La propagación de radio sin línea de visión ( NLOS ) ocurre fuera de la línea de visión (LOS) típica entre el transmisor y el receptor, como en las reflexiones terrestres . Las condiciones cercanas a la línea de visión (también NLOS ) se refieren a la obstrucción parcial por un objeto físico presente en la zona de Fresnel más interna .
Los obstáculos que suelen provocar la propagación sin visibilidad directa incluyen edificios, árboles, colinas, montañas y, en algunos casos, líneas eléctricas de alta tensión . Algunas de estas obstrucciones reflejan determinadas frecuencias de radio, mientras que otras simplemente absorben o distorsionan las señales; pero, en cualquier caso, limitan el uso de muchos tipos de transmisiones de radio, especialmente cuando el presupuesto de energía es bajo.
Los niveles bajos de potencia en un receptor reducen la posibilidad de recibir una transmisión correctamente. Los niveles bajos pueden deberse al menos a tres razones básicas: nivel de transmisión bajo, por ejemplo, niveles de potencia de Wi-Fi ; transmisor lejano, como 3G a más de 5 millas (8,0 km) de distancia o TV a más de 31 millas (50 km) de distancia; y obstrucción entre el transmisor y el receptor, que no deja un camino libre.
La falta de visibilidad directa reduce la potencia recibida efectiva. La falta de visibilidad directa suele solucionarse con mejores antenas, pero la falta de visibilidad directa suele requerir caminos alternativos o métodos de propagación por trayectos múltiples.
Cómo lograr una red NLOS eficaz se ha convertido en una de las principales preguntas de las redes informáticas modernas. Actualmente, el método más común para lidiar con las condiciones NLOS en las redes informáticas inalámbricas es simplemente eludir la condición NLOS y colocar relés en ubicaciones adicionales, enviando el contenido de la transmisión de radio alrededor de las obstrucciones. Algunos esquemas de transmisión NLOS más avanzados ahora utilizan la propagación de señales por trayectos múltiples , haciendo rebotar la señal de radio en otros objetos cercanos para llegar al receptor.
Sin línea de visión (NLOS) es un término que se utiliza a menudo en las comunicaciones por radio para describir un canal o enlace de radio donde no hay línea de visión visual (LOS) entre la antena transmisora y la antena receptora . En este contexto, LOS se toma
Hay muchas características eléctricas de los medios de transmisión que afectan la propagación de ondas de radio y, por lo tanto, la calidad de funcionamiento de un canal de radio, si es posible, en una ruta NLOS.
El acrónimo NLOS se ha vuelto más popular en el contexto de las redes de área local inalámbricas (WLAN) y las redes de área metropolitana inalámbricas como WiMAX, debido a que la capacidad de dichos enlaces para proporcionar un nivel razonable de cobertura NLOS mejora enormemente su comercialización y versatilidad en los entornos urbanos típicos donde se utilizan con más frecuencia. Sin embargo, NLOS contiene muchos otros subconjuntos de comunicaciones por radio.
La influencia de una obstrucción visual en un enlace NLOS puede ser desde insignificante hasta su total supresión. Un ejemplo podría aplicarse a una ruta LOS entre una antena de transmisión de televisión y una antena receptora montada en el techo. Si una nube pasara entre las antenas, el enlace podría en realidad convertirse en NLOS, pero la calidad del canal de radio podría verse prácticamente inafectada. Si, en cambio, se construyera un gran edificio en la ruta que lo convirtiera en NLOS, el canal podría ser imposible de recibir.
Más allá de la línea de visión ( BLOS ) es un término relacionado que se utiliza a menudo en el ámbito militar para describir las capacidades de comunicación por radio que vinculan a personal o sistemas que se encuentran demasiado distantes o demasiado ocultos por el terreno para las comunicaciones LOS. Estas radios utilizan repetidores activos , propagación de ondas terrestres , enlaces de dispersión troposférica y propagación ionosférica para ampliar los rangos de comunicación de unos pocos kilómetros a unos pocos miles de kilómetros.
A partir de las ecuaciones de Maxwell [1] encontramos que las ondas de radio, tal como existen en el espacio libre en el campo lejano o región de Fraunhofer , se comportan como ondas planas . [2] [3] En las ondas planas, el campo eléctrico , el campo magnético y la dirección de propagación son mutuamente perpendiculares . [4] Para comprender los diversos mecanismos que permiten comunicaciones de radio exitosas en caminos NLOS, debemos considerar cómo dichas ondas planas se ven afectadas por el objeto u objetos que obstruyen visualmente el camino LOS entre las antenas. Se entiende que los términos ondas de radio de campo lejano y ondas planas de radio son intercambiables.
