VHF / UHF / Microondas Radio Propagación:

[Jason2000]

Abstracto
Este documento trata de proporcionar alguna información sobre la naturaleza de la propagación de radio en esa parte del espectro (VHF superior para microondas) utilizado por experimentadores para la transmisión digital de alta velocidad. Se inicia con los fundamentos de los cálculos de pérdida de trayecto en el espacio libre, y luego considera los efectos de la refracción, la difracción y la reflexión sobre la pérdida de trayecto de la Línea de Visión (LOS) enlaces. A continuación se examina la naturaleza de los enlaces de radio no-LOS, y también se describen los efectos de propagación que no sean la pérdida de trayectoria, que son importantes en la transmisión digital.

Introducción
La naturaleza de radio por paquetes está cambiando. Dado que el acceso a Internet se vuelve más barato y más rápido, y las aplicaciones que se ofrecen en la "red" más y más atractivo, el interés por la red de radio por paquetes aficionado que creció en la década de 1980 se desvanece de manera constante. Sin duda, todavía hay focos de interés en algunos lugares, especialmente cuando alguna infraestructura para soportar velocidades de 9600 bps o más se ha construido, pero esto no ha revertido la tendencia de disminución del interés y la participación. Sin embargo, no es todavía un montón de interés en la radio por paquetes por ahí - es simplemente convirtiendo en re-enfocado en diferentes áreas. Algunas aplicaciones que no requieren alta velocidad, y pueden tomar ventaja de la movilidad que packet radio puede proporcionar, han encontrado un nicho seguro - APRS es un buen ejemplo. El interés también es alto en la transmisión inalámbrica de alta velocidad que puede coincidir o preferentemente exceder, las tasas de módem de línea fija. Con una conexión inalámbrica, usted puede tener una conexión de red de 24 horas sin la necesidad de una línea dedicada, y usted puede también tener la posibilidad de operación portátil o móvil. Hasta hace poco, la mayoría de la gente ha considerado que sea demasiado difícil de hacer digital de alta velocidad. Por ejemplo, el módem 56 Kbps WA4DSY RF ha estado disponible desde hace diez años, y sin embargo, sólo unos pocos cientos de personas a lo sumo se pone uno en el aire. Con la nueva versión del módem presentado el año pasado, de radio por paquetes de 56 Kbps se acercó más a Plug 'n Play, pero mientras tanto, los tipos de datos del módem de telefonía fija se han movido en el mismo territorio. Lo que realmente ha despertado interés en radio por paquetes de alta velocidad últimamente no es el equipo de paquetes de aficionados, pero el auge de espectro ensanchado (SS) LAN inalámbrica (WLAN) de hardware que se puede utilizar sin licencia en algunas de las bandas ISM. Las nuevas unidades WLAN suelen estar integrados / módem interfaces de radio / informáticos que imitan o bien interfaces ethernet o módems de línea fija, y son tan fáciles de instalar. Muchos de ellos ofrecen velocidades que los usuarios de módems de línea fija sólo pueden soñar. TAPR y otros están trabajando en traer este tipo de tecnología SS en el servicio de aficionados, en el que se puede utilizar en diferentes bandas, y sin las restricciones de potencia radiada efectiva (ERP) que existen para el servicio sin licencia. Esta tecnología va a ser el boleto para el desarrollo de redes LAN inalámbricas de alta velocidad y los MAN que, el uso de Internet como una red troncal, finalmente pudo realizar el sueño de una amplia zona de alto rendimiento amprnet que puede soportar las aplicaciones (WWW, audio y video conferencia , etc) que entusiasmar a la gente acerca de la computadora de red en estos días.
Aunque el sueño como se ha dicho es algo controvertido, el autor cree que representa la mejor esperanza de atraer gente nueva a la afición, proporcionando una base para la experimentación y la formación en las técnicas y la creación de redes inalámbricas de estado-of-the-art, y, en última instancia, espectro de retención para el servicio de radioaficionados. Un problema es que la mayoría de la gente atraída por el uso de técnicas inalámbricas digitales tienen poca o ninguna experiencia en RF. Cuando se trata de la creación de enlaces inalámbricos que trabajarán más de cierta distancia, tienden a carecer de los conocimientos necesarios sobre las antenas, líneas de transmisión y, especialmente, las sutilezas de la propagación de radio. En este trabajo se trata de la última zona, con la esperanza de proporcionar esta nueva generación de experimentadores digitales con algunas herramientas para ayudarles a construir enlaces inalámbricos que funcionan.
El énfasis principal de este trabajo es en la predicción de la pérdida en el trayecto de un enlace, por lo que uno puede acercarse a la instalación de las antenas y otros equipos de RF con un cierto grado de confianza en que el enlace funcionará. La atención se centra en la adquisición de una idea de la propagación de radio, y señalando el camino hacia el reconocimiento de las alternativas que puedan existir y los casos en los que la experimentación puede ser fructífero. También nos ocuparemos de algunos aspectos de propagación que son de especial relevancia para la señalización digital.

