VHF / UHF / Microondas Radio Propagación:

[Jason2000]

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Figura 9 Difracción por un obstáculo redondeado

Desafortunadamente, los caminos que los experimentadores digitales se enfrentan son rara vez tan sencillo. Ellos frecuentemente involucrarán difracción sobre múltiples tejados u otros obstáculos, muchos de los cuales no se parecen a los bordes de cuchillo. Las pérdidas de trayectoria generalmente serán sustancialmente mayor en estos casos lo previsto por el modelo de borde de cuchillo sola. Los caminos también suelen pasar a través de objetos como árboles y edificios de estructura de madera, que son semi-transparente en las frecuencias de radio. Se han desarrollado muchos modelos para tratar de predecir pérdidas de trayectoria en estos casos más complejos. Los más exitosos son aquellos que se refieren a situaciones restringidas en lugar de tratar de cubrir todas las posibilidades. Un escenario común es la difracción en un único obstáculo que está demasiado redondeada para ser considerado un filo de la navaja. Hay diferentes formas de tratar este problema; el que se describe aquí es de Ref.. [3]. La parte superior del objeto se modela como un cilindro de radio r, como se muestra en la figura. 9. Para el cálculo de la pérdida, es necesario trazar el perfil del objeto real, y luego dibujar líneas rectas a partir de los criterios de valoración de enlaces de tal manera que apenas rozan la parte más alta del objeto como se ve desde sus perspectivas individuales. Entonces los parámetros D s , d 1 , d 2 , y se estima, y una estimación del radio r se puede calcular a partir de
(13)

Tenga en cuenta que el ángulo se mide en radianes. Continuación, el procedimiento consiste en calcular la pérdida por difracción en arista para esta ruta como se describe más arriba, y luego añadirle un exceso de pérdida del factor L ex , calculada a partir de
(14)

También hay un factor de corrección para la rugosidad: si el objeto es, por ejemplo, una colina que es suave en lugar de en la parte superior cubierta de árboles, se dice que el exceso de pérdida por difracción a ser de aproximadamente 65% de la predicha en (14). En general, los objetos más suaves producen mayores pérdidas de difracción.
Ejemplo 4. Nosotros revisamos el escenario en el Ejemplo 3, pero vamos a suponer que ahora hemos decidido que la cresta bloqueando nuestro camino no es suficiente como un filo de la navaja (¡ouch!). De una parcela del perfil, se estima que D s = 10 metros. Al igual que antes, d 1 = 20 km, d 2 = 5 kilómetros y la altura de la cresta es de 100 metros. Desempolvar nuestro trigonometría de la escuela secundaria, podemos resolver que = 1,43, o 0.025 radianes. Ahora, conectando estos números en (13), obtenemos r = 188 metros. Luego, con = 0,33 m, se puede calcular el exceso de pérdida a partir de (14):

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Así que, sumada con la pérdida de filo de la navaja calculado previamente, tenemos un estimado de la pérdida por difracción total de 37,3 dB (suponiendo que la cresta es "suave" en lugar de "bruto"). Esto es mucho, pero es fácil imaginar escenarios en los que las pérdidas son mucho mayores: basta con ver la dependencia directa del ángulo (14) y la imagen de la figura. 9 lo que sucede cuando el obstáculo está más cerca de uno de los puntos finales de enlace. Aficionados que hacen el trabajo de la señal débil están acostumbrados a tratar con grandes pérdidas de trayecto en la propagación no-LOS, pero esas pérdidas suelen ser intolerable en enlaces digitales de alta velocidad.

