見通し外伝搬

見通し外（NLOS）無線伝搬は、送信機と受信機間の通常の見通し外（LOS）の外側、例えば地面の反射などで発生します。 近見通し外（NLOS ）状態とは、フレネルゾーンの最も内側に存在する物体によって部分的に遮られる状態を指します。

NLOS伝搬を引き起こす一般的な障害物には、建物、樹木、丘、山、そして場合によっては高圧送電線などがあります。これらの障害物の中には、特定の無線周波数を反射するものもあれば、信号を吸収したり歪ませたりするものもあります。いずれの場合も、特に電力予算が限られている場合、多くの種類の無線伝送の使用を制限します。

受信機の電力レベルが低いと、送信を正常に受信できる可能性が低くなります。電力レベルが低い原因は、少なくとも3つあります。Wi -Fiなどの送信電力レベルが低い場合、送信機が遠く離れている場合（ 3Gの場合は8.0 km以上、テレビの場合は50 km以上離れている場合など）、送信機と受信機の間に障害物があり、明確な経路がない場合などです。

NLOS（見通し外）では実効受信電力が低下します。見通し外（NLOS）の場合は通常、より高性能なアンテナを使用することで対応できますが、見通し外（NLOS）の場合は通常、代替経路やマルチパス伝搬方式が必要になります。

効果的なNLOSネットワークを実現する方法は、現代のコンピュータネットワークにおける主要な課題の一つとなっています。現在、無線コンピュータネットワークにおけるNLOS状態への対処方法として最も一般的なのは、NLOS状態を回避し、中継局を追加の場所に設置して、障害物を迂回して無線伝送内容を送信するというものです。より高度なNLOS伝送方式の中には、マルチパス信号伝播を利用し、無線信号を近くの物体に反射させて受信機に届けるものもあります。

見通し外（NLOS）とは、無線通信において、送信アンテナと受信アンテナの間に見通し 外（LOS）がない無線チャネルまたはリンクを表すためによく使用される用語です。この文脈では、LOSは

• 視覚的に障害物のない直線として、たとえ人間の肉眼では遠すぎて見えなかったとしても
• 仮想LOS、つまり視覚的に遮蔽された物質を通過する直線として、電波を検出するのに十分な透過性を残す

伝送媒体には、電波の伝播に影響する電気的特性が多数あり、NLOS パスを介した無線チャネルの動作品質（動作が可能な場合）にも影響を及ぼします。

NLOSという略語は、無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）やWiMAXなどの無線メトロポリタンエリアネットワークにおいて、より一般的に使用されるようになりました。これは、これらのリンクが適切なレベルのNLOSカバレッジを提供できるため、最も頻繁に使用される典型的な都市環境において、その市場性と汎用性が大幅に向上するからです。しかし、NLOSには無線通信の多くのサブセットが含まれます。

NLOSリンクに対する視覚障害の影響は、無視できる程度から完全に抑制される程度まで様々です。例えば、テレビ放送アンテナと屋根に設置された受信アンテナ間のLOSパスがこれに当てはまります。雲がアンテナ間を通過すると、リンクは実際にはNLOS状態になりますが、無線チャネルの品質は実質的に影響を受けません。一方、パス上に大きな建物が建設されNLOS状態になった場合は、チャネルを受信できなくなる可能性があります。

見通し外通信（BLOS）は、軍事分野でよく用いられる関連用語で、見通し外通信では遠すぎる、あるいは地形に完全に遮られて見通し外通信が不可能な人員やシステムを接続する無線通信機能を指します。これらの無線は、能動中継器、地上波伝搬、対流圏散乱リンク、電離層伝搬、通信範囲を数キロメートルから数千キロメートルに拡張します。

背景

平面電磁波としての電波

マクスウェル方程式^[1]によれば、遠方場またはフラウンホーファー領域の自由空間に存在する電波は平面波として振る舞うことがわかります。^{[2] [3]}平面波では、電界、磁界、および伝播方向は互いに直交します。^[4] NLOS経路を介した無線通信を可能にする様々なメカニズムを理解するには、アンテナ間のLOS経路を視覚的に遮る物体（1つまたは複数）が平面波にどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。無線遠方場波と無線平面波という用語は互換性があることが理解されています。

視線とは何ですか?

