Потеря пути

Потери на пути , или затухание на пути , — это уменьшение плотности мощности ( затухания ) электромагнитной волны при ее распространении в пространстве. ^[1] Потери на трассе являются основным компонентом анализа и проектирования бюджета канала телекоммуникационной системы.

Этот термин обычно используется в беспроводной связи и распространении сигналов . Потери на пути могут быть вызваны многими эффектами, такими как потери в свободном пространстве , преломление , дифракция , отражение , апертуры со средой потери связи и поглощение . На потери на трассе также влияют контуры местности, окружающая среда (городская или сельская, растительность и листва), среда распространения (сухой или влажный воздух), расстояние между передатчиком и приемником, а также высота и расположение антенн.

Причины

К потерям на пути распространения обычно относятся потери на распространение, вызванные естественным расширением фронта радиоволны в свободном пространстве (которое обычно принимает форму постоянно увеличивающейся сферы), потери на поглощение (иногда называемые потерями на проникновение), когда сигнал проходит через непрозрачные среды. , электромагнитным волнам дифракционные потери , когда часть радиоволнового фронта перекрывается непрозрачным препятствием, а также потери, вызванные другими явлениями.

Сигнал, излучаемый передатчиком, также может одновременно передаваться к приемнику по множеству разных путей; этот эффект называется многолучевым распространением . Многолучевые волны объединяются в антенне приемника, в результате чего принимаемый сигнал может сильно различаться в зависимости от распределения интенсивности и относительного времени распространения волн и полосы пропускания передаваемого сигнала. Общая мощность интерферирующих волн в сценарии рэлеевского замирания быстро меняется в зависимости от пространства (что известно как мелкомасштабное замирание ). Мелкомасштабное замирание означает быстрые изменения амплитуды радиосигнала за короткий период времени или расстояние в пути.

Экспонента потерь

При изучении беспроводной связи потери на трассе могут быть представлены показателем степени потерь на трассе, значение которого обычно находится в диапазоне от 2 до 4 (где 2 — для распространения в свободном пространстве , 4 — для сред с относительно большими потерями и для случая полное зеркальное отражение от земной поверхности — так называемая модель плоской Земли). В некоторых средах, таких как здания, стадионы и другие помещения внутри помещений, показатель потерь на трассе может достигать значений в диапазоне от 4 до 6. С другой стороны, туннель может действовать как волновод , в результате чего показатель потерь на трассе будет меньше, чем 2.

Потери на трассе обычно выражаются в дБ . В простейшей форме потери на трассе можно рассчитать по формуле

L=10n\log _{10}(d)+C

где $L$ потери на трассе в децибелах, $n$ - показатель потерь на пути, $d$ расстояние между передатчиком и приемником, обычно измеряется в метрах, и $C$ — константа, которая учитывает системные потери.

Формула радиоинженера

Инженеры по радио и антеннам используют следующую упрощенную формулу (полученную из формулы передачи Фрииса ) для потерь на пути прохождения сигнала между точками питания двух изотропных антенн в свободном пространстве:

Потери на трассе, дБ :

L=20\log _{10}\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)

где $L$ потери на трассе в децибелах, $\lambda$ длина волны и $d$ — расстояние передатчик-приемник, выраженное в тех же единицах, что и длина волны. Обратите внимание, что плотность мощности в космосе не зависит от $\lambda$ ; Переменная $\lambda$ существует в формуле для учета эффективной площади захвата изотропной приемной антенны. ^[2]

Прогноз

Расчет потерь на трассе обычно называют прогнозированием . Точное предсказание возможно только для более простых случаев, таких как вышеупомянутое распространение в свободном пространстве или модель плоской Земли . В практических случаях потери на трассе рассчитываются с использованием различных приближений.

