Распространение радио – это поведение радиоволн при их перемещении или распространении из одной точки в другую в вакууме или в различных частях атмосферы . [1] : 26‑1 Радиоволны , как и световые волны, подвержены явлениям отражения , преломления , дифракции , поглощения , поляризации и рассеяния . [2] Понимание влияния различных условий на распространение радиосигнала имеет множество практических применений: от выбора частот для любительской радиосвязи, международных коротковолновых радиовещательных компаний до проектирования надежных систем мобильной телефонной связи , радионавигации и эксплуатации радиолокационных систем.
В практических системах радиопередачи используются несколько различных типов распространения. Распространение в пределах прямой видимости означает радиоволны, которые распространяются по прямой линии от передающей антенны к приемной антенне. Передача в пределах прямой видимости используется для радиопередачи на средние расстояния, например, сотовые телефоны , беспроводные телефоны , рации , беспроводные сети , FM-радио , телевещание , радар и спутниковая связь (например, спутниковое телевидение ). Передача в прямой видимости на поверхности Земли ограничена расстоянием до визуального горизонта, которое зависит от высоты передающей и приемной антенн. Это единственный возможный метод распространения на микроволновых частотах и выше. [а]
На более низких частотах в диапазонах СЧ , НЧ и ОНЧ дифракция позволяет радиоволнам огибать холмы и другие препятствия и выходить за горизонт, следуя контуру Земли. Их называют поверхностными волнами или распространением земных волн . Радиовещательные и любительские радиостанции AM используют земные волны для покрытия зоны прослушивания. По мере того как частота становится ниже, затухание с расстоянием уменьшается, поэтому земные волны от очень низкой частоты (VLF) до чрезвычайно низкой частоты (ELF) могут использоваться для связи по всему миру. Волны от VLF до ELF могут проникать на значительные расстояния через воду и землю, и эти частоты используются для минной и военной связи с затопленными подводными лодками .
На средних и коротковолновых частотах ( диапазоны СЧ и ВЧ ) радиоволны могут преломляться от ионосферы . [b] Это означает, что средние и короткие радиоволны, передаваемые под углом в небо, могут преломляться обратно на Землю на больших расстояниях за горизонтом – даже на трансконтинентальных расстояниях. Это называется распространением небесной волны . Он используется радиолюбителями для связи с операторами в отдаленных странах, а также станциями коротковолнового вещания для международной передачи. [с]
Кроме того, существует несколько менее распространенных механизмов распространения радиоволн, таких как тропосферное рассеяние (тропосферное рассеяние), тропосферное волноводство (каналирование) на частотах ОВЧ и небесная волна ближнего вертикального падения (NVIS), которые используются, когда требуется ВЧ-связь в пределах нескольких сотен миль.
На разных частотах радиоволны распространяются через атмосферу с помощью разных механизмов или режимов: [3]
В свободном пространстве все электромагнитные волны (радио, свет, рентгеновские лучи и т. д.) подчиняются закону обратных квадратов , который гласит, что плотность мощности электромагнитной волны пропорциональна обратной величине квадрата расстояния от точечного источника. [1] : 26–19 или:
На типичных расстояниях связи от передатчика передающая антенна обычно может быть аппроксимирована точечным источником. Удвоение расстояния приемника от передатчика означает, что плотность мощности излучаемой волны в этом новом месте уменьшается до одной четверти ее предыдущего значения.
Плотность мощности на единицу поверхности пропорциональна произведению напряженности электрического и магнитного полей. Таким образом, удвоение расстояния по пути распространения от передатчика уменьшает каждую из этих принимаемых напряженностей поля на трассе в свободном пространстве вдвое.
Радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света . Атмосфера Земли достаточно тонкая, поэтому радиоволны в ней распространяются со скоростью, близкой к скорости света, но изменения плотности и температуры могут вызвать небольшое преломление (изгиб) волн на расстоянии.
