Jak zapewnić bezprzewodowy zasięg wewnątrz budynków?

Optymalne wykorzystanie systemów bezprzewodowych wewnątrz budynków jest jednym z największych wyzwań projektowych. Przyczyną problemów są skomplikowane zjawiska fizyczne towarzyszące propagacji fali radiowej w zamkniętych obiektach. Przy projektowaniu systemów do dyspozycji są liczne narzędzia.

Model radiowej propagacji

Najprostszym modelem propagacji fal radiowych jest przypadek otwartej przestrzeni. Fale są emitowane z punktu źródłowego i rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach po liniach prostych.

W rzeczywistym świecie propagacja radiowa odbiega od tego prostego modelu. Sam wybór anteny będzie określał, jak będzie propagacja. Niezwykle ważne jest, aby ścieżka między dwiema antenami była wolna od przeszkód. Jeżeli sygnał natrafi na przeszkody, następuje jego degradacja.

Typowymi przeszkodami zewnętrznymi dla sygnału radiowego są drzewa, budynki, wieże. Idealnym środowiskiem jest pełna linia widoczności radiowej, którą możemy określić za pomocą strefy Fresnela. Jeżeli na linii widoczności sygnał natrafi na przeszkodę, mogą wystąpić trzy zjawiska, związane z procesem propagacji: odbicia, dyfrakcje lub rozpraszanie. Każde z nich powoduje zniekształcenia, co wpływa na dodatkowe straty sygnału radiowego.

W przypadku propagacji wewnątrz budynków, sytuacja jest znacznie trudniejsza niż w otwartej przestrzeni. Bardzo trudno projektować budynki przyjazne dla fal radiowych (optymalnym materiałem jest drewno), wolne od zjawisk wielościeżkowości, odbić, dyfrakcji na krawędziach ścian lub rozpraszania na ścianach, podłogach, wnękach. Propagacja fal wewnątrz budynków, ze ścianami zawierającymi dużo metalu, jest już praktycznie nie do zaakceptowania.

Odbicia występują, gdy propagowana fala radiowa spotyka na drodze obiekt, który ma bardzo duży rozmiar w porównaniu z długością propagowanej fali. Odbicia tworzą się na powierzchni ziemi, sufitów, podłogi oraz ścian i murów. Dyfrakcja występuje, gdy ścieżka radiowa między nadajnikiem a odbiornikiem jest "niszczona" przez powierzchnie o nieregularnych krawędziach. Przy wysokich częstotliwościach dyfrakcje, takie jak odbicia, będą zależały od geometrii obiektu oraz amplitudy, fazy i polaryzacji fali w miejscu dyfrakcji. Rozpraszanie powstaje przez ostre krawędzie, małe obiekty oraz inne nieregularności w kanale. W systemach mobilnej komunikacji rozpraszanie powodują uliczne znaki czy lampy.

Wewnątrz budynków omawiane zjawiska wprowadzają dodatkowe ścieżki propagacji między nadajnikiem a odbiornikiem (zjawisko wielościeżkowości) na bezpośredniej linii widoczności. Gdy istnieje wiele ścieżek propagacji sygnałów, powodowanych przez rozmaite zjawiska, aktualnie odbierany poziom sygnału jest wektorem sumy wszystkich sygnałów pochodzących z dowolnego kierunku. Niektóre sygnały będą wspomagały ścieżkę bezpośrednią, podczas gdy inne będą znosiły ścieżki z różnych kierunków.

Występują dwa rodzaje wielościeżkowości: lustrzana - pochodząca od dyskretnych, koherentnych odbić od gładkich powierzchni metalowych, oraz rozproszona - pochodząca od rozproszonych źródeł czy zjawiska dyfrakcji. Obie utrudniają komunikację radiową. Rozproszona wprowadza pewien rodzaj interferencji, natomiast lustrzana może powodować powstawanie martwych pól w zasięgu. Ten problem jest szczególnie trudny do wyeliminowania w tunelach, na trasach metra oraz małych pokojach. Prawidłowe funkcjonowanie komunikacji radiowej wymaga zminimalizowania lub wyeliminowania wielościeżkowości.