فقدان المسار

يُعرف فقدان الإشارة ، أو توهين الإشارة ، بأنه انخفاض كثافة الطاقة ( التوهين ) للموجة الكهرومغناطيسية أثناء انتشارها في الفضاء. ^{[ 1 ]} يُعد فقدان الإشارة عنصرًا أساسيًا في تحليل وتصميم ميزانية الربط لنظام الاتصالات.

يُستخدم هذا المصطلح بشكل شائع في الاتصالات اللاسلكية وانتشار الإشارات . قد ينجم فقدان الإشارة عن عدة عوامل، مثل فقدانها في الفضاء الحر ، والانكسار ، والحيود ، والانعكاس ، وفقدان الاقتران بين الفتحة والوسط ، والامتصاص . كما يتأثر فقدان الإشارة بتضاريس الأرض، والبيئة (حضرية أو ريفية، والغطاء النباتي)، ووسط الانتشار (هواء جاف أو رطب)، والمسافة بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، وارتفاع الهوائيات وموقعها.

في الاتصالات اللاسلكية، يُعرف فقدان الإشارة بأنه انخفاض قوة الإشارة أثناء انتقالها من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال، ويُستخدم للتحقق من هذا الفقد. وهناك عدة عوامل تؤثر على ذلك:

• فقدان الإشارة في الفضاء الحر: هو الفقد الأساسي الذي يحدث نتيجة انتشار الموجة الراديوية أثناء انتقالها عبر الفضاء. ^{[ 2 ]} ويخضع هذا الفقد لقانون التربيع العكسي، أي أن قوة الإشارة تتناقص تناسبياً مع مربع المسافة بين المرسل والمستقبل.
• الانعراج: عندما تصطدم موجة الراديو بعائق، فإنها قد تنحرف أو تنحني حول حافة العائق. وهذا قد يتسبب في فقدان إضافي للإشارة، خاصة في البيئات الحضرية التي تضم العديد من المباني. ^{[ 3 ]}
• الامتصاص: يمكن لبعض الغازات الجوية والعوائق مثل المباني والنباتات امتصاص الموجات الراديوية، مما يقلل من قوتها. ^{[ 4 ]}
• الانعكاس والتشتت: يمكن أن تنعكس الموجات الراديوية عن الأسطح كالمباني والأرض، وتتشتت بفعل أجسام كالأشجار وأعمدة الإنارة. وهذا قد يؤدي إلى انتشار متعدد المسارات، حيث يستقبل جهاز الاستقبال نسخًا متعددة من الإشارة قد تتداخل مع بعضها البعض. ^{[ 5 ]}

لفهم فقدان الإشارة وتقليله إلى أدنى حد، هناك أربعة عوامل رئيسية يجب مراعاتها عند تصميم نظام اتصالات لاسلكية:

1) تحديد طاقة جهاز الإرسال المطلوبة: يجب أن يمتلك جهاز الإرسال طاقة كافية للتغلب على فقدان المسار حتى تصل الإشارة إلى جهاز الاستقبال بقوة كافية.

2) تحديد تصميم الهوائي المناسب والكسب: يمكن للهوائيات ذات الكسب الأعلى تركيز الموجات في اتجاه معين، مما يقلل من فقدان المسار.

3) تحسين نظام التضمين: يمكن أن يؤثر اختيار نظام التضمين على متانة الإشارة في مواجهة فقدان المسار.

4) اضبط حساسية جهاز الاستقبال بشكل مناسب: يجب أن يكون جهاز الاستقبال حساسًا بما يكفي لاكتشاف الإشارات الضعيفة.

تشمل خسائر المسار عادةً خسائر الانتشار الناتجة عن التوسع الطبيعي لجبهة الموجة الراديوية في الفضاء الحر (والتي عادة ما تتخذ شكل كرة متزايدة باستمرار)، وخسائر الامتصاص (التي تسمى أحيانًا خسائر الاختراق)، عندما تمر الإشارة عبر وسائط غير شفافة للموجات الكهرومغناطيسية ، وخسائر الانعراج عندما يتم حجب جزء من جبهة الموجة الراديوية بواسطة عائق معتم، والخسائر الناتجة عن ظواهر أخرى.

قد تنتقل الإشارة المُشعّة من جهاز الإرسال عبر مسارات متعددة ومختلفة إلى جهاز الاستقبال في آنٍ واحد؛ تُعرف هذه الظاهرة باسم تعدد المسارات . تتحد موجات تعدد المسارات عند هوائي جهاز الاستقبال، مما ينتج عنه إشارة مُستقبلة قد تختلف اختلافًا كبيرًا، اعتمادًا على توزيع شدة الموجات وزمن انتشارها النسبي وعرض نطاق الإشارة المُرسلة. تتغير القدرة الكلية للموجات المتداخلة في حالة تلاشي رايلي بسرعة كدالة للمكان (وهو ما يُعرف باسم التلاشي على نطاق صغير ). يشير التلاشي على نطاق صغير إلى التغيرات السريعة في سعة إشارة الراديو خلال فترة زمنية قصيرة أو مسافة انتقال قصيرة.

