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 los reflejos del suelo . Las condiciones de línea de visión cercana (también NLOS ) se refieren a la obstrucción parcial por un objeto físico presente en la zona de Fresnel más interna .
Los obstáculos que comúnmente causan la propagación de NLOS incluyen edificios, árboles, colinas, montañas y, en algunos casos, líneas eléctricas de alto voltaje . Algunas de estas obstrucciones reflejan ciertas 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 de potencia más bajos en un receptor reducen las posibilidades de recibir una transmisión con éxito. 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, sin dejar un camino despejado.
NLOS reduce la potencia efectiva recibida. Por lo general, la línea de visión cercana se puede abordar utilizando mejores antenas, pero la línea de visión fuera de la línea de visión generalmente requiere rutas alternativas o métodos de propagación de trayectorias múltiples.
Cómo lograr una red NLOS eficaz se ha convertido en una de las principales cuestiones de las redes informáticas modernas. Actualmente, el método más común para lidiar con condiciones NLOS en 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 comunicaciones por radio para describir un canal de radio o enlace donde no hay línea de visión ( LOS) entre la antena transmisora y la antena receptora . En este contexto se toma LOS
Hay muchas características eléctricas de los medios de transmisión que afectan la propagación de las ondas de radio y, por lo tanto, la calidad de funcionamiento de un canal de radio, si es posible, a lo largo de una ruta NLOS.
El acrónimo NLOS se ha vuelto más popular en el contexto de las redes inalámbricas de área local (WLAN) y las redes inalámbricas de área metropolitana como WiMAX porque la capacidad de dichos enlaces para proporcionar un nivel razonable de cobertura NLOS mejora en gran medida su comerciabilidad y versatilidad en el entorno urbano típico. entornos donde se utilizan con mayor 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 una supresión total. 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 convertirse en NLOS, pero la calidad del canal de radio prácticamente no se vería afectada. Si, en cambio, se construyó un edificio grande en el camino que lo convierte en NLOS, es posible que sea imposible recibir el canal.
Más allá de la línea de visión ( BLOS ) es un término relacionado que se utiliza a menudo en el ejército para describir capacidades de comunicaciones por radio que vinculan al personal o sistemas demasiado distantes o demasiado oscurecidos por el terreno para las comunicaciones LOS. Estas radios utilizan repetidores activos , propagación por ondas terrestres , enlaces de dispersión troposférica y propagación ionosférica para ampliar los rangos de comunicación desde unos pocos kilómetros hasta unos pocos miles de kilómetros.
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 a través de rutas NLOS, debemos considerar cómo dichas ondas planas se ven afectadas por el objeto u objetos que obstruyen visualmente la ruta LOS entre las antenas. Se entiende que los términos ondas de radio de campo lejano y ondas de radio planas son intercambiables.
Por definición, la línea de visión es la línea de visión , que está determinada por la capacidad del ojo humano promedio para detectar 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 desde aproximadamente 400 nanómetros (nm) a 700 nm, pero las longitudes de onda de radio varían desde aproximadamente 1 milímetro (mm) a 300 GHz hasta 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 NLOS1, 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 una onda plana depende del tamaño de la obstrucción en relación con su longitud de onda y las propiedades eléctricas de la obstrucción. Por ejemplo, un globo aerostático con dimensiones de múltiples longitudes de onda que pasa entre las antenas de transmisión y recepción podría ser una obstrucción visual significativa, pero es poco probable que afecte la propagación de radio NLOS, suponiendo que esté construido con tela y lleno de aire caliente, los cuales son buenos aislantes. Por el contrario, una obstrucción metálica de dimensiones comparables a una longitud de onda provocaría reflexiones importantes. Al considerar el tamaño de la obstrucción, asumimos que sus propiedades eléctricas son del tipo intermedio o con pérdida más común.
