Урок 3. Почему здание «съедает» сигнал
Урок 3. Почему здание «съедает» сигнал: читаем карту до поля
Паспорт урока
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Место в модуле | WarWalk, модуль 2 «Физика города», урок 3 из 7 |
| Длительность | 45 мин |
| Возраст | 13–16 |
| Оборудование | warwalk_sim_map.py |
| Предварительные знания | Уроки 1–2; RFCurtain урок 1 (зона Френеля) |
| Предмет | Физика (дифракция, тени), география (чтение карт) |
Образовательные цели
| № | Цель | Блум | Миллер | Чем доказывается |
|---|---|---|---|---|
| 3.1 | Предсказывать форму радиотени препятствия до эксперимента | применять | показывает как | Предсказание тени, затем проверка |
| 3.2 | Объяснять дифракцию как причину плавных краёв тени | понимать | знает как | Разбор модели клинового препятствия |
| 3.3 | Называть ограничения используемой модели | оценивать | знает как | Перечень: чего симулятор не знает |
| 3.4 | Связывать зону Френеля с влиянием препятствий | анализировать | знает как | Ответ: почему «видно глазами» ≠ «чистая трасса» |
Сценарий занятия (45 минут)
| Время | Блок | Что делает педагог | Что делают ученики |
|---|---|---|---|
| 0–5 | Retrieval | Мини-квиз по урокам 1–2 | Пишут, разбор |
| 5–12 | Предсказание | «Куда ляжет тень?» — до запуска | Рисуют прогноз |
| 12–24 | Теория | Затенение, дифракция, зона Френеля | Разбирают механизмы |
| 24–33 | Симулятор | Проверка предсказаний | Работают, сверяют |
| 33–40 | Ограничения модели | Чего симулятор не знает | Составляют перечень |
| 40–45 | Итог и ДЗ | Фиксация | Записывают |
Блок 1. Предсказание до эксперимента (5–12 мин)
Постановка
Нарисовать на доске схему: маячок (звезда) и прямоугольник здания сбоку от него.
«Не запуская симулятор: где будет плохой приём? Нарисуйте зону слабого сигнала в тетради.»
Что обычно рисуют
| Вариант | Комментарий |
|---|---|
| Тень строго за зданием, резкий прямоугольник | близко, но края будут не резкими |
| Плохо со всех сторон здания | нет: перед зданием сигнал нормальный |
| Тень направлена от маячка, как от фонаря | точный ответ |
Методический приём. Предсказание до наблюдения — сильный дидактический ход: ученик формирует гипотезу и затем проверяет её. Это принципиально отличается от «посмотрели и объяснили».
Ошибочное предсказание здесь ценнее верного: оно запоминается и порождает вопрос «почему я ошибся».
Блок 2. Теория (12–24 мин)
2.1. Базовый уровень (13–14 лет)
Через свет фонаря.
Здание отбрасывает радиотень так же, как предмет отбрасывает тень от фонаря: тень всегда направлена от источника. Где стоит маячок — оттуда и «светит».
Но есть разница. Тень от света резкая, а радиотень — с размытыми краями. Радиоволна умеет немного заворачивать за угол.
Почему заворачивает:
Длина волны 34,5 сантиметра — сопоставима с размерами предметов. Волны такого масштаба огибают препятствия, как вода огибает камень в ручье. Свет с его микронными волнами так не умеет.
2.2. Углублённый уровень (14–16 лет)
Шаг 1. Затенение (shadowing).
Здание, попавшее в первую зону Френеля, даёт потери −10…−25 дБ разом. Это не постепенное ухудшение, а скачок.
Шаг 2. Связь с зоной Френеля.
Радиус первой зоны Френеля в середине трассы:
Для трассы 300 м на 869 МГц: r₁ ≈ 5 метров.
Важное следствие, которое надо проговорить. Антенны стоят на высоте около 1,5 м, а радиус зоны — 5 м. Значит, земля и всё, что на ней находится, попадает в первую зону Френеля постоянно.
