Распространение радиоволн — это поведение радиоволн , когда они перемещаются или распространяются из одной точки в другую в вакууме или в различных частях атмосферы . [ 1] : 26‑1 Как форма электромагнитного излучения , радиоволны, как и световые волны, подвержены явлениям отражения , преломления , дифракции , поглощения , поляризации и рассеяния . [2] Понимание влияния различных условий на распространение радиоволн имеет множество практических применений: от выбора частот для любительской радиосвязи, международных коротковолновых вещателей до проектирования надежных систем мобильной телефонной связи , радионавигации и эксплуатации радиолокационных систем.
В практических системах радиопередачи используется несколько различных типов распространения. Распространение по прямой видимости означает, что радиоволны распространяются по прямой линии от передающей антенны к приемной антенне. Передача по прямой видимости используется для передачи радиосигналов на средние расстояния, например, в сотовых телефонах , беспроводных телефонах , рациях , беспроводных сетях , FM-радио , телевизионном вещании , радарах и спутниковой связи (например, спутниковом телевидении ). Передача по 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. [a]
На более низких частотах в диапазонах MF , LF и VLF дифракция позволяет радиоволнам огибать холмы и другие препятствия и выходить за горизонт, следуя контуру Земли. Это называется поверхностными волнами или распространением земных волн . Радиовещательные AM и любительские радиостанции используют земные волны для покрытия своих зон прослушивания. По мере того, как частота становится ниже, затухание с расстоянием уменьшается, поэтому земные волны от очень низкой частоты (VLF) до крайне 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 связи и военной связи с подводными лодками, находящимися в подводном положении .
На средних и коротких волнах ( диапазоны MF и HF ) радиоволны могут преломляться от ионосферы , слоя заряженных частиц ( ионов ) высоко в атмосфере. Это означает, что средние и короткие радиоволны, передаваемые под углом в небо, могут преломляться обратно на Землю на больших расстояниях за горизонтом — даже трансконтинентальных расстояниях. Это называется распространением небесной волны . Оно используется радиолюбителями для связи с операторами в отдаленных странах, а также коротковолновыми вещательными станциями для передачи на международном уровне. [b]
Кроме того, существует несколько менее распространенных механизмов распространения радиоволн, таких как тропосферное рассеяние (тропосферный канал), тропосферное волноводное распространение (канализация) на частотах VHF и ионосферная волна с вертикальным падением (NVIS), которые используются, когда требуется ВЧ-связь на расстоянии в несколько сотен миль.
На разных частотах радиоволны распространяются в атмосфере 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 обратно пропорциональна квадрату 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 от ее предыдущего значения.
Плотность мощности на единицу поверхности пропорциональна произведению напряженностей электрического и магнитного полей. Таким образом, удвоение расстояния пути распространения от передатчика уменьшает каждую из этих полученных напряженностей поля по пути свободного пространства вдвое.
Радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света . Атмосфера Земли достаточно тонкая, чтобы радиоволны в атмосфере распространялись со скоростью, очень близкой к скорости света, но изменения плотности и температуры могут вызывать некоторую небольшую рефракцию (изгиб) волн на расстоянии.
Прямая видимость относится к радиоволнам, которые распространяются непосредственно по линии от передающей антенны к приемной антенне, часто также называемым прямой волной. Это не обязательно требует расчищенного пути видимости; на более низких частотах радиоволны могут проходить сквозь здания, листву и другие препятствия. Это наиболее распространенный режим распространения на УКВ и выше и единственно возможный режим на микроволновых частотах и выше. На поверхности Земли распространение по прямой видимости ограничено визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). Этот метод используется в сотовых телефонах , [c] беспроводных телефонах , рациях , беспроводных сетях , двухточечных микроволновых радиорелейных линиях, FM- и телевизионном вещании и радарах . Спутниковая связь использует более длинные пути прямой видимости; например, домашние спутниковые антенны принимают сигналы со спутников связи на высоте 22 000 миль (35 000 км) над Землей, а наземные станции могут связываться с космическими аппаратами в миллиардах миль от Земли.
Эффекты отражения от плоскости земли являются важным фактором распространения VHF по прямой видимости. Интерференция между прямой линией видимости луча и отраженным от земли лучом часто приводит к эффективному закону обратной четвертой степени ( 1 ⁄ расстояния 4 ) для излучения, ограниченного плоскостью земли. [ необходима цитата ]
Вертикально поляризованные радиоволны более низкой частоты (от 30 до 3000 кГц) могут распространяться как поверхностные волны , следуя контуру Земли; это называется распространением земной волны .
