Введение
радиопередачи Радиораспространение вне прямой видимости (NLOS) происходит за пределами типичной прямой видимости (LOS) между передатчиком и приемником, например, при отражении от земной поверхности. Условия близкой к прямой видимости (также NLOS) относятся к частичной преграде, создаваемой физическим объектом, находящимся во внутренней зоне Френеля. Препятствия, обычно вызывающие распространение NLOS, включают здания, деревья, холмы, горы и, в некоторых случаях, высоковольтные линии электропередач. Некоторые из этих препятствий отражают определенные радиочастоты, в то время как другие просто поглощают или искажают сигналы; однако в любом случае они ограничивают использование многих типов радиопередач, особенно при ограниченном бюджете мощности. Низкий уровень мощности на приемнике снижает вероятность успешного приема передачи. Низкий уровень может быть вызван как минимум тремя основными причинами: низкий уровень передачи, например, мощность Wi-Fi; удаленный передатчик, например, 3G на расстоянии более 5 миль (8 км) или телевидение на расстоянии более 31 мили (50 км); и препятствие между передатчиком и приемником, не оставляющее прямой путь. NLOS снижает эффективную принимаемую мощность. С условиями близкой к прямой видимости (Near Line Of Sight) обычно можно справиться с помощью более качественных антенн, но для условий отсутствия прямой видимости (Non Line Of Sight) обычно требуются альтернативные пути или методы многолучевого распространения. Достижение эффективной сети NLOS стало одним из ключевых вопросов современной компьютерной сети. В настоящее время наиболее распространенным методом решения проблем NLOS в беспроводных компьютерных сетях является обход условий NLOS и размещение ретрансляторов в дополнительных точках, направляя радиопередачу в обход препятствий. Некоторые более продвинутые схемы передачи NLOS теперь используют многолучевое распространение сигнала, отражая радиосигнал от близлежащих объектов для достижения приемника. Отсутствие прямой видимости (Non Line of Sight, NLOS) – это термин, часто используемый в радиосвязи для описания радиоканала или линии связи, где нет визуальной прямой видимости (LOS) между передающей и принимающей антеннами. В этом контексте LOS понимается либо как прямая линия, свободная от каких-либо визуальных препятствий, даже если она фактически слишком удалена для обзора невооруженным глазом, либо как виртуальная LOS, то есть прямая линия, проходящая через визуально препятствующий материал, обеспечивающая достаточную пропускную способность для обнаружения радиоволн. Многие электрические характеристики среды передачи влияют на распространение радиоволн и, следовательно, на качество работы радиоканала, если вообще возможно его функционирование по пути NLOS. Термин NLOS стал более популярным в контексте беспроводных локальных сетей (WLAN) и беспроводных сетей масштаба города, таких как WiMAX, поскольку способность таких сетей обеспечивать разумный уровень покрытия NLOS значительно повышает их привлекательность и универсальность в типичных городских условиях, где они наиболее часто используются. Однако NLOS включает в себя множество других подмножеств радиосвязи. Влияние визуального препятствия на связь NLOS может варьироваться от незначительного до полного подавления. Например, рассмотрим путь LOS между телевизионной передающей антенной и принимающей антенной, установленной на крыше. Если облако пройдет между антеннами, связь может фактически стать NLOS, но качество радиоканала может практически не измениться. Если же на пути будет построено большое здание, создающее условия NLOS, канал может оказаться недоступным для приема. Связь за пределами прямой видимости (Beyond Line Of Sight, BLOS) – это связанный термин, часто используемый в военной сфере для описания возможностей радиосвязи, связывающих персонал или системы, находящиеся на слишком большом расстоянии или полностью скрытые рельефом местности для связи LOS. Эти радиостанции используют активные ретрансляторы, распространение наземных волн, тропосферное рассеяние и ионосферное распространение для увеличения дальности связи от нескольких километров до нескольких тысяч километров.