Estimación de Pérdida en el trayecto
El objetivo fundamental de un enlace de radio es entregar la potencia de señal suficiente para el receptor en el otro extremo del enlace para lograr algún objetivo de rentabilidad. Para un sistema de transmisión de datos, este objetivo se suele especificar como una tasa de error de bits mínima (BER). En el demodulador del receptor, la BER es una función de la relación señal a ruido (SNR). En las frecuencias bajo consideración aquí, la potencia de ruido es a menudo dominado por el ruido del receptor interno; Sin embargo, esto no siempre es el caso, especialmente en el (VHF) extremo inferior de la gama. Además, el "ruido" puede incluir también un peso significativo a partir de las señales de interferencia, lo que exige la entrega de potencia de la señal más alta para el receptor de lo que sería el caso en circunstancias más ideales (es decir, de atrás hacia atrás a través de un atenuador). Si el canal contiene múltiples, esto también puede tener un impacto importante en el REC. Consideraremos multipath con más detalle más adelante - por ahora, nos centraremos en la predicción de la potencia de la señal, que estará disponible para el receptor.
Libre propagación en el espacio
El punto de referencia por el cual se mide la pérdida de un enlace de transmisión es la pérdida que se esperaría en el espacio libre - en otras palabras, la pérdida que se produciría en una región que está libre de todos los objetos que pueden absorber o reflejar la energía de radio. Esto representa el caso ideal que esperamos abordar en nuestro enlace de radio mundo real (de hecho, es posible tener pérdida de trayectoria que es menor que el caso "espacio libre", como veremos más adelante, pero es mucho más común sin alcanzar esta meta).
Cálculo de la pérdida de transmisión de espacio libre es bastante simple. Considere la posibilidad de un transmisor con una potencia P t acoplado a una antena que irradia igualmente en todas las direcciones (antena mítica favorito de todos, el isótropa de la antena). A una distancia d desde el transmisor, la potencia radiada se distribuye de manera uniforme sobre un área de 4 D 2 (es decir, el área de superficie de una esfera de radio d), de modo que la densidad de flujo de potencia es:
(1)

La pérdida de transmisión depende entonces de la cantidad de este poder es capturada por la antena receptora. Si el área de captura, o apertura efectiva de esta antena es un r , entonces la potencia que se puede entregar al receptor (suponiendo que no hay pérdidas de desajuste o líneas de transmisión) no es más que
(2)

Para la antena receptora isótropa hipotética, tenemos
(3)

Combinando las ecuaciones (1) y (3) en (2), tenemos
(4)

La pérdida en el trayecto espacio libre entre antenas isótropas es P t / P r . Ya que por lo general se trata de la frecuencia en lugar de la longitud de onda, podemos hacer la sustitución = c / f (donde c, por supuesto, es la velocidad de la luz) para obtener
(5)

[Jason2000]

Esto muestra la clásica dependencia cuadrática del nivel de la señal frente a la distancia. Lo que preocupa a algunas personas cuando ven esta ecuación es que la pérdida de trayectoria también aumenta con el cuadrado de la frecuencia. ¿Significa esto que el medio de transmisión es inherentemente más pérdidas a frecuencias más altas? Si bien es cierto que la absorción de RF por diversos materiales (edificios, árboles, vapor de agua, etc) tiende a aumentar con la frecuencia, recuerde que estamos hablando de "espacio libre" aquí. La dependencia de la frecuencia en este caso se debe únicamente a la apertura efectiva la disminución de la antena de recepción como la frecuencia aumenta. Esto es intuitivamente razonable, ya que el tamaño físico de un tipo de antena dada es inversamente proporcional a la frecuencia. Si se duplica la frecuencia, las dimensiones lineales de la disminución de la antena por un factor de uno-media, y el área de captura en un factor de un cuarto. Por consiguiente, la antena capta sólo un cuarto de la densidad de flujo de potencia en la frecuencia más alta en comparación con el inferior, y ofrece 6 dB menos señal al receptor. Sin embargo, en la mayoría de los casos podemos obtener fácilmente este 6 dB de nuevo al aumentar la apertura efectiva, y por lo tanto la ganancia de la antena receptora. Por ejemplo, supongamos que estamos usando una antena parabólica a la frecuencia más baja. Cuando doble de la frecuencia, en lugar de permitir que el plato a ser reducido en tamaño a fin de producir la misma ganancia como antes, podemos mantener el mismo tamaño del reflector. Esto nos da la misma abertura efectiva como antes (suponiendo que la alimentación se ha rediseñado adecuadamente para la nueva frecuencia, etc), y 6 dB más de ganancia (recordando que la ganancia es con respecto a una isotrópica o de la antena dipolo de referencia en la misma frecuencia ). Así, la pérdida de trayectoria de espacio libre es ahora la misma en ambas frecuencias; por otra parte, si hemos mantenido la misma abertura física en ambos extremos del enlace, estaríamos en realidad tienen 6 dB menor pérdida en el trayecto a la frecuencia más alta. Usted puede imaginar esto en términos de ser capaz de enfocar la energía con más fuerza a la frecuencia con la longitud de onda más corta. Tiene la ventaja añadida de proporcionar una mayor discriminación de las trayectorias múltiples - más sobre esto más adelante.
La ecuación de pérdida de trayectoria de espacio libre se expresa de forma más útil de forma logarítmica:
(F en MHz, d en km) (6 bis)
o
(F en MHz, d en millas) (6b)

Esto demuestra más claramente la relación entre la pérdida de trayectoria y distancia: pérdida de trayecto aumenta en 20 dB / década o 6 dB / octava, por lo que cada vez que se duplica la distancia, se pierde otro 6 dB de la señal en condiciones de espacio libre.
Por supuesto, en el estudio de un sistema real, debemos tener en cuenta las ganancias de antena reales y las pérdidas de cable en el cálculo de la potencia de la señal P r que está disponible en la entrada del receptor:

(7)

donde

P t = potencia de salida del transmisor (dBm o dBW, mismas unidades que P r )

L p = pérdida en el trayecto espacio libre entre antenas isótropas (dB)

T t = transmisión de ganancia de la antena (dBi)

T r = recibir ganancia de la antena (dBi)

L t = pérdida de línea de transmisión entre el transmisor y la antena de transmisión (dB)