En términos generales, hay tres tamaños aproximados de obstrucción en relación con una longitud de onda a considerar en una posible trayectoria NLOS: aquellos que son:
Si las dimensiones de la obstrucción son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la onda plana incidente, la onda esencialmente no se ve afectada. Por ejemplo, las transmisiones de baja frecuencia (LF), también conocidas como ondas largas , a aproximadamente 200 kHz tienen una longitud de onda de 1500 my 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 una 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 ligeramente y podría haber alguna 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 obstruye las ondas de radio podrían 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 mixtos: por ejemplo, muchos caminos NLOS resultan de que el camino LOS esté obstruido por 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 hasta qué punto un material es conductor o aislante se conoce como , o tangente de pérdidas , dado 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, el material en sí no absorbe prácticamente ninguna potencia de RF y prácticamente no se transmite, incluso si es muy delgado. Todos los metales son buenos conductores y, por supuesto, hay muchos ejemplos que provocan reflejos significativos de las 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 éstos no suelen aparecer en la mayoría de los entornos urbanos. Sin embargo, grandes volúmenes de gas generalmente se comportan como dieléctricos. Ejemplos de esto son las regiones de la atmósfera terrestre , cuya densidad se reduce gradualmente a medida que aumentan las altitudes hasta 10 a 20 km. A mayores altitudes, entre 50 y 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 sino plasmas .
Incluso si una obstrucción es un aislante perfecto, puede tener algunas propiedades reflectantes debido a su permitividad relativa que difiere de la de la atmósfera. Los materiales eléctricos a través de los cuales se pueden propagar 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 viene dada por
que se evalúa en aproximadamente 377 .
En una analogía con 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 normalmente 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 con respecto a 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 afectan 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 en parte tanto en los límites de incidencia como de salida y en parte se absorben, dependiendo del espesor. Si la obstrucción es lo suficientemente gruesa, la onda de radio podría absorberse por completo. Debido a la absorción, a menudo se les 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 abundante vegetación) y edificios construidos con 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 normalmente incidente que un edificio construido con el mismo material.
Las reflexiones aleatorias pasivas se logran cuando las ondas planas están sujetas a una o más rutas reflectantes alrededor de un objeto que, de otro modo, convierte una ruta de radio LOS en NLOS. Las trayectorias reflectantes pueden ser causadas por diversos 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 paredes de hormigón, paredes, etc. A veces se considera esto. 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 transmisora en comparación con si el enlace hubiera sido LOS. Sin embargo, la técnica es barata y fácil de emplear y los reflejos aleatorios pasivos 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.
Se pueden utilizar repetidores pasivos para lograr enlaces NLOS instalando deliberadamente 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 al voluminoso reflector que requiere una colocación crítica en un lugar quizás inaccesible o en uno 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 la ' ley del doble cuadrado inverso ' de la señal de transmisión, una por cada salto desde la antena transmisora a la antena receptora. Sin embargo, se han utilizado con éxito en zonas montañosas rurales para ampliar 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 normalmente no era 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 son en realidad LOS. El repetidor activo puede simplemente amplificar la señal recibida y retransmitirla sin modificaciones en la misma frecuencia o en una frecuencia diferente. El primer caso es más simple y económico, pero requiere un buen aislamiento entre dos antenas para evitar la retroalimentación ; sin embargo, significa que el final 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 cambie de frecuencia evitaría cualquier problema de retroalimentación, pero sería más difícil de diseñar y costoso y requeriría que un receptor cambiara de frecuencia al pasar de la zona LOS a la zona 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 geosincrónica 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 LF (30 kHz a 300 kHz) y VLF (3 kHz a 30 kHz) indica que un componente del campo se propaga unos pocos metros dentro de la superficie de la Tierra. La propagación tiene muy pocas pérdidas y es posible realizar comunicaciones a lo largo de miles de kilómetros a través de enlaces NLOS. Sin embargo, estas frecuencias bajas, por definición ( 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 alcance de radio, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). [10] Además, 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 constantemente 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 finas capas de aire, cada una de las cuales tiene un índice de refracción ligeramente menor que la siguiente. La trayectoria de las ondas de radio que progresan a través de dicho modelo de atmósfera en cada interfaz es análoga a los haces ópticos que pasan de un medio óptico a otro, como lo predice la Ley de Snell . Cuando el haz pasa de un índice de refracción mayor a uno menor, tiende a doblarse o refractarse fuera de la normal en el límite según la ley de Snell. Cuando se tiene en cuenta la curvatura de la Tierra se encuentra que, en promedio, las ondas de radio cuya trayectoria inicial es hacia el horizonte óptico siguen un camino que no regresa a la superficie de la Tierra en el horizonte, sino ligeramente más allá de él. La distancia desde la antena transmisora hasta donde regresa es aproximadamente equivalente al horizonte óptico, si el radio de la Tierra hubiera sido 4/3 de su valor real . El 'radio de la Tierra 4/3' es una regla útil para los ingenieros de comunicaciones por radio al diseñar un enlace NLOS de este tipo.
