Интенсивность радиоволн и всех электромагнитных волн уменьшается с расстоянием — для этого есть много причин, влияющих на распространение радиоволн.
Потери на радиотрассе являются ключевым фактором при проектировании любой системы радиосвязи или системы беспроводной связи. Это факт, что любой радиосигнал будет затухать, когда он проходит от передатчика к приемнику. Потери радиотракта возникают из-за множества различных явлений. Понимание того, что вызывает потерю радиотракта, позволяет спроектировать любую систему так, чтобы она работала наилучшим образом, несмотря на различные проблемы, влияющие на нее.
Как потери радиотракта влияют на системы
Потери на пути радиосигнала будут определять многие элементы системы радиосвязи или системы беспроводной связи, в частности, мощность передатчика и антенны, особенно их коэффициент усиления, высоту и общее расположение. Это справедливо для любой используемой частоты.
Чтобы иметь возможность планировать систему, необходимо понимать причины потери радиотракта и уметь определять уровни потерь сигнала для данного радиотракта. Потери на радиотрассе часто можно определить математически, и эти расчеты часто выполняются при подготовке покрытия или проектировании системы. Они зависят от знания свойств распространения сигнала.
Соответственно, расчеты потерь на радиотрассе используются во многих инструментах радио- и беспроводных исследований для определения уровня сигнала в различных местах. Эти беспроводные инструменты исследования все чаще используются, чтобы определить мощность радиосигнала перед установкой оборудования. Для операторов сотовой связи исследования радиопокрытия важны, поскольку инвестиции в базовую станцию макросоты высоки. Кроме того, беспроводные инструменты обследования предоставляют очень ценную услугу для таких приложений, как установка систем беспроводной локальной сети в больших офисах и других центрах, поскольку они позволяют решить проблемы до установки, что позволяет значительно снизить затраты. Соответственно, все большее значение придается инструментам и программному обеспечению для беспроводных съемок.
Основы потерь радиотракта
Потери на пути прохождения сигнала — это, по сути, уменьшение плотности мощности электромагнитной волны или сигнала при его распространении в среде, в которой он распространяется. Это затрагивает все системы радиосвязи, вещания и беспроводной связи.
Существует множество причин потери радиотракта:
- Потери в свободном пространстве: Потери в свободном пространстве происходят, когда сигнал проходит через пространство без каких-либо других эффектов, ослабляющих сигнал, он все равно будет уменьшаться по мере распространения. Это можно представить себе как сигнал радиосвязи, распространяющийся как постоянно увеличивающаяся сфера. Поскольку сигнал должен охватывать более широкую область, закон сохранения энергии говорит нам о том, что энергия в любой заданной области будет уменьшаться по мере того, как покрываемая область становится больше.
- Дифракция: потеря пути радиосигнала из-за дифракции происходит, когда на пути появляется объект. Сигнал может дифрагировать вокруг объекта, но возникают потери. Потери тем выше, чем более округлым является объект. Радиосигналы, как правило, лучше преломляются вокруг острых краев, т. е. краев, четких по отношению к длине волны.
- Многолучевое распространение: в реальной наземной среде сигналы будут отражаться и достигать приемника несколькими различными путями. Эти сигналы могут складываться или вычитаться друг из друга в зависимости от относительных фаз сигналов. Если приемник перемещается, сценарий изменится, и общий принимаемый сигнал будет зависеть от положения. Мобильные приемники (например, телефоны сотовой связи) подвержены этому эффекту, известному как замирание Рэлея.
- Потери на поглощение: Потери на поглощение возникают, если радиосигнал проходит в среду, которая не полностью прозрачна для радиосигналов. Этому есть множество причин, среди которых:
- Здания, стены и т.д. Когда радиосигналы проходят через плотные материалы, такие как стены, здания или даже мебель внутри здания, они затухают. Это особенно применимо к сотовой связи — в зданиях, домах и т. д. сигналы значительно снижены. Затухание радиосигнала более заметно для более высоких частот мобильных диапазонов, например 2,2 ГГц, а не 800/900 МГц.
- Атмосферная влага: на высоких микроволновых частотах потери на радиотрассе увеличиваются из-за осадков или даже влаги в воздухе. Потери на пути радиосигнала могут варьироваться в зависимости от погодных условий. Однако обычно это оказывает заметное влияние только дальше в микроволновом диапазоне.