Atenuación de Árboles y Bosques
Los árboles pueden ser una fuente importante de pérdida de trayectoria, y hay un número de variables implicadas, tales como el tipo específico de árbol, si es húmedo o seco, y en el caso de árboles de hoja caduca, si las hojas están presentes o no. Los árboles aislados no suelen ser un problema importante, pero un denso bosque es otra historia. La atenuación depende de la distancia que la señal debe penetrar a través de la selva, y aumenta con la frecuencia. De acuerdo con un informe del CCIR [10], la atenuación es del orden de 0,05 dB / m a 200 MHz, 0,1 dB / m a 500 MHz, 0,2 dB / m a 1 GHz, 0,3 dB / m en 2 GHz y 0,4 dB / ma 3 GHz. A frecuencias más bajas, la atenuación es algo menor para la polarización horizontal que en vertical, pero la diferencia desaparece por encima de aproximadamente 1 GHz. Esto se suma a una gran cantidad de exceso de pérdida en el trayecto si la señal debe penetrar varios cientos de metros de bosque! Afortunadamente, también hay propagación significativa por difracción sobre los árboles, sobre todo si usted puede conseguir sus antenas hasta cerca de nivel de los árboles o impedir que una buena distancia de la orilla del bosque, por lo que no todo está perdido si usted vive cerca de un bosque.

Generales No-LOS modelos de propagación
Hay muchos modelos más generales y técnicas empíricas para predecir pérdidas de trayectoria no-LOS, pero los detalles están más allá del alcance de este documento. La mayoría de ellos están dirigidos a la predicción de los trayectos entre las estaciones base y estaciones elevadas móviles o portátiles cerca del nivel del suelo, y por lo general tienen restricciones en el rango de frecuencias y distancias de las que son válidos; por lo que pueden ser de utilidad limitada en la planificación de enlaces digitales de aficionados de alta velocidad. Sin embargo, son bien vale la pena estudiar para obtener una mayor comprensión de la naturaleza de la propagación no-LOS. Los detalles están disponibles en muchos textos - Ref. [3] tiene un particularmente buen trato. Un crudo, pero útil, la aproximación será mencionado aquí: la pérdida de muchos caminos no-LOS en áreas urbanas puede ser modelado bastante bien por una ley distancia del cuarto poder. En otras palabras, sustituimos d 4 para d 2 en la ecuación (5). En la ecuación (6), podemos sustituir 40log (d) para el 20log (d) plazo, que se correspondería con el supuesto de pérdida cuadrática distancia para distancias de hasta 1 km (o 1 milla, para la versión no-métricas de la ecuación), y la pérdida en el cuarto la ley a partir de entonces. Esta es probablemente una suposición demasiado optimista para zonas muy urbanizadas, pero es por lo menos un punto de partida útil.
Las pérdidas de propagación en caminos no pueden ser desalentadoras LOS elevada, sobre todo en las zonas urbanas. Altura de la antena se convierte en un factor crítico, y conseguir sus antenas por encima de las alturas de la azotea a menudo significar la diferencia entre el éxito y el fracaso. Debido a la gran variabilidad de la propagación en entornos urbanos desordenados, las predicciones de pérdida de trayectoria precisa puede ser difícil. Si un análisis preliminar de la trayectoria indica que se encuentra por lo menos en el estadio de béisbol (decir dentro de 10 o 15 dB) de tener un enlace se pueda utilizar, por lo general, será la pena darle una oportunidad y la esperanza de ser una grata sorpresa (aunque sea prepárate para ser decepcionado).

Herramientas de software para la predicción de la propagación
Aunque no hay sustituto para la experiencia y la adquisición de una "sensación" de propagación de radio, programas de computadora pueden hacer el trabajo de predecir el rendimiento del enlace de radio mucho más fácil. Son particularmente útiles para la exploración de "qué pasaría si" los escenarios con diferentes trayectorias, alturas de antena, etc Desafortunadamente, también tienden a costar dinero! Si tiene suerte, usted puede tener acceso a uno de los programas de predicción sofisticados que incluye los modelos de propagación más complejos, bases de datos de terreno, etc Si no, aún se pueden encontrar algunas utilidades de software libre que hará que sea más fácil hacer algunas de los cálculos se discutió anteriormente, tales como las pérdidas por difracción en arista. Un programa gratuito muy útil que fue desarrollado específicamente para aplicaciones de VHF / UHF de corto alcance es RFProp , por Colin Seymour, G4NNA. Compruebe de Colin página Web en http://www.cjseymour.plus.com/software.htm para más información y las instrucciones de descarga. Este es un programa que puede calcular la pérdida de trayecto en el espacio libre y escenarios simples de difracción de Windows (7 3,1, 95, NT o). Además de calcular la pérdida por difracción en arista, proporciona algunos factores de corrección para la estimación de las pérdidas causadas por los objetos más redondos, como los cerros. También permite cambiar el exponente pérdida de distancia de-ley del cuadrado de la cuarta ley (o cualquier otra cosa, para el caso) para simular rutas largas con reflexiones de tierra o caminos urbanos obstruidos. También hay una disposición para la estimación de la pérdida causada cuando las señales deben penetrar edificios. El programa cuenta con una interfaz gráfica de usuario en la que los principales parámetros de ruta se pueden introducir y el resultado (en términos de margen SNR receptor) se ve inmediatamente. Hay también una salida de tabla que enumera los resultados detallados junto con todos los parámetros supuestos.

