Sichtlinie (LOS): Definition und grundlegende Konzepte

Die Sichtlinie (LOS) beschreibt den direkten, ungehinderten Pfad, der zwei Punkte verbindet – etwa einen Sender und einen Empfänger, Beobachter und Ziel oder zwei Antennen. Sie ist entscheidend in Navigation, drahtloser Kommunikation, GNSS/GPS, Radar und Positionierungssystemen und ermöglicht es elektromagnetischen Signalen (Radio, Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht oder Ultraschall), den kürzesten Weg ohne Blockierung durch physische Hindernisse zurückzulegen.

Wenn die LOS erhalten bleibt, wird die Signalstärke maximiert, Störungen werden minimiert und eine hohe Genauigkeit wird möglich. Jedes Objekt – etwa Gelände, Gebäude, Vegetation oder Fahrzeuge – das in den LOS-Pfad gelangt, kann zu Signalabschwächung, Mehrwegeeffekten oder vollständigem Signalverlust führen, was die Leistung beeinträchtigt.

Warum ist die Sichtlinie wichtig?

Eine klare LOS ist unverzichtbar für einen zuverlässigen Betrieb in drahtlosen Netzwerken, Navigation und sicherheitskritischen Bereichen wie Luftfahrt, Schifffahrt oder Rettungsdiensten. LOS gewährleistet:

• Maximale Signalstärke und Datenrate in der drahtlosen Kommunikation.
• Niedrige Fehlerraten und minimale Latenz bei digitalen Systemen.
• Präzise Triangulation und Positionierung in GNSS/GPS.
• Effektive Erkennung und Nachverfolgung bei Radar und Überwachung.

In GNSS beispielsweise benötigt ein Empfänger LOS zu mindestens vier Satelliten für eine genaue 3D-Positionierung. In Häuserschluchten oder dichten Wäldern kann die LOS verloren gehen, was zu Fehlern oder dem Verlust der Positionsbestimmung führt.

Netzwerkplaner führen LOS-Analysen durch, um die Platzierung von Mobilfunkmasten, WLAN-Zugangspunkten und anderen Infrastrukturen zu planen und eine robuste Abdeckung und Kapazität zu gewährleisten.

Die Physik der LOS

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen breiten sich geradlinig aus, sofern sie nicht abgelenkt oder blockiert werden. Physikalische Hindernisse können diese Wellen absorbieren, reflektieren, beugen oder streuen:

• Längere Wellenlängen (niedrigere Frequenzen): Können besser um Objekte herum beugen, robuster in NLOS-Umgebungen.
• Kürzere Wellenlängen (höhere Frequenzen): Werden leichter blockiert oder reflektiert und erfordern strengere LOS.

Erdkrümmung und Gelände

Auf der Erde begrenzt die Krümmung des Planeten die LOS-Distanz – selbst hohe Türme verlieren irgendwann die LOS. Geländeeigenschaften wie Hügel oder Täler beeinflussen die LOS besonders in ländlichen oder bergigen Regionen. Urbane Umgebungen sind durch unterschiedliche Gebäudehöhen und Materialien besonders komplex.

Atmosphärische Refraktion

Die atmosphärische Refraktion biegt Radiowellen und verlängert die LOS geringfügig. Netzwerkplaner nutzen eine “4/3-Erdradius”-Korrektur, um diesen Effekt bei der Abdeckungsberechnung zu berücksichtigen.

Fresnel-Zonen

Über die einfache Gerade hinaus nimmt elektromagnetische Energie ellipsenförmige Bereiche ein, die Fresnel-Zonen genannt werden. Die erste Fresnel-Zone ist am wichtigsten: Hindernisse in diesem Bereich können destruktive Interferenzen verursachen, auch wenn die direkte LOS optisch frei erscheint. Für optimale Leistung sollten mindestens 60 % dieser Zone frei von Hindernissen sein.

Faktoren, die die LOS beeinflussen

LOS in wichtigen Anwendungsbereichen

GNSS/GPS und Navigation

GNSS-Empfänger sind auf LOS zu mehreren Satelliten angewiesen. Hindernisse wie Gebäude, Gelände oder Bäume verursachen Mehrwegeeffekte und Fehler. Für beste Genauigkeit werden Antennen hoch und frei von Hindernissen montiert.

Drahtlose Kommunikation

Mobilfunk (4G/5G), WLAN und Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindungen benötigen eine klare LOS – besonders bei höheren Frequenzen. Antennen und Zugangspunkte werden so positioniert, dass LOS und Abdeckung maximiert werden.

Radar und Überwachung

Radarsysteme benötigen LOS, um Ziele genau zu erkennen und zu verfolgen. Geländeverdeckungen oder urbane Hindernisse schaffen tote Winkel. Auch visuelle und sensorbasierte Überwachungssysteme sind hiervon betroffen.

