Значение отражения земли и мультипатического воздействия на целостность сигнала антенны

Введение

Беспроводные системы связи лежат в основе современных соединений, от мобильных сетей и Wi-Fi до спутниковых линий связи и радара. Целостность сигнала антенны, однако, постоянно формируется средой распространения. Два фундаментальных и взаимосвязанных явления — наземное отражение и многолучевые эффекты — могут резко изменить силу сигнала, фазу и время. Инженеры, которые овладевают этими эффектами, могут проектировать надежные системы, которые поддерживают высокие скорости передачи данных и низкие скорости ошибок даже в сложных условиях. Эта статья обеспечивает всестороннее техническое исследование этих явлений, их влияние на целостность сигнала и стратегии, используемые для управления ими.

Физика отражения земли

Наземное отражение происходит, когда радиоволна, излучаемая передающей антенной, поражает поверхность Земли, и часть ее энергии перенаправляется к приемнику. Отраженная волна проходит более длинный путь, чем волна прямой линии видимости (LOS), создавая разницу фаз в приемной антенне. В зависимости от фазового соотношения две волны объединяются либо конструктивно (усиливая сигнал), либо разрушительно (уменьшевая его). Эта интерференционная картина является функцией высот антенны, расстояния между антеннами, частоты сигнала и электрических свойств земли.

Зоны френеля и дорожный просвет

Для количественного понимания отражения земли рассмотрим первую зону френеля — эллипсовидную область между передатчиком и приемником.Если препятствия, включая землю, вторгаются в эту зону, они изменяют путь распространения. Радиус первой зоны френеля в данной точке дается:

где λ — длина волны и d1, d2 — расстояния до передатчика и приемника. Для надёжных ЛОС-соединений не менее 60 % первой зоны Френеля должно быть очищено от препятствий. Когда земля врезается в эту зону, как это часто бывает в наземных звеньях, отраженная волна становится значительным вкладчиком в принимаемый сигнал. Инженеры должны вычислить Клиренс френеля, чтобы предсказать, добавит ли отражение земли конструктивно или деструктивно.

Коэффициент отражения и свойства поверхности

Амплитуда и фаза отраженной волны зависят от коэффициента отражения грунта. Этот коэффициент определяется комплексной проницаемостью (ε r) и проводимостью (σ) поверхностного материала, а также углом падения и поляризации. Для гладкой, идеально проводящей плоскости (например, спокойной воды при VHF/UHF) коэффициент отражения приближается к −1 (180° фазового сдвига). Для сухого грунта или пересеченной местности величина коэффициента ниже и его фаза изменяется. угол смазывания — угол между падающим лучом и землей — особенно важен; при низких углах смазки отражение сильное и может производить глубокие нули в принятом сигнальном рисунке. Понимание этих параметров позволяет инженерам моделировать принятую мощность сигнала в зависимости от высоты антенны и расстояния связи.

Механизмы многолучевого распространения

Многолучевые эффекты охватывают не только отражение земли, но и отражения от зданий, гор, транспортных средств и внутренних стен, плюс дифракцию вокруг краев и рассеяние от шероховатых поверхностей.В результате полученный сигнал представляет собой суперпозицию многих отложенных и ослабленных копий передаваемого сигнала.

Отражение, дифракция и рассеяние

• Отражение — возникает, когда волна наталкивается на поверхность с размерами, большими по сравнению с длиной волны.Применяется закон отражения (угол падения равен углу отражения), но коэффициент отражения изменяется в зависимости от материала и поляризации.
• Дифракция — позволяет волнам изгибаться вокруг препятствий (например, углы зданий, вершины холмов). Модель дифракции на ножах аппроксимирует избыточную потерю пути, и это явление имеет решающее значение для покрытия в сценариях, не связанных с LOS.
• Рассеяние — происходит, когда волна сталкивается с грубыми поверхностями или небольшими объектами (например, листва, дождь, уличная мебель). Энергия распространяется во многих направлениях, способствуя диффузному фону многолучевых компонентов.

Типы многолучевого угасания

Мультипатическое распространение приводит к затуханию, которое можно классифицировать по его временным и спектральным характеристикам:

• Плоское затухание — все частотные компоненты сигнала испытывают одинаковое затухание.Это происходит, когда полоса пропускания сигнала намного меньше, чем полоса когерентности канала.
• Частотно-селективное затухание — разные частоты исчезают независимо.Это типично, когда полоса пропускания сигнала превышает полосу когерентности, вызывая искажения и интерсимволические помехи (ISI).
• Быстрое затухание — канал значительно изменяется по продолжительности символа, часто вызванного движением передатчика, приемника или рассеивателей. Оболочка принятого сигнала часто следует за распределением Рэйли, когда не существует доминирующего пути LOS, или за распределением Ричиана, когда присутствует сильный компонент LOS.
• Медленное затухание — изменения происходят в течение более длительных временных масштабов (например, затенение зданиями).