Под прямой видимостью понимаются радиоволны, которые распространяются прямо по линии от передающей антенны к приемной антенне, что часто также называют прямой волной. Это не обязательно требует свободного обзора; на более низких частотах радиоволны могут проходить сквозь здания, листву и другие препятствия. Это наиболее распространенный режим распространения на ОВЧ и выше и единственно возможный режим на микроволновых частотах и выше. На поверхности Земли распространение прямой видимости ограничено визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). Этот метод используется сотовыми телефонами , [d] беспроводными телефонами , рациями , беспроводными сетями , двухточечными микроволновыми радиорелейными линиями, FM- и телевизионным радиовещанием и радарами . Спутниковая связь использует более длинные пути прямой видимости; например, домашние спутниковые тарелки принимают сигналы со спутников связи на высоте 22 000 миль (35 000 км) над Землей, а наземные станции могут связываться с космическими кораблями, находящимися на расстоянии миллиардов миль от Земли.
Эффекты отражения от плоскости земли являются важным фактором распространения ОВЧ в пределах прямой видимости. Интерференция между прямым лучом прямой видимости и отраженным от земли лучом часто приводит к эффективному закону обратной четвертой степени ( 1 ⁄ расстояния 4 ) для излучения, ограниченного плоскостью земли. [ нужна цитата ]
Радиоволны с вертикальной поляризацией более низкой частоты (от 30 до 3000 кГц) могут распространяться как поверхностные волны, повторяющие контур Земли; это называется распространением земной волны .
В этом режиме радиоволна распространяется за счет взаимодействия с проводящей поверхностью Земли. Волна «цепляется» за поверхность и, таким образом, повторяет кривизну Земли, поэтому земные волны могут перемещаться по горам и за горизонт. Земные волны распространяются в вертикальной поляризации , поэтому требуются вертикальные антенны ( монополи ). Поскольку земля не является идеальным электрическим проводником, земные волны затухают , когда они следуют за поверхностью Земли. Затухание пропорционально частоте, поэтому земные волны являются основным способом распространения на более низких частотах, в диапазонах СЧ , НЧ и ОНЧ . Земные волны используются радиовещательными станциями в диапазонах СЧ и НЧ, а также для сигналов времени и радионавигационных систем.
На еще более низких частотах, в диапазонах VLF и ELF , волноводный механизм Земля-ионосфера обеспечивает передачу на еще большие расстояния. Эти частоты используются для защищенной военной связи . Они также могут проникать на значительную глубину в морскую воду и поэтому используются для односторонней военной связи с затопленными подводными лодками.
Ранняя радиосвязь на большие расстояния ( беспроводная телеграфия ) до середины 1920-х годов использовала низкие частоты в длинноволновых диапазонах и полагалась исключительно на распространение земных волн. Частоты выше 3 МГц считались бесполезными и отдавались любителям ( радиолюбителям ). Открытие около 1920 года механизма ионосферного отражения или небесной волны сделало средние и коротковолновые частоты полезными для связи на большие расстояния, и они были выделены коммерческим и военным пользователям. [9]
Распространение радиосигнала вне прямой видимости (NLOS) происходит за пределами типичной прямой видимости (LOS) между передатчиком и приемником, например, при отражениях от земли . Условия ближней прямой видимости (также NLOS) относятся к частичному препятствию со стороны физического объекта, находящегося в самой внутренней зоне Френеля .
Препятствия, которые обычно вызывают распространение NLOS, включают здания, деревья, холмы, горы и, в некоторых случаях, линии электропередачи высокого напряжения . Некоторые из этих препятствий отражают определенные радиочастоты, а некоторые просто поглощают или искажают сигналы; но в любом случае они ограничивают использование многих типов радиопередач, особенно при низком бюджете мощности.
Более низкие уровни мощности приемника уменьшают вероятность успешного приема передачи. Низкие уровни могут быть вызваны как минимум тремя основными причинами: низкий уровень передачи, например уровни мощности Wi-Fi ; дальний передатчик, например, 3G на расстоянии более 5 миль (8,0 км) или телевизор на расстоянии более 31 мили (50 км); и препятствие между передатчиком и приемником, не оставляющее свободного пути.
NLOS снижает эффективную принимаемую мощность. В условиях ближней прямой видимости обычно можно использовать более качественные антенны, но в условиях отсутствия прямой видимости обычно требуются альтернативные пути или методы многолучевого распространения.
