Propagación por línea de visión

La propagación a través de la línea de visión es una característica de la radiación electromagnética o propagación de ondas acústicas , lo que significa que las ondas solo pueden viajar en una trayectoria visual directa desde la fuente hasta el receptor sin obstáculos. ^[1] La transmisión electromagnética incluye emisiones de luz que viajan en línea recta . Los rayos u ondas pueden ser difractados , refractados , reflejados o absorbidos por la atmósfera y obstrucciones con material y, por lo general, no pueden viajar más allá del horizonte o detrás de obstáculos.

A diferencia de la propagación en línea de visión, a baja frecuencia (por debajo de aproximadamente 3  MHz ) debido a la difracción , las ondas de radio pueden viajar como ondas terrestres , que siguen el contorno de la Tierra. Esto permite que las estaciones de radio AM transmitan más allá del horizonte. Además, las frecuencias en las bandas de onda corta entre aproximadamente 1 y 30 MHz, pueden ser refractadas de regreso a la Tierra por la ionosfera , lo que se denomina propagación por ondas ionosféricas o "saltadas", lo que otorga a las transmisiones de radio en este rango un alcance potencialmente global.

Sin embargo, en frecuencias superiores a 30 MHz ( VHF y superiores) y en niveles inferiores de la atmósfera, ninguno de estos efectos es significativo. Por lo tanto, cualquier obstrucción entre la antena transmisora ​​( transmisor ) y la antena receptora ( receptor ) bloqueará la señal, al igual que la luz que el ojo puede percibir. Por lo tanto, dado que la capacidad de ver visualmente una antena transmisora ​​(sin tener en cuenta las limitaciones de la resolución del ojo) corresponde aproximadamente a la capacidad de recibir una señal de radio de ella, la característica de propagación en estas frecuencias se llama "línea de visión". El punto de propagación más lejano posible se conoce como "horizonte de radio".

En la práctica, las características de propagación de estas ondas de radio varían sustancialmente en función de la frecuencia exacta y de la intensidad de la señal transmitida (una función tanto del transmisor como de las características de la antena). Las emisiones de radio FM , en frecuencias comparativamente bajas de alrededor de 100 MHz, se ven menos afectadas por la presencia de edificios y bosques.

Los transmisores de microondas de baja potencia pueden verse frustrados por las ramas de los árboles o incluso por la lluvia o la nieve intensas. La presencia de objetos que no se encuentren en la línea de visión directa puede provocar efectos de difracción que alteren las transmisiones de radio. Para lograr una mejor propagación, un volumen conocido como la primera zona de Fresnel debe estar libre de obstrucciones.

La radiación reflejada de la superficie del suelo circundante o del agua salada también puede anular o mejorar la señal directa. Este efecto se puede reducir elevando una o ambas antenas más lejos del suelo: la reducción de la pérdida lograda se conoce como ganancia de altura .

Consulte también Propagación sin línea de visión para obtener más información sobre los problemas de propagación.

Es importante tener en cuenta la curvatura de la Tierra para calcular las trayectorias de visibilidad directa a partir de mapas, cuando no se puede hacer una referencia visual directa. Los diseños para microondas utilizaban anteriormente 4 ⁄ 3  del radio de la Tierra para calcular los espacios libres a lo largo de la trayectoria.

Aunque las frecuencias que utilizan los teléfonos móviles se encuentran en el rango de visibilidad directa, siguen funcionando en las ciudades. Esto es posible gracias a una combinación de los siguientes efectos:

• 1 ⁄ r  ⁴ propagación sobre el paisaje del tejado ^{[ aclaración necesaria ]}
• difracción en el "cañón de la calle" de abajo
• Reflexión por trayectos múltiples a lo largo de la calle
• Difracción a través de ventanas y paso atenuado a través de paredes hacia el interior del edificio.
• Reflexión, difracción y paso atenuado a través de paredes internas, pisos y techos dentro del edificio.

La combinación de todos estos efectos hace que el entorno de propagación de la telefonía móvil sea muy complejo, con efectos de trayectoria múltiple y desvanecimientos de Rayleigh importantes . En el caso de los servicios de telefonía móvil, estos problemas se abordan mediante:

• Posicionamiento de estaciones base en azoteas o cimas de colinas
• Muchas estaciones base (generalmente llamadas "estaciones celulares"). Un teléfono puede ver por lo general al menos tres y, por lo general, hasta seis en un momento dado.
• Antenas "sectorizadas" en las estaciones base. En lugar de una antena con cobertura omnidireccional , la estación puede utilizar tan sólo 3 (zonas rurales con pocos clientes) o hasta 32 antenas independientes, cada una de las cuales cubre una parte de la cobertura circular. Esto permite que la estación base utilice una antena direccional que apunta al usuario, lo que mejora la relación señal/ruido . Si el usuario se mueve (tal vez caminando o en coche) de un sector de antena a otro, la estación base selecciona automáticamente la antena adecuada.
• transferencia rápida entre estaciones base (roaming)
• El enlace de radio que utilizan los teléfonos es un enlace digital con amplia corrección y detección de errores en el protocolo digital.
• Funcionamiento suficiente del teléfono móvil en túneles cuando está apoyado por antenas de cable divididas
• repetidores locales dentro de vehículos o edificios complejos

Una jaula de Faraday está compuesta por un conductor que rodea completamente un área por todos los lados, arriba y abajo. La radiación electromagnética se bloquea donde la longitud de onda es mayor que cualquier espacio libre. Por ejemplo, las señales de telefonía móvil se bloquean en recintos metálicos sin ventanas que se asemejan a una jaula de Faraday, como cabinas de ascensores y partes de trenes, automóviles y barcos. El mismo problema puede afectar a las señales en edificios con un gran refuerzo de acero.

El horizonte de radio es el lugar de los puntos en los que los rayos directos de una antena son tangentes a la superficie de la Tierra. Si la Tierra fuera una esfera perfecta sin atmósfera, el horizonte de radio sería un círculo.

El horizonte de radio de las antenas transmisoras y receptoras se pueden sumar para aumentar el alcance de comunicación efectivo.

La propagación de las ondas de radio se ve afectada por las condiciones atmosféricas, la absorción ionosférica y la presencia de obstáculos, por ejemplo, montañas o árboles. Las fórmulas simples que incluyen el efecto de la atmósfera dan el rango como:

${\displaystyle \mathrm {horizonte} _{\mathrm {mi} }\aproximadamente 1,23\cdot {\sqrt {\mathrm {altura} _{\mathrm {pies} }}}}$

${\displaystyle \mathrm {horizonte} _{\mathrm {km} }\aproximadamente 3,57\cdot {\sqrt {\mathrm {altura} _{\mathrm {metros} }}}}$

Las fórmulas simples dan una aproximación óptima de la distancia máxima de propagación, pero no son suficientes para estimar la calidad del servicio en cualquier ubicación.

En telecomunicaciones , el abultamiento de la Tierra se refiere al efecto de la curvatura de la Tierra en la propagación de las ondas de radio. Es una consecuencia de un segmento circular del perfil de la Tierra que bloquea las comunicaciones a larga distancia. Dado que la línea de visión del vacío pasa a distintas alturas sobre la Tierra, la onda de radio que se propaga encuentra condiciones de propagación ligeramente diferentes a lo largo del camino. ^{[ cita requerida ]}

Suponiendo una esfera perfecta sin irregularidades en el terreno, se puede calcular fácilmente la distancia al horizonte desde un transmisor de gran altitud (es decir, la línea de visión).

Sea R el radio de la Tierra y h la altitud de una estación de telecomunicaciones. La distancia de la línea de visión d de esta estación está dada por el teorema de Pitágoras ;

${\displaystyle d^{2}=(R+h)^{2}-R^{2}=2\cdot R\cdot h+h^{2}}$

La altitud de la estación h es mucho menor que el radio de la Tierra R. Por lo tanto, puede despreciarse en comparación con . $Estilo de visualización h^{2}}$${\displaystyle 2\cdot R\cdot h}$

De este modo:

${\displaystyle d\approx {\sqrt {2\cdot R\cdot h}}}$

Si la altura h se da en metros y la distancia d en kilómetros, ^[2]

${\displaystyle d\approx 3,57\cdot {\sqrt {h}}}$

Si la altura h se da en pies y la distancia d en millas terrestres,

${\displaystyle d\approx 1.23\cdot {\sqrt {h}}}$

En el caso en que haya dos estaciones involucradas, por ejemplo una estación transmisora ​​en tierra con una altura de estación h y una estación receptora en el aire con una altura de estación H , la distancia de línea de visión se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle d\thickapprox {\sqrt {2R}}\,\left({\sqrt {h}}+{\sqrt {H}}\right)}$

El efecto habitual de la disminución de la presión atmosférica con la altura ( variación de la presión vertical ) es doblar ( refractar ) las ondas de radio hacia la superficie de la Tierra. Esto da como resultado un radio terrestre efectivo , ^[3] aumentado en un factor de aproximadamente 4 ⁄ 3. [ ^4] Este factor k puede cambiar de su valor promedio dependiendo del clima.

El análisis de distancia de vacío anterior no considera el efecto de la atmósfera en la trayectoria de propagación de las señales de RF. De hecho, las señales de RF no se propagan en línea recta: debido a los efectos refractivos de las capas atmosféricas, las trayectorias de propagación son algo curvas. Por lo tanto, el alcance máximo de servicio de la estación no es igual a la distancia de vacío de la línea de visión. Por lo general, se utiliza un factor k en la ecuación anterior, modificado para que sea

${\displaystyle d\approx {\sqrt {2\cdot k\cdot R\cdot h}}}$

k  > 1 significa un abultamiento geométricamente reducido y un rango de servicio más largo. Por otro lado, k  < 1 significa un rango de servicio más corto.

En condiciones climáticas normales, se suele elegir ^{[5] un} valor de k de 4 ⁄ 3 . Esto significa que el alcance máximo de servicio aumenta en un 15 %.

${\displaystyle d\approx 4.12\cdot {\sqrt {h}}}$

para h en metros y d en kilómetros; o

${\displaystyle d\approx 1.41\cdot {\sqrt {h}}}$

para h en pies y d en millas.

Pero en condiciones meteorológicas tormentosas, k puede disminuir y provocar un desvanecimiento en la transmisión (en casos extremos, k puede ser menor que 1). Esto equivale a una disminución hipotética del radio de la Tierra y a un aumento de su abultamiento. ^[6]

Por ejemplo, en condiciones climáticas normales, el alcance de servicio de una estación a una altitud de 1500 m con respecto a los receptores al nivel del mar se puede encontrar como,

${\displaystyle d\approx 4.12\cdot {\sqrt {1500}}=160{\mbox{ km.}}}$

• Propagación anómala
• Intensidad de campo dipolar en el espacio libre
• Efecto de filo de cuchillo
• Multilateración
• Propagación sin línea de visión
• Radar sobre el horizonte
• Radial (radio)
• Desvanecimiento de Rician , modelo estocástico de propagación de línea de visión
• Rango de inclinación

•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

• http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges
• Artículo sobre la importancia de la línea de visión para la recepción UHF
• Niveles de atenuación a través de techos
• Aproximación del modelo de dos rayos mediante series binomiales por Matthew Bazajian