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 ) — родственный термин, часто используемый 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.
Из уравнений Максвелла [1] мы находим, что радиоволны, существующие в свободном пространстве в дальнем поле или в 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 учитывать, как на такие плоские волны влияет объект или объекты, которые визуально затрудняют путь LOS между антеннами. Понятно, что термины «радиоволны дальнего поля» и «плоские радиоволны» взаимозаменяемы.
По определению, линия зрения — это визуальная линия зрения, которая определяется способностью среднего человеческого глаза различать удаленные объекты. 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 радиодлины — от примерно 1 миллиметра (мм) при 300 ГГц до 30 километров (км) при 10 кГц. Таким образом, даже самая короткая длина радиоволны примерно в 2000 раз длиннее самой длинной оптической длины волны. Для типичных частот связи примерно до 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 радиосигнала. .
Каналы NLOS могут быть симплексными (передача осуществляется только в одном направлении), дуплексными (передача осуществляется в обоих направлениях одновременно) или полудуплексными (передача возможна в обоих направлениях, но не одновременно). В нормальных условиях все радиоканалы, включая NLOS1, являются взаимными , что означает, что влияние условий распространения на радиоканал одинаково, независимо от того, 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 линии связи не обязательно является взаимным.
В общем, то, как препятствие влияет на плоскую волну, 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 стать серьезным визуальным препятствием, но вряд ли сильно повлияет на распространение радиосигнала NLOS, если предположить, что он построен из ткани и наполнен горячим воздухом, и то и другое. являются хорошими изоляторами. И наоборот, металлическое препятствие размером, сравнимым с длиной волны, может вызвать значительные отражения. При рассмотрении размера препятствия мы предполагаем, что его электрические свойства являются наиболее распространенным промежуточным типом или типом с потерями.
В целом, существует три приблизительных размера препятствия в зависимости от длины волны, которые следует учитывать на возможном пути NLOS, а именно:
Если размеры препятствия намного меньше длины волны падающей плоской волны, волна практически не затрагивается. Например, низкочастотное (НЧ) вещание, также известное как длинные волны , на частоте около 200 кГц имеет длину волны 1500 м, и на него существенно не влияет большинство зданий среднего размера, которые намного меньше.
Если размеры препятствия того же порядка, что и длина волны, вокруг препятствия происходит определенная дифракция и, возможно, некоторая передача через него. Падающая радиоволна может быть слегка ослаблена, и между дифрагированными волновыми фронтами может возникнуть некоторое взаимодействие.
Если препятствие имеет размеры многих длин волн, падающие плоские волны сильно зависят от электрических свойств материала, из которого состоит препятствие.
Электрические свойства материала, создающего препятствие для радиоволн, могут варьироваться от идеального проводника с одной стороны до идеального изолятора с другой. Большинство материалов обладают как проводниковыми, так и изоляционными свойствами. Они могут быть смешанными: например, многие пути NLOS возникают из-за того, что путь LOS перекрыт железобетонными зданиями, построенными из бетона и стали . Бетон в сухом состоянии является неплохим изолятором, а сталь — хорошим проводником. В альтернативном варианте материал может представлять собой однородный материал с потерями .
Параметр, который описывает, в какой степени материал является проводником или изолятором, известен как тангенс потерь , определяемый выражением
где
и
Если материал является хорошим проводником или плохим изолятором и существенно отражает падающие на него радиоволны почти с одинаковой мощностью. [6] Таким образом, практически никакая радиочастотная мощность не поглощается самим материалом и практически не передается, даже если он очень тонкий. Все металлы являются хорошими проводниками, и, конечно, существует множество примеров, которые вызывают значительные отражения радиоволн в городской среде, например, мосты, здания с металлической обшивкой, склады, самолеты, а также башни или опоры электропередачи .
