Ausbreitung ohne Sichtlinie - Non-line-of-sight propagation

Die Funkausbreitung ohne Sichtlinie ( NLOS ) tritt außerhalb der typischen Sichtlinie (LOS) zwischen dem Sender und dem Empfänger auf, beispielsweise bei Bodenreflexionen . Near-Line-of-Sight (auch NLOS )-Bedingungen beziehen sich auf eine teilweise Behinderung durch ein physikalisches Objekt, das sich in der innersten Fresnel-Zone befindet .

Hindernisse, die gewöhnlich eine NLOS-Ausbreitung verursachen, umfassen Gebäude, Bäume, Hügel, Berge und in einigen Fällen elektrische Hochspannungsleitungen . Einige dieser Hindernisse reflektieren bestimmte Funkfrequenzen, während andere die Signale einfach absorbieren oder verstümmeln; aber in jedem Fall schränken sie die Verwendung vieler Arten von Funkübertragungen ein, insbesondere wenn das Leistungsbudget gering ist.

Niedrigere Leistungspegel an einem Empfänger verringern die Chance, eine Übertragung erfolgreich zu empfangen. Niedrige Pegel können durch mindestens drei grundlegende Gründe verursacht werden: niedriger Sendepegel, zum Beispiel Wi-Fi- Leistungspegel; weit entfernte Sender, wie 3G mehr als 5 Meilen (8,0 km) entfernt oder TV mehr als 31 Meilen (50 km) entfernt; und Hindernisse zwischen Sender und Empfänger, so dass kein freier Weg bleibt.

NLOS senkt die effektive empfangene Leistung. Nahe Sichtlinie kann normalerweise mit besseren Antennen behandelt werden, aber Nicht-Sichtlinie erfordert normalerweise alternative Pfade oder Mehrwege-Ausbreitungsmethoden.

Wie eine effektive NLOS-Vernetzung erreicht werden kann, ist zu einer der wichtigsten Fragen moderner Computernetzwerke geworden. Gegenwärtig besteht das gebräuchlichste Verfahren zum Umgang mit NLOS-Bedingungen in drahtlosen Computernetzwerken einfach darin, die NLOS-Bedingungen zu umgehen und Relais an zusätzlichen Orten zu platzieren, die den Inhalt der Funkübertragung um die Hindernisse herum senden. Einige fortschrittlichere NLOS-Übertragungsschemata verwenden jetzt Mehrwege- Signalausbreitung, wobei das Funksignal von anderen nahe gelegenen Objekten reflektiert wird, um zum Empfänger zu gelangen.

Non-Line-of-Sight (NLOS) ist ein Begriff , der häufig in verwendeten Funkkommunikation einen Funkkanal oder einen Link zu beschreiben , wo es keine visuelle Sichtlinie (LOS) zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne . In diesem Zusammenhang wird LOS genommen

• Entweder als gerade Linie frei von jeglicher Form von Sehbehinderung, auch wenn sie mit bloßem Auge eigentlich zu weit entfernt ist
• Als virtuelle LOS, dh als gerade Linie durch visuell störendes Material, so dass genügend Transmission für die Detektion von Funkwellen übrig bleibt

Es gibt viele elektrische Eigenschaften der Übertragungsmedien, die die Funkwellenausbreitung und damit die Betriebsqualität eines Funkkanals, wenn dies überhaupt möglich ist, über einen NLOS-Pfad beeinflussen.

Das Akronym NLOS hat im Zusammenhang mit drahtlosen lokalen Netzwerken (WLANs) und drahtlosen Stadtnetzen wie WiMAX an Popularität gewonnen, da die Fähigkeit solcher Verbindungen, eine angemessene NLOS-Abdeckung bereitzustellen, ihre Marktfähigkeit und Vielseitigkeit im typischen städtischen Bereich erheblich verbessert Umgebungen, in denen sie am häufigsten verwendet werden. NLOS enthält jedoch viele andere Teilmengen von Funkkommunikationen.

Der Einfluss einer Sichtbehinderung auf eine NLOS-Verbindung kann von vernachlässigbar bis zur vollständigen Unterdrückung reichen. Ein Beispiel könnte für einen LOS-Pfad zwischen einer Fernsehrundfunkantenne und einer auf dem Dach montierten Empfangsantenne gelten. Wenn eine Wolke zwischen den Antennen hindurchgeht, könnte die Verbindung tatsächlich zu NLOS werden, aber die Qualität des Funkkanals könnte praktisch nicht beeinträchtigt werden. Wenn stattdessen ein großes Gebäude auf dem Weg errichtet wurde, der es NLOS macht, kann der Kanal möglicherweise nicht empfangen werden.

