Многолучевое распространение

Многолучевое распространение — это явление в физике распространения волн, при котором сигнал от передатчика к приёмнику поступает не по одному прямому пути, а по множеству траекторий, возникающих в результате отражений, преломлений, рассеяния и дифракции волн на объектах окружающей среды. Многолучевость характерна для радиоволн, звуковых волн (в акустике) и световых волн, и оказывает существенное влияние на качество связи, точность навигации и работу радиолокационных систем.

Физические основы

При распространении волны в реальной среде она сталкивается с препятствиями: зданиями, деревьями, рельефом местности, атмосферными неоднородностями. В результате часть энергии волны отражается, часть рассеивается, часть проходит сквозь препятствия с изменением направления. В итоге приёмник регистрирует суперпозицию нескольких копий исходного сигнала, пришедших с разными задержками, амплитудами, фазами и углами прихода.

Основные механизмы образования многолучевости:

• Отражение — волна меняет направление при падении на границу раздела сред (например, отражение от стены здания или поверхности земли).
• Преломление — изменение направления волны при переходе из одной среды в другую (например, в тропосфере при изменении температуры и влажности).
• Дифракция — огибание волной препятствий, размеры которых сравнимы с длиной волны (например, дифракция на краю крыши).
• Рассеяние — переизлучение волны мелкими неоднородностями (например, листвой деревьев или шероховатой поверхностью).

Характеристики многолучевого канала

Для описания многолучевого распространения используются следующие параметры:

• Задержка распространения — время, за которое сигнал проходит по каждому из путей. Разница между максимальной и минимальной задержкой называется разбросом задержек (delay spread).
• Амплитуда и фаза — каждый луч имеет свою амплитуду (затухание) и фазу, зависящие от длины пути, свойств отражающих поверхностей и угла падения.
• Угол прихода — направление, с которого приходит каждый луч. Разброс углов прихода (angle spread) важен для систем с антенными решётками.
• Доплеровский сдвиг — изменение частоты сигнала из-за относительного движения передатчика, приёмника или отражающих объектов. При многолучевости возникает доплеровский разброс (Doppler spread).

Последствия для радиосвязи

Многолучевое распространение приводит к ряду негативных эффектов, особенно в системах цифровой связи:

• Интерференция — сложение лучей с разными фазами может приводить как к усилению, так и к ослаблению результирующего сигнала. В частотной области это проявляется в виде частотно-селективных замираний (fading): на одних частотах сигнал усиливается, на других — ослабляется.
• Межсимвольная интерференция (ISI) — из-за разброса задержек символы, передаваемые последовательно, накладываются друг на друга, что затрудняет их распознавание приёмником. Чем выше скорость передачи данных, тем сильнее влияние ISI.
• Ухудшение отношения сигнал/шум — в некоторых точках приёма сигнал может быть практически полностью погашен (глубокие замирания).
• Флуктуации сигнала — при движении приёмника или окружающих объектов картина интерференции быстро меняется, вызывая быстрые замирания (fast fading).

Методы борьбы с многолучевостью

Для снижения негативного влияния многолучевого распространения в современных системах связи применяются различные технические решения:

• Разнесённый приём (diversity) — использование нескольких антенн на приёмной стороне, расположенных на расстоянии, достаточном для получения некоррелированных замираний. Сигналы с разных антенн комбинируются (например, по методу максимального отношения).
• Эквалайзеры — адаптивные фильтры, которые оценивают импульсную характеристику канала и компенсируют межсимвольную интерференцию.
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — технология, при которой данные передаются на множестве узких поднесущих. Длительность символа на каждой поднесущей увеличивается, что снижает влияние ISI. OFDM используется в стандартах Wi-Fi, LTE, 5G, DVB-T.
• Антенные решётки и MIMO — использование нескольких антенн как на передающей, так и на приёмной стороне. MIMO позволяет не только бороться с замираниями, но и использовать многолучевость для увеличения пропускной способности (пространственное мультиплексирование).
• Коды с коррекцией ошибок — помехоустойчивое кодирование (свёрточные коды, турбо-коды, LDPC) позволяет восстановить данные, даже если часть битов была потеряна из-за замираний.