- Растительность: В густом лесу заметно ослабление сигналов даже на более низких частотах. Это показывает, что растительность может приводить к значительным потерям на радиотрассе. Деревья и листва могут ослаблять радиосигналы, особенно во влажном состоянии.
- Рельеф: Рельеф, по которому распространяются сигналы, оказывает значительное влияние на сигнал. Очевидно, что холмы, преграждающие путь, значительно ослабляют сигнал, что часто делает прием невозможным. Кроме того, на низких частотах состав земли будет иметь заметное влияние. Например, в диапазоне длинных волн было обнаружено, что сигналы лучше всего распространяются по более проводящей местности, например по морским тропам или по болотистым или влажным участкам. Сухая песчаная местность дает более высокий уровень затухания.
- Атмосфера: Атмосфера может влиять на пути радиосигнала.
- Ионосфера: На более низких частотах, особенно ниже 30-50 МГц, ионосфера оказывает существенное влияние, отражая (или правильнее преломляя) их обратно на Землю. Однако при прохождении через некоторые области, особенно область D и, в меньшей степени, область E, сигналы могут испытывать затухание, а не отражение/преломление. Это может привести к значительным потерям радиотракта.
- Тропосфера: на частотах выше 50 МГц и более тропосфера оказывает основное влияние, преломляя сигналы обратно на землю в результате изменения показателя преломления. Для вещания в УВЧ это может расширить зону покрытия примерно на треть за горизонт. Преломление иногда может означать, что сигнал, который обычно достигает определенной области, может преломляться от нее.
Эти причины представляют собой некоторые из основных элементов, вызывающих потерю сигнала в любой радиосистеме.
Прогнозирование потери радиотракта
Одной из основных причин для понимания различных элементов, влияющих на потери на пути радиосигнала, является возможность прогнозировать потери для данного пути или прогнозировать покрытие, которое может быть достигнуто для конкретной базовой станции, радиовещательной станции и т. д.
Хотя предсказание или оценка могут быть достаточно точными для сценариев в свободном космосе, для реальных наземных приложений это непросто, поскольку необходимо учитывать множество факторов, и не всегда возможно получить точную оценку их последствий. Несмотря на это, существуют инструменты исследования беспроводной сети и программы прогнозирования радиопокрытия, которые доступны для прогнозирования потерь на радиотрассе и оценки покрытия. Для этого используются различные методы.
Потери на трассе в свободном пространстве варьируются по силе по закону обратных квадратов, т.е. 1/(диапазон)2 , или увеличение дальности на 20 дБ за декаду. Этот расчет очень прост в реализации, но реальные наземные расчеты потерь на пути прохождения сигнала требуют гораздо большего внимания. Чтобы показать, как реальная жизненная ситуация может изменить расчеты, операторы мобильных телефонов часто могут изменить закон обратных квадратов на 1/(диапазон)n, где n может варьироваться от 3,5 до 5 из-за зданий и других препятствий между мобильным телефоном. и базовая станция.
Большинство прогнозов потерь на пути делаются с использованием методов, описанных ниже:
- Статистические методы. Статистические методы прогнозирования потерь на пути прохождения сигнала основаны на измеренных и усредненных потерях для типичных типов радиолиний. Эти цифры вводятся в модель прогнозирования, которая может рассчитывать цифры на основе данных. В зависимости от области применения можно использовать различные модели. Этот тип подхода обычно используется для планирования сотовых сетей, оценки покрытия каналов PMR (частной мобильной радиосвязи) и для планирования покрытия вещания.
- Детерминистический подход: этот подход к прогнозированию потерь на пути радиосигнала и покрытия использует основные физические законы в качестве основы для расчетов. Эти методы должны учитывать все элементы в пределах заданной области, и хотя они, как правило, дают более точные результаты, они требуют большого количества дополнительных данных и вычислительной мощности. Ввиду их сложности, они, как правило, используются для связи на короткие расстояния, где объем требуемых данных находится в допустимых пределах.
Возможности этих инструментов беспроводной съемки и пакетов программного обеспечения для радиопокрытия расширяются. Однако по-прежнему необходимо иметь хорошее представление о распространении радиоволн, чтобы можно было вводить правильные цифры и удовлетворительно интерпретировать результаты. Для любой заданной радиопередачи потери в радиотракте, вероятно, будут вызваны рядом различных факторов. Это часто затрудняет точные расчеты потерь на радиотрассе. Однако, даже если они не так точны, как хотелось бы, расчеты потерь на радиотрассе позволяют спроектировать оборудование в соответствии с требованиями.