Вывод: «прямая видимость глазами» не равна «чистой первой зоне». Можно видеть маячок, но иметь существенные потери из-за препятствий, находящихся рядом с линией, а не на ней.
Шаг 3. Дифракция и модель клинового препятствия.
За кромкой здания сигнал не обрывается в ноль, а заворачивает. Модель клинового препятствия (knife-edge) даёт:
| Положение | Потери от дифракции |
|---|---|
| Луч касается кромки | ≈ 6 дБ |
| Неглубокая тень | 10–15 дБ |
| Глубокая тень (двор-колодец) | 15–25 дБ |
Сигнатура на карте: за зданием не чёрный прямоугольник, а плавный градиент — резкий обрыв вдоль контура и постепенное восстановление вглубь.
Шаг 4. Лог-нормальность затенения.
В застройке отклонения от средней модели распределены нормально в децибелах — со стандартным отклонением σ ≈ 6–10 дБ.
Практический смысл: даже на одинаковом расстоянии от маячка в разных точках сигнал будет разным, и это нормально, а не ошибка измерения.
Сигнатура: гистограмма RSSI на дашборде показывает колокол — лог-нормальность своими глазами.
Блок 3. Симулятор и проверка предсказаний (24–33 мин)
Запуск: uv run warwalk_sim_map.py
Последовательность
- Сверить предсказание. Найти тени за обоими зданиями. Тень направлена от маячка — как и предсказывали.
- Рассмотреть края. Обратить внимание: за зданием не чёрный прямоугольник, а градиент — это дифракция.
- Внутри контура здания сигнала нет: стена глушит, модель рисует дыру.
- Изменить n. При большом n тени «тонут» в общем провале: разница между тенью и фоном сокращается.
Задание
«Добавьте в
BUILDINGSтретье здание вплотную к маячку. Предскажите форму его тени до перезапуска, затем проверьте.»
Ожидаемый вывод: тень от близкого здания шире и накрывает больший сектор — как тень от предмета, поднесённого к фонарю.
Блок 4. Ограничения модели (33–40 мин)
Ключевой методологический блок урока.
Постановка
«Симулятор красиво рисует тени. Вопрос: чего он не знает?»
Составление перечня с классом
| Чего модель не учитывает | Что будет в реальности |
|---|---|
| Отражения от зданий и металла | светлая полоса там, где по модели тень |
| Волновод улицы | вдоль улицы сигнал уходит дальше, чем поперёк кварталов |
| Несколько препятствий подряд | модель считает одно препятствие = один экран |
| Проникновение внутрь зданий | реально сигнал частично проходит сквозь стены |
| Растительность, сезонность | листва летом даёт дополнительное затухание |
| Движущийся транспорт | крупные машины — временные препятствия и отражатели |
Формулировка, которую надо произнести вслух: модель — это гипотеза, а карта из поля — измерение. Расхождение между ними не является ошибкой модели: это и есть искомый результат.
Ученик, способный назвать, чего модель не знает, понимает её лучше, чем тот, кто просто получил красивую картинку.
Связь с предыдущими модулями
Та же мысль звучала:
- BeaconRadio, урок 5: хороший HDOP не гарантирует правдивости координаты;
- RFCurtain, урок 5: границы метода — часть решения.
Сквозной принцип курса: знать границы применимости своего инструмента.
Блок 5. Практические задачи
Уровень A (13–14 лет)
A1. Почему радиотень всегда направлена от маячка?
Ответ
Потому что маячок — источник сигнала, а здание перекрывает путь волне. Тень образуется с противоположной от источника стороны — точно так же, как тень от фонаря.
A2. Почему за зданием сигнал не пропадает полностью?
Ответ
Из-за дифракции: радиоволна с длиной 34,5 см способна заворачивать за кромку препятствия. Поэтому в тени сигнал ослаблен, но присутствует, а края тени размыты.
A3. Что означает «прямая видимость не равна чистой трассе»?
Ответ
Что можно видеть маячок глазами, но иметь потери сигнала: волна распространяется объёмом (зоной Френеля) радиусом несколько метров, и препятствия рядом с линией — например, земля при низко расположенных антеннах — влияют на приём.
