Introduzione

I sistemi di comunicazione wireless sono basati sulla connettività moderna, dalle reti mobili e dalla connessione Wi-Fi ai collegamenti satellitari e al radar. L'integrità del segnale dell'antenna, tuttavia, è continuamente modellata dall'ambiente di propagazione. Due fenomeni fondamentali e intercorrenti - ] riflessione sul terreno e effetti multitipath] – possono alterare drasticamente i livelli di potenza, di potenza, di potenza e tempistiche e tempistiche e di funzionamento.

La Fisica della Riflessione Terrestre

La riflessione sul terreno avviene quando un'onda radio emessa da un'antenna trasmittente colpisce la superficie terrestre e una parte della sua energia viene reindirizzata verso il ricevitore. L'onda riflessa viaggia un percorso più lungo dell'onda diretta di linea-di-sight (LOS), creando una differenza di fase all'antenna ricevente. A seconda della relazione di fase, le due onde si combinano costruttivamente (migliorando il segnale) o distruttivando la funzione di distanza del campo di segnale dell'ante).

Zone di fresnel e Clearance del percorso

Per comprendere la riflessione sul terreno quantitativamente, si consideri la prima Zona del fiume[ — una regione ellissoidale tra tra trasmettitore e ricevitore. Se gli ostacoli, compreso il terreno, intrudono in questa zona, alterano il percorso di propagazione. Il raggio della prima zona del Fresnel ad un dato punto è dato da:

Per i collegamenti LOS affidabili, almeno il 60% della prima zona Fresnel dovrebbe essere chiaro di ostruzioni. Quando il terreno taglia in questa zona, come spesso accade nei collegamenti terrestri, l'onda riflessa diventa un contributo significativo al segnale ricevuto. Gli ingegneri devono calcolare il Fresnel clearance[FFFFresnel]

Proprietà di superficie e coefficiente di rifrazione

L'ampiezza e la fase dell'onda riflessa dipendono dal coefficiente di rifrazione del terreno. Questo coefficiente è determinato dalla complessa autorizzazione (ε r) e dalla conducibilità (σ) del materiale di superficie, così come l'angolo di incidenza e polarizzazione.

Meccanismi di moltiplicazione multipath

Gli effetti multipath non comprendono solo la riflessione a terra, ma anche le riflessioni di edifici, montagne, veicoli e pareti interne, oltre alla diffrazione intorno ai bordi e allo spargimento da superfici ruvide. Il risultato è che il segnale ricevuto è una sovrapposizione di molte copie ritardate e attenuate del segnale trasmesso.

Riflessione, diffrazione e scattering

  • Riflessione[[]] – si verifica quando l'onda impinges su una superficie con dimensioni grandi rispetto alla lunghezza d'onda. La legge di riflessione si applica (angolo di incidenza uguale angolo di riflessione), ma il coefficiente di riflessione varia con materiale e polarizzazione.
  • Diffrazione[[] – consente alle onde di piegarsi intorno agli ostacoli (ad esempio, gli angoli di costruzione, le pendenze). Il modello Knife-edge diffraction[] approssima la perdita di percorso in eccesso, e il fenomeno è fondamentale per la copertura in scenari non-LOS.
  • Scattering[[] – avviene quando l'onda incontra superfici ruvide o piccoli oggetti (ad esempio, fogliame, pioggia, mobili di strada). L'energia si diffonde in molte direzioni, contribuendo ad un diffuso background di componenti multipath.

Tipi di Fading multipath

La propagazione multipatica porta a dissolversi, che può essere classificata con le sue caratteristiche temporali e spettrali:

  • Flat fading[[ – tutti i componenti di frequenza dell'esperienza del segnale la stessa attenuazione. Ciò avviene quando la larghezza di banda del segnale è molto più piccola della larghezza di banda di coerenza del canale.
  • Frequency-selective fading[[[] – le frequenze diverse svaniscono in modo indipendente. Questo è tipico quando la banda del segnale supera la larghezza di banda di coerenza, causando distorsione e inter-simbolo interferenza (ISI).
  • Fast fading[[] — il canale cambia in modo significativo sulla durata di un simbolo, spesso causato dal movimento del trasmettitore, ricevitore o spargitore. La busta del segnale ricevuto spesso segue un [Rayleigh] distribuzione quando non esiste un percorso LOS dominante, o un
  • Slow fading[[] — le variazioni si verificano in scale di tempo più lunghe (ad esempio, ombreggiando per edifici).

Impatto sull'integrità del segnale

Sia che si tratti di riflessione sul terreno o di multipath da altri ostacoli, gli effetti combinati degradano l'integrità del segnale in diversi modi quantificabili.

Interferenza Inter-Symbol (ISI)

Quando i componenti multipath arrivano con ritardi che sono una frazione significativa del periodo di simbolo, essi diffondono l'energia da un simbolo nel prossimo. Questo ISI alza il tasso di errore bit (BER) e limita la velocità massima di dati raggiungibile. Il disperde catalante del canale — la differenza tra il primo e l'ultimo significativo eco — determina la gravità di ISIbolym.

Rapporto Fading e Signal‐to‐Noise

Le interferenze distruttive da riflessione a terra e multipath possono causare profondi sbiadi — gocce rapide nella potenza ricevuta di 20 dB o più. Tali dissolvenze riducono il rapporto segnale-to-noise istantaneo (SNR), portando alla perdita di pacchetti, chiamate a caduta, o qualità video degradata. In ambienti mobili, il tasso di dissolvenza dipende dalla velocità relativa (spostatore di do 220 GHz) e frequenza del vettore.