L r = pérdida de la línea de transmisión entre la antena de recepción y la entrada del receptor (dB)
Una tabla de pérdidas de la línea de transmisión para diversas bandas y tipos de cable populares se pueden encontrar en el Apéndice.
Ejemplo 1. Suponga que tiene un par de 915 tarjetas MHz WaveLAN y desea utilizarlos en un enlace de 10 kilometros en la que usted cree que se aplicarán las condiciones de pérdida de trayecto en el espacio libre. La potencia de emisión es de 0,25 W o 24 dBm. Usted también tiene un par de antenas yagi con 10 dBi de ganancia, y en cada extremo del enlace, necesita cerca de 50 pies (15 m) de la línea de transmisión a la antena. Digamos que usted está utilizando LMR-400 cable coaxial, que le dará unos 2 dB de pérdida a 915 MHz para cada ejecución. Por último, la pérdida de trayectoria de la ecuación (6a) se calcula, y esto da 111,6 dB, lo que vamos a redondear a 112 dB. La potencia de la señal esperada en el receptor es entonces, a partir de (7):

[Jason2000]

De acuerdo con las especificaciones WaveLAN, los receptores requieren -78 dBm nivel de la señal con el fin de ofrecer una baja tasa de error de bit (BER). Por lo tanto, debemos estar en buena forma, ya que tenemos 6 dB de margen sobre el mínimo exigido. Sin embargo, esto sólo es cierto si el camino es realmente equivalente al caso el espacio libre, y este es un gran si ! Pronto nos ocuparemos de los medios de predecir si el supuesto de espacio libre tiene en la siguiente sección.

Pérdida en el trayecto de la Línea de Visión Links
La Línea plazo de Visión (LOS) como se aplica a los enlaces de radio tiene un significado bastante obvio: las antenas en los extremos del enlace pueden "ver" entre sí, por lo menos en un sentido radio. En muchos casos, la radio LOS equivale a LOS óptica: usted está en la ubicación de la antena en un extremo del enlace, y con la simple vista o binoculares, se puede ver la antena (o su futura sede) en el otro extremo del enlace. En otros casos, todavía podemos tener una trayectoria de LOS, aunque no podemos ver el otro extremo visualmente. Esto es porque el horizonte de radio se extiende más allá del horizonte óptico. Las ondas de radio seguir caminos ligeramente curvas en la atmósfera, pero si hay una ruta directa entre las antenas que no pasan a través de todos los obstáculos, entonces todavía tenemos la radio LOS. ¿Tener LOS significa que la pérdida de trayectoria será igual al caso de espacio libre en el que acabamos de considerar? En algunos casos, la respuesta es sí, pero definitivamente no es una cosa segura. Hay tres mecanismos que pueden causar la pérdida de trayectoria a diferencia del caso de espacio libre:
refracción en la atmósfera de la Tierra, lo que altera la trayectoria de las ondas de radio, y que pueden cambiar con el tiempo.
difracción efectos resultantes de los objetos cercanos a la ruta directa.
reflexiones de los objetos, que pueden ser ya sea cerca o lejos de la trayectoria directa.
Examinamos estos mecanismos en las tres secciones siguientes.

La refracción atmosférica
Como se mencionó anteriormente, las ondas de radio cerca de la superficie de la tierra por lo general no se propagan en líneas rectas con precisión, pero siguen caminos ligeramente curvas. La razón es bien conocido por DXers VHF / UHF: la refracción en la atmósfera de la tierra. En circunstancias normales, el índice de refracción disminuye monótonamente al aumentar la altura, que hace que las ondas de radio que emanan desde el transmisor se doblen ligeramente hacia abajo, hacia la superficie de la tierra en lugar de seguir una línea recta. El efecto es más pronunciado en las frecuencias de radio que en la longitud de onda de la luz visible, y el resultado es que las ondas de radio pueden propagarse más allá del horizonte óptico, sin pérdida adicional que no sea la pérdida de la distancia de espacio libre. Hay un artificio conveniente que se usa para dar cuenta de este fenómeno: cuando se traza el perfil del trayecto, se reduce la curvatura de la superficie de la tierra. Si optamos por la curvatura adecuada, los caminos de las ondas de radio se pueden trazar como líneas rectas. En condiciones normales, el gradiente del índice de refracción es tal que la propagación mundo real es equivalente a la propagación de la línea recta en una tierra cuyo radio es mayor que la real en un factor de 4/3 - de ahí el término oído-a menudo "4 / 3 radio de la tierra "en las discusiones de propagación terrestre. Sin embargo, esto es sólo una aproximación que se aplica bajo condiciones típicas - como experimentadores VHF / UHF bien saben, las condiciones meteorológicas inusuales pueden cambiar drásticamente el perfil de refracción. Esto puede conducir a una serie de condiciones diferentes. En la super refracción , los rayos curvan más de lo normal y el horizonte de radio se extiende; en casos extremos, conduce al fenómeno conocido como conductos , donde la señal puede propagarse sobre enormes distancias más allá del horizonte normal. Esto es muy emocionante para DXers, pero de poca utilidad práctica para las personas que quieren correr los enlaces de datos. La principal consecuencia de experimentadores digitales es que de vez en cuando pueden experimentar interferencias procedentes de fuentes inesperadas. Una preocupación más seria es subrefracción , en el que la curvatura de los rayos es menos de lo normal, acortando así el horizonte de radio y reducir el espacio libre por encima de obstáculos a lo largo de la ruta. Esto puede conducir a una mayor pérdida en el trayecto, y, posiblemente, incluso un corte de luz. En la planificación comercial enlace de radio, la probabilidad estadística de estos eventos se calcula y se permitió en el diseño del enlace (distancia, trayecto libre de obstáculos, margen de desvanecimiento, etc.) No vamos a entrar en todos los detalles aquí; baste decir que la fiabilidad de su enlace tenderá a ser más alto si usted detrás de la distancia desde el máximo que es dictado por el horizonte de radio normal. No es que no debe tratar de estirar los límites cuando sea necesario, pero un vínculo con una apertura óptica es preferible a una que no lo hace. Es también una buena idea para construir en algún margen para tener en cuenta el desvanecimiento debido a la propagación situaciones inusuales, y que permita el mayor espacio libre de obstáculos en el camino de lo posible. Para los enlaces de corto alcance, los efectos de la refracción tienden a ser ignorados.