[Jason2000]

Consideraciones especiales para Sistemas Digitales
Anteriormente hemos analizado el efecto de la trayectoria múltiple en la pérdida de trayectoria. Cuando se producen reflexiones de objetos que están muy cerca de la ruta de acceso directo, entonces caminos tienen longitudes muy similares y casi el mismo retardo de tiempo. Dependiendo de los desplazamientos de fase relativos de los caminos, las señales que atraviesan ellos a una frecuencia dada pueden sumarse de manera constructiva para proporcionar una ganancia con respecto a una sola ruta, o destructivamente para proporcionar una pérdida. En trayectos largos, en particular, el efecto suele ser una pérdida. Dado que las longitudes de trayectoria son casi iguales, la pérdida se produce en un amplio rango de frecuencias, produciendo un fundido "plana".
En muchos casos, sin embargo, los reflejos de objetos bien lejos de la ruta de acceso directo pueden dar lugar a trayectorias múltiples significativo. Los reflectores más comunes son los edificios y otras estructuras hechas por el hombre, pero muchas características naturales también pueden ser buenos reflectores. En tales casos, los retardos de propagación de las rutas de senderismo desde un extremo del enlace a otro pueden variar considerablemente. La medida de este tiempo de propagación de la señal se mide comúnmente por un parámetro conocido como la dispersión de retardo de la trayectoria. Una consecuencia de tener una extensión de retardo más grande es que los efectos de refuerzo y cancelación ahora variarán más rápidamente con la frecuencia. Por ejemplo, supongamos que tenemos dos caminos con la misma atenuación y que difieren en longitud por 300 metros, que corresponde a una diferencia de retardo de 1 microsegundos. En el dominio de la frecuencia, este enlace tendrá nulos profundas a intervalos de 1 MHz, con máximos en el medio. Con un sistema de banda estrecha, puede tener suerte y estar operando en una frecuencia cercana a un máximo, o puede ser mala suerte y estar cerca de un nulo, en cuyo caso se pierde la mayor parte de su señal (técnicas como la recepción de diversidad de espacio pueden ayudar, aunque ). La pérdida de trayectoria en este caso es altamente dependiente de la frecuencia. Por otro lado, una señal de banda ancha que es, por ejemplo, varios MHz de ancho, estaría sujeto a sólo cancelación parcial o selectiva desvanecimiento. Dependiendo de la naturaleza de la señal y cómo la información se codifica en él, puede ser bastante tolerante de tener parte de su energía con muescas a cabo por el canal multitrayecto. La tolerancia de la señal de cancelación inducida multipath-es uno de los principales beneficios de espectro ensanchado (SS) técnicas de transmisión.
Demora más larga trayectoria múltiple se extiende tener otra consecuencia cuando se trate de señales digitales, sin embargo: la superposición de símbolos de datos recibidos con los símbolos adyacentes, conocidas como interferencias entre símbolos o ISI. Supongamos que tratamos de transmitir un flujo de datos de 1 Mbps a través del canal de trayectorias múltiples de dos camino antes mencionado. Suponiendo que se utiliza un esquema de modulación con 1 segundo la longitud del código, a continuación, las señales que llegan a través de los dos caminos se verá compensado exactamente por un periodo de símbolo. Cada símbolo recibido que llega por el camino más corto se recubrió por una copia del símbolo anterior de la trayectoria más larga, por lo que es imposible decodificar con técnicas de demodulación estándar. Este problema se puede resolver mediante el uso de un ecualizador adaptativo en el receptor, pero este nivel de sofisticación no se encuentra comúnmente en los módems de aficionados o WLAN (pero sin duda cada vez más común ya que las velocidades siguen aumentando). Otra manera de atacar este problema es aumentar la longitud del símbolo mientras se mantiene una alta tasa de bits mediante el uso de un esquema de modulación multiportadora tal como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), pero de nuevo, tales técnicas rara vez se encuentran en el equipo de módem inalámbrico disponible para los aficionados . Para los canales de trayectos múltiples sin ecualizar, la dispersión de retardo debe ser mucho menor que la longitud del símbolo, o el rendimiento de los enlaces van a sufrir mucho. El efecto de la trayectoria múltiple inducida por el ISI es establecer una tasa de errores irreducible - más allá de cierto punto, el aumento de la potencia del transmisor hará ninguna mejora en BER, ya que la BER vs E b / N 0 curva ha ido completamente. Una regla común prescribe que la dispersión del retardo multitrayecto debería ser no más de aproximadamente 10% de la longitud del símbolo. En general, esto mantendrá la tasa de error irreductible hasta el orden de 10 -3 o menos. Por lo tanto, en nuestro ejemplo de dos ruta anterior, un sistema funcionando a 100K símbolos / s o menos puede funcionar satisfactoriamente. Los requisitos de BER primas reales para un sistema en particular, por supuesto, dependerá de la técnica de codificación de control de errores utilizado.