في دراسة الاتصالات اللاسلكية، يُمكن تمثيل فقدان الإشارة بمعامل فقدان الإشارة، الذي تتراوح قيمته عادةً بين 2 و4 (حيث 2 للانتشار في الفضاء الحر ، و4 للبيئات ذات الفقد العالي نسبيًا، ولحالة الانعكاس المرآوي الكامل من سطح الأرض - ما يُعرف بنموذج الأرض المسطحة). في بعض البيئات، كالمباني والملاعب وغيرها من الأماكن المغلقة، قد يصل معامل فقدان الإشارة إلى قيم تتراوح بين 4 و6. من جهة أخرى، قد يعمل النفق كدليل موجي ، مما ينتج عنه معامل فقدان إشارة أقل من 2.

يُعبّر عن فقدان الإشارة عادةً بوحدة ديسيبل (dB) . في أبسط صوره، يمكن حساب فقدان الإشارة باستخدام الصيغة التالية:

${\displaystyle L=10n\log _{10}(d)+C}$

أين${\displaystyle L}$يمثل فقدان الإشارة بالديسيبل.${\displaystyle n}$هو معامل فقدان المسار،${\displaystyle d}$هي المسافة بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، وتقاس عادةً بالأمتار، و${\displaystyle C}$وهو ثابت يأخذ في الاعتبار خسائر النظام.

يستخدم مهندسو الراديو والهوائيات الصيغة المبسطة التالية (المشتقة من صيغة فريس للإرسال ) لحساب فقدان مسار الإشارة بين نقاط تغذية هوائيين متساويي الخواص في الفضاء الحر:

فقدان الإشارة بالديسيبل :

${\displaystyle L=20\log _{10}\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)}$

أين${\displaystyle L}$يمثل فقدان الإشارة بالديسيبل.${\displaystyle \lambda }$هو الطول الموجي و${\displaystyle d}$المسافة بين المرسل والمستقبل هي نفس وحدات الطول الموجي. لاحظ أن كثافة الطاقة في الفضاء لا تعتمد على${\displaystyle \lambda }$المتغير${\displaystyle \lambda }$يوجد في الصيغة لحساب مساحة الالتقاط الفعالة لهوائي الاستقبال المتساوي الخواص. ^{[ 6 ]}

يُطلق على حساب فقد الإشارة عادةً اسم التنبؤ . ولا يُمكن التنبؤ بدقة إلا في الحالات الأبسط، مثل انتشار الإشارة في الفضاء الحر المذكور آنفًا أو نموذج الأرض المسطحة . أما في الحالات العملية، فيُحسب فقد الإشارة باستخدام مجموعة متنوعة من التقريبات.

تعتمد الأساليب الإحصائية (وتُسمى أيضًا الأساليب العشوائية أو التجريبية ) على قياس متوسط ​​الخسائر على طول فئات نموذجية من وصلات الراديو. ومن بين أكثر هذه الأساليب شيوعًا: نموذج أوكومورا-هاتا ، ونموذج هاتا التابع لمشروع COST ، ونموذج WCY-Lee ، وغيرها. تُعرف هذه الأساليب أيضًا بنماذج انتشار الموجات الراديوية ، وتُستخدم عادةً في تصميم شبكات الهاتف المحمول وشبكات الهاتف المحمول الأرضية العامة (PLMN). بالنسبة للاتصالات اللاسلكية في نطاقي التردد العالي جدًا (VHF) والتردد العالي للغاية (UHF) (النطاقات المستخدمة في أجهزة الاتصال اللاسلكي، والشرطة، وسيارات الأجرة، والهواتف المحمولة)، يُعد نموذج أوكومورا-هاتا، الذي تم تطويره بواسطة مشروع COST 231 ، من أكثر الأساليب شيوعًا . ومن النماذج الأخرى المعروفة: نموذج والفيش-إيكيجامي، ونموذج WCY-Lee ، ونموذج إرسيج . أما بالنسبة لبث الراديو والتلفزيون بتقنية FM، فيتم التنبؤ بفقدان الإشارة عادةً باستخدام نموذج الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) كما هو موضح في التوصية P.1546 (التي خلفت التوصية P.370 ).

