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 во 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.
Из уравнений Максвелла [1] мы находим, что радиоволны, существующие в свободном пространстве в дальней зоне или области Фраунгофера, ведут себя как плоские волны . [2] [3] В плоских волнах электрическое поле , магнитное поле и направление распространения взаимно перпендикулярны . [4] Чтобы понять различные механизмы, которые обеспечивают успешную радиосвязь по путям NLOS, мы должны рассмотреть, как на такие плоские волны влияет объект или объекты, которые визуально преграждают путь между антеннами, в противном случае находящийся в прямой видимости. Понятно, что термины радиоволны дальнего поля и радиоплоские волны являются взаимозаменяемыми.
По определению, линия прямой видимости — это визуальная линия видимости, которая определяется способностью среднего человеческого глаза различать удаленный объект. Наши глаза чувствительны к свету, но оптические длины волн очень короткие по сравнению с радиоволнами. Оптические длины волн варьируются от примерно 400 нанометров (нм) до 700 нм, а радиоволны — от примерно 1 миллиметра (мм) на частоте 300 ГГц до 30 километров (км) на частоте 10 кГц. Таким образом, даже самая короткая радиоволна примерно в 2000 раз длиннее самой длинной оптической волны. Для типичных частот связи до примерно 10 ГГц разница составляет порядка 60 000 раз, поэтому не всегда надежно сравнивать визуальные препятствия, например, которые могут указывать на путь NLOS, с теми же препятствиями, которые могут повлиять на путь распространения радиоволн.
NLOS-связи могут быть симплексными (передача только в одном направлении), дуплексными (передача одновременно в обоих направлениях) или полудуплексными (передача возможна в обоих направлениях, но не одновременно). В нормальных условиях все радиосвязи, включая NLOSl, являются взаимными — это означает, что эффекты условий распространения на радиоканале идентичны, работает ли он в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме. [5] Однако условия распространения на разных частотах различны, поэтому традиционный дуплекс с разными частотами восходящей и нисходящей линий связи не обязательно является взаимным.
В общем, то, как плоская волна подвергается воздействию препятствия, зависит от размера препятствия относительно его длины волны и электрических свойств препятствия. Например, воздушный шар с многоволновыми размерами, проходящий между передающей и приемной антеннами, может быть значительным визуальным препятствием, но вряд ли сильно повлияет на распространение радиосигнала NLOS, если предположить, что он сделан из ткани и наполнен горячим воздухом, оба из которых являются хорошими изоляторами. И наоборот, металлическое препятствие с размерами, сопоставимыми с длиной волны, вызовет значительные отражения. При рассмотрении размера препятствия мы предполагаем, что его электрические свойства являются наиболее распространенным промежуточным или потеряющим типом.
В целом, существует три приблизительных размера препятствий по отношению к длине волны, которые следует учитывать на возможном пути NLOS:
Если размеры препятствия намного меньше длины волны падающей плоской волны, волна по существу не затронута. Например, низкочастотные (НЧ) вещания, также известные как длинные волны , на частоте около 200 кГц имеют длину волны 1500 м и не подвергаются значительному влиянию большинства зданий среднего размера, которые намного меньше.
Если размеры препятствия имеют тот же порядок, что и длина волны, то существует некоторая степень дифракции вокруг препятствия и, возможно, некоторая передача через него. Падающая радиоволна может быть слегка ослаблена, и может быть некоторое взаимодействие между дифрагированными волновыми фронтами.
Если препятствие имеет размеры, соответствующие многим длинам волн, то падающие плоские волны в значительной степени зависят от электрических свойств материала, образующего препятствие.
Электрические свойства материала, образующего препятствие для радиоволн, могут варьироваться от идеального проводника на одном полюсе до идеального изолятора на другом. Большинство материалов обладают как свойствами проводника, так и свойствами изолятора. Они могут быть смешанными: например, многие пути NLOS возникают из-за того, что путь LOS преграждают железобетонные здания, построенные из бетона и стали . Бетон является довольно хорошим изолятором в сухом состоянии, а сталь является хорошим проводником. В качестве альтернативы материал может быть однородным материалом с потерями .
