视距传播和非视距传播的区别

  视距传播(Line-of-Sight, LOS)非视距传播(Non-Line-of-Sight, NLOS)是无线通信系统中两种主要的信号传播方式。它们在传播路径、信号强度、多径效应等方面有显著的区别。

  一、 视距传播和非视距传播是什么

  1. 定义与传播路径

  •   视距传播:视距传播是指在发射天线和接收天线之间存在直接的视线,电波可以无遮挡地从发射点直接传播到接收点。这通常要求在第一菲涅尔区内没有对无线电波造成遮挡的物体。
  •   非视距传播:非视距传播则发生在发射天线和接收天线之间的直射路径被障碍物阻挡的情况下。在这种情况下,无线电波会经过反射和衍射后才到达接收端。

  2. 传播距离

  •   视距传播的距离一般为20~50公里,这与地面上的视线距离相仿。
  •   非视距传播的距离则可能超过实际的直线距离,因为信号会通过反射和衍射等方式传播。

  3. 信号强度

  •   在视距传播条件下,信号强度较高,因为信号可以直接从发射点传播到接收点。
  •   在非视距传播条件下,由于信号需要经过反射和衍射,信号强度会明显下降。

  4. 多径效应

  •   视距传播中,信号通常只有一条路径,即直线路径。
  •   非视距传播中,信号会经历多条路径,包括直射波、反射波和衍射波,这些路径的组合会导致多径效应,从而影响信号的质量和可靠性。

  5. 应用场景

  •   视距传播主要用于超短波及微波通信,适用于地面通信和广播。
  •   非视距传播则更多应用于室内环境或城市环境中的无线通信,如Wi-Fi、蓝牙等技术。

  视距传播和非视距传播在定义、传播路径、信号强度、多径效应以及应用场景等方面都有显著的区别。理解这些区别对于优化无线通信系统的设计和性能评估至关重要。

  二、 视距传播和非视距传播在不同环境下的信号衰减率比较是怎样的?

  在不同环境下,视距传播和非视距传播的信号衰减率有显著差异。以下是详细的比较:

  在城市微小区场景中,3.35 GHz频段的视距和非视距路径损耗模型被研究并与1.9 GHz频段进行了对比分析。研究表明,非视距传播的路径损耗通常高于视距传播的路径损耗。

  机场通信路径中障碍物造成的非视距传播会产生衍射损耗。基于ITU-R P.1546标准和Deygout模型构建的信号场强组合模型表明,随着障碍物数量增加,接收场强会显著衰减。

  室内环境中的各种墙壁、玻璃、门等障碍物对信号都有不同程度的衰减,尤其是金属障碍物可能完全阻隔或反射掉无线信号的传播。此外,高吸收系数的材料如混凝土和陶瓷也会对信号产生强烈的负面影响。

  当频率超过10GHz时,衍射不再是主要的信号传播方式;对于非视距传播链路来说,反射和散射才是主要的信号传播方式。在高频场景下,穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。

  非视距传输的无线传播损耗比视距传输要增加很多。这是因为非视距传输需要通过多个障碍物进行反射和散射,从而导致信号功率衰减和时延增加。

  非视距传播在不同环境下的信号衰减率通常高于视距传播。

  三、 如何通过技术手段减少非视距传播中的多径效应,以提高通信质量?

  要通过技术手段减少非视距传播中的多径效应,以提高通信质量,可以采用以下几种方法:

  •   波束成形技术:波束成形技术通过调整天线的辐射模式,将信号集中在特定的方向上,从而减少多径效应的影响,并提高信号的接收功率。这种技术可以有效地将信号指向特定区域,减少其他路径上的信号干扰。
  •   双频段GPS/GNSS技术:利用双频段技术可以显著减少多径误差。例如,L5信号比L1信号更能抵御多径效应,当A-GNSS固件算法检测到处于多径环境中时,会优先使用L5信号。这种方法通过跟踪各频段的信号来减轻城市峡谷等复杂环境中的多径效应。
  •   功率控制技术:通过调整发送信号的功率,可以使信号在传播过程中能够更好地适应多径环境,从而提高信号的接收强度,减少多径效应带来的干扰。这种技术可以动态调整信号强度,以适应不同的传播条件。
  •   多天线技术:使用多个天线并进行空间分集,可以有效地减少单一路径上的信号损失和干扰。这种方法通过增加接收器的数量和分散接收位置,来提高系统的抗干扰能力。
  •   天线分集和信号处理技术:通过合理布置天线和设备,以及使用天线分集和信号处理技术,可以进一步减少多径效应的影响。例如,选择适当的建筑材料和设备位置,避免信号被反射和散射。
  •   多载波技术和盲估计技术:这些技术可以帮助识别和补偿多径引起的信号变化,从而提高通信质量。多载波技术通过同时传输多个信号来提高抗干扰能力,而盲估计技术则用于估计信道状态,以优化信号传输。
  •   扼流圈天线设计:采用3D扼流圈设计,并配备抗多径扼流板,可以实现优异的多路径抑制效果。这种设计通过物理结构上的改进,减少了多径信号的干扰。

  四、 在实际应用中,视距传播与非视距传播的成本效益分析有哪些差异?