Статистические методы (также называемые стохастическими или эмпирическими ) основаны на измеренных и усредненных потерях по типичным классам радиоканалов. Среди наиболее часто используемых таких методов — Окумура-Хата , модель COST Hata , WCYLee и др. Они также известны как модели распространения радиоволн и обычно используются при проектировании сотовых сетей и наземных мобильных сетей общего пользования (PLMN). Для беспроводной связи в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) и сверхвысоких частот (УВЧ) (диапазоны, используемые рациями, полицией, такси и сотовыми телефонами) одним из наиболее часто используемых методов является метод Окумура-Хата. уточнено проектом COST 231 . Другими известными моделями являются модели Уолфиша-Икегами, WCY Ли и Эрцега . Для FM-радио и телевещания потери на трассе чаще всего прогнозируются с использованием модели ITU , как описано в рекомендации P.1546 (преемник P.370 ).

Используются также детерминированные методы, основанные на физических законах распространения волн; Трассировка лучей — один из таких методов. Ожидается, что эти методы дадут более точные и надежные прогнозы потерь на трассе, чем эмпирические методы; однако они значительно дороже по вычислительным затратам и зависят от подробного и точного описания всех объектов в пространстве распространения, таких как здания, крыши, окна, двери и стены. По этим причинам они используются преимущественно на коротких путях распространения. Среди наиболее часто используемых методов при проектировании радиооборудования, такого как антенны и фидеры, является метод конечной разности во временной области .

Потери на трассе в других диапазонах частот ( средневолновые (МВт), коротковолновые (КВ или ВЧ), микроволновые (СВЧ)) прогнозируются аналогичными методами, хотя конкретные алгоритмы и формулы могут сильно отличаться от алгоритмов и формул для ОВЧ/УВЧ. Надежное прогнозирование потерь на трассе в диапазоне SW/HF особенно сложно, и его точность сравнима с прогнозами погоды. ^{[ нужна ссылка ]}

Простые приближения для расчета потерь на трассе на расстояниях, значительно меньших, чем расстояние до радиогоризонта :

В свободном пространстве потери на трассе увеличиваются на 20 дБ за декаду (одна декада — это когда расстояние между передатчиком и приемником увеличивается в десять раз) или на 6 дБ за октаву (одна октава — это когда расстояние между передатчиком и приемником увеличивается вдвое). Это можно использовать как очень грубое приближение первого порядка для (микроволновых) линий связи;
Для сигналов в диапазоне УВЧ/ОВЧ, распространяющихся над поверхностью Земли, потери на трассе увеличиваются примерно на 35–40 дБ за декаду (10–12 дБ на октаву). Это можно использовать в сотовых сетях в качестве первой догадки.

Примеры

В сотовых сетях, таких как UMTS и GSM , работающих в диапазоне УВЧ, величина потерь на трассе в населенных пунктах может достигать 110–140 дБ на первом километре линии связи между базовой приемопередающей станцией (BTS) и мобильный . Потери на трассе для первых десяти километров могут составлять 150–190 дБ ( Примечание : эти значения очень приблизительны и приведены здесь только в качестве иллюстрации диапазона, в котором в конечном итоге могут находиться числа, используемые для выражения значений потерь на трассе , это не являются окончательными или обязательными цифрами — потери на трассе могут сильно различаться на одном и том же расстоянии по двум разным путям и могут быть разными даже на одной и той же трассе, если измеряться в разное время.)

В радиоволновой среде мобильных услуг мобильная антенна расположена близко к земле. Модели распространения в прямой видимости (LOS) сильно модифицированы. Путь сигнала от антенны BTS, обычно возвышающейся над крышами, преломляется вниз, в местную физическую среду (холмы, деревья, дома), и сигнал LOS редко достигает антенны. Окружающая среда будет производить несколько отклонений прямого сигнала на антенну, причем обычно 2–5 отклоненных компонентов сигнала будут векторно суммироваться.

Эти процессы преломления и отклонения вызывают потерю мощности сигнала, которая изменяется при движении мобильной антенны (рэлеевское замирание), вызывая мгновенные изменения до 20 дБ. Поэтому сеть спроектирована так, чтобы обеспечить превышение уровня сигнала по сравнению с LOS на 8–25 дБ в зависимости от характера физической среды и еще 10 дБ для преодоления замирания из-за движения.