Как добиться эффективной работы сети NLOS, стало одним из основных вопросов современных компьютерных сетей. В настоящее время наиболее распространенным методом борьбы с условиями NLOS в беспроводных компьютерных сетях является просто обойти условие NLOS и разместить реле в дополнительных местах, отправляя контент радиопередачи в обход препятствий. Некоторые более продвинутые схемы передачи NLOS теперь используют многолучевое распространение сигнала, отражая радиосигнал от других близлежащих объектов, чтобы добраться до приемника.
Отсутствие прямой видимости (NLOS) — это термин, часто используемый в радиосвязи для описания радиоканала или линии связи, где между передающей и приемной антенной нет прямой видимости (LOS) . В этом контексте принимается LOS.
Существует множество электрических характеристик среды передачи, которые влияют на распространение радиоволн и, следовательно, на качество работы радиоканала, если это вообще возможно, по пути NLOS.
Аббревиатура NLOS стала более популярной в контексте беспроводных локальных сетей (WLAN) и беспроводных городских сетей, таких как WiMAX , поскольку способность таких каналов обеспечивать разумный уровень покрытия NLOS значительно повышает их конкурентоспособность и универсальность в типичной городской среде . средах, где они наиболее часто используются. Однако NLOS содержит множество других подмножеств радиосвязи.
Влияние визуального препятствия на канал NLOS может быть любым: от незначительного до полного подавления. Пример может быть применим к трассе прямой видимости между антенной телевизионного вещания и приемной антенной, установленной на крыше. Если облако пройдет между антеннами, связь может фактически стать NLOS, но качество радиоканала практически не пострадает. Если вместо этого на пути было построено большое здание, что делает его NLOS, прием канала может оказаться невозможным.
За пределами прямой видимости (BLOS) — это родственный термин, который часто используется в вооруженных силах для описания возможностей радиосвязи, которые связывают персонал или системы, слишком удаленные или слишком полностью закрытые местностью для связи LOS. Эти радиостанции используют активные ретрансляторы , распространение земных волн , каналы рассеяния в тропосфере и ионосферное распространение для расширения дальности связи с нескольких километров до нескольких тысяч километров.Условия распространения ВЧ могут быть смоделированы с использованием моделей распространения радиоволн , таких как программа анализа покрытия «Голос Америки» , а измерения в реальном времени могут быть выполнены с использованием ЛЧМ-передатчиков . Для радиолюбителей режим WSPR предоставляет карты с условиями распространения в реальном времени между сетью передатчиков и приемников. [10] Даже без специальных радиомаяков можно измерить условия распространения в реальном времени: всемирная сеть приемников декодирует сигналы кода Морзе на любительских радиочастотах в реальном времени и предоставляет сложные функции поиска и карты распространения для каждой принимаемой станции. [11]
Обычный человек может заметить последствия изменений в распространении радиоволн несколькими способами.
В AM-радиовещании резкие изменения в ионосфере, происходящие ночью в средневолновом диапазоне , приводят к появлению в Соединенных Штатах уникальной схемы лицензирования вещания с совершенно другими уровнями выходной мощности передатчиков и диаграммами направленности антенн , позволяющими справиться с распространением космических волн в ночное время. Очень немногим станциям разрешено работать без модификаций в темное время суток, обычно только тем, которые имеют свободные каналы в Северной Америке . [12] Многие станции вообще не имеют разрешения на работу вне светлого времени суток.
Для FM-вещания (и немногих оставшихся низкочастотных телевизионных станций ) погода является основной причиной изменений в распространении ОВЧ, а также некоторых суточных изменений, когда небо в основном без облачности . [13] Эти изменения наиболее очевидны во время температурных инверсий, например, поздно ночью и ранним утром, когда ясно, что позволяет земле и воздуху вблизи нее охлаждаться быстрее. Это не только вызывает росу , иней или туман , но также вызывает небольшое «торможение» нижней части радиоволн, изгибая сигналы так, что они могут повторять кривизну Земли над нормальным радиогоризонтом. В результате обычно слышно несколько станций с другого медиарынка – обычно соседнего, но иногда и на расстоянии нескольких сотен километров (миль). Ледяные бури также являются результатом инверсий, но они обычно вызывают более рассеянное всенаправленное распространение, что приводит в основном к помехам, часто между метеорологическими радиостанциями . В конце весны и начале лета сочетание других атмосферных факторов может иногда вызывать пропуски, из-за которых мощные сигналы передаются в места, находящиеся на расстоянии более 1000 км (600 миль).