Por definición, la línea de visión es la línea visual , que está determinada por la capacidad del ojo humano promedio para distinguir un objeto distante. Nuestros ojos son sensibles a la luz, pero las longitudes de onda ópticas son muy cortas en comparación con las longitudes de onda de radio. Las longitudes de onda ópticas varían de aproximadamente 400 nanómetros (nm) a 700 nm, pero las longitudes de onda de radio varían de aproximadamente 1 milímetro (mm) a 300 GHz a 30 kilómetros (km) a 10 kHz. Por lo tanto, incluso la longitud de onda de radio más corta es aproximadamente 2000 veces más larga que la longitud de onda óptica más larga. Para frecuencias de comunicaciones típicas de hasta aproximadamente 10 GHz, la diferencia es del orden de 60 000 veces, por lo que no siempre es confiable comparar obstrucciones visuales, como las que podrían sugerir una ruta NLOS, con las mismas obstrucciones que podrían afectar una ruta de propagación de radio.
Los enlaces NLOS pueden ser simplex (la transmisión se realiza en una sola dirección), dúplex (la transmisión se realiza en ambas direcciones simultáneamente) o semidúplex (la transmisión es posible en ambas direcciones pero no simultáneamente). En condiciones normales, todos los enlaces de radio, incluido el NLOS, son recíprocos , lo que significa que los efectos de las condiciones de propagación en el canal de radio son idénticos ya sea que funcione en simplex, dúplex o semidúplex. [5] Sin embargo, las condiciones de propagación en diferentes frecuencias son diferentes, por lo que el dúplex tradicional con diferentes frecuencias de enlace ascendente y descendente no es necesariamente recíproco.
En general, la forma en que una obstrucción afecta a una onda plana depende del tamaño de la obstrucción en relación con su longitud de onda y de las propiedades eléctricas de la obstrucción. Por ejemplo, un globo aerostático con dimensiones de longitud de onda múltiples que pasa entre las antenas de transmisión y recepción podría ser una obstrucción visual significativa, pero es poco probable que afecte mucho a la propagación de radio NLOS suponiendo que esté construido de tela y lleno de aire caliente, los cuales son buenos aislantes. Por el contrario, una obstrucción de metal de dimensiones comparables a una longitud de onda causaría reflexiones significativas. Al considerar el tamaño de la obstrucción, asumimos que sus propiedades eléctricas son del tipo intermedio o con pérdidas más común.
En términos generales, hay tres tamaños aproximados de obstrucción en relación con la longitud de onda a considerar en una posible ruta NLOS:
Si las dimensiones de la obstrucción son mucho menores que la longitud de onda de la onda plana incidente, la onda no se ve afectada en esencia. Por ejemplo, las transmisiones de baja frecuencia (LF), también conocidas como ondas largas , de aproximadamente 200 kHz tienen una longitud de onda de 1500 m y no se ven afectadas significativamente por la mayoría de los edificios de tamaño promedio, que son mucho más pequeños.
Si las dimensiones de la obstrucción son del mismo orden que la longitud de onda, existe un grado de difracción alrededor de la obstrucción y posiblemente cierta transmisión a través de ella. La onda de radio incidente podría atenuarse levemente y podría haber cierta interacción entre los frentes de onda difractados.
Si la obstrucción tiene dimensiones de muchas longitudes de onda, las ondas planas incidentes dependen en gran medida de las propiedades eléctricas del material que forma la obstrucción.
Las propiedades eléctricas del material que forma una obstrucción a las ondas de radio pueden variar desde un conductor perfecto en un extremo hasta un aislante perfecto en el otro. La mayoría de los materiales tienen propiedades tanto conductoras como aislantes. Pueden ser mixtas: por ejemplo, muchas trayectorias NLOS resultan de la obstrucción de la trayectoria LOS por parte de edificios de hormigón armado construidos con hormigón y acero . El hormigón es un buen aislante cuando está seco y el acero es un buen conductor. Alternativamente, el material puede ser un material homogéneo con pérdidas .
El parámetro que describe en qué grado un material es conductor o aislante se conoce como , o tangente de pérdida , dada por
dónde
y
Si el material es un buen conductor o un mal aislante y refleja sustancialmente las ondas de radio que inciden sobre él con casi la misma potencia. [6] Por lo tanto, prácticamente ninguna potencia de RF es absorbida por el propio material y prácticamente ninguna es transmitida, incluso si es muy delgado. Todos los metales son buenos conductores y, por supuesto, hay muchos ejemplos que causan reflexiones significativas de ondas de radio en el entorno urbano , por ejemplo, puentes, edificios revestidos de metal, almacenes, aviones y torres o pilones de transmisión de energía eléctrica .
