Распространение радиосигнала через препятствие

Распространение радиосигнала через препятствие

Расчет прохождения радиосигнала внутри помещения, с учитыванием отражения и преломления падающей волны при попадании на препятствие, наглядное представления процесса прохождения и отражения.

Проблеме распространения радиоволн внутри зданий и помещений последнее время уделяется большое внимание. Это связано, прежде всего, с созданием локальных информационных сетей, а также с необходимостью обеспечения надежной радиосвязью сотрудников предприятий, учреждений с целью оперативного управления и обеспечения безопасности. Наличие внутри здания стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры, людей и других объектов создает сложную среду распространения радиоволн. Условия распространения радиоволн внутри помещений существенно отличаются от условий распространения радиоволн в свободном пространстве. Основными эффектами, наблюдаемыми при распространении радиоволн внутри помещений, являются многолучевость, обусловленная многократными отражениями радиоволн от стен и других объектов, дифракция на многочисленных острых кромках предметов, расположенных внутри комнаты, и рассеяние радиоволн. Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, сильно изменяющуюся при перемещении людей и других объектов. 1−3].

Большинство моделей, используемых для расчетов радиотрасс, расположенных внутри зданий, основано на формуле, описывающей распространение радиоволн в свободном пространстве (1).

(1).

где — P_T мощность передатчика, G_T и G_R — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, d — расстояние между приемником и передатчиком, л — длина волны.

Однако наличие стен, пола, мебели, людей и других объектов оказывает существенное влияние на характер распространения радиоволн. Многообразие условий приводит к необходимости использовать некоторые эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах по исследованию условий распространения радиоволн внутри помещений. В работе [4] предложено несколько моделей, в которых потери на трассе определяются соотношением.

(2).

где — потери при распространении на трассе прямой видимости длиной , — расстояние между передатчиком и приемником. Причем, в некоторых моделях значение является постоянной величиной, в других — зависит от расстояния. Например, до расстояний около 10 м, в интервале расстояний м —, для м-, при м —. Увеличение значения с ростом расстояния, связано с увеличением числа стен, отделяющих приемную антенну от передающей.

Если передающая антенна расположена внутри комнаты, то независимо от ее положения многократное отражение радиоволн от стен, пола, потолка, мебели и других объектов приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала по сравнению со свободным пространством. Это напоминает явление реверберации, хорошо изученное в акустике. Рассмотрим малую площадку, произвольно расположенную внутри комнаты. Если предположить, что радиоволны распространяются с равной вероятностью во всех направлениях, то с волной, бегущей, например, слева направо связана половина мощности, переносимой через эту площадку при нормальном падении. При падении волны под произвольным углом на выделенную площадку переносимая мощность в среднем в два раза меньше, чем при нормальном падении. Следовательно, одна четверть полного потока энергии проходит через произвольную малую выделенную площадку. Если учесть, что плотность потока энергии на расстоянии от источника мощностью в свободном пространстве определяется формулой.

(3).

вводя средний коэффициент поглощения поверхности и суммируя по всей поверхности, можно записать соотношение.

. (4).

Тогда для плотности потока энергии реверберационного поля имеем.

. (5).

Комбинируя мощность прямого сигнала и реверберационного поля, а также учитывая эффективную площадь приемной антенны, получаем.

. (6).

Из (6) получаем выражение для потерь.

. (7).

При исследовании распространения радиоволн в условиях городской застройки или внутри зданий и помещений возникает необходимость расчета коэффициента прохождения волны через стены, перегородки и другие слоистые среды. Рассмотрим падение электромагнитной волны на плоский слой толщиной, свойства которого характеризуются относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями и (см. рис. 1). Сверху от слоя (в области) свойства среды описываются параметрами и, а снизу (в области) — и .

Рис 1. Прохождение нормально поляризованной плоской волны сквозь препятствие определенной толщины

Для ТЕ-поляризации компоненты электромагнитного поля можно представить в следующем виде:

в области.

(8).

(9).

в области.

(10).

(11).

в области.

(12).

. (13).

Здесь и — коэффициенты отражения и прохождения для слоя толщиной. Используя условия непрерывности тангенциальных компонент поля на границах и, получим выражения для коэффициента отражения и коэффициента прохождения.

(14).

(15).

где и — коэффициенты отражения Френеля плоской ТЕ-волны, падающей сверху на границы раздела сред и. Аналогично и — коэффициенты прохождения плоской волны через эти границы.

Аналогично могут быть получены соответствующие коэффициенты для ТМ-поляризации.

В работах [5−8] приведены некоторые результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств строительных конструкций (стен, перегородок и т. п.), исследованы свойства однородных строительных материалов. В таблице 1 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь в диапазоне 2−7 ГГц для некоторых материалов.

Таблица 1. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь.

радиосигнал мощность волна стена Следует отметить, что наиболее сильное отличие коэффициентов прохождения в разных частотных диапазонах наблюдается для красного кирпича и шлакоблоков.

При расчетах характеристик сигналов внутри зданий и помещений используются различные модификации лучевых методов [9−11], позволяющие учитывать отражение радиоволн от стен, пола и потолка, местных предметов, дифракцию волн на дверях и окнах и другие явления, сопутствующие распространению радиоволн.

• 1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1114 с.
• 2. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 640 с.
• 3. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. Радио, 1972. — 464 с.
• 4. Черенкова Е. Л., Чернышев О. В. Распространение радиоволн. — М.: Радио и связь, 1984.-272 с.
• 5. Грудинская Г. П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1967. — с.
• 7. Craig K.H. Impact of numerical methods on propagation modeling. Modern Radio Science 1996. Edited by J. Hamelin. Oxford University Press, 1996, pp. 179−203.
• 8. Lawton M.C., MacGeehan J.P. The application of a deterministic ray launching algorithm for the prediction of radio channel characteristics in small-cell environments, IEEE Trans. Vehic. Tech., 1994, vol. 14, pp. 955−969.
• 9. Erceg V., Ghassemzadeh S., Taylor M., Li D., Schilling D.L. Urban/suburban out-of-sight propagation modeling. IEEE Communications Magazine. 1992, June 1992, pp. 56−61.
• 10. Nobles P. A study into indoor propagation factors at17Ghz and 60 GHz — Final Report. http://www.radio.gov.uk/topics/ptopagation/indprop
• 11. Ladrom O., Feurstein M.J., Rappaport T.S. A comparison of theoretical and empirical reflection coefficients for typical exterior wall surfaces in a mobile radio environment. IEEE Trans. Antennas Propagat., 1996, v. 44, pp. 341−351.