6. Способы пространственного распространения помех

Привет, Вы узнаете о том , что такое пространственное распространение помех , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое пространственное распространение помех , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электромагнитная совместимость.

Уровень полезного сигнала (либо помехи) на входе приемника в процессе распространения от антенны источника до приемной антенны, существенным образом зависит от условий распространения радиоволн. Расчет уровней полезного сигнала и помехи может производиться на основе строгих методов, применяемых в теории распространения радиоволн (РРВ), либо, на конкретных, выбранных трассах распространения, с использованием эмпирических формул и инженерных методик расчетов в соответствии с рекомендациями МСЭ.

По способу распространения радиоволны делятся на распространяющиеся в свободном пространстве (прямые), земные, тропосферные, а также ионосферные волны.

Свободно распространяются волны в однородной или слабо неоднородной среде (в частности в космическом пространстве) по прямолинейным или близким к ним траекториям.

Земные радиоволны распространяются в непосредственной близости от поверхности земли и частично огибают земной шар вследствие дифракции (дифракционные волны).

Тропосферные радиоволны распространяются на значительные (примерно до 1000 км) расстояния из-за рассеяния в тропосфере и направляющего (волноводного) действия тропосферы.

Ионосферные или пространственные волны распространяются на большие расстояния и могут огибать земной шар в результате многократных отражений от ионосферы и поверхности земли (> 10 м). Так называют и волны, которые рассеиваются на неоднородностях ионосферы и отражаются от ионизированных слоев метеоров (в диапазоне метровых волн).

Важной характеристикой условий распространения радиоволн является величина потерь при распространении, показывающая насколько ослабляется плотность потока мощности волны в процессе распространения. При оценке потерь распространения всю трассу делят обычно на несколько областей или зон и выясняют возможный механизм распространения помех определенного частотного диапазона в той или иной области.

Область прямой видимости простирается почти до радиогоризонта (d 0,8^r₀ ) и в общем случае характеризуется наличием волн трех типов: прямой, отраженной от земной поверхности и поверхностной (земной).

Область дифракции или тени – область земной поверхности, где отсутствует прямая волна (d 1,2^r₀ ), а распространение происходит за счет огибания (дифракция) волной земной поверхности или неровностей рельефа местности.

Область полутени – промежуточная между областями прямой видимости и дифракции (0,8^r₀  d 1,2^r₀ ), где ^r₀ ̶ дальность прямой видимости.

Область дальнего тропосферного распространения радиоволн (ДТР) простирается примерно от 100 до 1000 км. В виде тропосферных могут в основном распространяться волны в диапазоне 40…10000 МГц.

Область ионосферного рассеяния простирается на расстояние 800 … 2400 км и захватывает диапазоны волн 30 ... 100 МГц при рассеянии на неоднородностях ионосферы и 50...150 МГц при отражении от следов метеоров.

Различают долгосрочные и краткосрочные механизмы распространения. Принято считать, что РРВ в условиях прямой видимости, а также за счет тропосферного рассеяния или дифракции – это долгосрочные механизмы. Они определяют особенности распространения, как полезного сигнала, так и помехи. К краткосрочным механизмам относят различного рода аномальные явления в тропосфере такие, как инверсное изменение температуры с высотой, выпадение гидрометеоров, появление тропосферного волновода, многолучевость, которые, в силу краткосрочности своего действия, в основном определяют только особенности пространственного распространения помех.