Уровень B (14–15 лет)
B1. Рассчитайте радиус первой зоны Френеля для трассы 300 м на частоте 869 МГц.
Решение
При антеннах на высоте 1,5 м это означает, что земля постоянно находится внутри зоны.
B2. Предскажите, как изменится картина теней при увеличении n с 2,5 до 4.
Ответ
Тени станут менее заметными относительно фона: при большом n сигнал и так быстро слабеет с расстоянием, и дополнительные потери от здания уже не так выделяются.
На карте это выглядит как «тени тонут в общем провале»: перепад между освещённой зоной и тенью сокращается, вся карта становится темнее к краям.
B3. Назовите три явления, которых нет в симуляторе, но которые проявятся в поле.
Ответ
- Отражения от металлических поверхностей — светлая полоса в теневой зоне;
- Волновод улицы — сигнал распространяется вдоль улицы дальше, чем поперёк застройки;
- Многолучёвка — быстрые колебания сигнала на масштабе сантиметров (тема урока 4).
Дополнительно: проникновение сквозь стены, влияние растительности и транспорта.
Уровень C (15–16 лет)
C1. Объясните, почему во дворе-колодце сигнал хуже, чем сразу за углом того же здания.
Разбор
Дифракция даёт тем большие потери, чем глубже точка находится в геометрической тени. Сразу за углом луч едва касается кромки — потери около 6 дБ. В глубине двора точка находится глубоко в тени, и потери достигают 15–25 дБ.
Кроме того, во дворе-колодце препятствий несколько (несколько стен), а модель клинового препятствия описывает одно. Реальные потери могут оказаться ещё больше.
Проверяемое следствие: при обходе здания по периметру профиль RSSI покажет постепенное ухудшение по мере углубления в тень, а не ступеньку.
C2. Предложите способ экспериментально измерить потери на дифракцию за конкретным зданием.
Разбор
Методика:
- Выбрать здание с известными размерами;
- Снять опорный уровень: точка на том же расстоянии от маячка, но без препятствия (сектор прямой видимости);
- Снять серию точек за зданием: у самого угла, на 5 м, 10 м, 20 м вглубь тени;
- На каждой точке — не одно измерение, а серия (медиана по 5–10 пакетам, чтобы погасить многолучёвку);
- Потери на дифракцию = опорный уровень − измеренный, с поправкой на разницу расстояний по лог-дистанционной модели.
Обязательные оговорки: нужно контролировать одинаковую высоту антенны и ориентацию; исключить точки с возможными отражениями от соседних зданий.
Ожидаемый результат: 6 дБ у кромки, нарастание до 15–25 дБ вглубь — сопоставить с моделью.
Готовая методическая часть конкурсной работы.
C3. Симулятор считает одно препятствие одним экраном. Как реальная застройка отличается от этой модели?
Разбор
В реальном городе волна проходит несколько препятствий последовательно, и потери не складываются простым сложением: каждое следующее препятствие работает уже с дифрагированным полем.
Существуют модели множественной дифракции (например, метод Дейгаута, модель Уолфиша — Икегами), дающие более точный, но и более сложный расчёт.
Кроме того, в реальности присутствуют механизмы, отсутствующие в модели экрана: отражение от стен противоположной стороны улицы, проникновение сквозь конструкции, рассеяние на неровностях.
Практический вывод: для планирования сети используют либо эмпирические модели, откалиброванные по измерениям (Окумура — Хата, COST-231), либо прямые замеры — то есть ровно то, чем занимается наш проект.
Методологический вывод: усложнение модели имеет предел полезности. Часто дешевле измерить, чем точно рассчитать.
