Потеря пути

Затухание сигнала в телекоммуникациях

Потери на пути , или затухание на пути , — это уменьшение плотности мощности ( затухания ) электромагнитной волны при ее распространении в пространстве. ^[1] Потери на трассе являются основным компонентом анализа и проектирования бюджета канала телекоммуникационной системы.

Этот термин обычно используется в беспроводной связи и распространении сигналов . Потери на пути могут быть вызваны многими эффектами, такими как потери в свободном пространстве , преломление , дифракция , отражение , потери связи апертуры со средой и поглощение . На потери на трассе также влияют контуры местности, окружающая среда (городская или сельская, растительность и листва), среда распространения (сухой или влажный воздух), расстояние между передатчиком и приемником, а также высота и расположение антенн.

Причины

К потерям на пути распространения обычно относятся потери на распространение , вызванные естественным расширением фронта радиоволны в свободном пространстве (которое обычно принимает форму постоянно увеличивающейся сферы), потери на поглощение (иногда называемые потерями на проникновение), когда сигнал проходит через непрозрачные среды. электромагнитным волнам , дифракционные потери , когда часть радиоволнового фронта перекрывается непрозрачным препятствием, а также потери, вызванные другими явлениями.

Сигнал, излучаемый передатчиком, также может одновременно передаваться к приемнику по множеству разных путей; этот эффект называется многолучевым распространением . Многолучевые волны объединяются в антенне приемника, в результате чего принимаемый сигнал может сильно различаться в зависимости от распределения интенсивности и относительного времени распространения волн и полосы пропускания передаваемого сигнала. Общая мощность интерферирующих волн в сценарии рэлеевского замирания быстро меняется в зависимости от пространства (что известно как мелкомасштабное замирание ). Мелкомасштабное замирание означает быстрые изменения амплитуды радиосигнала за короткий период времени или расстояние в пути.

Экспонента потерь

При изучении беспроводной связи потери на трассе могут быть представлены показателем степени потерь на трассе, значение которого обычно находится в диапазоне от 2 до 4 (где 2 — для распространения в свободном пространстве , 4 — для сред с относительно большими потерями и для случая полное зеркальное отражение от земной поверхности — так называемая модель плоской Земли). В некоторых средах, таких как здания, стадионы и другие помещения внутри помещений, показатель потерь на трассе может достигать значений в диапазоне от 4 до 6. С другой стороны, туннель может действовать как волновод , в результате чего показатель потерь на трассе будет меньше, чем 2.

Потери на трассе обычно выражаются в дБ . В простейшей форме потери на трассе можно рассчитать по формуле

${\displaystyle L=10n\log _{10}(d)+C}$

где – потери на трассе в децибелах, – показатель степени потерь на трассе, – расстояние между передатчиком и приемником, обычно измеряемое в метрах, – константа, учитывающая потери в системе. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle C}$

Формула радиоинженера

Инженеры по радио и антеннам используют следующую упрощенную формулу (полученную из формулы передачи Фрииса ) для потерь на пути прохождения сигнала между точками питания двух изотропных антенн в свободном пространстве:

Потери на трассе, дБ :

${\displaystyle L=20\log _{10}\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)}$

где – потери на трассе в децибелах, – длина волны и – расстояние передатчик-приемник в тех же единицах, что и длина волны. Обратите внимание, что плотность мощности в космосе не зависит от ; Переменная присутствует в формуле для учета эффективной площади захвата изотропной приемной антенны. ^[2] ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$

Прогноз

Расчет потерь на трассе обычно называют прогнозированием . Точное предсказание возможно только для более простых случаев, таких как вышеупомянутое распространение в свободном пространстве или модель плоской Земли . В практических случаях потери на трассе рассчитываются с использованием различных приближений.

Статистические методы (также называемые стохастическими или эмпирическими ) основаны на измеренных и усредненных потерях по типичным классам радиоканалов. Среди наиболее часто используемых таких методов — Окумура-Хата , модель COST Hata , WCYLee и др. Они также известны как модели распространения радиоволн и обычно используются при проектировании сотовых сетей и наземных мобильных сетей общего пользования (PLMN). Для беспроводной связи в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) и сверхвысоких частот (УВЧ) (диапазоны, используемые рациями, полицией, такси и мобильными телефонами) одним из наиболее часто используемых методов является метод Окумура-Хата. уточнено проектом COST 231 . Другими известными моделями являются модели Уолфиша-Икегами, WCY Ли и Эрцега . Для FM-радио и телевещания потери на трассе чаще всего прогнозируются с использованием модели ITU , как описано в рекомендации P.1546 (преемник P.370).