Таблица 6.1 – Данные об особенностях РРВ в различных частотных диапазонах

Диапазон	Частота	Особенность РРВ	Дальность	Дальность распространения помех	Область применения
ОНЧ	3...30 кГц	Волновод	Несколько тысяч км	Очень большая	В мировом масштабе, раионавигационная и стратегическая связь на большие расстояния
НЧ	30...300 кГц	Земная волна, ионосферная волна	Несколько тысяч км	Очень большая	Радионавигационная и стратегическая связь на большие расстояния
СЧ	0,3...3 МГц	Земная волна, ионосферная волна	Несколько тысяч км	Очень большая	Связь пункта с пунктом на средние расстояния, радиовещательная и морская подвижная связь
ВЧ	3...30 МГц	Ионосферная волна	До нескольких тысяч км	Очень большая	Связь пункта с пунктом на большие и короткие расстояния, глобальное радиовещание, подвижная связь
ОВЧ	30...300 МГц	Пространственная волна, тропосферное рассеяние, дифракция	До нескольких сотен км	Ограниченная	Связь пункта с пунктом на короткие и средние расстояния, подвижная связь, локальные сети, звуковое и телевизионное радиовещание, персональная связь
УВЧ	0,3...3 ГГц	Пространственная волна, тропосферное рассеяние, дифракция, в пределах пря- мой видимости	< 100 км; Земля-космос	Ограниченная	Связь пункта с пунктом на короткие и средние расстояния, подвижная связь, локальные сети, звуковое и телевизионное радиовещание, персональная связь, спутниковая связь
СВЧ	3...30 ГГц	В пределах прямой видимости	< 30 км; Земля-космос	Обычно ограниченная	Связь пункта с пунктом на короткие расстояния, звуковое и телевизионное радиовещание, локальные сети, подвижная/персональная связь, спутниковая связь
КВЧ	30...300 ГГц	В пределах прямой видимости	< 20 км; Земля-космос	Обычно ограниченная	Связь пункта с пунктом на короткие расстояния, микросотовые сети, локальные сети, персональная связь, спутниковая связь

6.2 Особенности распространения полезных радиосигналов

Диапазон частот 10 кГц...30 МГц. На частотах ниже 30 кГц потери при распространении радиосигналов приближаются к уровню потерь при распространении в свободном пространстве. В диапазоне ОНЧ прохождение радиоволн в режиме волноводного распространения между ионосферой и поверхностью Земли может наблюдаться в глобальном масштабе.

В этом диапазоне частот важно учитывать два различных режима распространения: режим земной волны, который часто определяет уровни полезного сигнала, и режим ионосферной волны, с помощью которого часто распространяются мешающие сигналы. Амплитуда отраженного от ионосферы сигнала характеризуется выраженными суточными колебаниями из-за изменений уровня поглощения в ионосфере. Природа ионосферного распространения предполагает, что линии связи большой протяженности будут подвержены искажениям, обусловленным многолучевостью, помехам, воздействующим на сигнал, и перерывам в работе.

Диапазон частот 30 МГц ... 1 ГГц. В этом диапазоне частот, за исключением самого нижнего края, ионосферный механизм распространения радиоволн не работает. Влияние погоды ограничивается явлениями сверхрефракции и волноводного распространения, которые могут вызываться инверсиями нормального градиента индекса рефракции в воздухе. Другими существенными отклонениями от распространения в свободном пространстве являются тропосферное рассеяние и дифракция, вызываемые влиянием препятствий на трассе распространения, включая кривизну земной поверхности, а также дифракционные эффекты на рельефе местности и зданиях.

Диапазон частот 3...20 ГГц. Описанные выше факторы распространения радиоволн (за исключая ионосферные волны) действуют также и в данном диапазоне частот. Однако при этом необходимо учитывать эффекты ослабления, рассеяния и кроссполяризации, вызванные влиянием гидрометеоров. На частотах примерно выше 15 ГГц необходимо учитывать ослабление в атмосферных газах.

Дожди и другие осадки на трассе распространения радиоволн, также могут создавать ряд проблем. На частотах выше 10 ГГц ослабление из-за наличия дождевых капель может привести к существенному ухудшению качества сигнала.

При наземном распространении радиоволн в условиях ясного неба могут иметь место замирания, обусловленные дифракцией, многолучевым распространением в атмосфере и вдоль земной поверхности, расфокусировкой антенны, ослаблением в атмосферных газах, а в некоторых регионах – песчаными и пыльными бурями.

Диапазон частот выше 20 ГГц. Основные преимущества использования этого диапазона, которые обеспечивают необычайные возможности для распределения и присвоения частот, состоят в значительно большем размере доступной полосы частот и малых размерах антенн.

Основным недостатком здесь является высокая подверженность условий распространения атмосферным явлениям, которые приводят к большому ослаблению радиоволн и ограничивают или исключают применение в этом участке радиоспектра многих систем радиосвязи. С другой стороны подобные эффекты можно использовать в интересах защиты от помех.