Si el material es un buen aislante (o dieléctrico) o un mal conductor y transmite sustancialmente las ondas que inciden sobre él. Prácticamente no se absorbe potencia de RF, pero algo puede reflejarse en sus límites dependiendo de su permitividad relativa en comparación con la del espacio libre, que es la unidad. Esto utiliza el concepto de impedancia intrínseca, que se describe a continuación. Hay pocos objetos físicos grandes que también sean buenos aislantes, con la interesante excepción de los icebergs de agua dulce , pero estos no suelen aparecer en la mayoría de los entornos urbanos. Sin embargo, grandes volúmenes de gas generalmente se comportan como dieléctricos. Ejemplos de estos son las regiones de la atmósfera de la Tierra , que se reducen gradualmente en densidad a altitudes crecientes hasta 10 a 20 km. A altitudes mayores, de aproximadamente 50 km a 200 km, varias capas ionosféricas también se comportan como dieléctricos y dependen en gran medida de la influencia del Sol . Las capas ionosféricas no son gases neutros sino plasmas .
Incluso si una obstrucción es un aislante perfecto, puede tener algunas propiedades reflectantes debido a que su permitividad relativa difiere de la de la atmósfera. Los materiales eléctricos a través de los cuales pueden propagarse las ondas planas tienen una propiedad llamada impedancia intrínseca ( ) o impedancia electromagnética, que es análoga a la impedancia característica de un cable en la teoría de líneas de transmisión. La impedancia intrínseca de un material homogéneo viene dada por: [7]
dónde
Para el espacio libre y , por lo tanto, la impedancia intrínseca del espacio libre está dada por
lo que equivale aproximadamente a 377 .
En una analogía entre la teoría de ondas planas y la teoría de líneas de transmisión, la definición de coeficiente de reflexión es una medida del nivel de reflexión que normalmente se produce en el límite cuando una onda plana pasa de un medio dieléctrico a otro. Por ejemplo, si la impedancia intrínseca del primer y segundo medio fuera y respectivamente, el coeficiente de reflexión del medio 2 en relación con 1, , viene dado por:
La medida logarítmica en decibeles ( ) de cómo la señal de RF transmitida a través del enlace NLOS se ve afectada por dicha reflexión viene dada por:
La mayoría de los materiales del tipo que afecta la transmisión de ondas de radio a través de enlaces NLOS son intermedios: no son buenos aislantes ni buenos conductores. Las ondas de radio que inciden sobre una obstrucción que comprende un material intermedio delgado se reflejan parcialmente en los límites de incidencia y salida y parcialmente se absorben, dependiendo del espesor. Si la obstrucción es lo suficientemente gruesa, la onda de radio puede ser absorbida completamente. Debido a la absorción, a estos materiales a menudo se los llama materiales con pérdidas, aunque el grado de pérdida suele ser extremadamente variable y a menudo muy dependiente del nivel de humedad presente. A menudo son heterogéneos y comprenden una mezcla de materiales con diversos grados de propiedades conductoras y aislantes. Tales ejemplos son colinas, laderas de valles, montañas (con vegetación sustancial) y edificios construidos de piedra, ladrillo u hormigón pero sin acero reforzado. Cuanto más gruesos sean, mayor será la pérdida. Por ejemplo, una pared absorbe mucha menos potencia de RF de una onda incidente normal que un edificio construido con el mismo material.
Las reflexiones aleatorias pasivas se logran cuando las ondas planas se someten a una o más trayectorias reflectantes alrededor de un objeto que convierte una trayectoria de radio LOS en NLOS. Las trayectorias reflectantes pueden ser causadas por varios objetos que pueden ser metálicos (muy buenos conductores como un puente de acero o un avión ) o relativamente buenos conductores de ondas planas como grandes extensiones de lados de edificios de hormigón, paredes, etc. A veces esto se considera un método de fuerza bruta porque, en cada reflexión, la onda plana sufre una pérdida de transmisión que debe compensarse con una mayor potencia de salida de la antena de transmisión en comparación con si el enlace hubiera sido LOS. Sin embargo, la técnica es barata y fácil de emplear y las reflexiones aleatorias pasivas se explotan ampliamente en áreas urbanas para lograr NLOS. Los servicios de comunicación que utilizan reflexiones pasivas incluyen WiFi , WiMax , WiMAX MIMO , comunicaciones móviles (celulares) y transmisión terrestre a áreas urbanas.
Los repetidores pasivos pueden utilizarse para lograr enlaces NLOS mediante la instalación deliberada de un reflector diseñado con precisión en una posición crítica para proporcionar un camino alrededor de la obstrucción. Sin embargo, son inaceptables en la mayoría de los entornos urbanos debido a que el reflector voluminoso requiere una colocación crítica en quizás una ubicación inaccesible o en una que no sea aceptable para las autoridades de planificación o el propietario del edificio. Los enlaces NLOS con reflector pasivo también incurren en pérdidas sustanciales debido a que la señal recibida es una función de "doble ley del cuadrado inverso " de la señal de transmisión, una por cada salto desde la antena de transmisión a la antena de recepción. Sin embargo, se han utilizado con éxito en áreas rurales montañosas para extender el alcance de los enlaces de microondas LOS alrededor de las montañas, creando así enlaces NLOS. En tales casos, la instalación del repetidor activo más habitual generalmente no fue posible debido a problemas para obtener una fuente de alimentación adecuada.