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 ее часть может отражаться от ее границ в зависимости от ее относительной диэлектрической проницаемости по сравнению с диэлектрической проницаемостью свободного пространства, которая равна единице. При этом используется концепция внутреннего импеданса, которая описана ниже. Есть несколько крупных физических объектов, которые также являются хорошими изоляторами, за интересным исключением пресноводных айсбергов , но они обычно не встречаются в большинстве городских условий. Однако большие объемы газа обычно ведут себя как диэлектрики. Примером тому являются области земной атмосферы , плотность которых постепенно уменьшается с увеличением высоты до 10–20 км. На больших высотах, примерно от 50 км до 200 км, различные слои ионосферы также ведут себя как диэлектрики и сильно зависят от влияния Солнца . Слои ионосферы представляют собой не газы, а плазму .
Даже если препятствие является идеальным изолятором, оно может обладать некоторыми отражающими свойствами из-за того, что его относительная диэлектрическая проницаемость отличается от относительной диэлектрической проницаемости атмосферы. Электрические материалы, через которые могут распространяться плоские волны, обладают свойством, называемым собственным сопротивлением ( ) или электромагнитным сопротивлением, которое аналогично характеристическому сопротивлению кабеля в теории линий передачи. Собственный импеданс однородного материала определяется по формуле: [7]
где
Для свободного пространства и , следовательно, собственное сопротивление свободного пространства определяется выражением
что составляет примерно 377 .
По аналогии с теорией плоских волн и теорией линий передачи определение коэффициента отражения является мерой уровня отражения обычно на границе, когда плоская волна переходит из одной диэлектрической среды в другую. Например, если собственное сопротивление первой и второй сред было и соответственно, коэффициент отражения среды 2 относительно 1, определяется выражением:
Логарифмическая мера в децибелах ( ) того, как такое отражение влияет на передаваемый радиочастотный сигнал по каналу NLOS, определяется следующим образом:
Большинство материалов того типа, которые влияют 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 входной, так и на выходной границах и частично поглощаются, в зависимости от толщины. Если препятствие достаточно толстое, радиоволны могут быть полностью поглощены. Из-за поглощения их часто называют материалами с потерями, хотя степень потерь обычно чрезвычайно варьируется и часто очень зависит от уровня присутствующей влаги. Они часто неоднородны и представляют собой смесь материалов с различной степенью проводящих и изоляционных свойств. Такими примерами являются холмы, склоны долин, горы (с густой 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 нормально падающей волны, чем здание, построенное из того же материала.
Пассивные случайные отражения достигаются, когда плоские волны подвергаются одному или нескольким отражающим путям вокруг объекта, которые в противном случае превращают радиотракт LOS в NLOS. Пути отражения могут быть вызваны различными объектами, которые могут быть либо металлическими (очень хорошие проводники, такие как стальной мост или самолет ), либо относительно хорошими проводниками плоских волн, такими как большие пространства бетонных стен зданий, стен и т. д. Иногда это считается метод грубой силы , поскольку при каждом отражении плоская волна испытывает потери при передаче, которые должны быть компенсированы более высокой выходной мощностью передающей антенны по сравнению с тем, если бы линия была LOS. Однако этот метод дешев и прост в использовании, а пассивные случайные отражения широко используются в городских районах для достижения NLOS. К услугам связи, использующим пассивные отражения, относятся Wi-Fi , WiMax , WiMAX MIMO , мобильная (сотовая) связь и наземное вещание на городские территории.
Пассивные ретрансляторы могут использоваться для обеспечения связи NLOS путем намеренной установки точно спроектированного отражателя в критическом положении, чтобы обеспечить путь вокруг препятствия. Однако они неприемлемы в большинстве городских условий из-за громоздкого отражателя, требующего критического размещения, возможно, в труднодоступном месте или в месте, неприемлемом для органов планирования или владельца здания. Линии NLOS с пассивным рефлектором также несут существенные потери из-за того, что принимаемый сигнал представляет собой функцию передающего сигнала по принципу «двойного закона обратных квадратов », по одному для каждого скачка от передающей антенны к приемной антенне. Однако они успешно использовались в сельских горных районах для расширения радиуса действия микроволновых линий LOS вокруг гор, создавая таким образом каналы NLOS. В таких случаях установка более обычного активного повторителя обычно была невозможна из-за проблем с получением подходящего источника питания.
Активный ретранслятор — это устройство с питанием, по существу состоящее из приемной антенны, приемника, передатчика и передающей антенны. Если концы канала NLOS находятся в позициях A и C, ретранслятор находится в позиции B, где каналы AB и BC фактически являются LOS. Активный ретранслятор может просто усилить принятый сигнал и повторно передать его в неизмененном виде 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 канала NLOS в точках A или C не требует изменения частоты приема по сравнению с той, которая используется для канала LOS. Типичным применением может быть повторение или ретрансляция сигналов для транспортных средств, использующих автомобильные радиоприемники в туннелях. Ретранслятор, который меняет частоту, позволит избежать каких-либо проблем с обратной связью, но его будет сложнее спроектировать и он будет дороже, а также потребуется, чтобы приемник менял частоту при переходе 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 частотах LF (от 30 до 300 кГц) и VLF (от 3 до 30 кГц) указывает на то, что компонент поля распространяется на несколько метров вглубь поверхности Земли. Распространение имеет очень низкие потери, и возможна связь на тысячи километров по каналам NLOS. Однако такие низкие частоты по определению ( теорема выборки Найквиста-Шеннона ) имеют очень низкую пропускную способность, поэтому этот тип связи широко не используется.
Радиоволны в диапазонах ОВЧ и УВЧ могут выходить за пределы визуального горизонта из-за рефракции в тропосфере — нижнем слое атмосферы на высоте ниже 20 км (12 миль). [8] [9] Это связано с изменением показателя преломления воздуха в зависимости от температуры и давления. Тропосферная задержка является источником ошибок в методах радиолокации, таких как система глобального позиционирования (GPS). [10] Кроме того, необычные условия иногда могут позволить распространение сигнала на большие расстояния:
Препятствием, создающим линию NLOS, может быть сама Земля , например, которая существовала бы, если бы другой конец линии находился за оптическим горизонтом. Очень полезное свойство земной атмосферы состоит в том, что в среднем плотность молекул воздушного газа уменьшается с увеличением высоты примерно до 30 км. Его относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость неуклонно снижается примерно с 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 нижний. Траектория радиоволн, проходящих через такую модель атмосферы на каждом интерфейсе, аналогична оптическим лучам, переходящим из одной оптической среды в другую, как предсказывает закон Снелла . Когда луч переходит от более высокого показателя преломления к более низкому, он имеет тенденцию изгибаться или преломляться от нормали на границе в соответствии с законом Снеллиуса. Если принять во внимание кривизну Земли, то окажется, что в среднем радиоволны, начальная 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, куда она возвращается, примерно эквивалентно оптическому горизонту, если бы радиус Земли составлял 4/3 ее фактического значения . «Радиус Земли 4/3» — это полезное практическое правило для инженеров радиосвязи при проектировании такой линии NLOS.
Эмпирическое правило радиуса Земли 4/3 представляет собой среднее значение для атмосферы Земли, при условии, что она достаточно гомогенизирована , не имеет слоев температурной инверсии или необычных метеорологических условий. Линии NLOS, использующие атмосферную рефракцию, обычно работают на частотах в диапазонах ОВЧ и УВЧ , включая службы наземного вещания FM и ТВ.
Описанное выше явление, заключающееся в том, что показатель преломления атмосферы, относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость постепенно уменьшаются с увеличением высоты, объясняется уменьшением плотности атмосферного воздуха с увеличением высоты. Плотность воздуха также является функцией температуры, которая обычно также уменьшается с увеличением высоты. Однако это лишь средние условия; местные метеорологические условия могут создавать такие явления, как слои температурной инверсии , когда теплый слой воздуха располагается над холодным слоем. На границе между ними происходит относительно резкое изменение показателя преломления от меньшего значения в холодном слое к большему значению в теплом слое. По аналогии с оптическим законом Снеллиуса , это может вызвать значительное отражение радиоволн обратно к поверхности Земли, где они отражаются дальше, вызывая тем самым эффект каналирования . В результате радиоволны могут распространяться далеко за пределы предполагаемой зоны обслуживания с меньшим, чем обычно, затуханием. Этот эффект проявляется только в диапазонах ОВЧ и УВЧ и часто используется радиолюбителями для достижения связи на аномально больших расстояниях для задействованных частот. [12] Для коммерческих услуг связи его нельзя использовать, поскольку он ненадежен (условия могут формироваться и исчезать за считанные минуты) и может вызывать помехи далеко за пределами нормальной зоны обслуживания.
