Распространение в пределах прямой видимости

Характеристика электромагнитного излучения

Распространение сигнала по линии прямой видимости (LoS) от антенны

Распространение по прямой видимости является характеристикой электромагнитного излучения или распространения акустических волн , что означает, что волны могут распространяться только по прямому визуальному пути от источника к приемнику без препятствий. ^[1] Электромагнитная передача включает в себя световое излучение, распространяющееся по прямой линии . Лучи или волны могут дифрагировать , преломляться , отражаться или поглощаться атмосферой и препятствиями с материалом и, как правило, не могут распространяться за горизонт или за препятствиями.

В отличие от распространения по прямой видимости, на низких частотах (ниже примерно 3  МГц ) из-за дифракции радиоволны могут распространяться как земные волны , которые следуют контуру Земли. Это позволяет радиостанциям AM передавать за горизонт. Кроме того, частоты в коротковолновых диапазонах между примерно 1 и 30 МГц могут преломляться обратно на Землю ионосферой , что называется распространением небесной волны или «пропусканием», что дает радиопередачам в этом диапазоне потенциально глобальный охват.

Однако на частотах выше 30 МГц ( УКВ и выше) и в нижних слоях атмосферы ни один из этих эффектов не имеет существенного значения. Таким образом, любое препятствие между передающей антенной ( передатчиком ) и приемной антенной ( приемником ) будет блокировать сигнал, как и свет , который может ощущать глаз. Поэтому, поскольку возможность визуально видеть передающую антенну (не принимая во внимание ограничения разрешения глаза) примерно соответствует возможности принимать от нее радиосигнал, характеристика распространения на этих частотах называется «прямой видимостью». Самая дальняя возможная точка распространения называется «радиогоризонт».

На практике характеристики распространения этих радиоволн существенно различаются в зависимости от точной частоты и силы передаваемого сигнала (функция как характеристик передатчика, так и антенны). Радиовещание FM на сравнительно низких частотах около 100 МГц в меньшей степени подвержено влиянию зданий и лесов.

Нарушения распространения радиоволн в зоне прямой видимости

Объекты в зоне Френеля могут нарушить распространение сигнала по линии прямой видимости, даже если они не блокируют геометрическую линию между антеннами.

Маломощные микроволновые передатчики могут быть заблокированы ветвями деревьев или даже сильным дождем или снегом. Присутствие объектов вне прямой видимости может вызвать дифракционные эффекты, которые нарушают радиопередачу. Для лучшего распространения объем, известный как первая зона Френеля, должен быть свободен от препятствий.

Отраженное излучение от поверхности окружающей земли или соленой воды также может либо нейтрализовать, либо усилить прямой сигнал. Этот эффект можно уменьшить, подняв одну или обе антенны дальше от земли: Достигнутое снижение потерь известно как выигрыш в высоте .

Дополнительную информацию об ухудшении распространения см. также в разделе Распространение вне зоны прямой видимости .

Важно учитывать кривизну Земли для расчета траекторий прямой видимости по картам, когда невозможно сделать прямую визуальную фиксацию. Проекты для микроволнового диапазона ранее использовали 4 ⁄ радиуса Земли  для расчета просветов вдоль траектории.

Мобильные телефоны

Хотя частоты, используемые мобильными телефонами (сотовыми телефонами), находятся в зоне прямой видимости, они все равно функционируют в городах. Это становится возможным благодаря сочетанию следующих эффектов:

• 1 ⁄ r  ⁴ распространение по ландшафту крыши ^{[ необходимо разъяснение ]}
• дифракция в "уличный каньон" ниже
• многолучевое отражение вдоль улицы
• дифракция через окна и ослабленное прохождение через стены в здание
• отражение, дифракция и ослабленное прохождение через внутренние стены, полы и потолки внутри здания

Сочетание всех этих эффектов делает среду распространения мобильного телефона очень сложной, с эффектами многолучевого распространения и обширным замиранием Рэлея . Для услуг мобильной связи эти проблемы решаются с помощью:

• размещение базовых станций на крыше или вершине холма
• множество базовых станций (обычно называемых «сотовыми узлами»). Телефон обычно может видеть как минимум три, а обычно и шесть в любой момент времени.
• «секторные» антенны на базовых станциях. Вместо одной антенны с всенаправленным покрытием станция может использовать всего 3 (сельские районы с небольшим количеством клиентов) или до 32 отдельных антенн, каждая из которых покрывает часть кругового покрытия. Это позволяет базовой станции использовать направленную антенну, которая направлена ​​на пользователя, что улучшает отношение сигнал/шум . Если пользователь перемещается (например, пешком или на машине) из одного сектора антенны в другой, базовая станция автоматически выбирает нужную антенну.
• быстрая передача обслуживания между базовыми станциями (роуминг)
• радиосвязь, используемая телефонами, представляет собой цифровую связь с обширной коррекцией и обнаружением ошибок в цифровом протоколе
• достаточная работа мобильного телефона в туннелях при поддержке антенн с раздельным кабелем
• локальные ретрансляторы внутри сложных транспортных средств или зданий

Клетка Фарадея состоит из проводника, который полностью окружает область со всех сторон, сверху и снизу. Электромагнитное излучение блокируется там, где длина волны больше, чем любые зазоры. Например, сигналы мобильных телефонов блокируются в металлических корпусах без окон, которые приближаются к клетке Фарадея, таких как кабины лифтов и части поездов, автомобилей и кораблей. Та же проблема может влиять на сигналы в зданиях с обширной стальной арматурой.

Две станции, находящиеся вне зоны прямой видимости, могут общаться через промежуточную радиоретрансляционную станцию.

Радиогоризонт

Радиогоризонт — это геометрическое место точек, в которых прямые лучи от антенны касаются поверхности Земли. Если бы Земля была идеальной сферой без атмосферы, радиогоризонт был бы окружностью.

Радиогоризонт передающей и приемной антенн можно сложить для увеличения эффективной дальности связи.

Распространение радиоволн зависит от атмосферных условий, ионосферного поглощения и наличия препятствий, например, гор или деревьев. Простые формулы, включающие влияние атмосферы, дают диапазон как:

${\displaystyle \mathrm {horizon} _{\mathrm {mi} }\approx 1.23\cdot {\sqrt {\mathrm {height} _{\mathrm {feet} }}}}$

${\displaystyle \mathrm {horizon} _{\mathrm {km} }\approx 3.57\cdot {\sqrt {\mathrm {height} _{\mathrm {metres} }}}}$

Простые формулы дают наилучшее приближение максимального расстояния распространения, но их недостаточно для оценки качества обслуживания в любом месте.

Земной выступ

В телекоммуникациях выпуклость Земли относится к эффекту кривизны Земли на распространение радиоволн. Это следствие круглого сегмента земного профиля, который блокирует дальнюю связь. Поскольку вакуумная линия визирования проходит на разных высотах над Землей, распространяющаяся радиоволна сталкивается с несколько разными условиями распространения на своем пути. ^{[ необходима цитата ]}

Расстояние от вакуума до горизонта

R — радиус Земли, h — высота передатчика (увеличенная), d — дальность прямой видимости.

Если предположить, что поверхность имеет идеальную сферу без неровностей, то расстояние до горизонта от передатчика, расположенного на большой высоте (т.е. линию прямой видимости), можно легко рассчитать.

Пусть R — радиус Земли, а h — высота телекоммуникационной станции. Расстояние прямой видимости d этой станции определяется теоремой Пифагора ;

${\displaystyle d^{2}=(R+h)^{2}-R^{2}=2\cdot R\cdot h+h^{2}}$

Высота станции h много меньше радиуса Земли R. Поэтому можно пренебречь по сравнению с . ${\displaystyle h^{2}}$ ${\displaystyle 2\cdot R\cdot h}$

Таким образом:

${\displaystyle d\approx {\sqrt {2\cdot R\cdot h}}}$

Если высота h дана в метрах, а расстояние d в километрах, ^[2]

${\displaystyle d\approx 3.57\cdot {\sqrt {h}}}$

Если высота h указана в футах, а расстояние d — в статутных милях,

${\displaystyle d\approx 1.23\cdot {\sqrt {h}}}$

R — радиус Земли, h — высота наземной станции, H — высота воздушной станции, d — дальность прямой видимости.