Beyond Line-of-Sight ( BLOS ) ist ein verwandter Begriff, der im Militär häufig verwendet wird, um Funkkommunikationsfähigkeiten zu beschreiben, die Personal oder Systeme verbinden, die zu weit entfernt oder zu vollständig vom Gelände für die LOS-Kommunikation verdeckt sind. Diese Funkgeräte verwenden aktive Repeater , Bodenwellenausbreitung , troposphärische Streuverbindungen und ionosphärische Ausbreitung , um die Kommunikationsreichweite von einigen Meilen auf einige tausend Meilen zu erweitern.

Radiowellen als ebene elektromagnetische Wellen

Aus den Maxwell-Gleichungen finden wir, dass sich Radiowellen, wie sie im freien Raum im Fernfeld oder Fraunhofer- Bereich existieren, wie ebene Wellen verhalten . Bei ebenen Wellen stehen elektrisches Feld , magnetisches Feld und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander . Um die verschiedenen Mechanismen zu verstehen, die eine erfolgreiche Funkkommunikation über NLOS-Pfade ermöglichen, müssen wir uns überlegen, wie solche ebenen Wellen durch das Objekt oder die Objekte beeinflusst werden, die den ansonsten LOS-Pfad zwischen den Antennen visuell behindern. Es versteht sich, dass die Begriffe Funkfernfeldwellen und Funkebenenwellen austauschbar sind.

Was ist Sichtlinie?

Per Definition Sichtlinie ist die visuelle Sichtlinie, die durch die Fähigkeit des durchschnittlichen bestimmt menschliche Auge ein entferntes Objekt zu lösen. Unsere Augen sind lichtempfindlich, aber optische Wellenlängen sind im Vergleich zu Radiowellenlängen sehr kurz. Optische Wellenlängen reichen von etwa 400 Nanometer (nm) bis 700 nm, aber Funkwellenlängen reichen von etwa 1 Millimeter (mm) bei 300 GHz bis 30 Kilometer (km) bei 10 kHz. Selbst die kürzeste Radiowellenlänge ist daher etwa 2000 mal länger als die längste optische Wellenlänge. Bei typischen Kommunikationsfrequenzen bis zu etwa 10 GHz liegt der Unterschied in der Größenordnung von 60.000 Mal, so dass es nicht immer zuverlässig ist, visuelle Hindernisse, wie sie einen NLOS-Pfad vorschlagen könnten, mit denselben Hindernissen zu vergleichen, die einen Funkausbreitungspfad beeinträchtigen könnten .

NLOS-Verbindungen können entweder Simplex (Übertragung nur in eine Richtung), Duplex (Übertragung erfolgt in beide Richtungen gleichzeitig) oder Halbduplex (Übertragung ist in beide Richtungen, aber nicht gleichzeitig möglich) sein. Unter normalen Bedingungen sind alle Funkverbindungen, einschließlich NLOS1, reziprok – was bedeutet, dass die Auswirkungen der Ausbreitungsbedingungen auf den Funkkanal identisch sind, egal ob er im Simplex-, Duplex- oder Halbduplexbetrieb arbeitet. Die Ausbreitungsbedingungen auf verschiedenen Frequenzen sind jedoch unterschiedlich, so dass herkömmlicher Duplex mit unterschiedlichen Uplink- und Downlink-Frequenzen nicht unbedingt reziprok ist.

Wie werden ebene Wellen von der Größe und den elektrischen Eigenschaften des Hindernisses beeinflusst?

Im Allgemeinen hängt die Beeinflussung einer ebenen Welle durch ein Hindernis von der Größe des Hindernisses im Verhältnis zu seiner Wellenlänge und den elektrischen Eigenschaften des Hindernisses ab. Zum Beispiel könnte ein Heißluftballon mit mehreren Wellenlängen, der zwischen den Sende- und Empfangsantennen vorbeifliegt, ein erhebliches Sichthindernis darstellen, aber es ist unwahrscheinlich, dass die NLOS-Funkausbreitung stark beeinträchtigt wird, vorausgesetzt, er ist aus Stoff und voller heißer Luft, beides sind gute Isolatoren. Umgekehrt würde ein Metallhindernis mit Abmessungen vergleichbar einer Wellenlänge erhebliche Reflexionen verursachen. Bei der Betrachtung der Größe des Hindernisses gehen wir davon aus, dass seine elektrischen Eigenschaften der häufigste mittlere oder verlustbehaftete Typ sind.

