Projektowanie łączy mikrofalowych

Jednokierunkowa radiolinia zbudowana jest z (rys. 1): nadajnika, odbiornika, linii transmisyjnych oraz anteny. Ten pierwszy pełni podwójną funkcję: generuje sygnał o wymaganej częstotliwości oraz poziomie mocy i moduluje go sygnałem informacyjnym. Zmodulowany sygnał z nadajnika linią transmisyjną jest przesyłany do anteny. W części odbiorczej systemu tym medium transmitowany jest sygnał z anteny do odbiornika. Zadaniem anteny w sekcji nadawczej jest wypromieniowanie sygnału mikrofalowego, a tej po drugiej stronie łącza - jego odbiór.

Budowa radiolinii

Rys. 1. Radiolinia

W radioliniach używane są anteny kierunkowe, które skupiają wiązkę promieniowania w danym kierunku lub ją z niego odbierają. Pozwala to komunikować się na dużych odległościach przy stosunkowo małej mocy sygnału. Ten ostatni między antenami przemieszcza się w przestrzeni je dzielącej w dużym uproszczeniu po liniach prostych, dlatego im mniej przeszkód na jego drodze, tym lepiej. Trzeba to uwzględnić na etapie projektu łącza - jak, to wyjaśniamy w dalszej części tekstu. W odbiorniku sygnał jest demodulowany. Ze względu na jego straty, których nie można uniknąć w czasie transmisji, odbiornik musi charakteryzować się odpowiednią czułością.

Komponenty przedstawione na rysunku 1 są częścią każdego łącza radiowego, jednak te używane w łączach mikrofalowych różnią się od tych wykorzystywanych w systemach transmisji w zakresie niższych częstotliwości. Na przykład "zwykłe" kable nie nadają się do przesyłu sygnałów tego typu - zamiast nich używane są kable koncentryczne i falowody. Z drugiej strony niektóre komponenty lepiej sprawdzają się właśnie w tym paśmie częstotliwości. Na przykład anteny paraboliczne mogą co prawda działać na znacznie niższych częstotliwościach, ale ze względu na zbyt duży rozmiar ich zastosowanie w tym paśmie nie znajduje w większości aplikacji ekonomicznego uzasadnienia.

Bilans łącza

Projektowanie łącza mikrofalowego trzeba rozpocząć od analizy jego bilansu energetycznego (link budget). Porównywana jest w nim moc sygnału po stronie nadawczej radiolinii z mocą sygnału docierającego do jej strony odbiorczej z uwzględnieniem strat w kanale komunikacyjnym. Na tej podstawie komponenty łącza trzeba dobrać w taki sposób, aby moc sygnału odbieranego (Pr) była odpowiednio większa od czułości odbiornika (Ps). Ta ostatnia określa minimalny poziom sygnału, który odbiornik jest w stanie przetworzyć bez utraty lub zmiany zawartej w nim informacji - przy stopie błędów BER (Bit Error Rate) większej niż 10^-6.

Moc odbieranego sygnału jest równa sumie: mocy nadajnika (Pt), zysku energetycznego anteny nadawczej (Gt) i zysku energetycznego anteny odbiorczej (Gr) pomniejszonej o straty w wolnej przestrzeni (FSL, Free Space Loss), czyli Pr = Pt + Gt + Gr - FSL. Te ostatnie opisuje następująca zależność: FSL (dB) = 32,44 + 20logf + 20logD, gdzie f to częstotliwość emitowanego sygnału w MHz, a D długość łącza wyrażona w km. Zatem im większa jest odległość między anteną nadawczą a odbiorczą i im większa jest częstotliwość sygnału, tym jego tłumienie w wolnej przestrzeni jest większe.

Margines zaniku

Różnica między Pr i Ps to tzw. margines zaniku (fade margin) przy danej dostępności łącza, która w takim uznawanym za niezawodne powinna wynosi 99,999% czasu. Jego wyznaczenie jest jednym z najważniejszych kroków w czasie projektowania radiolinii. Jeżeli margines zaniku będzie zbyt mały łącze będzie niestabilne, a w rezultacie nie uda się zapewnić wymaganego czasu jego dostępności ani zakładanej jakości transmisji. Z drugiej strony zbyt duży zapas, który uzyskać można stosując przede wszystkim większe i droższe anteny, przełoży się na nieuzasadnione zwiększenie kosztów budowy radiolinii.