[Jason2000]

Figura 1 El remedo de las ondas de radio de un objeto
Zonas de difracción de Fresnel y
Refracción y reflexión de las ondas de radio son los mecanismos que son bastante fáciles de imaginar, pero la difracción es mucho menos intuitivo. Para comprender la difracción y la propagación de radio, en general, es muy útil tener una cierta sensación de cómo se comportan las ondas de radio en un ambiente que no es estrictamente "espacio libre". Considere la fig. 1, en el que un frente de onda se desplaza de izquierda a derecha, y se encuentra con un obstáculo que absorbe o refleja toda la energía de radio incidente. Supongamos que el frente de onda incidente es uniforme; es decir, si se mide la intensidad de campo a lo largo de la línea A-A ', que es el mismo en todos los puntos. Ahora, ¿cuál será la intensidad de campo a lo largo de una línea BB 'en el otro lado del obstáculo? Para cuantificar esto, nosotros proporcionamos un eje en el que coincide cero con la parte superior del obstáculo, y los números negativos y positivos denotan posiciones arriba y por debajo de este, respectivamente (vamos a definir el parámetro utilizado en este eje un poco más tarde).

Figura 2 Niveles de señal en el lado lejano del objeto del remedo
La intuición puede llevar a uno a esperar que la intensidad de campo a lo largo de BB 'se vea como la línea discontinua en la figura. 2, con sombra completa y señal cero por debajo de la cima del obstáculo, y ningún efecto en absoluto sobre él. La línea continua muestra la realidad: no sólo la energía "filtre" dentro del área sombreada, pero la intensidad de campo por encima de la parte superior del obstáculo también se altera. En una posición que esté a nivel con la parte superior del obstáculo, la densidad de potencia de la señal se ha reducido en alrededor de un 6 dB, a pesar del hecho de que este punto se encuentra en "línea de visión" de la fuente. Este efecto es menos sorprendente cuando se tiene en cuenta otros casos familiares del movimiento de las olas. Imagen, por ejemplo, tirar una piedra en un estanque y ver las ondas se propagan hacia el exterior. Cuando se encuentran con un objeto, como un barco o un muelle, se verá que el agua detrás del objeto también se altera, y que las ondas viajan pasado, aunque próximas, al objeto también se ven afectados en cierta medida. Del mismo modo, considera una fuente distante de las ondas sonoras: si el nivel sonoro es muy por encima del nivel de ambiente, después se mueve detrás de un objeto que absorbe la energía acústica incidente por completo no resulta en el sonido desaparece por completo - es todavía audible en un nivel inferior , debido a la difracción (como un aparte, es interesante observar que la longitud de onda de una onda sonora 1 KHz es casi lo mismo que una onda de radio 1 GHz). Esto en cuanto a analogías - vamos a volver a las ondas de radio.

La explicación para el comportamiento no-intuitiva de las ondas de radio en la presencia de obstáculos que aparecen en su camino se encuentra en algo que se llama el Principio de Huygens . Huygens mostraron que la propagación se produce de la siguiente manera: cada punto en un frente de onda actúa como una fuente de un frente de onda secundaria conocida como una onda , y un nuevo frente de onda se construye entonces de la combinación de las contribuciones de todas las ondas en el frente de onda anterior. Las ondas secundarias no irradian igualmente en todas las direcciones - su amplitud en una dirección dada es proporcional a (1 + cos a ), donde una es el ángulo entre esa dirección y la dirección de propagación del frente de onda. Por tanto, la amplitud es máxima en la dirección de propagación (es decir, normal a la frente de onda), y cero en la dirección inversa. La representación de un frente de onda como una colección de ondas se muestra en la figura. 3.

Figura 3 Representación de las ondas de radio como Wavelets

Figura 4 Construcción de un nuevo frente de onda por Vector Suma
En un punto dado en el nuevo frente de onda (punto B), el vector de la señal (fasor) está determinada por la suma de vectores de las contribuciones de las ondas en el frente de onda anterior, como se muestra en la figura. 4. El componente más grande es de la onda más cercana, y a continuación, obtener contribuciones simétricos de los puntos anteriores y por debajo de ella. Estos últimos vectores son más cortos, debido a la reducción angular de amplitud se ha mencionado anteriormente, y también la mayor distancia recorrida. La mayor distancia también introduce más retardo de tiempo, y por lo tanto la rotación de los vectores como se muestra en la figura. Como incluimos las contribuciones de puntos cada vez más lejos, los vectores correspondientes continúan girando y disminuir de longitud, y trazan una trayectoria en espiral de doble cara, conocida como la espiral de Cornu .

