الانتشار خارج نطاق الرؤية المباشرة

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 29 صور
الموسوعة الحرة

يحدث انتشار الموجات الراديوية خارج خط الرؤية المباشر ( NLOS ) خارج خط الرؤية المباشر (LOS) المعتاد بين المرسل والمستقبل، كما هو الحال في انعكاسات الأرض . وتشير ظروف خط الرؤية القريب ( NLOS ) أيضًا إلى وجود عائق جزئي بسبب جسم مادي في منطقة فرينل الداخلية .

تشمل العوائق الشائعة التي تُسبب انتشار الإشارات اللاسلكية خارج نطاق الرؤية المباشرة المباني والأشجار والتلال والجبال، وفي بعض الحالات خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي . تعكس بعض هذه العوائق ترددات لاسلكية معينة، بينما يمتص بعضها الآخر الإشارات أو يشوهها؛ ولكن في كلتا الحالتين، فإنها تحد من استخدام أنواع عديدة من الإرسال اللاسلكي، خاصةً عند انخفاض مستوى الطاقة المتاحة.

يؤدي انخفاض مستوى الطاقة في جهاز الاستقبال إلى تقليل فرص استقبال الإشارة بنجاح. ويمكن أن ينتج انخفاض مستوى الطاقة عن ثلاثة أسباب رئيسية على الأقل: انخفاض مستوى الإرسال، كما هو الحال في شبكات الواي فاي ؛ بُعد جهاز الإرسال، مثل شبكة الجيل الثالث التي تبعد أكثر من 8 كيلومترات أو جهاز التلفزيون الذي يبعد أكثر من 50 كيلومترًا ؛ ووجود عائق بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، مما يحول دون وجود مسار واضح.  

يؤدي عدم وجود خط رؤية مباشر إلى تقليل القدرة المستقبلة الفعالة. يمكن عادةً التعامل مع وجود خط رؤية مباشر باستخدام هوائيات أفضل، ولكن عدم وجود خط رؤية مباشر يتطلب عادةً مسارات بديلة أو طرق انتشار متعددة المسارات.

أصبح تحقيق شبكات فعّالة بدون خط رؤية مباشر (NLOS) أحد أهمّ التحديات في شبكات الحاسوب الحديثة. حاليًا، الطريقة الأكثر شيوعًا للتعامل مع ظروف NLOS في الشبكات اللاسلكية هي ببساطة تجاوز هذه الظروف بوضع نقاط تقوية في مواقع إضافية، لإرسال محتوى الإرسال اللاسلكي حول العوائق. تستخدم بعض أنظمة الإرسال المتقدمة بتقنية NLOS انتشار الإشارة متعدد المسارات ، حيث ترتد الإشارة اللاسلكية عن الأجسام القريبة للوصول إلى جهاز الاستقبال.

يُستخدم مصطلح "غير خط البصر" (NLOS) غالبًا في الاتصالات اللاسلكية لوصف قناة أو رابط لاسلكي لا يوجد فيه خط رؤية مرئي (LOS) بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال . في هذا السياق، يُؤخذ خط الرؤية المرئي (LOS ) في الاعتبار.

  • إما كخط مستقيم خالٍ من أي شكل من أشكال العوائق البصرية، حتى لو كان في الواقع بعيدًا جدًا بحيث لا يمكن رؤيته بالعين البشرية المجردة
  • باعتبارها خط رؤية افتراضي، أي كخط مستقيم يمر عبر مادة تحجب الرؤية، مما يترك مجالاً كافياً لانتقال الموجات الراديوية ليتم اكتشافها

هناك العديد من الخصائص الكهربائية لوسائط الإرسال التي تؤثر على انتشار الموجات الراديوية وبالتالي على جودة تشغيل قناة الراديو، إن أمكن ذلك على الإطلاق، عبر مسار NLOS.

أصبح اختصار NLOS أكثر شيوعًا في سياق الشبكات المحلية اللاسلكية (WLANs) وشبكات المناطق الحضرية اللاسلكية مثل WiMAX، نظرًا لقدرة هذه الروابط على توفير مستوى معقول من تغطية NLOS، مما يُحسّن بشكل كبير من قابليتها للتسويق وتعدد استخداماتها في البيئات الحضرية النموذجية حيث تُستخدم بكثرة. مع ذلك، يشمل NLOS العديد من المجموعات الفرعية الأخرى للاتصالات اللاسلكية.

قد يتراوح تأثير العوائق البصرية على وصلة غير مباشرة (NLOS) بين تأثير ضئيل وانعدام تام للإشارة. على سبيل المثال، في حالة وجود خط رؤية مباشر (LOS) بين هوائي بث تلفزيوني وهوائي استقبال مثبت على سطح مبنى، إذا مرت سحابة بين الهوائيين، فقد تصبح الوصلة غير مباشرة (NLOS)، لكن جودة القناة اللاسلكية قد لا تتأثر عمليًا. أما إذا شُيّد مبنى كبير في مسار الإشارة، مما يجعلها غير مباشرة (NLOS)، فقد يصبح استقبال الإشارة مستحيلاً.

يُستخدم مصطلح " خارج نطاق الرؤية المباشرة " (BLOSأجهزة إعادة الإرسال،وانتشار الموجات الأرضية،ووصلات التشتت التروبوسفيرية،وانتشار الموجات الأيونوسفيريةلتوسيع نطاق الاتصالات من بضعة كيلومترات إلى بضعة آلاف من الكيلومترات.

خلفية

الموجات الراديوية كموجات كهرومغناطيسية مستوية

من معادلات ماكسويل [ 1 ] نجد أن الموجات الراديوية، كما هي موجودة في الفضاء الحر في المجال البعيد أو منطقة فراونهوفر، تتصرف كموجات مستوية . [ 2 ] [ 3 ] في الموجات المستوية ، يكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي واتجاه الانتشار متعامدين . [ 4 ] لفهم الآليات المختلفة التي تسمح بنجاح الاتصالات الراديوية عبر مسارات غير خط البصر، يجب أن ندرس كيف تتأثر هذه الموجات المستوية بالأجسام التي تحجب بصريًا مسار خط البصر بين الهوائيات. من المعلوم أن مصطلحي "موجات المجال البعيد الراديوية" و"الموجات المستوية الراديوية" مترادفان.

ما هو خط الرؤية؟

بحسب التعريف، خط البصر هو خط الرؤية المرئي ، الذي تحدده قدرة العين البشرية العادية على تمييز جسم بعيد. أعيننا حساسة للضوء، لكن الأطوال الموجية الضوئية قصيرة جدًا مقارنةً بالأطوال الموجية الراديوية. تتراوح الأطوال الموجية الضوئية من حوالي 400 نانومتر إلى 700  نانومتر، بينما تتراوح الأطوال الموجية الراديوية من حوالي 1 مليمتر عند تردد 300  جيجاهرتز إلى 30 كيلومترًا عند تردد 10  كيلوهرتز. وبالتالي، فإن أقصر طول موجي راديوي أطول بحوالي 2000 مرة من أطول طول موجي ضوئي. بالنسبة لترددات الاتصالات النموذجية التي تصل إلى حوالي 10  جيجاهرتز، يكون الفرق في حدود 60000 مرة، لذا لا يُعتمد دائمًا على مقارنة العوائق البصرية، التي قد تشير إلى مسار غير مباشر للرؤية، مع نفس العوائق التي قد تؤثر على مسار انتشار الموجات الراديوية.