Non line of sight (NLOS) radio propagation occurs outside of the typical line of sight (LOS) between the transmitter and receiver, such as in ground reflections. Near line of sight (also NLOS) conditions refer to partial obstruction by a physical object present in the innermost Fresnel zone. Obstacles that commonly cause NLOS propagation include buildings, trees, hills, mountains, and, in some cases, high voltage electric power lines. Some of these obstructions reflect certain radio frequencies, while some simply absorb or garble the signals; but, in either case, they limit the use of many types of radio transmissions, especially when low on power budget. Lower power levels at a receiver reduce the chance of successfully receiving a transmission. Low levels can be caused by at least three basic reasons: low transmit level, for example Wi Fi power levels; far away transmitter, such as 3G more than 5 mile (8 km) away or TV more than 31 mile (50 km) away; and obstruction between the transmitter and the receiver, leaving no clear path. NLOS lowers the effective received power. Near Line Of Sight can usually be dealt with using better antennas, but Non Line Of Sight usually requires alternative paths or multipath propagation methods. How to achieve effective NLOS networking has become one of the major questions of modern computer networking. Currently, the most common method for dealing with NLOS conditions on wireless computer networks is simply to circumvent the NLOS condition and place relays at additional locations, sending the content of the radio transmission around the obstructions. Some more advanced NLOS transmission schemes now use multipath signal propagation, bouncing the radio signal off other nearby objects to get to the receiver. Non Line of Sight (NLOS) is a term often used in radio communications to describe a radio channel or link where there is no visual line of sight (LOS) between the transmitting antenna and the receiving antenna. In this context LOS is taken
Either as a straight line free of any form of visual obstruction, even if it is actually too distant to see with the unaided human eye
As a virtual LOS i. e., as a straight line through visually obstructing material, thus leaving sufficient transmission for radio waves to be detected
There are many electrical characteristics of the transmission media that affect the radio wave propagation and therefore the quality of operation of a radio channel, if it is possible at all, over an NLOS path. The acronym NLOS has become more popular in the context of wireless local area networks (WLANs) and wireless metropolitan area networks such as WiMAX because the capability of such links to provide a reasonable level of NLOS coverage greatly improves their marketability and versatility in the typical urban environments where they are most frequently used. However NLOS contains many other subsets of radio communications. The influence of a visual obstruction on a NLOS link may be anything from negligible to complete suppression. An example might apply to a LOS path between a television broadcast antenna and a roof mounted receiving antenna. If a cloud passed between the antennas the link could actually become NLOS but the quality of the radio channel could be virtually unaffected. If, instead, a large building was constructed in the path making it NLOS, the channel may be impossible to receive. Beyond line of sight (BLOS) is a related term often used in the military to describe radio communications capabilities that link personnel or systems too distant or too fully obscured by terrain for LOS communications. These radios utilize active repeaters, groundwave propagation, tropospheric scatter links, and ionospheric propagation to extend communication ranges from a few kilometers to a few thousand kilometers.
Радиоволны как плоские электромагнитные волны
Из уравнений Максвелла следует, что радиоволны в свободном пространстве в дальней области (или области Фраунгофера) ведут себя как плоские волны. В плоских волнах электрическое поле, магнитное поле и направление распространения взаимно перпендикулярны. Для понимания механизмов, обеспечивающих успешную радиосвязь по непрямовидимым (NLOS) каналам, необходимо рассмотреть, как на эти плоские волны влияют объекты, визуально перекрывающие прямой (LOS) путь между антеннами. Следует отметить, что термины "радиоволны дальней области" и "радиоплоские волны" используются как взаимозаменяемые.
Что такое линия зрения?