Figura 5 El Cornu Spiral
La espiral de Cornu, que se muestra en la figura. 5, proporciona la herramienta que necesitamos para visualizar lo que ocurre cuando las ondas de radio se encuentran con un obstáculo. En el espacio libre, en cada punto de un nuevo frente de onda, todas las contribuciones de las ondas en el frente de onda anterior están presentes y no atenuada, por lo que el vector resultante corresponde a la espiral completa (es decir, los criterios de valoración del vector son X e Y). Ahora, consideremos de nuevo la situación mostrada en la figura. 1, y para cada ubicación en el frente de onda B-B ', visualizar la composición de la espiral de Cornu (tenga en cuenta que la parte superior del obstáculo se supone que es suficientemente estrecha que no hay reflexiones significativas pueden ocurrir de ella). En la posición 0, a nivel con la parte superior del obstáculo, tendremos sólo las contribuciones de la mitad positiva del frente de onda que precede a A-A ', ya que todos los demás están bloqueados por el obstáculo. Por lo tanto, los componentes recibidos forman sólo la mitad superior de la espiral, y el vector resultante es exactamente la mitad de la longitud de la caja espacio libre, correspondiente a una reducción de 6 dB en amplitud. A medida que vamos más abajo en la línea B-B ', empezamos a obtener el bloqueo de los componentes desde el lado positivo de la AA' de frente de onda, la eliminación de más y más de los vectores a medida que avanzamos, y dejando sólo la espiral superior apretado. La amplitud resultante disminuye monotónicamente hacia cero a medida que avanzamos hacia abajo el nuevo frente de onda, pero no es todavía señal presente en todos los puntos del obstáculo, como se muestra en el gráfico en la figura. 2. ¿Qué hay de los puntos a lo largo de la línea BB ' por encima del obstáculo, en el que el gráfico muestra esas ondas misteriosas? Una vez más, observamos la espiral de Cornu: a medida que se asciende en la línea, empezamos a añadir contribuciones de los aspectos negativos de la "frente de onda AA (vectores -1, -2, etc.) Tenga en cuenta lo que ocurre con el vector resultante - como tomemos la primera vuelta alrededor de la parte inferior de la espiral, que alcanza su máxima longitud, correspondiente al pico más alto de la gráfica de la figura. 2. A medida que seguimos para subir BB 'y añadir más componentes, que giran alrededor de la espiral y llegar a la longitud mínima para el vector resultante (distancia mínima desde el punto Y). Resultados BB progresión up 'en el movimiento adicional alrededor de la espiral, y la amplitud de la resultante oscila hacia adelante y hacia atrás, con la amplitud de la oscilación disminuye constantemente a medida que la resultante converge en el valor de espacio libre, a cargo de la completa espiral de Cornu (vector XY).
Así, en pocas palabras, para visualizar lo que ocurre con las ondas de radio cuando se encuentran con un obstáculo, tenemos que desarrollar una imagen del frente de onda después de que el obstáculo en función del frente de onda justo antes de que (en lugar de simplemente trazando rayos desde el lejano fuente). Ahora estamos en condiciones de hablar de zonas de Fresnel. Una zona de Fresnel es un concepto más sencillo una vez que tenga una cierta comprensión de la difracción: es el volumen de espacio encerrado por un elipsoide que tiene las dos antenas en los extremos de un enlace de radio en sus focos. La representación bidimensional de una zona de Fresnel se muestra en la figura. 6. La superficie del elipsoide se define por la ACB camino, que excede la longitud de la trayectoria directa AB por una cierta cantidad fija. Esta cantidad es n / 2, donde n es un entero positivo. Para la primera zona de Fresnel, n = 1 y la longitud de la trayectoria difiere por / 2 (es decir, una inversión de fase de 180 con respecto a la trayectoria directa). Para la mayoría de los propósitos prácticos, sólo la primera zona de Fresnel es necesario considerar. Una ruta de acceso de radio tiene primero despeje de la zona de Fresnel si, como se muestra en la figura. 6, hay objetos que puedan causar la difracción significativa penetrar el elipsoide correspondiente. ¿Qué significa esto en términos de pérdida de trayectoria? Recordemos cómo se construyó el frente de onda detrás de un objeto mediante la adición vectorial de las ondas que componen el frente de onda en frente del objeto, y aplicamos esto al caso en el que tenemos exactamente primera despeje de la zona de Fresnel. Queremos encontrar la fuerza de la señal de trayectoria directa después de que pase el objeto. Suponiendo que sólo hay un tal objeto cerca de la zona de Fresnel, podemos mirar el frente de onda resultante en el punto de destino B. En cuanto a la espiral de Cornu, la mitad superior de la espiral está intacta, sino que forma parte de la mitad inferior está ausente, debido a la obstrucción por el objeto. Puesto que tenemos exactamente primera aclaramiento de Fresnel, el vector final que se añade a la parte inferior de la espiral es 180 grados fuera de fase con el vector de trayecto directo - es decir, que está apuntando hacia abajo. Esto significa que hemos pasado la parte inferior de la espiral y están en el camino de vuelta, y el vector resultante es cerca de la magnitud de espacio libre (una línea entre X e Y en la. Fig. 5). De hecho, basta con tener el 60% de la primera liquidación de Fresnel, ya que esto todavía da una resultante que es muy cercana al valor de espacio libre.

[Jason2000]

Figura 6 Zona de Fresnel para una Radio Enlace
Con el fin de cuantificar las pérdidas de difracción, que se expresan normalmente en términos de un parámetro adimensional, dado por:
(8)

donde d es la diferencia en la longitud de la trayectoria en línea recta entre los puntos extremos del enlace y la ruta de acceso que sólo toca la punta del objeto de difracción (ver Fig. 7, en donde. d = d 1 + d 2 - d). Por convención, es positivo cuando la ruta está bloqueada directa (es decir, el obstáculo tiene una altura positiva), y negativa cuando el camino directo tiene cierta holgura ("altura negativa"). Cuando la ruta de acceso directo sólo roza el objeto, = 0. Este es el parámetro se muestra en las figuras 1 y 2. Dado que en esta sección que estamos considerando caminos LOS, esto corresponde a la especificación de que es negativo (o cero). Para el despacho de la primera zona de Fresnel, hemos d = / 2, por lo que de la ecuación (8), = -1.4. De la figura. 2, podemos ver que se trata de más espacio de lo necesario - de hecho, tenemos el nivel de señal ligeramente mayor (y pérdida de trayectoria inferior al valor de espacio libre) si reducimos la distancia a = -1, que corresponde a d = / 4 . El = -1 punto también se muestra en la espiral de Cornu en la fig. 5. Dado que d = / 4, el último vector agregado a la suma se hace girar 90 a partir del vector de vía directa, lo que nos lleva al punto más bajo en la espiral. El vector resultante luego corre desde este punto hasta el extremo superior de la espiral en el punto Y. Es fácil ver que este vector es un poco mayor que la distancia de X a Y, así que tenemos un ligero aumento (alrededor de 1,2 dB) durante el caso del espacio libre. También podemos ver cómo podemos retroceder al 60% del aclaramiento primera zona de Fresnel ( = -0,85), sin sufrir pérdidas significativas.
Pero, ¿cómo calcular si tenemos la holgura requerida? La geometría para los cálculos de zona de Fresnel se muestra en la figura. 7. Tenga en cuenta que esto es sólo una representación de dos dimensiones, pero las zonas de Fresnel son tridimensionales. Las mismas consideraciones se aplican cuando los objetos que limitan trayecto libre de obstáculos están a un lado o incluso por encima de la trayectoria de radio. Dado que estamos considerando caminos LOS en esta sección, se trata sólo con el caso "altura negativa", que se muestra en la parte inferior de la figura. Vamos a ver el caso en que h es positiva después, cuando consideramos caminos no-LOS.
Para el despacho de la primera zona de Fresnel, la distancia h desde el punto del obstáculo a la ruta directa más cercana debe ser al menos
(9)