Un repetidor activo es un equipo alimentado que comprende esencialmente una antena receptora, un receptor, un transmisor y una antena transmisora. Si los extremos del enlace NLOS están en las posiciones A y C, el repetidor está ubicado en la posición B, donde los enlaces AB y BC están, de hecho, LOS. El repetidor activo puede simplemente amplificar la señal recibida y retransmitirla sin alteraciones, ya sea a la misma frecuencia o a una frecuencia diferente. El primer caso es más simple y más barato, pero requiere un buen aislamiento entre dos antenas para evitar la retroalimentación ; sin embargo, significa que el extremo del enlace NLOS en A o C no requiere cambiar la frecuencia de recepción de la utilizada para un enlace LOS. Una aplicación típica podría ser repetir o retransmitir señales para vehículos que utilizan radios de coche en túneles. Un repetidor que cambia de frecuencia evitaría cualquier problema de retroalimentación, pero sería más difícil de diseñar y más caro, y requeriría que un receptor cambiara de frecuencia al pasar de la zona LOS a la NLOS.
Un satélite de comunicaciones es un ejemplo de repetidor activo que cambia de frecuencia. Los satélites de comunicaciones, en la mayoría de los casos, se encuentran en órbita geoestacionaria a una altitud de 22.300 millas (35.000 km) sobre el Ecuador .
La aplicación del vector de Poynting a ondas planas polarizadas verticalmente en frecuencias bajas (30 kHz a 300 kHz) y muy bajas (3 kHz a 30 kHz) indica que un componente del campo se propaga unos pocos metros hacia el interior de la superficie de la Tierra. La propagación tiene muy pocas pérdidas y es posible establecer comunicaciones a miles de kilómetros a través de enlaces NLOS. Sin embargo, por definición, estas frecuencias bajas ( teorema de muestreo de Nyquist-Shannon ) tienen un ancho de banda muy bajo, por lo que este tipo de comunicación no se utiliza ampliamente.
Las ondas de radio en las bandas VHF y UHF pueden viajar un poco más allá del horizonte visual debido a la refracción en la troposfera , la capa inferior de la atmósfera por debajo de los 20 km (12 millas). [8] [9] Esto se debe a cambios en el índice de refracción del aire con la temperatura y la presión. El retraso troposférico es una fuente de error en las técnicas de radiotelemetría, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). [10] Además, las condiciones inusuales a veces pueden permitir la propagación a distancias mayores:
La obstrucción que crea un enlace NLOS puede ser la propia Tierra , como la que existiría si el otro extremo del enlace estuviera más allá del horizonte óptico. Una propiedad muy útil de la atmósfera terrestre es que, en promedio, la densidad de las moléculas de gas del aire se reduce a medida que aumenta la altitud hasta aproximadamente 30 km. Su permitividad relativa o constante dieléctrica se reduce de manera constante desde aproximadamente 1,00536 en la superficie de la Tierra. [11] Para modelar el cambio en el índice de refracción con la altitud, la atmósfera puede aproximarse a muchas capas delgadas de aire, cada una de las cuales tiene un índice de refracción ligeramente menor que la de abajo. La trayectoria de las ondas de radio que progresan a través de un modelo de atmósfera de este tipo en cada interfaz es análoga a los rayos ópticos que pasan de un medio óptico a otro como predice la Ley de Snell . Cuando el rayo pasa de un índice de refracción más alto a uno más bajo, tiende a doblarse o refractarse lejos de la normal en el límite de acuerdo con la Ley de Snell. Si se tiene en cuenta la curvatura de la Tierra, se descubre que, en promedio, las ondas de radio cuya trayectoria inicial se dirige hacia el horizonte óptico siguen un camino que no regresa a la superficie de la Tierra en el horizonte, sino un poco más allá de él. La distancia desde la antena transmisora hasta el lugar donde regresa es aproximadamente equivalente al horizonte óptico, si el radio de la Tierra fuera 4/3 de su valor real . La regla de los "4/3 del radio de la Tierra" es útil para los ingenieros de comunicaciones por radio a la hora de diseñar un enlace NLOS.
La regla general de 4/3 del radio terrestre es un promedio para la atmósfera de la Tierra, suponiendo que está razonablemente homogeneizada , sin capas de inversión de temperatura ni condiciones meteorológicas inusuales . Los enlaces NLOS que aprovechan la refracción atmosférica suelen funcionar en frecuencias de las bandas VHF y UHF , incluidos los servicios de transmisión terrestre de FM y TV.