По определению, линия видимости – это визуальная линия видимости, определяемая способностью среднего человеческого глаза различать удалённый объект. Наши глаза чувствительны к свету, но оптические длины волн значительно короче радиоволн. Оптические длины волн варьируются от примерно 400 нанометров (нм) до 700 нм, в то время как радиоволны – от приблизительно 1 миллиметра (мм) при 300 ГГц до 30 километров (км) при 10 кГц. Таким образом, даже самая короткая длина радиоволны примерно в 2000 раз превышает самую длинную оптическую длину волны. Для типичных частот связи до 10 ГГц эта разница составляет около 60 000 раз, поэтому не всегда корректно сравнивать визуальные препятствия, указывающие на непрямую видимость (NLOS), с теми же препятствиями, которые могут влиять на распространение радиоволн. NLOS-каналы могут быть симплексными (передача только в одном направлении), дуплексными (передача одновременно в обоих направлениях) или полудуплексными (передача возможна в обоих направлениях, но не одновременно). В нормальных условиях все радиоканалы, включая NLOS, обладают взаимностью – это означает, что влияние условий распространения на радиоканал одинаково независимо от того, работает он в режиме симплекс, дуплекс или полудуплекс. Однако условия распространения на разных частотах различны, поэтому традиционный дуплекс с разными частотами восходящей и нисходящей линии связи не обязательно является взаимным.
Хорошие проводники (плохие изоляторы)
Если материал является хорошим проводником или плохим изолятором, он существенно отражает падающие на него радиоволны с почти той же мощностью. Следовательно, материал практически не поглощает и не пропускает радиочастотную энергию, даже если он очень тонкий. Все металлы являются хорошими проводниками, и в городской среде существует множество объектов, вызывающих значительное отражение радиоволн, например, мосты, здания с металлическим фасадом, склады, самолеты, а также опоры и пилоны линий электропередач.
Хорошие изоляторы (плохие проводники)
Если материал является хорошим изолятором (или диэлектриком) или плохим проводником, и при этом существенно пропускает волны, падающие на него. Практически вся RF-мощность не поглощается, но часть может отражаться на его границах в зависимости от его относительной диэлектрической проницаемости по сравнению с диэлектрической проницаемостью свободного пространства, которая равна единице. Это основано на понятии волнового сопротивления, которое описано ниже. Существует немного крупных физических объектов, которые также являются хорошими изоляторами, за исключением пресноводных айсбергов, но они обычно не встречаются в городской среде. Однако большие объемы газа обычно ведут себя как диэлектрики. Примерами служат области земной атмосферы, плотность которых постепенно уменьшается с увеличением высоты до 10–20 км. На больших высотах, от 50 до 200 км, различные ионосферные слои также ведут себя как диэлектрики и сильно зависят от влияния Солнца. Ионосферные слои – это не газы, а плазмы.
Промежуточные материалы с конечной проводимостью
Большинство материалов, влияющих на распространение радиоволн по каналам связи NLOS, обладают промежуточными свойствами: они не являются ни хорошими изоляторами, ни хорошими проводниками. Радиоволны, падающие на препятствие, состоящее из тонкого материала с промежуточными свойствами, частично отражаются как на границе падения, так и на границе выхода, а частично поглощаются, в зависимости от толщины материала. Если препятствие достаточно толстое, радиоволна может быть полностью поглощена. Из-за этого поглощения такие материалы часто называют диэлектрическими поглотителями, хотя степень потерь обычно сильно варьируется и часто существенно зависит от содержания влаги. Они часто неоднородны и представляют собой смесь материалов с различными проводящими и изолирующими свойствами. Примерами могут служить холмы, склоны долин, горы (с обильной растительностью) и здания, построенные из камня, кирпича или бетона, но без арматуры. Чем больше толщина материала, тем выше потери. Например, стена поглощает значительно меньше радиочастотной энергии от нормально падающей волны, чем здание, построенное из того же материала.
