3.2 Моделі електромагнитних каналів витоку інформації

3.2.1 Загальна характеристика бездротових мереж

Бездротовий радіоканал - це складне середовище, що забезпечує надійний зв'язок з високою швидкістю передачі. Він не тільки піддається впливу шумів, перешкод, затінень, багатопроменевого поширення, але й вносить додаткові проблеми через те, що ці негативні впливи при переміщенні користувача змінюються в часі непередбаченим чином. Моделювання зміни потужності прийнятого сигналу, що зумовлено процесами поширення сигналів й їхнім затіненням, потрібно як при аналізі, так і синтезі СРР.

Помітні зміни сигналу відбуваються при переміщенні від джерела на відстань 100... 1000 м, а затінення проявляються на відстанях, що дорівнюють розмірами об'єкта та створює перешкоду для розповсюдження хвилі (10..100 м на вулиці й ще менше усередині будинків). Зміни характеристик бездротового каналу в результаті багатопроменевого поширення сигналів проявляються на невеликих відстанях, порівнянних з довжиною хвилі.

Надалі основну увагу буде приділено поширенню радіохвиль у діапазонах від 0,3...3 до 3...30 Ггц.

При побудові моделей поширення радіохвиль у наземних бездротових системах варто враховувати відбиття й розсіювання від природних і антропогенних об'єктів.

Для побудови точних моделей при невеликому числі багатопроменевих складових використаються рівняння Максвелла. Моделі конкретної траси поширення радіохвиль у значній мірі залежать від геометричних і діелектричних властивостей області, через яку поширюється сигнал. Коли є велика кількість складових багатопроменевого сигналу або геометрія й діелектричні властивості середовища поширення невідомі, звичайно використають статистичні моделі.

Розглянемо особливості побудови моделей поширення хвиль у СРР. Електромагнітні хвилі поширюється у середовищі, де вони відбиваються, розсіюються й переломлюються земною поверхнею, будинками, рослинами й іншими об'єктами. Повні характеристики поширення радіохвиль можна одержати, вирішуючи рівняння Максвелла за певних умов, які відображають фізичні характеристики перешкод, що створюють об'єкти. Для цього потрібне обчислення ефективної площі об'єктів, що відбивають, з великою й складною структурою. Оскільки ці обчислення важко здійснити, а в багатьох випадках відсутні необхідні для цього параметри, для одержання характеристик поширення сигналів часто використаються методи апроксимації, які не потребують рішення рівнянь Максвелла.

Найбільш прості апроксимації припускають визначення траєкторії поширення радіохвиль. Цей метод описує поширення електромагнітних хвиль шляхом подання хвильового фронту у вигляді елементарних часток, при цьому модель дозволяє визначити вплив відбиття і переломлення на хвильовий фронт, але не враховує більше складне явище розсіювання, що враховується у диференціальних рівняннях Максвелла. Найпростішою моделлю визначення траєкторії поширення радіохвиль є двопараметрична модель, що точно описує поширення сигналу, коли є один прямий шлях між передавачем і приймачем й один відбитий. На рівнинній місцевості відбита хвиля звичайно виникає при відбитті радіосигналу від землі. Двопараметрична модель служить гарною апроксимацією для відображення поширення радіохвиль уздовж магістральних доріг, у сільській місцевості й над водою.

Часто складність і розмаїтість умов функціонування радіоканалів ускладнює побудова їх точної детермінованої моделі. У цих випадках широко використають статистичні моделі. Прикладом статистичних моделей можуть бути релеєвські й логнормальні завмирання, які дозволяють прогнозувати загасання, що виникають у наслідок переміщенням і різних перешкодами. Коли на характеристики каналу значно впливають геометричні й діелектричні властивості середовища поширення радіохвиль, статистичні моделі найчастіше виявляються занадто грубими й не дозволяють одержати корисну інформацію. Це характерно для простору усередині приміщень, де характеристики поширення різко змінюються залежно від типу об'єкта (фабрика, офіс, цех з металообробними верстатами і т.д.). Для таких середовищ при прогнозуванні характеристик поширення радіосигналів застосовують комп'ютерне моделювання

Припустимо, що переданий сигнал має вигляд

(3.32)

де u(t) — немодульований сигнал зі смугою В и потужністю передача — частота несучої; — довільна початкова фаза. Звичайно при проведенні аналізу виключається остання частина рівняння, що визначає фазу прийнятого сигналу, оскільки вона є постійним множником для всіх складових прийнятого сигналу, включаючи промінь, що поширюється по лінії прямої видимості через вільний простір, і всіх відбитих і переломлених багатопроменевих складових. Крім випадкової фази прийнятий сигнал буде мати доплеровське зсув частоти в кожній зі складових прийнятого сигналу, рівний де — кут приходу складового сигналу, — швидкість руху приймача, — довжина хвилі радіосигналу. У першому випадку будемо нехтувати доплеровським зсувом, тому що для звичайних швидкостей руху в місті транспортних засобів (80 км/г) і частот (у межах 1 ГГц) він становить менш 70 Гц. Також передбачається, що немодульований сигнал є реальною величиною, оскільки це не вплине на модель втрат на трасі й дозволяє полегшити рівняння.