Indoor-Positionierungssysteme

UWB-, Infrarot- und Ultraschall-Beacons benötigen LOS für hochpräzises Tracking in Innenräumen. Wände, Maschinen oder Regale erzeugen NLOS-Zonen; Redundanz und sorgfältige Planung helfen, die Genauigkeit zu erhalten.

Transport und Sicherheit

LOS ist entscheidend für sichere Sicht- und Überholentfernungen im Straßenbau und für Navigationshilfen in der Luftfahrt und Schifffahrt.

Berechnung der LOS-Distanz

Grundlegende LOS-Distanz-Formel

Die maximale LOS-Distanz (unter Berücksichtigung der Erdkrümmung):

D = √(2Rh₁) + √(2Rh₂)

• D: LOS-Distanz (Meter)
• R: Erdradius (~6.371.000 Meter)
• h₁, h₂: Höhen der beiden Punkte (Meter)

Refraktionskorrigierte Formel

Unter Berücksichtigung atmosphärischer Effekte:

D = 4,12 × (√h₁ + √h₂)

• D: LOS-Distanz (Kilometer)
• h₁, h₂: Höhen der beiden Punkte (Meter)

Beispiel:
Ein 50 m hoher Turm und ein 2 m hohes Gerät:
D = 4,12 × (√50 + √2) ≈ 34,9 km

Berechnung der ersten Fresnel-Zone

Für Funkverbindungen sollten mindestens 60 % der ersten Fresnel-Zone frei bleiben:

F₁ = 17,32 × √(d / 4f)

• F₁: Fresnel-Zonen-Radius (Meter)
• d: Pfadlänge (km)
• f: Frequenz (GHz)

Praktische Beispiele

• GNSS-Installationen: Antennen über Hindernissen platzieren für freie Sicht zum Himmel und minimale Mehrwegeeffekte.
• Planung drahtloser Netzwerke: Zugangspunkte/Türme hoch und frei von Metallstrukturen oder dicken Wänden anbringen für optimale LOS.
• Radarüberwachung: Radartürme für maximale LOS über Wasser oder Gelände erhöhen.
• Indoor-Positionierung: Beacons strategisch platzieren für LOS zu getrackten Objekten; Redundanz in komplexen Umgebungen nutzen.

Fehlersuche und Optimierung

• Anzeichen für LOS-Verlust: Verbindungsabbrüche, geringerer Durchsatz, erhöhte Fehler oder verlorene GNSS-Fixierung.
• Fehlersuchschritte: Auf Hindernisse prüfen, Signal-Analysetools verwenden, Antennenplatzierung anpassen und regelmäßige Standortanalysen durchführen.
• Optimierung: Antennen erhöhen, Fresnel-Zonen-Freihaltung einhalten, redundante Pfade nutzen und nach Umweltveränderungen neu bewerten.

Best Practices

• Sichtbare LOS ist eine gute Kontrolle, aber entscheidend ist die Funk-LOS – einige für Licht durchlässige Materialien blockieren Funkwellen.
• Bei fehlender strikter LOS niedrigere Frequenzen für bessere Beugung verwenden.
• LOS regelmäßig überprüfen, da sich Umgebungen verändern.

Übersichtstabelle: LOS-Faktoren

Verwandte Begriffe

Non-Line-of-Sight (NLOS):
Wenn die direkte LOS blockiert ist, erreichen Signale den Empfänger durch Reflexion, Beugung oder Materialdurchdringung. Das führt zu höherem Signalverlust und geringerer Genauigkeit.

Fresnel-Zone:
Elliptische Bereiche um den LOS-Pfad, in denen Hindernisse destruktive Interferenzen verursachen können. Mindestens 60 % der ersten Fresnel-Zone sollten für eine zuverlässige Signalübertragung frei bleiben.

Mehrwegeausbreitung (Multipath):
Phänomen, bei dem Signale den Empfänger auf mehreren Wegen durch Reflexion erreichen, was zu Interferenzen, Fading und Fehlern führt.

Weiterführende Literatur

• International Telecommunication Union – Funkwellenausbreitung
• GNSS Planning Online Tool
• IEEE 802.11 Wireless LANs Technische Richtlinien

Die Sichtlinie ist ein grundlegendes Prinzip in der drahtlosen Kommunikation, Navigation und in Positionierungssystemen. Eine klare LOS maximiert Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit in vielen Anwendungen – von GNSS und Mobilfunknetzen bis zu Radar und Indoor-Tracking. Regelmäßige Überprüfung, durchdachte Planung und strategische Gestaltung sind entscheidend für eine robuste LOS in statischen und dynamischen Umgebungen.