Распространение электромагнитных волн

Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнит­ных волн, связанные с частотой излучения.

■ Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации .

■ Чем выше частота,.-тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные ра­ диоволны АМ-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной ан­тенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS).

■ Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниям от источника. При распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отраже­ний) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала.

■ Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли, именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстояния в сотни километра.

■ Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут рас­
пространяться даже на более значительные расстояния, в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика).

■ Сигналы в диапазоне выше 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являют­ ся сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприят­ность — они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых сис­ тем. Недаром испытания лазерных систем передачи данных часто проводят в Сиэтле, го­ роде, который, известен своими туманами.

Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, по­этому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.

Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учи­тывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распростра­няющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятст­вия.

На рис. 2 показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распро­страняться в соответствии с тремя механизмами: отражением, дифракцией и рас­сеиванием.

Когда сигнал встречается с препятствием, которое частично прозрачно для дан­ной длины волны и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны мик­роволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они час­тично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пла­стину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит ди­фракция— сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно по­лучить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встрече с препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал pacqeu-вается, распространяясь под различными углами.

Рис. 2.Распространение электромагнитной волны

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспро­водной связи в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигна­ла.Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отри­цательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и пода­вить основной сигнал.

Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и межсимвольная интерферен­ция,ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигна­ла, этот эффект называется многолучевым замиранием. Вгородах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональ­ным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Все эти искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными по­мехами, которых в городе довольно много. Достаточно сказать, что в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования, распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того, передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких баш­нях, чтобы избежать многократных отражений. Еще одним способом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передача­ми кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволя­ют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP