Основы беспроводных сетей

02

Принципы распространения радиосигнала

Зона Френеля

Основная часть энергии электромагнитной волны сосредоточена в эллипсоиде вращения, осью которого является прямая, соединяющая приёмную и передающую антенны. Данная область называется первой зоной Френеля и представлена на рисунке 1. Выделяют несколько зон Френеля, образующих в разрезе концентрические окружности разного диаметра. Далее, по умолчанию, будет рассматриваться только первая зона Френеля, поскольку в ней сосредоточена большая часть энергии сигнала. Как правило, перекрытие зоны Френеля сторонними объектами на 20-40% не является существенной преградой для распространение волны, однако необходимо стремиться к минимизации её перекрытия.

Рисунок 1 - Зона Френеля

При расчёте первой зоны Френеля руководствуются понятием её радиуса, зная который, можно определить наличие в зоне Френеля препятствий:

Рисунок 2 - Расчёт радиуса зоны Френеля

Величина радиуса зоны Френеля в произвольной точке рассчитывается по формуле:

где 

  • D1 − расстояние от передатчика до точки измерения, 
  • D2 − расстояние от приёмника до точки измерения, 
  • R − радиус зоны Френеля, 
  • λ − длина волны.

В соответствии с перекрытием зоны Френеля, выделяют три случая:

  • прямая видимость (LOS) - ситуация, когда перекрытие зоны Френеля не превышает 40%, представлена на рисунке 1;
  • ограниченная видимость (nLOS) - ситуация, когда сторонние объекты перекрывают зону Френеля на 40-60%, представлена на рисунке 2;
  • отсутствие прямой видимости (NLOS) - ситуация, когда сторонние объекты перекрывают зону Френеля более, чем на 60%, представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Зона Френеля при отсутствии прямой видимости

Поскольку в условиях nLOS часть сигнала из-за физических преград не будет достигать приёмной стороны, то уровень принимаемого сигнала будет ниже, чем при LOS. Таким образом, nLOS накладывает ограничения на максимальную дистанцию беспроводного канала связи в сравнении с распространением сигнала в условиях прямой видимости. Кроме того, как будет показано в следующих уроках (см. урок "Аналоговые и цифровые сигналы. Модуляция"), уровень сигнала косвенно влияет на используемую схему манипуляции и скорость передачи данных. Построение канала связи в условиях NLOS возможно с использованием таких эффектов распространения волн, как отражение, рассеяние и дифракция, которые сильно снижают уровень энергии сигнала на приёмной стороне. Отсюда следует, что при проектировании и дальнейшей реализации проектов с использованием беспроводных каналов связи необходимо стремиться к условиям прямой видимости LOS.

Эффекты при распространении электромагнитных волн

При построении беспроводных каналов связи необходимо учитывать ряд эффектов, которые будут проявляться в зависимости от ряда факторов. Например, используемая локация: распространение радиосигнала в условиях плотной городской застройки и лесного массива будет различаться. Распространение сигнала также зависит от погодных условий.

Затухание в свободном пространстве

В процессе распространения электромагнитной волны в свободном пространстве неизбежен эффект снижения энергии за счёт уменьшения амплитуды распространяемого радиосигнала. При точных расчётах моделей затухания сигнала учитывается множество параметров, например, коэффициент затухания, зависящий от среды распространения и погодных условий, однако для поверхностной оценки можно воспользоваться следующим выражением:

где

  • D − расстояние между передатчиком и приёмником в км,
  • F − частота в ГГц,
  • LFS − величина затуханий в дБ.

Ключевым выводом из данной формулы является прямая зависимость между величиной затухания и частотой сигнала, т.е. чем выше частота электромагнитной волны, тем она быстрее затухает при распространении в свободном пространстве. Таким образом, при прочих равных, эксплуатация системы связи на низких частотах позволит достигнуть большей дальности, чем на высоких частотах, либо лучших энергетических показателей, при одинаковых дистанциях. Однако, как будет показано в уроке "Антенны", использование низких частот потребует применения антенн больших габаритов.

Экспериментальный результаты свидетельствуют о том, что частота и величина потерь в свободном пространстве имеют логарифмическую зависимость с отклонениями для некоторых частотных диапазонов. Так, например, радиосигнал с частотой 60 ГГц затухает сильнее, чем сигналы смежных частот.

В одном из следующих уроков будет рассмотрен пример расчёта энергетики беспроводного канала связи (см. урок "Бюджет канала связи").