Margines ten zależy głównie od tego, jak silne będzie tłumienie sygnału przez deszcz (lub mgłę) i w wyniku zjawiska wielodrogowości. Straty sygnału nimi spowodowane nie sumują się, dlatego margines zaniku powinien być równy tłumieniu tego z tych czynników, który będzie oddziaływał silniej. W wypadku radiolinii zbudowanych na terenach, na których opady są częste i intensywne to właśnie tłumienie z ich powodu będzie dokuczliwsze. Zjawisko wielodrogowości będzie z kolei dominować w tych zlokalizowanych w suchym klimacie.

Deszcz w największym stopniu tłumi sygnały o częstotliwości powyżej 10 GHz. Straty ich mocy rosną proporcjonalnie do intensywności opadów. Są ponadto znacznie większe, gdy długość łącza rośnie (powyżej 10 km) oraz w wypadku sygnałów o polaryzacji poziomej w porównaniu do tych spolaryzowanych pionowo.

Oddziaływanie mgły w większości przypadków jest analogiczne jak deszczu. Jeżeli jednak towarzyszą jej inne, szczególnie niesprzyjające warunki atmosferyczne, jak na przykład inwersja temperatury oraz nieruchome powietrze dodatkowo ulegające rozwarstwieniu, negatywny wpływ na pracę radiolinii jest jeszcze większy. Na przykład to drugie powoduje, że fale odbijają się i uginają w sposób nieprzewidywalny, natomiast inwersja temperatury i rozwarstwienie powietrza sprzyjają interferencjom z innymi systemami łączności, nawet jeżeli zakłócenia takie nie występują w innych warunkach.

Wielodrogowość

Wielodrogowość to zjawisko polegające na tym, że do odbiornika różnymi drogami dociera wiele kopii tego samego sygnału. Powstają one m.in. w wyniku odbicia się sygnału oryginalnego od obiektów, na jego drodze, na przykład przeszkód terenowych lub budynków. W zależności od różnicy między ich kierunkami padania, amplitudami i ich opóźnieniami czasowymi sygnały te sumują się albo odejmują. Powoduje to zagłuszanie wszystkich (flat fading) albo wybranych (selective fading) częstotliwości w kanale. Jeżeli różnica opóźnień czasowych między kopiami jest zbliżona do czasu trwania pojedynczego symbolu informacyjnego, występują również błędy danych spowodowane międzysymbolowymi interferencjami. Te ostatnie tym bardziej pogarsza jakość transmisji, im większa jest szybkość przesyłu danych.

Kopie sygnału użytecznego powstają w wyniku odbicia, dyfrakcji i rozpraszania fali. To pierwsze występuje wtedy, gdy fala pada na obiekt, którego wymiary są znacznie większe w porównaniu do jej długości. Dyfrakcja, czyli ugięcie fali, ma miejsce wówczas, gdy przeszkody znajdujące się na drodze między nadajnikiem a odbiornikiem mają nieregularne (ostre) krawędzie i rozmiary porównywalne z długością fali. Trzecie zjawisko zachodzi natomiast wtedy, kiedy ta ostatnia na swojej drodze napotyka obiekty o wymiarach mniejszych od jej długości, a ich liczba w jednostce objętości jest duża. Przykłady przeszkód powodujących rozpraszanie mikrofal to roślinność (na przykład liście, łodygi), znaki drogowe oraz słupy latarni.

Jak zmniejszyć wpływ wielodrogowości?

Rys. 2. Strefa Fresnela

Zapobiegać lub zmniejszać skutki wielodrogowości można na kilka sposobów, m.in. stosując różne rozwiązania zwiększające kierunkowość anteny nadawczej, tak aby mniej generowanej przez nie energii było skierowanej w kierunku, w którym występują większe odbicia. Można też poprawić kierunkowość anteny po stronie odbiorczej, dzięki czemu będzie ona odbierała mniej kopii sygnału użytecznego. Inne podejście zakłada identyfikację niepożądanych sygnałów w odbiorniku na podstawie ich opóźnień albo amplitudy i ich usunięcie jeszcze przed demodulacją. Realizuje się to na kilka sposobów.