Данный диапазон частот характеризуется «окнами», которые являются полосами с относительно низким ослаблением, а также полосами поглощения, где имеет место очень высокое ослабление. Окна пропускания и полосы поглощения определяются в первую очередь свойствами атмосферных газов, в основном кислорода и водяного пара. Поглощение в кислороде максимально на частотах 60 и 119 ГГц, а поглощение в водяном паре максимально в области частот 22 и 183 ГГц.

Осадки, особенно в виде дождя, вызывают сильное поглощение и рассеяние радиоволн, а также, в меньшей степени, поворот плоскости поляризации радиоволн. Эти эффекты могут сочетаться и способствовать значительному ослаблению. Расчеты погонного ослабления на данных частотах в большой степени зависят от микроструктуры дождя (например, температуры, распределения конечной скорости, размеров и формы капель и т.п.).

6.3 Особенности распространения мешающих радиосигналов

Мешающие сигналы (помехи) между станциями различных систем радиосвязи могут возникать вследствие не только долгосрочных, но и краткосрочных механизмов распространения. Трассы распространения МС могут иметь самые произвольные характеристики. Поэтому проблема надежного прогнозирования уровней МС связана с трудностью учета большого разнообразия типов и параметров трасс и условий распространения на них.

При этом в некоторые периоды времени на определенном участке трассы распространения может преобладать определенный механизм либо одновременное действие нескольких механизмов распространения МС.

Прямая видимость. Уровни МС могут часто значительно увеличиваться в короткие периоды времени из-за многолучевого распространения и фокусирующих эффектов, вызываемых слоистой структурой атмосферы.

Дифракция. Эффекты дифракции обычно доминируют за пределами прямой видимости и при нормальных условиях. Здесь следует достаточно точно учитывать кривизну Земли естественные и искусственные препятствия на трассе распространения МС.

Тропосферное рассеяние. Этот механизм определяет уровень помехи для трасс протяженностью более 100... 150 км, когда дифракционное поле становится очень слабым. Тем не менее, в данном случае помехи будут на достаточно низком уровне.

Поверхностный волновод. Этот наиболее важный краткосрочный механизм распространения МС может вызывать высокие уровни сигнала на больших расстояниях (более 500 км над морем). Уровень таких МС при определенных условиях может превысить уровень, соответствующий распространению в свободном пространстве.

Отражение и преломление поднимающимися слоями. Отражение и/или преломление от слоев на высотах до нескольких сот метров имеет большое значение как механизма распространения, обусловливающего при благоприятной геометрии трассы уровни МС выше, чем при распространении за счет дифракции. Кроме того, влияние данного механизма распространения может быть существенным на очень больших расстояниях (до 250...300 км).

Рассеяние гидрометеорами может являться потенциальным источником МС создаваемых передатчиками наземных линий связи и земными станциями из-за фактически всенаправленного характера переизлучения радиоволн.

Эффекты экранирования локальными неоднородностями (строения, деревья и т.п.). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Этот фактор при распространении МС играет защитную роль, поскольку в определенной степени понижает их уровни приема.

6.4 Оценка потерь при распространении радиоволн

Распространение в свободном пространстве. При распространении радиоволн в свободном пространстве потери энергии с увеличением расстояния возрастают из-за сферической расходимости фронта волны, поскольку с ростом расстояния на единицу площади фронта волны приходится меньшее количество энергии. Мощность ^P_R на выходе приемной антенны при распространении в таких условиях определяется выражением

(6.1)

где A₀  20lg(4d /) – ослабление при распространении в сводном пространстве, P_T – мощность источника электромагнитных колебаний поступившая в антенну;  – длина волны, м; d – длина трассы распространения, м; G_T и G_R – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны, соответственно.

В реальных условиях при распространении в пределах прямой видимости потери могут увеличиваться не только с увеличением расстояния, но также из-за влияния самой земной поверхности, поглощения и рассеяния электромагнитной энергии в ионосфере и тропосфере.

В классической теории РРВ для учета потерь вводят множитель ослабления F . Его значение зависит от ряда факторов: расстояния между источником и рецептором помех, высоты подвеса антенн, длины волны, вида поляризации, характера рельефа местности трассы распространения, а также степени неоднородности атмосферы. С учетом множителя ослабления формула (6.1) принимает вид:

(6.2)

где A₀ = 32,5 +20lg( f )+ 20lg(d); дБ; f – частота; МГц, d – длина трассы распространения, км.