Параметр, описывающий, в какой степени материал является проводником или изолятором , называется тангенсом угла потерь и определяется по формуле
где
и
Если материал является хорошим проводником или плохим изолятором и существенно отражает радиоволны, которые падают на него с почти той же мощностью. [6] Таким образом, фактически никакая мощность РЧ не поглощается самим материалом и фактически никакая не передается, даже если он очень тонкий. Все металлы являются хорошими проводниками, и, конечно, есть много примеров, которые вызывают значительные отражения радиоволн в городской среде, например, мосты, здания с металлической обшивкой, склады, самолеты и вышки или опоры линий электропередач .
Если материал является хорошим изолятором (или диэлектриком) или плохим проводником и в значительной степени пропускает падающие на него волны. Практически никакая радиочастотная мощность не поглощается, но некоторая часть может отражаться на его границах в зависимости от его относительной диэлектрической проницаемости по сравнению с диэлектрической проницаемостью свободного пространства, которая равна единице. При этом используется концепция собственного импеданса, которая описана ниже. Существует несколько крупных физических объектов, которые также являются хорошими изоляторами, за интересным исключением пресноводных айсбергов , но они обычно не встречаются в большинстве городских сред. Однако большие объемы газа обычно ведут себя как диэлектрики. Примерами этого являются области атмосферы Земли , которые постепенно уменьшают плотность с увеличением высоты до 10–20 км. На больших высотах от примерно 50 км до 200 км различные ионосферные слои также ведут себя как диэлектрики и сильно зависят от влияния Солнца . Ионосферные слои — это не нейтральные газы, а плазма .
Даже если препятствие является идеальным изолятором, оно может иметь некоторые отражательные свойства из-за своей относительной диэлектрической проницаемости, отличающейся от диэлектрической проницаемости атмосферы. Электрические материалы, через которые могут распространяться плоские волны, обладают свойством, называемым собственным импедансом ( ) или электромагнитным импедансом, который аналогичен характеристическому импедансу кабеля в теории линий передачи. Собственное импеданс однородного материала определяется по формуле: [7]
где
Для свободного пространства и , следовательно, собственное сопротивление свободного пространства определяется выражением
что приблизительно равно 377 .
По аналогии теории плоских волн и теории линий передачи определение коэффициента отражения является мерой уровня отражения, обычно на границе, когда плоская волна проходит из одной диэлектрической среды в другую. Например, если собственное сопротивление первой и второй среды было и соответственно, то коэффициент отражения среды 2 относительно 1, , определяется как:
Логарифмическая мера в децибелах ( ) того, как передаваемый по линии NLOS радиосигнал подвергается воздействию такого отражения, определяется по формуле:
Большинство материалов, влияющих на передачу радиоволн по каналам NLOS, являются промежуточными: они не являются ни хорошими изоляторами, ни хорошими проводниками. Радиоволны, падающие на препятствие, состоящее из тонкого промежуточного материала, частично отражаются как на границах падения, так и на границах выхода, а частично поглощаются, в зависимости от толщины. Если препятствие достаточно толстое, радиоволна может быть полностью поглощена. Из-за поглощения их часто называют материалами с потерями, хотя степень потерь обычно крайне изменчива и часто сильно зависит от уровня присутствующей влаги. Они часто неоднородны и представляют собой смесь материалов с различной степенью свойств проводника и изолятора. Такими примерами являются холмы, склоны долин, горы (с существенной растительностью) и здания, построенные из камня, кирпича или бетона, но без армированной стали. Чем они толще, тем больше потери. Например, стена поглощает гораздо меньше радиочастотной мощности от нормально падающей волны, чем здание, построенное из того же материала.