Влияние на целостность сигнала

Независимо от того, отражались ли они на земле или многолучевые от других препятствий, комбинированные эффекты ухудшают целостность сигнала несколькими количественными способами.

Межсимволическое вмешательство (ISI)

Когда компоненты мультипата прибывают с задержками, которые являются значительной частью периода символа, они размазывают энергию от одного символа в следующий. Этот ISI повышает частоту ошибок бита (BER) и ограничивает максимальную достижимую скорость передачи данных. Распределение задержки канала — разница между самым ранним и последним значительным эхом — определяет серьезность ISI. Для узкополосных сигналов (длительность символа >> распространение задержки) ISI ничтожно мал; для широкополосных сигналов (например, современных 4G/5G) спреды задержки в несколько микросекунд могут быть катастрофическими без смягчения.

Угасание и отношение сигнал/шум

Разрушительные помехи от отражения земли и многолучевой передачи могут вызывать глубокие блекнущие явления — быстрые падения принятой мощности 20 дБ и более. Такие блекнущие явления снижают мгновенное отношение сигнал/шум (SNR), приводя к потере пакетов, отбрасыванию вызовов или ухудшению качества видео. В мобильных средах скорость затухания зависит от относительной скорости (сдвиг Доплера) и несущей частоты. Например, транспортное средство, движущееся со скоростью 120 км/ч при 2 ГГц, испытывает доплеровское распространение около 220 Гц, в результате чего канал меняется тысячи раз в секунду.

Доплеровский спред и изменяющиеся во времени каналы

Многолучевые компоненты, поступающие с разных направлений, испытывают различные доплеровские сдвиги из-за движения. Это Доплеровское распространение расширяет спектр сигнала и вызывает временно-селективное затухание. Для систем с длительными символьными длительностями (например, OFDM) доплеровское распространение может разрушить ортогональность между поднесущими, приводя к интернесущей интерференции (ICI). Наземное отражение, особенно когда отражающая поверхность неподвижна, способствует фиксированному доплеровскому сдвигу, если приемник движется — но движущиеся рассеиватели (например, проходящие транспортные средства) добавляют случайные частотные сдвиги.

Стратегии смягчения

За десятилетия инженеры разработали мощный инструментарий противодействия неблагоприятным последствиям наземного отражения и многолучевого воздействия.Эти стратегии часто объединяются в современных системах связи.

Разнообразие антенн

Принцип прост: развернуть несколько антенн на приемнике (или передатчике) так, чтобы затухание, испытываемое каждой антенной, было статистически независимым. Если одна антенна находится в глубоком затухании, другая, вероятно, будет иметь более сильный сигнал. Общие схемы разнообразия включают:

• Космическое разнообразие — антенны, разделенные несколькими длинами волн (обычно от λ/2 до нескольких λ).
• Многообразие поляризации — использование ортогональных поляризований для использования декорреляции.
• Разнообразие шаблонов — антенны с различными паттернами излучения для захвата различных многолучевых прибытий.
• Максимальное соотношение комбинирования (MRC) — взвешивание каждой ветви по ее SNR перед комбинацией, обеспечивающее наилучшие теоретические показатели.

Системы MIMO

Технология Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) выходит за рамки разнообразия, используя несколько антенн на обоих концах для создания параллельных пространственных потоков. MIMO использует многолучевой путь, а не рассматривает его как неприятность. В богатой среде рассеяния каждый путь может нести независимые данные, умножая скорость передачи данных без дополнительного спектра. Пространственное мультиплексирование (например, в 802.11n / ac /ax и 5G NR) опирается на достаточно высокое отношение сигнал-интерференция-плюс-шум и точную информацию о состоянии канала. MIMO также повышает надежность связи посредством кодирования пространства-времени, что обеспечивает как разнообразие, так и усиление кодирования.

OFDM и адаптивная уравниловка

Ортогональное мультиплексирование с частотой деления (OFDM) — это выбор модуляции для многих высокопроизводительных систем (Wi-Fi, 4G, 5G, DVB-T). Он делит широкополосный канал на множество узких поднесущих, каждая из которых испытывает плоское затухание. Перед каждым символом OFDM вставляется циклический префикс (CP) для поглощения спреда задержки и устранения ISI. CP должен быть длиннее, чем максимальная избыточная задержка канала. Для каналов с экстремальными спредами задержки (например, горные отражения, превышающие 10 мкс), OFDM-системы должны использовать более длительные спреды CP или принимать выравнивание частотно-доменной области с одним носителем (SC-FDE).