Дифракция

При распространении сигнала в условиях отсутствия прямой видимости, связь может быть достигнута за счёт явления дифракции, т.е. огибание сигналом препятствия. Для пояснения явления обратимся к рисунку 4:

Рисунок 4 - Эффект дифракции при распространении радиоволны

Зону Френеля между приёмником и передатчиком преграждает строение, однако радиосигнал от передатчика огибает угол здания и достигает приёмника. Следует иметь в виду, что часть энергии сигнала при дифракции будет рассеиваться в окружающую среду, что снижает дальность распространения сигнала относительно LOS.

Поглощение

В случае, если сигнал при встрече с препятствием не отражается, не обходит вокруг и сквозь него, то такой сигнал считается поглощённым. Различные материалы по-разному поглощают радиосигнал: кирпичные и бетонные стены достаточно хорошо поглощают сигнал, тогда как гипсокартон в меньшей степени. Поглощение является следствием существенного ослабления сигнала. Так, амплитуда тока на антенне приёмниказависит от того, какая часть передаваемой мощности была поглощена. 

Отражение

При наличии на пути распространения радиосигнала преграды, которая по размерам превышает длину волны, наблюдается эффект отражения волны. Данный эффект может быть использован при организации связи в условиях отсутствия прямой видимости.

Рисунок 5 - Эффект отражения при распространении радиоволны
Рассеяние

Частным случаем отражения является рассеяние, которое по своей физической сути обратно поглощению: в случае, если преграда на пути распространения радиосигнала меньше длины волны, то электромагнитная волна отражается от этого объекта во все стороны. Примером подобного явления является распространение сигнала в дождливую погоду или сквозь хвойный лес.

Рисунок 6 - Эффект рассеяния при распространении радиоволны
Многолучёвость

В условиях плотной городской застройки эффект отражения при распространении радиосигнала проявляется неоднократно, что приводит к тому, что на приёмной стороне наблюдается несколько копий сигнала, пришедших по различным путям, как на рисунке 7. Данный эффект получил название многолучёвости.

Рисунок 7 - Эффект многолучевого распространения радиоволны

Важно понимать, что отражённый сигнал может отличаться от исходного своими параметрами: амплитуда, частота, фаза и поляризация. Кроме того, каждая из копий сигнала, полученная на приёмной стороне, прошла разный путь, затратив разное время, что отрицательно влияет на задержку сигнала. На рисунке 8 красным и зелёным цветом показаны копии сигнала на приёмной стороне, сдвинутые по фазе из-за разного времени распространения, а синим - результирующий сигнал. Так, в первом случае, рисунок 8(а), сдвиг фаз сигналов составляет 0-120 градусов и в этом случае результирующий сигнал по амплитуде превосходит каждую из принятых копий, во втором случае - 121-179 градусов, рисунок 8(б),  амплитуда результирующего сигнала ниже принятых копий, а в третьем случае, рисунок 8(в), принятые копии находятся в противофазе и результирующий сигнал равен нулю.

Рисунок 8 - Пример осциллограмм результирующего сигнала при многолучевом распространении: а - сдвиг фаз 0-120 градусов, б - сдвиг фаз 121-179 градусов, в - сдвиг фаз 180 градусов

На рисунке 8 представлен результирующий сигнал при многолучевом распространении, когда на приёмной стороне присутствуют две копии сигнала. В условиях плотной застройки, чаще на приёмной стороне присутствует большее число копий сигнала, что приводит к искажениям результирующего сигнала, как показано на рисунке 9:

Рисунок 9 - Пример осциллограмм результирующего сигнала при многолучевом распространении: а - сигналы на выходе приёмника, б - результирующий сигнал
Рефракция

При построении беспроводных каналов связи на дальние расстояния следует иметь в виду кривизну поверхности Земли, которой можно пренебречь на малых дистанциях. Логичным решением данной проблемы является увеличение высоты подвеса антенн, как показано на рисунке 10:

Рисунок 10 - Отсутствие прямой видимости из-за кривизны поверхности Земли

Однако, подобные задачи могут быть решены с использованием явления рефракции, при котором волна отражается от плотных слоёв атмосферы, что позволяет устанавливать беспроводную связь на большие расстояния в отсутствие прямой видимости. Недостатком рефракции является её ограниченное применение - явление наблюдается только в системах, использующих коротковолновую часть спектра - от 25 до 30 МГц.

Явление рефракции заключается в изменении направления распространения волны на границе двух сред, либо в одной неоднородной среде, в которой скорость распространения волны неодинакова. Тропосфера представляет из себя слоистую структуру, каждый слой которой имеет свой показатель диэлектрической проницаемости ε, влияющий на скорость распространения радиосигнала, поэтому тропосфера служит средой, в которой проявляется рефракция. Следует отметить, что характер явления рефракции зависит от времени суток, времени года и погодных явлений.

Рисунок 11 - Явление рефракции при распространении радиоволны


Назад Дальше