1. Визначення і формули Якщо розглядати Землю як ідеальну сферу без гір, то відстань d ₁ від передавальної...
2. Чому зв'язок називається стільникового?
3. Поширення радіохвиль дециметрового діапазону
4. Багатопроменеве поширення радіохвиль і завмирання сигналу
5. Поширення радіохвиль стільникового зв'язку під землею?
6. проблеми прийому

Визначення і формули

Якщо розглядати Землю як ідеальну сферу без гір, то відстань d ₁ від передавальної антени до горизонту або лінія прямої видимості, або радиогоризонта можна розрахувати за теоремою Піфагора (див. Малюнок вище):

де

h ₁ - висота над землею передавальної антени,

R = 6371 км - середній радіус Землі.

Відзначимо, що розмірність величин h, R і d повинна бути однаковою (наприклад, метри або фути).

У наведених вище рівняннях не враховується вплив атмосфери на поширення сигналів в діапазонах метрових і дециметрових хвиль (НВЧ і УВЧ). У зв'язку з тим, що при нормальних умовах шари атмосфери з понижающейся з висотою температурою призводять до виникнення рефракції, радіохвилі поширюються не по прямій лінії: вони згинаються у напрямку до поверхні Землі і можуть таким чином поширюватися за горизонт. Вплив атмосфери на розповсюдження радіохвиль можна врахувати шляхом збільшення радіусу Землі в 4/3 рази або приблизно на 33%. Відповідно, наведену вище формулу для дальності можна переписати у вигляді

Відстань d ₂ від прийомної антени до горизонту можна розрахувати за тими ж формулами:

Повний радиогоризонта d приймальні і передавальної антен отримують простим додаванням їх радиогоризонта:

Ці формули і використовуються в нашому калькуляторі. Відзначимо, що в них не враховуються інші фактори, що впливають на поширення радіохвиль, наприклад, абсорбція, поляризація, розсіювання, відбиття і дифракція. Вплив цих факторів описано нижче.

Електромагнітне випромінювання і його спектр

Чому зв'язок називається стільникового?

Поширення радіохвиль дециметрового діапазону

Багатопроменеве поширення радіохвиль і завмирання сигналу

Поширення радіохвиль стільникового зв'язку під землею?

проблеми прийому

Ви коли-небудь намагалися підрахувати кількість бездротових пристроїв, які ви використовуєте щодня? Скільки антен, радіоприймачів і радіопередавачів у вас в кишенях? Я недавно спробував . Виявилося, що у мене в кишенях 10 пристроїв радіочастотної ідентифікації (RFID), п'ять радіоприймачів і три радіопередавача в мобільному телефоні, один радіопередавач в ключі запалювання, та ще три дюжини різних антен в моєму будинку . З вікна я бачу кілька сотень антен. Цікаво подумати що буде, якщо радіотехнічні пристрої раптом зникнуть з нашого життя. Як ми зможемо жити без смартфонів, комп'ютерів, іграшок з дистанційним управлінням, безконтактних кредитних карт і біометричних паспортів з RFID, GPS / GLONASS / BeiDou / Galileo навігаторів, радіо, телебачення та дитячих моніторів, в яких використовується електромагнітна енергія у вигляді радіохвиль, що змушує працювати всі ці пристрої?

Напевно, з усіх цих пристроїв найчастіше ми використовуємо наші мобільні телефони, які змінили те, як ми думаємо, працюємо, відпочиваємо і спілкуємося. Ми можемо ходити пішки або їхати сотню кілометрів, підтримуючи розмову по телефону або скайпу без перерви протягом всієї подорожі. Уявіть собі, 40 років тому різні блоки мобільного телефону, які тепер поміщаються в пристрої, розташованому на долоні, заповнили б приміщення площею 1000 квадратних метрів і зажадали б 500 кіловат електроенергії! Не вірите? Давайте порахуємо. У 1980 році цілком сучасний на той час шафа з двома мегабайтами оперативної пам'яті важив 200 кг, займав площу 1 кв. м і споживав 500 Вт електроенергії. У моєму смартфоні 4 гігабайти оперативної пам'яті. Це 2000 таких шаф.