donde d 1 y d 2 son las distancias desde la punta del obstáculo a los dos extremos del circuito de radio. Esta fórmula es una aproximación que no es válido muy cerca de los puntos finales del circuito. Para mayor comodidad, el espacio libre se puede expresar en términos de frecuencia:

[Jason2000]

(10 bis)

donde f es la frecuencia en GHz, D 1 y D 2 son en km, y H es en metros. O
(10 ter)

donde f se expresa en GHz, d 1 y d 2 en millas terrestres, y h es en pies.

Figura 7 Zona de Fresnel Geometría

Ejemplo 2. Tenemos a 10 km LOS camino sobre el que deseamos establecer un enlace en la banda de 915 MHz. El perfil de ruta indica que el punto más alto en el camino se encuentra a 3 km de un extremo, y el camino directo borra por unos 18 metros (60 pies) - por qué tenemos un adecuado espacio libre de zona de Fresnel? De la ecuación (10a), con d 1 = 3 km, d 2 = 7 km, y f = 0.915 GHz, tenemos h = 26,2 m para el despacho de la primera zona de Fresnel (en rigor, h = -26,2 m). Un espacio libre de 18 m es aproximadamente 70% de esta, por lo que es suficiente para permitir la pérdida de difracción insignificante.
Despeje de la zona de Fresnel puede no parecer tan importante - después de todo, nos ha dicho anteriormente que para el caso de holgura cero (pastoreo), tenemos 6 dB de pérdida de trayectoria adicional. Si es necesario, esto podría ser superada con, por ejemplo, un adicional de 3 dB de ganancia de la antena en cada extremo del circuito. Ahora es el momento de confesar que la situación que se muestra en las figuras 1 y 2 es un caso especial, conocido como difracción "filo de la navaja". Básicamente, esto significa que la parte superior del obstáculo es pequeña en términos de longitudes de onda. Esto es a veces una aproximación razonable de un objeto en el mundo real, pero más a menudo que no, el obstáculo será redondeado (como una cima) o tener una superficie plana (como la parte superior de un edificio), o de otra manera apartarse de la suposición de filo de la cuchilla. En tales casos, la pérdida de trayectoria para el caso de pastoreo puede ser considerablemente más de 6 dB - de hecho, 20 dB sería una estimación mejor en muchos casos. Así, el despacho de la zona de Fresnel puede ser muy importante en los caminos del mundo real. Y, una vez más, tenga en cuenta que la zona de Fresnel es tridimensional, por lo aclaramiento también se debe mantener a los lados de los edificios, etc, si la pérdida de trayectoria se reduce al mínimo. Otro punto a considerar es el efecto sobre el aclaramiento de la zona de Fresnel de los cambios en la refracción atmosférica, como se explica en la última sección. Podemos tener el espacio adecuado en un camino más largo en condiciones normales (es decir, 3.4 radio de la Tierra), pero pierden el juego cuando las condiciones de refracción inusuales prevalecen. En trayectos más largos, por lo tanto, es común en los enlaces de radio comerciales para hacer el análisis de la zona de Fresnel en algo cercano a la "peor caso" en lugar de las condiciones típicas de refracción, pero esto puede ser una preocupación menor en aplicaciones no profesionales.
La mayor parte del material de esta sección se basó en Ref. [2], que es muy recomendable para su posterior lectura.

[Jason2000]

Reflexiones de tierra
Una ruta LOS puede tener un adecuado espacio libre de zona de Fresnel, y aún así tener una pérdida de trayectoria que difiere significativamente de espacio libre en condiciones normales de refracción. Si este es el caso, la causa es probablemente la propagación multitrayecto resultante de reflexiones (multipath también plantea problemas especiales para sistemas de transmisión digital - vamos a ver esto un poco más tarde, pero aquí sólo estamos considerando la pérdida de trayecto).