Используются также детерминированные методы, основанные на физических законах распространения волн; Трассировка лучей — один из таких методов. Ожидается, что эти методы дадут более точные и надежные прогнозы потерь на трассе, чем эмпирические методы; однако они значительно дороже по вычислительным затратам и зависят от подробного и точного описания всех объектов в пространстве распространения, таких как здания, крыши, окна, двери и стены. По этим причинам они используются преимущественно на коротких путях распространения. Среди наиболее часто используемых методов при проектировании радиооборудования, такого как антенны и фидеры, является метод конечной разности во временной области .

Потери на трассе в других диапазонах частот ( средневолновые (МВт), коротковолновые (КВ или ВЧ), микроволновые (СВЧ)) прогнозируются аналогичными методами, хотя конкретные алгоритмы и формулы могут сильно отличаться от алгоритмов и формул для ОВЧ/УВЧ. Надежное прогнозирование потерь на трассе в диапазоне SW/HF особенно сложно, и его точность сравнима с прогнозами погоды. ^{[ нужна цитата ]}

Простые приближения для расчета потерь на трассе на расстояниях, значительно меньших, чем расстояние до радиогоризонта :

• В свободном пространстве потери на трассе увеличиваются на 20 дБ за декаду (одна декада — это когда расстояние между передатчиком и приемником увеличивается в десять раз) или на 6 дБ за октаву (одна октава — это когда расстояние между передатчиком и приемником увеличивается вдвое). Это можно использовать как очень грубое приближение первого порядка для (микроволновых) линий связи;
• Для сигналов в диапазоне УВЧ/ОВЧ, распространяющихся над поверхностью Земли, потери на трассе увеличиваются примерно на 35–40 дБ за декаду (10–12 дБ на октаву). Это можно использовать в сотовых сетях в качестве первой догадки.

Примеры

В сотовых сетях, таких как UMTS и GSM , работающих в диапазоне УВЧ, величина потерь на трассе в населенных пунктах может достигать 110–140 дБ на первом километре линии связи между базовой приемопередающей станцией (BTS) и мобильный . _ Потери на трассе для первых десяти километров могут составлять 150–190 дБ ( Примечание : эти значения очень приблизительны и приведены здесь только в качестве иллюстрации диапазона, в котором в конечном итоге могут находиться числа, используемые для выражения значений потерь на трассе , это не являются окончательными или обязательными цифрами — потери на трассе могут сильно различаться на одном и том же расстоянии по двум разным путям и могут быть разными даже на одной и той же трассе, если измеряться в разное время.)

В радиоволновой среде мобильных услуг мобильная антенна расположена близко к земле. Модели распространения в прямой видимости (LOS) сильно модифицированы. Путь сигнала от антенны BTS, обычно возвышающейся над крышами, преломляется вниз, в местную физическую среду (холмы, деревья, дома), и сигнал LOS редко достигает антенны. Окружающая среда будет производить несколько отклонений прямого сигнала на антенну, причем обычно 2–5 отклоненных компонентов сигнала будут векторно суммироваться.

Эти процессы преломления и отклонения вызывают потерю мощности сигнала, которая изменяется при движении мобильной антенны (рэлеевское замирание), вызывая мгновенные изменения до 20 дБ. Поэтому сеть спроектирована так, чтобы обеспечить превышение уровня сигнала по сравнению с LOS на 8–25 дБ в зависимости от характера физической среды и еще 10 дБ для преодоления замирания из-за движения.

Смотрите также

• Воздушная масса (астрономия)
• Модель распространения радиосигнала
• Модель потерь на трассе логарифмического расстояния
• Двухлучевая модель отражения от земли
• Расчет затухания радиоволн в атмосфере

Рекомендации

1. Сари, Ариф; Альзуби, Ахмед (01 января 2018 г.), Фикко, Массимо; Пальмиери, Франческо (ред.), «Глава 13. Алгоритмы потери пути для обеспечения устойчивости данных в беспроводных сетях области тела для инфраструктуры здравоохранения», Безопасность и устойчивость в интеллектуальных системах, ориентированных на данные, и сетях связи , Интеллектуальные системы, ориентированные на данные, Academic Press, п. 303, ISBN 978-0-12-811373-8, получено 3 июня 2023 г.
2. Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1981). Теория и проектирование антенн . John Wiley & Sons, Inc. с. 60. ИСБН 0-471-04458-Х.

•  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• «Методы прогнозирования потерь на пути».