Пассивные случайные отражения достигаются, когда плоские волны подвергаются одному или нескольким отражательным путям вокруг объекта, который превращает радиотрассу LOS в NLOS. Отражательные пути могут быть вызваны различными объектами, которые могут быть либо металлическими (очень хорошими проводниками, такими как стальной мост или самолет ), либо относительно хорошими проводниками для плоских волн, такими как большие площади бетонных стен зданий и т. д. Иногда это считается методом грубой силы , поскольку при каждом отражении плоская волна претерпевает потерю передачи, которая должна быть компенсирована более высокой выходной мощностью от передающей антенны по сравнению с тем, если бы связь была LOS. Однако этот метод дешев и прост в использовании, и пассивные случайные отражения широко используются в городских районах для достижения NLOS. Услуги связи, использующие пассивные отражения, включают WiFi , WiMax , WiMAX MIMO , мобильную (сотовую) связь и наземное вещание в городских районах.
Пассивные ретрансляторы могут использоваться для достижения линий связи NLOS путем преднамеренной установки точно спроектированного отражателя в критическом положении для обеспечения пути вокруг препятствия. Однако они неприемлемы в большинстве городских условий из-за громоздкого отражателя, требующего критического позиционирования в, возможно, недоступном месте или в месте, неприемлемом для органов планирования или владельца здания. Пассивные рефлекторные линии связи NLOS также несут существенные потери из-за того, что принимаемый сигнал является функцией «двойного закона обратных квадратов » сигнала передачи, по одному на каждый скачок от передающей антенны до приемной антенны. Однако они успешно использовались в сельских горных районах для расширения диапазона микроволновых линий связи LOS вокруг гор, создавая таким образом линии связи NLOS. В таких случаях установка более обычного активного ретранслятора обычно была невозможна из-за проблем с получением подходящего источника питания.
Активный ретранслятор — это питаемое устройство, в основном включающее приемную антенну, приемник, передатчик и передающую антенну. Если концы линии связи NLOS находятся в позициях A и C, ретранслятор находится в позиции B, где линии связи AB и BC фактически находятся в LOS. Активный ретранслятор может просто усиливать принятый сигнал и повторно передавать его без изменений либо на той же частоте, либо на другой частоте. Первый случай проще и дешевле, но требует хорошей изоляции между двумя антеннами, чтобы избежать обратной связи , однако это означает, что конец линии связи NLOS в A или C не требует изменения частоты приема по сравнению с той, которая используется для линии связи LOS. Типичным применением может быть повторение или ретрансляция сигналов для транспортных средств, использующих автомобильные радиоприемники в туннелях. Ретранслятор, который изменяет частоту, избежит любых проблем с обратной связью, но его будет сложнее спроектировать и он будет дороже, и для него потребуется приемник для изменения частоты при перемещении из зоны LOS в зону NLOS.
Спутник связи является примером активного ретранслятора, который меняет частоту. Спутники связи в большинстве случаев находятся на геосинхронной орбите на высоте 22 300 миль (35 000 км) над экватором .
Применение вектора Пойнтинга к вертикально поляризованным плоским волнам на LF (от 30 кГц до 300 кГц) и VLF (от 3 кГц до 30 кГц) показывает, что компонент поля распространяется на несколько метров вглубь поверхности Земли. Распространение происходит с очень малыми потерями, и возможна связь на тысячи километров по линиям NLOS. Однако такие низкие частоты по определению ( теорема выборки Найквиста-Шеннона ) имеют очень низкую пропускную способность, поэтому этот тип связи не получил широкого распространения.