Hindernisgröße

Im Großen und Ganzen gibt es drei ungefähre Größen von Hindernissen in Bezug auf eine Wellenlänge, die in einem möglichen NLOS-Pfad zu berücksichtigen sind – nämlich:

• Viel kleiner als eine Wellenlänge
• Die gleiche Ordnung wie eine Wellenlänge
• Viel größer als eine Wellenlänge

Wenn die Abmessungen des Hindernisses viel kleiner sind als die Wellenlänge der einfallenden ebenen Welle, wird die Welle im Wesentlichen nicht beeinflusst. Zum Beispiel hat Niederfrequenz (NF)-Sendungen, auch als Langwellen bekannt , bei etwa 200 kHz eine Wellenlänge von 1500 m und wird von den meisten durchschnittlich großen Gebäuden, die viel kleiner sind, nicht wesentlich beeinflusst.

Wenn die Abmessungen des Hindernisses dieselbe Größenordnung wie eine Wellenlänge haben, gibt es einen gewissen Beugungsgrad um das Hindernis herum und möglicherweise eine gewisse Transmission durch es hindurch. Die einfallende Funkwelle könnte leicht abgeschwächt werden und es kann eine Wechselwirkung zwischen den gebeugten Wellenfronten geben.

Wenn das Hindernis Abmessungen von vielen Wellenlängen hat, hängen die einfallenden ebenen Wellen stark von den elektrischen Eigenschaften des Materials ab, das das Hindernis bildet.

Elektrische Eigenschaften von Hindernissen, die NLOS verursachen können

Die elektrischen Eigenschaften des Materials, das ein Hindernis für Funkwellen bildet, können von einem perfekten Leiter auf der einen Seite bis zu einem perfekten Isolator auf der anderen Seite reichen . Die meisten Materialien haben sowohl Leiter- als auch Isolatoreigenschaften. Sie können gemischt werden: zum Beispiel resultieren viele NLOS-Pfade aus der Behinderung des LOS-Pfads durch Stahlbetongebäude aus Beton und Stahl . Beton ist im trockenen Zustand ein ziemlich guter Isolator und Stahl ist ein guter Leiter. Alternativ kann das Material ein homogenes verlustbehaftetes Material sein.

Der Parameter, zu welchem Grad beschreibt ein Material ist ein Leiter oder Isolator ist bekannt als , oder das Verlust - Tangens , gegeben durch ${\displaystyle \tan\delta}$

${\displaystyle \tan\delta ={\frac {\sigma }{\omega \epsilon _{0}\epsilon_{r}}}}$

wo

${\displaystyle \sigma}$ist die Leitfähigkeit des Materials in Siemens pro Meter (S/m)

${\displaystyle \omega =2\pi f}$ist die Kreisfrequenz der ebenen HF-Welle in Radiant pro Sekunde (rad/s) und ist ihre Frequenz in Hertz (Hz).${\displaystyle f}$

${\displaystyle \epsilon _{0}}$ist die absolute Permittivität des freien Raums in Farad pro Meter (F/m)

und

${\displaystyle \epsilon_{r}}$ist die relative Permittivität des Materials (auch als Dielektrizitätskonstante bekannt ) und hat keine Einheiten.

Gute Leiter (schlechte Isolatoren)

Wenn das Material ein guter Leiter oder ein schlechter Isolator ist und die einfallenden Funkwellen im Wesentlichen mit fast gleicher Leistung reflektiert . Daher wird praktisch keine HF-Leistung vom Material selbst absorbiert und praktisch keine übertragen, selbst wenn es sehr dünn ist. Alle Metalle sind gute Leiter und es gibt natürlich viele Beispiele, die im städtischen Umfeld erhebliche Reflexionen von Funkwellen verursachen , zum Beispiel Brücken, metallverkleidete Gebäude, Lagerhallen, Flugzeuge und Strommasten oder Masten . ${\displaystyle \sigma\gg\omega \epsilon_{0}\epsilon_{r}}$

