RF signalbeteende

Bild 1: Jordbävning i Japan, år 2011

Elektromagnetiska vågor kan röra sig genom olika medium inklusive i ett perfekt vakuum. Sättet på vilket RF-vågorna bredder ut sig är känd som “vågfortplantning” eller vågutbredning och på engelska “propagation”. När vi använder termen propagation menar vi trådlösa signalers resa längre bort från antennen och på väg till mottagaren.

En utmärkt analogi visas i Bild 1 när Japan drabbades av en jordbävning år 2011. Observera de koncentriska seismiska ringarna som sprider sig borta från jordbävningens epicentrum. Nära epicentrum är vågorna starka och koncentrerade, men när vågorna flyttar sig bort från epicentrum breddar de sig och vågorna försvagas. Radiovågor beter sig på samma sätt.

När en RF-signal strålar ut bort från en antenn och utbreder sig genom luften och andra medier uppträder RF-signaler på olika sätt. När signalvågor utbreder sig stötar de på olika objekt som resulterar i nya vågor. Denna och andra beteende får specifika namn som absorption, reflektion, spridning (scattering), refraktion, diffraktion, fri area förlust, flervägs (multipath), dämpning och förstärkning.

Absorption

Det vanligaste RF-signalers beteende är absorption. Absorption inträffar när en signal går genom ett objekt eller rör sig den runt objektet och i denna händelse omvandlas en del av signalens energi till andra former. Med enkla ord varje gång en RF-signal möter ett objekt sker en händelse som minskar RF-signalens styrka eftersom en del absorberas och konverteras till någon annan form av energi.

Bild 2: 2,4 GHz signal passerar en tegelmur

De flesta material kommer att absorbera en viss mängd energi av en RF-signal i varierande grad. Tegel- och betongväggar kommer att absorbera signaler signifikant medan gipsmur i mindre utsträckning.

Bild 2 illustrerar en 2,4 GHz-signal som blir 1/16 eller 6,5 % av den ursprungliga effekten efter att ha passerat genom en tegelvägg.  Det betyder att 93,5 % av signalens styrka har absorberats!

Samma signal kommer att förlora 8/16 eller hälften av den ursprungliga effekten efter att ha passerat genom gipsmuren.

Absorption är en ledande orsak till dämpning (förlust). Dämpningen kan uppfattas som förlust när RF-signalers amplitud blir mindre på grund av absorptionen. Även föremål med vatteninnehåll som papper, kartong och inklusive vi människor kan absorbera signaler.

Reflektion

När en våg träffar ett jämnt objekt, till exempel en spegel, som är större än själva vågen kan vågen studsa i en annan riktning. Detta beteende är kategoriserat som reflektion.

Bild 3: Laserstråle riktad på en spegel

Bild 3 visar en analogi med en laserstråle riktad på en spegel. Beroende på spegelns vinkel stöter laserstrålen bort eller reflekteras laserstrålen i en annan riktning. Radiovågor kan reflekteras på samma sätt, beroende på de föremål eller material de stöter på.

Det finns två huvudtyper av reflektioner: rymdvågs reflektion och mikrovågsreflektion.

  • Rymdvågs reflektion kan ske i frekvenser under 1 GHz, där signalen har en mycket stor våglängd. Signalen studsar bort ytan av de laddade partiklarna i jonosfären i jordens atmosfär.
  • Mikrovågssignaler finns emellertid mellan 1 GHz och 300 GHz. Eftersom de är högre frekvenssignaler, har de mycket mindre våglängder. Mikrovågor används i trådlösa nätverk och eftersom de kan studsa på mindre föremål tenderar de att bli svaga på väg till mottagare i Wi-Fi-miljöer.

I en utomhusmiljö kan mikrovågor reflektera på stora föremål och släta ytor som byggnader, vägar, vatten och till och med jordens yta. I en inomhusmiljö reflekterar mikrovågor av platta ytor som dörrar, väggar och frysskåp. Allt som tillverkas av metall kommer absolut att orsaka reflektion. Andra material som glas och betong kan också orsaka reflektion.

Spridning eller scattering

Bild 4: Blå ljuset sprids mest

Solens ljus är egentligen en blandning av alla färger. Av de synliga färgerna har de blå nyanserna kortast våglängd, omkring 400 nanometer, medan de röda har längst våglängd, cirka 700 nanometer.

På sin väg från solen till jordytan passerar ljuset de partiklar som finns i atmosfären – syre- och kvävemolekyler, vattenånga med mera. Då kan solljuset absorberas av gaserna i atmosfären och utstrålas i alla riktningar. Mest sprids det blå ljuset, eftersom det har kortast våglängd, och därför blir himlen blå. Ljus med längre våglängder sprids mindre och fortsätter rakt fram.