El fenómeno descrito anteriormente, en el que el índice de refracción atmosférico, la permitividad relativa o la constante dieléctrica se reducen gradualmente con el aumento de la altura, se debe a la reducción de la densidad del aire atmosférico con el aumento de la altura. La densidad del aire también es una función de la temperatura, que normalmente también se reduce con el aumento de la altura. Sin embargo, estas son solo condiciones promedio; las condiciones meteorológicas locales pueden crear fenómenos como capas de inversión de temperatura , donde una capa de aire cálido se asienta sobre una capa fría. En la interfaz entre ellas existe un cambio relativamente abrupto en el índice de refracción de un valor menor en la capa fría a un valor mayor en la capa cálida. Por analogía con la Ley de Snell óptica , esto puede causar reflexiones significativas de ondas de radio hacia la superficie de la Tierra, donde se reflejan aún más, lo que causa un efecto de canalización . El resultado es que las ondas de radio pueden propagarse mucho más allá de su área de servicio prevista con una atenuación menor de lo normal. Este efecto solo es evidente en los espectros VHF y UHF y los radioaficionados lo explotan a menudo para lograr comunicaciones a distancias anormalmente largas para las frecuencias involucradas. [12] Para los servicios de comunicación comercial no se puede explotar porque no es confiable (las condiciones pueden formarse y dispersarse en minutos) y puede causar interferencias mucho más allá del área de servicio normal.
La inversión de temperatura y la propagación anómala pueden ocurrir en la mayoría de las latitudes, pero son más comunes en climas tropicales que en climas templados , generalmente asociadas con áreas de alta presión (anticiclones).
Los cambios repentinos en el contenido de humedad vertical de la atmósfera y los perfiles de temperatura pueden, en ocasiones aleatorias, hacer que las señales UHF , VHF y de microondas se propaguen cientos de kilómetros (millas) hasta aproximadamente 2000 kilómetros (1200 millas) -y para el modo de canalización incluso más lejos- más allá del horizonte de radio normal. La capa de inversión se observa principalmente sobre regiones de alta presión, pero hay varias condiciones climáticas troposféricas que crean estos modos de propagación que ocurren aleatoriamente. La altitud de la capa de inversión para el modo sin canalización se encuentra típicamente entre 100 y 1000 metros (330 y 3280 pies) y para el modo de canalización alrededor de 500 a 3000 metros (1600 a 9800 pies), y la duración de los eventos es típicamente de varias horas hasta varios días. Las frecuencias más altas experimentan el aumento más dramático de las intensidades de la señal, mientras que en VHF y HF bajas el efecto es insignificante. La atenuación de la trayectoria de propagación puede ser inferior a la pérdida en el espacio libre. Algunos de los tipos de inversión menores relacionados con el suelo cálido y el contenido de humedad del aire más frío ocurren regularmente en ciertas épocas del año y a determinadas horas del día. Un ejemplo típico podría ser el aumento troposférico de finales de verano y primeras horas de la mañana que trae señales desde distancias de hasta unos pocos cientos de kilómetros (millas) durante un par de horas, hasta que se deshacen por el efecto de calentamiento del Sol.
En frecuencias de VHF y superiores, pequeñas variaciones (turbulencias) en la densidad de la atmósfera a una altura de alrededor de 6 millas (9,7 km) pueden dispersar parte del haz de energía de radiofrecuencia que normalmente se encuentra en la línea de visión hacia el suelo. En los sistemas de comunicación por dispersión troposférica (troposcatter), se apunta un potente haz de microondas por encima del horizonte y una antena de alta ganancia sobre el horizonte, dirigida a la sección de la troposfera por donde pasa el haz, recibe la diminuta señal dispersa. Los sistemas de troposcatter pueden lograr una comunicación por encima del horizonte entre estaciones que se encuentran a 500 millas (800 km) de distancia, y los militares desarrollaron redes como el Sistema de Comunicaciones White Alice que cubría toda Alaska antes de la década de 1960, cuando los satélites de comunicación los reemplazaron en gran medida.
Un enlace NLOS de dispersión troposférica normalmente funciona a unos pocos gigahertz utilizando potencias de transmisión potencialmente muy altas (normalmente de 3 kW a 30 kW, según las condiciones), receptores muy sensibles y antenas reflectoras grandes, normalmente fijas y de ganancia muy alta. El haz de transmisión se dirige a la troposfera justo por encima del horizonte con una densidad de flujo de potencia suficiente para que las moléculas de gas y vapor de agua provoquen dispersión en una región en la trayectoria del haz conocida como volumen de dispersión. Algunos componentes de la energía dispersada viajan en la dirección de las antenas del receptor y forman la señal de recepción. Dado que hay muchas partículas que causan dispersión en esta región, el modelo estadístico de desvanecimiento de Rayleigh puede predecir de forma útil el comportamiento y el rendimiento en este tipo de sistema.