Gute Isolatoren (schlechte Leiter)

Wenn das Material ein guter Isolator (oder Dielektrikum) oder ein schlechter Leiter ist und im Wesentlichen darauf einfallende Wellen überträgt . Es wird praktisch keine HF-Leistung absorbiert, aber ein Teil kann an ihren Grenzen reflektiert werden, abhängig von ihrer relativen Permittivität im Vergleich zu der des freien Raums, die Eins ist. Dies verwendet das Konzept der Eigenimpedanz, das unten beschrieben wird. Es gibt nur wenige große physische Objekte, die auch gute Isolatoren sind, mit der interessanten Ausnahme von Süßwasser- Eisbergen, aber diese kommen normalerweise nicht in den meisten städtischen Umgebungen vor. Große Gasmengen verhalten sich jedoch im Allgemeinen wie Dielektrika. Beispiele hierfür sind Regionen der Erdatmosphäre , deren Dichte mit zunehmender Höhe bis zu 10 bis 20 km allmählich abnimmt . Auch in größeren Höhen von etwa 50 km bis 200 km verhalten sich verschiedene ionosphärische Schichten wie Dielektrika und sind stark vom Einfluss der Sonne abhängig . Ionosphärische Schichten sind keine Gase, sondern Plasmen . ${\displaystyle \sigma \ll\omega \epsilon_{0}\epsilon_{r}}$

Ebene Wellen und Eigenimpedanz

Selbst wenn ein Hindernis ein perfekter Isolator ist, kann es aufgrund seiner relativen Permittivität, die sich von der der Atmosphäre unterscheidet, einige reflektierende Eigenschaften aufweisen . Elektrische Materialien, durch die sich ebene Wellen ausbreiten können, haben eine Eigenschaft namens Eigenimpedanz ( ) oder elektromagnetische Impedanz, die der charakteristischen Impedanz eines Kabels in der Übertragungsleitungstheorie analog ist . Die Eigenimpedanz eines homogenen Materials ist gegeben durch: ${\displaystyle \epsilon_{r}}$${\displaystyle \eta}$

${\displaystyle \eta ={\sqrt {\frac {\mu_{0}\mu_{r}}{\epsilon_{0}\epsilon_{r}}}}}$

wo

${\displaystyle \mu_{0}}$ist die absolute Permeabilität in Henry pro Meter (H/m) und ist eine auf H/m festgelegte Konstante${\displaystyle 4\pi\cdot 10^{-7}}$

${\displaystyle \mu_{r}}$ ist die relative Permeabilität (ohne Einheit)

${\displaystyle \epsilon _{0}}$ist die absolute Permittivität in Farad pro Meter (F/m) und ist eine Konstante fest auf F/m${\displaystyle 8.85\cdot 10^{-12}}$

${\displaystyle \epsilon_{r}}$ ist die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante (ohne Einheit)

Für den Freiraum und damit ist die Eigenimpedanz des Freiraums gegeben durch ${\displaystyle \mu_{r}=1}$${\displaystyle \epsilon_{r}=1}$${\displaystyle \eta _{0}}$

${\displaystyle \eta_{0}={\sqrt {\frac {\mu_{0}}{\epsilon_{0}}}}}$

das ergibt ungefähr 377 . ${\displaystyle \Omega}$

Reflexionsverluste an dielektrischen Grenzen

In Analogie zur Theorie der ebenen Welle und der Theorie der Übertragungsleitung ist die Definition des Reflexionskoeffizienten ein Maß für den Reflexionsgrad normalerweise an der Grenze, wenn eine ebene Welle von einem dielektrischen Medium zu einem anderen übergeht. Wenn die innere Impedanz der ersten und zweiten Medien zum Beispiel waren und jeweils die Reflexionskoeffizienten des Mediums 2 in Bezug auf 1, ist gegeben durch: ${\displaystyle \Gamma}$${\displaystyle \eta _{1}}$${\displaystyle \eta _{2}}$${\displaystyle \Gamma_{21}}$

${\displaystyle \Gamma_{21}={\frac {\eta_{2}-\eta_{1}}{\eta_{2}+\eta_{1}}}}$

Das logarithmische Maß in Dezibel ( ), wie das übertragene HF-Signal über die NLOS-Verbindung durch eine solche Reflexion beeinflusst wird, ergibt sich aus: ${\displaystyle T_{r}}$

