Multipath

Mehrwegeausbreitung tritt auf, wenn ein gesendetes Funksignal von Gebäuden, Gelände, Metallstrukturen oder anderen Hindernissen reflektiert wird, bevor es die Empfängerantenne erreicht. Statt eines direkten, sauberen Pfads kommt das Signal über mehrere verschiedene Routen an, jede mit etwas unterschiedlicher Laufzeit und unterschiedlicher Amplitude. Diese Überlagerung von verzögerten Kopien erzeugt konstruktive und destruktive Interferenz am Empfänger und führt zu Schwankungen der Signalstärke und Signalqualität.

Die Verzögerung zwischen dem frühesten und dem spätesten ankommenden Signal wird Verzögerungsspreizung genannt. In städtischen Umgebungen kann die Verzögerungsspreizung Mikrosekunden bis Zehnerpotenzen von Mikrosekunden umfassen, je nach Größe des Bereichs und Dichte der Reflektoren. Ein Signal, das über einen reflektierten Pfad 1 Mikrosekunde länger benötigt, kommt in physischer Entfernung 300 Meter später an. Wenn mehrere verzögerte Versionen desselben Signals interferieren, können sie sich bei bestimmten Frequenzen gegenseitig verstärken oder bei anderen auslöschen und erzeugen dabei tiefe Einbrüche im empfangenen Signal über das gesamte Spektrum.

Auswirkungen auf Kommunikationssysteme

Mehrweg-Fading ist eine Hauptquelle für Signalverschlechterung in mobilen Funksystemen, WiFi und Mobilfunksystemen, die unter Bedingungen ohne direkte Sichtlinie arbeiten. Ein Empfänger, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, bei der zwei Mehrweg-Kopien um etwa 180 Grad phasenversetzt ankommen, erlebt einen starken Einbruch bei dieser Frequenz, während benachbarte Frequenzen starke Signale empfangen können. Dieses frequenzselektive Fading kann Daten beschädigen, wenn das System nicht durch Entzerrung, Diversity-Empfang oder Codierungstechniken ausgleicht. Schnelles Fading tritt auf, wenn sich der Empfänger oder Sender schnell bewegt und die Mehrweg-Konfiguration sich schneller ändert als der Empfänger sie verfolgen kann.

Ingenieure bekämpfen Mehrwegeausbreitung durch mehrere praktische Methoden. Diversity-Techniken nutzen mehrere Antennen mit Abstand, um etwas unabhängige Mehrweg-Muster zu empfangen, da mindestens eine Antenne zu jedem Zeitpunkt ein starkes Signal haben wird. Direct-Sequence-Spread-Spectrum und Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing (OFDM) Systeme handhaben Mehrwegeausbreitung eleganter als Schmalband-Systeme, weil ihre größere Bandbreite einzelne Reflexionen auflöst, anstatt sie zusammenzumischen. In Indoor-Funksystemen werden Antennenplatzierung und Polarisationswahl so abgestimmt, dass die schlimmsten Mehrweg-Nullstellen in kritischen Abdeckungsbereichen vermieden werden.

Mehrwegeausbreitung ist in mobilen Funksystemen unvermeidlich; kein Empfänger kann unterscheiden, ob ein reflektiertes Signal berechtigt ist oder unerwünscht. Moderne Systeme gehen davon aus, dass Mehrwegeausbreitung vorhanden sein wird, und gestalten ihre Wellenformen und Empfänger entsprechend. Freiraum-Ausbreitung, bei der die direkte Sichtlinie ungehindert ist und Reflexionen vernachlässigbar sind, ist die Ausnahme in echten Einsätzen. Das Verständnis der Mehrweg-Umgebung eines bestimmten Standorts durch Ausbreitungsmessungen oder Modellierung ist für zuverlässige Link-Budgets erforderlich.