Пассивные случайные отражения
Пассивные случайные отражения достигаются, когда плоские волны проходят один или несколько отраженных путей вокруг объекта, превращая прямой радиоканал (LOS) в непрямой (NLOS). Эти отраженные пути могут быть вызваны различными объектами, которые могут быть металлическими (очень хорошими проводниками, такими как стальной мост или самолет) или относительно хорошими проводниками для плоских волн, например, большими бетонными поверхностями зданий, стенами и т.п. Иногда этот метод рассматривается как грубый, поскольку при каждом отражении плоская волна испытывает потери, которые необходимо компенсировать увеличением выходной мощности передающей антенны по сравнению со случаем прямого радиоканала. Однако, этот метод недорогой и простой в реализации, и пассивные случайные отражения широко используются в городских условиях для обеспечения связи по непрямому каналу. Коммуникационные сервисы, использующие пассивные отражения, включают WiFi, WiMax, WiMAX MIMO, мобильную (сотовую) связь и наземное вещание в городских районах.
Пассивные ретрансляторы
Пассивные ретрансляторы могут использоваться для организации каналов связи NLOS путем преднамеренной установки точно спроектированного отражателя в критически важном месте, чтобы обеспечить обход препятствия. Однако они неприемлемы в большинстве городских условий из-за громоздкого отражателя, требующего точного размещения в, возможно, труднодоступном месте или в месте, не согласованном с градостроительными органами или владельцем здания. Пассивные рефлекторные каналы связи NLOS также характеризуются значительными потерями, поскольку принятый сигнал подчиняется закону "двойного обратного квадрата" – по одному разу для каждого участка пути от передающей до приемной антенны. Тем не менее, они успешно применялись в сельской горной местности для увеличения дальности прямой видимости (LOS) микроволновых каналов связи, обходя горы и создавая таким образом каналы NLOS. В таких случаях установка обычного активного ретранслятора часто оказывалась невозможной из-за сложностей с обеспечением электропитанием.
Активные ретрансляторы
Активный ретранслятор – это устройство с питанием, по сути состоящее из приемной антенны, приемника, передатчика и передающей антенны. Если концы NLOS-линии связи находятся в точках A и C, ретранслятор располагается в точке B, где линии связи A-B и B-C фактически являются LOS. Активный ретранслятор может просто усиливать принятый сигнал и повторно передавать его без изменений на той же частоте или на другой частоте. Первый вариант проще и дешевле, но требует хорошей изоляции между антеннами, чтобы избежать обратной связи. Однако это означает, что концу NLOS-линии связи в точке A или C не потребуется изменять частоту приема по сравнению с частотой, используемой для LOS-линии связи. Типичным применением может быть повтор или ретрансляция сигналов для транспортных средств, использующих автомобильные радиоприемники в туннелях. Ретранслятор, изменяющий частоту, позволит избежать проблем с обратной связью, но будет сложнее в разработке и дороже, а также потребует от приемника изменения частоты при переходе из зоны LOS в зону NLOS. Спутник связи является примером активного ретранслятора, который изменяет частоту. Спутники связи в большинстве случаев находятся на геосинхронной орбите на высоте 35 000 километров над экватором.
Распространение наземных волн
Применение вектора Пойнтинга к вертикально поляризованным плоским волнам в диапазонах LF (30 кГц – 300 кГц) и VLF (3 кГц – 30 кГц) показывает, что компонент поля проникает на несколько метров вглубь земной поверхности. Распространение характеризуется очень малыми потерями, что позволяет осуществлять связь на расстояния в тысячи километров по каналам связи без прямой видимости (NLOS). Однако, такие низкие частоты, по определению (теорема Котельникова — Найквиста — Шеннона), обладают очень низкой полосой пропускания, поэтому данный тип связи не получил широкого распространения.
Тропосферные режимы
Радиоволны в диапазонах VHF и UHF могут распространяться несколько дальше видимого горизонта благодаря рефракции в тропосфере – нижнем слое атмосферы, расположенном ниже 20 км (12 миль). Это обусловлено изменением показателя преломления воздуха в зависимости от температуры и давления. Тропосферная задержка является источником погрешностей в методах радиодальномерения, таких как глобальная система позиционирования (GPS). Помимо этого, при определенных необычных условиях возможно распространение сигнала на значительно большие расстояния.