В случае, когда задействованы две станции, например, передающая станция на земле высотой h и приемная станция в воздухе высотой H , расстояние прямой видимости можно рассчитать следующим образом:

 ${\displaystyle d\thickapprox {\sqrt {2R}}\,\left({\sqrt {h}}+{\sqrt {H}}\right)}$

Рефракция атмосферы

Обычный эффект снижения давления атмосферы с высотой ( вертикальное изменение давления ) заключается в том, что радиоволны изгибаются ( преломляются ) вниз к поверхности Земли. Это приводит к увеличению эффективного радиуса Земли [3] примерно в 4 ⁄ ³ раза . [ 4 ^] Этот k -фактор может изменяться от своего среднего значения в зависимости от погоды.

Расстояние преломления до горизонта

Предыдущий анализ вакуумного расстояния не учитывал влияние атмосферы на путь распространения радиочастотных сигналов. Фактически, радиочастотные сигналы не распространяются по прямым линиям: из-за рефракционных эффектов атмосферных слоев пути распространения несколько искривлены. Таким образом, максимальный радиус действия станции не равен вакуумному расстоянию прямой видимости. Обычно в приведенном выше уравнении используется коэффициент k , измененный так, чтобы он был

${\displaystyle d\approx {\sqrt {2\cdot k\cdot R\cdot h}}}$

k  > 1 означает геометрически уменьшенную выпуклость и более длинный диапазон обслуживания. С другой стороны, k  < 1 означает более короткий диапазон обслуживания.

При нормальных погодных условиях k обычно выбирается ^[5] равным 4 ⁄ 3 . Это означает, что максимальный радиус действия увеличивается на 15%.

${\displaystyle d\approx 4.12\cdot {\sqrt {h}}}$

для h в метрах и d в километрах; или

${\displaystyle d\approx 1.41\cdot {\sqrt {h}}}$

для h в футах и ​​d в милях.

Однако в штормовую погоду k может уменьшиться, что приведет к затуханию передачи. (В экстремальных случаях k может быть меньше 1.) Это эквивалентно гипотетическому уменьшению радиуса Земли и увеличению ее выпуклости. ^[6]

Например, при нормальных погодных условиях дальность действия станции на высоте 1500 м относительно приемников на уровне моря можно найти как:

${\displaystyle d\approx 4.12\cdot {\sqrt {1500}}=160{\mbox{ km.}}}$

Смотрите также

• Аномальное распространение
• Напряженность дипольного поля в свободном пространстве
• Эффект лезвия ножа
• Мультилатерация
• Распространение вне зоны прямой видимости
• Загоризонтный радар
• Радиальный (радио)
• Затухание Райса , стохастическая модель распространения по прямой видимости
• Наклонная дальность

• Радио портал

Ссылки

1. "Распространение по прямой видимости". IEEE Technology Navigator . Получено 2023-05-10 .
2. Средний радиус Земли ≈ 6,37×10 ⁶ метров = 6370 км. См. радиус Земли
3. "P.834: Влияние тропосферной рефракции на распространение радиоволн". ITU . 2021-03-05 . Получено 2021-11-17 .
4. Кристофер Хаслетт. (2008). Основы распространения радиоволн , стр. 119–120. Cambridge University Press. ISBN 052187565X . 
5. Буси, Р. (1967). Высокогорные ОВЧ и УВЧ вещательные станции . Техническая монография 3108-1967. Брюссель: Европейский вещательный союз.
6. Этот анализ предназначен для приема на большой высоте до уровня моря. В цепях микроволновых радиоканалов обе станции находятся на большой высоте.

•  В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges
• Статья о важности прямой видимости для приема УВЧ-сигнала
• Уровни затухания через крыши
• Аппроксимация 2-лучевой модели с использованием биномиальных рядов Мэтью Базаджяна