2.1.1. Потери в свободном пространстве
2.1.2. Влияние окружающего пространства
Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным технологиям, передача информации здесь осуществляется по радиоканалам, образованным между антеннами устройств, являющимися составными частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой. Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем WiMAX длина волны менее 15 см, поэтому явление дифракции пренебрежимо мало, и в расчетах можно пользоваться правилами геометрической оптики, т. е. считать распространение радиоволн прямолинейным. Представляют интерес два вида распространения сигнала: в условиях прямой видимости (LOS — Line of Sight) и в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS — Non Line of Sight) В условиях городской застройки характерно отсутствие прямой видимости. Всегда присутствуют многократные отражения сигнала от зданий и иных сооружений, поглощение зданиями, листвой деревьев и т. п.
В пределах прямой видимости основными факторами, негативно влияющими на качество приема электромагнитных волн, являются:
- потери в свободном пространстве;
- состояние атмосферы;
- наличие отражающих объектов;
- эффект Доплера;
- шумы.
2.1.1. Потери в свободном пространстве
Потери в свободном пространстве вызваны тем, что с ростом расстояния от передающей антенны до приемной антенны излученная энергия распределяется по все большей площади, и на приемную антенну приходится лишь малая часть излученной энергии. В наиболее простом случае, когда передающая антенна является всенаправленной (изотропное излучение), энергия излучения как бы "размазывается" по сферической поверхности. С ростом расстояния (радиуса сферы) площадь поверхности сферы увеличивается, а плотность электромагнитной энергии, приходящаяся на единицу поверхности, уменьшается. Такие потери определяются по формуле:
,
где 
, 
— мощности излучения и приема соответственно; 
— расстояние между передающей и приемной антеннами. Чаще всего это отношение мощностей выражают в децибелах:
.
С помощью направленных антенн (например, параболических) удается сконцентрировать излучаемую энергию в заданном направлении, тем самым увеличивается доля энергии в приемной антенне. С учетом коэффициента усиления передающей 
и приемной 
антенн потери в свободном пространстве можно записать так:
.
С ростом частоты (уменьшением длины волны) и уменьшением коэффициента усиления антенн затухание увеличивается.
2.1.2. Влияние окружающего пространства
На уровне сигнала в точке приема заметно отражается состояние атмосферы. Утреннее и вечернее состояние, сезонные изменения, плотность атмосферы могут искривлять путь прохождения волн, что на больших расстояниях может приводить к уменьшению энергии сигнала в точке приема. Существенное влияние оказывает наличие тумана и дождя. Капли тумана и дождя вызывают поглощение радиоволн и их рассеяние. Пик таких потерь приходится на диапазон частот вблизи 22 ГГц. При вертикальной поляризации волн поглощение в каплях дождя меньше, чем при горизонтальной поляризации. Вблизи 60 ГГц наблюдается заметное поглощение энергии радиоволн молекулами кислорода. На частотах ниже 15 ГГц эти явления сказываются гораздо меньше.
Наличие отражающих объектов, находящихся в стороне от прямой, связывающей приемную и передающую антенны, может привести к попаданию на приемную антенну отраженных сигналов, являющихся копиями основного сигнала. Поскольку прямой и отраженный сигналы проходят разные по величине пути (что равносильно сдвигу фаз колебаний относительно друг друга), то в точке приема происходит их интерференция. При этом амплитуда сигнала на приемной антенне может как суммироваться (при разности путей на длину волны), так и вычитаться (при разности путей на половину длины волны). Такие явления называют замираниями. Для движущихся объектов эти замирания носят меняющийся во времени характер. Причем могут происходить изменения амплитуды как относительно медленные, так и очень быстрые. На частотах порядка единиц гигагерц длина волны составляет единицы-десятки сантиметров, поэтому быстрые замирания могут происходить даже при малых перемещениях антенны приемника. Характер медленных и быстрых замираний хорошо описывается законом Релея. Динамический диапазон замираний может достигать 40 дБ. Из-за быстрых замираний амплитуда принимаемого сигнала на доли секунды то увеличивается, то уменьшается относительно некоего среднего уровня. В городских условиях количество таких скачков амплитуды может происходить десятки-сотни раз в секунду. Статистические характеристики замираний для различных условий описаны в [25, 28].