Температурная инверсия и аномальное распространение могут возникать в большинстве широт, но они чаще встречаются в тропическом климате, чем в умеренном климате, обычно связанном с областями высокого давления (антициклонами).
Внезапные изменения вертикального содержания влаги и температурных профилей в атмосфере могут в случайных случаях привести к тому, что сигналы УВЧ , ОВЧ и микроволновые сигналы будут распространяться на сотни километров (мили) примерно до 2000 километров (1200 миль) — а в режиме воздуховодов даже дальше — за пределы обычного радиосигнала. -горизонт. Инверсионный слой в основном наблюдается в регионах с высоким давлением, но существует несколько погодных условий в тропосфере, которые создают эти случайно возникающие режимы распространения. Высота инверсионного слоя при отсутствии воздуховодов обычно составляет от 100 до 1000 метров (от 330 до 3280 футов), а при наличии воздуховодов - от 500 до 3000 метров (от 1600 до 9800 футов), а продолжительность событий обычно составляет от нескольких часов до нескольких дни. На более высоких частотах наблюдается наиболее резкое увеличение мощности сигнала, тогда как на низких ОВЧ и ВЧ эффект незначителен. Затухание на пути распространения может быть ниже потерь в свободном пространстве. Некоторые из меньших типов инверсий, связанные с содержанием влаги в теплой земле и более прохладном воздухе, происходят регулярно в определенное время года и суток. Типичным примером может служить усиление тропосферы в конце лета и ранним утром, которое приносит сигналы с расстояний до нескольких сотен километров (миль) в течение нескольких часов, пока не будет отменено эффектом солнечного потепления.
На ОВЧ и более высоких частотах небольшие изменения (турбулентность) плотности атмосферы на высоте около 6 миль (9,7 км) могут рассеивать часть радиочастотного луча, обычно находящегося на линии прямой видимости, обратно к земле. В системах связи с тропосферным рассеянием (тропосферным рассеянием) мощный луч микроволн направляется над горизонтом, а антенна с высоким коэффициентом усиления над горизонтом, направленная на участок тропосферы, через который проходит луч, принимает крошечный рассеянный сигнал. Системы Troposcatter могут обеспечивать загоризонтную связь между станциями, расположенными на расстоянии 500 миль (800 км) друг от друга, а разработанные военными сети, такие как система связи «Белая Алиса» , покрывали всю Аляску до 1960-х годов, когда их в значительной степени заменили спутники связи .
Линия NLOS с тропосферным рассеянием обычно работает на частоте в несколько гигагерц, используя потенциально очень высокие мощности передачи (обычно от 3 до 30 кВт, в зависимости от условий), очень чувствительные приемники и очень высокие коэффициенты 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 пути луча, известной как объем рассеяния. Некоторые компоненты рассеянной энергии движутся в направлении антенн приемника и формируют принимаемый сигнал. Поскольку в этой области очень много частиц, вызывающих рассеяние, статистическая модель затухания Рэлея может с пользой предсказать поведение и производительность в системе такого типа.