${\displaystyle T_{ref}=10\log_{10}(1-\left|\Gamma_{21}\right|^{2})dB}$

Zwischenmaterialien mit endlicher Leitfähigkeit

Die meisten Materialien des Typs, der die Funkwellenübertragung über NLOS-Verbindungen beeinflusst, sind Zwischenprodukte: Sie sind weder gute Isolatoren noch gute Leiter. Auf ein Hindernis mit einem dünnen Zwischenmaterial einfallende Funkwellen werden je nach Dicke sowohl an der Einfalls- als auch an der Austrittsgrenze teilweise reflektiert und teilweise absorbiert. Wenn das Hindernis dick genug ist, kann die Funkwelle vollständig absorbiert werden. Aufgrund der Absorption werden diese oft als verlustbehaftete Materialien bezeichnet, wobei der Verlustgrad meist sehr variabel und oft sehr abhängig von der vorhandenen Feuchtigkeit ist. Sie sind oft heterogen und bestehen aus einer Mischung von Materialien mit unterschiedlichen Leiter- und Isolatoreigenschaften. Solche Beispiele sind Hügel, Talseiten, Berge (mit beträchtlicher Vegetation) und Gebäude aus Stein, Ziegeln oder Beton, aber ohne verstärkten Stahl. Je dicker sie sind, desto größer ist der Verlust. Zum Beispiel absorbiert eine Wand viel weniger HF-Leistung von einer normal einfallenden Welle als ein Gebäude aus dem gleichen Material.

Mittel zur Erzielung einer Übertragung ohne Sichtverbindung

Passive zufällige Reflexionen

Passive zufällige Reflexionen werden erreicht, wenn ebene Wellen einem oder mehreren reflektierenden Pfaden um ein Objekt ausgesetzt sind, die einen ansonsten LOS-Funkpfad zu NLOS machen. Die reflektierenden Pfade können durch verschiedene Objekte verursacht werden, die entweder metallisch sein können (sehr gute Leiter wie eine Stahlbrücke oder ein Flugzeug ) oder relativ gute Leiter für ebene Wellen wie große Flächen von Betonwänden, Wänden usw. Manchmal wird dies in Betracht gezogen ein Brute-Force- Verfahren, da die ebene Welle bei jeder Reflexion einen Übertragungsverlust erleidet, der durch eine höhere Ausgangsleistung der Sendeantenne kompensiert werden muss, verglichen mit einer LOS-Verbindung. Die Technik ist jedoch billig und einfach anzuwenden, und passive Zufallsreflexionen werden in städtischen Gebieten weithin ausgenutzt, um NLOS zu erreichen. Kommunikationsdienste, die passive Reflexionen verwenden, umfassen WiFi , WiMax , WiMAX MIMO , mobile (zellulare) Kommunikation und terrestrische Übertragung in städtische Gebiete.

Passive Repeater

Passive Repeater können verwendet werden, um NLOS-Verbindungen zu erreichen, indem absichtlich ein präzise konstruierter Reflektor an einer kritischen Position installiert wird, um einen Weg um das Hindernis herum bereitzustellen. Sie sind jedoch in den meisten städtischen Umgebungen inakzeptabel, da der sperrige Reflektor eine kritische Positionierung an einer möglicherweise unzugänglichen oder für die Planungsbehörden oder den Eigentümer des Gebäudes nicht akzeptablen Stelle erfordert. Passive Reflektor-NLOS-Verbindungen erleiden auch einen erheblichen Verlust, da das empfangene Signal eine "Doppelte -Quadrat-Gesetz "-Funktion des Sendesignals ist, eine für jeden Sprung von der Sendeantenne zur Empfangsantenne. Sie wurden jedoch erfolgreich in ländlichen Berggebieten verwendet, um die Reichweite von LOS- Mikrowellenverbindungen um Berge herum zu erweitern, wodurch NLOS-Verbindungen geschaffen wurden. In solchen Fällen war die Installation des üblicheren aktiven Repeaters aufgrund von Problemen bei der Beschaffung einer geeigneten Stromversorgung in der Regel nicht möglich.

