Почему на борту не работает телефон уже в километре от берега, хотя вышки видно

Гость поднимает телефон над головой и медленно разворачивается на месте, как антенна. Мы в полутора километрах от берега, город виден до последнего балкона на склоне, вышку сотовой связи можно показать пальцем. Полоски на экране: две, одна, ноль.

«Да как так, вон же она стоит».

Ответ «ну ты же в море» тут ничего не объясняет. До той вышки по прямой километра три, а в городе три километра — обычное рабочее расстояние, на котором никто не теряет сеть.

Горизонт тут ни при чём

Первая версия, которую предлагают почти всегда, — кривизна Земли. Проверяется в одну строчку.

Дальность прямой видимости между двумя антеннами считают как 3,57 × (√h₁ + √h₂): высоты в метрах, результат в километрах. Мачта сотовой связи за городом — это десятки метров, у операторов встречаются конструкции и на 39, и на 40, и на 70. Телефон в руке над водой — примерно два метра. Подставляем сорок и два: около 28 километров.

Радиоволна вдобавок заглядывает чуть дальше видимого горизонта. Нижние слои атмосферы плотнее верхних, луч слегка загибается вниз, и радиогоризонт оказывается дальше геометрического — эффект известный и в расчёты закладывается штатно.

Двадцать восемь километров против полутора. Высоту глаза и горизонт мы считали отдельно: с пляжа его 4,7 километра, с флайбриджа вдвое больше. Земля круглая, но не настолько.

Значит, дело не в дальности, а в том, куда именно вышка светит.

Антенна смотрит вниз и вдоль берега

Панель на мачте — не лампочка, светящая во все стороны. Каждый сектор излучает лучом шириной около шестидесяти градусов по горизонтали, и тремя такими секторами закрывают полный круг. А по вертикали луч гораздо уже: типичная ширина диаграммы у базовых антенн — от четырёх до восьми градусов.

И этот узкий луч наклоняют вниз. Наклон, он же тилт, — штатный инструмент планирования сети. По умолчанию панель стоит вертикально, наклон нулевой, и тогда она светит вдоль земли в пустоту; рабочие значения электрического наклона в сетях LTE лежат в диапазоне от нуля до десяти градусов, а расчётный оптимум обычно попадает в вилку 3,5–10,5. Наклоняют затем, чтобы энергия падала туда, где абоненты, и не залетала в соседние соты помехой.

Дальше — тригонометрия за седьмой класс. Мачта сорок метров, наклон три градуса: ось луча ложится на поверхность метрах в семистах от основания. При шести градусах — уже в трёхстах восьмидесяти. Всё, что дальше, освещается краем диаграммы, и чем дальше, тем более дальним краем.

На суше это никого не смущает. За первым домом стоит второй, за ним склон, и абонент в трёх километрах всё равно обслуживается. А в море за краем луча нет ничего: вы сидите под лучом, который прошёл у вас над головой ещё где-то на линии прибоя.

Плюс география. Секторы разворачивают туда, где абоненты платят, — вдоль берега и в глубь суши, на отели, дороги и посёлки. Море в этой картине не сторона обслуживания, а задник.

Над водой сигналу не от чего отразиться

В городе телефон почти никогда не видит вышку напрямую. Сигнал приходит окольными путями: отразился от стеклянного фасада, обогнул угол дома, переотразился от склона. Именно многолучёвка вытягивает связь в подворотне и в лифтовом холле.

Над морем отражать нечем. Ни домов, ни склонов, ни деревьев — одна плоскость.

И вот тут поворот, которого не ждёшь: вода-то как раз отражает, причём отлично. В исследованиях морской радиоканал так и описывают — выраженная двухлучевая картина, прямой луч плюс сильный зеркальный, пришедший от поверхности. Отражённый приходит с задержкой и другой фазой, складывается с прямым, и по моделям и замерам он чаще ослабляет связь, чем усиливает. Единственная поверхность, которая могла бы выручить, работает против.

Волна добавляет своё, и это самая недооценённая часть. Морская вода для дециметровых волн почти непрозрачна: слой толщиной около десяти сантиметров даёт больше 34 дБ ослабления на частоте 1 ГГц и больше 78 дБ на 2 ГГц. Гребень между вами и берегом — не помеха, а заслонка. Поэтому вероятность прямой видимости так резко растёт с высотой: при волнении полметра подъём антенны с уровня воды всего на метр удваивает эту вероятность, с половины до почти единицы.