Радиоволны в диапазонах VHF и UHF могут распространяться несколько дальше визуального горизонта из-за рефракции в тропосфере , нижнем слое атмосферы ниже 20 км (12 миль). [8] [9] Это происходит из-за изменений показателя преломления воздуха в зависимости от температуры и давления. Тропосферная задержка является источником ошибок в радиолокационных методах, таких как Глобальная система позиционирования (GPS). [10] Кроме того, необычные условия иногда могут допускать распространение на большие расстояния:
Препятствием, создающим связь NLOS, может быть сама Земля , например, если бы другой конец связи находился за пределами оптического горизонта. Очень полезным свойством земной атмосферы является то, что в среднем плотность молекул воздуха уменьшается с увеличением высоты примерно до 30 км. Ее относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная неуклонно уменьшается примерно от 1,00536 на поверхности Земли. [11] Чтобы смоделировать изменение показателя преломления с высотой, атмосферу можно аппроксимировать множеством тонких слоев воздуха, каждый из которых имеет немного меньший показатель преломления, чем тот, что ниже. Траектория радиоволн, проходящих через такую модель атмосферы на каждом интерфейсе, аналогична оптическим лучам, проходящим из одной оптической среды в другую, как предсказывает закон Снеллиуса . Когда луч переходит от более высокого к более низкому показателю преломления, он имеет тенденцию изгибаться или преломляться от нормали на границе в соответствии с законом Снеллиуса. Если учесть кривизну Земли, то окажется, что в среднем радиоволны, первоначальная траектория которых направлена к оптическому горизонту, следуют по пути, который не возвращается к поверхности Земли на горизонте, а немного за его пределы. Расстояние от передающей антенны до места, где они возвращаются, приблизительно эквивалентно оптическому горизонту, если бы радиус Земли был равен 4/3 от его фактического значения . «Радиус Земли 4/3» является полезным эмпирическим правилом для инженеров радиосвязи при проектировании такой линии связи NLOS.
Правило 4/3 радиуса Земли является средним для атмосферы Земли, предполагая, что она достаточно гомогенизирована , не имеет слоев температурной инверсии или необычных метеорологических условий. Связи NLOS, которые используют атмосферную рефракцию, обычно работают на частотах в диапазонах VHF и UHF , включая службы наземного вещания FM и TV.
Описанное выше явление, при котором показатель преломления атмосферы, относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная постепенно уменьшаются с ростом высоты, происходит из-за уменьшения плотности атмосферного воздуха с ростом высоты. Плотность воздуха также является функцией температуры, которая обычно также уменьшается с ростом высоты. Однако это только средние условия; местные метеорологические условия могут создавать такие явления, как слои температурной инверсии , где теплый слой воздуха оседает над холодным слоем. На границе между ними существует относительно резкое изменение показателя преломления от меньшего значения в холодном слое до большего значения в теплом слое. По аналогии с оптическим законом Снеллиуса , это может вызвать значительные отражения радиоволн обратно к поверхности Земли, где они отражаются дальше, тем самым вызывая эффект воздуховода . Результатом является то, что радиоволны могут распространяться далеко за пределы их предполагаемой зоны обслуживания с меньшим, чем обычно, затуханием. Этот эффект проявляется только в спектрах VHF и UHF и часто используется радиолюбителями- энтузиастами для достижения связи на аномально больших расстояниях для задействованных частот. [12] Для коммерческих служб связи его использовать нельзя, поскольку он ненадежен (условия могут формироваться и рассеиваться за считанные минуты) и может вызывать помехи далеко за пределами обычной зоны обслуживания.
Температурная инверсия и аномальное распространение могут происходить на большинстве широт, но они чаще встречаются в тропическом климате, чем в умеренном , и обычно связаны с областями высокого давления (антициклонами).
Внезапные изменения вертикального содержания влаги в атмосфере и температурных профилей могут в случайных случаях заставить сигналы UHF , VHF и микроволновые сигналы распространяться на сотни километров (миль) до примерно 2000 километров (1200 миль) — а для режима воздуховода даже дальше — за пределы обычного радиогоризонта. Инверсионный слой в основном наблюдается над областями высокого давления, но есть несколько тропосферных погодных условий, которые создают эти случайно возникающие режимы распространения. Высота инверсионного слоя для не воздуховодов обычно находится между 100 и 1000 метров (330 и 3280 футов), а для воздуховодов — около 500–3000 метров (1600–9800 футов), а продолжительность событий обычно составляет от нескольких часов до нескольких дней. Более высокие частоты испытывают наиболее резкое увеличение силы сигнала, в то время как на низких VHF и HF эффект незначителен. Затухание пути распространения может быть ниже потерь в свободном пространстве. Некоторые из меньших типов инверсии, связанных с теплой землей и более прохладным содержанием влаги в воздухе, происходят регулярно в определенное время года и суток. Типичным примером могут быть поздние летние, ранние утренние тропосферные усиления, которые приносят сигналы с расстояния до нескольких сотен километров (миль) в течение пары часов, пока не будут отменены тепловым эффектом Солнца.