Рассеяние в дожде — это чисто микроволновый режим распространения, и его лучше всего наблюдать в районе 10 ГГц, но оно простирается до нескольких гигагерц — пределом является зависимость размера рассеивающих частиц от длины волны . В этом режиме сигналы рассеиваются преимущественно вперед и назад при использовании горизонтальной поляризации и бокового рассеяния при вертикальной поляризации . Рассеяние вперед обычно обеспечивает дальность распространения 800 км (500 миль). Также происходит рассеяние от снежинок и ледяных крупинок, но рассеяние от льда без водной поверхности менее эффективно. Наиболее распространенным применением этого явления является микроволновый радар дождя, но распространение рассеянного дождя может быть помехой, вызывающей периодическое распространение нежелательных сигналов там, где они не ожидаются или нежелательны. Подобные отражения могут также происходить от насекомых, но на меньших высотах и на меньшем расстоянии. Дождь также приводит к ослаблению радиочастотной и спутниковой микроволновой связи. Во время сильного тропического дождя на частоте 30 ГГц наблюдались значения затухания до 30 дБ.
Рассеяние молний иногда наблюдалось в диапазонах ОВЧ и УВЧ на расстояниях около 500 км (300 миль). Горячий канал молнии рассеивает радиоволны за 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 канал горячей молнии кратковременно можно наблюдать с помощью микроволнового радара, практического применения этого режима в связи не обнаружено.
Механизм ионосферного распространения при обеспечении линий 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 рэлеевского замирания .
Ионосфера простирается на высотах примерно от 50 до 400 км и разделена на отдельные слои плазмы , обозначенные D, E, F1 и F2 с увеличением высоты. Таким образом, преломление радиоволн в ионосфере, а не в атмосфере, может обеспечить связь NLOS на гораздо большем расстоянии всего за один путь рефракции или «скачок» через один из слоев. При определенных условиях радиоволны, претерпевшие один скачок, могут отражаться от поверхности Земли и совершать больше скачков, увеличивая тем самым дальность действия. Положение этих ионов и их плотность ионов в значительной степени контролируются падающим на них излучением Солнца и поэтому меняются ежедневно , сезонно и во время активности солнечных пятен . Первоначальное открытие Маркони того, что радиоволны могут распространяться за горизонт, в начале 20-го века побудило к обширным исследованиям ионосферного распространения в течение следующих 50 лет или около того, в результате чего были созданы различные таблицы и диаграммы прогнозирования каналов ВЧ-связи.
Частоты, на которые влияет ионосферное распространение, находятся в диапазоне примерно от 500 кГц до 50 МГц, но большинство таких линий NLOS работают в «коротковолновых» или высокочастотных (ВЧ) 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 ВЧ, и гораздо более надежны. Несмотря на свои ограничения, для ВЧ-связи требуется только относительно дешевое, грубое оборудование и антенны, поэтому они в основном используются в качестве резервных средств для основных систем связи и в малонаселенных отдаленных районах, где другие методы связи не являются экономически эффективными.
Распространение небесной волны , также называемое пропуском , — это любой из режимов, основанный на отражении и преломлении радиоволн от ионосферы . Ионосфера — это область атмосферы площадью от 60 до 500 км (от 37 до 311 миль), содержащая слои заряженных частиц ( ионов ), которые могут преломлять радиоволны обратно к Земле. Радиоволна, направленная под углом в небо, может отражаться этими слоями обратно на Землю за горизонт, обеспечивая радиопередачу на большие расстояния. Слой F2 является наиболее важным слоем ионосферы для многоскачкового распространения ВЧ сигналов на большие расстояния, хотя слои F1, E и D также играют значительную роль. D-слой, когда он присутствует в периоды солнечного света, вызывает значительную потерю сигнала, как и E-слой, максимальная полезная частота которого может повышаться до 4 МГц и выше и, таким образом, блокировать достижение более высокочастотных сигналов до уровня F2. Слои или, точнее, «регионы», подвергаются непосредственному воздействию Солнца в суточном , сезонном цикле и 11-летнем цикле солнечных пятен и определяют полезность этих режимов. Во время солнечных максимумов или максимумов и пиков солнечных пятен весь ВЧ-диапазон до 30 МГц может использоваться обычно круглосуточно, а распространение F2 до 50 МГц часто наблюдается в зависимости от ежедневных значений солнечного потока . Во время солнечного минимума или минимального количества солнечных пятен до нуля распространение частот выше 15 МГц обычно недоступно.