Una fuente común de reflexiones es el suelo. Tiende a ser más de un factor de caminos en las zonas rurales; en el medio urbano, la ruta reflexión en el suelo a menudo será bloqueado por el desorden de los edificios, árboles, etc En trayectos sobre tierra o aguas de superficie relativamente lisa, sin embargo, reflexiones en el suelo puede ser un factor determinante de la pérdida de trayectoria. Para cualquier enlace de radio, vale la pena mirar el perfil del trayecto y ver si la reflexión de tierra tiene el potencial de ser significativo. También debe tenerse en cuenta que el punto de reflexión no es en el punto medio de la ruta de acceso a menos que las antenas están a la misma altura y el suelo no está inclinado en la región de la reflexión - sólo el recordar la vieja máxima de la óptica que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Reflexiones de tierra pueden ser buenas o malas noticias, pero son más a menudo el último. En una ruta de acceso de radio que consiste en un camino directo además de un camino a tierra-reflejada, la pérdida de trayectoria depende de la amplitud y fase de la relación relativa de las señales que se propagan por los dos caminos. En casos extremos, cuando el camino de tierra-reflejada tiene holgura Fresnel y sufre poca pérdida de la propia reflexión (o atenuación de los árboles, etc), entonces su amplitud puede aproximarse a la de la vía directa. Entonces, dependiendo del desplazamiento de fase relativo de los dos caminos, podemos tener una mejora de hasta 6 dB en el camino directo solo, o cancelación resulta en la pérdida de trayectoria adicional de 20 dB o más. Si usted está familiarizado con el Sr. Murphy, ya sabes que esperar! La diferencia en longitudes de trayectoria puede estimarse a partir del perfil del trayecto, y luego traducido a longitudes de onda para dar la relación de fase. Entonces tenemos que dar cuenta de la propia reflexión, y aquí es donde las cosas se ponen interesantes. La amplitud y la fase de la onda reflejada dependen de una serie de variables, incluyendo la conductividad y la permitividad de la superficie reflectante, frecuencia, ángulo de incidencia, y la polarización.
Es difícil resumir los efectos de todas las variables que afectan a reflexiones en el suelo, pero un caso típico se muestra en la figura. 8 [2]. Esta figura en particular es para las condiciones del terreno típicos a 100 MHz, pero el mismo comportamiento se ve en un amplio rango de constantes de tierra y frecuencias. Observe que hay una gran diferencia en las amplitudes de reflexión entre la polarización horizontal y vertical (indicado en las curvas con "H" y "V", respectivamente), y que la polarización vertical, en general, da lugar a una onda mucho menor reflejada. Sin embargo, la diferencia es grande sólo para ángulos de incidencia superiores a unos pocos grados (tenga en cuenta que, a diferencia de en la óptica, en la transmisión de radio del ángulo de incidencia se mide normalmente con respecto a una tangente a la superficie reflectante en lugar de una normal a ella) ; En la práctica, estos ángulos sólo se producirán en los caminos muy cortos, o caminos con extraordinariamente altos antenas. Para trayectos típicos, el ángulo de incidencia tiende a ser del orden de un grado o menos - por ejemplo, para una ruta de 10 kilometros sobre tierra de suave con 10 m alturas de antena, el ángulo de incidencia de la reflexión en el suelo sólo sería de alrededor de 0,11 grados. En tal caso, ambas polarizaciones darán amplitudes de las reflexiones cerca de la unidad (es decir, sin pérdida de reflexión). Tal vez lo más sorprendente, también habrá una inversión de fase en ambos casos. Las ondas de polarización horizontal-siempre se someten a una inversión de fase en la reflexión, pero para las ondas de polarización vertical-, el cambio de fase es una función del ángulo de incidencia y las características del terreno.

Figura 8 parámetros de reflexión de tierra típicos
El resultado de todo esto es que para la mayoría de caminos en el que la reflexión en el suelo es significativa (y no otras reflexiones están presentes), habrá muy poca diferencia en el rendimiento entre la polarización horizontal y vertical. Para trayectos muy cortos, polarización horizontal dará generalmente lugar a una reflexión más fuerte. Si resulta que esto provoca la cancelación en lugar de la mejora, el cambio a la polarización vertical puede ofrecer una solución. En otras palabras, para los trayectos más cortos, por lo general vale la pena probar ambas polarizaciones para ver cuál funciona mejor (por supuesto, otros factores tales como las limitaciones de montaje y el rechazo de otras fuentes de trayectoria múltiple y la interferencia también entran en la elección de la polarización).


Como se indicó anteriormente, ya sea para la polarización, como el camino se hace más largo que nos acercamos al caso en el que la reflexión en el suelo produce una inversión de fase y muy poca atenuación. Al mismo tiempo, los caminos directos y reflejados son cada vez más casi igual. La pérdida de trayectoria ondas arriba y hacia abajo a medida que aumentamos la distancia, hasta que lleguemos al punto en que las longitudes de trayectoria difieren en sólo media longitud de onda. Combinado con el cambio de fase de 180 ° causada por la reflexión en el suelo, esto trae las señales directas y reflejadas en fase, lo que resulta en una mejora sobre el libre de la pérdida de trayectoria en el espacio (teóricamente 6 dB, pero esto rara vez se realiza en la práctica). A partir de entonces, todo es cuesta abajo ya que la distancia es aún mayor, ya que la diferencia de fase entre los dos caminos se acerca en el límite del cambio de 180 ° fase de la reflexión en el suelo. Se puede demostrar que, en esta región, la potencia recibida sigue una ley de cuarta potencia inversa como una función de la distancia en lugar de la ley habitual cuadrado (es decir, 12 dB más de atenuación cuando se duplica la distancia, en lugar de 6 dB). La distancia a la que la pérdida de trayectoria comienza a aumentar a la tasa cuarta potencia se alcanza cuando el elipsoide correspondiente a la primera zona de Fresnel sólo toca el suelo. Un razonablemente buena estimación de esta distancia se puede calcular a partir de la ecuación

[Jason2000]

(11)

donde h 1 y h 2 son las alturas de la antena por encima del punto de reflexión en el suelo. Por ejemplo, para una altura de antena de 10 m, a 915 MHz ( = 33 cm) estaremos en la región pérdida en el cuarto ley para los enlaces de más de alrededor de 1,2 km.
Así, para las rutas de largo alcance, las reflexiones de tierra son siempre malas noticias. Problemas serios con las reflexiones en el suelo son los más comúnmente encontrados con enlaces de radio a través de los cuerpos de agua. Difundir las técnicas de espectro y los arreglos de antenas de diversidad por lo general no pueden superar los problemas - la solución está en el emplazamiento de las antenas (por ejemplo, lejos de la orilla del cuerpo de agua) tal que la trayectoria reflejada es cortada por obstáculos naturales, mientras que la directa camino es irreprochable. En otros casos, puede ser posible ajustar las ubicaciones de antena a fin de mover el punto de reflexión a un área aproximada de la tierra que dispersa la señal en lugar de crear una fuerte reflexión especular.