Aktive Repeater

Ein aktiver Repeater ist ein mit Strom versorgtes Gerät, das im Wesentlichen aus einer Empfangsantenne, einem Empfänger, einem Sender und einer Sendeantenne besteht. Wenn sich die Enden der NLOS-Verbindung an den Positionen A und C befinden, befindet sich der Repeater an Position B, wo die Verbindungen AB und BC tatsächlich LOS sind. Der aktive Repeater kann einfach verstärken das empfangene Signal und Wieder übermittelt er an un-verändert entweder der gleichen Frequenz oder eine andere Frequenz. Der erstere Fall ist einfacher und billiger, erfordert jedoch eine gute Isolierung zwischen zwei Antennen, um Rückkopplungen zu vermeiden. Dies bedeutet jedoch, dass das Ende der NLOS-Verbindung bei A oder C nicht die Empfangsfrequenz von der für eine LOS-Verbindung verwendeten ändern muss. Eine typische Anwendung könnte das Wiederholen oder erneute Senden von Signalen für Fahrzeuge sein, die Autoradios in Tunneln verwenden. Ein Repeater, der die Frequenz ändert, würde jegliche Rückkopplungsprobleme vermeiden, wäre jedoch schwieriger zu entwerfen und teurer, und es würde einen Empfänger erfordern, die Frequenz zu ändern, wenn er sich von der LOS- in die NLOS-Zone bewegt.

Ein Kommunikationssatellit ist ein Beispiel für einen aktiven Repeater, der die Frequenz ändert. Kommunikationssatelliten befinden sich in den meisten Fällen in einer geosynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 22.300 Meilen (35.000 km) über dem Äquator .

Bodenwellenausbreitung

Die Anwendung des Poynting-Vektors auf vertikal polarisierte ebene Wellen bei LF (30 kHz bis 300 kHz) und VLF (3 kHz bis 30 kHz) zeigt an, dass sich eine Komponente des Feldes einige Meter in die Erdoberfläche ausbreitet. Die Ausbreitung ist sehr verlustarm und Kommunikation über Tausende von Meilen über NLOS-Verbindungen möglich. Allerdings haben solche niedrigen Frequenzen per Definition ( Nyquist-Shannon-Abtasttheorem ) eine sehr geringe Bandbreite, so dass diese Art der Kommunikation nicht weit verbreitet ist.

Troposphärische Scatter-Links

Eine NLOS-Verbindung mit troposphärischer Streuung arbeitet typischerweise bei einigen Gigahertz unter Verwendung potenziell sehr hoher Sendeleistungen (typischerweise 3 kW bis 30 kW, abhängig von den Bedingungen), sehr empfindlichen Empfängern und sehr hoher Verstärkung, normalerweise fester, großer Reflektorantennen. Der Sendestrahl wird mit ausreichender Leistungsflussdichte in die Troposphäre knapp über dem Horizont gelenkt, sodass Gas- und Wasserdampfmoleküle eine Streuung in einem als Streuvolumen bezeichneten Bereich im Strahlengang verursachen. Einige Komponenten der gestreuten Energie wandern in Richtung der Empfängerantennen und bilden das Empfangssignal. Da es in diesem Bereich sehr viele Partikel gibt, die eine Streuung verursachen, kann das statistische Rayleigh-Fading- Modell das Verhalten und die Leistung in dieser Art von System nützlich vorhersagen.

Brechung durch die Erdatmosphäre

Das Hindernis, das eine NLOS-Verbindung erzeugt, kann die Erde selbst sein, wie sie beispielsweise existieren würde, wenn das andere Ende der Verbindung hinter dem optischen Horizont wäre. Eine sehr nützliche Eigenschaft den die Erde Atmosphäre ist , dass im Durchschnitt die Dichte der Luft Gasmoleküle reduziert wie die Höhe auf etwa 30 km erhöht werden. Seine relative Dielektrizitätskonstante oder Dielektrizitätskonstante nimmt von etwa 1,00536 an der Erdoberfläche stetig ab. Um die Änderung des Brechungsindex mit der Höhe zu modellieren, kann die Atmosphäre vielen dünnen Luftschichten angenähert werden, von denen jede einen etwas kleineren Brechungsindex hat als die darunter liegende. Die Flugbahn von Radiowellen, die durch ein solches Atmosphärenmodell an jeder Grenzfläche fortschreiten, ist analog zu optischen Strahlen, die von einem optischen Medium zu einem anderen gehen, wie durch das Snell-Gesetz vorhergesagt . Wenn der Strahl von einem höheren zu einem niedrigeren Brechungsindex übergeht, neigt er gemäß dem Snell-Gesetz dazu, an der Grenze von der Normalen weg gebogen oder gebrochen zu werden. Berücksichtigt man die Erdkrümmung, so zeigt sich, dass Radiowellen, deren anfängliche Flugbahn in Richtung des optischen Horizonts verläuft, im Mittel einem Weg folgen, der nicht am Horizont, sondern etwas darüber hinaus zur Erdoberfläche zurückkehrt. Die Entfernung von der Sendeantenne bis zu ihrer Rückkehr entspricht ungefähr dem optischen Horizont, wenn der Erdradius 4/3 seines tatsächlichen Wertes betragen hätte . Der „4/3-Erdradius“ ist eine nützliche Faustregel für die Funktechniker beim Entwurf einer solchen NLOS-Verbindung.

