며, 이는 훨씬 더 드문 일이다.

다이버시티는 시간, 주파수 또는 공간에서 구현될 수 있다. 신호 페이딩을 극복하기 위해 사용되는 일반적인 기술에는 다음이 있다.

  • 다이버시티 수신 및 전송
  • 다중 입력 다중 출력 (MIMO)
  • OFDM
  • 레이크 수신기
  • 시공간 부호화
  • 순방향 오류 정정
  • 인터리빙


다이버시티 외에도, 사이클릭 프리픽스를 적용하거나(예: OFDM에서) 채널 추정, 등화와 같은 기술도 페이딩을 해결하는 데 사용될 수 있다.

5. 2. 등화 (Equalization) 기법

채널의 주파수 응답을 보상하여 페이딩으로 인한 신호 왜곡을 줄이는 기법이다.

심볼 간 간섭의 영향을 보상하기 위해 등화기가 자주 사용된다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)는 광대역 신호를 천천히 변조된 많은 협대역 부반송파로 나누며, 각 부반송파는 주파수 선택적 페이딩이 아닌 평탄 페이딩에 노출된다. 이는 오류 정정 부호, 단순한 등화 또는 적응형 비트 로딩을 통해 해결할 수 있다.

사이클릭 프리픽스 (예: OFDM에서)와 채널 추정과 함께 사용될 수 있다.

5. 3. 부호화 (Coding) 기법

페이딩으로 인한 통신 시스템의 성능 저하는 다이버시티를 통해 해결할 수 있다. 다이버시티는 독립적으로 페이딩을 겪는 여러 채널을 통해 신호를 전송하고, 수신기에서 이를 결합하는 방식이다. 이 방식을 사용하면, 모든 채널이 동시에 페이딩을 겪을 확률이 낮아져 통신 품질이 향상된다.

다이버시티는 시간, 주파수, 공간 차원에서 구현될 수 있으며, 페이딩을 극복하기 위해 다음과 같은 기술들이 사용된다.

  • 순방향 오류 정정: 오류 정정 부호를 사용하여 페이딩으로 인한 데이터 손실을 복구한다.
  • 인터리빙: 데이터를 여러 부분으로 나누어 전송하여, 특정 부분에서 페이딩이 발생해도 전체 데이터는 복구 가능하도록 한다.


이 외에도, 사이클릭 프리픽스를 적용하거나, 채널 추정 및 등화 기술을 사용하여 페이딩에 대응할 수 있다.

5. 4. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDM은 광대역 신호를 여러 개의 협대역 부반송파로 나누어 전송하는 기법이다. 각 부반송파는 주파수 선택적 페이딩이 아닌 평탄 페이딩을 겪게 되므로, 오류 정정 부호, 단순한 등화, 또는 적응형 비트 로딩을 통해 주파수 선택적 페이딩에 대한 내성을 높일 수 있다. 심볼 간 간섭은 사이클릭 프리픽스라고 하는 심볼 간의 가드 인터벌을 도입하여 방지한다.

5. 5. MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

다이버시티는 독립적인 페이딩을 경험하는 여러 채널을 통해 신호를 전송하고 수신기에서 일관되게 결합함으로써 페이딩의 영향을 줄일 수 있다. 이 복합 채널에서 페이드가 발생할 확률은 모든 구성 요소 채널이 동시에 페이드를 경험할 확률에 비례하며, 이는 훨씬 더 드문 사건이다.[1]

다이버시티는 시간, 주파수 또는 공간에서 구현될 수 있다. 신호 페이딩을 극복하기 위해 사용되는 일반적인 기술 중 하나는 MIMO이다. MIMO는 여러 개의 송수신 안테나를 사용하여 다이버시티 이득과 공간 다중화 이득을 얻는 기법이다.[1]

참조

[1] 서적 Fundamentals of Wireless Communication Cambridge University Press 2006
[2] 간행물 Principles of Wireless Communications Professional Publishing Svc. 2006
[3] 서적 Signal Processing for Multimedia IOS Press 1999
[4] 간행물 Spreading in block-fading channels https://www.mit.edu/[...] 2014-10-20
[5] 학술지 Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems .I. Characterization https://ieeexplore.i[...] 1997-07
[6] 서적 Microwave transmission networks: planning, design, and deployment McGraw-Hill 2010
[7] 서적 Wireless networks for dummies For Dummies 2004
[8] 문서 第一級陸上特殊無線技士無線工学試験　JZ12B
[9] 문서 第一級陸上特殊無線技士無線工学試験　JZ22A
[10] 문서 第一級陸上特殊無線技士無線工学試験　JZ06A


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com