Оскільки ми тепер не можемо жити без смартфонів, немає нічого більш важливого, ніж хороша стільниковий зв'язок. Коли сигнал поганий, зв'язок переривається, її якість погана, а інтернет-з'єднання або працює абияк, або взагалі не працює. Щоб зрозуміти, чому це відбувається, ми повинні зрозуміти що таке радіохвилі, як вони поширюються, приймаються і передаються. Кожна людина, яка використовує смартфон, повинен знати основи! Ці знання одного разу можуть врятувати життя вам або іншій людині, коли в надзвичайній ситуації неможливо встановити з'єднання і потрібно зуміти додзвонитися і покликати на допомогу. У цій статті ми розглянемо як поширюються радіохвилі, які використовуються у мобільному зв'язку.

Електромагнітне випромінювання і його спектр

Електромагнітне випромінювання - це хвилі або, враховуючи поняття подвійності хвилі, частинки або фотони електромагнітного поля, що поширюються в просторі і несуть електромагнітну енергію. За частотою та довжині хвилі електромагнітне випромінювання класифікується в порядку зростання частоти на радіохвилі (довгі, середні, короткі, УКВ і СВЧ-випромінювання, інфрачервоне світло, видиме світло, ультрафіолетове світло, рентгенівські і гамма-промені.

У вакуумі електромагнітне випромінювання поширюється зі швидкістю світла, яка приблизно дорівнює 300 000 км / сек. Якщо електромагнітне випромінювання поширюється в середовищі, наприклад, в склі або в мідному дроті, або в волоконно-оптичному кабелі, його швидкість менше швидкості світла у вакуумі. Ставлення швидкості проходження випромінювання через середу до швидкості світла у вакуумі називається коефіцієнтом уповільнення. Коефіцієнт уповільнення для радіосигналів в вакуумі становить 100% за визначенням; коефіцієнт уповільнення для кручених пар для комп'ютерної мережі (Cat-5) складає 0,4-0,7. У вітчизняній літературі замість коефіцієнта уповільнення застосовують зворотну величину - коефіцієнт укорочення, що складає скільки раз фазова або групова швидкість індійські в лінії передачі менше, ніж швидкість світла у вакуумі. Тобто, для тих же кабелів Cat-5 коефіцієнт укорочення буде в межах 1,4-2,5.

Діапазон частот електромагнітного випромінювання величезний: від 3 Гц (довжина хвилі 100 000 км, вкрай низька частота, КНЧ) до 300 × 10¹⁸ Гц (довжина хвилі 1 пікометр, пм, гамма-промені). Радіохвилі мають найнижчу частоту і, відповідно, найдовшу довжину хвилі. Інші форми електромагнітного випромінювання мають коротші довжини хвиль і більш високі частоти. Довжина хвилі видимого світла 400-700 нанометрів (нм) або 430-750 терагерц (ТГц). Радіохвилі і СВЧ-випромінювання знаходяться в нижній частині спектра з частотами менше 300 ГГц (довжиною хвилі 1 мм).

Частотний діапазон тільки радіочастот величезний і займає 11 декад: від вкрай високих частот (КВЧ, максимум 300 ГГц) до надзвичайно низької частоти 3 Гц або від 1 міліметра до 100 мегаметров. (Декада - логарифмічний інтервал між значеннями частот, відношення яких дорівнює 10.) У мобільної телефонії використовується діапазон ультрависоких частот (УВЧ). Згідно з визначенням Міжнародного союзу електрозв'язку, його частоти складають від 300 мегагерц (МГц) до 3 гігагерц (ГГц). Цей же діапазон також використовується для таких пристроїв, як Wi-Fi, Bluetooth, GPS, портативних радіостанцій, бездротових телефонів і багатьох інших.

