見通し内伝播

見通し内伝播は電磁波または音波伝播の特性であり、波は障害物がなければ発生源から受信機までの直接の視覚経路でのみ伝播できることを意味します。^[1]電磁伝送には直線で伝播する光放射が含まれます。光線または波は、大気や物質による障害物によって回折、屈折、反射、または吸収される可能性があり、通常、地平線を越えたり障害物の背後を伝わったりすることはできません。

見通し内伝播とは対照的に、低周波（約 3 MHz以下）では回折により電波は地球の輪郭に沿って地表波として伝わります。これによりAM ラジオ局は地平線を越えて送信することができます。さらに、約 1 ～ 30 MHz の短波帯域の周波数は電離層によって地球に屈折して戻ることがあり、これをスカイウェーブまたは「スキップ」伝播と呼びます。そのため、この範囲での無線送信は潜在的に地球規模で到達可能です。

しかし、30 MHz を超える周波数 ( VHF以上) および大気圏の低層では、これらの影響はどちらも大きくありません。したがって、送信アンテナ (送信機) と受信アンテナ (受信機) の間に障害物があると、目が感知する光と同様に信号がブロックされます。したがって、送信アンテナを視覚的に確認する能力 (目の解像度の制限を無視) は、そこから無線信号を受信する能力とほぼ一致するため、これらの周波数での伝搬特性は「見通し線」と呼ばれます。伝搬の最も遠い可能性のあるポイントは「無線地平線」と呼ばれます。

実際には、これらの電波の伝播特性は、送信信号の正確な周波数と強度（送信機とアンテナの特性の両方の関数）に応じて大幅に異なります。 100 MHz 前後の比較的低い周波数で放送されるFMラジオは、建物や森林の存在による影響が小さくなります。

見通し内伝搬の障害

低出力のマイクロ波送信機は、木の枝や大雨、大雪によって妨害されることがあります。直接見通し線上にない物体が存在すると、回折効果が生じて無線送信が妨害されることがあります。最適な伝播のためには、第 1フレネルゾーンと呼ばれる領域に障害物がない状態が保たれている必要があります。

周囲の地面や塩水の表面からの反射放射も、直接信号を相殺したり、増幅したりすることがあります。この影響は、どちらかまたは両方のアンテナを地面からさらに高くすることで軽減できます。達成される損失の軽減は、高度ゲインと呼ばれます。

伝搬の障害の詳細については、「見通し外伝搬」も参照してください。

直接目視で位置を特定できない場合、地図から視線経路を計算するには、地球の曲率を考慮することが重要です。以前は、マイクロ波の設計では、経路に沿ったクリアランスを計算するために地球の半径の 4 ⁄ 3 を使用していました。

携帯電話

携帯電話が使用する周波数は見通し範囲内ですが、都市部でも機能します。これは、次の効果の組み合わせによって可能になります。

屋上景観上の1 ⁄ r ⁴^{伝播[説明が必要]}
下の「ストリートキャニオン」への回折
通り沿いの多重反射
窓からの回折、壁を通した減衰した通過、建物内への
建物内の内壁、床、天井を通した反射、回折、減衰

これらすべての影響が組み合わさることで、マルチパス効果と広範囲にわたるレイリーフェーディングにより、携帯電話の伝搬環境は非常に複雑になります。携帯電話サービスでは、これらの問題に次のように対処します。

基地局を屋上または丘の上に設置する
多くの基地局（通常は「セルサイト」と呼ばれます）。携帯電話は通常、少なくとも 3 つ、通常は最大 6 つの基地局を同時に見ることができます。
基地局の「セクター化」アンテナ。全方向をカバーする 1 つのアンテナの代わりに、基地局は、円形のカバー範囲の一部をカバーする 3 個 (顧客の少ない田舎) または 32 個もの個別のアンテナを使用する場合があります。これにより、基地局はユーザーを向いた指向性アンテナを使用できるため、信号対雑音比が向上します。ユーザーが 1 つのアンテナセクターから別のアンテナセクターに移動すると (歩くか運転するなど)、基地局は自動的に適切なアンテナを選択します。
基地局間の高速ハンドオフ（ローミング）
電話機が使用する無線リンクは、デジタルプロトコルで広範なエラー訂正と検出を備えたデジタルリンクです。
分割ケーブルアンテナでサポートされている場合、トンネル内で携帯電話が十分に動作する
複雑な車両や建物内のローカルリピーター

ファラデーケージは、すべての側面、上部、下部にある領域を完全に囲む導体で構成されています。電磁放射は、波長が隙間よりも長い場所では遮断されます。たとえば、携帯電話の信号は、エレベーターのキャビン、電車、車、船の一部など、ファラデーケージに近い窓のない金属の囲いの中では遮断されます。同じ問題が、広範囲に渡る鉄筋のある建物内の信号にも影響する可能性があります。

見通し線上にない 2 つの局は、中間の無線中継局を介して通信できる場合があります。

ラジオホライズン

電波地平線は、アンテナからの直射光線が地球の表面に接する点の軌跡です。地球が大気のない完全な球体であれば、電波地平線は円になります。

送信アンテナと受信アンテナの電波範囲を加算することで、有効な通信範囲を拡大することができます。

電波の伝播は、大気の状態、電離層の吸収、山や木などの障害物の存在によって影響を受けます。大気の影響を考慮した簡単な式で、範囲は次のようになります。

\mathrm {地平線} _{\mathrm {ミ} }\約 1.23\cdot {\sqrt {\mathrm {高さ} _{\mathrm {フィート} }}}

