Czasy trwania zaników w liniach radiowych zakresu 6 GHz

Fale radiowe w troposferze 

Fala radiowa w atmosferze nie biegnie po linii prostej, ponieważ jej ruch odbywa się w ośrodku o zmiennym współczynniku refrakcji.

Atmosferę w pionie można rozpatrywać jako ciąg drobnych warstewek o ciągle malejącym współczynniku refrakcji, bo cały czas maleje gęstość powietrza. Zależność współczynnika refrakcji od parametrów atmosfery określa zależność:

(1)

gdzie:
 n – współczynnik refrakcji; 
 N – wskaźnik refrakcji; 
 p – ciśnienie powietrza [hPa]; 
 e – prężność pary wodnej hPa; 
 T – temperatura powietrza K.

Składnik jest znacznie mniejszy od dwóch pozostałych,zwykle jest pomijany i wówczas zależność (1) przyjmuje postać:

(2)

gdzie: N_s – „suchy” składnik wskaźnika refrakcji;

N_w – „wilgotny” składnik wskaźnika refrakcji.

Odróżnia się „suchy” składnik Ns i „wilgotny” składnik Nw wskaźnika refrakcji, przy czym:

(3)

zaś

(4)

Podobnie jak dla pełnego wskaźnika N, tak i dla jego składników można określić średni gradient w danej warstwie. Przy poziomie morza n ≈ 1,0003, N ≈ 300.

Wartość współczynnika refrakcji n ulega zmianie wraz z wysokością nad powierzchnią Ziemi. Zależność średniej długo terminowej wartości współczynnika refrakcji od wysokości dla standardowej atmosfery wyraża równanie:

gdzie: 
N_o – średnia wartość wskaźnika refrakcji odniesiona do poziomu morza; 
h_o – wysokość odniesienia (stała) [km].

Wartości No i ho są określone statystycznie dla różnych klimatów. Globalnie, wartość średnia jest określana jako No = 315 i ho = 7,35 km.

Z tym, że należy pamiętać, że wartości te odnoszą się do linii naziemnych i są to wartości średnie, odnoszące się do standardowej atmosfery, jaka jest w dziewięćdziesięciu kilku procentach czasu. I wówczas horyzontowe linie radiowe zakresu 6 GHz, gdy są poprawnie zaprojektowane, pracują niemalże bez błędów.

Jednak w pewnych warunkach pogodowych troposfera jest silnie uwarstwiona i parametry atmosfery znacznie różnią się od standardowej. Zmienność parametrów atmosfery – przede wszystkim temperatury i pary wodnej – szczególnie tuż przy gruncie, wpływa na fluktuacje wskaźnika refrakcji w danym obszarze. Niejednorodności atmosferyczne wynikają z turbulencji powietrza, z pojawienia się tzw. termików, a także są związane z cyrkulacją powietrza w chmurach konwekcyjnych oraz z przemieszczania się systemów barycznych. Mogą występować wówczas takie zjawiska jak subrefrakcja, gdzie promień fali może biec bardziej ku górze niż dla atmosfery standardowej lub refrakcja podwyższona i wówczas fale kierują się nieco ku dołowi albo suprrefrakcja, podczas której fale kieruje się zdecydowanie w kierunku powierzchni Ziemi. Dla linii radiowych o bezpośredniej widoczności zakresu 6 GHz największy wpływ ma superrefrakcja radiacyjna.

Superrefrakcja radiacyjna powstaje, gdy podczas porannego wypromieniowania przy ładnej, stabilnej – bezwietrznej i wyżowej pogodzie występuje wzrost temperatury z wysokością (inwersja). Jednocześnie parowanie z powierzchni ziemi utrzymuje wysoką wilgotność tuż nad nią, a wyżej jest suche powietrze. Jest to sytuacja często obserwowana na trasach ziemskich w lecie w godzinach porannych, a w zasadzie tuż przed wschodem Słońca i do kilku godzin po jego wschodzie, a więc w godzinach od 2.00‑3.00 do około 8.00, w strefie klimatu umiarkowanego najczęściej w okresie od czerwca do sierpnia. Występują wówczas bardzo silne anomalie wskaźnika refrakcji, co jest źródłem krótkotrwałych, ale bardzo głębokich zaników sygnału, gdyż tor fali radiowej w warstwie powietrza jest uzależniony od przebiegu gradientu N w tej warstwie [3]. Dla ziemskich linii radiowych jest istotna wartość gradientu N w warstwie do około 100 m [9, 10].

Pomiary czasu trwania zaników 

W Instytucie Łączności sprawdzano niezawodność propagacyjną sześciu odcinków horyzontowych linii radiowych w paśmie 6 GHz. Były to odcinki tras o długości 36,6…68,9 km i częstotliwości 5885,04…6095,22 MHz [3]. Rejestrowano poziom sygnału odbieranego. Rejestracja próbek sygnału odbywała się w odstępach 5-minutowych. Natomiast w przypadkach, gdy poziom sygnału przekraczał wybrany próg, rejestracja sygnału była dokonywana w odstępach 1‑sekundowych.Wyniki tych pomiarów były wielokrotnie już publikowane [1–7]. Jednak dotychczas nie były publikowane wyniki dotyczące czasów trwania zaników. A zagadnienie to jest dość ważne dla poznania mechanizmu wpływającego w wyraźny sposób na niezawodność systemów radiowych pracujących w zakresie 6 GHz. Tym bardziej, że wyniki pomiarów jakościowych szerokopasmowych linii radiowych [8] wskazują, że ich jakość jest znacznie gorsza, niż wynika to z metody obliczeń stosowanej dla linii wąskopasmowych. Przykładowo, badania takie przeprowadzone w paśmie 4 GHz pokazują, że dla sztucznie wywołanego zaniku płaskiego elementowa stopa błędów BER (Bit Error Ratio) osiąga wartość 10-3 dopiero przy 41 dB. Tyko kilka takich przypadków zanotowano na rzeczywistych trasach.

W większości przypadków BER osiągał tę wartość przy dużo mniejszych tłumieniach, nawet już przy tłumieniu 19 dB i miało to miejsce przy zanikach trwających 1 sekundę. Wynika to stąd, że głównym źródłem pogorszenia jakości transmisji w szerokopasmowych liniach radiowych są zaniki selektywne powodujące o różnych wartościach tłumienia sygnału w paśmie radiowym.

Dlatego jest ważna nie tylko znajomość prawdopodobieństwa wystąpienia całkowitej wartości tłumienia, mogąca wystąpić na danej trasie linii radiowej, ale też jego „struktura”, tzn. czasy trwania poszczególnych zaników.