非見通し伝搬

マクスウェル方程式^{[ 1 ]}から、自由空間の遠方場またはフラウンホーファー領域に存在する電波は平面波として振る舞うことがわかります。 [ ^{2 ] [ 3 ]平面}波では、電場、磁場、伝搬方向は互いに垂直です。^{[ 4 ]} NLOS経路での無線通信を成功させるさまざまなメカニズムを理解するには、アンテナ間のLOS経路を視覚的に遮る物体によって、このような平面波がどのように影響を受けるかを考慮する必要があります。無線遠方場波と無線平面波という用語は互換性があることがわかります。

定義上、見通し線とは、平均的な人間の目が遠くの物体を識別する能力によって決まる視覚的な視線のことです。私たちの目は光に敏感ですが、光の波長は電波の波長に比べて非常に短いです。光の波長は約400ナノメートル（nm）から700nmの範囲ですが、電波の波長は300GHzで約1ミリメートル（mm）から10kHzで30キロメートル（km）の範囲です。したがって、最も短い電波の波長でさえ、最も長い光の波長の約2000倍です。約10GHzまでの一般的な通信周波数では、その差は約60,000倍にもなるため、NLOS経路を示唆するような視覚的な障害物と、電波伝搬経路に影響を与える可能性のある同じ障害物を比較することは、必ずしも信頼できるとは限りません。    

NLOSリンクは、シンプレックス（送信は一方向のみ）、デュプレックス（送信は双方向同時）、またはハーフデュプレックス（送信は双方向で可能だが同時ではない）のいずれかになります。通常の状態では、NLOSを含むすべての無線リンクは相互的です。つまり、無線チャネルがシンプレックス、デュプレックス、またはハーフデュプレックスのいずれで動作しても、伝搬条件が無線チャネルに及ぼす影響は同じです。^{[ 5 ]}ただし、異なる周波数での伝搬条件は異なるため、アップリンクとダウンリンクの周波数が異なる従来のデュプレックスは必ずしも相互的ではありません。

もし${\displaystyle \sigma \gg \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}$この材料は良導体または不良絶縁体であり、入射する電波をほぼ同じ電力で大幅に反射します。 ^{[ 6 ]}したがって、非常に薄い場合でも、RF電力は材料自体にほとんど吸収されず、ほとんど透過されません。すべての金属は良導体であり、橋、金属被覆の建物、倉庫、航空機、送電塔や鉄塔など、都市環境で電波を大きく反射する例が数多くあります。

もし${\displaystyle \sigma \ll \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}$この物質は優れた絶縁体（または誘電体）または劣悪な導体であり、入射波を実質的に透過します。RF電力は実質的に吸収されませんが、自由空間の誘電率（1）に対する相対誘電率に応じて、境界で反射されることがあります。これは、以下で説明する固有インピーダンスの概念を使用します。優れた絶縁体でもある大きな物理的物体はほとんどなく、興味深い例外として淡水氷山がありますが、これらは通常、ほとんどの都市環境では見られません。しかし、大量のガスは一般的に誘電体として振る舞います。これらの例としては、高度が10～20 kmまで増加するにつれて密度が徐々に減少する地球の大気の領域があります。高度約50 kmから200 kmのより高い高度では、さまざまな電離層も誘電体のように振る舞い、太陽の影響に大きく依存します。電離層は中性ガスではなくプラズマです。   

NLOSリンクにおける電波伝送に影響を与える材料のほとんどは中間的な性質を持ち、優れた絶縁体でも優れた導体でもありません。薄い中間的な材料で構成された障害物に入射した電波は、厚さに応じて入射面と出射面の両方で部分的に反射され、部分的に吸収されます。障害物が十分に厚い場合、電波は完全に吸収される可能性があります。吸収があるため、これらの材料は損失性材料と呼ばれることが多いですが、損失の程度は通常非常に変動が大きく、多くの場合、水分量に大きく依存します。これらの材料は多くの場合不均質であり、導体特性と絶縁特性が異なる材料の混合物で構成されています。このような例としては、丘、谷の斜面、山（植生が豊富な場合）、鉄筋のない石、レンガ、コンクリートでできた建物などが挙げられます。厚みが増すほど損失は大きくなります。たとえば、壁は、同じ材料でできた建物よりも、垂直入射波からのRF電力をはるかに少なく吸収します。

パッシブランダム反射は、平面波が物体の周囲で1つ以上の反射経路を通過することで、本来LOS（見通し線）である無線経路がNLOS（非見通し線）になる場合に実現されます。反射経路は、金属製の物体（鋼鉄製の橋や飛行機など、非常に優れた導体）や、コンクリート製の建物の側面や壁など、平面波に対して比較的優れた導体である物体など、さまざまな物体によって引き起こされる可能性があります。この方法は、反射のたびに平面波が伝送損失を受け、LOSの場合と比較して送信アンテナの出力電力を高くして補償する必要があるため、力任せの方法と見なされることがあります。しかし、この技術は安価で簡単に使用できるため、パッシブランダム反射はNLOSを実現するために都市部で広く利用されています。パッシブ反射を利用する通信サービスには、WiFi、 WiMAX 、 WiMAX MIMO、モバイル（セルラー）通信、都市部への地上波放送などがあります。

パッシブリピーターは、障害物を迂回する経路を確保するために、精密に設計された反射板を重要な位置に意図的に設置することで、NLOSリンクを実現するために使用できます。しかし、反射板がかさばるため、アクセスできない場所や、計画当局や建物の所有者が受け入れない場所に慎重に設置する必要があり、ほとんどの都市環境では受け入れられません。パッシブ反射板によるNLOSリンクでは、受信信号が送信信号の「二重逆二乗法則」関数となるため、送信アンテナから受信アンテナへのホップごとに1つの関数が発生し、大きな損失が発生します。しかし、山岳地帯の農村部では、山を迂回してLOSマイクロ波リンクの範囲を拡張し、NLOSリンクを構築するために、パッシブリピーターが効果的に使用されています。このような場合、適切な電源の入手が困難なため、より一般的なアクティブリピーターの設置は通常不可能でした。

アクティブリピーターは、基本的に受信アンテナ、受信機、送信機、送信アンテナから構成される電源供給型の機器です。NLOSリンクの両端が位置AとCにある場合、リピーターは位置Bに配置され、リンクABとBCは実際にはLOSです。アクティブリピーターは、受信信号を増幅して、同じ周波数または異なる周波数で変更せずに再送信します。前者の場合、よりシンプルで安価ですが、フィードバックを避けるために2つのアンテナ間の良好なアイソレーションが必要です。ただし、NLOSリンクの端であるAまたはCでは、LOSリンクで使用される周波数から受信周波数を変更する必要がないことを意味します。典型的な用途としては、トンネル内でカーラジオを使用する車両向けに信号をリピーターまたは再送信することが挙げられます。周波数を変更するリピーターはフィードバックの問題を回避できますが、設計がより困難で高価になり、受信機がLOSゾーンからNLOSゾーンに移動するときに周波数を変更する必要があります。

通信衛星は、周波数を変更するアクティブリピーターの一例です。通信衛星は、ほとんどの場合、赤道上空22,300マイル（35,900 km）の静止軌道上にあります。 

ポインティングベクトルをLF（ 30kHz～300kHz  ）およびVLF（3kHz  ～ 30kHz）の垂直偏波平面波に適用すると 、電界の成分が地表から数メートルまで伝搬することが示される。伝搬損失は非常に少なく、見通し線なし（NLOS）リンクを介して数千キロメートルにわたる通信が可能である。しかし、このような低周波数は定義上（ナイキスト・シャノン標本化定理）、帯域幅が非常に狭いため、この種の通信は広く利用されていない。

VHF帯およびUHF帯の電波は、対流圏（高度20km （12マイル）以下の大気の最下層）での屈折により、視界の地平線をやや超えて伝搬することがあります。^{[ 8 ] [ 9 ]}これは、温度と気圧によって空気の屈折率が変化するためです。対流圏遅延は、全地球測位システム（GPS）などの無線測距技術における誤差の原因となります。^{[ 10 ]}さらに、異常な状況下では、より遠距離への伝搬が可能になる場合もあります。  

NLOSリンクをサポートする電離層伝搬のメカニズムは、大気屈折の場合と似ていますが、この場合、電波の屈折は大気ではなく、はるかに高い高度の電離層で発生します。^{[ 13 ]}対流圏の場合と同様に、電離層伝搬はレイリーフェージングを使用して統計的にモデル化できる場合があります。