定義上、視線とは視覚的な視線であり、平均的な人間の目が遠くの物体を識別できる能力によって決まります。人間の目は光に敏感ですが、光の波長は無線の波長に比べて非常に短いです。光の波長は約 400ナノメートル(nm) から 700 nm の範囲ですが、無線の波長は300 GHz で約 1ミリメートル(mm) から 10 kHz で 30キロメートル(km) の範囲です。したがって、最も短い無線の波長でも、最も長い光の波長の約 2,000 倍長くなります。約 10 GHz までの一般的な通信周波数では、その差は約 60,000 倍になるため、NLOS パスを示唆するような視覚的な障害物と、無線伝搬パスに影響を与える可能性のある同じ障害物を比較することは、必ずしも信頼できるとは限りません。

NLOSリンクは、単方向（一方向のみの伝送）、全方向（両方向への同時伝送）、半二重（両方向への伝送は可能だが同時ではない）のいずれかです。通常の状況下では、NLOSリンクを含むすべての無線リンクは相互的です。つまり、伝搬条件が無線チャネルに与える影響は、単方向、全方向、半二重のいずれの場合でも同じです。^[5]しかし、異なる周波数における伝搬条件は異なるため、アップリンクとダウンリンクの周波数が異なる従来の全方向伝送は必ずしも相互的ではありません。

障害物の大きさの影響

一般的に、平面波が障害物によって受ける影響は、障害物の波長に対する大きさ、および障害物の電気的特性に依存します。例えば、送信アンテナと受信アンテナの間を通過する、複数波長の大きさを持つ熱気球は、視覚的には大きな障害物となる可能性がありますが、布で作られ、熱気球が満たされていると仮定すると（どちらも優れた絶縁体です）、NLOS（見通し外）無線伝搬に大きな影響を及ぼす可能性は低いでしょう。逆に、波長と同程度の大きさの金属障害物は、大きな反射を引き起こします。障害物の大きさを考慮する場合、その電気的特性は最も一般的な中間または損失型であると仮定します。

一般的に、NLOS パスの可能性のある場合、波長との関係で、障害物のおおよそのサイズは次の 3 つに考えられます。

• 波長よりもはるかに小さい
• 波長と同じ順序
• 波長よりもはるかに大きい

障害物の寸法が入射平面波の波長よりもはるかに小さい場合、波は実質的に影響を受けません。例えば、約200kHzの低周波（LF）放送（長波とも呼ばれます）の波長は1500mで、平均的な大きさの建物（はるかに小さい）のほとんどによって大きな影響を受けません。

障害物の寸法が波長と同程度の場合、障害物の周囲にはある程度の回折が生じ、場合によっては障害物を透過する。入射した電波はわずかに減衰し、回折した波面間に何らかの相互作用が生じる可能性がある。

障害物が多数の波長にわたる寸法を持つ場合、入射平面波は障害物を形成する材料の電気的特性によって大きく左右されます。

障害物の電気的特性の影響

電波を遮る物質の電気的特性は、完全な導体から完全な絶縁体まで、幅広い範囲にわたります。ほとんどの物質は導体と絶縁体の両方の特性を持ちます。これらの特性が混在する場合もあります。例えば、多くのNLOS経路は、コンクリートと鋼鉄で作られた鉄筋コンクリートの建物によってLOS経路が遮られることで生じます。コンクリートは乾燥状態であれば非常に優れた絶縁体であり、鋼鉄は優れた導体です。あるいは、物質が均質な損失物質である場合もあります。

物質がどの程度導体または絶縁体であるかを表すパラメータは、 または損失正接として知られており、次のように 表されます。${\displaystyle \tan \delta }$

${\displaystyle \tan \delta ={\frac {\sigma }{\omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}}}$

どこ

${\displaystyle \sigma }$ 材料の導電率（ジーメンス/メートル（S/m））

${\displaystyle \omega =2\pi f}$ は、ラジアン/秒 (rad/s)で表した RF 平面波の角周波数であり、 はヘルツ(Hz)で表した周波数です。${\displaystyle f}$

${\displaystyle \epsilon_{0}}$ 自由空間の絶対誘電率（ファラッド/メートル（F/m））

そして

${\displaystyle \epsilon_{r}}$ は物質の比誘電率（誘電率とも呼ばれる）であり、単位はありません。

良導体（絶縁体としては劣る）

材料が良導体または不良絶縁体であり、入射する電波をほぼ同じ電力で反射する場合。 ^[6]したがって、材料自体には実質的にRF電力が吸収されず、非常に薄い場合でも実質的に透過しません。すべての金属は良導体であり、もちろん都市環境では、橋梁、金属被覆の建物、倉庫、航空機、送電塔など、電波の大きな反射を引き起こす例は数多くあります。 ${\displaystyle \sigma \gg \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}$

優れた絶縁体（導電性は低い）

物質が良質の絶縁体（または誘電体）であるか、または不良な導体であり、入射する波を実質的に透過する場合。実質的に RF 電力は吸収されませんが、自由空間の比誘電率（1）と比較した相対誘電率に応じて、境界でいくらか反射されることがあります。これは、以下に説明する固有インピーダンスの概念を使用します。興味深い例外として淡水氷山がありますが、これらは通常ほとんどの都市環境では見られません。ただし、大量のガスは一般に誘電体として機能します。これらの例として、高度が10 ～ 20 km まで増加するにつれて密度が徐々に減少する地球の大気圏があります。高度約 50 km から 200 km までのより高い高度では、さまざまな電離層も誘電体のように機能し、太陽の影響に大きく依存します。電離層は中性ガスではなくプラズマです。 ${\displaystyle \sigma \ll \omega \epsilon _{0}\epsilon _{r}}$

