Introducción

Los sistemas de comunicación inalámbricas sustentan la conectividad moderna, desde las redes móviles y Wi-Fi hasta los enlaces y radares de satélite. La integridad de la señal de antena, sin embargo, está continuamente conformada por el entorno de propagación. Dos fenómenos fundamentales e interrelacionados — ]] reflexión sobre el terreno y ] pueden alterar dramáticamente los índices de error de señalización, fase y tiempo.

La Física de la Reflexión Terrestre

La reflexión terrestre ocurre cuando una onda de radio emitida por una antena de transmisión golpea la superficie de la Tierra y una parte de su energía se redirige hacia el receptor. La onda reflejada recorre un camino más largo que la línea directa de visión (LOS) onda, creando una diferencia de fase en la antena receptora. Dependiendo de la relación de fase, las dos ondas se combinan constructivamente (haciendo la señal) o destructivamente (reducción de la función de la interferencia eléctrica.

Zonas de fresnel y limpieza de caminos

Para entender la reflexión sobre el terreno cuantitativamente, considere la primera Zona de túnel] — una región elipsoidal entre transmisor y receptor. Si los obstáculos, incluyendo el suelo, intruden en esta zona, alteran el camino de propagación. El radio de la primera zona de Fresnel en un punto dado es dado por:

donde λ es la longitud de onda y d1, d2 son distancias al transmisor y receptor. Para enlaces fiables de LOS, al menos el 60 % de la primera zona de Fresnel debe estar despejado de obstrucción. Cuando el suelo se corta en esta zona, como ocurre a menudo en los enlaces terrestres, la onda reflejada se convierte en un importante contribuyente a la señal recibida.

Propiedades de coeficiente de reflexión y superficie

La amplitud y fase de la onda reflejada dependen del coeficiente de reflexión del suelo. Este coeficiente se determina por la compleja permitibilidad (ε r) y conductividad (σ) del material superficial, así como por el ángulo de incidencia y polarización. Para un plano suave y perfectamente conductor (por ejemplo, agua tranquila en VHF/UHF), la reflexión

Mecanismos de Propagación Multipath

Los efectos multipáticos abarcan no sólo la reflexión terrestre sino también reflexiones de edificios, montañas, vehículos y paredes interiores, además de la difusión alrededor de los bordes y la dispersión de superficies ásperas. El resultado es que la señal recibida es una superposición de muchas copias demoradas y atenuadas de la señal transmitida.

Reflexión, Diffraction y Scattering

  • La reflexión] — ocurre cuando la onda impida sobre una superficie con dimensiones grandes en comparación con la longitud de onda. La ley de reflexión se aplica (ángulo de incidencia equivale a ángulo de reflexión), pero el coeficiente de reflexión varía con material y polarización.
  • Diffraction] — permite a las olas doblarse alrededor de los obstáculos (por ejemplo, esquinas de construcción, colinas).El modelo Difracción de cuna aproxima la pérdida del camino excesivo, y el fenómeno es crítico para la cobertura en escenarios no relacionados con el Derecho.
  • ] La estafatura] — ocurre cuando la ola encuentra superficies rugosas o objetos pequeños (por ejemplo, follaje, lluvia, muebles de calle). La energía se extiende en muchas direcciones, contribuyendo a un fondo difuso de componentes multipata.

Tipos de desfase multipático

La propagación multipática conduce a la descoloración, que puede clasificarse por sus características temporales y espectrales:

  • Flat fading] — todos los componentes de frecuencia de la experiencia de la señal la misma atenuación. Esto ocurre cuando el ancho de banda de la señal es mucho menor que el ancho de banda de coherencia del canal.
  • Frequency‐selective fading] — las diferentes frecuencias se desvanecen independientemente. Esto es típico cuando el ancho de banda de señal supera el ancho de banda de coherencia, causando distorsión e interferencia inter-símbolo (ISI).
  • Fast fading — el canal cambia significativamente durante la duración de un símbolo, a menudo causado por el movimiento del transmisor, receptor o dispersadores. El sobre de la señal recibida suele seguir un Rayleigh distribución cuando no existe un sendero de LOS dominantes, o un
  • Desaparecimiento lento — las variaciones ocurren a través de escalas de tiempo más largas (por ejemplo, sombras por edificios). El modelo lógico-normal se utiliza comúnmente para este tipo de desvanecimiento.

Impacto en la integridad de la señal

Ya sea desde la reflexión terrestre o multipático de otros obstáculos, los efectos combinados degradan la integridad de la señal de varias maneras cuantificables.

Inter-Symbol Interference (ISI)

Cuando los componentes multipatáticos llegan con retrasos que son una fracción significativa del período de símbolo, ellos desperdician energía de un símbolo en el siguiente. Este ISI eleva la tasa de error de bits (BER) y limita la velocidad de datos máxima alcanzable. ] difundida de la velocidad del canal — la diferencia entre el primer y último eco significativo— determina la gravedad de ISI.

Fading y Signal‐to‐Noise Ratio

La interferencia destructiva de la reflexión terrestre y el multipataje puede causar grandes pérdidas: caídas rápidas en el poder recibido de 20 dB o más. Tales modas reducen la relación de señal instantánea a ruido (SNR), lo que conduce a la pérdida de paquetes, llamadas caídas o degradada calidad de vídeo. En entornos móviles, la tasa de desvanecimiento depende de la velocidad relativa (Doppler cambio) y frecuencia de portador.