См. также

Ссылки

^ Сари, Ариф; Альзуби, Ахмед (01 января 2018 г.), Фикко, Массимо; Пальмиери, Франческо (ред.), «Глава 13. Алгоритмы потери пути для обеспечения устойчивости данных в беспроводных сетях области тела для инфраструктуры здравоохранения» , Безопасность и устойчивость в интеллектуальных системах, ориентированных на данные, и сетях связи , Интеллектуальные системы, ориентированные на данные, Academic Press, п. 303, ISBN 978-0-12-811373-8 , получено 3 июня 2023 г.
^ Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1981). Теория и проектирование антенн . John Wiley & Sons, Inc. с. 60. ИСБН 0-471-04458-Х .

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

«Методы прогнозирования потерь на пути» .

[1] Сари, Ариф; Альзуби, Ахмед (01 января 2018 г.), Фикко, Массимо; Пальмиери, Франческо (ред.), «Глава 13. Алгоритмы потери пути для обеспечения устойчивости данных в беспроводных сетях области тела для инфраструктуры здравоохранения» , Безопасность и устойчивость в интеллектуальных системах, ориентированных на данные, и сетях связи , Интеллектуальные системы, ориентированные на данные, Academic Press, п. 303, ISBN 978-0-12-811373-8 , получено 3 июня 2023 г.

[Stutz-2] Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1981). Теория и проектирование антенн . John Wiley & Sons, Inc. с. 60. ИСБН 0-471-04458-Х .

[1]

[2]

v т и аналогового телевещания Темы
Systems	180-line 343-line 375-line 405-line (System A) 441-line 455-line 525-line (System M) 625-line (System B, System C, System D, System G, System H, System I, System K, System L, System N) 819-line (System E, System F)
Color systems	NTSC NTSC-J Clear-Vision PAL PAL-M PAL-S PALplus SECAM
Video	Back porch and front porch Black level Blanking level Chrominance Chrominance subcarrier Colorburst Color killer Color TV Composite video Frame (video) Horizontal scan rate Horizontal blanking interval Luma Nominal analogue blanking Overscan Raster scan Safe area Television lines Vertical blanking interval White clipper
Sound	Multichannel television sound NICAM Sound-in-Syncs Zweikanalton
Modulation	Frequency modulation Quadrature amplitude modulation Vestigial sideband modulation (VSB)
Transmission	Amplifiers Antenna (radio) Broadcast transmitter/Transmitter station Cavity amplifier Differential gain Differential phase Diplexer Dipole antenna Dummy load Frequency mixer Intercarrier method Intermediate frequency Output power of an analog TV transmitter Pre-emphasis Residual carrier Split sound system Superheterodyne transmitter Television receive-only Direct-broadcast satellite television Television transmitter Terrestrial television Transposer Digital television transition
Frequencies & bands	Frequency offset Microwave transmission Television channel frequencies UHF VHF
Propagation	Beam tilt Distortion Earth bulge Field strength in free space Noise (electronics) Null fill Path loss Radiation pattern Skew Television interference
Testing	Distortionmeter Field strength meter Vectorscope VIT signals Zero reference pulse
Artifacts	Dot crawl Ghosting Hanover bars Sparklies

v т и Модели распространения радиочастот
Free space	Free-space path loss Friis transmission equation Dipole field strength in free space
Terrain	ITU terrain model Egli model Longley–Rice Irregular Terrain Model (ITM) Two-ray ground-reflection model
Foliage	Weissberger's model Early ITU model One woodland terminal model Single vegetative obstruction model
Urban	Okumura model Hata model COST Hata model Young model Six-rays model Ten-rays model
Indoor	ITU model for indoor attenuation Log-distance path loss model
Other	VOACAP (HF) Area-to-area Lee model (900 MHz) Point-to-point Lee model (900 MHz) Longley–Rice model (20 MHz - 20 GHz)