قد تكون روابط الاتصال غير المباشر (NLOS) أحادية الاتجاه (إرسال في اتجاه واحد فقط)، أو ثنائية الاتجاه (إرسال في كلا الاتجاهين في آن واحد)، أو نصف ثنائية الاتجاه (إرسال ممكن في كلا الاتجاهين ولكن ليس في آن واحد). في الظروف العادية، تكون جميع روابط الراديو، بما فيها روابط NLOS، متبادلة ، أي أن تأثيرات ظروف الانتشار على قناة الراديو متطابقة سواءً كانت أحادية الاتجاه، أو ثنائية الاتجاه، أو نصف ثنائية الاتجاه. [ 5 ] مع ذلك، تختلف ظروف الانتشار باختلاف الترددات، لذا فإن الاتصال ثنائي الاتجاه التقليدي بترددات مختلفة للوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة ليس بالضرورة متبادلاً.

تأثير حجم الانسداد

بشكل عام، يعتمد تأثر الموجة المستوية بالعائق على حجم العائق بالنسبة لطول موجتها وخصائصه الكهربائية. على سبيل المثال، قد يُشكل منطاد هواء ساخن ذو أبعاد متعددة الأطوال الموجية، يمر بين هوائيي الإرسال والاستقبال، عائقًا بصريًا كبيرًا، ولكنه من غير المرجح أن يؤثر بشكل ملحوظ على انتشار الموجات الراديوية غير المباشرة (NLOS)، بافتراض أنه مصنوع من القماش ومملوء بالهواء الساخن، وكلاهما عازل جيد. في المقابل، سيؤدي عائق معدني بأبعاد مماثلة لطول الموجة إلى انعكاسات كبيرة. عند النظر في حجم العائق، نفترض أن خصائصه الكهربائية هي من النوع المتوسط ​​أو المُفقد، وهو الأكثر شيوعًا.

بشكل عام، هناك ثلاثة أحجام تقريبية للعوائق بالنسبة للطول الموجي يجب مراعاتها في مسار NLOS محتمل - وهي:

  • أصغر بكثير من الطول الموجي
  • نفس رتبة الطول الموجي
  • أكبر بكثير من الطول الموجي

إذا كانت أبعاد العائق أصغر بكثير من طول موجة الموجة المستوية الساقطة، فإن الموجة لا تتأثر بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، يبلغ طول موجة البث منخفض التردد (LF)، المعروف أيضًا بالموجات الطويلة ، حوالي 200  كيلوهرتز، 1500 متر، ولا تتأثر بشكل كبير بمعظم المباني متوسطة الحجم، والتي هي أصغر بكثير.

إذا كانت أبعاد العائق من نفس رتبة الطول الموجي، فسيحدث قدر من الانعراج حول العائق، وربما بعض النفاذية من خلاله. قد تتعرض الموجة الراديوية الساقطة لتوهين طفيف، وقد يحدث تفاعل بين جبهات الموجة المنحرفة.

إذا كان للعائق أبعاد بأطوال موجية متعددة، فإن الموجات المستوية الساقطة تعتمد بشكل كبير على الخصائص الكهربائية للمادة التي تشكل العائق.

تأثير الخصائص الكهربائية للعوائق

تتراوح الخصائص الكهربائية للمادة التي تشكل عائقًا أمام الموجات الراديوية بين موصل مثالي في أحد طرفي الطيف وعازل مثالي في الطرف الآخر. تمتلك معظم المواد خصائص موصلة وعازلة معًا، وقد تكون هذه الخصائص مختلطة؛ فعلى سبيل المثال، ينتج العديد من مسارات الاتصال غير المباشر (NLOS) عن إعاقة مسار الاتصال المباشر (LOS) بواسطة مبانٍ خرسانية مسلحة مُشيدة من الخرسانة والفولاذ . تُعد الخرسانة عازلًا جيدًا نسبيًا عندما تكون جافة ، بينما يُعد الفولاذ موصلًا جيدًا. في المقابل، قد تكون المادة متجانسة ذات فقد كهربائي .

يُعرف المعامل الذي يصف مدى كون المادة موصلة أو عازلة باسملون برونزي⁡دلتا{\displaystyle \tan \delta }أو ظل زاوية الفقد ، المعطى بواسطة

لون برونزي⁡دلتا=σωϵ0ϵر{\displaystyle \tan \delta ={\frac {\sigma }{\omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}}}

أين

σ{\displaystyle \sigma }هي موصلية المادة بوحدة سيمنز لكل متر (S/m).
ω=2πو{\displaystyle \omega =2\pi f}يمثل التردد الزاوي للموجة المستوية بترددات الراديو بوحدة الراديان في الثانية (راد/ثانية) وو{\displaystyle f}ترددها بالهرتز (Hz).
ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}}هي السماحية المطلقة للفضاء الحر بوحدة الفاراد لكل متر (F/m).

و

ϵر{\displaystyle \epsilon _{r}}هي السماحية النسبية للمادة (المعروفة أيضًا باسم ثابت العزل الكهربائي ) وليس لها وحدات.

موصلات جيدة (عوازل رديئة)

لوσ≫ωϵ0ϵر{\displaystyle \sigma \gg \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}المادة إما موصل جيد أو عازل رديء، وتعكس بشكل كبير الموجات الراديوية الساقطة عليها بنفس القدرة تقريبًا. [ 6 ] لذلك، لا تمتص المادة نفسها أي طاقة ترددات راديوية تقريبًا، ولا تنقل أي طاقة منها تقريبًا، حتى لو كانت رقيقة جدًا. جميع المعادن موصلات جيدة، وهناك بالطبع أمثلة عديدة تُسبب انعكاسات كبيرة للموجات الراديوية في البيئة الحضرية ، مثل الجسور، والمباني المُغطاة بالمعدن، ومستودعات التخزين، والطائرات، وأبراج نقل الطاقة الكهربائية .

عوازل جيدة (موصلات رديئة)

لوσ≪ωϵ0ϵر{\displaystyle \sigma \ll \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}المادة عازلة جيدة (أو عازلة كهربائية) أو موصلة رديئة، وتنقل الموجات الساقطة عليها بشكل كبير. لا تمتص المادة أي طاقة ترددات لاسلكية تقريبًا، ولكن يمكن عكس بعضها عند حدودها اعتمادًا على سماحيتها النسبية مقارنةً بسماحية الفراغ، التي تساوي واحدًا. يعتمد هذا على مفهوم المعاوقة الذاتية، الموصوف أدناه. هناك عدد قليل من الأجسام المادية الكبيرة التي تُعد أيضًا عوازل جيدة، باستثناء جبال الجليد في المياه العذبة، ولكنها لا توجد عادةً في معظم البيئات الحضرية. مع ذلك، تتصرف كميات كبيرة من الغاز عمومًا كعوازل كهربائية. من أمثلة ذلك مناطق الغلاف الجوي للأرض ، التي تتناقص كثافتها تدريجيًا مع ازدياد الارتفاعات حتى 10 إلى 20  كيلومترًا. عند ارتفاعات أكبر، من حوالي 50  إلى 200  كيلومتر، تتصرف طبقات الأيونوسفير المختلفة أيضًا كعوازل كهربائية، وتعتمد بشكل كبير على تأثير الشمس . طبقات الأيونوسفير ليست غازات متعادلة، بل هي بلازما .