\mathrm {地平線} _{\mathrm {km} }\約 3.57\cdot {\sqrt {\mathrm {高さ} _{\mathrm {メートル} }}}

単純な式は、最大伝播距離の最良の近似値を提供しますが、任意の場所でのサービス品質を推定するには不十分です。

地球の隆起

電気通信において、地球の膨らみとは、地球の曲率が電波伝搬に与える影響を指します。これは、地球の円形断面が長距離通信を遮断する結果です。真空の視線は地球上のさまざまな高さを通過するため、伝搬する電波は経路上でわずかに異なる伝搬条件に遭遇します。^{[引用が必要]}

真空から地平線までの距離

地形の凹凸のない完全な球体を想定すると、高高度の送信機から地平線までの距離（つまり視線）は簡単に計算できます。

R を地球の半径、h を通信局の高度とします。この通信局の見通し距離d はピタゴラスの定理によって与えられます。

d^{2}=(R+h)^{2}-R^{2}=2\cdot R\cdot h+h^{2}

観測所の高度hは地球の半径Rよりもはるかに小さいため、と比較して無視できます。 $h^{2}$ $2\cdot R\cdot h$

したがって：

d\approx {\sqrt {2\cdot R\cdot h}}

高さhがメートルで、距離dがキロメートルで与えられている場合、^[2]

d\approx 3.57\cdot {\sqrt {h}}

高さhがフィートで与えられ、距離dが法定マイルで与えられる場合、

d\approx 1.23\cdot {\sqrt {h}}

地上の送信局（局高h ）と空中の受信局（局高H ）など、2 つの局が関係する場合、見通し距離は次のように計算できます。

 $d\thickapprox {\sqrt {2R}}\,\left({\sqrt {h}}+{\sqrt {H}}\right)$

大気の屈折

高度とともに大気の圧力が低下すること（垂直方向の圧力変化）の通常の影響として、電波は地球の表面に向かって下向きに曲げられる（屈折する）ことになります。その結果、有効地球半径^[3]が約4 ⁄ 3倍に増加します。^[4]このk係数は天候に応じて平均値から変化することがあります。

地平線までの屈折距離

これまでの真空距離解析では、RF信号の伝搬経路に対する大気の影響は考慮されていません。実際、RF信号は直線的に伝搬しません。大気層の屈折効果により、伝搬経路は多少曲がっています。したがって、ステーションの最大サービス範囲は、見通し真空距離と等しくありません。通常、上記の式では係数kが使用され、次のように修正されます。

d\approx {\sqrt {2\cdot k\cdot R\cdot h}}

k > 1 は、幾何学的に膨らみが小さくなり、サービス範囲が長くなることを意味します。一方、k < 1 は、サービス範囲が短くなることを意味します。

通常の気象条件下では、kは通常4 ⁄ 3に選択されます^[5]。これは、最大サービス範囲が15％増加することを意味します。

d\approx 4.12\cdot {\sqrt {h}}

hはメートル、dはキロメートルの場合、または

d\approx 1.41\cdot {\sqrt {h}}

hはフィート、d はマイルです。

しかし、荒天時にはkが減少して伝送のフェーディングを引き起こす可能性があります。（極端な場合にはkが1未満になることもあります。）これは、地球の半径の仮説的な減少と地球の膨らみの増加に相当します。^[6]

例えば、通常の気象条件では、海抜1500mの受信機に対する高度1500mの局のサービス範囲は次のように求められます。

d\approx 4.12\cdot {\sqrt {1500}}=160{\mbox{ km.}}

参照

参考文献

^ 「見通し内伝播」。IEEE Technology Navigator 。 2023年5月10日閲覧。
^ 地球の平均半径は約6.37×10 ⁶メートル = 6370 kmです。地球の半径を参照してください。
^ 「P.834 : 対流圏屈折による電波伝搬への影響」ITU 2021-03-05 . 2021-11-17閲覧。
^ クリストファー・ハスレット (2008)。『電波伝搬の基礎』 pp 119-120。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 052187565X。
^ Busi, R. (1967).高高度VHFおよびUHF放送局。技術モノグラフ3108-1967。ブリュッセル：欧州放送連合。
^ この分析は、高高度から海面までの受信を対象としています。マイクロ波無線リンクチェーンでは、両方のステーションが高高度にあります。

この記事には、連邦規格 1037Cのパブリックドメインマテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

外部リンク

http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges
UHF 受信における視線の重要性に関する記事
屋根を通した減衰レベル
二項級数を使用した 2 線モデルの近似 (Matthew Bazajian 著)

[1] 「見通し内伝播」。IEEE Technology Navigator 。 2023年5月10日閲覧。

[2] 地球の平均半径は約6.37×10 ⁶メートル = 6370 kmです。地球の半径を参照してください。

[ITU_2021-3] 「P.834 : 対流圏屈折による電波伝搬への影響」ITU 2021-03-05 . 2021-11-17閲覧。

[4] クリストファー・ハスレット (2008)。『電波伝搬の基礎』 pp 119-120。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 052187565X。

[5] Busi, R. (1967).高高度VHFおよびUHF放送局。技術モノグラフ3108-1967。ブリュッセル：欧州放送連合。

[6] この分析は、高高度から海面までの受信を対象としています。マイクロ波無線リンクチェーンでは、両方のステーションが高高度にあります。