Detta är ett exempel på ett RF-signals utbredningsbeteende som kallas scattering, ibland endast scatter. Spridningen kan lättast beskrivas som multipla reflektioner. Dessa multipla reflektioner uppträder när den elektromagnetiska signalens våglängd är större än delar av vilket medium som helst som signalen reflekterar från eller passerar genom.

Bild 5: Scattering

Spridning kan ske på två sätt.

  • Den första typen av spridning kan yttra sig när RF-signalen rör sig genom en substans och de elektromagnetiska vågorna reflekteras av miniatyr partiklarna i mediet. Smog i vår atmosfär och sandstormar i öknen kan orsaka denna typ av spridning.
  • Den andra typen av spridning sker när en RF-signal stöter på någon typ av ojämn yta och reflekteras i flera riktningar. När den ojämna ytan träffas av signalen släpper huvudsignalen in i multipla reflekterade signaler, vilket kan orsaka väsentlig signal nedgradering och kan till och med orsaka förlust av mottagen signal.

Refraktion

Förutom att RF-signaler absorberas eller studsas (via reflektion eller spridning) kan RF-signaler faktiskt böjas i ett beteende som kallas refraktion.

Bild 6: Refraktion

En enkel definition av refraktion är böjningen av en RF-signal, eftersom den passerar genom ett medium med en annan densitet, vilket medför att vågens riktning förändras.

De tre vanligaste orsakerna till refraktion är vattenånga, förändringar i lufttemperaturen och förändringar i lufttrycket. I en utomhusmiljö böjer RF-signalerna sig lite tillbaka ner mot jordens yta. Ändringar i atmosfären kan dock leda till att signalen böjs bort från jorden.  En RF-signal kan också böjas igenom vissa typer av glas och andra material som finns i en inomhusmiljö.

Diffraktion

Diffraktion är böjningen av en RF-signal runt ett objekt medan refraktion är böjning av en signal när den passerar genom ett medium.

Bild 7: Diffraktion

Böjningen av en RF-signal sker när den möter en obstruktion. Villkoren som måste uppfyllas för att diffraktion ska uppstå beror helt och hållet på formen, storleken och materialet hos det obstruktiva objektet, liksom de exakta egenskaperna hos RF-signalen, såsom polarisering, fas och amplitud.

Typiskt orsakas diffraktion av någon form av partiell blockering av RF-signalen, såsom en liten kulle eller en byggnad som sitter mellan en sändande radio och en mottagare. Vågorna som stöter på obstruktionen böjer sig runt objektet och tar en längre och annan väg. Vågorna som inte stötte på objektet böjer inte och bibehåller den kortare och ursprungliga vägen.

Bild 8: Mindre diffraktion

Bild 8 visar hur RF signaler upprätthåller det mesta av ursprungliga flödet. Men en del och den ström som möter byggnaden kommer att förhindras gå vidare. Direkt bakom hindret finns ett område som kallas RF-skuggan. Beroende på förändringen i riktningen för de signalerna kan området för RF-skuggan bli en död zon RF-signalerna som är på väg till sin destination.

Förlust (dämpning)

Förlust, även känt som dämpning, beskrivs bäst som minskningen av amplituden eller signalstyrkan. En signal kan förlora styrka när den överförs genom en tråd eller i luften. På den trådbundna delen av kommunikationen (RF-kabeln) kommer den elektriska signalen att förlora styrkan på grund av den impedansen hos koaxialkablar och andra komponenter, såsom kontakter.

När RF-signaler strålar ur en antenn kommer signalerna att dämpas på grund av absorption, avstånd eller möjligen de negativa effekterna av multipath.

Olika material ger vanligtvis olika dämpningsresultat. En 2,4 GHz RF-signal som passerar genom gips kommer att dämpa 3 decibel (dB) och förlora hälften av den ursprungliga amplituden. En 2,4 GHz-signal som absorberas genom en tegelvägg kommer att dämpa 12 dB, vilket är 16 gånger mindre amplitud än den ursprungliga signalen.

Free Space Path loss

På grund av fysikens lagar kommer elektromagnetiska signaler att dämpas när de färdas även om de inte påverkas av absorption, reflektion, diffraktion och så vidare.

Fritt utrymme vägförlust (FSPL) är förlusten av signalstyrkan som orsakas av den naturliga bredden av vågorna, ofta refererad som stråldivergens. RF-signalenergin sprider sig över större områden då signalen reser längre bort från en antenn vilket resulterar i dämpning av signalstyrkan.