الموجات المستوية والمعاوقة الذاتية

حتى لو كان العائق عازلاً مثالياً، فقد يكون له بعض الخصائص العاكسة بسبب سماحيته النسبية.ϵر{\displaystyle \epsilon _{r}}تختلف عن تلك الموجودة في الغلاف الجوي. المواد الكهربائية التي قد تنتشر من خلالها الموجات المستوية لها خاصية تسمى المعاوقة الذاتية (η{\displaystyle \eta }) أو المعاوقة الكهرومغناطيسية، وهي مماثلة للمعاوقة المميزة للكابل في نظرية خطوط النقل . تُعطى المعاوقة الذاتية لمادة متجانسة بالعلاقة التالية: [ 7 ]

η=μ0μرϵ0ϵر{\displaystyle \eta ={\sqrt {\frac {\mu _{0}\mu _{r}}{\epsilon _{0}\epsilon _{r}}}}}

أين

μ0{\displaystyle \mu _{0}}هي النفاذية المطلقة بوحدة هنري لكل متر (H/m) وهي ثابت عند4π⋅10-7{\displaystyle 4\pi \cdot 10^{-7}}H/m
μر{\displaystyle \mu _{r}}هي النفاذية النسبية (بدون وحدة)
ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}}هي السماحية المطلقة بوحدة فاراد لكل متر (F/m) وهي ثابت عند8.85⋅10-12{\displaystyle 8.85\cdot 10^{-12}}أنثى/ذكر
ϵر{\displaystyle \epsilon _{r}}هي السماحية النسبية أو ثابت العزل الكهربائي (بدون وحدة).

مساحة مجانيةμر=1{\displaystyle \mu _{r}=1}وϵر=1{\displaystyle \epsilon _{r}=1}وبالتالي فإن المعاوقة الذاتية للفضاء الحرη0{\displaystyle \eta _{0}}يُعطى بواسطة

η0=μ0ϵ0{\displaystyle \eta _{0}={\sqrt {\frac {\mu _{0}}{\epsilon _{0}}}}}

وهو ما يعادل تقريبًا 377Ωأوميغا.

خسائر الانعكاس عند حدود العازل

في تشبيه بين نظرية الموجة المستوية ونظرية خط النقل، تعريف معامل الانعكاسΓ{\displaystyle \Gamma }هو مقياس لمستوى الانعكاس عادةً عند الحد الفاصل عندما تمر موجة مستوية من وسط عازل إلى آخر. على سبيل المثال، إذا كانت المعاوقة الذاتية للوسطين الأول والثاني هيη1{\displaystyle \eta _{1}}وη2{\displaystyle \eta _{2}}على التوالي، معامل انعكاس الوسط 2 بالنسبة إلى الوسط 1،Γ21{\displaystyle \Gamma _{21}}، ويتم الحصول عليها من خلال:

Γ21=η2-η1η2+η1{\displaystyle \Gamma _{21}={\frac {\eta _{2}-\eta _{1}}{\eta _{2}+\eta _{1}}}}

المقياس اللوغاريتمي بالديسيبل (تير{\displaystyle T_{r}}يُعطى وصف كيفية تأثر إشارة التردد اللاسلكي المرسلة عبر وصلة NLOS بمثل هذا الانعكاس من خلال:

تيرهـو=10سجل10⁡(1-|Γ21|2)دب{\displaystyle T_{ref}=10\log _{10}(1-\left|\Gamma _{21}\right|^{2})dB}

مواد وسيطة ذات موصلية محدودة

معظم المواد التي تؤثر على نقل الموجات الراديوية عبر وصلات غير مباشرة (NLOS) هي مواد متوسطة: فهي ليست عازلة جيدة ولا موصلة جيدة. تنعكس الموجات الراديوية الساقطة على عائق مصنوع من مادة متوسطة رقيقة جزئيًا عند كل من حدود الدخول والخروج، وتُمتص جزئيًا، وذلك تبعًا لسمك العائق. إذا كان العائق سميكًا بما يكفي، فقد تُمتص الموجة الراديوية بالكامل. وبسبب الامتصاص، تُسمى هذه المواد غالبًا بالمواد المُبددة، على الرغم من أن درجة الفقد عادةً ما تكون متغيرة للغاية وتعتمد بشكل كبير على مستوى الرطوبة. غالبًا ما تكون هذه المواد غير متجانسة، وتتكون من خليط من مواد ذات خصائص توصيل وعزل متفاوتة. من أمثلة هذه المواد التلال، وسفوح الوديان، والجبال (ذات الغطاء النباتي الكثيف)، والمباني المشيدة من الحجر أو الطوب أو الخرسانة ولكن بدون حديد تسليح. كلما زاد سمكها، زاد الفقد. على سبيل المثال، يمتص الجدار طاقة ترددات راديوية أقل بكثير من موجة ساقطة عموديًا مقارنةً بمبنى مبني من نفس المادة.

الأوضاع

انعكاسات عشوائية سلبية

تتحقق الانعكاسات العشوائية السلبية عندما تتعرض الموجات المستوية لمسار انعكاسي واحد أو أكثر حول جسم ما، مما يحول مسار الراديو من خط رؤية مباشر (LOS) إلى مسار غير مباشر (NLOS). قد تنشأ هذه المسارات الانعكاسية من أجسام مختلفة، إما معدنية (موصلات جيدة جدًا مثل الجسور الفولاذية أو الطائرات ) أو موصلات جيدة نسبيًا للموجات المستوية، مثل المساحات الكبيرة من جوانب المباني الخرسانية والجدران وغيرها. يُعتبر هذا أحيانًا أسلوبًا بدائيًا ، لأنه في كل انعكاس، تتعرض الموجة المستوية لفقدان في الإرسال، والذي يجب تعويضه بزيادة طاقة الخرج من هوائي الإرسال مقارنةً بحالة خط الرؤية المباشر (LOS). مع ذلك، تُعد هذه التقنية رخيصة وسهلة الاستخدام، وتُستغل الانعكاسات العشوائية السلبية على نطاق واسع في المناطق الحضرية لتحقيق مسار غير مباشر (NLOS). تشمل خدمات الاتصالات التي تستخدم الانعكاسات السلبية: واي فاي ، وواي ماكس ، وواي ماكس MIMO ، والاتصالات الخلوية ، والبث الأرضي في المناطق الحضرية.

أجهزة إعادة الإرسال السلبية

يمكن استخدام أجهزة إعادة الإرسال السلبية لإنشاء روابط غير مباشرة (NLOS) عن طريق تركيب عاكس مصمم بدقة في موقع حرج لتوفير مسار حول العائق. مع ذلك، فهي غير مقبولة في معظم البيئات الحضرية نظرًا لحجم العاكس الكبير الذي يتطلب وضعه في موقع حرج قد يكون يصعب الوصول إليه أو غير مقبول لدى سلطات التخطيط أو مالك المبنى. كما تتسبب روابط NLOS باستخدام العاكس السلبي في خسائر كبيرة لأن الإشارة المستقبلة تخضع لقانون التربيع العكسي المزدوج لإشارة الإرسال، بمعدل مرة لكل قفزة من هوائي الإرسال إلى هوائي الاستقبال. مع ذلك، فقد استُخدمت بنجاح في المناطق الجبلية الريفية لتوسيع نطاق روابط الميكروويف المباشرة (LOS) حول الجبال، مما أدى إلى إنشاء روابط NLOS. في مثل هذه الحالات، لم يكن تركيب جهاز إعادة الإرسال النشط الأكثر شيوعًا ممكنًا عادةً بسبب صعوبة الحصول على مصدر طاقة مناسب.

أجهزة إعادة الإرسال النشطة

المُكرِّر النشط هو جهاز مزود بالطاقة، يتألف أساسًا من هوائي استقبال، وجهاز استقبال، وجهاز إرسال، وهوائي إرسال. إذا كانت نهايتا وصلة NLOS عند الموضعين A وC، فإن المُكرِّر يقع عند الموضع B حيث تكون الوصلتان AB وBC في الواقع وصلة LOS. قد يقوم المُكرِّر النشط ببساطة بتضخيم الإشارة المُستقبَلة وإعادة إرسالها دون تغيير، إما بنفس التردد أو بتردد مختلف. الحالة الأولى أبسط وأقل تكلفة، لكنها تتطلب عزلًا جيدًا بين الهوائيين لتجنب التغذية الراجعة ، ومع ذلك، فهذا يعني أن نهاية وصلة NLOS عند A أو C لا تتطلب تغيير تردد الاستقبال عن ذلك المستخدم لوصلة LOS. من التطبيقات الشائعة إعادة بث الإشارات للمركبات التي تستخدم أجهزة راديو السيارات في الأنفاق. أما المُكرِّر الذي يُغيِّر التردد، فيتجنب أي مشاكل في التغذية الراجعة، ولكنه سيكون أكثر صعوبة في التصميم وأكثر تكلفة، وسيتطلب من جهاز الاستقبال تغيير التردد عند الانتقال من منطقة LOS إلى منطقة NLOS.

يُعد قمر الاتصالات مثالاً على جهاز إعادة بث نشط يقوم بتغيير التردد. وتدور أقمار الاتصالات، في معظم الحالات، في مدار متزامن مع الأرض على ارتفاع 35900 كيلومتر (22300 ميل) فوق خط الاستواء . 

انتشار الموجات الأرضية

يُشير تطبيق متجه بوينتينغ على الموجات المستوية المستقطبة عموديًا عند الترددات المنخفضة (من 30  كيلوهرتز إلى 300  كيلوهرتز) والترددات المنخفضة جدًا (من 3  كيلوهرتز إلى 30  كيلوهرتز) إلى أن أحد مكونات المجال ينتشر لبضعة أمتار داخل سطح الأرض. يتميز هذا الانتشار بفقدان منخفض للغاية، مما يُتيح إمكانية الاتصالات عبر آلاف الكيلومترات باستخدام وصلات غير مباشرة (NLOS). مع ذلك، فإن هذه الترددات المنخفضة، بحكم تعريفها (وفقًا لنظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات )، تتميز بنطاق ترددي ضيق جدًا، لذا فإن هذا النوع من الاتصالات ليس شائع الاستخدام.

الأنماط التروبوسفيرية

يمكن للموجات الراديوية في نطاقي VHF و UHF أن تنتقل إلى ما وراء الأفق المرئي جزئيًا بسبب انكسارها في طبقة التروبوسفير ، وهي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي التي تقع على ارتفاع أقل من 20 كيلومترًا (12 ميلًا) . [ 8 ] [ 9 ] ويعود ذلك إلى تغيرات معامل انكسار الهواء بتغير درجة الحرارة والضغط. ويُعدّ تأخير التروبوسفير مصدرًا للخطأ في تقنيات تحديد المدى الراديوي، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). [ 10 ] إضافةً إلى ذلك، قد تسمح بعض الظروف غير الاعتيادية أحيانًا بانتشار الموجات لمسافات أبعد.  

الانكسار التروبوسفيري

قد يكون العائق الذي يُنشئ رابطًا غير مرئي (NLOS) هو الأرض نفسها، كما هو الحال إذا كان الطرف الآخر للرابط خارج الأفق البصري. من الخصائص المفيدة جدًا للغلاف الجوي للأرض أن كثافة جزيئات الهواء، في المتوسط، تتناقص مع ازدياد الارتفاع حتى حوالي 30  كيلومترًا. كما أن سماحيته النسبية أو ثابت العزل الكهربائي يتناقصان تدريجيًا من حوالي 1.00536 عند سطح الأرض. [ 11 ] لنمذجة تغير معامل الانكسار مع الارتفاع، يمكن تقريب الغلاف الجوي إلى طبقات رقيقة متعددة من الهواء، لكل منها معامل انكسار أقل قليلًا من الطبقة التي تليها. مسار الموجات الراديوية التي تخترق نموذج الغلاف الجوي هذا عند كل سطح فاصل، يُشابه مسار الحزم الضوئية التي تنتقل من وسط بصري إلى آخر، كما تنبأ به قانون سنيل . فعندما ينتقل الشعاع من وسط ذي معامل انكسار أعلى إلى وسط ذي معامل انكسار أقل، فإنه يميل إلى الانحناء أو الانكسار بعيدًا عن العمودي عند الحد الفاصل، وفقًا لقانون سنيل. عند أخذ انحناء الأرض في الاعتبار، يُلاحظ أن الموجات الراديوية التي تتجه في مسارها الأولي نحو الأفق البصري، تسلك في المتوسط ​​مسارًا لا يعود إلى سطح الأرض عند الأفق، بل إلى ما بعده بقليل. وتُعادل المسافة من هوائي الإرسال إلى نقطة عودة الموجة تقريبًا الأفق البصري، لو كان نصف قطر الأرض يساوي 4/3 من قيمته الحقيقية . وتُعدّ قاعدة "4/3 من نصف قطر الأرض" قاعدةً تقريبيةً مفيدةً لمهندسي الاتصالات الراديوية عند تصميم وصلة غير مباشرة للرؤية.

تُعدّ قاعدة 4/3 لنصف قطر الأرض قاعدةً تقريبيةً لمتوسط ​​الغلاف الجوي للأرض، بافتراض تجانسه النسبي ، وخلوه من طبقات الانعكاس الحراري أو الظروف الجوية غير الاعتيادية . وتعمل روابط الاتصال غير المباشر التي تستغل انكسار الضوء في الغلاف الجوي عادةً بترددات في نطاقي VHF و UHF ، بما في ذلك خدمات البث الأرضي FM والتلفزيون.

انتشار غير طبيعي

تُعزى الظاهرة المذكورة أعلاه، والمتمثلة في انخفاض معامل انكسار الغلاف الجوي، أو سماحيته النسبية، أو ثابت العزل الكهربائي تدريجيًا مع ازدياد الارتفاع، إلى انخفاض كثافة الهواء الجوي مع ازدياد الارتفاع. وتعتمد كثافة الهواء أيضًا على درجة الحرارة، التي تنخفض عادةً مع ازدياد الارتفاع. إلا أن هذه مجرد ظروف متوسطة؛ إذ يمكن للظروف الجوية المحلية أن تُحدث ظواهر مثل طبقات الانعكاس الحراري ، حيث تستقر طبقة دافئة من الهواء فوق طبقة باردة. عند الحد الفاصل بينهما، يحدث تغير مفاجئ نسبيًا في معامل الانكسار، من قيمة أصغر في الطبقة الباردة إلى قيمة أكبر في الطبقة الدافئة. قياسًا على قانون سنيل البصري ، يمكن أن يتسبب هذا في انعكاسات كبيرة للموجات الراديوية عائدةً نحو سطح الأرض، حيث تنعكس مرة أخرى، مما يُحدث تأثيرًا توجيهيًا . والنتيجة هي أن الموجات الراديوية يمكن أن تنتشر لمسافات أبعد بكثير من منطقة خدمتها المقصودة مع توهين أقل من المعتاد. لا يظهر هذا التأثير إلا في نطاقي الترددات العالية جدًا (VHF) والترددات فوق العالية (UHF)، ويستغله هواة الراديو غالبًا لإجراء اتصالات عبر مسافات طويلة بشكل غير معتاد بالنسبة للترددات المستخدمة. [ 12 ] أما بالنسبة لخدمات الاتصالات التجارية، فلا يمكن استغلاله لعدم موثوقيته (إذ يمكن أن تتشكل الظروف وتتلاشى في غضون دقائق)، ولأنه قد يتسبب في تداخلات خارج نطاق الخدمة المعتاد.

يمكن أن يحدث انعكاس درجة الحرارة والانتشار الشاذ في معظم خطوط العرض، لكنها أكثر شيوعًا في المناخات الاستوائية مقارنة بالمناخات المعتدلة ، وعادة ما ترتبط بمناطق الضغط العالي (الأعاصير المضادة).

