خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر FSPL

توفر طريقة انتشار الإشارة وخسارة المسير المتكبدة أساسًا لنماذج انتشار أكثر تعقيدًا، وعلى الرغم من أن نموذج الانتشار في الفضاء الحر يفصل في معظم الحالات الطريقة التي تنتقل بها الإشارة الراديوية في الفضاء الحر وعندما لا تكون تحت تأثير العديد من العناصر الخارجية الأخرى التي تؤثر على الانتشار.

ما هي خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

خسارة مسار الفضاء الحر (Free Space Propagation Loss): هي خسارة قوة الإشارة أثناء انتقالها عبر الفضاء الحر، حيث يتم حساب هذه القيمة عادةً عن طريق خصم أي عقبات أو انعكاسات قد تحدث في مسارها، كما يعرّفها معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) على أنّها “الخسارة بين مشعاعين متناحرين في الفضاء الحر ومعبرًا عنها كنسبة قدرة”، وادخال مكاسب التردد والمسافة والنظام لحساب خسارة مسار الفضاء الحر ويتم التعبير عنها بوحدة الديسيبل.

أساسيات خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

مفهوم وحسابات خسارة مسار الفضاء الحر ليست مفيدة فقط لحساب مستويات الإشارة لمسارات الفضاء الحر مثل تلك التي تصل إلى السواتل ومنها، ولكنها تشكل أيضًا أساسًا للعديد من الحسابات الأخرى بينما يبدو أن المعادلات تشير إلى أنّ خسارة المسار تزداد مع التردد.

تُستخدم خسارة مسار الفضاء الحر للتنبؤ بقوة إشارة التردد الراديوي على مسافة معينة، وهذه قيمة نظرية هناك العديد من العقبات والانعكاسات والخسائر التي يجب حسابها عند تقدير الإشارة في موقع ما، ومع ذلك فإنّ (FSPL) هو تقدير تقريبي جيد لتقدير فقدان الإشارة عند الانتشار عبر الفضاء الحر.

تأخذ الآلة الحاسبة لخسارة رقعة المساحة الخالية في الاعتبار الكسب على كل من هوائيات الاستقبال والإرسال، ويعوض كسب الهوائيات الخسارة بقيمة ديسيبل معينة وإذا تجاهلت الكسب في أي من الطرفين أي الطرف المرسل والمستقبل فسيكون (FSPL) مجرد عامل للتردد والمسافة، كما أنّ إشارات التردد الراديوي ستنتشر في الهواء.

ملاحظة: “FSPL” هي اختصار لـ “free space Propagation loss”.

خصائص خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

تشير خسارة المسار عادةً إلى توهين القدرة التي يشعها المرسل مع زيادة المسافة، ولا سيما في مجال الاتصالات، وعندما تنتقل إشارة من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال عبر فراغ أو مساحة خالية دون أي عائق يسد مسارها الحر، ويُشار إلى هذا الانخفاض في قوة الإشارة بخسارة مسار الفضاء الحر (FSPL).

لحساب قيمة (FSPL) يجب على المرء أيضًا أن يستبعد أي انعكاسات محتملة أو عوائق أخرى قد تحدث، حيث بمجرد أن تأخذ ما سبق في الاعتبار، وفي الاتصالات السلكية واللاسلكية تُعتبر خسارة المسار في الفضاء الحر (FSPL) هي خسارة في قوة إشارة الموجة الكهرومغناطيسية، والتي تنتج عن مسار خط البصر عبر الفضاء الحر، ومع عدم وجود عوائق قريبة تسبب انعكاسًا أو انحرافًا.

ملاحظة:يظهر (FSPL) في الفراغ في ظل الظروف المثالية وعلى سبيل المثال اتصال لاسلكي بين الأقمار الصناعية وهو معيار لاشتقاق معادلة الرادار أيضًا.

كيفية حساب خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

إذا انبعثت طاقة عالية التردد بواسطة مشع متناحٍ، فإنّ الطاقة تنتشر بشكل موحد في جميع الاتجاهات، حيث بالتالي فإنّ المناطق التي لها نفس كثافة القدرة تشكل مجالات (A = 4πR²) حول المبرد، كما تنتشر نفس كمية الطاقة على سطح كروي متزايد في نصف قطر كروي متزايد، وهذا يعني أنّ كثافة القدرة على سطح الكرة تتناسب عكسياً مع مساحة السطح (A) أو مربع نصف القطر (R) للكرة.