Тропосферная рефракция
Препятствием, создающим канал связи NLOS, может быть сама Земля, например, если другой конец канала находится за оптическим горизонтом. Важным свойством атмосферы Земли является то, что в среднем плотность молекул газообразного воздуха уменьшается с увеличением высоты до примерно 30 км. Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная постепенно снижается, начиная примерно с 1.00536 на поверхности Земли. Для моделирования изменения показателя преломления с высотой атмосферу можно аппроксимировать множеством тонких воздушных слоев, каждый из которых имеет немного меньший показатель преломления, чем слой ниже. Траектория радиоволн, распространяющихся через такую модель атмосферы, на каждом интерфейсе аналогична траектории оптических лучей, переходящих из одной оптической среды в другую, как это предсказывается законом Снеллиуса. При переходе луча из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким, он отклоняется или преломляется от нормали к границе раздела согласно закону Снеллиуса. С учетом кривизны Земли установлено, что в среднем радиоволны, направленные изначально к оптическому горизонту, проходят по траектории, которая не возвращается на поверхность Земли в точке горизонта, а немного за ней. Расстояние от передающей антенны до точки возврата радиоволны приблизительно соответствует оптическому горизонту, если бы радиус Земли был в 4/3 раза больше его фактического значения. Правило "радиус Земли 4/3" является полезным эмпирическим правилом для инженеров радиосвязи при проектировании подобных каналов связи NLOS. Это правило для радиуса Земли 4/3 является усредненным значением для атмосферы Земли, предполагающим ее достаточную однородность, отсутствие температурных инверсий или необычных метеорологических условий. Каналы связи NLOS, использующие атмосферную рефракцию, обычно работают на частотах в диапазонах VHF и UHF, включая наземное вещание FM и телевизионные сигналы.
Аномальное размножение
Описанное выше явление, заключающееся в постепенном уменьшении индекса преломления атмосферы, относительной диэлектрической проницаемости или диэлектрической постоянной с увеличением высоты, обусловлено уменьшением плотности атмосферного воздуха с ростом высоты. Плотность воздуха также зависит от температуры, которая, как правило, также снижается с увеличением высоты. Однако это лишь общие условия; местные метеорологические условия могут приводить к образованию слоев температурной инверсии, когда теплый слой воздуха располагается над холодным. На границе между этими слоями наблюдается относительно резкое изменение показателя преломления – от меньшего значения в холодном слое к большему в теплом. По аналогии с оптическим законом Снеллиуса, это может вызывать значительное отражение радиоволн обратно к поверхности Земли, где они подвергаются дальнейшему отражению, создавая эффект волноводного распространения. В результате радиоволны могут распространяться значительно дальше своей расчетной зоны обслуживания с меньшим, чем обычно, затуханием. Этот эффект проявляется только в диапазонах VHF и UHF и часто используется радиолюбителями для обеспечения связи на аномально больших расстояниях для используемых частот. Для коммерческих служб связи его использование невозможно из-за его ненадежности (условия могут формироваться и рассеиваться за минуты) и возможности возникновения помех за пределами нормальной зоны обслуживания. Температурная инверсия и аномальное распространение могут наблюдаться на большинстве широт, но они более распространены в тропическом климате, чем в умеренном, и обычно связаны с областями высокого давления (антициклонами).
