Потеря пути

Затухание сигнала в телекоммуникациях

Потери на пути распространения или затухание на пути распространения — это уменьшение плотности мощности ( затухание ) электромагнитной волны по мере ее распространения в пространстве. ^[1] Потери на пути распространения являются основным компонентом при анализе и проектировании бюджета линии связи телекоммуникационной системы.

Этот термин обычно используется в беспроводной связи и распространении сигнала . Потери на пути могут быть вызваны многими эффектами, такими как потери в свободном пространстве , рефракция , дифракция , отражение , потери связи апертура - среда и поглощение . Потери на пути также зависят от контуров местности, окружающей среды (городская или сельская, растительность и листва), среды распространения (сухой или влажный воздух), расстояния между передатчиком и приемником, а также высоты и расположения антенн.

Обзор

В беспроводной связи потеря пути — это снижение силы сигнала по мере его перемещения от передатчика к приемнику, и это приложение для проверки потери. На это влияют несколько факторов:

• Потери на пути распространения в свободном пространстве: это основные потери, которые возникают из-за распространения радиоволны в пространстве. ^[2] Они подчиняются закону обратных квадратов, то есть сила сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

• Дифракция: Когда радиоволна встречает препятствие, она может быть дифрагирована или изогнута вокруг края препятствия. Это может привести к дополнительной потере сигнала, особенно в городских условиях с большим количеством зданий. ^[3]

• Поглощение: некоторые атмосферные газы и препятствия, такие как здания и листва, могут поглощать радиоволны, снижая их силу. ^[4]

• Отражение и рассеивание: Радиоволны могут отражаться от поверхностей, таких как здания и земля, и рассеиваться такими объектами, как деревья и фонарные столбы. Это может привести к многолучевому распространению, когда приемник получает несколько копий сигнала, которые могут мешать друг другу. ^[5]

Чтобы понять потери на пути распространения и минимизировать их, при проектировании беспроводной системы связи следует учитывать четыре ключевых фактора:

1) Определение требуемой мощности передатчика: передатчик должен иметь достаточную мощность для преодоления потерь на трассе, чтобы сигнал достигал приемника с достаточной силой.

2) Определите подходящую конструкцию антенны и коэффициент усиления: Антенны с более высоким коэффициентом усиления могут фокусировать волны в определенном направлении, уменьшая потери на трассе.

3) Оптимизация схемы модуляции: выбор схемы модуляции может повлиять на устойчивость сигнала к потерям на трассе.

4) Установите чувствительность приемника соответствующим образом: Приемник должен быть достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать слабые сигналы.

Причины

Потери на трассе обычно включают потери распространения, 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 среды, непрозрачные для электромагнитных волн , дифракционные потери , когда часть фронта радиоволны заслоняется непрозрачным препятствием, и потери, вызванные другими явлениями.

Сигнал, излучаемый передатчиком, может также распространяться по многим и разным путям к приемнику одновременно; этот эффект называется многолучевым распространением . Многолучевые волны объединяются на антенне приемника, в результате чего принимаемый сигнал может сильно различаться в зависимости от распределения интенсивности и относительного времени распространения волн, а также полосы пропускания передаваемого сигнала. Общая мощность мешающих волн в сценарии замирания Рэлея быстро меняется в зависимости от пространства (что известно как мелкомасштабное замирание ). Мелкомасштабное замирание относится к быстрым изменениям амплитуды радиосигнала за короткий промежуток времени или на короткое расстояние перемещения.

Экспонента потерь

При изучении беспроводной связи потери на пути могут быть представлены показателем потерь на пути, значение которого обычно находится в диапазоне от 2 до 4 (где 2 — для распространения в свободном пространстве , 4 — для относительно потерь в среде и для случая полного зеркального отражения от поверхности земли — так называемой модели плоской Земли). В некоторых средах, таких как здания, стадионы и другие помещения, показатель потерь на пути может достигать значений в диапазоне от 4 до 6. С другой стороны, туннель может действовать как волновод , в результате чего показатель потерь на пути будет меньше 2.