  在实际应用中,视距传播(Line-of-Sight, LOS)与非视距传播(Non-Line-of-Sight, NLOS)的成本效益分析存在显著差异。以下是详细的分析:

  1. 定位精度

  视距传播通常具有更高的定位精度,因为信号直接从发射源到达接收器,不受障碍物的影响。

  非视距传播由于信号被障碍物反射或散射,会导致定位精度明显下降。例如,在超宽带系统中,非视距传播会使得定位精度大幅度降低。

  2. 技术复杂度和部署成本

  视距传播技术相对简单,部署成本较低。例如,传统机器学习算法在处理视距传播时复杂度较低,部署成本也较低。

  非视距传播技术则需要更复杂的处理和补偿措施来提高定位精度。例如,深度学习算法可以提供非视距下的精确定位,但其计算复杂度高,部署成本也较高。

  3. 应用场景

  视距传播适用于开放环境或障碍物较少的场景,如郊区或农村地区,这些地区的LOS概率较高。

  非视距传播适用于室内环境或障碍物较多的场景,如城市中心或封闭空间。在这些环境中,NLOS传播现象普遍存在,需要采用特定的技术来抑制其影响。

  4. 成本效益比

  在某些情况下,非视距传播的成本效益可能不如视距传播。例如,RFID系统在室内定位中虽然具有一定的优势,但其非视距传播的影响需要通过复杂的算法来补偿,这增加了额外的成本。

  相反,如果能够有效地利用非视距传播技术,如通过RSS信息进行定位,可以实现更高的成本效益。

  视距传播与非视距传播在定位精度、技术复杂度、部署成本以及应用场景等方面存在显著差异。

  五、 视距传播和非视距传播在覆盖大范围区域时的性能差异具体表现在哪些方面?

  视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)在覆盖大范围区域时的性能差异主要体现在以下几个方面:

  1. 信号传播路径

  视距传播是指收发点之间的直射波传播,这种方式通常具有较高的信号质量和较低的传播损耗。

  非视距传播则涉及到信号在障碍物后的折射、反射、衍射和散射等现象,这些现象会导致信号路径发生变化,从而增加了传播损耗和信号干扰。

  2. 定位精度

  在非视距传播环境下,定位算法如小二乘法由于假设所有传感器到目标的距离都相等,这个假设不成立,因此其定位精度会受到限制。

  相比之下,视距传播由于信号路径较为直接,定位精度通常更高。

  3. 通信质量

  视距传播由于信号路径较为直接,通常能够保持较高的通信质量和稳定性。

  非视距传播由于信号经过多次反射和折射,可能会导致通信质量下降,特别是在复杂的城市环境中,车辆阻挡等因素会进一步影响通信质量。

  4. 传输损耗

  视距传播的传输损耗较低,因为信号直接从发射端传输到接收端,不会经过多次反射和折射。

  非视距传播由于信号需要绕过障碍物,其传输损耗较高,尤其是在对流层散射超视距链路中,传输损耗和衰落特性分析成为研究热点。

  5. 应用场景

  视距传播适用于开阔地带或无障碍物的通信场景,如海洋大气波导环境下的电磁波传播研究表明,视距传播在海上通信中表现出较高的通信质量。

  非视距传播则更多应用于复杂环境中的通信,如矿井、城市街道等场景,这些场景中普遍存在障碍物,非视距传播能够在这些环境中实现通信,但需要通过先进的信号处理技术来补偿由于折射、反射等现象带来的影响。

  视距传播和非视距传播在覆盖大范围区域时的性能差异主要体现在信号传播路径、定位精度、通信质量、传输损耗以及应用场景等方面。

  六、 非视距传播技术在未来无线通信发展中的潜在应用领域有哪些?

  非视距传播技术在未来无线通信发展中具有广泛的潜在应用领域,主要包括以下几个方面:

  •   消防救援通信:在消防救援场景中,非视距通信设备可以快速架设延伸对讲机信号,消除通信盲区,确保现场指挥和战斗网网络的畅通。
  •   工业互联网:紫外光通信作为一种非视距通信技术,能够在视距链路受阻的场景中实现通信。随着工业互联网的高速发展,紫外光通信在工业设备间大容量灵活组网通信中的应用前景广阔。
  •   保密通信:紫外光通信利用“日盲区”紫外波段进行信息传输,具有高局域保密性、低辐射背景噪声等特点,适用于需要高度保密性的通信场景。
  •   车联网:紫外光通信在车联网领域也有广泛的应用前景,因为它能够在复杂环境下实现非视距通信,提高车辆间的通信可靠性。
  •   室内定位:非视距传播技术在室内定位中也有重要应用,因为传统的面向室外环境的定位技术无法满足室内定位的精度需求,非视距传播技术可以有效改善这一问题。
  •   全息MIMO系统:在全息MIMO系统中,非视距传播技术可以通过傅立叶平面波级数分析信道模型,提高系统在非视距场景下的性能。
  •   宽带无线接入:非视距传播技术在宽带无线接入中的应用也非常关键,特别是在抗多径衰落技术方面,有助于提高系统的可靠性和有效性。

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