Тропосферные трубопроводы
Внезапные изменения вертикального содержания влаги в атмосфере и температурных профилей могут в случайных случаях обеспечивать распространение UHF, VHF и микроволновых сигналов на сотни километров (миль), до примерно —а в режиме волноводного распространения даже дальше— за пределы нормальной радиовидимости. Инверсионный слой чаще всего наблюдается над областями высокого давления, но существует несколько тропосферных погодных условий, которые создают эти спорадические режимы распространения. Высота инверсионного слоя при обычном распространении обычно находится между и при волноводном распространении около , а продолжительность явлений обычно составляет от нескольких часов до нескольких дней. На более высоких частотах наблюдается наиболее значительное увеличение силы сигнала, в то время как на низких VHF и HF эффект практически отсутствует. Затухание сигнала на пути распространения может быть меньше потерь в свободном пространстве. Некоторые менее выраженные типы инверсий, связанные с тёплой землёй и более прохладным содержанием влаги в воздухе, регулярно возникают в определённое время года и суток. Типичным примером могут служить тропосферные улучшения в конце лета, рано утром, которые обеспечивают приём сигналов с расстояний до нескольких сотен километров (миль) в течение нескольких часов, пока эффект не будет нивелирован нагревом от Солнца.
Тропосферное рассеивание (тропорассеиватель)
На VHF и более высоких частотах небольшие изменения (турбулентность) в плотности атмосферы на высоте около 6 миль (10 км) могут рассеивать часть обычно прямой видимости пучка радиочастотной энергии обратно к земле. В системах связи тропосферного рассеяния (тропоскаттера) мощный пучок микроволн направляется над горизонтом, а высокоусиленная антенна, расположенная за горизонтом и направленная на участок тропосферы, через который проходит пучок, принимает крошечный рассеянный сигнал. Системы тропоскаттера обеспечивают связь между станциями на расстоянии до 500 миль (805 км). Военные разработали сети, такие как Система связи «Белая Алиса», охватывавшую всю Аляску до 1960-х годов, когда спутниковая связь в значительной степени их вытеснила. Тропосферная рассеивающая NLOS-линия связи обычно работает на частотах в несколько гигагерц, используя потенциально очень высокие мощности передачи (обычно от 3 кВт до 30 кВт, в зависимости от условий), высокочувствительные приемники и антенны-рефлекторы с очень высоким коэффициентом усиления, как правило, неподвижные и большие. Передающий луч направляется в тропосферу непосредственно над горизонтом с достаточной плотностью потока энергии, чтобы молекулы газа и водяного пара вызывали рассеяние в области на пути луча, известной как объем рассеяния. Некоторые компоненты рассеянной энергии направляются в сторону приемных антенн и формируют принимаемый сигнал. Поскольку в этой области содержится большое количество рассеивающих частиц, статистическая модель затухания Рэлея может быть полезной для прогнозирования поведения и производительности в таких системах.
Рассеивание дождя
Рассеивание дождем – это исключительно микроволновой режим распространения, который лучше всего наблюдается в районе 10 ГГц, но простирается до нескольких гигагерц, при этом предел определяется соотношением размера рассеивающих частиц к длине волны. В этом режиме сигналы рассеиваются преимущественно вперед и назад при горизонтальной поляризации и в стороны – при вертикальной. Рассеивание в прямом направлении обычно обеспечивает дальность распространения до 800 км (500 миль). Рассеивание от снежинок и ледяной крупы также происходит, однако рассеивание от льда без водяной пленки менее эффективно. Наиболее распространенным применением этого явления является микроволновой доплеровский радар для измерения осадков, но распространение сигнала при рассеивании дождем может быть нежелательным, вызывая периодическое появление нежелательных сигналов там, где они не ожидаются или не требуются. Аналогичные отражения могут возникать и от насекомых, но на меньшей высоте и на более коротких расстояниях. Дождь также вызывает затухание сигнала в точечных и спутниковых микроволновых каналах связи. Затухание до 30 дБ наблюдалось на частоте 30 ГГц во время сильных тропических ливней.
Рассеивание молнии
Рассеивание молнии иногда наблюдается в диапазонах VHF и UHF на расстояниях около 500 км (300 миль). Горячий канал молнии рассеивает радиоволны в течение доли секунды. Радиочастотный импульс шума от молнии делает начальную часть открытого канала неработоспособной, а ионизация быстро исчезает из-за рекомбинации на малой высоте и высокого атмосферного давления. Несмотря на то, что горячий канал молнии можно ненадолго наблюдать с помощью микроволнового радара, практического применения этого режима в системах связи не найдено.