На частотах VHF и выше небольшие изменения (турбулентность) в плотности атмосферы на высоте около 6 миль (9,7 км) могут рассеивать часть обычно прямой видимости луча радиочастотной энергии обратно к земле. В системах связи с тропосферным рассеянием (тропосферным рассеиванием) мощный луч микроволн направлен над горизонтом, а антенна с высоким коэффициентом усиления над горизонтом, нацеленная на часть тропосферы, через которую проходит луч, принимает крошечный рассеянный сигнал. Системы тропосферного рассеивания могут достигать загоризонтной связи между станциями, находящимися на расстоянии 500 миль (800 км) друг от друга, и военные разработали сети, такие как система связи White Alice, охватывающая всю Аляску до 1960-х годов, когда спутники связи в значительной степени заменили их.
Тропосферный канал NLOS обычно работает на частоте нескольких гигагерц, используя потенциально очень высокую мощность передачи (обычно от 3 кВт до 30 кВт в зависимости от условий), очень чувствительные приемники и очень высокий коэффициент усиления, обычно фиксированные, большие рефлекторные антенны. Передающий луч направляется в тропосферу чуть выше горизонта с достаточной плотностью потока мощности, чтобы молекулы газа и водяного пара вызывали рассеяние в области на пути луча, известной как объем рассеяния. Некоторые компоненты рассеянной энергии перемещаются в направлении антенн приемника и формируют принимаемый сигнал. Поскольку в этой области очень много частиц, вызывающих рассеяние, статистическая модель замирания Рэлея может с пользой предсказывать поведение и производительность в таком типе системы.
Рассеивание дождем — это чисто микроволновый режим распространения, который лучше всего наблюдается около 10 ГГц, но простирается до нескольких гигагерц — пределом является размер рассеивающей частицы по сравнению с длиной волны . Этот режим рассеивает сигналы в основном вперед и назад при использовании горизонтальной поляризации и бокового рассеяния с вертикальной поляризацией . Прямое рассеяние обычно дает дальность распространения 800 км (500 миль). Рассеивание от снежинок и ледяных крупинок также происходит, но рассеяние от льда без водной поверхности менее эффективно. Наиболее распространенным применением этого явления является микроволновый дождевой радар, но распространение рассеяния дождем может быть помехой, заставляя нежелательные сигналы периодически распространяться там, где они не ожидаются или не желательны. Подобные отражения могут также происходить от насекомых, хотя на более низких высотах и на более коротком расстоянии. Дождь также вызывает затухание двухточечных и спутниковых микроволновых линий связи. Значения затухания до 30 дБ наблюдались на 30 ГГц во время сильного тропического дождя.
Рассеивание молний иногда наблюдалось на УКВ и УВЧ на расстоянии около 500 км (300 миль). Горячий канал молнии рассеивает радиоволны на долю секунды. Всплеск радиочастотного шума от молнии делает начальную часть открытого канала непригодной для использования, и ионизация быстро исчезает из-за рекомбинации на малой высоте и высоком атмосферном давлении. Хотя горячий канал молнии можно кратковременно наблюдать с помощью микроволнового радара, практического применения этого режима в коммуникациях не обнаружено.
Механизм распространения в ионосфере при поддержке линий связи NLOS аналогичен механизму атмосферной рефракции, но в этом случае рефракция радиоволн происходит не в атмосфере, а в ионосфере на гораздо больших высотах. [13] Как и его тропосферный аналог, ионосферное распространение иногда можно статистически смоделировать с использованием замирания Рэлея .