平面波と固有インピーダンス

障害物が完全な絶縁体であっても、大気の比誘電率とは異なるため、反射特性を持つことがあります。平面波が伝播する電気材料は、固有インピーダンス（）または電磁インピーダンスと呼ばれる特性を持ちます。これは、伝送線路理論におけるケーブルの特性インピーダンスに類似しています。均質材料の固有インピーダンスは、次式で表されます。^[7]${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \eta ={\sqrt {\frac {\mu _{0}\mu _{r}}{\epsilon _{0}\epsilon _{r}}}}}$

どこ

${\displaystyle \mu _{0}}$ はヘンリー/メートル（H/m）で表した絶対透磁率であり、H/mに固定された定数である。${\displaystyle 4\pi \cdot 10^{-7}}$

${\displaystyle \mu _{r}}$ は相対透磁率（単位なし）

${\displaystyle \epsilon _{0}}$ はファラッド/メートル（F/m）で表した絶対誘電率であり、F/mに固定された定数である。${\displaystyle 8.85\cdot 10^{-12}}$

${\displaystyle \epsilon _{r}}$ 比誘電率または誘電率（単位なし）

自由空間との場合、自由空間の固有インピーダンスは次のように表される。 ${\displaystyle \mu _{r}=1}$ ${\displaystyle \epsilon _{r}=1}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$

${\displaystyle \eta _{0}={\sqrt {\frac {\mu _{0}}{\epsilon _{0}}}}}$

これはおよそ 377 と評価されます。 ${\displaystyle \Omega }$

誘電体境界における反射損失

平面波理論と伝送線路理論の類似点として、反射係数 の定義は、平面波が1つの誘電体媒体から別の誘電体媒体へ通過する際の境界における反射レベルの尺度です。例えば、第1および第2の媒体の固有インピーダンスがそれぞれ と である場合、媒体1に対する媒体2の反射係数は次のように表されます。 ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \eta _{1}}$ ${\displaystyle \eta _{2}}$ ${\displaystyle \Gamma _{21}}$

${\displaystyle \Gamma _{21}={\frac {\eta _{2}-\eta _{1}}{\eta _{2}+\eta _{1}}}}$

NLOS リンクを介して送信された RF 信号がこのような反射によってどの程度影響を受けるかを示す デシベル単位の対数測定値 ( ) は次のように表されます。${\displaystyle T_{r}}$

${\displaystyle T_{ref}=10\log _{10}(1-\left|\Gamma _{21}\right|^{2})dB}$

有限の導電性を持つ中間材料

NLOSリンクにおける電波伝送に影響を与える物質のほとんどは、中間的な性質を持つ物質です。つまり、良好な絶縁体でも良好な導体でもありません。薄い中間物質からなる障害物に入射した電波は、厚さに応じて入射境界と出射境界の両方で一部反射され、一部は吸収されます。障害物が十分に厚い場合、電波は完全に吸収されることもあります。吸収があるため、これらの物質はしばしば損失物質と呼ばれますが、損失の程度は通常非常に大きく変動し、多くの場合、存在する水分量に大きく依存します。これらの物質は多くの場合不均質であり、様々な程度の導体特性と絶縁体特性を持つ物質の混合物で構成されています。このような例としては、丘陵、谷間、山（植生が豊富）、そして鉄筋のない石、レンガ、コンクリートで造られた建物などが挙げられます。これらの物質が厚いほど、損失は大きくなります。例えば、壁は、同じ材料で造られた建物よりも、垂直に入射する電波からのRF電力をはるかに少なく吸収します。

モード

受動的なランダム反射

パッシブランダム反射は、平面波が物体の周囲に1つ以上の反射経路を持ち、本来はLOSの無線経路がNLOSになる場合に実現されます。反射経路は、金属製（鉄橋や飛行機などの非常に良導体）またはコンクリートの建物の側面や壁などの広い範囲など、平面波に対して比較的良導体であるさまざまな物体によって引き起こされる可能性があります。平面波は反射のたびに伝送損失を受けるため、リンクがLOSであった場合と比較して、送信アンテナからの出力を高くすることで補償する必要があるため、これは力ずくの方法であると見なされることがあります。ただし、この技術は安価で簡単に使用できるため、パッシブランダム反射は都市部でNLOSを実現するために広く利用されています。パッシブ反射を使用する通信サービスには、WiFi、WiMax、WiMAX MIMO、モバイル（セルラー）通信、都市部への地上波放送などがあります。