Canali di diffusione e di tempo

I componenti multipath che arrivano da direzioni diverse sperimentano diversi spostamenti Doppler a causa del movimento. Questo Doppler spread] allarga lo spettro del segnale e provoca la dissolvenza tempo-selective. Per i sistemi con lunghe durata del simbolo (ad esempio, OFDM), Doppler spread può distruggere l'ortogonalità tra i subcarriers, portando a inter-carrier di superficie di passaggio (ICI).

Strategie di mitigazione

Nel corso di decenni, gli ingegneri hanno sviluppato un potente toolkit per contrastare gli effetti negativi della riflessione sul suolo e del multipath, spesso combinati in sistemi di comunicazione moderni.

Diversità di Antenna

Il principio è semplice: distribuire più antenne al ricevitore (o trasmettitore) in modo che la dissolvenza vissuta da ogni antenna è statisticamente indipendente. Se un'antenna è in una dissolvenza profonda, un altro è probabile che abbia un segnale più forte.

  • La diversità dei tessuti[] — le antenne separate da diverse lunghezze d'onda (tipicamente λ/2 a più λ).
  • La diversità di polarizzazione[] – usando polarizzazioni ortogonali per sfruttare la decorazione.
  • Pattern diversità[] — antenne con diversi modelli di radiazione per catturare diversi arrivi multipath.
  • Rapione massima Combinazione (MRC)[] — ponderazione di ogni ramo dal suo SNR prima di combinare, fornendo le migliori prestazioni teoriche.

Sistemi MIMO

La tecnologia multi-uscita (MIMO) di ingresso multi-Output supera la diversità utilizzando antenne multiple a entrambe le estremità per creare flussi spaziali paralleli. MIMO sfrutta il multipath piuttosto che trattarlo come fastidio. In un ambiente ricco di dispersione, ogni percorso può trasportare dati indipendenti, moltiplicando la velocità di dati senza spettro aggiuntivo.

OMC e Uguaglianza adattiva

[LT-DEFDM:0] Il sistema di calcolo orizzontale (OFDM): è la modulazione della scelta per molti sistemi ad alta velocità (Wi‐Fi, 4G, 5G, DVCP-T) e divide il canale a banda larga in molti subcarrieri stretti, ognuno con la dissolvenza piatta.

Nei sistemi a singolo carrier, adaptive equalizzatori (lineare o decision-feedback) sono utilizzati per invertire la risposta all’impulso del canale.

Progettazione e posizionamento dell'antenna dell'aeromobile

Per gestire la riflessione sul terreno intenzionalmente, gli ingegneri possono modellare l'antenna piano terra. Un grande piano terra piatto (ad esempio, un foglio metallico) riflette le onde con una fase nota, permettendo il modello di radiazione dell'antenna di essere adattato.

Applicazioni reali

Reti cellulari (4G/5G)

Nei sistemi cellulari, sia la riflessione sul terreno che il multipath da edifici sono dominanti. Le antenne della stazione di base sono solitamente montate su torri o tetti per ottenere l'altezza e ridurre gli effetti della frangia di riflessione sul terreno. La ricchezza multipath nelle microcelle urbane aiuta effettivamente le prestazioni del MIMO. 5G Nuova Radio (NR) utilizza il MIMO massiccio (fino a 64 o 128 elementi) e il teletrasformarsi a energia steeristica verso gli utenti mentre annullano le interferenze.

Wi-Fi e copertura interna

Gli ambienti interni (case, uffici, fabbriche) presentano un ampio multipath a causa di pareti, mobili e persone. La riflessione sul terreno è meno significativa in ambienti interni perché il pavimento e il soffitto creano ulteriori riflessi. Il ritardo si diffonde in un ufficio tipico è di 50–100 ns, mentre in grandi sale può superare 200 ns. Gli standard Wi‐Fi (802.11n/ac/ax) incorporano MIMO‐OFDM con intervalli di protezione di 400 ns o 800 ns.

Comunicazioni via satellite e aerospaziale

Per i collegamenti satellitari, la riflessione sul terreno è una preoccupazione importante per gli angoli a bassa elevazione. Le stazioni terrestri satellitari geostazionarie devono evitare di puntare ad angoli in cui le riflessioni di terra causano profonde dissolvenze — per questo i terminal sono spesso situati in aree aperte con terreno liscio. Nelle comunicazioni a livello di aereo, il multipath dalla fusoliera e dalla superficie di terra crea un canale Rician.

Strumenti per l'analisi e la simulazione

Gli ingegneri si affidano sia ai modelli analitici che al software per predire la riflessione sul terreno e gli effetti multipath. La raccomandazione [ITU‐R P.1546 fornisce un metodo per le previsioni punto-area che includono la riflessione sul terreno.

Conclusioni

La riflessione sul terreno e gli effetti multipath non sono solo curiosità accademiche — sono la realtà quotidiana della propagazione wireless. Una profonda comprensione delle zone di Fresnel, dei coefficienti di riflessione, delle statistiche di sbiadimento, e la diffusione di ritardo è essenziale per qualsiasi progettazione di antenne, reti di pianificazione, o l'ottimizzazione dei bilanci di collegamento. Fortunatamente, l'industria ha maturato un potente insieme di contromisure: diversità, MIMO, OFDM, equalizzazione e posizionamento dell'antenna accurata.