Ионосфера простирается от высот приблизительно от 50 км до 400 км и разделена на отдельные плазменные слои , обозначенные D, E, F1 и F2 по возрастанию высоты. Рефракция радиоволн ионосферой, а не атмосферой, может, таким образом, позволить NLOS-связи на гораздо большем расстоянии всего за один путь рефракции или «прыжок» через один из слоев. При определенных условиях радиоволны, которые претерпели один прыжок, могут отражаться от поверхности Земли и испытывать больше прыжков, тем самым увеличивая дальность. Их положение и их ионные плотности в значительной степени контролируются падающим излучением Солнца и, следовательно, изменяются в течение суток , сезонов и во время солнечной пятновыводящей активности. Первоначальное открытие того, что радиоволны могут распространяться за горизонт, сделанное Маркони в начале 20-го века, побудило к обширным исследованиям ионосферного распространения в течение следующих 50 лет или около того, которые дали различные таблицы и графики прогнозирования каналов связи HF.
Частоты, на которые влияет ионосферное распространение, находятся в диапазоне приблизительно от 500 кГц до 50 МГц, но большинство таких линий связи NLOS работают в «коротковолновых» или высокочастотных (HF) диапазонах частот от 3 МГц до 30 МГц.
Во второй половине двадцатого века были разработаны альтернативные средства связи на больших расстояниях NLOS, такие как спутниковая связь и подводное оптоволокно, оба из которых потенциально имеют гораздо большую полосу пропускания, чем HF, и являются гораздо более надежными. Несмотря на свои ограничения, HF-связь нуждается только в относительно дешевом, грубом оборудовании и антеннах, поэтому они в основном используются в качестве резервных для основных систем связи и в малонаселенных отдаленных районах, где другие методы связи не являются экономически эффективными.
Распространение небесной волны , также называемое пропуском , представляет собой любой из режимов, которые основаны на отражении и преломлении радиоволн от ионосферы . Ионосфера представляет собой область атмосферы примерно от 60 до 500 км (от 37 до 311 миль), которая содержит слои заряженных частиц ( ионов ), которые могут преломлять радиоволну обратно к Земле. Радиоволна, направленная под углом в небо, может быть отражена обратно на Землю за горизонт этими слоями, что позволяет осуществлять радиопередачу на большие расстояния. Слой F2 является наиболее важным ионосферным слоем для распространения КВ на большие расстояния с несколькими скачками, хотя слои F1, E и D также играют важную роль. Слой D, когда присутствует в периоды солнечного света, вызывает значительную потерю сигнала, как и слой E, максимальная используемая частота которого может подниматься до 4 МГц и выше и, таким образом, блокировать сигналы более высоких частот от достижения слоя F2. Слои, или, точнее, «регионы», напрямую зависят от солнца в ежедневном суточном цикле , сезонном цикле и 11-летнем цикле солнечных пятен и определяют полезность этих режимов. Во время солнечных максимумов или пиков и максимумов солнечных пятен весь диапазон HF до 30 МГц может использоваться обычно круглосуточно, а распространение F2 до 50 МГц наблюдается часто в зависимости от ежедневных значений солнечного потока . Во время солнечных минимумов или минимального количества солнечных пятен до нуля распространение частот выше 15 МГц, как правило, недоступно.
Хотя обычно утверждается, что двухстороннее распространение ВЧ по заданному пути является взаимным, то есть, если сигнал из местоположения A достигает местоположения B с хорошей силой, сигнал из местоположения B будет аналогичным на станции A, поскольку один и тот же путь проходит в обоих направлениях. Однако ионосфера слишком сложна и постоянно меняется, чтобы поддерживать теорему о взаимности. Путь никогда не бывает абсолютно одинаковым в обоих направлениях. [14] Короче говоря, условия в двух конечных точках пути обычно вызывают разные сдвиги поляризации, отсюда разные разделения на обыкновенные лучи и необыкновенные лучи ( лучи Педерсена ), которые имеют разные характеристики распространения из-за различий в плотности ионизации, смещающихся зенитных углов, эффектов контуров магнитного диполя Земли, диаграмм направленности антенны, условий на земле и других переменных.