Условиям распространения волн в свободном пространстве наиболее близки условия распространения в космических линиях связи. Множитель ослабления в этом случае можно записать в виде

A =A_t + A_i [дБ], (6.3)

где: A_t – учитывает потери в тропосфере из-за поглощения волн в кислороде, водяных парах и осадках, A_i – учитывает суммарные потери, обусловленные поглощением в ионосфере, рассеянием на ионизированных неоднородностях, вращением плоскости поляризации волны (эффект Фарадея).

Рисунок 6.1  Частотная зависимость затухания в атмосфере:

1  на уровне моря, 2  4 км над уровнем моря

Распространение земных радиоволн в условиях прямой видимости. Область прямой видимости при нормальной рефракции (характеризующейся эквивалентным радиусом Земли a_э равным 4,3a , где a – радиус Земли равный 6371 км. простирается до расстояния d  r₀ (дальность прямой видимости либо радиогоризонта) при одной антенне r_0[км]  4,12( h и при двух антеннах , где ^h_T и ^h_R – высоты передающей и приемной антенн, соответственно, измеряемые в метрах.

При расчете полей в области прямой видимости условия, которые необходимо учитывать в теории РРВ классифицируют по следующим признакам:

• высоте поднятия антенн;
• удалению от передатчика (плоская или сферическая земля)
• рельефу местности (гладкая, отдельные ярко выраженные препятствия, статистически неровная поверхность).

Высокоподнятые антенны. Если высоты приемной и передающей антенн значительно превышают длину волны ( ) и поверхность Земли можно считать плоской, гладкой и однородной, то поле в месте расположения приемной антенны можно рассматривать как результат интерференции прямой и отраженной от земной поверхности волн (рис. 6.2).

Рисунок 6.2  Модель распространения в условиях прямой видимости

В случае идеально проводящей земной поверхности множитель ослабления можно определить, воспользовавшись формулой

[дБ], (6.4)

где – разность хода прямого и отраженного лучей,  длина волны.

Если подстилающую поверхность нельзя считать идеально проводящей, то нужно при расчете множителя ослабления учитывать комплексный коэффициент отражения в области существенной для отражения, используя интерференционную формулу

[дБ], (6.5)

где , модуль и фаза коэффициента отражения на участке земной поверхности существенной для отражения.

Статистически неровная поверхность. Для оценки степени шероховатости поверхности в этом случае используют критерий Релея, которому должны удовлетворять высоты неровностей: h_н  / 8sin  , где  угол скольжения.

Это условие, при выполнении которого данную поверхность можно считать гладкой. При невыполнении его, отражения приобретают диффузный характер. Критерий Релея не учитывает поляризации волны, которая, согласно экспериментальным данным оказывает существенное влияние на отражение. Шероховатость поверхности следует оценивать не в точке, а в пределах области, ограниченной первой зоной Френеля и характеризовать той или иной моделью рассеяния.

При учете статистических неровностей поверхности выделяют три волны: прямую, зеркально отраженную и рассеянную. Общее поле в случае поднятых антенн определяют по интерференционным формулам для гладкой поверхности, но с поправкой внесенной в коэффициент отражения.

Большинство моделей рассеяния упрощенно можно характеризовать двумя или тремя параметрами (стандартным отклонением и средней высотой неровностей, интервалом корреляции). Наиболее хорошо изучены поверхности с гауссовым распределением высот неровностей. К поверхностям такого типа относится, например, море при умеренном волнении.

Низко расположенные антенны. Считая, что поверхность Земли сферическая, гладкая и однородная, а индекс рефракции в тропосфере уменьшается с высотой экспоненциально, согласно рекомендациям МСЭ-Р для учета потерь на частотах от 10 кГц до 30 МГц используют эмпирические формулы и графики  семейство кривых напряженности поля E (дБмкВ/м). Эти кривые (см. Приложение 1) построены для ряда типичных значений частот и характеристик подстилающей поверхности (относительной диэлектрической проницаемости  и проводимости ) при следующих предположениях:

• передающая, и приемная антенны расположены на уровне земли;
• излучающим элементом является короткий вертикальный несимметричный вибратор.