Doppler Spread and Time‐Varying Channels

Los componentes multipatáticos que llegan de diferentes direcciones experimentan diferentes cambios Doppler debido al movimiento. Esto Doppler se extiende amplía el espectro de señales y causa una desvanecimiento selectivo. Para sistemas con larga duración de los símbolos (por ejemplo, OFDM), Doppler se puede destruir la ortogonalidad entre subcarriers, lo que conduce a la interferencia inter-carrera fija (ICI).

Mitigation Strategies

Durante décadas, los ingenieros han desarrollado un poderoso conjunto de herramientas para contrarrestar los efectos adversos de la reflexión terrestre y el multipataje. Estas estrategias se combinan a menudo en los sistemas de comunicación modernos.

Diversidad antena

El principio es simple: desplegar múltiples antenas en el receptor (o transmisor) de tal manera que la desaparición experimentada por cada antena es estadísticamente independiente. Si una antena está en una profunda moda, otra es probable que tenga una señal más fuerte.

  • Diversidad de espacio — antenas separadas por varias longitudes de onda (normalmente λ/2 a varias λ).
  • Diversidad de polarización — utilizando polarizaciones ortogonales para explotar la decorrelación.
  • Diversidad de la pintura] — antenas con diferentes patrones de radiación para capturar diferentes llegadas multipatáticas.
  • Maximal Ratio Combining (MRC)] — ponderando cada rama por su SNR antes de combinar, proporcionando el mejor rendimiento teórico.

MIMO Systems

Múltiples-Input Multiple‐Output (MIMO) tecnología va más allá de la diversidad utilizando múltiples antenas en ambos extremos para crear flujos espaciales paralelos. MIMO apalanca multipatriz en vez de tratarlo como una molestia. En un entorno de dispersión rico, cada ruta puede llevar datos independientes, multiplicando la tasa de datos sin espectro adicional.

OFDM and Adaptive Equalization

La frecuencia Ortogonal-División Múltipla (OFDM) es la modulación de la elección para muchos sistemas de alto rango (Wi-Fi, 4G, 5G, DVB‐T). Divide el canal de banda ancha en muchos subcarritos estrechos, cada uno experimentando una pérdida plana.

En sistemas de un solo carruaje, ecualizadores de adaptación] (retroalimentación lineal o de decisión) se utilizan para invertir la respuesta del impulso del canal. Los grifos de ecualizador se actualizan utilizando secuencias de entrenamiento o algoritmos ciegos para rastrear el multipatrón de tiempo.

Diseño de Plano de Tierra y colocación de Antena

Para gestionar la reflexión terrestre intencionadamente, los ingenieros pueden configurar el plano de la antena . Un plano de tierra grande y plano (por ejemplo, una hoja metálica) refleja las ondas con una fase conocida, permitiendo que el patrón de radiación de la antena se adapte. Por ejemplo, elevar un monopolio sobre un plano de tierra altera el patrón de elevación, reduciendo el poder irradiado en ángulos bajos

Aplicaciones Reales-Mundo

Redes celulares (4G/5G)

En sistemas celulares, tanto la reflexión terrestre como el multipataje de edificios son dominantes. Las antenas de la estación base se montan generalmente en torres o tejados para ganar altura y reducir los efectos de fringe de reflexión terrestre. La riqueza multipática en microcélulas urbanas ayuda en realidad a rendimiento MIMO. 5G New Radio (NR) utiliza MIMO masivo (hasta 64 o 128 elementos) y el rayo para dirigir la energía hacia los usuarios de reflexión superficial.

Wi-Fi y cobertura interior

Medios interiores (casas, oficinas, fábricas) presentan un gran multipataje debido a paredes, muebles y personas. La reflexión terrestre es menos significativa en interiores porque el suelo y el techo crean reflexiones adicionales. El retraso se extiende en una oficina típica es de 50 a 100 ns, mientras que en grandes salas puede superar 200 ns. Las normas Wi-Fi (802.11n/ac/ax) incorporan MIMO‐OFDM con intervalos de interferencia de 400 ns de despliegue de 800 ns

Comunicaciones por satélite y Aeroespacial

Para los enlaces de satélites, la reflexión terrestre es una preocupación importante en ángulos de baja altitud. Las estaciones terrestres de satélite geoestacionarios deben evitar señalar a ángulos donde las reflexiones terrestres causan grandes desvanecimientos, por lo que los terminales se encuentran a menudo en zonas abiertas con terreno liso. En las comunicaciones de avión a tierra, el multipatrón del fuselaje y la superficie terrestre crea un canal de Ricia.

Herramientas para el análisis y la simulación

Los ingenieros dependen tanto de los modelos analíticos como de los programas informáticos para predecir la reflexión sobre el terreno y los efectos multipáticos. La recomendación ITU‐R P.1546 proporciona un método para las predicciones de punto a área que incluyen la reflexión sobre el terreno.

Conclusión

La reflexión terrestre y los efectos multipáticos no son simplemente curiosidades académicas, sino que son la realidad cotidiana de la propagación inalámbrica. Una comprensión profunda de las zonas de Fresnel, coeficientes de reflexión, estadísticas de desvanecimiento y dilatación es esencial para cualquier ingeniero que diseña antenas, redes de planificación o optimización de los presupuestos de enlaces.