Поглинання електромагнітного випромінювання в атмосфері. На вертикальній осі показано поглинання атмосферою в процентах, а на горизонтальній осі - довжина хвилі

1 - Іоносфера блокує короткі, середні і довгі хвилі. 2 - Радіохвилі діапазонів ДВЧ, УВЧ і СВЧ можуть проходити через атмосферу. 3 - Інфрачервоне світло далекого діапазону і НВЧ-хвилі поглинаються атмосферою, але можуть спостерігатися з космосу. 4 - Ближня інфрачервона, коротка, середня і довгохвильова інфрачервона область електромагнітного спектру частково поглинається атмосферою. 5 - Видиме світло можна спостерігати з Землі з кілька нерівномірним загасанням. 6 - УФ-випромінювання, рентгенівське випромінювання і гамма-промені блокуються атмосферою, але можуть спостерігатися з космосу. <- збільшення довжина хвилі зменшення -> <- зменшення частота збільшення -> <- зменшення енергія збільшення ->

Електромагнітний спектр: 1 - довгі хвилі, 2 - середні хвилі, короткі хвилі та СВЧ-випромінювання, 3 - інфрачервоне випромінювання, 4 - видиме світло, 5 - ультрафіолетове випромінювання, 6 - рентгенівське випромінювання, 7 - гамма-випромінювання

Для перетворення частоти електромагнітних хвиль в їх довжину хвилі, використовується наступна формула:

де f - частота в герцах, c - швидкість світла у вакуумі, яка приймається як 300 000 000 метрів в секунду, а λ - довжина хвилі в метрах. Для зручності розрахунків можна використовувати таку формулу:

Так, наприклад, довжина хвилі 10 м відповідає частоті 30 МГц. Для перетворення частоти електромагнітного випромінювання в довжину хвилі і навпаки використовуйте Калькулятор частоти і довжини хвилі . Поведінка електромагнітного випромінювання і його взаємодію з речовиною різні і залежать від частоти випромінювання. Радіохвилі і СВЧ-випромінювання відбиваються металами і поглинаються водою і іншими провідними речовинами, де їх енергія перетворюється в тепло. Ця проблема може виникнути, зокрема, в мікрохвильовій печі.

Інфрачервоний (ІК), видиме світло і ультрафіолетове випромінювання також відображаються металами і поглинаються різними речовинами, де їх енергія перетворюється в тепло. У той же час фотони видимого світла мають достатню енергію для зміни структури зв'язків деяких молекул, що призводить до перетворення енергії світла в електричні сигнали в сітківці ока. Через більш високої енергії, ультрафіолетовий (УФ) світло може пошкодити молекули ДНК і викликати опіки шкіри. Рентгенівські та гамма-промені мають більш високу частоту і більше енергії, ніж УФ, і, отже, можуть викликати серйозні молекулярні пошкодження. На відміну від електромагнітного випромінювання з більшою довжиною хвилі (радіохвилі, СВЧ-випромінювання, інфрачервоні, видимі і ультрафіолетове світло), рентгенівські і гамма-промені можуть проникати в метали і багато інших матеріалів.

Чому зв'язок називається стільникового?

Секторні спрямовані антени на щоглі стільникового зв'язку

У ранніх мобільних телефонних системах зв'язок була організована приблизно так само, як в телебаченні і радіомовленні на УКХ, з одним потужним передавачем, розташованим на найвищій точці покривається зони і з радіусом дії до 50 км. При такому підході частоти не могли бути повторно використані, як це робиться в сучасних системах, тому, наприклад, в 1960-х роках, в Нью-Йорку 2000 клієнтів користувалися тільки 12-ю каналами і чекали до 30 хвилин, щоб подзвонити, тому що радіочастотний спектр є обмеженим ресурсом. І, звичайно, дзвінки по мобільному телефону в ті часи коштували дуже дорого.