パッシブリピーター

パッシブ リピータを使用すると、精密に設計されたリフレクタを重要な位置に意図的に設置して障害物を迂回する経路を確保することにより、NLOS リンクを実現できます。ただし、リフレクタがかさばるため、アクセスできない場所や、都市計画当局や建物の所有者が受け入れできない場所に配置する必要があるため、ほとんどの都市環境では受け入れられません。パッシブ リフレクタ NLOS リンクでは、受信信号が送信信号の「二重逆二乗則」関数であり、送信アンテナから受信アンテナへのホップごとに 1 つ存在するため、大きな損失も発生します。ただし、パッシブ リフレクタは山岳地帯で山の周りの LOS マイクロ波リンクの範囲を拡張し、NLOS リンクを作成するために効果的に使用されています。このような場合、より一般的なアクティブ リピータを設置することは、適切な電源の入手に問題があるため、通常は不可能でした。

アクティブリピーター

アクティブ リピータは、基本的に受信アンテナ、受信機、送信機、送信アンテナで構成される電源付きの機器です。NLOS リンクの端が位置 A と C にある場合、リピータは、リンク AB と BC が実際に LOS である位置 B にあります。アクティブ リピータは、受信した信号を増幅し、変更せずに同じ周波数または異なる周波数で再送信するだけです。前者の方が単純で安価ですが、フィードバックを避けるために 2 つのアンテナ間の良好な分離が必要です。ただし、NLOS リンクの端 A または C では、受信周波数を LOS リンクに使用される周波数から変更する必要がないことを意味します。典型的な用途としては、トンネル内でカーラジオを使用する車両に信号を中継または再送信することが挙げられます。周波数を変更するリピータはフィードバックの問題を回避しますが、設計が難しく高価であり、LOS ゾーンから NLOS ゾーンに移動するときに受信機で周波数を変更する必要があります。

通信衛星は、周波数を変更する能動中継装置の一例です。通信衛星は、ほとんどの場合、赤道上空22,300マイル（35,900 km）の高度にある静止軌道上にあります。

地上波伝播

ポインティングベクトルをLF （30kHz～300kHz）およびVLF（3kHz～30kHz）の垂直偏波平面波に適用すると、電界成分が地表から数メートルまで伝播することが示されます。伝播損失は非常に低く、NLOSリンクを介して数千キロメートルに及ぶ通信が可能です。しかし、このような低周波数は定義上（ナイキスト・シャノンのサンプリング定理）、帯域幅が非常に狭いため、このタイプの通信は広く利用されていません。

対流圏モード

VHF帯およびUHF帯の電波は、高度20km（12マイル）以下の大気圏下層における屈折により、視程を若干超えて伝播することがあります。 ^{[8] [9]これは、気温と気圧によって空気の屈折率が変化するためです。対流圏による遅延は、}全地球測位システム（GPS）などの無線測距技術において誤差の原因となります。^[10]さらに、特殊な条件によっては、より長距離への伝播が起こることもあります。

対流圏屈折

NLOS リンクを作成する障害物は、リンクのもう一方の端が光学的地平線を超えている場合に存在するような、地球自体である可能性があります。地球の大気の非常に有用な特性は、平均して、高度が約 30 km まで増加するにつれて、空気のガス分子の密度が減少することです。その相対誘電率または誘電率は、地球の表面での約 1.00536 から着実に減少します。^[11]高度による屈折率の変化をモデル化するために、大気は、それぞれの屈折率が下層よりもわずかに小さい、多くの薄い空気の層に近似することができます。このような大気モデルを介して各界面で進行する電波の軌道は、スネルの法則で予測されるように、1 つの光学媒体から別の光学媒体に渡される光ビームに類似しています。ビームが高屈折率から低屈折率に移動する場合、スネルの法線に従って、境界で法線から曲がったり屈折したりする傾向があります。地球の曲率を考慮すると、平均して、最初の軌道が光学的地平線に向かう電波は、地平線で地球表面に戻るのではなく、わずかに地平線を越​​える経路を辿ることがわかります。送信アンテナから電波が戻ってくる地点までの距離は、地球の半径が実際の値の4/3であると仮定した場合の光学的地平線とほぼ等しくなります。「地球半径の4/3」は、無線通信技術者がこのようなNLOSリンクを設計する際に 役立つ経験則です。

地球の半径の4/3倍という経験則は、地球の大気が適度に均質化され、温度逆転層や異常な気象条件がないと仮定した場合の平均的な値です。大気の屈折を利用したNLOSリンクは、通常、 FMや地上波テレビ放送サービスを含むVHFおよびUHF帯域の周波数で運用されます。