Aunque se cree comúnmente que los esquemas de modulación SS resuelven el problema multipath ISI, este no es realmente el caso. Como se indicó anteriormente, SS puede convertir un canal plano desvanecido en una que tiene el desvanecimiento selectivo, que es una buena cosa. En el caso de salto de frecuencia (FHSS), significa que la cancelación de la señal debido a trayectos múltiples se producirá sólo una fracción del tiempo (es decir, sólo en algunos de los canales que salto a), y podemos recuperar los datos a través de Forward de corrección de errores (o por la detección de errores y retransmisión). En el caso de la secuencia directa (DSSS), sólo una fracción del espectro de transmisión tiene una muesca a cabo por la cancelación de trayectos múltiples. Esto provoca una cierta degradación de la BER, pero de nuevo error de codificación de control se puede utilizar para compensar esto. En ambos casos, la modulación SS nos ha dado una forma de diversidad de frecuencia. Para DSSS, el gran ancho de banda continua propagación nos permite resolver muchos de los componentes de trayectorias múltiples (aquellos separados por retrasos de aproximadamente el inverso de la propagación de ancho de banda, o más). Estos aparecen como picos separados en la salida de correlador receptor DSSS. Un receptor de diversidad usando el principio RASTRILLO puede tomar ventaja de algunas de la potencia de señal de trayectos múltiples, combinando de manera constructiva antes de tomar las decisiones bits. Más comúnmente, sin embargo, se utiliza sólo el pico de correlación más grande, y todos los de la otra energía multitrayecto representa la interferencia de banda ancha. Independientemente de si se utiliza una estructura de receptor de diversidad, sin embargo, ISI (y por lo tanto la degradación del BER) será todavía ocurrir cuando la dispersión del retardo multitrayecto se acerca al mismo orden de magnitud que la información de longitud de símbolo. Una excelente discusión de estos conceptos se puede encontrar en el capítulo 9 de Ref. [11].

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Como una ilustración, consideremos de nuevo el producto WaveLAN, que es un sistema DSSS utilizando la modulación DQPSK, un ancho de banda de propagación de 11 MHz, y una longitud de símbolo de 1 microsegundos. Pruebas de WaveLAN utilizando un simulador de canal [12] han demostrado que su rendimiento se degrada cuando la dispersión de retardo supera 84 ns (0,084 microsegundos), que es sólo el 10% de la longitud del símbolo.