Концепція стільникового мобільного зв'язку була розроблена в кінці 1960-х років. Відповідно до цієї концепції, замість використання одного потужного передавача з одного всенаправленной антеною в межах досяжності встановлювалося багато малопотужних передавачів з спрямованими секторними антенами. Цей підхід дозволив повторно використовувати одні і ті ж частоти шляхом присвоєння однакових частотних каналів базовим станціям, розташованим на достатній відстані один від одного. Для зведення до мінімуму перешкод, сусіднім базових станцій призначаються різні групи частотних каналів. Таким чином, наявні канали з невисокою пропускною здатністю розподілені по всій географічній області та можуть бути повторно використані, забезпечуючи прийнятний рівень перешкод. Концепція стільникового зв'язку дозволила використовувати фіксовану кількість частотних каналів для обслуговування великої кількості абонентів за допомогою повторного використання каналів в зоні покриття. У міських районах із щільною забудовою і з великою щільністю абонентів використовуються мікростільники - обладнання, яке передає сигнал дуже малої потужності, що поширюється лише на кілька сотень метрів. Це дозволяє не заважати іншим стільниках.

Хвилі дециметрового діапазону блокуються великими будинками, особливо якщо в них є металевий каркас

Поширення радіохвиль дециметрового діапазону

На відміну від електромагнітного випромінювання в інших частотних діапазонах, радіохвилі в дециметровому діапазоні (або УВЧ - ультрависокі частоти) поширюються тільки по прямій видимості і в результаті відображення від землі та інших перешкод. Хвилі в цьому частотному діапазоні не відбиваються від іоносфери і не можуть поширюватися у вигляді земної хвилі. Вони не можуть поширюватися за горизонт і блокуються пагорбами і навіть великими будинками, особливо будівлями, що мають металевий каркас або арматуру. У той же час вони можуть проникати в листя і стіни будівель (ступінь їх ослаблення залежить від матеріалу стін) і це дозволяє здійснювати зв'язок всередині будівель. Довжини хвиль УВЧ становлять від 1 дециметра до 1 метра і, отже, можна порівняти з розмірами будівель, автомобілів і дерев. Сучасні стільникові мережі використовують частину радіочастотного спектру від 800 МГц до 1900 МГц (довжина хвилі від 3,74 до 1,56 дециметрів). Таким чином, Чвертьхвильова штирьова антена може мати довжину всього 4 сантиметри, в результаті її можна легко заховати в корпусі смартфона або використовувати частини корпусу в якості антен.

На поширення радіохвиль в УВЧ-діапазоні (дециметровому) впливають такі явища, як поглинання, поляризація, розсіювання, відбиття, переломлення і дифракція.

Антени стільникових телефонів часто бувають лінійно поляризованими, а поляризація антен базової вежі часто є вертикальною.

Поглинання. Інтенсивність електромагнітного поля зменшується в середовищі передачі, наприклад, в атмосфері Землі, так як частина електромагнітної енергії перетворюється в тепло, яке є іншою формою енергії. В оптиці і фотографії для поглинання частини видимих ​​частот часто використовуються світлофільтри. Знайомими всім нам прикладами пристроїв, що поглинають електромагнітні хвилі, є сонцезахисні окуляри і фільтри з нейтральною щільністю. Щільна листя і стіни будівель поглинають радіохвилі дециметрового діапазону.

Поляризація. Ми всі звикли до поляризованим сонячним очками, які зменшують відбитий блиск від води і збільшують контраст неба і хмар. Відбите світло завжди лінійно поляризований. Фотографи використовують поляризовані фільтри для тієї ж мети - для збільшення контрасту, для затемнення неба і видалення відображень або сонячних відблисків з поверхні води. Світло Сонця не поляризоване, проте світло неба поляризується, тому що сонячне світло розсіюється атмосферою. Найвища поляризація спостерігається, якщо дивитися на небо, коли Сонце знаходиться праворуч або ліворуч (тобто на 90 ° щодо спостерігача). Радіоантени передають поляризовані хвилі і відповідно приймають поляризовані хвилі. Їх поляризація може бути лінійною (вертикальною або горизонтальною), кругової, або еліптичної. Коли говорять про направлення поляризації електромагнітного випромінювання, мають на увазі орієнтацію його електричної складової по відношенню до поверхні Землі. Магнітне поле завжди знаходиться під кутом 90 градусів щодо електричного поля. Антена з горизонтальною поляризацією не може приймати хвилі з вертикальною поляризацією.