異常伝播

大気の屈折率、比誘電率、または誘電率が高度の上昇とともに徐々に低下するという前述の現象は、高度の上昇とともに大気の密度が減少するためです。空気の密度は温度の関数でもあり、通常、高度の上昇とともに温度も低下します。しかし、これらは平均的な条件に過ぎません。局所的な気象条件によっては、暖かい空気の層が冷たい空気の層の上に滞留する温度逆転層などの現象が発生する可能性があります。両者の境界面では、冷たい層の屈折率が小さい値から暖かい層の大きい値へと比較的急激に変化します。光学的なスネルの法則と同様に、これは電波が地表に向かって大きく反射し、そこでさらに反射される「ダクト効果」を引き起こす可能性があります。その結果、電波は通常よりも少ない減衰で、意図されたサービスエリアをはるかに超えて伝播する可能性があります。この効果はVHFおよびUHFスペクトルでのみ顕著であり、アマチュア無線愛好家が、関連する周波数において異常に長距離の通信を実現するためにしばしば利用されます。 ^[12]商用通信サービスでは、信頼性が低く（状況は数分で形成され、解消される）、通常のサービスエリアの外で干渉を引き起こす可能性があるため、利用することはできません。

温度逆転と異常伝播はほとんどの緯度で発生する可能性がありますが、温帯気候よりも熱帯気候でより一般的であり、通常は高気圧域（高気圧）と関連しています。

対流圏ダクト

大気の垂直方向の水分含有量と温度プロファイルの突然の変化により、UHF、VHF、マイクロ波信号が数百キロメートル(マイル)から約 2,000 キロメートル(1,200 マイル) まで、またダクティング モードの場合はさらに遠くまで、通常の電波地平線を越​​えて伝播する場合があります。逆転層は主に高気圧領域で観測されますが、これらのランダムに発生する伝播モードを作り出す対流圏の気象条件がいくつかあります。逆転層の高度は、ダクティングがない場合は通常 100 ～ 1,000 メートル(330 ～ 3,280 フィート)、ダクティングの場合は約 500 ～ 3,000 メートル(1,600 ～ 9,800 フィート) で、イベントの継続時間は通常数時間から数日間です。周波数が高いほど信号強度が最も劇的に増加しますが、低 VHF および HF では影響はごくわずかです。伝搬経路の減衰は、自由空間損失を下回る場合があります。地表の温暖化と大気中の水分含有量の低下に関連する、比較的軽度の逆転現象は、年間の特定の時期と時間帯に定期的に発生します。典型的な例としては、晩夏の早朝に発生する対流圏の強化が挙げられます。この強化は、数百キロメートル（マイル）も離れた場所からの信号を数時間にわたって取り込みますが、太陽の温暖化効果によって解消されます。

対流圏散乱（troposcatter）

VHF以上の周波数では、高度約6マイル（9.7 km）における大気密度の小さな変動（乱流）により、通常は視線方向を通過する無線周波数エネルギービームの一部が地面に向かって散乱されることがあります。対流圏散乱（トロポスキャッター）通信システムでは、強力なマイクロ波ビームを地平線上に照射し、ビームが通過する対流圏部分に向けられた地平線上の高利得アンテナが、微小な散乱信号を受信します。トロポスキャッターシステムは、500マイル（800 km）離れた局間で地平線を越​​えた通信を実現できます。軍は、通信衛星がそれらの通信網の大部分を置き換える1960年代以前に、アラスカ全土をカバーするホワイトアリス通信システムなどのネットワークを開発しました。

対流圏散乱NLOSリンクは、通常数ギガヘルツで動作し、非常に高い送信電力（条件によって異なるが、通常は3kWから30kW）、非常に高感度な受信機、そして通常は固定式の非常に高利得の大型反射アンテナを使用します。送信ビームは、十分な電力束密度で地平線のすぐ上の対流圏に向けられ、ビームパス内の散乱体積と呼ばれる領域でガスや水蒸気分子による散乱を引き起こします。散乱されたエネルギーの一部は受信アンテナの方向に伝わり、受信信号を形成します。この領域には散乱を引き起こす粒子が非常に多く存在するため、レイリーフェージング 統計モデルは、この種のシステムの動作と性能を予測する上で有用です。

雨の散乱

降雨散乱は純粋なマイクロ波伝搬モードであり、10GHz 付近で最もよく観測されますが、数ギガヘルツまで拡張され、その限界は散乱粒子のサイズと波長の関係です。このモードでは、水平偏波を使用する場合、および垂直偏波を使用する場合、主に前方と後方に信号が散乱します。前方散乱は通常、800km (500マイル) の伝搬範囲をもたらします。雪片や氷の粒による散乱も起こりますが、水面のない氷による散乱はあまり影響しません。この現象の最も一般的な応用はマイクロ波降雨レーダーですが、降雨散乱伝搬は迷惑であり、予期しないまたは望ましくない場所に不要な信号が断続的に伝搬することがあります。同様の反射は、より低高度でより短い範囲の昆虫からも発生する可能性があります。雨はまた、ポイントツーポイントおよび衛星マイクロ波リンクの減衰を引き起こします。熱帯の大雨時には、30 GHz で最大 30 dB の減衰値が観測されています。