Следует помнить еще об одном механизме возникновения уменьшения уровня принимаемого сигнала, вызванного интерференцией. Этот механизм проявляется и при фиксированном положении передающей и приемной антенн, и при наличии прямой видимости. Он вызван наличием условных зон Френеля. При любом типе антенн, в том числе и направленных, радиоволна движется в некотором расширяющемся по направлению к приемнику пространстве. В этом пространстве можно условно выделить зоны Френеля, представляющие собой сфероид. Если на пути распространения волны имеется отражающий объект, высота которого достигает первой зоны Френеля, то отраженный сигнал в точке приема будет интерферировать с волной, пришедшей по пути геометрической линии между антеннами. Вообще любой отражающий объект в пределах первой зоны Френеля согласно принципу Гюйгенса может рассматриваться как источник вторичных волн, которые могут распространяться в направлении приемной антенны и вызывать интерференцию с прямой волной. Отраженные в пределах этой зоны волны в той или иной мере находятся "не в фазе" с прямой волной, и уровень сигнала в точке приема изменяется. На рис. 2.1 показаны пояснения этого механизма.
Рис. 2.1. Влияние отражения в пределах зон Френеля
Радиус первой полузоны Френеля 
, зависит от длины волны и расстояния. В зависимости от отношения длины пути A-D-B отраженной волны к длине пути прямого луча уровень приема может как увеличиться, когда прямая и отраженная волны складываются в фазе, так и уменьшиться, если они придут в противофазе. Уровень сигнала в точке приема определяется с учетом поправочного множителя ослабления.
,
где 
— множитель ослабления; 
— коэффициент отражения объекта; 
. При 0 < 
< 1 трасса считается полузакрытой, при > 1 — открытой.
Радиус полузоны Френеля составляет примерно 0,6 от радиуса первой зоны Френеля, определяемой выражением: 
. При попадании отражающего объекта в промежуток между полузоной и первой зоной трасса полузакрытая, но связь еще возможна. Если же просвет между прямым лучом и отражающим объектом станет меньше радиуса полузоны Френеля 
< 
, то отраженный сигнал будет приходить в точку приема в противофазе и может оказаться ослабленным ниже допустимой величины, или трасса окажется закрытой и устойчивая связь будет невозможна. Следовательно, при проектировании трассы радиолуча следует избегать препятствий, высота которых достигает 0,6 радиуса первой зоны Френеля. Если невозможно избежать такое препятствие, необходимо увеличить высоту передающей и приемной антенн. Водная поверхность имеет коэффициент отражения радиоволн, близкий к единице, поэтому отраженный радиолуч приходит в точку приема практически той же интенсивности, что и прямой луч. В случае прихода отраженного луча в противофазе с прямым лучом уровень принимаемого сигнала может оказаться ниже порогового. Вдобавок на водной поверхности часто возникают волны, и характер отражения будет иметь случайную составляющую. Это приведет к шумообразному изменению уровня суммарного сигнала (прямого и отраженного). При проектировании трассы в этом случае обязательно делают расчет высот подвеса антенн с учетом возможного отражения сигнала. Высота прохождения основного луча должна быть больше высоты препятствия на величину, не меньшую, чем радиус первой зоны Френеля.
В реальных условиях положение границы зоны Френеля (и значение ) в силу рефракции волн зависит от градиента диэлектрической проницаемости воздуха и его слоистого характера. Поэтому просвет между прямым лучом и зоной Френеля может в некоторых пределах меняться в любую сторону. Значения градиента диэлектрической проницаемости зависят от климатической зоны региона и погодных условий. Численные значения градиента диэлектрической проницаемости воздуха и его типовые отклонения для различных климатических зон обычно приводятся в справочной литературе.
2.1.3. Влияние эффекта Доплера
Эффект Доплера проявляется для мобильного приемника в том, что частота принимаемых колебаний будет увеличиваться, если приемник движется в сторону передатчика, и уменьшается, если приемник удаляется. Величина сдвига частоты 
принимаемого сигнала зависит от скорости движения 
, частоты сигнала 
и угла 
направления на передатчик:
.
Эффект изменения частоты приводит к паразитной девиации частоты, называемой доплеровским рассеянием. Из-за доплеровского рассеяния в точке приема спектр несущей частоты окажется "размазанным" в полосе 
, и значение несущей частоты станет нестабильным во времени. В случае использования когерентных методов приема появляются частотные искажения. Учитывая неравномерный характер движения и неровный характер местности, происходит дополнительное изменение амплитуды и фазы принимаемого сигнала по случайному закону. В итоге в точке приема происходят селективные замирания. Вводят еще параметр время когерентности 
, которое определяется как интервал времени, в пределах которого величина коэффициента корреляции значений огибающей не менее 0,9.