電離層は高度約50kmから 400kmまで広がり 、高度の上昇に伴ってD、E、F1、F2と呼ばれる明確なプラズマ層に分かれています。電波は、大気ではなく電離層によって屈折するため、これらの層のいずれかを経由する1回の屈折経路、つまり「ホップ」だけで、はるかに長い距離の非見通し線（NLOS）リンクが可能になります。特定の条件下では、1回のホップを経た電波が地表で反射してさらにホップを経ることで、距離が伸びることがあります。これらの層の位置とイオン密度は、太陽の入射放射によって大きく左右されるため、日周期、季節、太陽黒点活動によって変化します。20世紀初頭にマルコーニが電波が地平線を超えて伝搬できることを発見したことがきっかけ となり、その後約50年間、電離層伝搬に関する広範な研究が行われ 、さまざまなHFリンクチャネル予測表やチャートが作成されました。

電離層伝搬の影響を受ける周波数は、およそ500kHz から50MHzの範囲ですが、そのようなNLOSリンクの大部分は、 3MHzから30MHzの間の 「短波」または高周波（HF）周波数帯で動作します。  

20世紀後半には、衛星通信や海底光ファイバーなど、見通しの悪い長距離通信のための代替手段が開発されました。これらはどちらもHFよりもはるかに広い帯域幅を伝送でき、信頼性もはるかに高いという利点があります。HF通信には限界もありますが、比較的安価で簡素な機器とアンテナしか必要としないため、主に主要通信システムのバックアップとして、また他の通信手段が費用対効果に見合わない人口密度の低い遠隔地で利用されています。

議論

電離層反射波伝搬（スキップ伝搬とも呼ばれる）は、電離層からの電波の反射と屈折を利用する伝搬モードの総称です。電離層は、高度約60～500km （37～311マイル）の大気圏の一部で、荷電粒子（イオン）の層があり、電波を地球に向かって屈折させることができます。空に向かって斜めに向けられた電波は、これらの層によって地平線の向こう側で地球に反射され、長距離無線通信が可能になります。F2層は、長距離の多重ホップHF伝搬において最も重要な電離層ですが、F1層、E層、D層も重要な役割を果たします。D層は、日照時間中に存在すると、かなりの信号損失を引き起こします。E層も同様で、使用可能な最大周波数は4MHz以上に達するため、高周波信号がF2層に到達するのを遮断します。これらの層、より正確には「領域」は、日周期、季節周期、および11年周期の太陽黒点周期において太陽の影響を直接受け、これらのモードの有用性を決定します。太陽活動が極大期、つまり太陽黒点が最大となる時期には、通常24時間体制で最大30MHzまでのHF帯域全体が使用可能であり、日々の太陽フラックス値に応じて最大50MHzまでのF2伝搬が頻繁に観測されます。太陽活動が極小期、つまり太陽黒点数がゼロまで減少する時期には、一般的に15MHzを超える周波数の伝搬は不可能です。      

一般的に、特定の経路に沿った双方向HF伝搬は相互的である、つまり、場所Aからの信号が場所Bに十分な強度で到達すれば、両方向で同じ経路を通るため、場所Bからの信号もステーションAで同様の強度になる、と主張されている。しかし、電離層は相互性の定理を支持するには複雑すぎ、常に変化している。経路は両方向で完全に同じになることは決してない。^{[ 14 ]}簡単に言うと、経路の両端点の条件は一般的に異なる偏波シフトを引き起こし、その結果、電離密度、天頂角の変化、地球の磁気双極子輪郭の影響、アンテナ放射パターン、地表条件、その他の変数の違いにより伝搬特性が異なる通常光線と異常光線（ペダーセン光線）への異なる分裂が生じる。

電離層反射波モードの予測は、アマチュア無線家、船舶および航空機の商用通信事業者、そして短波放送事業者にとって非常に重要な関心事である。リアルタイムの伝搬状況は、特定のビーコン送信機からの送信を受信することで評価できる。