Потери на трассе обычно выражаются в дБ . В простейшем виде потери на трассе можно рассчитать по формуле

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

где — потери на пути распространения в децибелах, — показатель степени потерь на пути распространения, — 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 (выведенную из формулы передачи Фрииса ) для расчета потерь сигнала на пути между точками питания двух изотропных антенн в свободном пространстве:

Потери на трассе в дБ :

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

где — потери на пути распространения в децибелах, — длина волны, — расстояние передатчик-приемник в тех же единицах, что и длина волны. Обратите внимание, что плотность мощности в пространстве не зависит от ; Переменная присутствует в формуле для учета эффективной площади захвата изотропной приемной антенны. ^[6] ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$

Прогноз

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

Статистические методы (также называемые стохастическими или эмпирическими ) основаны на измеренных и усредненных потерях вдоль типичных классов радиолиний. Среди наиболее часто используемых таких методов — Окумура–Хата , модель COST Hata , WCYLee и т. д. Они также известны как модели распространения радиоволн и обычно используются при проектировании сотовых сетей и сетей наземной мобильной связи общего пользования (PLMN). Для беспроводной связи в очень высоких частотах (VHF) и сверхвысоких частотах (UHF) (диапазоны, используемые рациями, полицией, такси и сотовыми телефонами) одним из наиболее часто используемых методов является метод Окумуры–Хаты, усовершенствованный проектом COST 231. Другими известными моделями являются модели Вальфиша–Икегами, WCY Lee и Erceg . Для FM-радио и телевещания потери на пути распространения чаще всего прогнозируются с использованием модели МСЭ , описанной в рекомендации P.1546 (преемница рекомендации P.370).

Также используются детерминированные методы, основанные на физических законах распространения волн; трассировка лучей является одним из таких методов. Ожидается, что эти методы дадут более точные и надежные прогнозы потерь на трассе, чем эмпирические методы; однако они значительно более затратны в вычислительных усилиях 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 для коротких путей распространения. Среди наиболее часто используемых методов при проектировании радиооборудования, такого как антенны и облучатели, является метод конечных разностей во временной области .

Потери на трассе в других диапазонах частот ( средние волны (СВ), короткие волны (КВ или СВ), микроволны (СВЧ)) прогнозируются с помощью аналогичных методов, хотя конкретные алгоритмы и формулы могут сильно отличаться от тех, что используются в диапазонах ОВЧ/УВЧ. Надежное прогнозирование потерь на трассе в диапазоне КВ/КВ особенно сложно, и его точность сопоставима с прогнозами погоды. ^{[ необходима цитата ]}

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

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

Примеры

В сотовых сетях, таких как UMTS и GSM , которые работают в диапазоне УВЧ, значение потерь на трассе в застроенных районах может достигать 110–140 дБ для первого километра линии связи между базовой приемопередающей станцией (BTS) и мобильным телефоном . 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 могут в конечном итоге находиться числа, используемые для выражения значений потерь на трассе , это не окончательные или обязательные цифры — потери на трассе могут сильно различаться для одного и того же расстояния вдоль двух разных путей, и они могут различаться даже вдоль одного и того же пути, если измерены в разное время.)

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

Эти процессы рефракции 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 избыток мощности сигнала по сравнению с LOS в размере 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 радиоволн
• Модель потерь на траектории с логарифмическим расстоянием
• Модель двухлучевого отражения от земли
• Расчет затухания радиоволн в атмосфере

Ссылки

1. Сари, Ариф; Альзуби, Ахмед (2018-01-01), Фикко, Массимо; Пальмиери, Франческо (ред.), «Глава 13 — Алгоритмы потери пути для устойчивости данных в беспроводных сетях Body Area для здравоохранения», Безопасность и устойчивость в интеллектуальных системах и сетях связи, ориентированных на данные , интеллектуальные системы, ориентированные на данные, Academic Press, стр. 303, ISBN 978-0-12-811373-8, получено 2023-06-03
2. https://semfionetworks.com/blog/free-space-path-loss-diagrams/
3. https://www.researchgate.net/figure/llustration-of-reflection-diffraction-scattering-and-absorbion_fig2_228041875
4. https://www.twc-net.com/blog/uncategorized/a46
5. https://www.researchgate.net/figure/Reflection-scattering-and-diffraction-of-signal-Tait-Communications-2015_fig1_326705984
6. Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1981). Теория и конструкция антенн . John Wiley & Sons, Inc. стр. 60. ISBN 0-471-04458-X.

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

Внешние ссылки

• «Методы прогнозирования потери пути».