雷の散乱

VHFおよびUHF帯では、雷の散乱が約500km（310マイル）の距離で観測されることがあります。ホットライトニングチャネルは、ほんの一瞬だけ電波を散乱させます。雷からのRFノイズバーストにより、オープンチャネルの初期部分は使用できなくなり、低高度および高気圧での再結合により電離は急速に消失します。ホットライトニングチャネルはマイクロ波レーダーで短時間観測できますが、このモードの通信における実用的利用は未だ見つかっていません。

電離層伝播

NLOSリンクをサポートする電離層伝播のメカニズムは大気屈折のメカニズムと似ていますが、この場合、電波の屈折は大気中ではなく、はるかに高い高度の電離層で発生します。^{[13]対流圏の場合と同様に、電離層伝播は}レイリーフェーディングを使用して統計的にモデル化できる場合があります。

電離層は高度約 50 km から 400 km まで広がっており、高度が増加するにつれて D、E、F1、F2 と示される明瞭なプラズマ層に分割されています。電波は大気ではなく電離層によって屈折されるため、層のいずれかを経由する 1 回の屈折パスまたは「ホップ」で、はるかに長距離の NLOS リンクが可能になります。特定の条件下では、1 ホップを経た電波は地球の表面で反射してさらにホップを経験することがあり、範囲が広がります。これらの位置とイオン密度は太陽からの入射光によって大きく制御されるため、日周、季節、および太陽黒点活動時に変化します。20 世紀初頭にマルコーニが電波が地平線を越​​えることができることを初めて発見したことから、その後約 50 年間にわたって電離層伝搬に関する広範な研究が行われ、さまざまな HF リンク チャネル予測表やチャートが作成されました。

電離層伝播の影響を受ける周波数はおよそ 500 kHz から 50 MHz の範囲ですが、このような NLOS リンクの大部分は 3 MHz から 30 MHz の間の「短波」または高周波(HF) 周波数帯域で動作します。

20世紀後半には、衛星通信や海底光ファイバーといった、見通し外（NLOS）長距離通信の代替手段が開発されました。どちらもHF帯よりもはるかに広い帯域幅を伝送でき、信頼性もはるかに高いという利点があります。こうした制約はあるものの、HF通信は比較的安価で簡素な機器とアンテナしか必要としないため、主に主要通信システムのバックアップとして、あるいは他の通信手段が費用対効果に優れない人口密度の低い遠隔地で利用されています。

議論

天空波の伝播

スカイウェーブ伝搬はスキップとも呼ばれ、電離層による電波の反射と屈折を利用するモードです。電離層は高度約 60 ～ 500 km (37 ～ 311 マイル) の大気圏領域で、電波を地球の方向に屈折させて戻す荷電粒子(イオン) の層が含まれています。空に向かって斜めに向けられた電波はこれらの層で地​​平線を越​​えて地球に反射し、長距離の電波伝送が可能になります。長距離のマルチホップ HF 伝搬ではF2 層が最も重要な電離層ですが、F1 層、E 層、および D 層も重要な役割を果たします。D 層は、日照期間中に存在する場合、かなりの量の信号損失を引き起こします。また、E 層でも同様です。E 層の最大使用可能周波数は 4 MHz 以上になる可能性があり、そのため高周波信号が F2 層に届かなくなります。これらの層、あるいはより正確には「領域」は、日周周期、季節周期、そして11年周期の太陽黒点周期において太陽の直接的な影響を受け、これらのモードの有用性を決定します。太陽活動極大期、すなわち黒点のピーク時には、30MHzまでのHF帯全域を通常24時間使用可能であり、太陽放射量（太陽フラックス）に応じて50MHzまでのF2伝搬が頻繁に観測されます。太陽活動極小期、すなわち黒点数がゼロに近づく時期には、15MHzを超える周波数の伝搬は一般的に利用できません。

一般に、特定の経路に沿った双方向の HF 伝搬は相互的である、つまり、場所 A からの信号が場所 B に十分な強度で到達する場合、同じ経路を双方向に通過するため、場所 B からの信号はステーション A で同様になる、と主張されます。しかし、電離層は相互定理をサポートするにはあまりに複雑で常に変化しています。経路は両方向でまったく同じになることはありません。^[14]簡単に言うと、経路の両端の状態によって一般に異なる偏波シフトが発生し、その結果、電離密度、天頂角のシフト、地球の磁気双極子コンターの影響、アンテナの放射パターン、地面の状態、およびその他の変数の差により伝搬特性が異なる常光線と異常光線 (ペダーセン光線) に異なる分裂が発生します。

上空波モードの予測は、アマチュア無線家、商用の船舶・航空機通信、そして短波放送局にとって大きな関心事です。特定のビーコン送信機からの送信を傍受することで、リアルタイムの伝搬状況を評価できます。