2.1.4. Влияние шумов
В любой системе передачи всегда присутствуют шумы разной природы, которые накладываются на передаваемый сигнал, поэтому принятый сигнал всегда отличается от переданного сигнала. Шумы условно можно разделить на следующие категории: тепловые, природные, преднамеренные и интерференционные. Различные помехи (преднамеренные или естественные) можно также считать шумом, искажающим принимаемый сигнал. Тепловой шум вызван тепловым движением молекул и атомов как в канале связи, так и в цепях аппаратуры. Статистические характеристики теплового шума достаточно хорошо изучены. Поскольку мгновенные значения шума носят случайный характер, то шум с сигналом сравнивают не по мгновенным значениям, а по их мощностям.
В электрических цепях тепловое движение молекул и атомов вызывает разброс скоростей движущихся носителей зарядов (например, электронов). Поэтому электрический ток всегда имеет помимо детерминированной составляющей шумовую составляющую. Тепловой шум имеет равномерный спектр в весьма широком диапазоне частот, т.е. его энергия равномерно распределена по всему диапазону частот, поэтому его еще называют "белым шумом". На каждый герц полосы частот приходится плотность мощности
, (Вт/Гц),
где 
1,3803
Дж/К — постоянная Больцмана; 
— температура в градусах Кельвина.
Мощность шума на выходе пассивной цепи, имеющей полосу пропускания 
, пропорциональна полосе пропускания:
или в децибелах:
.
Белый шум аддитивно смешивается с полезным сигналом, поэтому на выходе линейного усилителя шум и сигнал усиливаются одинаково. При этом к входному шуму добавляются собственные шумы усилителя. Собственные шумы усилителя учитывают введением коэффициента шума усилителя 
. Энергия шума на выходе усилителя 
. При каскадном усилении (например, в приемниках) чтобы уменьшить шум на выходе, наиболее важно иметь первый каскад усиления с возможно меньшим значением коэффициента шума. На практике удается создавать усилители, имеющие коэффициент шума 2—3 дБ для приемников базовых станций, и 4—6 дБ — для приемников мобильных станций. Тепловые шумы от различных источников считаются независимыми, поэтому их энергии складываются.
Для уверенного приема полезного сигнала мощность сигнала должна превышать мощность шумов в несколько раз. Удобно пользоваться отношением сигнал/шум (signal-to-noise ratio — SNR).
Сигнал/шум 
.
Или в децибелах:
.
Требуемое отношение сигнал/шум различно для разных систем связи и разных видов модуляции. Для цифровых систем передачи Шенноном была получена формула определения верхней границы возможной скорости передачи:
,
где 
— пропускная способность канала (бит/с); — ширина полосы канала (Гц). Это теоретически достижимый предел. На практике достигаются заметно меньшие скорости передачи, так как формула учитывает только белый шум, а в реальности всегда присутствуют и иные виды шумов. Из формулы видно, что при фиксированном уровне шумов скорость передачи можно увеличить за счет повышения мощности сигнала и расширения полосы частот, занимаемых каналом. Однако это не совсем так, ибо с увеличением мощности сигнала возрастает риск перегрузить усилительные каскады, возникают нелинейные эффекты. Это порождает комбинационные частоты, что, в свою очередь, приводит к интермодуляционным помехам. С увеличением полосы пропускаемых каналом частот возрастает и мощность белого шума на входе приемника, в результате чего отношение сигнал/шум может ухудшиться.
В цифровых системах передачи для определения скорости передачи и уровня ошибок обычно используют отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит (
) к плотности мощности (
) шумов на 1 Гц.
,
где 
, 
, бит/с — скорость передачи битов. Или в децибелах:
дБВт.
Для разных методов кодирования допустимый коэффициент ошибок (КОШ) (в англоязычной литературе BER — Bit Error Ratio) достигается при разной величине отношения 
. Зная требуемое отношение , можно определить требуемую мощность сигнала 
для обеспечения необходимой скорости передачи 
. Например, в некоторой системе передачи для обеспечения скорости передачи 9600 бит/с принято допустимым значение КОШ 
, которое выполнимо при 
дБ. При комнатной температуре 
К (комнатная температура) такие параметры передачи можно обеспечить при мощности сигнала 
дБВт (
Вт).
Параметры и связаны между собой. Учитывая, что и 
, можно записать:
.
