Распространение сигналов в беспроводных средах передачи

При распространении сигнал, излученный антенной, может огибать поверхность Земли, отражаться от верхних слоев атмосферы, либо распространяться вдоль линии прямой видимости. Способ распространения сигнала, расстояние его передачи и т.п. во многом зависят от диапазона частот используемого электромагнитного спектра.

Весь спектр электромагнитного излучения разделен на частотные диапазоны в зависимости от типа электромагнитных волн:

● радиоволны;

● инфракрасное излучение;

● видимый свет;

● ультрафиолетовое излучение;

● рентгеновское излучение;

● гамма-излучение.

Для нас представляет интерес микроволновый диапазон радиочастот, в котором можно вести беспроводную передачу (рисунок 3.70).

В диапазоне частот от 30 МГц до 300 ГГц находятся ультракороткие волны, длина волны которых от 10 м до 0,1 м (чем выше частота, тем короче волна). Ультракороткие волны широко применяются для организации радиорелейных линий связи, спутниковых каналов, беспроводных локальных сетей Wi-Fi и системы фиксированного беспроводного доступа. Основное ограничение связи с помощью ультракоротких волн: приемник и передатчик должны быть в зоне прямой видимости друг друга. Это связано с тем, что ультракороткие волны распространяются преимущественно прямолинейно и почти не огибают природных и искусственных преград, встречающихся на их пути. На их распространение существенное влияние оказывают рельеф местности, различные препятствия и метеорологические условия. В частности, волны сантиметрового диапазона SHF (Super High Frequency) (сверхвысокие частоты, СВЧ); диапазон от 3 до 30 ГГц), которые широко используется в сетях Wi-Fi, сильно поглощаются атмосферными осадками и явлениями (дождь, снег, туман и пр.), а также газами атмосферы, что в свою очередь приводит к быстрому ослаблению напряженности электромагнитного поля.

Рис. 3.70 Спектр электромагнитных волн

Если расположение антенн в системе связи является относительно произвольным, может случиться так, что беспроводной канал связи совпадает с линией прямой видимости между передатчиком и приемником (при отсутствии препятствий, приводящих к интерференции). Как правило, такое расположение выбирается для двухточечных высокочастотных каналов связи. Однако в большинстве случаев, между передатчиком и приемником препятствия встречаются довольно часто. В помещениях такими препятствиями служат стены, потолки, мебель. В открытом пространстве – дома, деревья, транспорт. При встрече на пути своего распространения препятствий, электромагнитные волны могут отражаться от них, преломляться, рассеиваться или огибать препятствия.

Отражение имеет место, когда электромагнитная волна встречается с препятствием, размеры которого намного превышают длину волны. В этом случае часть энергии электромагнитной волны отражается от такого препятствия.

Рис. 3.71 Отражение электромагнитной волны

Попадая на границу раздела двух прозрачных для электромагнитной волны сред с разной плотностью, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь.

Рис. 3.72 Преломление электромагнитной волны

Если электромагнитная волна встречает непроницаемое для нее препятствие, размер которого сравним с ее длиной (дома, горы), происходит дифракция – сигнал как бы огибает препятствие. Так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости.

Рис. 3.73 Дифракция электромагнитной волны

При встрече с препятствием, размеры которого много меньше длины волны (туман, листья деревьев, грязь), происходит рассеяние волн – отражение под разными углами.

Рис. 3.74 Рассеяние электромагнитной волны

В результате отражения, дифракции и рассеяния приемник может получить исходный сигнал и его несколько отраженных копий, которые достигли его антенны разными путями и в разные промежутки времени. Это называется многолучевым распространением сигнала (multipath). Такая ситуация довольно часто встречается при создании беспроводных сетей внутри помещений.

Рис. 3.75 Многолучевое распространение сигнала

В точке приема исходный и отраженные сигналы накладываются друг на друга (возникает интерференция), поэтому результирующий сигнал представляет собой сумму множества сигналов с различными амплитудами. Одним из нежелательных эффектов многолучевого распространения является смещение амплитуд исходного и отраженных сигналов относительно друг друга по времени (разность фаз). В результате сложения сигналов с разными фазами, уровень мощности результирующего сигнала может снизиться или стать нулевым, что затруднит его распознавание приемником.

Многолучевое распространение по-разному влияет на производительность системы в зависимости от особенностей местности и перемещения беспроводного устройства (например, смартфона или планшета). В средах с прямой видимостью между источником и приемником, влияние многолучевого распространения обычно выражено слабо и легко преодолимо. Амплитуды отраженных сигналов намного слабее исходного сигнала. В условиях отсутствия прямой видимости отраженные сигналы могут иметь более высокие уровни мощности, потому что путь исходного сигнала может быть частично или полностью прегражден препятствиями. В результате сложения с отраженными сигналами уровень мощности исходного сигнала по отношению к шуму может снизиться, что усложнит распознавание сигнала приемником. В общем случае эффект от многолучевого распространения здесь более заметен. Однако следует отметить, что при отсутствии линии прямой видимости между передатчиком и приемником (например, в парках, транспорте с сервисом Wi-Fi) сигнал принимается в основном благодаря дифракции и рассеянию.