Die Faustregel für den 4/3-Erdradius ist ein Durchschnitt für die Erdatmosphäre, vorausgesetzt, sie ist einigermaßen homogenisiert, weist keine Temperaturinversionsschichten oder ungewöhnliche meteorologische Bedingungen auf. NLOS-Verbindungen, die die atmosphärische Brechung ausnutzen, arbeiten typischerweise bei Frequenzen in den VHF- und UHF- Bändern, einschließlich terrestrischer UKW- und TV-Rundfunkdienste.

Anormale Ausbreitung

Das oben beschriebene Phänomen, dass der atmosphärische Brechungsindex, die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Höhe allmählich abnimmt, ist auf die Verringerung der atmosphärischen Luftdichte mit zunehmender Höhe zurückzuführen. Die Luftdichte ist auch eine Funktion der Temperatur, die normalerweise auch mit zunehmender Höhe abnimmt. Dies sind jedoch nur durchschnittliche Bedingungen; lokale meteorologische Bedingungen können Phänomene wie Temperaturinversionsschichten erzeugen, bei denen sich eine warme Luftschicht über einer kühlen Schicht ablagert. An der Grenzfläche zwischen ihnen besteht eine relativ abrupte Änderung des Brechungsindex von einem kleineren Wert in der kalten Schicht zu einem größeren Wert in der warmen Schicht. In Analogie zum optischen Snell-Gesetz kann dies zu erheblichen Reflexionen von Radiowellen zurück zur Erdoberfläche führen, wo sie weiter reflektiert werden, wodurch ein Kanaleffekt entsteht . Das Ergebnis ist, dass sich Funkwellen mit geringerer als normaler Dämpfung weit über ihren vorgesehenen Dienstbereich hinaus ausbreiten können. Dieser Effekt ist nur in den VHF- und UHF-Spektren sichtbar und wird von Amateurfunkenthusiasten oft ausgenutzt , um für die betreffenden Frequenzen ungewöhnlich lange Distanzen zu kommunizieren. Für kommerzielle Kommunikationsdienste kann es nicht ausgenutzt werden, da es unzuverlässig ist (die Bedingungen können sich innerhalb von Minuten bilden und zerstreuen) und es kann Störungen weit außerhalb des normalen Servicebereichs verursachen.

Temperaturinversion und anomale Ausbreitung können in den meisten Breitengraden auftreten, sind jedoch in tropischen Klimazonen häufiger als in gemäßigten Klimazonen, die normalerweise mit Hochdruckgebieten (Antizyklonen) verbunden sind.

Ionosphärische Ausbreitung

Der Mechanismus der ionosphärischen Ausbreitung bei der Unterstützung von NLOS-Verbindungen ist ähnlich wie bei der atmosphärischen Brechung, aber in diesem Fall tritt die Radiowellenbrechung nicht in der Atmosphäre, sondern in der Ionosphäre in viel größeren Höhen auf. Wie ihr Gegenstück in der Troposphäre kann die ionosphärische Ausbreitung manchmal unter Verwendung von Rayleigh-Fading statistisch modelliert werden .