Хотя обычно утверждается, что двустороннее распространение ВЧ вдоль заданной трассы является взаимным, то есть, если сигнал из местоположения A достигает местоположения B с хорошей интенсивностью, сигнал из местоположения B будет аналогичным на станции A, потому что тот же самый путь пройден в обе стороны. Однако ионосфера слишком сложна и постоянно меняется, чтобы поддерживать теорему взаимности. Путь никогда не бывает одинаковым в обоих направлениях. [14] Короче говоря, условия в двух конечных точках пути обычно вызывают разные сдвиги поляризации, следовательно, разные разделения на обычные лучи и необыкновенные лучи ( лучи Педерсена ), которые имеют разные характеристики распространения из-за различий в плотности ионизации, смещения зенитных углов. , влияние контуров магнитного диполя Земли, диаграмм направленности антенны, грунтовых условий и других переменных.
Прогнозирование ионосферных мод представляет значительный интерес для радиолюбителей и коммерческих морских и авиационных операторов связи, а также для коротковолновых радиовещательных компаний. Распространение в реальном времени можно оценить, прослушивая передачи от конкретных передатчиков радиомаяков .
Если объект, который меняет соединение LOS на NLOS, не является хорошим проводником, а является промежуточным материалом, он поглощает часть падающей на него радиочастотной мощности. Однако, если он имеет конечную толщину, поглощение также ограничено, и результирующее затухание радиоволн может быть терпимым, и можно установить линию NLOS с использованием радиоволн, которые фактически проходят через материал. Например, сети WLAN часто используют каналы NLOS с ограниченным 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 множества таких стен или после нескольких толстых бетонных или аналогичных (неметаллических) стен связь NLOS становится неработоспособной.
Рассеяние метеоров основано на отражении радиоволн от сильно ионизированных столбов воздуха, создаваемых метеорами . Хотя этот режим имеет очень короткую продолжительность, часто от долей секунды до нескольких секунд на событие, цифровая связь с помощью метеорных пакетов позволяет удаленным станциям связываться со станцией, которая может находиться на расстоянии от сотен миль до более 1000 миль (1600 км). , без затрат на спутниковую связь. Этот режим наиболее полезен на частотах ОВЧ от 30 до 250 МГц.
Интенсивные столбы авроральной ионизации на высоте 100 км (60 миль) внутри аврорального овала рассеивают радиоволны, в том числе на ВЧ и УКВ. Обратное рассеяние чувствительно к углу: падающий луч относительно линии магнитного поля колонны должен быть очень близок к прямому углу. Случайные движения электронов, вращающихся по спирали вокруг силовых линий, создают доплеровское распространение, которое расширяет спектры излучения до более или менее шумоподобных – в зависимости от того, насколько высокая радиочастота используется. Радиополярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах и редко распространяются до средних широт. Возникновение радиополярных сияний зависит от солнечной активности ( вспышки , корональные дыры , КВМ ) и ежегодно во время максимумов солнечного цикла события становятся более многочисленными. Радиополярное сияние включает в себя так называемое дневное радиополярное сияние, которое дает более сильные, но более искаженные сигналы, а после минимумов Харанга возвращается ночное радиополярное сияние (фаза суббури) с переменной силой сигнала и меньшим доплеровским разбросом. Дальность распространения этого режима преимущественно обратного рассеяния простирается примерно до 2000 км (1250 миль) в плоскости восток-запад, но самые сильные сигналы чаще всего наблюдаются с севера в близлежащих точках на тех же широтах.
Редко за сильным радиополярным сиянием следует полярное сияние-E, которое в чем-то напоминает оба типа распространения.
