Введение

Затухание сигнала в телекоммуникациях

Потеря сигнала в пути, или затухание сигнала в пути, – это уменьшение плотности мощности (затухание) электромагнитной волны при ее распространении в пространстве. Потеря сигнала в пути является важным компонентом при анализе и проектировании бюджета канала связи телекоммуникационной системы. Этот термин обычно используется в беспроводной связи и распространении радиосигналов. Потеря сигнала в пути может быть вызвана множеством факторов, таких как потеря в свободном пространстве, рефракция, дифракция, отражение, потеря при сопряжении с апертурой и поглощение. На потерю сигнала в пути также влияют рельеф местности, окружающая среда (городская или сельская, наличие растительности), среда распространения (сухой или влажный воздух), расстояние между передатчиком и приемником, а также высота и местоположение антенн.

Причины

Потеря траектории обычно включает в себя потери распространения, вызванные естественным расширением фронта радиоволны в свободном пространстве (которое обычно имеет форму постоянно увеличивающейся сферы), потери на поглощение (иногда называемые потерями на проникновение), возникающие при прохождении сигнала через среду, непрозрачную для электромагнитных волн, потери на дифракцию, когда часть фронта радиоволны заслоняется непрозрачным препятствием, и потери, вызванные другими явлениями. Сигнал, излучаемый передатчиком, может одновременно достигать приемника по множеству различных путей; этот эффект называется многолучевым распространением. Многолучевые волны складываются в антенне приемника, в результате чего полученный сигнал может значительно изменяться в зависимости от распределения интенсивности и относительного времени распространения волн, а также полосы пропускания передаваемого сигнала. Общая мощность интерферирующих волн при замирании Рэлея быстро меняется в зависимости от местоположения (это известно как маломасштабное замирание). Маломасштабное замирание относится к быстрым изменениям амплитуды радиосигнала в короткий промежуток времени или на небольшом расстоянии.

Показатель потерь

В исследовании беспроводной связи затухание сигнала может быть представлено показателем затухания, значение которого обычно находится в диапазоне от 2 до 4 (где 2 соответствует распространению в свободном пространстве, 4 – относительно сильно поглощающим средам и случаю полного зеркального отражения от поверхности Земли – так называемой модели плоской Земли). В некоторых средах, таких как здания, стадионы и другие закрытые помещения, показатель затухания может достигать значений в диапазоне от 4 до 6. С другой стороны, туннель может функционировать как волновод, что приводит к показателю затухания менее 2. Затухание сигнала обычно выражается в дБ. В простейшем случае затухание сигнала можно рассчитать по формуле

где – затухание сигнала в децибелах, – показатель затухания, – расстояние между передатчиком и приемником, обычно измеряемое в метрах, а – константа, учитывающая системные потери.

Примеры

В сотовых сетях, таких как UMTS и GSM, работающих в диапазоне UHF, значение потерь на пути распространения в застроенных районах может достигать 110–140 дБ на первом километре связи между базовой станцией (BTS) и мобильным устройством. Потери на пути распространения на первых десяти километрах могут составлять 150–190 дБ (Примечание: эти значения очень приблизительны и приведены лишь для иллюстрации диапазона, в котором могут находиться значения, используемые для выражения потерь на пути распространения; это не являются окончательными или обязательными цифрами. Потери на пути распространения могут значительно отличаться для одного и того же расстояния по разным трассам, и даже по одной и той же трассе, если измерения проводятся в разное время). В радиоволновой среде мобильной связи мобильная антенна расположена близко к земле. Модели распространения в прямой видимости (LOS) подвергаются значительным изменениям. Сигнал от антенны BTS, обычно расположенной выше крыш, преломляется и распространяется в местной физической среде (холмы, деревья, здания), и сигнал LOS редко достигает антенны. Окружающая среда вызывает несколько отражений сигнала на антенну, где обычно 2–5 отраженных компонентов сигнала складываются векторно. Эти процессы преломления и отражения приводят к ослаблению силы сигнала, которое изменяется при перемещении мобильной антенны (затухание Рэлея), вызывая мгновенные колебания до 20 дБ. Поэтому сеть проектируется с запасом по мощности сигнала по сравнению с LOS в диапазоне 8–25 дБ, в зависимости от характеристик физической среды, и дополнительно 10 дБ для компенсации затухания, вызванного движением.