Многолучевость в навигации

В спутниковых навигационных системах (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo) многолучевое распространение является одним из основных источников погрешностей. Отражённые от зданий или земли сигналы приходят с задержкой, что приводит к ошибкам в определении псевдодальности и, как следствие, к неточному позиционированию. Для борьбы с этим применяются:

• Специализированные антенны с узкой диаграммой направленности (например, с подавлением боковых лепестков).
• Алгоритмы обработки сигналов — корреляционные методы, позволяющие отличить прямой сигнал от отражённого по форме корреляционного пика.
• Многолучевые модели — в высокоточных приёмниках используются модели, предсказывающие влияние отражений, и алгоритмы их компенсации.

Многолучевость в радиолокации

В радиолокации многолучевое распространение может приводить к появлению ложных целей (отражения от земли, зданий, водной поверхности) и к ошибкам в определении высоты и дальности цели. Особенно сильно этот эффект проявляется в маловысотных трассах. Для подавления многолучевости в РЛС используются:

• Сверхразрешение по углу — алгоритмы, позволяющие различать прямой и отражённый сигналы.
• Импульсное доплеровское разрешение — разделение сигналов по доплеровскому сдвигу.
• Антенные решётки с адаптивным формированием нулей — подавление сигналов, приходящих с определённых направлений.

Многолучевость в акустике

В акустике многолучевое распространение (реверберация) наблюдается в закрытых помещениях, где звук многократно отражается от стен, пола и потолка. Это приводит к:

• Эху — отчётливо слышимым повторениям звука.
• Реверберации — постепенному затуханию звука после прекращения его источника.
• Ухудшению разборчивости речи — в больших залах с высокой реверберацией.

Для борьбы с акустической многолучевостью используются звукопоглощающие материалы, а также системы активного подавления эха (эхокомпенсаторы).

Примеры в природе и технике

• Радиосвязь в городе — в условиях плотной застройки сигнал от базовой станции сотовой связи доходит до абонента по десяткам путей (отражения от стен, окон, автомобилей). Это одна из главных причин неустойчивой связи в городских каньонах.
• Спутниковая связь — сигнал от спутника может отражаться от поверхности Земли, создавая задержанную копию, которая интерферирует с прямым сигналом.
• Радиолокация низколетящих целей — самолёт, летящий над морем, создаёт отражение от водной поверхности, что приводит к ошибкам в определении его высоты.
• Подводная акустика — звук в океане распространяется по нескольким траекториям из-за отражений от дна, поверхности и термоклинов (слоёв с разной температурой воды).

Модели многолучевого канала

Для анализа и проектирования систем связи используются математические модели многолучевого канала. Наиболее распространённые:

• Модель Рэлея — описывает канал с большим числом равномерно распределённых по углу лучей, когда нет прямого (доминирующего) луча. Характерна для городских условий с плотной застройкой.
• Модель Райса — описывает канал, в котором присутствует сильный прямой луч (например, при прямой видимости) и множество слабых отражённых.
• Модель с экспоненциальным затуханием — задержки лучей распределены по экспоненциальному закону, амплитуды убывают с ростом задержки.
• Модель COST 207 — стандартизированная модель для систем GSM, учитывающая типовые профили задержек для городской, сельской и холмистой местности.

Источники

• Радиотехнические системы: учебник для вузов / под ред. Ю. М. Казаринова. — М.: Академия, 2008.
• Прокис Дж. Цифровая связь. — М.: Радио и связь, 2000.
• Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — М.: Вильямс, 2003.
• Галкин В. А. Основы построения систем спутниковой связи. — М.: Горячая линия – Телеком, 2015.
• Боровков А. И. Многолучевое распространение радиоволн в городских условиях. — М.: Радиотехника, 2012.
• ISO/IEC 8802-11:2020 (IEEE Std 802.11-2020) — Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.