Многолучевое распространение
Если расположение антенн в системе связи является относительно произвольным, может случиться так, что тракт связи совпадет с линией прямой видимости между передатчиком и приемником (при отсутствии препятствий, приводящих к интерференции). Как правило, именно такое расположение выбирается для спутниковых систем или двухточечных сверхвысокочастотных каналов связи. Противоположным примером может служить мобильная телефонная связь — в данном случае препятствия на пути распространения сигнала встречаются довольно часто. Препятствия могут отражать сигнал, что приводит к появлению нескольких его копий, поступающих с различными интервалами задержки. В некоторых крайних случаях исходный сигнал может вообще отсутствовать. В зависимости от разницы между траекториями распространения прямой волны и ее отраженных копий мощность первой может быть меньше или больше суммы мощностей отражённых сигналов. Для систем связи стационарных антенн с удачно выбранным расположением, а также связи спутника и неподвижной наземной станции может осуществляться усиление исходного сигнала и отсечение побочных компонентов, вызванных многолучевым распространением. Единственным исключением является прохождение сигнала над поверхностью воды, отражающая поверхность которой постоянно колеблется из-за ветра. Для систем мобильной телефонной связи, а также для антенн с неудачным расположением эффекты многолучевого распространения могут быть основным фактором, влияющим на качество сигнала.
На рисунках 5.2 и 5.3 схематически изображены основные виды многолучевого распространения, типичные для неподвижных сверхвысокочастотных устройств, а также для наземных и мобильных систем связи.
Рисунок 5.2 - Сверхвысокочастотная линия визирования
На первом из упомянутых рисунков, кроме распространения вдоль линии прямой видимости, сигнал может преломляться атмосферой. Могут также присутствовать сигнальные компоненты, вызванные отражением от земли. При мобильной связи отражающую поверхность представляют здания и другие объекты местности.
Рисунок 5.3 - Мобильная радиосвязь
Преломление
При распространении в атмосфере радиоволны преломляются (или изгибаются). Преломление является результатом изменения скорости волны по мере изменения высоты или же происходит вследствие других изменений состояния атмосферы. При нормальных условиях скорость сигнала увеличивается с высотой, что приводит к его "изгибанию" по направлению к земле. Однако в некоторых случаях погодные условия могут приводить к таким изменениям скорости распространения в зависимости от высоты, которые значительно отличаются от обычных флуктуаций. В итоге только часть волны, передаваемой вдоль линии прямой видимости, достигнет антенны приемника. Возможна также ситуация, при которой сигнал не будет получен вообще.
Пример:
Необходимо связать сетевые инфраструктуры двух офисов А и Б по беспроводной линии, рисунок 5.4:
Как видно из рисунка 5.4, офис Б находится вне зоны прямой видимости от офиса А. Заметим, что беспроводные сети WI-FIобычно не настраиваются на связь вне зоны прямой видимости, к таким подходам настроек прибегают только тогда, когда нет больше вариантов.
Так как офис Б находится на небольшом расстоянии от угла трёхэтажного дома, то для передачи сигнала воспользуемся физическими свойствами электромагнитной волны, без установки ретрансляторов. Для примера возьмём характеристики используемого излучения: диапазон частот 2,4 ГГц, длина волны 12 см (стандарт 802.11b(+)).
Рисунок 5.4
На рисунке 5.5 изображено три механизма распространения электромагнитных волн:
Рисунок 5.5
1.Если препятствие имеет размеры меньше или порядка длины волны, происходит рассеяние. Исходный сигнал разделяется на несколько более слабых сигналов. Для сверхвысоких частот, которые обычно используются в сотовой связи и в беспроводных сетях передачи данных, рассеяние может вызываться множеством объектов, например, фонарными столбами, деревьями, дорожными знаками.
2.Когда электромагнитная волна сталкивается с препятствием, размеры которого значительно превышают длину волн, происходит её отражение.
3.На краю объектов, непроницаемых для электромагнитного излучения, размеры которых значительно больше длинны волны, происходит дифракция. При поступлении на край такого объекта радиоволны начинают распространяться в разные стороны. При этом точку, в которой происходит дифракция, можно рассматривать как источник излучения. В результате сигнал может быть получен приёмником, который находится вне линии прямой видимости передатчика.
Даже при неблагоприятных погодных условиях, например, в сильный снег, будет наблюдаться хорошее качество связи. Оно достигается за счёт того, что длина волны в диапазоне 2,4 ГГц – 12 см намного больше размеров снежинок, града, дождевых капель или тумана, поэтому метеорологические явления не оказывают какого-либо влияния на работу канала передачи данных (проливной дождь ослабляет сигналы с интенсивностью до 0,05 дБ/км, густой туман вносит ослабление 0,02 дБ/км).
6 Расчёт зоны действия сигнала
6.1 Расчёт дальности работы беспроводного канала связи
Расчёт по графику
Эта методика позволяет определить теоретическую дальность работы беспроводного канала связи, построенного на оборудовании D-LINK (и не только) стандартов 802.11 b и g (частота 2.4 ГГц) и 802.11 а (час 5Г). Следует сразу отметить, что расстояние между антеннами, получаемое по формуле – максимально достижимое теоретически, а так как на беспроводную связи влияет множество факторов, получить такую дальность работы, особенно в черте города, увы, практически невозможно [2, 3, 6].