Otras fuentes de Reflexiones
Mucho de lo que se ha dicho sobre las reflexiones de tierra se aplica a las reflexiones de otros objetos. El "motivo de reflexión" en un camino en particular puede ser desde una azotea de un edificio en lugar de la propia tierra, pero el efecto es casi el mismo. En los enlaces de largo, los reflejos de los objetos cercanos a la línea de la ruta directa casi siempre causará una mayor pérdida en el trayecto - en esencia, tiene un "desvanecimiento plano" permanente en un amplio ancho de banda. Reflexiones a partir de objetos que están bien a un lado del camino directo son una historia diferente, sin embargo. Este es un fenómeno frecuente en las zonas urbanas, donde las paredes de los edificios pueden causar fuertes reflejos. En tales casos, el ángulo de incidencia puede ser mucho mayor que cero, a diferencia del caso de la reflexión del suelo. Esto significa que la polarización horizontal y vertical se puede comportar de manera muy diferente - como vimos en la figura. 8, las señales polarizadas verticalmente tienden a producir reflexiones de menor amplitud que las señales de polarización horizontal cuando el ángulo de incidencia es superior a unos pocos grados. Cuando la superficie reflectante es vertical, como el lado de un edificio, una señal que se transmite con polarización horizontal tiene efectivamente polarización vertical en lo que se refiere a la reflexión. Por lo tanto, la polarización horizontal generalmente dará como resultado reflexiones más débiles y menos de trayectos múltiples de polarización vertical en estos casos.

Efectos de la lluvia, la nieve y niebla
La pérdida de caminos LOS veces puede verse afectada por las condiciones climáticas (que no sean los efectos de la refracción que ya se han mencionado). La lluvia y niebla (nubes) convertido en una fuente importante de atenuación sólo cuando lleguemos bien entrada la región de las microondas. Atenuación de la niebla sólo se hace evidente (es decir, la atenuación del orden de 1 dB o más) por encima de aproximadamente 30 GHz. La nieve es en esta categoría también. Atenuación por lluvia se vuelve significativa en torno a 10 GHz, donde una lluvia fuerte puede causar pérdida de trayectoria adicional del orden de 1 dB / km.

Pérdida en el trayecto de No Line of Sight Caminos
Hemos pasado un poco de tiempo buscando en los caminos de LOS, y describe los mecanismos que a menudo hacen que tengan pérdida de trayectoria que difiere de la hipótesis de "espacio libre". Hemos visto que la pérdida de trayectoria no siempre es fácil de predecir. Cuando tenemos un camino que no es LOS, se vuelve aún más difícil de predecir cómo las señales y se propagarán sobre él. Por desgracia, las situaciones no-LOS a veces son inevitables, sobre todo en las zonas urbanas. En las siguientes secciones se ocupan de algunos de los principales factores que deben ser considerados.

Las pérdidas por difracción
En algunos casos especiales, tales como la difracción sobre un único obstáculo que puede ser modelado como un borde de cuchillo, la pérdida de un trayecto de no-LOS se puede predecir con bastante facilidad. De hecho, esta es la misma situación que vimos en las figuras 1 y 2, con el parámetro de difracción > 0. Este parámetro, de la ecuación (8), es

[Jason2000]

Para obtener d, medir la distancia en línea recta entre los puntos extremos del enlace. A continuación, medir la longitud de la trayectoria real, que incluye los dos puntos finales y la punta del filo de la cuchilla, y tomar la diferencia entre los dos. La geometría se muestra en la figura. 7 (a), el caso "h positiva". Una buena aproximación a la pérdida por difracción en filo de cuchillo en dB se puede calcular a partir de

(12)

Ejemplo 3. Queremos realizar un enlace de 915 MHz entre dos puntos que son una distancia en línea recta de 25 km entre sí. Sin embargo, a 5 km de un extremo del enlace, hay una loma que está a 100 metros más alto que los dos puntos finales. Suponiendo que la cresta se puede modelar como un filo de la navaja, y que los caminos de los criterios de valoración a la parte superior de la cresta son LOS con adecuado espacio libre de la zona de Fresnel, ¿cuál es la pérdida de trayectoria esperada? De geometría simple, nos encontramos con que la longitud de la trayectoria sobre la cresta es 25,001.25 metros, de modo que d = 1,25 m. Desde = 0,33 m, el parámetro , a partir de (8), es 3,89. Sustituyendo esto en (12), nos encontramos con que la pérdida por difracción esperada es 24.9 dB. La pérdida de trayectoria en el espacio libre para una ruta de 25 kilometros a 915 MHz es, de la ecuación (6a), 119,6 dB, por lo que la pérdida de trayecto prevista total de esta ruta es 144,5 dB. Esto es demasiado lossy un camino para muchos dispositivos WLAN. Por ejemplo, supongamos que estamos utilizando tarjetas WaveLAN con 13 antenas dBi de ganancia, que (sin considerar las líneas de transmisión) los lleva hasta la PIRE máxima permitida de 36 dBm. Esto producirá, en los terminales de la antena en el otro extremo del enlace, una potencia recibida de (36 a 144,5 + 13) = -95,5 dBm. Esto está muy por debajo de la exigencia dBm -78 de las tarjetas WaveLAN. Por otro lado, un sistema de baja velocidad puede ser muy útil sobre este camino. Por ejemplo, los FreeWave 115 Kbps módems requieren sólo aproximadamente -108 dBm para un funcionamiento fiable, que es un cómodo margen por debajo de nuestros niveles de señal predichas.
Para ver el efecto de la frecuencia de funcionamiento de las pérdidas de difracción, podemos repetir el cálculo, esta vez utilizando 144 MHz, y encontrar la pérdida por difracción prevé que sea de 17,5 dB o 7,4 dB menos que a 915 MHz. A 2,4 GHz, la pérdida prevista es 29,0 dB, un aumento de 4,1 dB en el caso de 915 MHz (estas diferencias son las pérdidas de difracción solamente, no la única pérdida total del trayecto).

[Jason2000]

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):