La regla general de 4/3 del radio de la Tierra es un promedio para la atmósfera de la Tierra, suponiendo que esté razonablemente homogeneizada , sin capas de inversión de temperatura o condiciones meteorológicas inusuales . Los enlaces NLOS que explotan la refracción atmosférica normalmente operan en frecuencias en las bandas VHF y UHF , incluidos los servicios de transmisión terrestre de FM y TV.
El fenómeno descrito anteriormente de que el índice de refracción atmosférico, la permitividad relativa o la constante dieléctrica se reduce gradualmente al aumentar la altura se debe a la reducción de la densidad del aire atmosférico al aumentar la altura. La densidad del aire también es función de la temperatura, que normalmente también se reduce al aumentar la altura. Sin embargo, éstas son sólo 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 ellos 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 óptica de Snell , esto puede provocar reflejos significativos de las ondas de radio hacia la superficie de la Tierra, donde se reflejan aún más, provocando así un efecto de conducto . El resultado es que las ondas de radio pueden propagarse mucho más allá de su área de servicio prevista con una atenuación menor que la normal. Este efecto sólo es aparente en los espectros VHF y UHF y, a menudo, los entusiastas de la radioafición lo aprovechan para lograr comunicaciones a distancias anormalmente largas para las frecuencias involucradas. [12] Para los servicios de comunicaciones comerciales no se puede explotar porque no es confiable (las condiciones pueden formarse y dispersarse en minutos) y puede causar interferencias muy fuera 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 asociados 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 microondas se propaguen cientos de kilómetros (millas) hasta aproximadamente 2000 kilómetros (1200 millas) (y en el modo de conductos incluso más lejos) más allá de la radio normal. -horizonte. La capa de inversión se observa principalmente en 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 no conductos se encuentra típicamente entre 100 y 1000 metros (330 y 3280 pies) y para conductos entre 500 y 3000 metros (1600 a 9800 pies), y la duración de los eventos suele ser de varias horas a varios días. Las frecuencias más altas experimentan el aumento más dramático en la intensidad de la señal, mientras que en VHF y HF bajas el efecto es insignificante. La atenuación del trayecto 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 horas del día. Un ejemplo típico podrían ser las mejoras troposféricas de finales del verano, temprano en la mañana, que traen señales desde distancias de hasta unos pocos cientos de kilómetros (millas) durante un par de horas, hasta que el efecto de calentamiento del Sol las deshace.
En VHF y frecuencias más altas, pequeñas variaciones (turbulencia) 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 está en la línea de visión hacia el suelo. En los sistemas de comunicación de dispersión troposférica (troposcatter), un potente haz de microondas se dirige por encima del horizonte, y una antena de alta ganancia situada sobre el horizonte, dirigida a la sección de la troposfera por la que pasa el haz, recibe la diminuta señal dispersa. Los sistemas de dispersión tropos pueden lograr comunicación sobre el horizonte entre estaciones a 800 km (500 millas) 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 gigahercios utilizando potencias de transmisión potencialmente muy altas (normalmente de 3 kW a 30 kW, dependiendo de las condiciones), receptores muy sensibles y antenas reflectoras de gran tamaño, normalmente fijas y de muy alta ganancia. El haz de transmisión se dirige hacia la troposfera justo encima del horizonte con suficiente densidad de flujo de potencia 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 dirección a 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 útilmente el comportamiento y el rendimiento en este tipo de sistema.
La dispersión de la lluvia es puramente un modo de propagación de microondas y se observa mejor alrededor de 10 GHz, pero se extiende hasta unos pocos gigahercios ; el límite es el tamaño de la partícula de dispersión versus la longitud de onda . Este modo dispersa las señales principalmente hacia adelante y hacia atrás cuando se usa polarización horizontal y dispersión lateral con polarización vertical . La dispersión directa normalmente produce rangos de propagación de 800 km (500 millas). También se produce la dispersión de los copos de nieve y los gránulos de hielo, pero la dispersión del hielo sin una superficie acuosa es menos efectiva. La aplicación más común de este fenómeno es el radar de lluvia por microondas, pero la propagación de la dispersión de la lluvia puede ser una molestia que provoca que señales no deseadas se propaguen de forma intermitente donde no se anticipan ni se desean. También pueden producirse reflejos similares en los insectos, aunque a altitudes más bajas y a menor distancia. La lluvia también provoca la atenuación de los enlaces de microondas punto a punto y por satélite. Se han observado valores de atenuación de hasta 30 dB en la banda de 30 GHz durante fuertes lluvias tropicales.