Отсюда вывод, который проверяется за один выход: на флайбридже сеть ловится лучше, чем в кокпите, а в кокпите — лучше, чем сидя на купальной платформе по пояс в воде. Флайбридж, к слову, есть у заметной части моторных бортов, и это тот редкий случай, когда верхняя палуба даёт не только вид.

И ещё одна деталь из замеров: с усилением ветра принимаемая мощность падает. Море становится шершавым, зеркальное отражение рассыпается в рассеянное, ловить становится нечего. Черноморская волна короткая, гребни идут часто — телефон это чувствует раньше, чем гости.

Полоски есть, а звонок не идёт

Знакомая сцена: индикатор показывает деление-два, но вызов не проходит или замирает на «соединение». Это не глюк прошивки, а асимметрия.

Полоски показывают ровно одно — как телефон слышит вышку. Вышка передаёт щедро: порядка 5–20 Вт на сектор, а с учётом направленности антенны излучаемая мощность в главном направлении доходит до сотни ватт. Телефон в ответ выдаёт максимум около 0,2 Вт в LTE. Разница в десятки раз, и вся она в одну сторону.

Поэтому связь и уходит несимметрично: вы вышку ещё слышите, а она вас — уже нет. Отсюда обрывы на середине фразы, сообщения со статусом «отправлено» без доставки и карта, которая крутит спиннер, пока не сядет батарея.

Бывает и наоборот: полная шкала в открытой воде

Пару раз за сезон случается странное. В пяти-шести километрах от берега телефон вдруг показывает полную шкалу, а изредка цепляется за сеть, которой в этом районе быть не должно.

Виноват тот же воздух. Над водой при подходящей погоде складывается приводный тропосферный волновод: тёплый воздух ложится поверх холодной воды, показатель преломления меняется с высотой резко, и ультракороткие волны идут не по прямой, а внутри этого слоя, огибая выпуклость Земли. Явление сезонное и капризное.

Из того же теста миражи над морем — судно, висящее над горизонтом, и внезапная сеть в открытой воде родственники, оба про температурную инверсию. Планировать выход по такой связи нельзя: волновод есть, а через десять минут его нет.

Что работает вместо телефона

Связь на судне держится не на сотовой сети и никогда не держалась. На посту управления стоит УКВ-радиостанция, и это основной канал: порт передаёт сводку и штормовые предупреждения голосом в эфире, а вызов на канале бедствия слышат все, кто рядом. Рации безразлично, куда наклонена панель на мачте за отелем.

Второй уровень — то, что подано на берегу до отхода. В уведомлении о выходе записаны район плавания, число людей на борту и время возвращения; этот порядок обязателен и существует ровно для таких ситуаций. Если судно не вышло на связь, искать будут не наугад, а в заявленном районе.

Гостю с телефоном в кармане из всего этого следует немногое:

• скачайте музыку и карту заранее — стриминг на воде отвалится;
• предупредите тех, кто ждёт звонка, что вас не будет в сети пару часов;
• если звонок правда важный, скажите капитану до отхода, а не на середине выхода;
• не ловите сеть стоя на носу на ходу: пара делений того не стоит, а палуба мокрая.

Коротко

• горизонт ни при чём: радиогоризонт между вышкой в несколько десятков метров и телефоном над водой — около 28 километров, а сеть теряется на втором;
• антенны базовых станций дают узкий по вертикали луч, 4–8 градусов, наклонённый вниз на единицы градусов и развёрнутый вдоль берега; море остаётся за краем диаграммы;
• на суше провалы закрывают переотражения от домов и склонов, над водой отражать нечему;
• отражение от самой воды приходит в другой фазе и чаще ослабляет сигнал, чем усиливает, а гребень волны работает заслонкой: десять сантиметров морской воды съедают больше 34 дБ на 1 ГГц;
• связь уходит несимметрично: телефон вышку ещё слышит, вышка телефон уже нет — 0,2 Вт против десятков ватт;
• высота над водой помогает сильнее любого «а тут ловит»: метр подъёма при полуметровой волне удваивает вероятность прямой видимости.

Другие тексты про то, как устроены вода, берег и борт, — в журнале.