Конечная абсорбция
Если объект, преобразующий LOS-связь в NLOS, не является хорошим проводником, а представляет собой промежуточный материал, он поглощает часть падающей на него радиочастотной мощности. Однако, если материал имеет конечную толщину, поглощение также будет конечным, и результирующее ослабление радиоволн может быть допустимым, что позволит установить NLOS-связь, используя радиоволны, проходящие сквозь материал. Например, беспроводные локальные сети (WLAN) часто используют NLOS-связи с конечным поглощением для связи между точкой доступа WLAN и WLAN-клиентами в типичной офисной среде. Используемые радиочастоты, как правило, несколько гигагерц (ГГц), обычно проходят через несколько тонких офисных стен и перегородок с допустимым ослаблением. Однако, после прохождения через множество таких стен или через несколько толстых бетонных или аналогичных (неметаллических) стен, NLOS-связь становится неработоспособной.
Рассеивание метеоритов
Метеорное рассеяние основано на отражении радиоволн от интенсивно ионизированных столбов воздуха, создаваемых метеорами. Хотя этот режим характеризуется очень короткой продолжительностью – от долей секунды до нескольких секунд на одно событие – цифровая связь по метеорным всплескам (Meteor burst) позволяет удалённым станциям общаться со станцией, находящейся на расстоянии сотен, а иногда и более миль, без затрат, связанных с использованием спутниковой связи. Этот режим наиболее эффективен в диапазоне VHF частот от 30 до 250 МГц.
Авроральный обратный рассеятель
Интенсивные колонны ионизации полярного сияния на высоте 100 км (60 миль) в пределах овала полярного сияния отражают радиоволны, включая радиоволны в диапазонах HF и VHF. Обратное рассеяние чувствительно к углу – угол падения луча на линию магнитного поля колонны должен быть очень близок к прямому углу. Случайные движения электронов, вращающихся по спирали вокруг линий магнитного поля, создают доплеровское расширение, которое расширяет спектры излучения, делая их более или менее похожими на шум, в зависимости от используемой радиочастоты. Радиоавроры наблюдаются преимущественно на высоких широтах и редко достигают средних широт. Частота возникновения радиоаврор зависит от солнечной активности (вспышки, корональные дыры, корональные выбросы массы), и количество событий ежегодно возрастает в периоды максимумов солнечного цикла. Радиоаврора включает так называемую дневную радиоаврору, которая производит более сильные, но более искаженные сигналы, а после минимумов Харанга восстанавливается поздняя ночная радиоаврора (фаза субшторма) с переменной интенсивностью сигнала и меньшим доплеровским разбросом. Радиус действия этого преимущественно режима обратного рассеяния достигает примерно 2000 км (1250 миль) в плоскости восток-запад, но наиболее сильные сигналы чаще всего наблюдаются с севера в близлежащих точках на тех же широтах. В редких случаях за сильной радиоавророй следует авроральный E-слой, который в некоторых аспектах напоминает оба типа распространения.
Спорадическое размножение
Спорадическое распространение E (Es) происходит в диапазонах высокой и очень высокой частот. Его не следует путать с обычным распространением радиоволн в слое E. Спорадическое E в средних широтах наблюдается преимущественно в летний сезон – с мая по август в Северном полушарии и с ноября по февраль в Южном полушарии. Единой причины для этого загадочного режима распространения не существует. Отражение происходит в тонком слое ионизации на высоте около 90 км. Области ионизации дрейфуют в западном направлении со скоростью в несколько сотен километров в час. В течение сезона отмечается слабая периодичность: как правило, Es наблюдается в течение 1–3 последовательных дней, после чего исчезает на несколько дней и затем появляется снова. Es не возникает в ночное время; события обычно начинаются на рассвете, с пиком во второй половине дня и вторичным пиком вечером. Распространение обычно прекращается к полуночи. Наблюдения за радиомаяками, работающими вблизи частот 28,2 МГц, 50 МГц и 70 МГц, показывают, что максимальная наблюдаемая частота (МОЧ) для Es чаще всего находится в районе 30 МГц в летний сезон, но иногда МОЧ может резко возрастать до 100 МГц и даже выше за десять минут, а затем медленно снижаться в течение следующих нескольких часов. Пиковая фаза характеризуется колебаниями МОЧ с периодичностью примерно 5–10 минут. Дальность распространения при однократном отражении обычно составляет от 1000 до 2000 км, но при многократных отражениях наблюдается удвоенная дальность. Сигналы очень сильные, но при этом подвержены медленному и глубокому затуханию.