La dispersión por lluvia es puramente un modo de propagación de microondas y se observa mejor alrededor de los 10 GHz, pero se extiende hasta unos pocos gigahercios ; el límite es el tamaño de la partícula de dispersión frente a la longitud de onda . Este modo dispersa las señales principalmente hacia adelante y hacia atrás cuando se utiliza polarización horizontal y dispersión lateral con polarización vertical . La dispersión hacia adelante generalmente produce rangos de propagación de 800 km (500 millas). También se produce dispersión de copos de nieve y bolitas de hielo, pero la dispersión de hielo sin superficie acuosa es menos efectiva. La aplicación más común de este fenómeno es el radar de lluvia de microondas, pero la propagación de dispersión por lluvia puede ser una molestia que haga que señales no deseadas se propaguen de forma intermitente donde no se anticipan ni se desean. También pueden producirse reflexiones similares de insectos, aunque a altitudes menores y a menor alcance. La lluvia también causa atenuación de los enlaces de microondas punto a punto y por satélite. Se han observado valores de atenuación de hasta 30 dB en 30 GHz durante fuertes lluvias tropicales.
En ocasiones se ha observado la dispersión de rayos en VHF y UHF a distancias de unos 500 km (300 millas). El canal caliente de los rayos dispersa las ondas de radio durante una fracción de segundo. La ráfaga de ruido de RF del rayo hace que la parte inicial del canal abierto sea inutilizable y la ionización desaparece rápidamente debido a la recombinación a baja altitud y alta presión atmosférica. Aunque el canal caliente de los rayos se puede observar brevemente con un radar de microondas, no se ha encontrado ningún uso práctico para este modo en las comunicaciones.
El mecanismo de propagación ionosférica en apoyo de enlaces NLOS es similar al de la refracción atmosférica pero, en este caso, la refracción de las ondas de radio no ocurre en la atmósfera sino en la ionosfera a altitudes mucho mayores. [13] Al igual que su contraparte troposférica, la propagación ionosférica a veces se puede modelar estadísticamente utilizando el desvanecimiento de Rayleigh .
La ionosfera se extiende desde altitudes de aproximadamente 50 km a 400 km y se divide en capas de plasma distintas denominadas D, E, F1 y F2 a medida que aumenta la altitud. La refracción de las ondas de radio por la ionosfera en lugar de la atmósfera puede, por lo tanto, permitir enlaces NLOS de mucha mayor distancia para un solo camino de refracción o "salto" a través de una de las capas. Bajo ciertas condiciones, las ondas de radio que han experimentado un salto pueden reflejarse en la superficie de la Tierra y experimentar más saltos, aumentando así el alcance. Las posiciones de estos y sus densidades iónicas están significativamente controladas por la radiación incidente del Sol y, por lo tanto, cambian diurnamente , estacionalmente y durante la actividad de las manchas solares . El descubrimiento inicial de que las ondas de radio podían viajar más allá del horizonte por Marconi a principios del siglo XX impulsó amplios estudios de propagación ionosférica durante los siguientes 50 años aproximadamente, que han producido varias tablas y gráficos de predicción de canales de enlace de alta frecuencia.
Las frecuencias que se ven afectadas por la propagación ionosférica varían de aproximadamente 500 kHz a 50 MHz, pero la mayoría de estos enlaces NLOS operan en bandas de frecuencia de "onda corta" o alta frecuencia (HF) entre 3 MHz y 30 MHz.
En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron medios alternativos de comunicación a grandes distancias sin línea de visión, como las comunicaciones por satélite y la fibra óptica submarina, que tienen un ancho de banda potencialmente mayor que la alta frecuencia y son mucho más fiables. A pesar de sus limitaciones, las comunicaciones por alta frecuencia sólo necesitan equipos y antenas relativamente baratos y rudimentarios, por lo que se utilizan principalmente como respaldo de los sistemas de comunicaciones principales y en zonas remotas escasamente pobladas donde otros métodos de comunicación no son rentables.
La propagación de ondas ionosféricas , también conocida como salto , es cualquiera de los modos que dependen de la reflexión y refracción de las ondas de radio de la ionosfera . La ionosfera es una región de la atmósfera de aproximadamente 60 a 500 km (37 a 311 mi) que contiene capas de partículas cargadas ( iones ) que pueden refractar una onda de radio de regreso a la Tierra. Una onda de radio dirigida en un ángulo hacia el cielo puede reflejarse de regreso a la Tierra más allá del horizonte por estas capas, lo que permite la transmisión de radio a larga distancia. La capa F2 es la capa ionosférica más importante para la propagación de HF de múltiples saltos a larga distancia, aunque las capas F1, E y D también desempeñan papeles importantes. La capa D, cuando está presente durante los períodos de luz solar, causa una cantidad significativa de pérdida de señal, al igual que la capa E, cuya frecuencia máxima utilizable puede aumentar a 4 MHz y más y, por lo tanto, bloquear las señales de frecuencia más alta que llegan a la capa F2. Las capas, o más apropiadamente "regiones", se ven afectadas directamente por el sol en un ciclo diurno diario, un ciclo estacional y el ciclo de manchas solares de 11 años y determinan la utilidad de estos modos. Durante los máximos solares, o los picos y máximos de manchas solares, se puede utilizar todo el rango de HF hasta 30 MHz normalmente las 24 horas del día y se observa con frecuencia la propagación de F2 hasta 50 MHz dependiendo de los valores del flujo solar diario . Durante los mínimos solares , o las cuentas mínimas de manchas solares hasta cero, la propagación de frecuencias superiores a 15 MHz generalmente no está disponible.