En ocasiones se ha observado dispersión de rayos en VHF y UHF a distancias de unos 500 km (300 millas). El canal caliente del rayo dispersa las ondas de radio durante una fracción de segundo. El ruido de RF generado por el rayo inutiliza la parte inicial del canal abierto y la ionización desaparece rápidamente debido a la recombinación a baja altitud y alta presión atmosférica. Aunque el canal del rayo caliente 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 los enlaces NLOS es similar al de la refracción atmosférica pero, en este caso, la refracción de las ondas de radio no se produce en la atmósfera sino en la ionosfera a altitudes mucho mayores. [13] Al igual que su contraparte troposférica, la propagación ionosférica a veces puede modelarse estadísticamente utilizando el desvanecimiento de Rayleigh .
La ionosfera se extiende desde altitudes de aproximadamente 50 km a 400 km y se divide en distintas capas de plasma denominadas D, E, F1 y F2 a medida que aumenta la altitud. Por lo tanto, la refracción de las ondas de radio por la ionosfera en lugar de la atmósfera puede permitir enlaces NLOS de distancia mucho mayor 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 de iones están significativamente controladas por la radiación incidente del Sol y, por lo tanto, cambian diurna , estacionalmente y durante la actividad de las manchas solares . El descubrimiento inicial de Marconi a principios del siglo XX de que las ondas de radio podían viajar más allá del horizonte impulsó estudios extensos de la propagación ionosférica durante los siguientes 50 años aproximadamente, que han producido varias tablas y gráficos de predicción de canales de enlace de HF.
Las frecuencias que se ven afectadas por la propagación ionosférica oscilan entre aproximadamente 500 kHz y 50 MHz, pero la mayoría de dichos enlaces NLOS operan en las 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 NLOS, como las comunicaciones por satélite y la fibra óptica submarina, que potencialmente transportan anchos de banda mucho mayores que las HF y son mucho más confiables. A pesar de sus limitaciones, las comunicaciones HF sólo necesitan antenas y equipos toscos y relativamente baratos, por lo que se utilizan principalmente como respaldo de los principales sistemas de comunicaciones y en áreas remotas escasamente pobladas donde otros métodos de comunicación no son rentables.
La propagación de ondas celestes , también conocida como salto , es cualquiera de los modos que se basan en la reflexión y refracción de ondas de radio de la ionosfera . La ionosfera es una región de la atmósfera de aproximadamente 60 a 500 km (37 a 311 millas) que contiene capas de partículas cargadas ( iones ) que pueden refractar una onda de radio hacia la Tierra. Una onda de radio dirigida en ángulo hacia el cielo puede ser reflejada hacia 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 funciones 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 el acceso de señales de frecuencia más alta a la capa F2. Las capas, o más apropiadamente "regiones", se ven directamente afectadas 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 máximos y picos de manchas solares, todo el rango de HF hasta 30 MHz se puede utilizar normalmente durante todo el día y la propagación F2 hasta 50 MHz se observa con frecuencia dependiendo de los valores diarios del flujo solar . Durante los mínimos solares , o la cuenta regresiva mínima de manchas solares hasta cero, la propagación de frecuencias superiores a 15 MHz generalmente no está disponible.
Aunque comúnmente se afirma que la propagación bidireccional de ondas decamétricas a lo largo de un trayecto determinado es recíproca, es decir, si la señal de la ubicación A llega a la ubicación B con buena intensidad, la señal de la ubicación B será similar en la estación A porque las mismas El camino se recorre en ambas direcciones. Sin embargo, la ionosfera es demasiado compleja y cambia constantemente para respaldar el teorema de reciprocidad. El camino nunca es exactamente igual 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 cenital cambiantes. , efectos de los contornos de los dipolos magnéticos de la Tierra, patrones de radiación de las antenas, condiciones del suelo y otras variables.
La predicción de los modos de onda ionosférica es de considerable interés para los radioaficionados y las comunicaciones marítimas y aéreas comerciales , 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. Como ejemplo, las WLAN suelen utilizar enlaces NLOS de absorción finita para comunicarse entre un punto de acceso WLAN y clientes WLAN en el entorno de oficina típico. Las frecuencias de radio utilizadas, normalmente unos pocos gigahercios (GHz), normalmente atraviesan algunas paredes y tabiques delgados de la oficina con una atenuación tolerable. Sin embargo, después de muchos muros de este tipo o después de algunos muros gruesos de hormigón o similares (no metálicos), el vínculo NLOS se vuelve inviable.