التوجيه التروبوسفيري

قد تؤدي التغيرات المفاجئة في محتوى الرطوبة الرأسي ودرجات الحرارة في الغلاف الجوي، في بعض الأحيان، إلى انتشار إشارات الترددات العالية جدًا (UHF ) والترددات العالية جدًا جدًا ( VHF ) والميكروويف لمسافات تصل إلى مئات الكيلومترات (أميال)، وحتى حوالي 2000 كيلومتر (1200 ميل) ، بل وأبعد من ذلك في حالة الانتشار عبر القنوات ، متجاوزةً بذلك الأفق الراديوي المعتاد. تُلاحظ طبقة الانعكاس الحراري غالبًا فوق مناطق الضغط المرتفع، ولكن هناك العديد من الظروف الجوية في طبقة التروبوسفير التي تُسبب أنماط الانتشار العشوائية هذه. يتراوح ارتفاع طبقة الانعكاس الحراري في حالة عدم الانتشار عبر القنوات عادةً بين 100 و1000 متر (330 و3280 قدمًا) ، وفي حالة الانتشار عبر القنوات بين 500 و3000 متر (1600 و9800 قدم) ، وتستمر هذه الظاهرة عادةً من عدة ساعات إلى عدة أيام. تشهد الترددات العالية زيادةً ملحوظةً في قوة الإشارة، بينما يكون التأثير ضئيلاً في نطاقي الترددات العالية جدًا جدًا (VHF) والترددات العالية (HF). قد يكون توهين مسار الانتشار أقل من فقدان الإشارة في الفضاء الحر. وتحدث بعض أنواع الانعكاسات الأقل حدة، المرتبطة بدفء الأرض وانخفاض نسبة الرطوبة في الهواء، بانتظام في أوقات معينة من السنة واليوم. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك، تعزيزات التروبوسفير في أواخر الصيف وبداية الصباح، والتي تجلب إشارات من مسافات تصل إلى بضع مئات من الكيلومترات (أميال) لبضع ساعات، إلى أن يتلاشى تأثيرها بفعل حرارة الشمس.

التشتت التروبوسفيري (التروبوسكاتر)

في نطاق الترددات العالية جدًا (VHF) وما فوقها، قد تؤدي التغيرات الطفيفة (الاضطرابات) في كثافة الغلاف الجوي على ارتفاع حوالي 9.7 كيلومترات (6 أميال ) إلى تشتيت جزء من حزمة طاقة الترددات الراديوية، التي تصل عادةً بخط البصر، عائدةً نحو الأرض. في أنظمة الاتصالات بالتشتت التروبوسفيري (التشتت التروبوسفيري)، تُوجَّه حزمة قوية من الموجات الميكروية فوق الأفق، ويستقبل هوائي عالي الكسب، مُوجَّه فوق الأفق نحو الجزء من التروبوسفير الذي تمر عبره الحزمة، الإشارة المتشتتة الضئيلة. تُمكّن أنظمة التشتت التروبوسفيري من تحقيق اتصال عبر الأفق بين محطات تفصل بينها مسافة 800 كيلومتر (500 ميل) ، وقد طوّر الجيش شبكات مثل نظام اتصالات وايت أليس الذي غطى ألاسكا بأكملها قبل ستينيات القرن الماضي، حين حلت أقمار الاتصالات الصناعية محلها إلى حد كبير.  

يعمل رابط التشتت التروبوسفيري غير المباشر عادةً بترددات تصل إلى بضعة جيجاهرتز، مستخدمًا قدرات إرسال عالية جدًا (تتراوح عادةً بين 3  و30  كيلوواط، حسب الظروف)، وأجهزة استقبال فائقة الحساسية، وهوائيات عاكسة كبيرة وثابتة ذات كسب عالٍ جدًا. يُوجَّه شعاع الإرسال إلى طبقة التروبوسفير فوق الأفق مباشرةً، بكثافة تدفق طاقة كافية لتسبب تشتت جزيئات الغاز وبخار الماء في منطقة على مسار الشعاع تُعرف بحجم التشتت. تنتقل بعض مكونات الطاقة المتشتتة في اتجاه هوائيات الاستقبال، مُشكِّلةً إشارة الاستقبال. نظرًا لوجود عدد كبير جدًا من الجسيمات التي تُسبب التشتت في هذه المنطقة، يُمكن لنموذج رايلي الإحصائي للتلاشي أن يُساعد في التنبؤ بسلوك وأداء هذا النوع من الأنظمة.

تناثر المطر

يُعدّ تشتت المطر نمطًا حصريًا لانتشار الموجات الميكروية، ويُلاحظ بوضوح عند تردد 10  جيجاهرتز تقريبًا، ولكنه يمتد إلى بضعة جيجاهرتزات ، حيث يُحدد حجم جسيمات التشتت نسبةً إلى الطول الموجي . يُشتت هذا النمط الإشارات في الغالب للأمام والخلف عند استخدام الاستقطاب الأفقي ، بينما يُشتت الإشارات جانبيًا عند استخدام الاستقطاب الرأسي . عادةً ما يصل مدى انتشار التشتت الأمامي إلى 800 كيلومتر (500 ميل) . يحدث التشتت أيضًا من رقاقات الثلج وكرات الجليد، ولكن التشتت من الجليد غير المغطى بسطح مائي يكون أقل فعالية. يُعدّ رادار المطر الميكروي التطبيق الأكثر شيوعًا لهذه الظاهرة، إلا أن انتشار تشتت المطر قد يُسبب إزعاجًا، إذ يؤدي إلى انتشار إشارات غير مرغوب فيها بشكل متقطع في أماكن غير متوقعة أو مرغوبة. قد تحدث انعكاسات مماثلة من الحشرات، وإن كانت على ارتفاعات أقل ولمدى أقصر. كما يُسبب المطر توهينًا في وصلات الميكروويف بين النقاط والأقمار الصناعية. وقد لوحظت قيم توهين تصل إلى 30 ديسيبل عند تردد 30 جيجاهرتز أثناء هطول الأمطار الاستوائية الغزيرة.    

تشتت البرق

لوحظ تشتت البرق أحيانًا على نطاقي التردد العالي جدًا (VHF) والتردد العالي جدًا جدًا (UHF) على مسافات تصل إلى حوالي 500 كيلومتر (310 أميال) . تعمل قناة البرق الساخن على تشتيت الموجات الراديوية لجزء من الثانية. يؤدي انفجار الضوضاء الراديوية الناتج عن البرق إلى جعل الجزء الأولي من القناة المفتوحة غير قابل للاستخدام، ويختفي التأين بسرعة بسبب إعادة التركيب على ارتفاعات منخفضة وضغط جوي مرتفع. على الرغم من إمكانية رصد قناة البرق الساخن لفترة وجيزة باستخدام رادار الميكروويف، إلا أنه لم يُعثر على أي استخدام عملي لهذا النمط في مجال الاتصالات.  

الانتشار الأيوني

تتشابه آلية انتشار الموجات الأيونوسفيرية في دعم روابط الاتصال غير المباشر مع آلية انكسارها في الغلاف الجوي، ولكن في هذه الحالة، لا يحدث انكسار الموجات الراديوية في الغلاف الجوي، بل في طبقة الأيونوسفير على ارتفاعات أعلى بكثير. [ 13 ] ومثل نظيرتها في طبقة التروبوسفير، يمكن أحيانًا نمذجة انتشار الموجات الأيونوسفيرية إحصائيًا باستخدام تلاشي رايلي .