في الواقع يُلخص تعبير (FSPL) تأثيرين، حيث يتناسب فقدان القدرة في الفضاء الحر مع مربع المسافة بين المرسل والمستقبل ويتناسب أيضًا مع مربع تردد الإشارة الراديوية، فالتأثير الأول يتم فيه تحديد انتشار الطاقة الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر من خلال قانون التربيع العكسي، والتأثير الثاني هو تأثير فتحة هوائي الاستقبال التي تصف مدى قدرة الهوائي على التقاط الطاقة من موجة كهرومغناطيسية واردة.

تُستخدم خسارة مسار الفضاء الحر لحساب توهين أي تقليل قوة الإشارة بين هوائيين، كما يفترض (Free Space Path Loss) أن المسافة بين الهوائيين هي مسار مستقيم خالٍ من العوائق عبر الهواء، ويمكن استخدام هذا الحساب كجزء من تحليل ميزانية الارتباط الأكثر تعمقًا عند التخطيط لتصميم نظام اتصالات.

فوائد خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

• في الاتصالات تشير خسارة المسار إلى توهين القدرة التي يشعها المرسل مع زيادة المسافة.

• عندما تنتقل إشارة من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال عبر مساحة خالية دون أي عوائق بين الاثنين أي خط رؤية واضح ويُشار إلى الانخفاض في قوة الإشارة بخسارة مسار الفضاء الحر (FSPL).

• عندما تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الحر أو الفراغ، تقل شدتها مع زيادة المسافة من المصدر.

• مع تحرك التموجات إلى الخارج تقل شدتها، وبالمثل تنخفض قوة إشارة الموجات الكهرومغناطيسية عندما تتحرك جبهة الموجة بعيدًا عن مصدر الإشعاع.

• يتناسب الانخفاض في الكثافة عكسياً مع مربع المسافة من المصدر.

أهمية حساب خسارة قوة الإشارة في الفضاء الحر

بالنسبة للإشارة اللاسلكية المرسلة، يمكن أن تختلف قوة الإشارة المستقبلة اعتمادًا على مواقع أجهزة الاستقبال، حيث يمكن أن تتعرض الإشارة المرسلة لخسائر مختلفة في المسار قبل الوصول إلى أجهزة الاستقبال، كما يمكن قياس أو معرفة قوة الإشارة المستقبلة ويمكن تقدير خسارة المسار وعلى سبيل المثال كفرق بين قوة الإشارة المستقبلة وقوة الإشارة المرسلة.

يمكن عادةً الإشارة إلى حساب قوة الإشارة المستقبلة أو فقدان المسار على أنّه التنبؤ ودون الحاجة إلى إرسال الإشارة اللاسلكية فعلياً، ومن الناحية العملية عادةً ما يتضمن حساب قوة الإشارة المستقبلة أو خسارة المسار عمليات تقريبية، ويمكن التنبؤ بقوة الإشارة المستقبلة أو خسارة المسار باستخدام طرق إحصائية وطرق حتمية.

تعتمد الطرق الإحصائية على قياس ومتوسط ​​شدة الإشارة المستقبلة أو خسائر المسار على طول الأصناف النموذجية للوصلات الراديوية، حيث تعتمد الطرق الحتمية على القوانين الفيزيائية لانتشار الموجة ويتم تتبع الشعاع هو مثال على الطريقة الحتمية، وتشتمل معلومات الهوائي وقدرة الإرسال للمحطة الأساسية في المنطقة الجغرافية على قوة الإشارة المستقبلة في المساحة الخالية.

وتمثل قوة الإشارة المستقبلة في الفضاء الحر للإشارات اللاسلكية المستلمة في مواقع مختلفة في المنطقة الجغرافية، حيث يتم حساب قوة الإشارة المستقبلة في الفضاء الحر والمواقع المختلفة في المنطقة الجغرافية بناءً على قدرة إرسال الهوائي، ومخطط إشعاع الهوائي والمسافات ذات الصلة من المواقع المختلفة في المنطقة الجغرافية إلى هوائي المحطة الأساسية.

في النهاية، نموذج الانتشار في الفضاء الحر هو أبسط سيناريو لانتشار الإشارات الراديوية، كما يُعد تقدير خصائص الإشارة والخسائر المرتبطة بها أثناء الإرسال أمرًا مهمًا للغاية لتصميم أنظمة الاتصالات اللاسلكية.