Замирания сигнала

Сигнал на радио интерфейсе системы сотовой связи редко когда распространяется по прямой. На пути распространения обычно попадаются различные препятствия, которые ведут к отражениям сигнала и изменению его траектории. В результате может сложиться ситуация когда к приемнику будут поступать не одна а сразу несколько сдвинутых по времени копий исходного сигнала с разными амплитудами. Причем энергия исходного сигнала будет распределена между копиями неравномерно. Это так называемое явление многолучевого распространения сигнала. Само по себе это явление не ведет к большим проблемам, т.к. существуют достаточно эффективные методы борьбы, например, Rake-приемник. Однако может сложиться ситуация когда две копии сигнала придут в противофазе. Это означает, что копия сигнала может задержаться на промежуток времени кратный периоду сигнала. В таком случае два луча сигнала могут сложиться в приемнике и нейтрализовать друг друга. Если окажется, что эти два луча в сумме несли весомую энергию сигнала, то это может привести к увеличению числа ошибок и снижению качества канала связи. Это явление получило название "замирания" сигнала, т.е. сигнал вроде как перестает на время поступать между источником и приемником.

Замирания сигналов

Выделяют две основные разновидности замираний в зависимости от эффекта оказываемого ими и их причины: быстрые и медленные замирания. Медленные замирания вызваны, как правило, плохими метеоусловиями и существуют достаточно эффективные методы борьбы с ними. Быстрые замирания вызваны преимущественно движением приемника (источника) или препятствиями близкорасположенными с получателем сигнала. Этот вид замираний частотно селективен, т.е. изменение частоты, на которой ведется передача, может или снизить этот эффект, или полностью его убрать.

Таким образом, замирания сигнала – это одна из самых важных проблем в сотовой связи. Однако многолетний опыт и большой объем наработок в области сотовой связи позволяют в настоящее время достаточно эффективно бороться с замираниями.

18. Особенности распространения kb, эффект наземного рассеивания, формирование зоны радиомолчания. Особенности распространения коротких волм

К диапазону коротких волн (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (f = 30— 3 МГц). Волны KB диапазона распространяются земной волной на расстояние не более 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий дифракции. Расчет напряженности поля земной волны следует вести по (3-24) или (рис. 3-22) в зависимости от протяженности раднолинии (см. табл. 3-3).

Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.   а — интерференция" волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы, 1 — поверхностная волна; 2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы; 3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы; 4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой; б — интерференция рассеянных волн; в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.

Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.   Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.   Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.   Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток: - днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.    Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.   Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.   Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие .интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.   Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах ?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации — прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.   При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитные бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным. Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.

Эффективная площадь рассеяния (ЭПР; англ. Radar Cross-Section, RCS; в некоторых источниках — эффективная поверхность рассеяния,эффективный поперечник рассеяния, эффективная поверхность отражения, ЭПО) в радиолокации — площадь некоторой фиктивной поверхности, являющейся идеальным изотропным отражателем, который, будучи помещённым в точку расположения цели, создаёт в точке расположения радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.

ЭПР является количественной мерой свойства объекта рассеивать электромагнитную волну. Наряду с энергетическим потенциалом и КУ антенн РЛС, ЭПР входит в уравнение дальности радиолокации и определяет дальность, на которой объект может быть обнаружен радиолокатором. Повышенное значение ЭПР означает бо́льшую радиолокационную заметность объекта, снижение ЭПР затрудняет обнаружение (см. стелс-технология) .

ЭПР конкретного объекта зависит от его формы, размеров, материала, из которого он изготовлен, от его ориентации (ракурса) по отношению к антеннам передающей и приемной позиций РЛС (в том числе, и от поляризации электромагнитных волн), от длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР определяется в условиях дальней зоны рассеивателя, приемной и передающей антенн радиолокатора.

Поскольку ЭПР — формально введенный параметр, то ее значение не совпадает ни со значением полной площади поверхности рассеивателя, ни со значением площади его поперечного сечения (англ. Cross-Section). Расчет ЭПР — одна из задач прикладной электродинамики, которая решается с той или иной степенью приближения аналитически (только для ограниченного ассортимента тел простой формы, например, проводящей сферы, цилиндра, тонкой прямоугольной пластины и т. п.) или численными методами. Измерение (контроль) ЭПР проводится на полигонах и в радиочастотных безэховых камерах с использованием реальных объектов и их масштабных моделей.

ЭПР имеет размерность площади и обычно указывается в кв.м. или дБкв.м.. Для объектов простой формы — тестовых — ЭПР принято нормировать к квадрату длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР протяженных цилиндрических объектов нормируют к их длине (погонная ЭПР, ЭПР на единицу длины). ЭПР распределенных в объеме объектов (например, дождевого облака) нормируют к объему элемента разрешения РЛС (ЭПР/куб. м.). ЭПР поверхностных целей (как правило, участка земной поверхности) нормируют к площади элемента разрешения РЛС (ЭПР/кв. м.). Иными словами, ЭПР распределенных объектов зависит от линейных размеров конкретного элемента разрешения конкретной РЛС, которые зависят от расстояния РЛС — объект.

ЭПР можно определить следующим образом (определение эквивалентно приведенному в начале статьи):

Эффективная площадь рассеяния (для гармонического зондирующего радиосигнала) — отношение мощности радиоизлучения эквивалентного изотропного источника (создающего в точке наблюдения такую же плотность потока мощности радиоизлучения, что и облучаемый рассеиватель) к плотности потока мощности (Вт/кв.м.) зондирующего радиоизлучения в точке расположения рассеивателя.

ЭПР зависит от направления от рассеивателя на источник зондирующего радиосигнала и направления в точку наблюдения. Поскольку эти направления могут не совпадать (в общем случае источник зондирующего сигнала и точка регистрации рассеянного поля разнесены в пространстве), то определенная таким образом ЭПР называется бистатическая ЭПР(двухпозиционная ЭПР, англ. bistatic RCS).

Зона радиомолчания — зона приёма ослабленного радиосигнала или область пространства в которой приём сигнала не возможен вообще.

Эффекты ослабления сигнала, вплоть до полного, напрямую зависят от частоты (диапазона длин волн) электромагнитной волны (ЭМВ), условий и вида излучения и приёма сигнала, видов радиотрасс и способов распространения, а также окружающих условий на радиотрассе. Для каждого случая данный набор условий является уникальным и может объяснять те или иные причины невозможного радиоприёма.

Для начала, отсутствие сигнала может быть связано с достижением предельно возможного расстояния до передатчика, и как следствие ослабления ЭМВ при распространении в среде до минимальных значений напряжённости электромагнитного поля волны или мощности.

Также невозможность приёма может быть связана с особенностями излучения и распространения ЭМВ, например попадание приёмника в ноль диаграммы направленностипередающей антенны или скачковым способом распространения с отражением от ионосферы Земли.

При распространении на расстояние прямой видимости от передатчика к приёмнику, на пути ЭМВ может возникнуть естественная или искусственная преграда. В этом случае, ослабление сигнала может быть связано с рассеянием или поглощением ЭМВ на таком экранирующем, поглощающем или переотражающем объекте.

Ещё одной причиной можно считать ослабление ЭМВ коротковолнового диапазона в случае интерференционного сложения нескольких лучей, в том числе, отражённых от препятствий.

Эффектом, сопоставимым с ослаблением сигналов, может быть распространение волны в условиях сложной электромагнитной обстановки. Наличие преднамеренных или случайных смежных сигналов или помех, с точки зрения электромагнитной совместимости, уменьшает отношение сигнал/шум полезного радиосигнала, приём и распознавание которого в последующем может быть затруднён.