تمتد طبقة الأيونوسفير من ارتفاعات تتراوح بين 50  و400  كيلومتر تقريبًا، وتنقسم إلى طبقات بلازما متميزة يُرمز لها بـ D وE وF1 وF2 تصاعديًا حسب الارتفاع. وبالتالي، فإن انكسار الموجات الراديوية بواسطة الأيونوسفير، وليس الغلاف الجوي، يُتيح إنشاء روابط غير مباشرة (NLOS) لمسافات أطول بكثير، وذلك بمسار انكسار واحد أو "قفزة" واحدة عبر إحدى هذه الطبقات. في ظروف معينة، قد تنعكس الموجات الراديوية التي قطعت قفزة واحدة عن سطح الأرض، وتخضع لمزيد من القفزات، مما يزيد من مداها. وتتأثر مواقع هذه الموجات وكثافة أيوناتها بشكل كبير بالإشعاع الشمسي الساقط، ولذلك تتغير يوميًا وموسميًا وأثناء نشاط البقع الشمسية . وقد حفز الاكتشاف الأولي الذي توصل إليه ماركوني في أوائل القرن العشرين، والذي أظهر قدرة الموجات الراديوية على الانتقال إلى ما وراء الأفق،  إجراء دراسات مكثفة حول انتشار الموجات في الأيونوسفير على مدى الخمسين  عامًا التالية، والتي أسفرت عن جداول ومخططات تنبؤية متنوعة لقنوات وصلات التردد العالي (HF).

تتراوح الترددات التي تتأثر بالانتشار الأيوني من حوالي 500  كيلو هرتز إلى 50  ميجا هرتز، ولكن غالبية هذه الروابط غير المباشرة تعمل في نطاقات التردد "القصيرة" أو التردد العالي (HF) بين 3  ميجا هرتز و 30  ميجا هرتز.

في النصف الثاني من القرن العشرين، طُوّرت وسائل بديلة للاتصال عبر مسافات طويلة خارج نطاق الرؤية المباشرة، مثل الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والألياف الضوئية البحرية، وكلاهما يتمتع بإمكانية نقل نطاقات ترددية أكبر بكثير من نطاق الترددات العالية (HF) ويتميز بموثوقية أعلى. ورغم محدودية نطاق الترددات العالية، إلا أنه لا يتطلب سوى معدات وهوائيات بسيطة ورخيصة نسبيًا، لذا يُستخدم غالبًا كأنظمة احتياطية لأنظمة الاتصالات الرئيسية، وفي المناطق النائية قليلة السكان حيث تكون وسائل الاتصال الأخرى غير مجدية اقتصاديًا.

مناقشة
انتشار الموجات السماوية
انتشار الموجات السماوية

انتشار الموجات السماوية ، المعروف أيضًا باسم " القفز "، هو أي نمط من أنماط الإرسال يعتمد على انعكاس وانكسار الموجات الراديوية من طبقة الأيونوسفير . الأيونوسفير هي منطقة في الغلاف الجوي تمتد من حوالي 60 إلى 500 كيلومتر (37 إلى 311 ميلًا) وتحتوي على طبقات من الجسيمات المشحونة ( الأيونات ) التي يمكنها انكسار الموجات الراديوية عائدةً نحو الأرض. يمكن لهذه الطبقات أن تعكس الموجات الراديوية الموجهة بزاوية نحو السماء عائدةً إلى الأرض خلف الأفق، مما يسمح بالإرسال الراديوي لمسافات طويلة. تُعد طبقة F2 أهم طبقات الأيونوسفير لانتشار موجات HF لمسافات طويلة عبر عدة قفزات، على الرغم من أن طبقات F1 وE وD تلعب أدوارًا مهمة أيضًا. تتسبب طبقة D، عند وجودها خلال فترات سطوع الشمس، في فقدان كبير للإشارة، وكذلك طبقة E التي يمكن أن يصل أقصى تردد قابل للاستخدام فيها إلى 4 ميجاهرتز وما فوق، وبالتالي تمنع وصول إشارات الترددات العالية إلى طبقة F2. تتأثر الطبقات، أو بالأحرى "المناطق"، بشكل مباشر بالشمس ضمن دورة يومية ، ودورة موسمية، ودورة البقع الشمسية التي تستغرق 11 عامًا ، وهي التي تحدد مدى فائدة هذه الأنماط. خلال فترات ذروة النشاط الشمسي، أو عندما تكون البقع الشمسية في أعلى مستوياتها، يمكن استخدام نطاق التردد العالي (HF) بالكامل حتى 30 ميجاهرتز على مدار الساعة، كما يُلاحظ انتشار موجات F2 حتى 50 ميجاهرتز بشكل متكرر اعتمادًا على قيم التدفق الشمسي اليومي . أما خلال فترات انخفاض النشاط الشمسي ، أو عندما ينخفض ​​عدد البقع الشمسية إلى الصفر، فإن انتشار الترددات التي تزيد عن 15 ميجاهرتز يكون غير متاح عمومًا.      

على الرغم من شيوع الادعاء بأن انتشار موجات التردد العالي ثنائي الاتجاه على طول مسار معين هو تبادلي، أي إذا وصلت الإشارة من الموقع أ إلى الموقع ب بقوة جيدة، فإن الإشارة من الموقع ب ستكون مماثلة في المحطة أ لأن المسار نفسه يُقطع في كلا الاتجاهين. ومع ذلك، فإن طبقة الأيونوسفير معقدة للغاية ومتغيرة باستمرار بحيث لا تدعم نظرية التبادلية. فالمسار لا يكون متطابقًا تمامًا في كلا الاتجاهين. [ 14 ] باختصار، تتسبب الظروف عند طرفي المسار عمومًا في تحولات استقطاب مختلفة، وبالتالي انقسامات مختلفة إلى أشعة عادية وأشعة غير عادية ( أشعة بيدرسن ) ذات خصائص انتشار مختلفة بسبب الاختلافات في كثافة التأين، وزوايا السمت المتغيرة، وتأثيرات خطوط ثنائي القطب المغناطيسي للأرض، وأنماط إشعاع الهوائي، وظروف الأرض، ومتغيرات أخرى.

يُعدّ التنبؤ بأنماط الموجات السماوية ذا أهمية بالغة لهواة الراديو والاتصالات البحرية والجوية التجارية ، وكذلك لمحطات البث الإذاعي قصيرة الموجة . ويمكن تقييم الانتشار في الوقت الفعلي من خلال الاستماع إلى الإرسالات الصادرة من أجهزة إرسال محددة .

الامتصاص المحدود

إذا لم يكن الجسم الذي يحوّل وصلة خط البصر المباشر (LOS) إلى وصلة خط البصر غير المباشر (NLOS) موصلاً جيداً، بل مادة متوسطة، فإنه يمتص جزءاً من طاقة الترددات اللاسلكية الساقطة عليه. مع ذلك، إذا كان له سُمك محدود، فإن الامتصاص يكون محدوداً أيضاً، وقد يكون التوهين الناتج للموجات اللاسلكية مقبولاً، ويمكن إنشاء وصلة خط البصر غير المباشر باستخدام موجات لاسلكية تخترق المادة فعلياً. على سبيل المثال، غالباً ما تستخدم شبكات WLAN وصلات خط البصر غير المباشر ذات الامتصاص المحدود للتواصل بين نقطة وصول WLAN وعملاء WLAN في بيئة المكتب النموذجية. عادةً ما تخترق الترددات اللاسلكية المستخدمة، والتي تبلغ عادةً بضعة جيجاهرتز (GHz)، عدداً قليلاً من جدران المكاتب الرقيقة والفواصل مع توهين مقبول. ولكن بعد اختراق العديد من هذه الجدران، أو بعد اختراق عدد قليل من الجدران الخرسانية السميكة أو ما شابهها (غير المعدنية)، تصبح وصلة خط البصر غير المباشر غير قابلة للاستخدام.