Die Ionosphäre erstreckt sich in Höhen von etwa 50 km bis 400 km und wird mit zunehmender Höhe in verschiedene Plasmaschichten unterteilt, die mit D, E, F1 und F2 bezeichnet werden. Die Brechung von Radiowellen durch die Ionosphäre anstelle der Atmosphäre kann daher NLOS-Verbindungen mit viel größerer Entfernung für nur einen Brechungspfad oder "Hüpfen" über eine der Schichten ermöglichen. Unter bestimmten Bedingungen können Funkwellen, die einen Sprung durchlaufen haben, von der Erdoberfläche reflektiert werden und mehr Sprünge erfahren, wodurch die Reichweite erhöht wird. Die Positionen dieser und ihre Ionendichten wesentlich durch die einfallende Sonnenstrahlung gesteuert und daher ändern tag- , saison- und während Sun Spot Aktivität. Die anfängliche Entdeckung, dass Radiowellen über den Horizont hinaus durch Marconi im frühen 20. Jahrhundert wandern könnten, veranlasste in den nächsten 50 Jahren umfangreiche Studien zur ionosphärischen Ausbreitung, die verschiedene Tabellen und Diagramme für die Vorhersage von HF-Verbindungskanälen hervorbrachten.

Frequenzen, die von der ionosphärischen Ausbreitung beeinflusst werden, reichen von ungefähr 500 kHz bis 50 MHz, aber die meisten dieser NLOS-Verbindungen arbeiten in den „Kurzwellen“- oder Hochfrequenz- (HF)-Frequenzbändern zwischen 3 MHz und 30 MHz.

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts wurden alternative Kommunikationsmittel über große NLOS-Entfernungen entwickelt, wie Satellitenkommunikation und Unterwasser-Glasfaser, die beide potenziell viel größere Bandbreiten als HF übertragen und viel zuverlässiger sind. Trotz ihrer Einschränkungen benötigt die HF-Kommunikation nur relativ billige, einfache Geräte und Antennen, so dass sie hauptsächlich als Backup für Hauptkommunikationssysteme und in dünn besiedelten abgelegenen Gebieten verwendet werden, in denen andere Kommunikationsmethoden nicht kosteneffektiv sind.

Endliche Absorption

Wenn ein Objekt, das eine LOS-Verbindung zu NLOS ändert, kein guter Leiter, sondern ein Zwischenmaterial ist, absorbiert es einen Teil der darauf einfallenden HF-Leistung. Wenn es jedoch eine endliche Dicke hat, ist die Absorption ebenfalls endlich und die resultierende Dämpfung der Funkwellen kann tolerierbar sein und eine NLOS-Verbindung kann unter Verwendung von Funkwellen aufgebaut werden, die tatsächlich durch das Material gehen. Als Beispiel verwenden WLANs oft NLOS-Links mit endlicher Absorption, um zwischen einem WLAN-Zugangspunkt und WLAN-Client(s) in der typischen Büroumgebung zu kommunizieren. Die verwendeten Funkfrequenzen, typischerweise einige Gigahertz (GHz), passieren normalerweise einige dünne Bürowände und Trennwände mit tolerierbarer Dämpfung. Nach vielen solchen Wänden oder nach einigen dicken Beton- oder ähnlichen (nicht metallischen) Wänden wird die NLOS-Verbindung jedoch unbrauchbar.

Andere Methoden

Erde-Mond-Erde-Kommunikation , Meteoriten-Kommunikation und sporadische E-Ausbreitung sind weitere Methoden, um Kommunikationen über den Funkhorizont hinaus zu erreichen.

Auswirkung auf die Positionierung

In den meisten der neueren Lokalisierungssysteme wird angenommen, dass sich die empfangenen Signale über einen LOS- Pfad ausbreiten . Eine Verletzung dieser Annahme kann jedoch zu ungenauen Positionsdaten führen. Bei einem auf der Ankunftszeit basierenden Lokalisierungssystem kann das ausgesendete Signal den Empfänger nur über seine NLOS-Pfade erreichen. Der NLOS-Fehler ist definiert als die zusätzliche Distanz, die das empfangene Signal in Bezug auf den LOS-Pfad zurücklegt. Der NLOS-Fehler ist immer positiv beeinflusst, wobei die Größe von der Ausbreitungsumgebung abhängt.

Verweise

Weiterlesen

• Bullington, K.; "Funkausbreitungsgrundlagen"; Bell System Fachzeitschrift Bd. 36 (Mai 1957); S. 593–625.
• "Technische Planungsparameter und Methoden für den terrestrischen Rundfunk" (April 2004); Australische Rundfunkbehörde. ISBN  0-642-27063-5

Externe Links

• Forschung zum Thema "Non-line-of-sight (NLOS) Localization for Indoor Environments" von CMR an der UNSW