D2D-Device-to-Device-Fizicheskie-principy-pryamoj-radiosvyazi

1.

D2D
(DEVICE-TODEVICE)
Физические принципы прямой радиосвязи
Как радиоволны соединяют устройства напрямую, минуя вышку
Презентация по физике

2.

КАК
РАДИОВОЛНЫ
СОЕДИНЯЮТ
УСТРОЙСТВА
НАПРЯМУЮ
В D2D устройства обмениваются данными напрямую по
радиоканалу, минуя базовую станцию.

3.

ЧТО ТАКОЕ D2D
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ФИЗИКА ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ
Прямой радиоканал
Высота антенн ~1,5 м
D2D (Device-to-Device, «устройство-к-устройству»)
— обмен данными между двумя устройствами
напрямую по радиоканалу, без базовой станции.
В D2D оба устройства находятся низко над землёй
— около 1,5 м.
Обычная связь: телефон → вышка (базовая
станция, антенна на высоте 25–50 м) → телефон.
Это меняет физику: сигнал идёт в приземном слое,
где больше препятствий и отражений.

4.

ПОЧЕМУ D2D — ОСОБАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ
ЗАДАЧА
ФАКТОР 1
ФАКТОР 2
ФАКТОР 3
ФАКТОР 4
Низкие антенны
Многолучевость
Интерференция
Низкие антенны →
сильное влияние
рельефа, зданий,
листвы.
Многолучевость
(сигнал приходит к
приёмнику
несколькими путями —
отразившись от стен,
земли и объектов, с
разными задержками).
Результат
многолучевости —
интерференция
(наложение волн: в
фазе усиливают друг
друга, в противофазе
гасят).
Закон обратных
квадратов
Закон обратных
квадратов: мощность
падает как Pᵣ ∝ 1/d² —
увеличили расстояние
в 2 раза, мощность
упала в 4 раза.

5.

УРАВНЕНИЕ ФРИИСА — «СЕРДЦЕ»
РАДИОЛИНИИ
Pᵣ — принятая мощность (сколько энергии дошло до
приёмника).
ФОРМУЛА ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ
Физический смысл: чтобы связь была
устойчивой, нужно увеличивать Pₜ,
использовать направленные антенны
(Gₜ, Gᵣ) или сокращать d.
Pₜ — переданная мощность (сколько энергии отправил
передатчик).
Gₜ, Gᵣ — коэффициенты усиления антенн (насколько антенна
направленная, как фонарик с линзой).
λ — длина волны (расстояние между соседними гребнями
волны).
d — расстояние между устройствами.

6.

ЧАСТОТЫ И
ДИАПАЗОНЫ: ФИЗИКА
ВЫБОРА
Частота — сколько колебаний
волна совершает за секунду; чем
выше частота, тем короче длина
волны.
Высокие частоты (2,4 ГГц, 5 ГГц, 60
ГГц) дают высокую скорость
передачи, но сильно затухают
(теряют энергию быстрее).
Причина: короткая волна хуже
огибает препятствия и сильнее
поглощается стенами, листвой,
молекулами воздуха.
Типичная дальность D2D в помещении на высоких частотах — менее 100 м.

7.

ПОМЕХИ КАК ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА
ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ
Суперпозиция
Интерференция
Методы борьбы
В D2D устройства делят частоты
с другими пользователями сети
→ возникают помехи (чужие
сигналы, мешающие приёму).
В фазе → усиление сигнала. В
противофазе → деструктивная
интерференция (гашение).
Методы борьбы: направленные
антенны (пространственная
фильтрация) и управление
мощностью (снижение Pₜ).
Физика и помехи —
Суперпозиция - свойство волн
(звуковых, световых,
электромагнитных) проходить
сквозь друг друга и
складываться вызывая эффекты
интерференции.

8.

ГДЕ ФИЗИКА D2D КРИТИЧЕСКИ ВАЖНА
СЦЕНАРИЙ 01
СЦЕНАРИЙ 02
СЦЕНАРИЙ 03
Public Safety (спасение людей)
IoT (интернет вещей)
Мобильные игры
Public Safety (спасение
людей): при разрушении
вышек спасатели связываются
напрямую. Критичны
дальность и проникающая
способность сигнала в завалах
и лесу.
IoT (интернет вещей): датчики
общаются напрямую и
экономят энергию батарей —
это напрямую связано с
переданной мощность
Мобильные игры: прямая
связь для низкой задержки
требует широких частотных
каналов.

9.

АНАЛОГИЯ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ
СРАВНЕНИЕ МАСШТАБОВ
ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СРЕДЫ
Башня vs Фонарики в лесу
Рассеяние и отражение
Связь с вышкой — как смотреть на город с
высокой башни: видно далеко и много.
Деревья — это препятствия. Они рассеивают свет
(аналог затухания) и отражают его (аналог
многолучевости).
D2D — как два человека с фонариками в густом
лесу: видят друг друга, только если стоят близко и
направляют свет точно друг на друга.
Если посветить в стену — отражённый свет может
прийти к другу сбоку, но слабее и с задержкой.

10.

ВЫВОД
D2D — это физическая задача о передаче
электромагнитной энергии между двумя низко
расположенными антеннами.
Ключевые факторы: закон обратных квадратов,
многолучевость, интерференция и ограничения по частоте.
Понимание уравнения Фрииса и физики распространения волн
позволяет инженерам решать, когда D2D-связь будет работать,
а когда проще использовать вышку.
10