Другим нежелательным эффектом многолучевого распространения является межсимвольная интерференция (InterSymbol Interference, ISI). Она возникает в том случае, если задержка распространения между исходным и отраженными сигналами сравнима или больше длительности одного символа (бита). Запоздалые отраженные сигналы предыдущего символа могут приниматься одновременно с базовым сигналом следующего символа. В результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные биты, что приводит к повреждению данных. При повреждении данных передатчик будет вынужден выполнить их повторную передачу. Большое количество повторных передач данных вследствие межсимвольной интерференции может значительно снизить пропускную способность беспроводной сети.

Подавить или значительно снизить негативный эффект межсимвольной интерференции в беспроводных системах позволяет использование модуляции OFDM. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, т.к. расстояние между символами (или битами) является малым. При модуляции OFDM скорость передачи данных уменьшается в n-раз (n - число подпотоков, на которые разбит основной поток), что позволяет увеличить время передачи символа в n-раз. А это в свою очередь позволяет снизить влияние межсимвольных помех.

Помимо многолучевого распространения к искажению передаваемого по беспроводному каналу связи сигнала приводит затухание, потери в свободном пространстве, шум, атмосферное поглощение.

При передаче сигнала в любой среде его интенсивность уменьшается с расстоянием, т.е. происходит затухание сигнала. Если расстояние между приемником и передатчиком превышает некоторое расчетное значение, свыше которого затухание становится неприемлемо высоким, для усиления сигнала в заданных точках пространства располагают ретрансляторы или усилители. Задача усиления сигнала значительно усложняется, если существует множество приемников, особенно если расстояние между ними и передающей станцией непостоянно.

Передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве (в качестве аналогии можно представить падение с расстоянием интенсивности луча фары автомобиля). Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве (Free Space Path Loss, FSPL). Они приводят к ослаблению сигнала при его прохождении от передатчика до приемника, даже если все остальные причины затухания отсутствуют.

Причиной дополнительных потерь мощности сигнала является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водяные пары и кислород. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала.

Источниками шумов в беспроводных линиях связи могут служить микроволновые печи, беспроводные телефоны, радиопередатчики, датчики движения, соседние беспроводные сети, беспроводные камеры системы видеонаблюдения, молнии и др. Интенсивность битовых ошибок в беспроводных сетях BER составляет 10^-3.

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. В городских условиях передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких зданиях или вышках, чтобы избежать многократных отражений. В домашних беспроводных сетях одним из решений проблемы является смена рабочего частотного канала точки доступа, в том случае, если какой-то посторонний передатчик излучает электромагнитные волны в этом же канале, а также отключение всех приборов, например микроволновых печей, перед подключением к беспроводной сети.

Для борьбы с ошибками, которые появляются вследствие многолучевого распространения, широко используются методы разнесения (diversity). Разнесение основывается на том факте, что в отдельно взятом канале замирание сигнала (изменение мощности полученного сигнала во времени, вызванное изменением линии связи или среды распространения) происходит независимо от других. С ошибками можно бороться, создав множество логических каналов между приемником и передатчиком, и передавать копии сигнала через каждый из этих каналов. Идея заключается в том, что приемник, получив несколько копий сигнала из разных логических каналов, выберет из них наиболее достоверный исходный сигнал.

Существует несколько типов разнесения, которые используются в беспроводных сетях:

● Частотное разнесение (Frequency diversity) – сигнал передается посредством нескольких несущих. Частотное разнесение может выполняться путем использования разных частотных каналов или технологий расширения спектра и OFDM.

● Временное разнесение (Time diversity) – сигнал передается несколько раз в разные периоды времени. Для этого используются разные тайм-слоты и канальное кодирование.

● Пространственное разнесение (Space diversity) – используется несколько антенн, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга для приема нескольких копий сигнала. Является основой технологии MIMO.

MIMO(Multiple Input Multiple Output) – это радиоантенная технология, при которой приемник и передатчик используют множество антенн и обеспечивают множество путей передачи данных. MIMO применяется в современных сетях Wi-Fi стандартов IEEE 802.11n и 802.11ac, в сетях мобильной передачи данных 4-го поколения LTE, при организации широкополосного беспроводного доступа на большие расстояния с помощью технологии WiMAX (IEEE 802.16). Она позволяет не только бороться с негативными эффектами многолучевого распространения, но и использовать их преимущества для повышения пропускной способности каналов связи. Подробнее технология MIMO будет рассмотрена во второй части курса.