Aunque se afirma comúnmente que la propagación bidireccional de HF a lo largo de una trayectoria dada es recíproca, es decir, si la señal de la ubicación A llega a la ubicación B con una buena intensidad, la señal de la ubicación B será similar en la estación A porque se recorre la misma trayectoria en ambas direcciones. Sin embargo, la ionosfera es demasiado compleja y cambia constantemente para apoyar el teorema de reciprocidad. La trayectoria nunca es exactamente la misma en ambas direcciones. [14] En resumen, las condiciones en los dos puntos finales de una trayectoria generalmente causan cambios de polarización diferentes, por lo tanto, divisiones diferentes en rayos ordinarios y rayos extraordinarios (rayos de Pedersen ) que tienen diferentes características de propagación debido a diferencias en la densidad de ionización, ángulos cenitales cambiantes, efectos de los contornos dipolares magnéticos de la Tierra, patrones de radiación de antena, condiciones del suelo y otras variables.
La predicción de los modos de onda ionosférica es de considerable interés para los operadores de radioaficionados y las comunicaciones comerciales marítimas y aéreas , así como para las emisoras de onda corta . La propagación en tiempo real se puede evaluar escuchando las transmisiones de transmisores de baliza específicos .
Si un objeto que cambia un enlace LOS a NLOS no es un buen conductor sino un material intermedio, absorbe parte de la potencia de RF que incide sobre él. Sin embargo, si tiene un espesor finito, la absorción también es finita y la atenuación resultante de las ondas de radio puede ser tolerable y se puede establecer un enlace NLOS utilizando ondas de radio que realmente pasan a través del material. A modo de ejemplo, las WLAN a menudo utilizan enlaces NLOS de absorción finita para comunicarse entre un punto de acceso WLAN y un cliente WLAN en el entorno de oficina típico. Las frecuencias de radio utilizadas, normalmente unos pocos gigahercios (GHz), normalmente pasan a través de unas pocas paredes delgadas de oficina y particiones con una atenuación tolerable. Sin embargo, después de muchas de esas paredes o después de unas pocas paredes gruesas de hormigón o similares (no metálicas), el enlace NLOS se vuelve inviable.
La dispersión de meteoros se basa en la reflexión de las ondas de radio en las columnas de aire intensamente ionizadas generadas por los meteoros . Si bien este modo tiene una duración muy breve, a menudo de solo una fracción de segundo a un par de segundos por evento, las comunicaciones digitales por ráfagas de meteoros permiten que estaciones remotas se comuniquen con una estación que puede estar a cientos de millas o más de 1.600 km de distancia, sin el gasto que requiere un enlace satelital. Este modo es más útil en frecuencias VHF entre 30 y 250 MHz.
Las columnas intensas de ionización auroral a altitudes de 100 km (60 millas) dentro del óvalo auroral retrodispersan las ondas de radio, incluidas las de HF y VHF. La retrodispersión es sensible al ángulo: el rayo incidente frente a la línea del campo magnético de la columna debe estar muy cerca del ángulo recto. Los movimientos aleatorios de los electrones en espiral alrededor de las líneas de campo crean una propagación Doppler que amplía los espectros de la emisión a más o menos ruido, dependiendo de qué tan alta sea la frecuencia de radio utilizada. Las radioauroras se observan principalmente en latitudes altas y rara vez se extienden hasta latitudes medias. La ocurrencia de radioauroras depende de la actividad solar ( llamaradas , agujeros coronales , CME ) y anualmente los eventos son más numerosos durante los máximos del ciclo solar. La radioaurora incluye la llamada radioaurora de la tarde que produce señales más fuertes pero más distorsionadas y después de los mínimos de Harang, la radioaurora nocturna (fase de subtormenta) regresa con una intensidad de señal variable y una menor propagación Doppler. El rango de propagación de este modo predominantemente de retrodispersión se extiende hasta aproximadamente 2000 km (1250 millas) en el plano este-oeste, pero las señales más fuertes se observan con mayor frecuencia desde el norte en sitios cercanos en las mismas latitudes.
En raras ocasiones, una radioaurora intensa es seguida por una aurora E, que se parece a ambos tipos de propagación en algunos aspectos.
