Многолучевость

Многолучевость — это явление распространения радиоволн, при котором сигнал от передатчика достигает приёмника не по одному, а по нескольким различным траекториям (лучам). Это происходит из-за отражений, рассеяния, дифракции и преломления электромагнитных волн на объектах окружающей среды (зданиях, горах, деревьях, поверхности земли, атмосферных слоях) или на искусственных препятствиях. Многолучевость является фундаментальным свойством радиоканала и оказывает как негативное, так и полезное влияние на качество передачи информации.

Физическая природа явления

В идеальных условиях свободного пространства радиоволна распространяется от передатчика к приёмнику по кратчайшей прямой линии (прямой луч). Однако в реальных условиях, особенно в городской застройке, внутри помещений или на пересечённой местности, волна сталкивается с множеством препятствий. В результате часть энергии сигнала достигает приёмника, отразившись от одного или нескольких объектов, часть — пройдя сквозь них (с ослаблением), а часть — огибая их (дифракция).

Основные механизмы, порождающие многолучевость:

Отражение: происходит, когда размеры препятствия значительно превышают длину волны. Типичные отражатели — стены зданий, земная поверхность, водные поверхности.
Рассеяние: возникает при взаимодействии волны с шероховатыми поверхностями или объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны (например, листва деревьев, столбы, мелкие неровности рельефа). Энергия рассеивается во многих направлениях.
Дифракция (огибание): происходит, когда волна встречает на своём пути препятствие с острыми краями (например, угол здания, вершина горы). Волна огибает препятствие, создавая вторичные волны, которые распространяются в область геометрической тени.

Каждый из этих лучей (копий исходного сигнала) приходит в точку приёма с разной задержкой по времени, разной амплитудой (ослаблением) и разной фазой. Разность хода лучей может составлять от долей метра (внутри комнаты) до десятков километров (в системах тропосферной связи).

Влияние на качество связи

Многолучевость является одной из основных причин ухудшения качества радиосвязи, особенно в системах с высокой скоростью передачи данных. Основные негативные эффекты:

Интерференционные замирания (фединг)

Поскольку лучи приходят в разных фазах, они могут складываться как конструктивно (усиливая друг друга), так и деструктивно (ослабляя). В результате суммарный уровень сигнала в точке приёма может колебаться во времени и пространстве. Такие колебания называются замираниями (федингом). Различают:

Медленные замирания: вызваны изменением условий распространения в целом (например, перемещением крупных объектов, изменением погоды).
Быстрые замирания: происходят при перемещении приёмника или передатчика на расстояние порядка половины длины волны. Характерны для мобильной связи.

Межсимвольная интерференция (МСИ)

Это наиболее критичное последствие многолучевости для цифровых систем связи. Если разность задержек между приходящими лучами (дисперсия задержки) становится сравнима с длительностью одного символа (бита), то «хвост» предыдущего символа накладывается на следующий. Это приводит к искажению формы сигнала и ошибкам в приёме. Чем выше скорость передачи, тем короче символ и тем сильнее сказывается МСИ.

Частотно-селективные замирания

В широкополосных системах (например, Wi-Fi, LTE) многолучевость приводит к тому, что разные частотные составляющие сигнала затухают по-разному. На одних частотах наблюдается конструктивная интерференция, на других — деструктивная. Это делает канал «частотно-селективным».

Методы борьбы и использования

Для преодоления негативных эффектов многолучевости в современных системах связи применяются различные технические решения.

Борьба с многолучевостью

Разнесённый приём (диверсити): использование нескольких антенн на приёмной стороне (разнесение по пространству, поляризации, частоте или времени). Вероятность того, что все антенны одновременно попадут в глубокий провал сигнала, мала.
Эквалайзеры (выравниватели): адаптивные фильтры, которые в цифровом виде оценивают характеристики многолучевого канала и компенсируют искажения, «собирая» энергию из разных лучей. Широко применялись в модемах и GSM.
OFDM (ортогональное частотное разделение с мультиплексированием): технология, используемая в Wi-Fi, LTE, 5G, DVB-T. Высокоскоростной поток данных делится на множество низкоскоростных поднесущих. Длительность символа на каждой поднесущей становится большой, и МСИ перестаёт быть критичной. Для окончательного подавления остаточной МСИ между символами вставляется защитный интервал (циклический префикс).
Корректирующие коды: помехоустойчивое кодирование (например, свёрточные коды, турбо-коды, LDPC) позволяет исправлять ошибки, вызванные замираниями.

Использование многолучевости

В некоторых областях многолучевость не является помехой, а, наоборот, используется как полезное свойство:

MIMO (Multiple Input Multiple Output): технология, использующая несколько антенн как на передающей, так и на приёмной стороне. Многолучевость создаёт несколько независимых пространственных каналов (потоков), по которым можно передавать разные данные одновременно, многократно увеличивая пропускную способность без расширения полосы частот. Является ключевой технологией в 4G/5G и Wi-Fi 5/6.
Радиолокация: в радиолокационных системах (например, в метеорологии или в системах посадки самолётов) многолучевые отражения от земли или объектов могут быть использованы для определения высоты, рельефа или обнаружения целей.
Системы навигации: в GPS/ГЛОНАСС многолучевость обычно является помехой, но в некоторых методах (например, в дифференциальных режимах) её учитывают для повышения точности.
Связь в помещениях: в системах Wi-Fi и Bluetooth многолучевость позволяет сигналу «огибать» углы и стены, обеспечивая связь даже при отсутствии прямой видимости.

Модели многолучевого канала

Для проектирования систем связи используются математические модели, описывающие многолучевость. Наиболее распространённые:

Модель Рэлея: описывает канал, где нет доминирующего прямого луча (например, в плотной городской застройке). Амплитуда сигнала подчиняется рэлеевскому распределению.
Модель Райса: описывает канал, где есть сильный прямой луч (например, в сельской местности или при связи с базовой станцией на открытой местности). Амплитуда сигнала подчиняется райсовскому распределению.
Модель с экспоненциальным профилем задержек: используется для оценки МСИ, задавая среднюю задержку и разброс задержек лучей.