Антени стільникових телефонів часто бувають лінійно поляризованими, а поляризація антен базової вежі часто є вертикальною. Використовуються й інші напрямки поляризації. Через відображень і багатопроменевого поширення, поляризація сигналів може бути змінена в порівнянні з поляризацією сигналу, посланого з базової станції. Тому іноді прийом можна поліпшити, просто повернувши смартфон.

Відбиток і розсіювання. Відбиток і розсіювання викликають ослаблення сигналів стільникового телефону. Розсіювання зазвичай відбувається, коли радіохвилі відбиваються від невеликих (щодо довжин хвиль) об'єктів в різних напрямках. Небо синє через розсіювання світла. Хоча відображення в основному обговорюється в оптиці, воно важливе і в поширенні радіохвиль. Сліпуче яскраве сонячне світло, що відбивається від скла - це відображення.

Дощ послаблює сигнали мобільного зв'язку

А тепер уявіть загартоване скло, розбите на дрібні шматочки, і світло відбивається від декількох тисяч таких предметів в різних напрямках. Це розсіювання. Те ж саме відноситься до радіохвиль. Вони можуть відбиватися від великих плоских провідних поверхонь (наприклад, поверхні води або будівель) або розсіюватися дрібними предметами, такими як комахи або краплі дощу. Відображення відбувається, коли об'єкт значно більше довжини хвилі. Якщо є безліч дрібних порівняно з довжиною хвилі об'єктів, спостерігається розсіювання. Довжина хвилі випромінювання, що використовується в стільникових мережах, становить від 14 до 37 см. Тому, наприклад, стіна будівлі буде відображати стільникові хвилі, а дрібні об'єкти будуть розсіювати їх. Краплі дощу в основному розсіюють високочастотні сигнали. Однак вони також впливають на сигнали мережі. Чим більше розмір крапель дощу і їх кількість, тим більше буде послаблюватися сигнал стільники в результаті розсіювання. Туман також впливає на прийом, особливо на більш високих частотах, які використовуються новітніми мережами 4G. Сильний сніг також може знизити рівень сигналу стільникового телефону. Щільна листя лісу є провідною, тому що вона містить багато води і, отже, розсіює радіохвилі. Взимку прийом в тому ж лісі буде краще, тому що дерева без листя.

Верхній (видимий над об'єктом) міраж часто зустрічається над поверхнею холодної води. Щоб виник міраж, повітря нижче напрямку погляду повинен бути холодніше повітря над ним. Якщо ці умови присутні, створюється атмосферний хвилевід, передає електромагнітне випромінювання. Через заломлення цей атмосферний канал може передавати світло, а також радіохвилі над земною поверхнею і за горизонт, тому що електромагнітні хвилі зігнуті сильніше кривизни Землі

Переломлення або рефракцію електромагнітних хвиль можна спостерігати як для світлових хвиль, так і для радіохвиль. У певних умовах вона забезпечує поширення світла і радіохвиль за горизонт. Для типового сигналу стільникового телефону при деяких обставинах може виникати рефракція. Заломлення відбувається, коли радіохвилі або світло проходять через області, в яких змінюється показник заломлення середовища. Холодне повітря над великими водоймами має більш високий показник заломлення, ніж у теплого повітря, і ця умова може створити атмосферний хвилевід, який збільшить дальність прийому сигналів мобільним телефоном, однак може призвести і до виникнення перешкод, так як будуть прийматися паразитні сигнали від далеких базових станцій .

Нижній міраж, що спостерігається на цьому зображенні, є найбільш поширеним прикладом рефракції - ми часто спостерігаємо таку картину над гарячим асфальтом

Дифракція. Часто між мобільного антеною і антеною базової станції можуть перебувати високі будівлі або пагорби. Коли радіохвиля проходить над гострої поверхнею, вона змінює напрямок поширення і втрачає енергію. Сигнал при цьому загасає. У той же час, сигнал досягає областей в тіні високих структур через дифракції та, таким чином, зв'язок забезпечується в тих місцях, де без дифракції її б не було.