La dispersión de meteoritos se basa en el reflejo de ondas de radio en las columnas de aire intensamente ionizadas generadas por los meteoros . Si bien este modo tiene una duración muy corta, a menudo solo de una fracción de segundo a un par de segundos por evento, las comunicaciones digitales de ráfagas de meteoritos permiten que las estaciones remotas se comuniquen con una estación que puede estar a cientos de millas hasta más de 1000 millas (1600 km) de distancia. , sin el gasto que requiere un enlace satelital. Este modo suele ser más útil en frecuencias VHF entre 30 y 250 MHz.
Intensas columnas de ionización auroral a 100 km (60 millas) de altitud dentro de las ondas de radio de retrodispersión ovaladas de la aurora , incluidas aquellas en 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 que giran en espiral alrededor de las líneas de campo crean una extensión Doppler que amplía el espectro de la emisión hasta parecer más o menos ruidoso, dependiendo de qué tan alta frecuencia de radio se utilice. Las radioauroras se observan principalmente en latitudes altas y rara vez se extienden hasta latitudes medias. La aparición 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 aurora de radio incluye la llamada aurora de radio de la tarde, que produce señales más fuertes pero más distorsionadas y después de los mínimos de Harang, la aurora de radio 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 unos 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 fuerte radioaurora es seguida por Auroral-E, que se parece a ambos tipos de propagación en algunos aspectos.
La propagación esporádica de E (Es) se produce en las bandas HF y VHF. [15] No debe confundirse con la propagación ordinaria de la capa E en ondas decamétricas. 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 existe 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 kilómetros por hora. Se observa una periodicidad débil durante la temporada y, por lo general, Es se observa de 1 a 3 días sucesivos y permanece ausente durante unos días para volver a ocurrir. Los es no ocurren durante las horas de la madrugada; Los eventos suelen comenzar al amanecer, teniendo un pico por la tarde y un segundo pico por la noche. [16] La propagación de Es generalmente desaparece a la medianoche local.
La observación de balizas de propagación de radio que funcionan alrededor de 28,2 MHz, 50 MHz y 70 MHz indica que la frecuencia máxima observada (MOF) para Es se encuentra alrededor de 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 descender lentamente durante las próximas horas. La fase pico incluye la oscilación 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 un rango doble. Las señales son muy fuertes pero también con un desvanecimiento lento y profundo.
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 de retrodispersión más comunes son el radar de tráfico aéreo, el radar biestático de dispersión frontal de misiles guiados y de cable trampa para detección de aviones, y el radar espacial de Estados Unidos.
La difracción de filo de cuchillo 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 cuandono hay una ruta con línea de visión disponible. 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 mayor potencia o mejores antenas que para una ruta 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 más fácilmente alrededor de obstáculos grandes y lisos, como colinas. Por ejemplo, en muchos casos en los que la comunicación VHF (o frecuencia superior) no es posible debido a la sombra de una colina, aún es posible comunicarse utilizando la parte superior de la banda HF donde la onda superficial es de poca utilidad.
Los fenómenos de difracción 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 cuando viajan sobre los tejados del entorno urbano. Luego se difractan sobre los bordes de los tejados hacia la calle, donde dominan 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 VLF incluso penetran en el agua de mar. A medida que aumenta la frecuencia, los efectos de absorción se vuelven más importantes. En microondas o frecuencias más altas, la absorción por resonancias moleculares en la atmósfera (principalmente de agua, H 2 O y oxígeno, O 2 ) es un factor importante en la propagación de radio. Por ejemplo, en la banda 58-60 GHz hay un pico de absorción importante que hace que esta banda sea inútil para uso a larga distancia. Este fenómeno se descubrió por primera vez durante la investigación de radares en la Segunda Guerra Mundial . Por encima de aproximadamente 400 GHz, la atmósfera de la Tierra bloquea la mayor parte del espectro, aunque aún deja pasar algo (hasta la luz ultravioleta, que está bloqueada por el ozono), pero se transmite la luz visible y parte del infrarrojo cercano. Las fuertes lluvias y las nevadas 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 el sistema de localización basado 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 tiene un sesgo positivo y la magnitud depende del entorno de propagación.
