Rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych

Własność propagacji fal elektromagnetycznych, a szczególnie konieczność matematycznego opisania zjawisk elektrodynamicznych, znalazły szczególne wyzwanie w projektowaniu sieci łączności stacji bazowych telefonii komórkowej. Stacje bazowe lokalizowane są w taki sposób, aby zapewnić łączność z z abonentami i w tym przypadku konieczne jest zapewnienie w miejscu odbioru dostatecznie wysokiego poziomu sygnału. Dla zapewnienia dobrej łączności, w dowolnym miejscu na obszarze obsługiwanym przez stację bazową, poziom natężenia pola elektrycznego powinien być wyższy od okreslonej wartośći minimalnej.

Zwiększanie mocy nadajników stacji bazowej umożliwia, co prawda, zwiększenie poziomu natężenia pola w obszarze działania stacji bazowej, jednakże pole to ma być również znaczące wartości natężenia na obszarach obsługiwanych przez sąsiednie stacje bazowe. Taki "pasożytniczy" charakter pola elektromagnetycznego znacznie utrudnia pracę sąsiednich stacji bazowych. Biorąc pod uwagę, że koszt zbudowania stacji bazowej jest bardzo wysoki, taką stację trzeba lokalizować w określonym miejscu w terenie i zapewnić jej właściwe "pokrycie" na obszarze danej staji bazowej tj. danej komórki.

W celu minimalizacji kosztów, przed lokalizacją stacji bazowej symuluje się teoretyczny rozkład pola z uwzględnieniem topografii terenu i zabudowy istniejącej na tym terenie. O ile w przypadku wolnej przestrzeni lub z uwzględnieniem odbicia od ziemi wartości natężenia pola w punkcie odbioru można było oszacować z dużą dokładnością, o tyle określenie natężenia pola w miejscu, w którym może znajdować się obonent jest szczególnie trudnym zagadnieniem, gdyż pole w tym miejscu jest wynikiem nałożenia się fal odbitych od podłoża i wszelkich obiektów odbijających, np. od budynków.

Do miejsca odbioru docierają także fale ugięte na metalowych krawędziach, znajdujących się na obszarze pomiędzy stacją bazową a abonentem. Zjawisko, w wyniku którego do punktu odbioru docieracją fale różnymi drogami nazywa się wielodrogowością.
W punkcie odbioru fale te nakładają się na siebie i w zależności od ich fazy następuje zwiększenie poziomu sygnału lub jego zanik. Jeżeli terminal (telefon komórkowy abonenta) jest nieruchomy, wtedy poziom sygnału jest praktycznie stały w funkcji czasu. Jednakże, gdy terminal jest w ruchu, wtedy natężenie pola elektrycznego zmienia się w czasie.

Zmiany wartości natężenia pola elektrycznego powodowane wielodrogowością sygnałów docierających do punktów przestrzeni, przez które przemieszcza się terminal, nazywane są zanikami. Przykład zaników dla przypadku terminala przemieszczającego się (oddalającego się od stacji bazowej) przedstawiono na rysunku.

Rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych

Przykładowy rozkład natężenia pola elektrycznego w terminalu, w funkcji odległości od anteny.

    Zaniki sygnałów przedstawione na rysuknu powyżej powstają w wyniku odbić i dyfrakcji od przeszkód terenowych. Zaniki te nazywają się również zanikami szybkimi i są one wywołane zmianą położenia terminala. Na rysunku przedstawiono również (linia przerywana) tzw. Zaniki wolnozmienne.

Krzywa zaników wolnozmiennych jest wartością średnią zaników pola w czasie ruchu terminala. Zaniki wolne można odnosić do zmian ogólnych warunków propagacji w czasie. Oczywiste jest, że wartości natężenia pola elektrycznego proporcjonalne zarówno do zaników wolnych jak i szybkich maleją w miarę oddalania się terminala od anteny stacji bazowej. Malenie poziomu sygnału wynika z rozproszenia oraz z pochłaniania energii promieniowania przy odbijaniu od elementów terenowych z zabudowy mieszkaniowej.

Konfiguracja terenu, w którym jest realizowana transmisja sygnału pomiędzy stacją bazową a terminalem może być skrajnie różna. Może to być teren otwarty, który kształtuje poziom sygnału w miejscu odbioru w wyniku odbić od powierzchni ziemi. W tym przypadku poziom sygnału zależy od konfiguracji terenu oraz od stanu powierzchni ziemi, a mianowicie: ziemia sucha, wilgotna, pokryta śniegiem itd. Zupełnie odmienne warunki występują w przypadku gęstej zabudowy mieszkaniowej. Okazuje się, że ilość informacji niezbędna do określenia warunków propagacji zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów komórek, czyli obszarów obsługiwanych przez stację bazową.

Uwzględniając ogromną złożoność elementów biorących udział w kształtowaniu pola w miejscu odbioru, nie ma mozliwości precyzyjnego określenia tego pola. Aby mimo wszystko oszacować poziomy mocy sygnałów w dowolnych punktach środowiska propagacyjnego, budowane są tzw. model propagacyjne. Modele propagacyjne są empirycznymi lub analitycznymi metodami prognozowania natężenia pola elektrycznego, w określonym punkcie przestrzeni.

Modele te można podzielić na teoretyczne, empiryczne i empiryczno – teoretyczne. Modele teoretyczne umozliwiają wyznaczenie rozkładu natężenia pla na podstawie praw elektromagnetyzmu. Łatwo zauważyć, że modele takie mogą być zastosowane do środowisk o prostej geometrii i wymagają precyzyjnego określenia wszystkich elementów znajdujących się w torze propagacyjnym. W środowiskach złożonych stostuje się modele empiryczne, które powstają w wyniku matematycznej obróbki danych pomiarowych. Modele takie sprawdzają się zatem w środowiskach zbliżonych do tego, dla którego je opracowano.

Z kolei, modele empiryczno – teoretyczne powstaja jako wynik uogólnień matematycznych do dancyh do danych pomiarowych wykonanych w reprezentatywnych otoczeniach. Komputery umożliwiają teraz uwzględnienie wielu czynników w obliczeniach, poprawiając tym samym wiarygodność symulacji. Pomimo wszystko największą dokładność predykcji uzyskuje się łącząc wyniki pomiarów z uogólnieniami matematycznymi zbudowanymi na podstawie tych pomiarów.

Takim modelem jest model Okumury-Haty. W modelu tym wyznaczone empirycznie rodziny krzywych dla gęsto zabudowanych terenów wykonał Okumura. Z kolei Hata opracował matematyczne zależności uwzględniające środowisko, dla których uzyskano wyniki pomiarów.


Źrodło: "Anteny mikrofalowe, Technika i środowisko" Roman Kubacki, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności Warszawa 2008