انتشار الإشارة عبر خط البصر

يُعدّ انتشار الموجات الكهرومغناطيسية أو الصوتية عبر خط البصر سمةً مميزةً لها، إذ يعني ذلك أن الموجات لا تنتقل إلا في مسار بصري مباشر من المصدر إلى المستقبل دون عوائق. ^{[ 1 ]} يشمل الإرسال الكهرومغناطيسي انبعاثات ضوئية تنتقل في خط مستقيم . قد تتعرض الأشعة أو الموجات للحيود أو الانكسار أو الانعكاس أو الامتصاص بواسطة الغلاف الجوي والعوائق المادية، وعادةً لا يمكنها تجاوز الأفق أو الاختباء خلف العوائق.

على عكس الانتشار المباشر، عند الترددات المنخفضة (أقل من 3 ميجاهرتز تقريبًا )، وبسبب الانعراج ، يمكن للموجات الراديوية أن تنتقل كموجات أرضية تتبع تضاريس الأرض. وهذا ما يمكّن محطات الراديو AM من البث إلى ما وراء الأفق. إضافةً إلى ذلك، يمكن أن تنكسر الترددات في نطاقات الموجات القصيرة ، التي تتراوح بين 1 و30 ميجاهرتز تقريبًا، عائدةً إلى الأرض بفعل طبقة الأيونوسفير ، فيما يُعرف بانتشار الموجات السماوية أو "القفز"، مما يمنح البث الراديوي في هذا النطاق إمكانية الوصول إلى العالم بأسره.  

مع ذلك، عند الترددات التي تزيد عن 30  ميجاهرتز ( VHF وما فوقها) وفي الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، لا يكون لأي من هذين التأثيرين أهمية تُذكر. لذا، فإن أي عائق بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال سيحجب الإشارة، تمامًا كما يحجب الضوء الذي تراه العين. ولذلك، بما أن القدرة على رؤية هوائي الإرسال (بغض النظر عن محدودية دقة العين) تُعادل تقريبًا القدرة على استقبال إشارة راديوية منه، فإن خاصية الانتشار عند هذه الترددات تُسمى "خط البصر". وتُعرف أبعد نقطة ممكنة للانتشار باسم "أفق الراديو".

عملياً، تختلف خصائص انتشار هذه الموجات الراديوية اختلافاً كبيراً تبعاً للتردد الدقيق وقوة الإشارة المرسلة (وهي دالة لخصائص كل من جهاز الإرسال والهوائي). أما إذاعات الراديو FM ، التي تعمل بترددات منخفضة نسبياً تبلغ حوالي 100  ميجاهرتز، فهي أقل تأثراً بوجود المباني والغابات.

قد تتأثر أجهزة إرسال الموجات الميكروية منخفضة الطاقة بأغصان الأشجار، أو حتى الأمطار الغزيرة أو الثلوج. كما أن وجود أجسام خارج خط الرؤية المباشر قد يُسبب تأثيرات حيود تُعيق الإرسال اللاسلكي. وللحصول على أفضل انتشار، يجب أن تكون منطقة تُعرف باسم منطقة فرينل الأولى خالية من العوائق.

يمكن للإشعاع المنعكس من سطح الأرض المحيطة أو المياه المالحة أن يلغي الإشارة المباشرة أو يعززها. ويمكن تقليل هذا التأثير برفع أحد الهوائيين أو كليهما عن الأرض: ويُعرف انخفاض الفقد الناتج باسم كسب الارتفاع .

انظر أيضًا إلى انتشار الموجات في غير خط البصر لمزيد من المعلومات حول العوائق التي تعترض الانتشار.

من المهم مراعاة انحناء الأرض عند حساب مسارات خط البصر من الخرائط، عندما يتعذر تحديد الموقع بصريًا بشكل مباشر. كانت تصاميم الموجات الميكروية تستخدم سابقًا 4/3 من نصف  قطر الأرض لحساب المسافات الآمنة على طول المسار.

على الرغم من أن الترددات التي تستخدمها الهواتف المحمولة تقع ضمن نطاق الرؤية المباشرة، إلا أنها لا تزال تعمل في المدن. ويعود ذلك إلى مجموعة من العوامل التالية:

• انتشار بنسبة 1 / r  ⁴ فوق سطح المبنى
• الانعراج في "وادي الشارع" أدناه
• انعكاس متعدد المسارات على طول الشارع
• الانعراج عبر النوافذ، والمرور المخفف عبر الجدران، إلى داخل المبنى
• الانعكاس، والانكسار، والمرور المخفف عبر الجدران الداخلية والأرضيات والأسقف داخل المبنى

يؤدي اجتماع كل هذه التأثيرات إلى جعل بيئة انتشار إشارات الهاتف المحمول بالغة التعقيد، مع تأثيرات تعدد المسارات وتلاشي رايلي الواسع . وتُعالج هذه المشكلات في خدمات الهاتف المحمول باستخدام ما يلي:

• وضع محطات القاعدة على أسطح المباني أو قمم التلال
• العديد من محطات البث (تسمى عادةً "مواقع الخلايا"). يمكن للهاتف عادةً رؤية ثلاث محطات على الأقل، وعادةً ما يصل العدد إلى ست محطات في أي وقت.
• تستخدم محطات البث هوائيات "قطاعية". فبدلاً من هوائي واحد يغطي جميع الاتجاهات ، قد تستخدم المحطة ما لا يقل عن 3 هوائيات (في المناطق الريفية ذات عدد المشتركين القليل) أو ما يصل إلى 32  هوائيًا منفصلاً، يغطي كل منها جزءًا من التغطية الدائرية. يتيح هذا لمحطة البث استخدام هوائي موجه نحو المستخدم، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء . وإذا انتقل المستخدم (سيرًا على الأقدام أو بالسيارة مثلاً) من قطاع هوائي إلى آخر، تختار محطة البث تلقائيًا الهوائي المناسب.
• التسليم السريع بين المحطات الأساسية (التجوال)
• إن وصلة الراديو المستخدمة من قبل الهواتف هي وصلة رقمية مزودة بتصحيح وكشف للأخطاء على نطاق واسع في البروتوكول الرقمي
• تشغيل الهاتف المحمول بكفاءة في الأنفاق عند دعمه بهوائيات الكابلات المنفصلة
• أجهزة إعادة الإرسال المحلية داخل المركبات أو المباني المعقدة

يتكون قفص فاراداي من موصل يحيط بمنطقة ما من جميع الجهات، من الأعلى والأسفل. ويتم حجب الإشعاع الكهرومغناطيسي حيث يكون طول الموجة أطول من أي فجوات. على سبيل المثال، تُحجب إشارات الهاتف المحمول في الهياكل المعدنية المغلقة التي تُشبه قفص فاراداي، مثل كبائن المصاعد، وأجزاء من القطارات والسيارات والسفن. ويمكن أن تؤثر المشكلة نفسها على الإشارات في المباني ذات التسليح الفولاذي المكثف.

الأفق الراديوي هو الموضع الهندسي للنقاط التي تكون عندها الأشعة المباشرة الصادرة من الهوائي مماسية لسطح الأرض. لو كانت الأرض كرة مثالية بلا غلاف جوي، لكان الأفق الراديوي دائرة.

يمكن جمع الأفق الراديوي لهوائيات الإرسال والاستقبال معًا لزيادة نطاق الاتصال الفعال.

يتأثر انتشار الموجات الراديوية بالظروف الجوية، وامتصاص طبقة الأيونوسفير ، ووجود العوائق، كالجبال أو الأشجار. وتُعطي المعادلات البسيطة التي تتضمن تأثير الغلاف الجوي المدى كما يلي:

${\displaystyle \mathrm {horizon} _{\mathrm {mi} }\approx 1.23\cdot {\sqrt {\mathrm {height} _{\mathrm {feet} }}}}$

${\displaystyle \mathrm {horizon} _{\mathrm {km} }\approx 3.57\cdot {\sqrt {\mathrm {height} _{\mathrm {metres} }}}}$

تعطي الصيغ البسيطة أفضل تقريب لأقصى مسافة انتشار، لكنها لا تكفي لتقدير جودة الخدمة في أي موقع.

مسافة الفراغ إلى الأفق

بافتراض وجود كرة مثالية بدون أي تضاريس غير منتظمة، يمكن حساب المسافة إلى الأفق من جهاز إرسال على ارتفاع عالٍ (أي خط الرؤية) بسهولة.

لنفترض أن R هو نصف قطر الأرض و h هو ارتفاع محطة اتصالات. يتم تحديد مسافة خط الرؤية d لهذه المحطة بواسطة نظرية فيثاغورس ؛

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

ارتفاع المحطة h أصغر بكثير من نصف قطر الأرض R. لذلك،${\displaystyle h^{2}}$يمكن إهمالها مقارنة بـ${\displaystyle 2\cdot R\cdot h}$.

هكذا:

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

إذا تم إعطاء الارتفاع h بالأمتار، والمسافة d بالكيلومترات، ^{[ 2 ]}

${\displaystyle d\approx 3.57\cdot {\sqrt {h}}}$

إذا تم إعطاء الارتفاع h بالأقدام، والمسافة d بالأميال،

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

في حالة وجود محطتين، على سبيل المثال محطة إرسال على الأرض بارتفاع محطة h ومحطة استقبال في الهواء بارتفاع محطة H ، يمكن حساب مسافة خط البصر على النحو التالي:

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

• انتشار غير طبيعي
• قوة المجال ثنائي القطب في الفضاء الحر
• تأثير حافة السكين
• التثليث البصري
• الانتشار خارج نطاق الرؤية المباشرة
• رادار ما وراء الأفق
• شعاعي (نصف قطري)
• التلاشي الريسي ، نموذج عشوائي لانتشار خط البصر
• المدى المائل

•  تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).

• http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges مؤرشف بتاريخ 14 أكتوبر 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine)
• تقريب نموذج الشعاعين باستخدام متسلسلة ذات الحدين، بقلم ماثيو بازاجيان