Предполагая, что такая вертикальная антенна находится на поверхности идеально проводящей плоской Земли и излучает мощность 1 кВт, напряженность поля на расстоянии 1 км составит 300 мВ/м; это соответствует величине волнодвижущей силы 300 В:

• кривые построены для расстояний, измеренных по искривленной поверхности Земли;
• на кривых приведены значения вертикальной составляющей напряженности излучаемого поля, т.е. той составляющей, которую можно эффективно измерить в дальней зоне излучения антенны.

Суммарные потери при распространении можно определить из следующего уравнения

(где f в МГц)

, [дБ].

Эти данные, с погрешностью менее 1 дБ, соответствуют полю на расстоянии r , если kr 10 , где k = 2π/λ. На более близких расстояниях влияние ближнего поля (то есть поля индукции и статического поля) можно учесть, добавив к напряженности поля (в дБ) величину

[дБ].

Кривые, приведенные на рисунках подобных рис. 6.3 можно использовать для определения параметров распространения радиоволн и на смешанных трассах (неоднородная гладкая поверхность Земли) следующим образом. Такие трассы могут быть, например, образованы из трех участков ^S₁, ^S₂, S₃ длиной ^d₁, ^d₂, d₃ , с параметрами , как показано ниже:

Рисунок 6.3 Смешанная трасса распространения

Метод Миллингтона, используемый для определения параметров распространения радиоволн на смешанных трассах, является наиболее точным из всех имеющихся и удовлетворяет условию взаимности.

Этот метод предполагает, что для участков трассы S₁, S₂, S₃, каждый из которых по отдельности считается однородным, имеются кривые распространения для различных типов местности, соответствующей этим участкам, причем все они получены для одного и того же источника излучения (Т), и могут быть пересчитаны для любого другого источника излучения.

Для заданной частоты выбирается кривая, соответствующая участку S₁, и далее определяется поле E₁(d₁) в дБ(мкВ/м) на расстоянии d₁. После этого используется кривая, соответствующая участку S₂, для определения полей E₂(d₁) и E₂(d₁ +d₂) и, аналогичным образом, по кривой для участка S₃ определяются поля E₃(d₁ +d2) и E₃(d₁ +d₂ +d₃) и т. д.

Напряженность поля принимаемого сигнала, E_R, определяется затем как:

E_R = E₃(d₃) -E₂(d₃) +E₂(d₃ +d₂) -E₃(d₁ +d2) + E₃(d₁ +d₂ +d₃) . (6.6)

Далее осуществляется обратная процедура, и, обозначив индексом T передатчик, а индексом R приемник, получим выражение для напряженность поля

E_T =E₁(d₁) - E₂(d₁) + E₂(d₁ +d₂) -E₁(d₃ +d2) + E₁(d₁ +d₂ +d₃).

Требуемое значение напряженности поля определяется как

Метод Миллингтона обычно прост в использовании, и может применяться к большему числу участков, особенно с применением для расчетов компьютерных программ.

Методы прогноза уровня помех в диапазоне 0,7…100 ГГц содержатся в рекомендации Р.452 МСЭ-Р.

Основные потери при распространении , дБ, не превышаемые в течение р (%) времени можно рассчитать по формуле:

_g [дБ],

где параметр A_g учитывает общее поглощение атмосферными газами, а E_s(p)  это параметр коррекции, учитывающий эффекты многолучевого распространения и фокусировки

[дБ].

Распространение мешающих сигналов (МС) из-за дифракции. Основные потери при передаче, не превышаемые для р % времени

[дБ],

где

A_d (50%) — дифракционные потери для р = 50%;

дифракционные потери для β₀ %;

F_i(p); — параметр интерполяции.

Распространение МС путем тропосферного рассеяния. При малых процентах времени трудно установить действительный тропосферный эффект распространения, поскольку имеются и второстепенные эффекты такого способа распространения, такие, как тропосферный волновод и отражения слоя. Это допускает непрерывный прогноз основных потерь передачи в пределах процентов времени 0,001% <р < 50%.

Основные потери при передаче A_s дБ, не превышаемые в течение р < 50%, могут быть определены по формуле:

[дБ],

где – угол рассеяния на трассе распространения, мрад; L_f  частотно-зависимые потери,

 потери усиления на трассе, G_T и G_R  коэффициенты усиления передающей и приемной антенны соответственно; A_g поглощение в газах.