Spreads retraso de varios microsegundos no son infrecuentes, especialmente en las zonas urbanas. Las zonas montañosas pueden producir mucho más largos spreads de retardo, a veces decenas de microsegundos. Esto augura un gran problema para hacer la transmisión de datos de alta velocidad en estas áreas. La mejor manera de mitigar los trayectos múltiples en estas situaciones es usar antenas altamente direccionales, preferiblemente en ambos extremos del enlace. Cuanto mayor sea la velocidad de datos, más crítico se vuelve a utilizar antenas de alta ganancia. Esta es una ventaja de ir más arriba en frecuencia. La dispersión de retardo para un enlace dado por lo general no presentan mucha dependencia de la frecuencia - por ejemplo, habrá una cantidad similar de trayectoria múltiple si se opera a 450 MHz o 2,4 GHz, si se utiliza la misma ganancia y el tipo de antena. Sin embargo, se puede obtener más de directividad a frecuencias más altas, lo que a menudo se traducirá en una reducción significativa dispersión de retardo multitrayecto y por lo tanto menor BER. Puede parecer extraño que los productos WLAN de alta velocidad se suministran a menudo con antenas omnidireccionales que no hacen nada para combatir múltiples, pero esto es debido a que las antenas están diseñados para uso en interiores. La atenuación proporcionada por la estructura del edificio generalmente provoca una reducción drástica en la amplitud de las reflexiones desde el exterior del edificio, así como de zonas distantes dentro del edificio. Por lo tanto, Delay extiende tienden a ser mucho más pequeñas dentro de los edificios - típicamente del orden de 0,1 microsegundos o menos. Sin embargo, como los productos WLAN con velocidades de datos de 10 Mbps y más allá están apareciendo, incluso retrasar los diferenciales de esta magnitud son problemáticos y deben ser tratados con medidas tales como ecualizadores, esquemas de modulación de alto nivel y antenas sectorizadas.

Conclusiones
Propagación de radio es un tema muy amplio, y sólo hemos arañado la superficie aquí. No hemos considerado, por ejemplo, el área de interés de la transmisión de datos que implica estaciones móviles - tal vez el año que viene! Esperemos que este artículo ha proporcionado una visión de los problemas y soluciones relacionados con la creación de enlaces digitales en las bandas de VHF al espectro de microondas. En resumen, aquí están algunas pautas y principios:
Siempre se esfuerzan por condiciones LOS. Incluso con LOS, usted debe prestar atención a los detalles con respecto a la variabilidad de la refracción, despeje de la zona de Fresnel y evitar reflexiones en el suelo y otras superficies. Caminos para no-LOS a menudo llevan a la decepción a menos que sean muy corto, especialmente con los dispositivos WLAN sin licencia de alta velocidad. Sus límites bajos y alta ERP recibir requerimientos de potencia de señal (debido a grandes anchos de banda de ruido, figuras de mucho ruido y, a veces, importantes pérdidas de implementación de módem) dejan poco margen de pérdidas de trayecto de visibilidad mayores a los. Jamones no están gravados por los bajos límites de ERP, pero pueden ser muy costosos para superar las pérdidas de trayectoria excesivas con potencias de transmisión más altas.
Utilice tanto ganancia de la antena como sea práctico. Siempre vale la pena probar ambas polarizaciones, pero la polarización horizontal a menudo será superior a la vertical. Se proporcionará generalmente menos de trayectos múltiples en las zonas urbanas, y puede proporcionar una menor pérdida de trayectoria en algunas situaciones no-LOS (por ejemplo, la atenuación de los árboles en VHF y UHF inferior). Además, las señales de interferencia de buscapersonas y similares tienden a polarizarse en vertical, por lo que el uso de la polarización opuesta a menudo puede proporcionar cierta protección contra ellos.
Hay ventajas a ir más alto en la frecuencia, en las bandas de microondas, debido a las ganancias de antena más altos que se pueden conseguir. Cuanto más apretado de enfoque de la energía que puede lograrse puede resultar en una menor pérdida global ruta por caminos LOS (siempre que pueda mantener las pérdidas de la línea de alimentación bajo control), y menos de trayectos múltiples. Las frecuencias más altas también tienen zonas de Fresnel más pequeños, y por lo tanto requieren menos espacio libre por encima de obstáculos para evitar las pérdidas de difracción. Y, por supuesto, las bandas más altas tienen más ancho de banda disponible para los datos de alta velocidad, y menos probabilidad de interferencia. Sin embargo, la ventaja se puede perder en situaciones no-LOS, ya que las pérdidas de difracción, y la atenuación de los objetos naturales tales como árboles, aumentan con la frecuencia.