Рассеивание самолета
Рассеивание (или чаще отражение) от самолетов наблюдается в диапазоне ВЧ до СВЧ и, помимо обратного рассеяния, обеспечивает кратковременное распространение сигнала на расстояние до 500 км (300 миль) даже в гористой местности. Наиболее распространенные области применения обратного рассеяния – это радары управления воздушным движением, бистатические ракеты с наведением по переднему рассеянию, радары-ловушки для обнаружения самолетов и космические радары США.
Дифракция
Дифракция на острой кромке – это режим распространения, при котором радиоволны огибают острые препятствия. Например, этот режим используется для передачи радиосигналов через горный хребет, когда прямой видимости нет. Однако угол не должен быть слишком малым, иначе сигнал не сможет диффрагировать. Для дифракционного режима требуется большая мощность сигнала, поэтому потребуется более высокая мощность передатчика или более эффективные антенны, чем для сопоставимой прямой видимости. Дифракция зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия, то есть от размера препятствия, выраженного в длинах волн. Низкие частоты легче огибают большие гладкие препятствия, такие как холмы. Например, во многих случаях, когда связь в диапазоне VHF (или на более высоких частотах) невозможна из-за затенения холмом, все же можно установить связь, используя верхнюю часть диапазона HF, где поверхностная волна практически не используется. Дифракционные явления, возникающие при взаимодействии с малыми препятствиями, также важны на высоких частотах. Сигналы для городской сотовой связи в значительной степени определяются эффектами земной плоскости при распространении над крышами зданий. Затем они диффрагируют от краев крыш на улицу, где преобладают многолучевое распространение, поглощение и дифракция.
Поглощение
Низкочастотные радиоволны легко проходят сквозь кирпич и камень, а СЧВ (VLF) даже проникает в морскую воду. С ростом частоты эффекты поглощения становятся более значительными. На микроволновых и более высоких частотах поглощение, вызванное молекулярными резонансами в атмосфере (преимущественно от воды, H2O и кислорода, O2), является основным фактором, влияющим на распространение радиоволн. Например, в диапазоне 58–60 ГГц наблюдается выраженный пик поглощения, что делает этот диапазон непригодным для связи на большие расстояния. Это явление было впервые обнаружено в ходе радиолокационных исследований во время Второй мировой войны. Выше примерно 400 ГГц атмосфера Земли блокирует большую часть спектра, пропуская при этом некоторое излучение вплоть до ультрафиолетового света, который поглощается озоном, но видимый свет и часть ближнего инфракрасного излучения проходят сквозь неё. Сильные дожди и снегопады также влияют на поглощение микроволн.
Влияние на позиционирование
В большинстве современных систем локализации предполагается, что принимаемые сигналы распространяются по прямой видимости (LOS). Однако, нарушение этого предположения может привести к неточным данным об определении местоположения. В системах локализации, основанных на времени прибытия сигнала, излученный сигнал может достигать приемника только по непрямой видимости (NLOS). Ошибка NLOS определяется как дополнительное расстояние, пройденное принятым сигналом по сравнению с расстоянием по прямой видимости. Ошибка NLOS всегда имеет положительное смещение, величина которого зависит от условий распространения сигнала.