Волноводное распространение МС и за счет отражений от слоев. Основные потери передачи A_w для этого механизма распространения МС определяются формулой

[дБ],

где A_f  общие постоянные потери (за исключением потерь из-за локальных инфраструктурных неоднородностей), обусловленные аномальной структурой распространения в пределах атмосферы, A_d (p)  потери из-за аномальных условий распространения, зависящие от угла рассеяния.

Экранирование МС локальными неоднородностями. Этот механизм распространения МС является источником дополнительных дифракционных потерь в случае размещения антенн в окружении локальных инфраструктурных неоднородностей (строения, растительность и т.п.). Потери этого вида рассчитывают для номинальных параметров типовых неоднородностей (высоты и расстояния от неоднородности до антенны), данные по которым представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2 – Параметры типовых неоднородностей

Категория неоднородности (по типу местности)	Номинальная высота, неоднородности ha , м	Номинальное расстояние от неоднородности до антенны, dk ,км
Поля, парки, редко растущие деревья, сады, редко стоящие дома	4	0,1
Центр деревни	5	0,07
Лиственные леса	15	0,05
Хвойные леса	20	0,05
Тропические леса	20	0,03
Пригород	9	0,025
Пригород с плотной застройкой	12	0,02
Город	20	0,02
Город с плотной застройкой	25	0,02
Промышленная зона	20	0,05

Когда достоверная информация о таких неоднородностях отсутствует, потери из-за рассеяния на инфраструктурных неоднородностях не должны учитываться.

Дополнительные потери из-за экранирования локальными неоднородностями

[дБ],

где d_k  расстояние от точки расположения неоднородности до антенны, км; h – высота

антенны над локальным уровнем земли, м; h_a номинальная высота неоднородности над локальным уровнем земли, м.

Распространение МС из-за рассеяния гидрометеорами. Модель этого механизма распространения базируется на предположениях:

- рассеяние происходит только в пределах цилиндрической ячейки дождя, диаметр которой зависит от интенсивности дождя в ячейке. В пределах ячейки дождя - интенсивность дождя постоянна вплоть до высоты дождя. Выше высоты дождя принимается линейное уменьшение отражаемости; - ослабление происходит как внутри, так и снаружи ячейки, но только ниже высоты дождя.

С помощью данной модели можно вычислять уровни МС как на длинных трассах (более 100 км), так и на коротких (вплоть до нескольких километров) с произвольными углами возвышения на обоих терминалах, а также на трассах с боковым рассеянием (т.е. вне плоскости большого круга) и на трассах распространения МС через боковой лепесток ДН антенны одной станции и главный лепесток ДН антенны другой станции.

Рисунок 6.4 - Геометрия трассы распространения

Диаметр дождевой ячейки d_c км, зависит от интенсивности дождя R, мм/ч, как d_c 3,3R^0,08 . Ячейка центрируется на точке пересечении ДН антенн взаимодействующих

станций, как показано на рис. 6.4

Потери передачи (дБ) из-за рассеяния гидрометеорами для данной интенсивности дождя R и высоты дождя h_R могут быть выражены соотношением

,

где _E  параметр эффективности антенны (_E <1), типовое значение _E  0,6 ; d_T  расстояние между станциями через объем рассеяния (ОР), км; f частота, ГГц; z_R  параметр отражаемости единичного объема дождя ниже или выше высоты дождя, мм⁶/м³, z_R  400R(p)^1,4 ; R( p)  среднеминутная интенсивность дождя в точке, превышаемая в тече-

ние р % времени;S — поправочный параметр на отклонение закона рассеяния от релеевского на частотах выше 10 ГГц; С  эффективная передаточная функция рассеяния.

6.5 Учет потерь в условиях городской застройки

При организации систем связи с подвижными объектами в условиях городской застройки для решения многих задач необходимо уметь рассчитывать характеристики как полезного сигнала? так и помех в любой точке пространства в пределах всей зоны обслуживания.

Городской среде присущи специфические условия распространения радиоволн, такие как теневые зоны, многократные отражения и рассеяние волн, которые формируют поля со сложной интерференционной структурой и резкими пространственными изменениями уровней полезного сигнала и помех.