有限吸収

LOS リンクを NLOS に変更する物体が良導体ではなく中間物質である場合、その物体に入射する RF 電力の一部が吸収されます。ただし、物体の厚さが有限であれば吸収も有限であり、結果として生じる電波の減衰は許容範囲内であり、実際にその物体を通過する電波を使用して NLOS リンクを確立できる場合があります。たとえば、WLAN では、一般的なオフィス環境において、WLAN アクセス ポイントと WLAN クライアント間の通信に有限吸収の NLOS リンクがよく使用されます。使用される無線周波数は一般に数ギガヘルツ (GHz) で、通常は許容範囲内の減衰で数枚のオフィスの薄い壁やパーティションを通過します。このような壁を多数通過したり、厚いコンクリート壁や類似の (非金属の) 壁を数枚通過したりすると、NLOS リンクは機能しなくなります。

流星の散乱

流星散乱は、流星によって生成される強力に電離した大気柱からの電波の反射を利用しています。このモードは持続時間が非常に短く、1回のイベントあたりわずか数秒から数秒程度であることが多いですが、デジタル流星バースト通信により、衛星リンクに必要な費用をかけずに、数百マイルから1,000マイル（1,600 km）以上離れた遠隔局と通信することが可能になります。このモードは、30MHzから250MHzのVHF周波数で最も一般的に使用されます。

オーロラ後方散乱

高度 100 km (62 マイル) のオーロラオーバル内にある強力なオーロラ電離柱は、HF および VHF を含む電波を後方散乱します。後方散乱は角度に敏感で、入射光線と柱の磁力線とのなす角が直角に非常に近くなければなりません。磁力線の周りを螺旋状に回る電子のランダムな動きによってドップラー効果が生じ、放射スペクトルがノイズのように広がります (使用される無線周波数の高さによって異なります)。電波オーロラは主に高緯度で観測され、中緯度まで広がることはめったにありません。電波オーロラの発生は太陽活動 (フレア、コロナホール、CME ) に依存し、毎年、太陽活動サイクルの極大期にはオーロラの発生数が多くなります。電波オーロラには、いわゆる午後の電波オーロラがあり、これはより強いが歪みの大きい信号を生成します。また、ハラン極小期の後には、深夜の電波オーロラ（サブストーミング期）が再び現れ、信号強度は変動し、ドップラースプレッドは小さくなります。この主に後方散乱によるモードの伝播範囲は、東西平面で約2,000 km（1,200マイル）まで広がりますが、最も強い信号は、同緯度の近隣地点で北から観測されることが多いです。

まれに、強い電波オーロラの後にオーロラ E が続くことがあります。オーロラ E は、ある意味で両方の伝播タイプに似ています。

スポラディックE伝播

スポラディックE（Es）伝搬は、HFおよびVHFバンドで発生します。^[15]これを通常のHF E層伝搬と混同しないでください。中緯度でのスポラディックEは、主に夏季に発生し、北半球では5月から8月、南半球では11月から2月にかけて発生します。この不思議な伝搬モードの原因は1つではありません。反射は高度約90km（56マイル）の薄い電離層で起こります。電離パッチは時速数百km（マイル）の速度で西向きにドリフトします。季節を通して弱い周期性が見られ、通常Esは1日から3日連続で観測され、数日間見られなくなった後、再び発生します。Esは真夜中には発生しません。イベントは通常夜明けに始まり、午後にピークがあり、夕方に2回目のピークがあります。^[16] Es伝搬は通常、地方時の真夜中までに消えます。

28.2MHz、50MHz、70MHz付近で動作する無線伝搬ビーコンの観測によると、夏季のほとんどの日において、Esの最大観測周波数（MOF）は30MHz付近で推移するが、10分間で100MHz、あるいはそれ以上まで急上昇し、その後数時間かけて徐々に低下することがある。ピーク時には、約5～10分周期のMOF振動が見られる。Esのシングルホップでの伝搬範囲は通常1,000～2,000km（620～1,240マイル）であるが、マルチホップでは2倍の範囲が観測されている。信号は非常に強いが、ゆっくりとしたディープフェーディングも発生する。

飛行機の散乱

航空機による散乱（または反射）は、VHF帯からマイクロ波帯まで観測され、後方散乱に加えて、山岳地帯でも瞬間的に最大500km（310マイル）の伝播距離が得られる。後方散乱の最も一般的な応用分野は、航空交通レーダー、バイスタティック前方散乱誘導ミサイルレーダー、航空機探知トリップワイヤレーダー、そして米国の宇宙レーダーである。

地球・月・地球通信

地球・月・地球間の通信の図

地球・月・地球通信（EME）は、月反射とも呼ばれ、地球上の送信機から発信された電波が月の表面で反射して地球上の受信機に戻ってくるという無線通信技術です。

その他の影響

回折

ナイフエッジ回折とは、電波が鋭いエッジの周りで曲がる伝搬モードです。例えば、このモードは、見通しの利かない山脈を越えて無線信号を送信する場合に用いられます。ただし、角度が急すぎると信号が回折しなくなります。回折モードでは信号強度が増加するため、同等の見通しの利く経路の場合よりも高い出力や高性能なアンテナが必要になります。

