Распространение в пределах прямой видимости

Характеристика электромагнитного излучения

Распространение по линии прямой видимости (LoS) от антенны

Распространение на линии прямой видимости — это характеристика распространения электромагнитного излучения или акустических волн , что означает, что волны могут перемещаться только по прямому визуальному пути от источника к приемнику без препятствий. ^[1] Электромагнитная передача включает в себя излучение света, распространяющееся по прямой линии . Лучи или волны могут преломляться , преломляться , отражаться или поглощаться атмосферой и материальными препятствиями и, как правило, не могут перемещаться за горизонт или за препятствиями.

В отличие от распространения по прямой видимости, на низкой частоте (ниже примерно 3  МГц ) из-за дифракции радиоволны могут распространяться как земные волны , повторяющие контур Земли. Это позволяет радиостанциям AM вести передачу за горизонт. Кроме того, частоты в коротковолновых диапазонах примерно от 1 до 30 МГц могут преломляться обратно на Землю ионосферой , что называется небесным волновым или «пропускным» распространением, что дает радиопередачам в этом диапазоне потенциально глобальный охват.

Однако на частотах выше 30 МГц ( ОВЧ и выше) и на нижних уровнях атмосферы ни один из этих эффектов не является значительным. Таким образом, любое препятствие между передающей антенной ( передатчиком ) и приемной антенной ( приемником ) будет блокировать сигнал, точно так же, как свет , который может почувствовать глаз. Поэтому, поскольку возможность визуально увидеть передающую антенну (без учета ограничений разрешающей способности глаза) примерно соответствует возможности принять от нее радиосигнал, характеристику распространения на этих частотах называют «прямой видимостью». Самая дальняя возможная точка распространения называется «радиогоризонтом».

На практике характеристики распространения этих радиоволн существенно различаются в зависимости от точной частоты и мощности передаваемого сигнала (в зависимости как от характеристик передатчика, так и от характеристик антенны). Радиовещательное FM- радио на сравнительно низких частотах около 100 МГц меньше подвержено влиянию зданий и лесов.

Ухудшение распространения в пределах прямой видимости

Объекты в зоне Френеля могут мешать распространению сигнала на линии прямой видимости, даже если они не блокируют геометрическую линию между антеннами.

Маломощным микроволновым передатчикам могут помешать ветки деревьев или даже сильный дождь или снег. Наличие объектов, находящихся за пределами прямой видимости, может вызвать эффекты дифракции, которые нарушают радиопередачу. Для наилучшего распространения в объеме, известном как первая зона Френеля, не должно быть 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: достигаемое снижение потерь известно как выигрыш по высоте .

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

Важно учитывать кривизну Земли для расчета траекторий прямой видимости по картам, когда прямая визуальная фиксация не может быть сделана. В конструкциях для микроволновых излучателей раньше  для расчета расстояний на трассе использовался радиус 4 ⁄ 3 Земли.

Мобильные телефоны

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

• Распространение 1 ⁄ r  ⁴ над ландшафтом крыши ^{[ нужны разъяснения ]}
• дифракция в «уличный каньон» внизу
• многолучевое отражение вдоль улицы
• дифракция через окна и ослабленный проход через стены в здание
• отражение, дифракция и ослабленное прохождение через внутренние стены, полы и потолки внутри здания

Сочетание всех этих эффектов делает среду распространения сигналов мобильных телефонов очень сложной, с эффектами многолучевого распространения и обширным Рэлеевским затуханием . В сфере услуг мобильной связи эти проблемы решаются с помощью:

• размещение базовых станций на крыше или холме
• множество базовых станций (обычно называемых «сотовыми узлами»). Телефон обычно может видеть как минимум три, а обычно и шесть одновременно.
• «секторные» антенны на базовых станциях. Вместо одной антенны с всенаправленным покрытием станция может использовать от трех (сельские районы с небольшим количеством клиентов) до 32 отдельных антенн, каждая из которых покрывает часть кругового покрытия. Это позволяет базовой станции использовать направленную антенну, направленную на пользователя, что улучшает соотношение сигнал/шум . Если пользователь перемещается (возможно, пешком или на автомобиле) от одного сектора антенны к другому, базовая станция автоматически выбирает подходящую 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 разделенных кабельных антенн
• местные 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 превышает любые промежутки. Например, сигналы мобильных телефонов блокируются в металлических ограждениях без окон, напоминающих клетку Фарадея, таких как кабины лифтов и части поездов, автомобилей и кораблей. Та же проблема может повлиять на сигналы в зданиях с обширной стальной арматурой.