В этом режиме радиоволна распространяется, взаимодействуя с проводящей поверхностью Земли. Волна «цепляется» за поверхность и, таким образом, следует кривизне Земли, поэтому земные волны могут распространяться 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, следуя по поверхности Земли. Затухание пропорционально частоте, поэтому земные волны являются основным режимом распространения на более низких частотах, в диапазонах MF , LF и VLF . Земные волны используются радиовещательными станциями в диапазонах MF и LF, а также для сигналов времени и радионавигационных систем.
На еще более низких частотах, в диапазонах VLF и ELF , волноводный механизм Земля-ионосфера позволяет передавать данные 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 погруженными подводными лодками.
Ранняя дальняя радиосвязь ( беспроводная телеграфия ) до середины 1920-х годов использовала низкие частоты в длинноволновых диапазонах и полагалась исключительно на распространение наземных волн. Частоты выше 3 МГц считались бесполезными и были отданы любителям ( радиолюбителям ). Открытие около 1920 года ионосферного отражения или механизма небесной волны сделало средние и короткие волны полезными для дальней связи, и они были выделены коммерческим и военным пользователям. [9]
Распространение радиоволн вне прямой видимости (NLOS) происходит за пределами типичной прямой видимости (LOS) между передатчиком и приемником, например, при отражениях от земли . Условия близкой прямой видимости (также NLOS) относятся к частичному заграждению физическим объектом, присутствующим в самой внутренней зоне Френеля .
Препятствия, которые обычно вызывают распространение NLOS, включают здания, деревья, холмы, горы и, в некоторых случаях, высоковольтные линии электропередач . Некоторые из этих препятствий отражают определенные радиочастоты, в то время как 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 на приемнике снижают вероятность успешного приема передачи. Низкие уровни могут быть вызваны как минимум тремя основными причинами: низкий уровень передачи, например, уровни мощности Wi-Fi ; удаленный передатчик, например, 3G на расстоянии более 5 миль (8,0 км) или ТВ на расстоянии более 31 мили (50 км); и препятствие между передатчиком и приемником, не оставляющее свободного пути.
NLOS снижает эффективную принимаемую мощность. С ближней линией прямой видимости обычно можно справиться, используя лучшие антенны, но вне прямой видимости обычно требуются альтернативные пути или методы многолучевого распространения.
Как достичь эффективной работы в сети NLOS, стало одним из основных вопросов современных компьютерных сетей. В настоящее время наиболее распространенным методом решения проблем с условиями NLOS в беспроводных компьютерных сетях является простое обход условия NLOS и размещение ретрансляторов в дополнительных местах, отправляя содержимое 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.
Non-Line-of-Sight (NLOS) — термин, часто используемый в радиосвязи для описания радиоканала или линии связи, где нет прямой видимости (LOS) между передающей антенной и приемной антенной . В этом контексте LOS берется
Существует множество электрических характеристик среды передачи, которые влияют на распространение радиоволн и, следовательно, на качество работы радиоканала, если она вообще возможна, на трассе NLOS.
Аббревиатура NLOS стала более популярной в контексте беспроводных локальных сетей (WLAN) и беспроводных городских сетей, таких как WiMAX, поскольку способность таких соединений обеспечивать приемлемый уровень покрытия NLOS значительно повышает их рыночную привлекательность и универсальность в типичных городских условиях, где они чаще всего используются. Однако NLOS содержит много других подмножеств радиосвязи.
Влияние визуального препятствия на канал NLOS может быть любым: от незначительного до полного подавления. Примером может служить путь LOS между телевизионной вещательной антенной и приемной антенной, установленной на крыше. Если облако пройдет между антеннами, канал фактически может стать NLOS, но качество радиоканала может практически не измениться. Если вместо этого на пути будет построено большое здание, что сделает его NLOS, канал может быть невозможным для приема.
Beyond line-of-sight (BLOS) — родственный термин, часто используемый в армии для описания возможностей радиосвязи, которые связывают персонал или системы, слишком удаленные или слишком полностью скрытые рельефом местности для связи LOS. Эти радиостанции используют активные ретрансляторы , распространение наземных волн , тропосферные линии рассеяния и ионосферное распространение для расширения диапазона связи от нескольких километров до нескольких тысяч километров.Условия распространения HF могут быть смоделированы с использованием моделей распространения радиоволн , таких как Программа анализа покрытия Voice of America , а измерения в реальном времени могут быть выполнены с использованием передатчиков с линейной частотной модуляцией . Для радиолюбителей режим WSPR предоставляет карты с условиями распространения в реальном времени между сетью передатчиков и приемников. [10] Даже без специальных маяков условия распространения в реальном времени могут быть измерены: 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 вещании AM драматические ионосферные изменения, которые происходят ночью в диапазоне средних волн, приводят к уникальной схеме лицензирования вещания в Соединенных Штатах с совершенно другими уровнями выходной мощности передатчика и направленными диаграммами направленности антенн , чтобы справиться с распространением небесной волны ночью. Очень немногим станциям разрешено работать без модификаций в темное время суток, как правило, только тем, которые находятся на чистых каналах в Северной Америке . [12] Многие станции вообще не имеют разрешения работать вне дневного времени.