Перешкоди від передавача в тому ж каналі. Коли два різних радіопередавача використовують одну і ту ж частоту, користувачі можуть відчувати перебої в зв'язку, оскільки сигнали на тих же частотах надходять на стільниковий телефон від небажаних передавачів, розташованих у віддалених осередках. Це відбувається тому, що стільникові мережі використовують загальну пропускну здатність, і одна і та ж частота використовується повторно.

Багатопроменеве поширення радіохвиль і завмирання сигналу

В процесі зв'язку через стільникову мережу сигнали схильні до завмирань через багатопроменевого поширення радіохвиль. Радіохвилі, які випромінює передавачем, надходять до приймача за різними шляхами. Цей ефект називається багатопроменевим поширенням. Сигнал від передавача буде стикатися з різними об'єктами, такими як пагорби, гори, високі будівлі, і може відбиватися від землі, води та інших поверхонь, які знаходяться поруч з основним шляхом сигналу по прямої видимості. Крім того, користувач мобільного телефону може переміщатися. Об'єкти, які відображають і розсіюють радіохвилі, також можуть переміщатися. Таким чином, приймач отримує сигнали не тільки по лінії прямої видимості, але і за багатьма іншими шляхами.

Коли сигнал надходить від передавача до приймача за різними шляхами, вони приходить ослабленим і зі зміненою фазою через інший довжини шляху. Якщо надходять на приймач різними шляхами сигнали знаходяться у фазі, напруженість поля висока. Однак якщо сигнали надходять в протифазі, результуючий сигнал є слабким. Оскільки довжина хвилі в мережі відносно мала (від 14 до 37 см), іноді досить зрушити стільниковий телефон трохи (на полволни) від його поточного становища, щоб збільшити сигнал. Для довжини хвилі 14 см (2,1 ГГц) зменшення шляху тільки на 7 см призведе до переходу від сигналу, що знаходиться в протифазі, до сигналу, що знаходиться в фазі. Звичайно, цей приклад сильно спрощений, але він пояснює, що невелике переміщення телефону в деяких випадках може поліпшити прийом.

Багатопроменеве поширення має позитивні і негативні сторони. З одного боку, багатопроменеве поширення забезпечує зв'язок, навіть якщо передавач і приймач не перебувають в зоні прямої видимості. З іншого боку, воно збільшує загасання прийнятого сигналу.

Багатопроменеве поширення: 1 - передавач, 2 - сигнал, відбитий від будівлі, 3 - сигнал, утворений в результаті дифракції радіохвиль, 4 - прямий сигнал, 5 - мобільний приймач

Поширення радіохвиль стільникового зв'язку під землею?

На частотах 850 або 1900 МГц радіохвилі будуть повністю поглинатися землею вже через кілька сантиметрів. Якщо ви спостерігаєте працюють мобільні телефони, скажімо на станціях і в тунелях метро або в підземних торгових центрах на глибині 10 і більше метрів під землею, це означає, що там встановлені ретранслятори стільникового мережі. Деякі провайдери використовують спеціальні види коаксіальних кабелів, які пропускають стільниковий сигнал всередині тунелів через отвори в кабелі. Через брак місця в тунелях ці кабелі встановлюються замість антен, які можна побачити на вишках з антенами стільникового зв'язку.

проблеми прийому

Під землею прийому не буде, якщо там не встановлено обладнання для надання послуг мобільного зв'язку

Мобільні телефони грають все більш важливу роль в нашому житті. Однак сигнал базової станції часто може бути слабким або взагалі бути відсутнім; він може постійно змінюватися. Знання змінних, що впливають на силу сигналу, може в один прекрасний день врятувати життя вам або іншій людині. Отже, ось список, який допоможе зрозуміти як поліпшити прийом сигналів стільникового зв'язку

Автор статті: Анатолій Золотков