Невещательные сигналы также затронуты. Сигналы мобильных телефонов находятся в диапазоне УВЧ в диапазоне от 700 до более 2600 МГц, что делает их еще более подверженными изменениям распространения, вызванным погодными условиями. В городских (и в некоторой степени пригородных ) районах с высокой плотностью населения это частично компенсируется использованием ячеек меньшего размера, которые используют более низкую эффективную излучаемую мощность и наклон луча для уменьшения помех и, следовательно, увеличения повторного использования частот и емкости пользователей. Однако, поскольку в сельской местности это будет не очень рентабельно , эти соты больше по размеру и, следовательно, с большей вероятностью будут вызывать помехи на больших расстояниях, если позволяют условия распространения.
Хотя это, как правило, прозрачно для пользователя благодаря способу, которым сотовые сети обрабатывают передачу обслуживания между ячейками , при использовании трансграничных сигналов могут возникнуть непредвиденные расходы на международный роуминг , несмотря на то, что он вообще не покидал страну. Это часто происходит между южным Сан-Диего и северной Тихуаной на западном конце границы США и Мексики , а также между восточным Детройтом и западным Виндзором вдоль границы США и Канады . Поскольку сигналы могут беспрепятственно передаваться по водоему, намного большему, чем река Детройт , а низкие температуры воды также вызывают инверсии приземного воздуха, такое «бахромчатое блуждание» иногда происходит через Великие озера и между островами в Карибском море . Сигналы могут передаваться из Доминиканской Республики на склон горы в Пуэрто-Рико и наоборот, а также между США и Британскими Виргинскими островами . Хотя непреднамеренный трансграничный роуминг часто автоматически удаляется биллинговыми системами компаний мобильной связи , межостровный роуминг, как правило, этого не делает.
Модель распространения радиоволн , также известная как модель распространения радиоволн или модель распространения радиочастот , представляет собой эмпирическую математическую формулировку для характеристики распространения радиоволн как функции частоты , расстояния и других условий. Обычно разрабатывается одна модель для прогнозирования поведения распространения для всех подобных каналов при аналогичных ограничениях. Такие модели, созданные с целью формализовать способ распространения радиоволн из одного места в другое, обычно прогнозируют потери на трассе связи или эффективную зону покрытия передатчика .
Изобретатель радиосвязи Гульельмо Маркони еще до 1900 года сформулировал первое грубое эмпирическое правило распространения радиоволн: максимальное расстояние передачи изменялось как квадрат высоты антенны.
Поскольку потери на трассе, возникающие в любой радиолинии, служат доминирующим фактором для характеристики распространения для линии, модели распространения радиоволн обычно фокусируются на реализации потерь на трассе с вспомогательной задачей прогнозирования зоны покрытия для передатчика или моделирования распределения. сигналов в разных регионах
Поскольку каждому отдельному каналу связи приходится сталкиваться с различной местностью, трассой, препятствиями, атмосферными условиями и другими явлениями, невозможно сформулировать точные потери для всех систем связи в одном математическом уравнении. В результате существуют разные модели для разных типов радиоканалов в разных условиях. Модели основаны на вычислении медианных потерь на трассе для канала при определенной вероятности возникновения рассматриваемых условий.
Модели распространения радиоволн носят эмпирический характер, то есть они разрабатываются на основе больших коллекций данных, собранных для конкретного сценария. Для любой модели набор данных должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную вероятность (или достаточный объем) всех видов ситуаций, которые могут произойти в этом конкретном сценарии. Как и все эмпирические модели, модели распространения радиоволн не указывают точное поведение линии связи, а скорее предсказывают наиболее вероятное поведение линии связи в определенных условиях.
Различные модели были разработаны для удовлетворения потребностей реализации поведения распространения в различных условиях. Типы моделей распространения радиоволн включают:
{{cite magazine}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)