LOSリンクをNLOSリンクに変換する物体が良導体ではなく中間材料である場合、入射するRF電力の一部を吸収します。しかし、その厚さが有限であれば、吸収も有限となり、結果として生じる電波の減衰は許容範囲内となり、実際にその材料を通過する電波を使用してNLOSリンクを確立できる可能性があります。例えば、WLANでは、一般的なオフィス環境において、WLANアクセスポイントとWLANクライアント間の通信に、有限吸収NLOSリンクがよく使用されます。使用される無線周波数は通常数ギガヘルツ（GHz）で、数枚の薄いオフィス壁や間仕切りを許容範囲内の減衰で通過します。しかし、そのような壁が多数ある場合、あるいは厚いコンクリートや同様の（非金属）壁が数枚ある場合、NLOSリンクは機能しなくなります。

流星散乱は、流星によって生成される高電離空気柱から電波が反射される現象です。このモードは非常に短時間で、1回のイベントにつき数分の1秒から数秒程度ですが、デジタル流星バースト通信を用いることで、衛星リンクに必要な費用をかけずに、数百マイルから1,000マイル（1,600km ）以上離れた局と通信することが可能になります。このモードは、一般的に30～250MHzのVHF周波数帯で最も有効です。  

オーロラオーバル内の高度100km （62マイル）にある強烈なオーロラ電離柱は、HF帯やVHF帯を含む電波を後方散乱します。後方散乱は角度に敏感で、入射光線と柱の磁力線はほぼ直角でなければなりません。磁力線の周りを螺旋状に回転する電子のランダムな運動はドップラー広がりを生み出し、使用する無線周波数の高さに応じて、放射スペクトルを多かれ少なかれノイズのような状態に広げます。電波オーロラは主に高緯度で観測され、中緯度まで広がることはまれです。電波オーロラの発生は太陽活動（フレア、コロナホール、CME）に依存し、太陽活動極大期には年間を通して発生頻度が高くなります。電波オーロラには、より強く歪んだ信号を生成するいわゆる午後の電波オーロラと、ハラン極小期の後、信号強度が変動しドップラー拡散が小さくなる深夜の電波オーロラ（サブストーム期）が含まれます。この主に後方散乱モードの伝搬範囲は東西方向に約2,000 km（1,200マイル）まで広がりますが、最も強い信号は、同じ緯度の近隣地点で北から最も頻繁に観測されます。    

まれに、強い電波オーロラの後にオーロラEが発生することがあり、これは両方の伝播様式にいくつかの点で類似している。

散発性 E (Es) 伝搬は HF 帯と VHF 帯で発生します。^{[ 15 ]}これは通常の HF E 層伝搬と混同してはいけません。中緯度における散発性 E は、主に夏季、北半球では 5 月から 8 月、南半球では 11 月から 2 月にかけて発生します。この謎めいた伝搬モードの原因は一つではありません。反射は高度90 km (56 mi)付近の薄い電離層で発生します。電離層は時速数百 km (マイル) の速度で西にドリフトします。季節中に弱い周期性が認められ、典型的には Es は 1 ～ 3日連続で観測され、数日間消失した後、再び発生します。Es は早朝には発生しません。イベントは通常夜明けに始まり、午後にピークがあり、夕方に 2 番目のピークがあります。^{[ 16 ]} Es 伝搬は通常、現地時間の真夜中までに消滅します。   

28.2 MHz、50 MHz、70 MHz付近で動作する無線伝搬ビーコンの観測によると、Esの最大観測周波数（MOF）は夏季のほとんどの日で30 MHz付近に潜んでいるが、MOFが10分以内に100 MHz以上に急上昇し、その後数時間かけてゆっくりと低下することもある。ピーク位相には、約5～10分の周期でMOFが振動する現象が含まれる。Esのシングルホップ伝搬距離は通常1,000～2,000 km（620～1,240マイル）であるが、マルチホップでは2倍の距離が観測される。信号は非常に強いが、ゆっくりとした深いフェージングも見られる。       

航空機の散乱（または多くの場合反射）は、VHF帯からマイクロ波帯にかけて観測され、後方散乱に加えて、山岳地帯でも瞬間的に最大500km （310マイル）まで伝搬する。後方散乱の最も一般的な応用例としては、航空交通管制レーダー、バイスタティック前方散乱誘導ミサイル・航空機探知トリップワイヤーレーダー、そして米国の宇宙レーダーなどが挙げられる。