Многолучевой характер распространения радиоволн, когда в точку приема приходят волны с разных направлений и с разными временными задержками, порождает, в частности, явления межсимвольной интерференции.

При разработке систем связи с подвижными объектами в условиях городской среды, в настоящее время для расчета потерь распространения принято использовать следующие модели.

1. Модель Окамура (Okumura). Графики позволяющие определить медианное значение сигнала, и в какой-то степени учесть те или иные особенности данного города или отдельных городских районов, получены Окамурой. Модель Окамуры (или Окумуры) – одна из наиболее широко применяемых моделей для предсказания уровня сигнала в городских условиях.

Эта модель применима в диапазоне частот от 150 до 1900 МГЦ (часто экстраполируется до частоты 3000 МГЦ) для расстояний от 1 до 100 км, при высотах передающей антенны от 30 до 1000 м. В ней для расчета потерь формально предлагается использовать следующее уравнение, в котором все величины приведены в децибелах

(6.7)

где A₀ – потери распространения в свободном пространстве; A_m – медианное значение затухания в городских условиях, при эффективной высоте (высота электрического центра антенны над усредненным уровнем участка поверхности вдоль трассы распространения) передающей антенны h_T = 200м и высоте приемной антенны h_R = 3м; G(h_T ) – коэффициент, учитывающий высоту передающей антенны; G(h_R ) – коэффициент, учитывающий высоту приемной антенны; K – коэффициент коррекции, учитывающий окружение, водную поверхность, изолированное препятствие и т.д. Значения затухания A_m , которые зависят от расстояния d и частоты f , могут быть найдены по кривым, представленным на рис. 6.6. Значения параметров для этой и описанных ниже моделей приводятся в табл. 6.2 и 6.3.

1. Модель Окамура–Хата (OkumuraHata). Суть этой модели заключается в аппроксимации графиков Окамуры специально подобранными формулами для различных территориальных зон, которые условно разделяются на большой город, средний и малый города, пригород, сельскую местность, открытую местность.

(6.8)

Недостатки этой модели такие же, как и у исходной модели Окамуры, и приводят к недооценке потерь для частот свыше 1,5 ГГц.

1. Модифицированная модель Хата (COST 231Hata). Появление систем связи, работающих в диапазоне частот около 2 ГГц, дало толчок дальнейшим исследованиям в рамках проекта COST (Cooperation for Scientific and Technical Research), приведшим к расширению модели Окамура–Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. Эта модификация, получившая название COST 231, справедлива для значений высот антенн h_T  30...200 м и h_R  1...10 м и расстояний между ними d 1...20 км. Эту модель нельзя использовать при d 1 км и при оценке уровня сигнала в условиях улицы с высокими строениями.

где D – константа; для пригородной района D= 0 дБ, а для городской застройки D= 3 дБ.

Для небольших и средних городов поправочный множитель

для больших городов:

1. Модель Уолфиш-Икегами (COST 231 Walfish-Ikegami ). Эта модель может применяться в случаях, когда передающая антенна ( например антенна базовой станции) расположена как выше, так и ниже линии уровня крыш городской застройки.

При этом рассматривают две ситуации: в одном случае имеет место передающая и приемная антенны находятся в условиях прямой видимости, во втором – вне прямой видимости.

В ситуации «прямой видимости» расчет затухания сигнала A_0 производится по формуле, в которую входят только два параметра расстояние d (км) и частота f (МГц)

(6.9)

При расчетах затухания в ситуации «вне прямой видимости» в совокупность эмпирических факторов, учитываемых расчетной формулой входят высоты антенн базовой ^h_T и подвижной ^h_R станций, ширина wулиц, расстояния b между зданиями, высота зданий и ориентация улиц относительно направления распространения сигнала.

В общих чертах формула, описывающая потери в этом случае, состоит из трех членов – потерь на распространение в свободном пространстве A₀  32,5 20lg( f )  20lg(d); потерь

A_rts (rooftop-to-street) из-за дифракции и рассеяния волн, вызванных многократной дифракцией от рядов зданий. Этот вид потерь учитывался в модели Ikegami, которая была использована в рамках проекта COST 231. Кроме того в рассматриваемой модели учитываются потери A_msd (multiple screen diffraction) вследствии дифракции волн на крышах зданий, благодаря которой сигнал попадает в движущейся объект, а также из-за многократной дифракция на рядах зданий

6.6 Распространение радиоволн внутри зданий и помещений

Проблеме распространения радиоволн внутри зданий и помещений последнее время уделяется большое внимание. Это связано, в основном, с созданием локальных сетей и необходимостью формирования надежной информационной среды для сотрудников предприятий, учреждений. Наличие внутри здания стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры, людей и других объектов создает сложную среду распространения полезных сигналов и помех. Условия распространения радиоволн внутри помещений существенно отличаются от условий их распространения в свободном пространстве.

Основными эффектами, наблюдаемыми в этих условиях, являются многолучевость, обусловленная многократными отражениями от стен и других объектов, дифракция на многочисленных острых кромках предметов, расположенных внутри комнаты, и рассеяние радиоволн. Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, сильно изменяющуюся при перемещении людей и других объектов.

Описание условий ЭМС внутри зданий. Большинство моделей, используемых для расчетов внутри зданий, основано на формуле, описывающей распространение радиоволн в свободном пространстве. Однако наличие стен, пола, мебели, людей и других объектов оказывает существенное влияние на характер распространения радиоволн. Многообразие условий приводит к необходимости использовать эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах по исследованию условий распространения радиоволн внутри помещений.

Модели для описания особенностей распространения радиоволн внутри зданий, отличаются от традиционных моделей канала связи, поскольку размеры зоны покрытия существенно меньше, чем в городских условиях и условия распространения радиоволн более многообразны. Распространение радиоволн внутри зданий определяется типом, планировкой здания и свойствами использованных строительных материалов.

Уровни как полезного сигнала, так и помех зависят от того, открыты или закрыты двери в комнатах, расположения антенн (на уровне стола или под потолком). Внутри зданий имеется множество стен и перегородок, разнообразных объектов, которые могут существенно повлиять на формирование структуры электромагнитного поля внутри и снаружи здания. Стены и перегородки внутри зданий выполняются, как правило, из строительных материалов имеющих разные электрические свойства, в основном это стены двух типов: «жесткие» стены, являющиеся частью конструкции здания и «мягкие» стены – перегородки, которые, в частности, могут перемещаться.

Затухание при распространении между разными этажами определяется не только внешними размерами и материалом здания, но также конструкцией перекрытий, внешним окружением, количеством окон в здании и характером поверхности стен. Потери в децибелах внутри зданий A_sf определяются выражением

(6.10)

где r₀ – расстояние между приемной и передающей антеннами в пространстве; r – дистанция вдоль пути распространения радиоволн; n 1,6...3.3 – коэффициент, зависящий от типа здания и окружающих построек; X_ – случайная величина, подчиняющаяся нормальному распределению с дисперсией  3,0...14,1. Эта модель дает величину потерь, отличающуюся от измеренной в процессе эксперимента не более чем на 4 дБ.

Одна из многих эмпирических моделей описывает суммарные потери A_mf для случая распространения радиоволн между этажами формулой

, (6.11)

где n_SF  2,8 – коэффициент, характеризующий распространение в пределах одного этажа

(self floor); K_e – коэффициент, характеризующий затухания между этажами (12,9 …16,2 дБ – при распространении через один этаж; 18,7…27,5 дБ – через два этажа и 24,4 …31,6 дБ – через три этажа).

Во многих случаях при исследовании распространения радиоволн в условиях городской застройки или внутри зданий и помещений возникает необходимость расчета коэффициента прохождения волны через стены, перегородки и другие слоистые среды. Некоторые сведения о характеристиках стеновых материалов приведены в. табл. 6.4.

Таблица 6.4 – Электрические характеристики строительных материалов

Материал	Коэффициент прохождения, %	Коэффициент отражения, %	Поглощение, %
Гипсовая панель толщиной s =1см	42,5	2,0	98
Фибролит толщиной s =1,9см	4,5	20,0	80
Бетонная плита толщиной s =10см	0,0001	16,0	84

Исследование, описанное в статье про пространственное распространение помех , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое пространственное распространение помех и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электромагнитная совместимость