[Jason2000]

Propagación radial es rara vez 100% predecible, y uno nunca debe dudar en experimentar. Es muy útil, sin embargo, que estar equipado con el conocimiento suficiente para saber cuáles son las técnicas para probar, y cuando hay poca probabilidad de éxito. Este trabajo fue pensado para ayudar a llenar algunas lagunas en el conocimiento. Buena suerte con sus enlaces de radio!

Agradecimientos
El autor agradece el trabajo de su hija Kelly en la producción de las cifras de este documento. WaveLAN es una marca registrada de Lucent Technologies, Inc.
Referencias
[1] ARRL UHF / microondas del experimentador Manual (American Radio Relay League, 1990).
[2] Hall, MPM, Barclay, LW y Hewitt, MT (Eds.), Propagación de Ondas de radio (Institution of Electrical Engineers, 1996).

[3] Parsons, JD, La radio móvil de propagación de canal (Wiley & Sons, 1992).

[4] Doble, J., Introducción a la Radio de propagación para comunicaciones fijas y móviles (Artech House, 1996).

[5] Bertoni, HL, Honcharenko, W., Maciel, LR y Xia, HH, "Predicción de propagación UHF para comunicaciones personales inalámbricas", Proceedings of the IEEE , vol. 82, N º 9, septiembre de 1994, pp 1333-1359.

[6] Andersen, JB, Rappaport, TS y Yoshida, S., "Medidas y modelos de propagación para canales de comunicaciones inalámbricas", IEEE Communications Revista , enero de 1995, páginas 42-49.

[7] Freeman, RL, Radio Diseño del Sistema de Telecomunicaciones (Wiley & Sons, 1987).

[8] Lee, EJT, Mobile Communications Fundamentos del diseño , segunda edición (Wiley & Sons, 1993).

[9] CCIR (ahora UIT-R) Informe 567-4, "Datos de propagación y métodos de predicción para el servicio móvil terrestre de la tierra utilizando el rango de frecuencias de 30 MHz a 3 GHz" (Unión Internacional de Telecomunicaciones, Ginebra, 1990).

[10] Informe del CCIR 1145, "La propagación sobre terreno irregular con y sin vegetación" (Unión Internacional de Telecomunicaciones, Ginebra, 1990).

[11] Pahlavan, K., y Levesque, AH, Información Redes Inalámbricas (Wiley & Sons, 1995).

[12] Hollemans, W., y Verschoor, A., "Estudio sobre los resultados de WaveLAN y Altair Radio-LAN", Actas del 5 º Simposio IEEE sobre Personal, Indoor and Mobile Radio Comunicaciones , septiembre de 1994.


Datos de atenuación basados ​​en cifras de la " Guía de comunicaciones coaxial Selection "de Times Microwave Systems (http://www.timesmicrowave.com/products/ ... ide/atten/) y otras fuentes.
El LMR serie es fabricado por Times Microwave. 9913 es fabricado por cables RG-series Belden Corp. son fabricados por Belden y muchos otros. Los LDF series son dieléctrico de espuma, cables conductores exterior corrugado sólido, más conocidos por el nombre de marca HELIAX (® Andrew Corp.)
Tabla 1 - atenuación de las diferentes líneas de transmisión en Amateur y Bandas ISM en dB / 100 pies (dB / 100 m)
Notas

Datos de atenuación basados ​​en cifras de la " Guía de comunicaciones coaxial Selection "de Times Microwave Systems (http://www.timesmicrowave.com/products/ ... ide/atten/) y otras fuentes.
El LMR serie es fabricado por Times Microwave. 9913 es fabricado por cables RG-series Belden Corp. son fabricados por Belden y muchos otros. Los LDF series son dieléctrico de espuma, cables conductores exterior corrugado sólido, más conocidos por el nombre de marca HELIAX (® Andrew Corp.).

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