تشتت النيازك

تعتمد تقنية تشتت النيازك على انعكاس الموجات الراديوية عن أعمدة الهواء المتأينة بشدة الناتجة عن النيازك . ورغم أن هذه التقنية قصيرة المدة للغاية، إذ تتراوح عادةً بين جزء من الثانية وثوانٍ معدودة لكل حدث، فإن الاتصالات الرقمية عبر موجات النيازك تُمكّن المحطات البعيدة من التواصل مع محطة أخرى قد تبعد مئات الأميال، أو حتى أكثر من 1600 كيلومتر ، دون الحاجة إلى تكلفة وصلة الأقمار الصناعية. وتُعدّ هذه التقنية مفيدة بشكل عام على ترددات VHF التي تتراوح بين 30 و250 ميجاهرتز.  

التشتت العكسي للشفق القطبي

تُشتت أعمدة التأين الشفقية الكثيفة ، التي ترتفع 100 كيلومتر (62 ميلاً) داخل المنطقة البيضاوية للشفق ، موجات الراديو، بما في ذلك تلك التي تعمل بترددات عالية (HF) وعالية جدًا (VHF). ويتأثر التشتت بزاوية السقوط، إذ يجب أن تكون الزاوية بين الشعاع الساقط وخط المجال المغناطيسي للعمود قريبة جدًا من الزاوية القائمة. وتُحدث الحركات العشوائية للإلكترونات، التي تدور حلزونيًا حول خطوط المجال، انتشارًا دوبلريًا يُوسع طيف الانبعاث ليصبح أشبه بالضوضاء، وذلك تبعًا لتردد الراديو المستخدم. وتُلاحظ الشفق الراديوي غالبًا في خطوط العرض العليا، ونادرًا ما يمتد إلى خطوط العرض المتوسطة. ويعتمد حدوث الشفق الراديوي على النشاط الشمسي ( التوهجات ، والثقوب الإكليلية ، والانبعاثات الكتلية الإكليلية )، وتزداد هذه الظاهرة سنويًا خلال فترات ذروة الدورة الشمسية. يشمل الشفق الراديوي ما يُعرف بالشفق الراديوي المسائي، الذي يُنتج إشارات أقوى ولكنها أكثر تشويشًا. وبعد مرحلة هارانغ الدنيا، يعود الشفق الراديوي الليلي المتأخر (مرحلة ما قبل العاصفة) بقوة إشارة متغيرة وانتشار دوبلر أقل. يمتد نطاق انتشار هذا النمط، الذي يعتمد بشكل أساسي على التشتت العكسي، إلى حوالي 2000 كيلومتر (1200 ميل) في المستوى الشرقي الغربي، ولكن تُلاحظ أقوى الإشارات بشكل متكرر من الشمال في مواقع قريبة على نفس خطوط العرض.    

نادراً ما يتبع الشفق الراديوي القوي الشفق القطبي من النوع E، والذي يشبه كلا نوعي الانتشار في بعض النواحي.

انتشار Sporadic-E

يحدث انتشار الموجات E المتفرقة (Es) على نطاقي التردد العالي (HF) والتردد العالي جدًا (VHF). [ 15 ] يجب عدم الخلط بينها وبين انتشار الموجات E العادية على نطاق التردد العالي. تحدث الموجات E المتفرقة في خطوط العرض المتوسطة غالبًا خلال فصل الصيف، من مايو إلى أغسطس في نصف الكرة الشمالي، ومن نوفمبر إلى فبراير في نصف الكرة الجنوبي. لا يوجد سبب واحد لهذا النمط الغامض من الانتشار. يحدث الانعكاس في طبقة رقيقة من التأين على ارتفاع حوالي 90 كيلومترًا (56 ميلًا) . تنجرف بقع التأين غربًا بسرعات تصل إلى بضع مئات من الكيلومترات (الأميال) في الساعة. تُلاحظ دورية ضعيفة خلال الموسم، وعادةً ما تُشاهد الموجات E لمدة يوم إلى ثلاثة أيام متتالية، ثم تختفي لبضعة أيام قبل أن تعود للظهور. لا تحدث الموجات E خلال ساعات الفجر الأولى؛ تبدأ هذه الظاهرة عادةً عند الفجر، وتكون ذروتها في فترة ما بعد الظهر، وذروة أخرى في المساء. [ 16 ] عادةً ما يختفي انتشار الموجات E بحلول منتصف الليل بالتوقيت المحلي.   

تشير مراقبة إشارات انتشار الموجات الراديوية العاملة على ترددات 28.2  ميجاهرتز و50  ميجاهرتز و70  ميجاهرتز إلى أن أعلى تردد مُلاحَظ (MOF) لإشارة Es يقع عادةً حول 30  ميجاهرتز خلال فصل الصيف، ولكنه قد يرتفع أحيانًا إلى 100  ميجاهرتز أو أكثر في غضون عشر دقائق، ثم ينخفض ​​تدريجيًا خلال الساعات القليلة التالية. وتتضمن ذروة التردد تذبذبًا دوريًا يتراوح بين 5 و10 دقائق تقريبًا. ويبلغ مدى انتشار إشارة Es أحادية القفزة عادةً من 1000 إلى 2000 كيلومتر (من 620 إلى 1240 ميلًا) ، ولكن مع القفزات المتعددة، يُلاحَظ ضعف هذا المدى. وتتميز الإشارات بقوتها الشديدة، ولكنها تتلاشى ببطء وعمق.  

تشتت الطائرات

تُلاحَظ ظاهرة تشتت الموجات (أو انعكاسها في أغلب الأحيان) في نطاق الترددات العالية جدًا (VHF) عبر الموجات الميكروية، وإلى جانب التشتت العكسي، تُنتج هذه الظاهرة انتشارًا لحظيًا يصل إلى 500 كيلومتر (310 أميال) حتى في المناطق الجبلية. ومن أبرز تطبيقات التشتت العكسي رادار مراقبة الحركة الجوية، ورادار الصواريخ الموجهة ثنائي الاستقرار ذي التشتت الأمامي، ورادار كشف الطائرات، ورادار الفضاء الأمريكي.  

التواصل بين الأرض والقمر والأرض

الاتصال بين الأرض والقمر والأرض (EME)، والمعروف أيضًا باسم ارتداد القمر، هو تقنية اتصالات لاسلكية تعتمد على انتشار الموجات الراديوية من جهاز إرسال أرضي موجه عبر الانعكاس من سطح القمر إلى جهاز استقبال أرضي .

مفهوم الاتصالات بين الأرض والقمر والأرض

تأثيرات أخرى

حيود

يُعدّ حيود الحافة الحادة نمط انتشارٍ تنحني فيه الموجات الراديوية حول الحواف الحادة. على سبيل المثال، يُستخدم هذا النمط لإرسال الإشارات الراديوية عبر سلسلة جبال عندما لا يتوفر مسار رؤية مباشر . مع ذلك، لا يمكن أن تكون الزاوية حادة جدًا وإلا لن تنحرف الإشارة. يتطلب نمط الحيود قوة إشارة أعلى، لذا يلزم طاقة أكبر أو هوائيات أفضل مقارنةً بمسار الرؤية المباشر المكافئ.

يعتمد الانعراج على العلاقة بين الطول الموجي وحجم العائق. بعبارة أخرى، يعتمد على حجم العائق بوحدات الطول الموجي. تنحرف الترددات المنخفضة بسهولة أكبر حول العوائق الكبيرة الملساء كالتلال. على سبيل المثال، في كثير من الحالات التي يتعذر فيها الاتصال بترددات VHF (أو أعلى) بسبب حجب التلال، يظل من الممكن الاتصال باستخدام الجزء العلوي من نطاق HF حيث تكون الموجة السطحية قليلة الفائدة.