Прогнозирование режимов небесной волны представляет значительный интерес для радиолюбителей и коммерческих морских и воздушных коммуникаций, а также для коротковолновых вещателей. Распространение в реальном времени можно оценить, прослушивая передачи от определенных передатчиков маяков .
Если объект, который изменяет связь LOS на NLOS, не является хорошим проводником, а представляет собой промежуточный материал, он поглощает часть падающей на него радиочастотной мощности. Однако, если он имеет конечную толщину, поглощение также конечно, и результирующее затухание радиоволн может быть допустимым, и связь NLOS может быть установлена с использованием радиоволн, которые фактически проходят через материал. Например, сети WLAN часто используют связи NLOS с конечным поглощением для связи между точкой доступа WLAN и клиентом(ами) WLAN в типичной офисной среде. Используемые радиочастоты, обычно несколько гигагерц (ГГц), обычно проходят через несколько тонких офисных стен и перегородок с допустимым затуханием. Однако после многих таких стен или после нескольких толстых бетонных или подобных (неметаллических) стен связь NLOS становится неработоспособной.
Рассеивание метеоров основано на отражении радиоволн от сильно ионизированных столбов воздуха, создаваемых метеорами . Хотя этот режим очень кратковременный, часто всего от доли секунды до пары секунд на событие, цифровая связь с помощью метеорных всплесков позволяет удаленным станциям связываться со станцией, которая может находиться на расстоянии от сотен миль до более 1000 миль (1600 км), без расходов, необходимых для спутниковой связи. Этот режим наиболее полезен на частотах VHF от 30 до 250 МГц.
Интенсивные колонны ионизации полярных сияний на высоте 100 км (60 миль) в пределах овала полярных сияний обратного рассеяния радиоволн, включая те, что на HF и VHF. Обратное рассеяние чувствительно к углу — падающий луч против линии магнитного поля колонны должен быть очень близок к прямому углу. Случайные движения электронов, вращающихся по спирали вокруг линий поля, создают доплеровское рассеяние, которое расширяет спектры излучения до более или менее шумоподобных — в зависимости от того, насколько высокая радиочастота используется. Радиополярные сияния наблюдаются в основном на высоких широтах и редко простираются до средних широт. Возникновение радиополярных сияний зависит от солнечной активности ( вспышки , корональные дыры , корональные выбросы массы ), и ежегодно события более многочисленны во время максимумов солнечного цикла. Радиополярное сияние включает в себя так называемое дневное радиополярное сияние, которое производит более сильные, но более искаженные сигналы, а после минимума Харанга возвращается ночное радиополярное сияние (фаза субшторма), имеющее переменную силу сигнала и меньшее доплеровское распространение. Диапазон распространения для этого преимущественно обратно-рассеянного режима простирается примерно до 2000 км (1250 миль) в плоскости восток-запад, но самые сильные сигналы чаще всего наблюдаются с севера в соседних местах на тех же широтах.
Изредка за сильным радиополярным сиянием следует полярное сияние-E, которое в некотором роде напоминает оба типа распространения.
Спорадическое распространение E (Es) происходит в диапазонах HF и VHF. [15] Его не следует путать с обычным распространением HF E-слоя. Спорадическое распространение E в средних широтах происходит в основном в летний сезон, с мая по август в северном полушарии и с ноября по февраль в южном полушарии. Не существует единой причины для этого загадочного режима распространения. Отражение происходит в тонком слое ионизации на высоте около 90 км (55 миль). Пятна ионизации дрейфуют на запад со скоростью несколько сотен км (миль) в час. В течение сезона отмечается слабая периодичность, и обычно Es наблюдается от 1 до 3 последовательных дней и отсутствует в течение нескольких дней, чтобы снова появиться. Es не происходят в ранние часы; события обычно начинаются на рассвете, пик наблюдается днем и второй пик вечером. [16] Распространение Es обычно заканчивается к местной полуночи.