تُستخدم أيضًا الطرق الحتمية القائمة على القوانين الفيزيائية لانتشار الموجات، ومنها تتبع الأشعة . يُتوقع أن تُنتج هذه الطرق تنبؤات أكثر دقة وموثوقية لفقدان الإشارة مقارنةً بالطرق التجريبية؛ إلا أنها تتطلب جهدًا حسابيًا أكبر بكثير، وتعتمد على وصف دقيق ومفصل لجميع العناصر في فضاء الانتشار، كالمباني والأسقف والنوافذ والأبواب والجدران. لهذه الأسباب، تُستخدم هذه الطرق بشكل أساسي لمسارات الانتشار القصيرة. ومن بين أكثر الطرق شيوعًا في تصميم المعدات اللاسلكية، كالهوائيات والمغذيات، طريقة الفروق المحدودة في المجال الزمني .

يتم التنبؤ بفقد الإشارة في نطاقات التردد الأخرى ( الموجة المتوسطة ، والموجة القصيرة أو العالية، والميكروويف ) باستخدام أساليب مماثلة، على الرغم من أن الخوارزميات والصيغ المستخدمة قد تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة في نطاقي VHF/UHF. ويُعدّ التنبؤ الدقيق بفقد الإشارة في نطاقي SW/HF صعبًا للغاية، وتُضاهي دقته دقة التنبؤات الجوية.

تقريبات سهلة لحساب فقدان المسار على مسافات أقصر بكثير من المسافة إلى الأفق الراديوي :

• في الفضاء الحر، يزداد فقد الإشارة بمقدار 20  ديسيبل لكل عقد (العقد هو عندما تزداد المسافة بين المرسل والمستقبل عشرة أضعاف) أو 6  ديسيبل لكل أوكتاف (الأوكتاف هو عندما تتضاعف المسافة بين المرسل والمستقبل). ويمكن استخدام هذا كتقريب أولي تقريبي للغاية لوصلات الاتصالات (الميكروويف).
• بالنسبة للإشارات في نطاق الترددات العالية جدًا/العالي جدًا المنتشرة فوق سطح الأرض، يزداد فقد الإشارة بمقدار 35-40  ديسيبل تقريبًا لكل عقد (10-12  ديسيبل لكل أوكتاف). ويمكن استخدام هذه القيمة كتقدير أولي في شبكات الهاتف المحمول.

في شبكات الهاتف المحمول، مثل UMTS و GSM ، التي تعمل في نطاق UHF، قد تصل قيمة فقد الإشارة في المناطق المبنية إلى 110-140  ديسيبل لأول كيلومتر من الوصلة بين محطة الإرسال والاستقبال الأساسية (BTS) والهاتف المحمول . وقد تصل قيمة فقد الإشارة لأول عشرة كيلومترات إلى 150-190  ديسيبل. ( ملاحظة : هذه القيم تقريبية للغاية، وهي مُقدمة هنا فقط لتوضيح النطاق الذي يمكن أن تتراوح فيه قيم فقد الإشارة ، وليست أرقامًا نهائية أو مُلزمة، فقد يختلف فقد الإشارة اختلافًا كبيرًا لنفس المسافة على مسارين مختلفين، بل وقد يختلف حتى على نفس المسار إذا تم قياسه في أوقات مختلفة).

في بيئة الموجات الراديوية لخدمات الهاتف المحمول، يكون هوائي الهاتف المحمول قريبًا من الأرض. وتخضع نماذج انتشار خط البصر (LOS) لتعديلات كبيرة. ينكسر مسار الإشارة من هوائي محطة الإرسال والاستقبال الأساسية (BTS)، الذي يرتفع عادةً فوق أسطح المنازل، إلى أسفل باتجاه البيئة المحيطة (التلال، الأشجار، المنازل)، ونادرًا ما تصل إشارة خط البصر إلى الهوائي. تُنتج هذه البيئة عدة انحرافات للإشارة المباشرة على الهوائي، حيث يتم عادةً جمع ما بين 2 إلى 5 مكونات إشارة منحرفة بشكل متجهي.

تتسبب عمليات الانكسار والانحراف هذه في فقدان قوة الإشارة، والتي تتغير عند تحرك الهوائي المتنقل (تلاشي رايلي)، مما يؤدي إلى تغيرات فورية تصل إلى 20  ديسيبل. ولذلك، صُممت الشبكة لتوفير قوة إشارة إضافية مقارنةً بخط البصر تتراوح بين 8 و25  ديسيبل، وذلك حسب طبيعة البيئة المحيطة، بالإضافة إلى 10  ديسيبل أخرى للتغلب على التلاشي الناتج عن الحركة.

• الكتلة الهوائية (علم الفلك)
• نموذج انتشار الموجات الراديوية
• نموذج فقدان المسار باستخدام المسافة اللوغاريتمية
• نموذج انعكاس الأرض ثنائي الأشعة
• حساب توهين الموجات الراديوية في الغلاف الجوي

•  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 ).

• "طرق التنبؤ بفقدان المسار" .