Multipath

Flervägs utbredning är ett fortplantningsfenomen som resulterar i två eller flera vägar genom vilka signaler tar sig till en mottagande antenn samtidigt eller inom nanosekunder ifrån varandra. På grund av den naturliga utvidgningen av vågorna kommer fortplantningsbeteendet för reflektion, spridning, diffraktion och refraktion att uppträda olika i olika miljöer.

Bild 9: Multipath

I en inomhusmiljö kan reflekterade signaler och ekon orsakas av långa hallar, väggar, skrivbord, fönster, frysskåp och många andra hinder.

Inomhusmiljöer med stora mängder av metallytor resulterar i flervägs miljöer på grund av alla reflekterande ytor. I en utomhusmiljö kan multipath orsakas av en flodvåg, en stor samling av vatten, en byggnad eller atmosfäriska förhållanden. Därför har vi signaler som studsar och böjer sig i många olika riktningar.

Huvudsignalen kommer fortfarande att resa till mottagningsantennen men många av de studsande signalerna kan också hitta sin väg till mottagningsantennen via olika vägar. Det tar vanligtvis lite längre tid för studsande signaler för att komma fram till mottagningsantennen eftersom de måste röra sig längre än huvudsignalen. Tidsskillnaden mellan dessa signaler kan mätas i miljarder sekund (nanosekunder). Tidsskillnaden mellan dessa multipla banor är känd som fördröjningsspridningen (delay spread).

Så, vad händer exakt när multipath yttrar sig?

Med RF-signaler kan effekterna av multipath vara konstruktiva eller destruktiva. Ganska ofta är de destruktiva. På grund av skillnaderna i fas av de multipla banorna kan den kombinerade signalen ofta dämpas eller förstärkas. Dessa effekter kallas ibland Rayleigh fading.

De fyra möjliga resultaten av multipath är följande:

  • Upfade
    Detta är ökning i signalstyrka. När de flera RF signalvägarna anländer till mottagaren samtidigt och är i fas eller delvis ur fas med primärvågen förstärks signalstyrkan (amplitud). Fasskillnader mellan 0 och 120 grader kommer att orsaka upfade som är ett exempel på konstruktiv multipath.
  • Downfade
    Detta är förminskning i signalstyrka. När de flera RF signalvägarna kommer fram till mottagaren samtidigt och är ur av fas med primärvågen är resultatet en minskning av signalstyrkan (amplitud). Fasskillnader mellan 121 och 179 grader kommer att orsaka downfade. Minskad amplitud som ett resultat av multipath skulle anses vara destruktiv multipath.
  • Nulling
    Detta är signalavstängning. När flera RF-signaler kommer fram via olika vägar till mottagaren samtidigt och är 180 grader ur fas med primärvågen kommer RF-signalerna att nollställas. Nulling är den fullständiga annulleringen av RF-signalen. En fullständig annullering av signalen är uppenbart destruktiv.
  • Datakorruption
    På grund av tidsskillnaden mellan primärsignalen och de reflekterade signalerna kända som fördröjningsspridningen, tillsammans med det faktum att det kan finnas flera reflekterade signaler, kan mottagaren ha problem att demodulera RF-signalens information. Fördröjning av spridningstidsskillnad kan orsaka att bitar överlappar varandra, och slutresultatet är skadad data. Denna typ av multipath interferens är ofta känd som intersymbol interferens (ISI). Datakorruption är den vanligaste förekomsten av destruktiv multipath.

Även om multipath-miljöer kan orsaka datakorruption kommer den mottagningsstationen att upptäcka felen genom en Cyclic Redundancy Check (CRC) kontrollsumma som definieras i 802.11 standarden. Denna standard kräver att de flesta unicast-ramar ska bekräftas av mottagningsstationen med en kvitterings (ACK) ram. Annars måste sändningsstationen sända om ramen.

Bild 10: MIMO utomhus

Multipath är en av de främsta orsakerna som påverkar genomströmningen och latensen hos ett äldre 802.11a /b/g WLAN negativt. Men multipath har en konstruktiv effekt med de nu utbredda 802.11n och 802.11ac WLAN som använder multipel-ingång, multipel-utgång (MIMO) antenndiversitet och maximal-ratio combining (MRC) signalbehandlingsteknik.

Tidigare kunde datakorruption av 802.11a/b/g överföringar behandlas med användning av inriktade antenner för att minska reflektioner i inomhusmiljöer. Nu när MIMO-teknik används i 802.11n- och 802.11ac-kompatibla WLAN är multipath inte längre problem.

Enstaka MIMO-patch antenner används emellertid ofta inomhus för att ge områdesuppdelade täckning i användarmiljöer med hög densitet.