Для FM-вещания (и нескольких оставшихся низкочастотных телевизионных станций ) погода является основной причиной изменений в распространении VHF, наряду с некоторыми суточными изменениями, когда небо в основном безоблачно . [ 13] Эти изменения наиболее очевидны во время температурных инверсий, например, в поздние ночные и ранние утренние часы, когда ясно, позволяя земле и воздуху около нее охлаждаться быстрее. Это не только вызывает росу , иней или туман , но и вызывает небольшое «торможение» нижней части радиоволн, изгибая сигналы вниз таким образом, что они могут следовать за кривизной Земли по нормальному радиогоризонту. Результатом обычно является то, что несколько станций слышны с другого медиарынка — обычно соседнего, но иногда и с расстояния в несколько 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 помехи, которые передают мощные сигналы в места, находящиеся на расстоянии более 1000 км (600 миль).
Нетранслируемые сигналы также подвержены влиянию. Сигналы мобильных телефонов находятся в диапазоне УВЧ, от 700 до более 2600 МГц, что делает их еще более подверженными изменениям распространения, вызванным погодой. В городских (и в некоторой степени пригородных ) районах с высокой плотностью населения это частично компенсируется использованием меньших ячеек, которые используют более низкую эффективную излучаемую мощность и наклон луча для уменьшения помех и, следовательно, увеличивают повторное использование частоты и пользовательскую емкость. Однако, поскольку это не было бы очень экономически эффективным в более сельских районах, эти ячейки больше и, следовательно, более вероятно, будут вызывать помехи на больших расстояниях, когда позволяют условия распространения.
Хотя это, как правило, прозрачно для пользователя благодаря тому, как сотовые сети обрабатывают передачу данных между ячейками , когда задействованы трансграничные сигналы, могут возникнуть неожиданные расходы на международный роуминг , несмотря на то, что вы вообще не покидали страну. Это часто происходит между южным Сан-Диего и северным 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 проходить через водоем, намного больший, чем река Детройт , а низкая температура воды также вызывает инверсии в приземном воздухе, этот «пограничный роуминг» иногда происходит через Великие озера и между островами в Карибском море . Сигналы могут перескакивать из Доминиканской Республики на склон горы в Пуэрто-Рико и наоборот, или между США и Британскими Виргинскими островами , среди прочего. Хотя непреднамеренный трансграничный роуминг часто автоматически удаляется системами выставления счетов мобильных телефонных компаний , роуминг между островами, как правило, нет.
Модель распространения радиоволн , также известная как модель распространения радиоволн или модель распространения радиочастот , представляет собой эмпирическую математическую формулу для характеристики распространения радиоволн как функции частоты , расстояния и других условий. Обычно разрабатывается одна модель для прогнозирования поведения распространения для всех аналогичных каналов при аналогичных ограничениях. Созданные с целью формализации способа распространения радиоволн из одного места в другое, такие модели обычно предсказывают потери на пути вдоль канала или эффективную зону покрытия передатчика .
Изобретатель радиосвязи Гульельмо Маркони еще до 1900 года сформулировал первое грубое эмпирическое правило распространения радиоволн: максимальная дальность передачи изменялась пропорционально квадрату высоты антенны.
Поскольку потери на пути распространения, возникающие на любом радиоканале, служат доминирующим фактором для характеристики распространения на канале, модели распространения радиосигналов обычно фокусируются на реализации потерь на пути распространения с вспомогательной задачей прогнозирования зоны покрытия передатчика или моделирования распределения сигналов по различным регионам.
Поскольку каждая отдельная телекоммуникационная линия должна сталкиваться с различной местностью, путем, препятствиями, атмосферными условиями и другими явлениями, сложно сформулировать точные потери для всех телекоммуникационных систем в одном математическом уравнении. В результате существуют разные модели для разных типов радиолиний в разных условиях. Модели основаны на вычислении медианных потерь на пути для линии при определенной вероятности того, что рассматриваемые условия возникнут.
Модели распространения радиосигналов являются эмпирическими по своей природе, что означает, что они разрабатываются на основе больших наборов данных, собранных для конкретного сценария. Для любой модели набор данных должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную вероятность (или достаточный охват) для всех видов ситуаций, которые могут произойти в этом конкретном сценарии. Как и все эмпирические модели, модели распространения радиосигналов не указывают точное поведение канала, а скорее предсказывают наиболее вероятное поведение, которое канал может демонстрировать при указанных условиях.
Различные модели были разработаны для удовлетворения потребностей в реализации поведения распространения в различных условиях. Типы моделей для распространения радиоволн включают:
{{cite magazine}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)