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

Радиогоризонт

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

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

На распространение радиоволн влияют атмосферные условия, ионосферное поглощение и наличие препятствий, например гор или деревьев. Простые формулы, включающие влияние атмосферы, дают диапазон следующим образом:

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

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

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

Земная выпуклость

В телекоммуникациях термин «выпуклость Земли» означает влияние кривизны Земли на распространение радиосигналов. Это следствие круглого сегмента профиля земли, который блокирует дальнюю связь. Поскольку вакуумный луч зрения проходит над Землей на разной высоте, распространяющаяся радиоволна сталкивается с несколько разными условиями распространения на своем пути. ^{[ нужна цитата ]}

Расстояние вакуума до горизонта

R — радиус Земли, h — высота передатчика (увеличена), d — расстояние прямой видимости.

Предполагая идеальную сферу без неровностей местности, можно легко рассчитать расстояние до горизонта от передатчика , расположенного на большой высоте (т. е. линию прямой видимости).

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

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

Поскольку высота станции намного меньше радиуса Земли,

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

Если высота указана в метрах, а расстояние в километрах, ^[2]

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

Если высота указана в футах, а расстояние в уставных милях,

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

Атмосферная рефракция

Обычным эффектом снижения давления атмосферы с высотой ( вертикальное изменение давления ) является изгиб ( преломление ) радиоволн вниз к поверхности Земли. Это приводит к тому , что эффективный радиус Земли ^[3] увеличивается примерно в 4 ⁄ 3 раза . ^[4] Этот k -фактор может изменяться от своего среднего значения в зависимости от погоды.

Преломленное расстояние до горизонта

Предыдущий анализ вакуумного расстояния не учитывал влияние атмосферы на путь распространения радиочастотных сигналов. На самом деле радиочастотные сигналы не распространяются по прямым линиям: из-за рефракционного эффекта слоев атмосферы пути распространения несколько искривлены. Таким образом, максимальная дальность обслуживания станции не равна вакуумной дальности прямой видимости. Обычно в приведенном выше уравнении используется коэффициент k , модифицированный следующим образом:

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

k  > 1 означает геометрически уменьшенную выпуклость и увеличенный срок службы. С другой стороны, k  < 1 означает меньший диапазон обслуживания.

При нормальных погодных условиях k обычно выбирают ^[5] равным 4 ⁄ 3 . Это означает, что максимальная дальность обслуживания 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.

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

Например, в нормальных погодных условиях дальность обслуживания 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 ножа
• Мультилатерация
• Распространение вне прямой видимости
• Загоризонтный радар
• Радиальный (радио)
• Райсово затухание , стохастическая модель распространения в пределах прямой видимости
• Наклонный диапазон

• Радиопортал

Рекомендации

1. «Распространение в пределах прямой видимости» . Навигатор технологий IEEE . Проверено 10 мая 2023 г.
2. Средний радиус Земли составляет ≈ 6,37×10 ⁶ метров = 6370 км. См. Радиус Земли.
3. «P.834: Влияние тропосферной рефракции на распространение радиоволн». МСЭ . 05.03.2021 . Проверено 17 ноября 2021 г.
4. Кристофер Хаслетт. (2008). Основы распространения радиоволн , стр. 119–120. Издательство Кембриджского университета. ISBN 052187565X . 
5. Буси, Р. (1967). Высотные радиовещательные станции ОВЧ и УВЧ . Техническая монография 3108-1967. Брюссель: Европейский вещательный союз.
6. Этот анализ предназначен для приема на большой высоте и на уровне моря. В цепях микроволновой радиосвязи обе станции находятся на больших высотах.

•  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

• http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges
• Статья о важности прямой видимости для приема УВЧ
• Уровни ослабления через крыши
• Аппроксимация двухлучевой модели с использованием биномиального ряда Мэтью Базаджяна