回折は波長と障害物の大きさの関係、つまり波長における障害物の大きさに依存します。低い周波数は、丘などの大きく滑らかな障害物を回り込みやすく回折します。例えば、丘の影のためにVHF（またはより高い周波数）の通信が不可能な場合でも、表面波がほとんど役に立たないHF帯の高周波数帯域を使用すれば通信が可能です。

高周波においては、小さな障害物による回折現象も重要です。都市部の携帯電話信号は、都市環境の屋根の上を伝搬する際にグランドプレーン効果の影響を大きく受ける傾向があります。その後、信号は屋根の端から道路へと回折し、そこでは多重伝搬、吸収、回折現象が支配的になります。

吸収

低周波の電波はレンガや石を簡単に通過し、VLF は海水さえも貫通します。周波数が高くなると、吸収の影響がより重要になります。マイクロ波以上の周波数では、大気中の分子共鳴 (主に水、H ₂ O と酸素、O ₂ ) による吸収が、無線伝搬の大きな要因になります。たとえば、58～60 GHz 帯には大きな吸収ピークがあり、この帯域は長距離使用には役に立ちません。この現象は、第二次世界大戦中のレーダー研究で初めて発見されました。約 400 GHz を超えると、地球の大気がスペクトルの大部分をブロックしますが、オゾンによってブロックされる紫外線まではいくらかは通過させますが、可視光と近赤外線の一部は透過します。大雨や降雪もマイクロ波の吸収に影響します。

ポジショニングへの影響

近年の測位システムのほとんどでは、受信信号が見通し内（LOS）経路を通って伝播すると仮定されています。しかし、この仮定に反すると、不正確な測位データが得られる可能性があります。^[17]到着時間に基づく測位システムでは、送信信号は見通し外（NLOS）経路を通ってのみ受信機に到達します。見通し外誤差は、受信信号が見通し外（LOS）経路に対して移動した距離として定義されます。見通し外誤差は常に正のバイアスを持ち、その大きさは伝搬環境に依存します。

参考文献

1. Pozar, David M. (2005); Microwave Engineering, Third Edition (International Ed.); John Wiley & Sons, Inc.; pp 5-9. ISBN 0-471-44878-8。
2. Ramo, Whinnery, Van Duzer;「通信エレクトロニクスにおける電界と波動」John Wiley & Sons, Inc; pp 322-324. ISBN 0-471-58551-3
3. モートン、AH; 「Advanced Electrical Engineering」; Pitman Publishing Ltd.; pp 387-389. ISBN 0-273-40172-6。
4. AJ Baden Fuller著「マイクロ波 第2版」 Pergammon Press 47ページISBN 0-08-024228-6。
5. ラモ、ウィナリー、ヴァン・デューザー (前掲); 717-719ページ。
6. AJ バーデン・フラー (前掲); p152
7. AJ Baden Fuller（前掲）; pp45-47
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10. Kleijer, Frank (2004). 高精度GPS水準測量のための対流圏モデリングとフィルタリング(PDF) . 数理測地学・測位学科 (博士論文). デルフト（オランダ）：デルフト工科大学. オリジナル(PDF)から2008年9月7日アーカイブ。
11. Tennent, RM（編）; 「科学データブック」; オープン大学; p66
12. ハッチンソン、チャック K8CH;「ARRLアマチュア無線ハンドブック 2001 第78版」;アメリカ無線中継連盟ISBN 0-87259-186-7
13. ケネディ、ジョージ (1993). 『電子通信システム』 マクミラン/マグロウヒル. ISBN 0-07-112672-4。
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15. デイヴィス、ケネス (1990).電離層無線. IEE電磁波シリーズ. 第31巻. ロンドン、英国: ピーター・ペレグリヌス社 / 電気技術者協会. pp.  184– 186. ISBN  0-86341-186-X。
16. Jacobs, George and Cohen, Theodore J. (1982). Shortwave Propagation Handbook . Hicksville, NY: CQ Publishing. pp.  130– 135. ISBN  978-0-943016-00-9。
17. Wang Wei; Xiong Jin-Yu; Zhu Zhong-Liang (2005). 「位置推定における新しいNLOS緩和アルゴリズム」. IEEE Transactions on Vehicular Technology . 54 (6). IEEE Vehicular Technology Society: 2048– 2053. doi :10.1109/TVT.2005.858177. ISSN  0018-9545.

さらに読む

• Bullington, K.、「無線伝搬の基礎」、Bell System Technical Journal Vol. 36 (1957 年 5 月)、pp 593–625。
• 「地上放送の技術計画パラメータと方法」（2004年4月）オーストラリア放送局。ISBN 0-642-27063-5

外部リンク

• UNSWのCMRによる「屋内環境における視線外（NLOS）位置推定」に関する研究