La propagación esporádica de E (Es) ocurre en las bandas de HF y VHF. [15] No debe confundirse con la propagación ordinaria de la capa E de HF. La E esporádica en latitudes medias ocurre principalmente durante la temporada de verano, de mayo a agosto en el hemisferio norte y de noviembre a febrero en el hemisferio sur. No hay una causa única para este misterioso modo de propagación. La reflexión tiene lugar en una fina capa de ionización a unos 90 km (55 millas) de altura. Las manchas de ionización se desplazan hacia el oeste a velocidades de unos pocos cientos de km (millas) por hora. Hay una periodicidad débil observada durante la temporada y típicamente Es se observa en 1 a 3 días sucesivos y permanece ausente durante unos días para volver a ocurrir. Es no ocurren durante las primeras horas de la mañana; los eventos generalmente comienzan al amanecer, y hay un pico en la tarde y un segundo pico en la noche. [16] La propagación de Es generalmente desaparece a la medianoche local.
La observación de radiobalizas de propagación que operan alrededor de 28,2 MHz, 50 MHz y 70 MHz indica que la frecuencia máxima observada (MOF) para Es ronda los 30 MHz la mayoría de los días durante la temporada de verano, pero a veces la MOF puede dispararse hasta 100 MHz o incluso más en diez minutos para declinar lentamente durante las siguientes horas. La fase pico incluye oscilaciones de MOF con una periodicidad de aproximadamente 5...10 minutos. El rango de propagación para Es de un solo salto es típicamente de 1000 a 2000 km (600 a 1250 millas), pero con múltiples saltos, se observa el doble de rango. Las señales son muy fuertes pero también con un desvanecimiento profundo lento.
La dispersión de los aviones (o, más frecuentemente, la reflexión) se observa en VHF a través de microondas y, además de la retrodispersión, produce una propagación momentánea de hasta 500 km (300 millas) incluso en terrenos montañosos. Las aplicaciones más comunes de la retrodispersión son los radares de tráfico aéreo, los radares de misiles guiados de dispersión frontal biestáticos y de detección de aviones con cable trampa, y el radar espacial estadounidense.
La difracción de borde afilado es el modo de propagación en el que las ondas de radio se curvan alrededor de bordes afilados. Por ejemplo, este modo se utiliza para enviar señales de radio a través de una cadena montañosa cuando no se dispone de una trayectoria de línea de visión . Sin embargo, el ángulo no puede ser demasiado agudo o la señal no se difractará. El modo de difracción requiere una mayor intensidad de la señal, por lo que se necesitarán antenas de mayor potencia o mejores que para una trayectoria de línea de visión equivalente.
La difracción depende de la relación entre la longitud de onda y el tamaño del obstáculo. En otras palabras, el tamaño del obstáculo en longitudes de onda. Las frecuencias más bajas se difractan alrededor de obstáculos grandes y lisos, como colinas, con mayor facilidad. Por ejemplo, en muchos casos en los que no es posible la comunicación en VHF (o frecuencias más altas) debido a la sombra de una colina, aún es posible comunicarse utilizando la parte superior de la banda de HF, donde la onda superficial es de poca utilidad.
Los fenómenos de difracción provocados por pequeños obstáculos también son importantes a altas frecuencias. Las señales de telefonía celular urbana tienden a estar dominadas por efectos de plano de tierra a medida que viajan sobre los tejados del entorno urbano. Luego se difractan sobre los bordes de los tejados hacia la calle, donde predominan los fenómenos de propagación por trayectos múltiples , absorción y difracción.
Las ondas de radio de baja frecuencia viajan fácilmente a través de ladrillos y piedras, y las de baja frecuencia incluso penetran en el agua del mar. A medida que aumenta la frecuencia, los efectos de absorción se vuelven más importantes. En las microondas o frecuencias más altas, la absorción por resonancias moleculares en la atmósfera (principalmente del agua, H 2 O y el oxígeno, O 2 ) es un factor importante en la propagación de radio. Por ejemplo, en la banda de 58-60 GHz, hay un pico de absorción importante que hace que esta banda sea inútil para el uso a larga distancia. Este fenómeno se descubrió por primera vez durante la investigación del radar en la Segunda Guerra Mundial . Por encima de los 400 GHz, la atmósfera de la Tierra bloquea la mayor parte del espectro, aunque todavía deja pasar algo (hasta la luz ultravioleta, que es bloqueada por el ozono), pero se transmite la luz visible y parte del infrarrojo cercano. Las fuertes lluvias y la nieve que cae también afectan la absorción de microondas.
En la mayoría de los sistemas de localización recientes , se supone que las señales recibidas se propagan a través de una ruta LOS . Sin embargo, la infracción de esta suposición puede dar como resultado datos de posicionamiento inexactos. [17] Para los sistemas de localización basados en el tiempo de llegada , la señal emitida solo puede llegar al receptor a través de sus rutas NLOS. El error NLOS se define como la distancia adicional recorrida por la señal recibida con respecto a la ruta LOS. El error NLOS siempre está sesgado positivamente con la magnitud dependiente del entorno de propagación.