تُعدّ ظواهر الانعراج الناتجة عن العوائق الصغيرة مهمة أيضاً عند الترددات العالية. تميل إشارات الاتصالات الخلوية في المناطق الحضرية إلى التأثر بشكل كبير بتأثيرات سطح الأرض أثناء انتقالها فوق أسطح المباني. ثم تنعراج هذه الإشارات فوق حواف الأسطح إلى الشارع، حيث تسود ظواهر الانتشار متعدد المسارات والامتصاص والانعراج.

امتصاص

تنتقل موجات الراديو منخفضة التردد بسهولة عبر الطوب والحجر، بل وتخترق موجات التردد المنخفض جدًا مياه البحر. ومع ارتفاع التردد، تزداد أهمية تأثيرات الامتصاص. عند ترددات الميكروويف أو أعلى، يُعدّ الامتصاص الناتج عن الرنين الجزيئي في الغلاف الجوي (وخاصةً من الماء، H₂O، والأكسجين ، O₂ ) عاملًا رئيسيًا في انتشار موجات الراديو. على سبيل المثال، في  نطاق 58-60 جيجاهرتز، توجد ذروة امتصاص كبيرة تجعل هذا النطاق غير مناسب للاستخدامات بعيدة المدى. وقد اكتُشفت هذه الظاهرة لأول مرة خلال أبحاث الرادار في الحرب العالمية الثانية . فوق تردد 400  جيجاهرتز تقريبًا، يحجب الغلاف الجوي للأرض معظم الطيف، بينما يسمح بمرور جزء منه - حتى الأشعة فوق البنفسجية التي يحجبها الأوزون - لكن الضوء المرئي وبعض الأشعة تحت الحمراء القريبة تُنقل. كما يؤثر هطول الأمطار الغزيرة والثلوج المتساقطة على امتصاص موجات الميكروويف.

التأثير على تحديد الموقع

في معظم أنظمة تحديد المواقع الحديثة ، يُفترض أن الإشارات المستقبلة تنتشر عبر مسار خط البصر (LOS) . مع ذلك، قد يؤدي انتهاك هذا الافتراض إلى بيانات تحديد مواقع غير دقيقة. [ 17 ] أما في أنظمة تحديد المواقع القائمة على زمن الوصول ، فلا يمكن للإشارة المرسلة الوصول إلى جهاز الاستقبال إلا عبر مسارات غير خط البصر (NLOS). يُعرَّف خطأ NLOS بأنه المسافة الإضافية التي تقطعها الإشارة المستقبلة مقارنةً بمسار خط البصر. ويكون خطأ NLOS دائمًا موجبًا، وتعتمد قيمته على بيئة الانتشار.

مراجع

  1. ↑ بوزار، ديفيد م. (2005)؛ هندسة الموجات الدقيقة، الطبعة الثالثة (الطبعة الدولية)؛ جون وايلي وأولاده، الصفحات 5-9. ISBN 0-471-44878-8.
  2. ↑ رامو، وينري، وفان دوزر؛ "المجالات والموجات في إلكترونيات الاتصالات"؛ جون وايلي وأولاده، الصفحات 322-324. ISBN 0-471-58551-3
  3. ↑ مورتون، أ.هـ؛ "الهندسة الكهربائية المتقدمة"؛ دار نشر بيتمان المحدودة؛ الصفحات 387-389. رقم ISBN 0-273-40172-6.
  4. ↑ إيه جيه بادن فولر؛ "أجهزة الميكروويف، الطبعة الثانية"؛ دار بيرغامون للنشر؛ ص 47. ISBN 0-08-024228-6.
  5. ^ رامو، وينيري وفان دوزر (المرجع السابق)؛ ص 717-719.
  6. ^ ايه جيه بادن فولر (المرجع السابق)؛ ص152
  7. ↑ إيه جيه بادن فولر (مرجع سابق)؛ الصفحات 45-47
  8. ↑ "انتشار الموجات في طبقة التروبوسفير" . Electronics-notes.com . 2016. تم الاطلاع عليه في 3 مارس 2017 .
  9. ↑ سيبولد، جون س. (2005). مقدمة في انتشار الترددات الراديوية . جون وايلي وأولاده. الصفحات 3-10 . ISBN  0471743682.
  10. ↑ كليجر، فرانك (2004). نمذجة وترشيح طبقة التروبوسفير لتسوية دقيقة باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (ملف PDF) . قسم الجيوديسيا الرياضية وتحديد المواقع (أطروحة دكتوراه). دلفت، هولندا: جامعة دلفت للتكنولوجيا. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 7 سبتمبر 2008.
  11. ↑ تينانت، آر إم (محرر)؛ "كتاب بيانات العلوم"؛ الجامعة المفتوحة؛ ص 66
  12. ↑ هاتشينسون، تشاك K8CH؛ "دليل الرابطة الأمريكية لهواة الراديو 2001، الطبعة 78"؛ الرابطة الأمريكية لهواة الراديو، رقم ISBN 0-87259-186-7
  13. ↑ كينيدي، جورج (1993). أنظمة الاتصالات الإلكترونية . ماكميلان/ماكجرو هيل. ISBN 0-07-112672-4.
  14. ↑ هول، جي دبليو (مارس 1967). "الخصائص غير التبادلية لمسار أيوني عالي التردد بطول 1500 كم". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 55 (3): 426-427 . Bibcode : 1967IEEEP..55..426J . doi : 10.1109/ PROC.1967.5516 جول ، جي دبليو؛ بيترسن، جي دبليو إي (1964). "أصل عدم التبادلية على مسارات الأيونوسفير عالية التردد". مجلة نيتشر . 201 (4918): 483-484 . رمز Bibcode : 1964Natur.201..483J . doi : 10.1038/201483a0 . S2CID 4181453 وتم الاستشهاد بالمراجع.
  15. ↑ ديفيز، كينيث (1990). راديو الغلاف الأيوني . سلسلة الموجات الكهرومغناطيسية الصادرة عن معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. المجلد 31. لندن، المملكة المتحدة: بيتر بيرغرينوس المحدودة / معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 184-186 . ISBN   0-86341-186-X.
  16. ↑ جاكوبس، جورج وكوهين، ثيودور ج. (1982). دليل انتشار الموجات القصيرة . هيكسفيل، نيويورك: دار نشر سي كيو. الصفحات 130-135 . ISBN  978-0-943016-00-9.
  17. ↑ وانغ وي؛ شيونغ جين يو؛ تشو تشونغ ليانغ (2005). "خوارزمية جديدة لتخفيف تأثير عدم وجود خط رؤية مباشر في تقدير الموقع". مجلة IEEE للمعاملات في تكنولوجيا المركبات . 54 (6). جمعية IEEE لتكنولوجيا المركبات: 2048-2053 . doi : 10.1109/TVT.2005.858177 . ISSN 0018-9545 . 

للمزيد من القراءة

  • بولينجتون، ك.؛ "أساسيات انتشار الراديو"؛ مجلة بيل سيستم التقنية المجلد 36 (مايو 1957)؛ الصفحات 593-625.
  • "معايير وأساليب التخطيط التقني للبث الأرضي" (أبريل 2004)؛ هيئة البث الأسترالية. ISBN 0-642-27063-5
  • بحثٌ بعنوان "تحديد الموقع في البيئات الداخلية دون خط رؤية مباشر" أجراه مركز أبحاث المواد في جامعة نيو ساوث ويلز