Кроме тепловых шумов в системах связи значительное мешающее воздействие имеют импульсные помехи. Они могут быть вызваны молниями, работой электросварочного оборудования, искрением электрооборудования, неисправностями в самой аппаратуре связи или даже могут быть искусственно созданы для злонамеренной постановки помех. Импульсные помехи имеют значительную амплитуду и широкий спектр частот. При передаче голосового сигнала влияние импульсных помех довольно незначительно. Оно проявляется в появлении щелчков и потрескиваний. При передаче цифровых данных этот вид помех может стать определяющим. За время длительности импульсной помехи могут быть потеряны все биты, преданные за это время. Борьба с импульсными помехами представляет весьма сложную задачу. В основном решение заключается в отфильтровывании во входных цепях приемника всех частотных составляющих вне используемой полосы частот канала. При этом отфильтровывается часть мощности импульсной помехи и ослабляется действие помехи на сигнал. В противном случае необходимо снижать скорость передачи и увеличивать длительность передаваемых символов, чтобы за время длительности импульсной помехи оказалась пораженной незначительная часть символа.
Другим источником помех являются интермодулягцюпные шумы. Действие таких помех проявляется в том, при взаимодействии на нелинейных элементах двух (или более) сигналов, например, на частотах 
и 
, появляются паразитные сигналы на частотах 
. Если полезный сигнал окажется равен также , то полезный и паразитный сигналы будут интерферировать, а принимаемый сигнал станет искаженным. Подобный эффект интермодуляции возникает и на частоте зеркального канала, когда паразитный сигнал создает при демодуляции сигнал на промежуточной частоте приемника. Интермодуляционные шумы могут возникать из-за нелинейных элементов в цепях передатчика (возможно постороннего) и приемника или неисправности в приемном оборудовании. При больших уровнях принимаемого сигнала в усилителях, работающих при нормальном уровне сигнала в линейном режиме, могут возникать перегрузки, при которых усилитель может перейти в нелинейный режим. Паразитные сигналы в результате нелинейного преобразования могут оказаться в полосе полезного сигнала. Допустимый уровень сигнала (точка насыщения) на входе современных высокочувствительных приемников составляет приблизительно минус 55 дБм (~ 1,8 мкВ). При более высоком уровне входной усилитель начинает работать в нелинейном режиме. В серийном оборудовании систем подвижной связи чувствительность приемников несколько ниже. Для систем подвижной связи типичным является ситуация, когда одна мобильная станция находится вблизи границы зоны покрытия, а другая — вблизи базовой станции. При одинаковой мощности передатчиков мобильных станций передатчик второй станции может перегрузить входной усилитель приемника базовой станции, обслуживающий удаленного абонента. Продукты нелинейного преобразования могут попасть в полосу пропускания соседнего канала и создадут там помехи. Таким образом, высокая мощность ближнего передатчика может вызвать помехи сразу в нескольких приемниках базовой станции. На практике проблему дальнего и ближнего пользователя решают адаптивным регулированием мощности передатчиков. Чем ближе подвижная станция подходит к базовой, тем автоматически уменьшается взаимная мощность их передатчиков. Разумеется, система автоматического контроля и регулирования взаимной мощности является сложной и дорогостоящей. Для систем с фиксированным расположением базовых и пользовательских станций (WiMAX-2004) взаимные мощности можно просчитать заранее и установить нужные уровни в процессе инсталляции оборудования. Влияние интермодуляционных помех удается заметно ослабить с помощью фильтров во входных цепях приемника. Использование входных фильтров с крутыми скатами частотных характеристик позволяет ослабить и паразитные сигналы по соседним каналам.
В радиосвязи, как и в проводной, могут возникать перекрестные помехи, если на частотах приема будут работать "чужие" передатчики. В этом случае их сигналы не могут быть отфильтрованы входными цепями приемника, и принимаемый полезный сигнал окажется также искаженным. Если уровень паразитного сигнала окажется соизмерим или будет больше полезного, то прием может оказаться невозможным. Для устранения таких событий существуют органы контроля и распределения рабочих частот. Для каждой системы радиосвязи выделяются свои полосы частот, не пересекающиеся с частотами других систем, и выдается лицензия на выделяемые частоты. При этом уровень возможных перекрестных помех обычно не превышает уровень теплового шума. Однако исторически сложилось, что во многих странах (в том числе и в России) на многих диапазонах частот могут работать организации и службы, развернувшие свое оборудование значительно раньше. Поэтому в некоторых регионах (в зависимости от создавшейся электромагнитной обстановки) могут разрешить работу и в нелицензированных диапазонах. В этом случае перекрестные помехи могут стать доминирующими.
В большинстве случаев интермодуляционные и перекрестные помехи являются предсказуемыми и их можно учесть при проектировании и развертывании новых систем связи.