Спорадическое распространение E (Es) происходит в диапазонах HF и VHF. [15] Его не следует путать с обычным распространением на ВЧ E-слое. Спорадический тип E в средних широтах встречается в основном в летний сезон, с мая по август в северном полушарии и с ноября по февраль в южном полушарии. Не существует единой причины этого загадочного способа распространения. Отражение происходит в тонком слое ионизации на высоте около 90 км (55 миль). Пятна ионизации дрейфуют на запад со скоростью несколько сотен километров (миль) в час. В течение сезона отмечается слабая периодичность, и обычно Es наблюдается 1–3 дня подряд и отсутствует в течение нескольких дней, чтобы повториться снова. Эс не происходят в предрассветные часы; События обычно начинаются на рассвете, пик днем и второй пик вечером. [16] Распространение Es обычно прекращается к полуночи по местному времени.
Наблюдения за радиомаяками , работающими на частотах 28,2, 50 и 70 МГц, показывают, что максимальная наблюдаемая частота (MOF) для Es находится в районе 30 МГц в большинстве дней летнего сезона, но иногда MOF может достигать 100 МГц. МГц или даже больше в течение десяти минут и будет медленно снижаться в течение следующих нескольких часов. Пик-фаза включает в себя колебания МОН с периодичностью примерно 5...10 минут. Дальность распространения односкачкового сигнала Es обычно составляет от 1000 до 2000 км (от 600 до 1250 миль), но при многоскачковом режиме наблюдается двойная дальность. Сигналы очень сильные, но с медленным глубоким затуханием.
Рассеяние самолета (или чаще всего отражение) наблюдается на ОВЧ через микроволны и, помимо обратного рассеяния, обеспечивает мгновенное распространение на расстояние до 500 км (300 миль) даже в гористой местности. Наиболее распространенными приложениями обратного рассеяния являются радары воздушного движения, бистатические радары управляемых ракет и самолетов с бистатическим прямым рассеянием, а также космические радары США.
Дифракция на лезвии — это режим распространения, при котором радиоволны огибают острые края. Например, этот режим используется для отправки радиосигналов через горный хребет, когда путь прямой видимости недоступен. Однако угол не должен быть слишком острым, иначе сигнал не будет дифрагировать. Режим дифракции требует повышенной мощности сигнала, поэтому потребуются антенны большей мощности или лучшего качества, чем для эквивалентного пути прямой видимости.
Дифракция зависит от соотношения длины волны и размера препятствия. Другими словами, размер препятствия в длинах волн. Более низкие частоты легче преломляются вокруг больших гладких препятствий, таких как холмы. Например, во многих случаях, когда связь на ОВЧ (или более высоких частотах) невозможна из-за затенения холмом, все же можно общаться, используя верхнюю часть ВЧ-диапазона, где поверхностная волна малопригодна.
Явления дифракции на небольших препятствиях также важны на высоких частотах. В сигналах городской сотовой телефонии, как правило, преобладают эффекты заземления, когда они проходят над крышами городской среды. Затем они дифрагируют через края крыши 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. С ростом частоты эффекты поглощения становятся более важными. На микроволновых и более высоких частотах поглощение молекулярными резонансами в атмосфере (в основном из воды, H 2 O и кислорода, O 2 ) является основным фактором распространения радиоизлучения. Например, в диапазоне 58–60 ГГц наблюдается сильный пик поглощения, который делает этот диапазон бесполезным для использования на больших расстояниях. Это явление было впервые обнаружено во время радиолокационных исследований во время Второй мировой войны . На частотах выше примерно 400 ГГц атмосфера Земли блокирует большую часть спектра, хотя часть спектра все же пропускает (вплоть до ультрафиолетового света, который блокируется озоном), но передается видимый свет и часть ближнего инфракрасного диапазона. Сильный дождь и снегопад также влияют на поглощение микроволнового излучения.
В большинстве современных систем локализации предполагается, что принятые сигналы распространяются по пути LOS . Однако нарушение этого предположения может привести к получению неточных данных позиционирования. [17] В системе локализации на основе времени прибытия излучаемый сигнал может поступить в приемник только через его пути NLOS. Ошибка NLOS определяется как дополнительное расстояние, пройденное принятым сигналом по отношению к пути LOS. Ошибка NLOS всегда имеет положительное смещение, а ее величина зависит от среды распространения.