Для определения дальности связи необходимо рассчитать суммарное усиление тракта и по графику определить соответствующую этому значению дальность. Усиление тракта в дБ определяется по формуле:
(6.1)
где 
– мощность передатчика;
– коэффициент усиления передающей антенны;
– коэффициент усиления приемной антенны;
– реальная чувствительность приемника;
– потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта;
– потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.
По графику, приведённому на рисунке 6.1, находим необходимую дальность работы беспроводного канала связи.
Разберем каждый параметр на примере:
– мощность передатчика – мощность беспроводной точки доступа или адаптера в дБмВт. Эту информацию Вы можете найти в спецификации на оборудование. Для оборудования D-LINK это от 15 dBm для обычных точек доступа и карт и до 25 дБмВт для оборудования во внешнем исполнении DWL-2700AP и DWL-7700AP;
– коэффициент усиления передающей антенны (дБи). D-LINK предлагает антенны для внешнего и внутреннего использования от 4 до 21 дБи;
– коэффициент усиления приемной антенны. То же, что и , но "на другой стороне" радиолинка;
– чувствительность приемника, которую Вы также можете найти
Рисунок 6.1
в спецификации на оборудование. Чувствительность приемника зависит от скорости, на котором работает оборудование и задается со знаком "минус";
, – потери в коаксиальном кабеле и разъемах приемного или передающего тракта. Рассчитать потери можно следующим образом: предлагаемый нами кабель BELDEN 9880 имеет затухание 0,24 дБ/м, т.е. при 10-метровой длине кабеля затухание в нем составит 2,4 дБ. Также следует прибавить к потерям по ~ 0,5 - 1,5 дБ на каждый разъем. Итого: 10-метровый кабель между антенной и точкой доступа имеет потери 
дБ.
Предположим, что мы имеем две точки доступа DWL-900AP+ , две широконаправленные антенны ANT24-0801, каждая точка подключается к своей антенне 10-метровым кабелем, тогда
= 15 дБмВт; 
= 8 дБи; 
= 8 дБи;
= -79 дБмВт; 
= 5.4 дБ; 
= 5.4 дБ.
Отсюда
= 15+8+8-(-79)-5.4-5.4=99.2 дБ.
По графику (красная кривая для 2.4 GHz) определяем соответствующую этому значению дальность. Получаем дальность, равную ~300 метрам.
Напомню, что мы проводили расчет для скорости 11 Mbps.
При скорости 1 Mbps:
= -89 дБмВт;
тогда:
= 15+8+8-(-89)-5.4-5.4=109.2 дБ.
По графику (красная кривая для 2.4 GHz) определяем соответствующую этому значению дальность. Получаем дальность, равную ~1000 метрам.
Расчет по формуле
Без вывода приведём формулу для расчёта дальности. Она берётся из инженерной формулы расчёта потерь в свободном пространстве:
,
где FSL (free space loss) – потери в свободном пространстве (дБ);
F – центральная частота канала на котором работает система связи (МГц);
D – расстояние между двумя точками (км).
FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:
Суммарное усиление = Мощность передатчика (дБмВт) + | Чувствительность приёмника (–дБмВт)(по модулю) | + Коэф. Усиления антенны передатчика + Коэф усиления антенны приёмника – затухание в антенно-фидерном тракте передатчика – затухание в антенно-фидерном тракте приёмника – SOM.
Для каждой скорости приёмник имеет определённую чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2 мегабита) чувствительность наивысшая: от –90 дБмВт до –94 дБмВт. Для высоких скоростей чувствительность намного меньше. В качестве примера приведём несколько характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g:
# 54 Мбит/с: -66 дБмВт;
# 48 Мбит/с: -71 дБмВт;
# 36 Мбит/с: -76 дБмВт;
# 24 Мбит/с: -80 дБмВт;
# 18 Мбит/с: -83 дБмВт;
# 12 Мбит/с: -85 дБмВт;
# 9 Мбит/с: -86 дБмВт;
# 6 Мбит/с: -87 дБмВт и т.д.
В зависимости от марки радио-модулей максимальная чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для разных скоростей максимальная дальность будет разной.
SOM (System Operating Margin) – запас в энергетике радиосвязи (дБ). Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие, как:
- температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
- всевозможные погодные аномалии: туман, снег, дождь;
- рассогласование антенны, приёмника, передатчика с антенно-фидерным трактом.
Параметр SOM берётся равным 15 дБ. Считается, что 15-ти децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета.
Центральная частота канала F берётся из таблицы 6.1.
В итоге получим формулу дальность связи:
.
Т а б л и ц а 6.1 - Вычисление центральной частоты
| Канал | Центральная частота (МГц) |
6.2 Расчёт зоны Френеля
Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля (рисунок 6.2). Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.
Рисунок 6.2 - Зона Френеля
Радиус первой зоны Френеля в самой широкой части может быть рассчитан с помощью формулы:
(6.2)
где 
– радиус зоны Френеля (м);
– расстояние между антеннами (км);
– частота (ГГц).
Замечания:
- Обычно блокирование 20% зоны Френеля вносит незначительное затухание в канал. Свыше 40% затухание сигнала будет уже значительным, следует избегать попадания препятствий на пути распространения.
- Этот расчет сделан в предположении, что земля плоская. Он не учитывает кривизну земной поверхности. Для протяженных каналов следует проводить совокупный расчет, учитывающий рельеф местности и естественные преграды на пути распространения. В случае больших расстояний между антеннами следует стараться увеличивать высоту подвеса антенн, принимая во внимание кривизну земной поверхности.