Ответы на вопросы, которые прозвучат
| Вопрос ученика | Как отвечать |
|---|---|
| «Почему свет не заворачивает за угол, а радио заворачивает?» | Дело в длине волны: у света она меньше микрона, у нашего радио — 34,5 см. Волна заворачивает вокруг препятствий, сравнимых с её длиной |
| «Сигнал проходит сквозь стены?» | Частично — с большим затуханием, зависящим от материала. Бетон с арматурой глушит сильно, дерево и стекло слабее |
| «Зачем нужен симулятор, если можно сразу пойти в поле?» | Чтобы предсказать и потом сравнить. Выход в поле без гипотезы даёт набор чисел; с гипотезой — понимание |
| «А если модель ошибётся — это плохо?» | Это лучший результат: расхождение показывает, какой физики модель не знает. Именно за этим мы и идём в поле |
| «Как учитывают тени при планировании сотовых сетей?» | Программами расчёта покрытия с картами застройки плюс контрольными замерами. Полностью на модель не полагаются нигде |
Раздаточный лист (для печати)
Урок 3. Тень здания и дифракция
Мой прогноз ДО запуска симулятора (нарисуйте тень):
▓▓▓ здание ★────▓▓▓ маячок ▓▓▓Проверка после запуска: прогноз совпал? ____ Что удивило? ________
Механизмы:
Механизм Величина потерь Сигнатура на карте Затенение зданием Дифракция у кромки ≈ 6 дБ Дифракция в глубокой тени Зона Френеля для трассы 300 м:
Антенны на высоте 1,5 м. Попадает ли земля в зону? ________
Вывод: «прямая видимость» _____ «чистая трасса»
ЧЕГО СИМУЛЯТОР НЕ ЗНАЕТ (не менее трёх):
- ________________________________________
- ________________________________________
- ________________________________________
Главная мысль урока:
Модель — это ___________, карта из поля — это ___________.
Расхождение между ними — это ___________________________
Домашнее задание
Обязательная часть
Врайтап по рубрике А. Обязательный пункт: ваш прогноз формы тени и результат проверки.
Уровень A
Найти три примера, где размер волны определяет способность огибать препятствия (звук за углом, свет, морские волны у волнореза).
Уровень B
Рассчитать радиус первой зоны Френеля для трасс 100, 500 и 1000 м. Определить, при какой высоте антенн земля перестанет попадать в зону на трассе 500 м.
Ответ для педагога
r₁ = 8,66·√(d/0,869): 100 м → 2,9 м; 500 м → 6,6 м; 1000 м → 9,3 м.
Для трассы 500 м антенны должны быть выше 6,6 м, чтобы земля не попадала в первую зону. На практике это высота второго-третьего этажа — отсюда и рекомендация ставить маячок на подоконник верхнего этажа.
Уровень C
Разработать методику измерения потерь на дифракцию за конкретным зданием: точки, число повторов, контроль условий, обработка.
Итог урока: что записать в журнал
Вывод урока 3
- Здание в первой зоне Френеля даёт −10…−25 дБ разом — не постепенное ухудшение, а скачок.
- Радиотень направлена от маячка, как тень от фонаря.
- Дифракция размывает края тени: 6 дБ у кромки, 15–25 дБ в глубокой тени.
- Радиус первой зоны на трассе 300 м — около 5 м; при антеннах на 1,5 м земля постоянно внутри зоны.
- «Прямая видимость глазами» ≠ «чистая первая зона».
- Затенение распределено лог-нормально: σ ≈ 6–10 дБ в застройке.
- Модель — гипотеза, карта из поля — измерение. Расхождение и есть искомый результат.
Связь с курсом
| Что родилось на этом уроке | Где станет инструментом |
|---|---|
| Зона Френеля в масштабах города | RFCurtain урок 1 (та же физика на 10 м) |
| Дифракция | Полевой выход, программа исследований |
| «Назвать, чего модель не знает» | Урок 7, защита проектов |
| Предсказание до наблюдения | Вся исследовательская работа |
Чек-лист педагога перед уроком
- Симулятор
warwalk_sim_map.pyзапускается, тени видны - Проверено: ползунок n меняет картину, тени «тонут» при большом n
- На доске схема для предсказания (маячок + здание)
- Раздаточный лист распечатан
- Не показывать результат до того, как ученики нарисуют прогноз