Наблюдение за радиомаяками, работающими на частотах около 28,2 МГц, 50 МГц и 70 МГц, показывает, что максимальная наблюдаемая частота (МНЧ) для Es в большинстве дней летнего сезона находится около 30 МГц, но иногда МНЧ может подскочить до 100 МГц или даже больше за десять минут, чтобы медленно снижаться в течение следующих нескольких часов. Пиковая фаза включает колебания МНЧ с периодичностью приблизительно 5...10 минут. Дальность распространения для Es с одним скачком обычно составляет от 1000 до 2000 км (от 600 до 1250 миль), но при многоскачковом скачке наблюдается двойная дальность. Сигналы очень сильные, но также с медленным глубоким замиранием.
Рассеивание самолета (или чаще всего отражение) наблюдается на УКВ через микроволны и, помимо обратного рассеяния, дает мгновенное распространение до 500 км (300 миль) даже в горной местности. Наиболее распространенными приложениями обратного рассеяния являются радары воздушного движения, бистатические радары управляемых ракет прямого рассеяния и радары обнаружения самолетов, а также космические радары США.
Дифракция на лезвии ножа — это режим распространения, при котором радиоволны огибают острые края. Например, этот режим используется для передачи радиосигналов через горный хребет, когда путь прямой видимости недоступен. Однако угол не может быть слишком острым, иначе сигнал не будет дифрагировать. Режим дифракции требует повышенной силы сигнала, поэтому понадобятся более высокая мощность или лучшие антенны, чем для эквивалентного пути прямой видимости.
Дифракция зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия. Другими словами, размером препятствия в длинах волн. Низкие частоты легче дифрагируют вокруг больших гладких препятствий, таких как холмы. Например, во многих случаях, когда связь на УКВ (или более высоких частотах) невозможна из-за затенения холмом, все равно можно общаться, используя верхнюю часть диапазона КВ, где поверхностная волна малопригодна.
Дифракционные явления на небольших препятствиях также важны на высоких частотах. Сигналы городской сотовой телефонии, как правило, доминируют под влиянием эффектов плоскости земли, поскольку они проходят над крышами городской среды. Затем они дифрагируют над краями крыш на улицу, где доминируют явления многолучевого распространения , поглощения и дифракции.
Низкочастотные радиоволны легко проходят сквозь кирпич и камень, а ОНЧ проникают даже в морскую воду. По мере увеличения частоты эффекты поглощения становятся более важными. На микроволнах или более высоких частотах поглощение молекулярными резонансами в атмосфере (в основном из воды, H 2 O и кислорода, O 2 ) является основным фактором распространения радиоволн. Например, в диапазоне 58–60 ГГц наблюдается большой пик поглощения, который делает этот диапазон бесполезным для использования на больших расстояниях. Это явление было впервые обнаружено во время исследований радаров во время Второй мировой войны . Выше примерно 400 ГГц атмосфера Земли блокирует большую часть спектра, все еще пропуская некоторую часть — вплоть до ультрафиолетового света, который блокируется озоном, — но видимый свет и часть ближнего инфракрасного диапазона передаются. Сильный дождь и падающий снег также влияют на поглощение микроволн.
В большинстве современных систем локализации предполагается, что принимаемые сигналы распространяются по пути LOS . Однако нарушение этого предположения может привести к неточным данным позиционирования. [17] Для систем локализации на основе времени прибытия излучаемый сигнал может достичь приемника только по его путям NLOS. Ошибка NLOS определяется как дополнительное расстояние, пройденное принимаемым сигналом по отношению к пути LOS. Ошибка NLOS всегда имеет положительное смещение, величина которого зависит от среды распространения.