Najprostszą, ale niestety zarazem i najdroższą metodą jest użycie wielu anten po stronie odbiorczej. Odbiornik analizuje wówczas charakterystyki sygnałów odebranych przez każdą z nich i "wybiera" najlepszy. Wadą tego podejścia jest też to, że aby było skuteczne, anteny muszą być rozmieszczone w odpowiedniej odległości od siebie, aby kopie sygnału były rzeczywiście rozróżnialne.

Przez to ich instalacja się komplikuje. Druga metoda polega na adaptacyjnej korekcji, czyli sumowaniu opóźnionych kopii sygnału po wcześniejszym przypisaniu im odpowiednich wag. Ponadto można także wykorzystać fakt, że różne częstotliwości są w wyniku zjawiska wielodrogowości tłumione z różną siłą i użyć kilku nadajników. Alternatywą jest zastosowanie modulacji z bezpośrednim rozpraszaniem widma (direct spread spectrum, DSSS), w wypadku której odbicia są w zasadzie eliminowane przez zastosowanie sekwencji rozpraszającej w demodulatorze.

Strefa Fresnela

Rys. 3. Brak przeszkód w 60% pierwszej strefy Fresnela c) zapewnia dobrą jakość transmisji. W wypadku łączy a) i b) nie spełniono tego warunku (źródło: www.dipol.com.pl)

Między sekcjami radiolinii musi być zapewniona bezpośrednia widoczność, która ze względu na specyfikę propagacji sygnału mikrofalowego nie jest jednoznaczna z widocznością optyczną, czyli tym, że antena na jednym z końców łącza widzi tę na jego drugim końcu. Fala elektromagnetyczna nie rozchodzi się bowiem w linii prostej, ale zajmuje przestrzeń, której granice są wyznaczane przez powierzchnię powstałą na skutek obrotu elipsy wokół jej osi symetrii. Są to tzw. strefy Fresnela.

Rozmiar każdej z nich zależy od częstotliwości sygnału oraz długości łącza. Im mniejsza jest ta pierwsza i im większa jest długość dzieląca nadajnik i odbiornik, tym większe są rozmiary stref charakteryzowane przez ich promienie, które są największe w ich środkowej części, a na obu ich końcach maleją (rys. 2).

90% energii sygnału jest transmitowanego w obrębie pierwszej strefy Fresnela. Idealnie nie powinny się zatem znajdować w niej żadne przeszkody, w praktyce natomiast dla uzyskania dobrej jakości komunikacji wystarczy zapewnić "czystość" jej 60%. Promień pierwszej strefy Fresnela w dowolnym punkcie P można wyznaczyć z zależności:

gdzie F1 - promień w metrach, d₁ - odległość do punktu P od jednego końca radiolinii w metrach, d₂ - odległość od punktu P do drugiego końca łącza w metrach, a λ - długość fali, także wyrażona w tej jednostce. Przykładowe wartości 60% promienia pierwszej strefy Fresnela dla łącza o częstotliwości 10 GHz to: przy jego długości 0,5 km - 1,16 m, 1 km - 1,64 m, 10 km - 5,19 m, a 50 km - 11,60 m.

Wybór i montaż anten

Na podstawie wyników bilansu energetycznego radiolinii można wybrać konkretne modele anten nadawczych i odbiorczych, które charakteryzują się odpowiednimi parametrami transmisyjnymi. Znając długość promienia pierwszej strefy Fresnela, można wyznaczyć z kolei wysokość, na jakiej trzeba je zawiesić. W wypadku, gdy długość łącza przekracza kilka kilometrów, trzeba dodatkowo uwzględnić krzywiznę Ziemi. Ostatecznie wysokość zawieszenia anten jest sumą: wysokości, na której znajduje się najwyższa przeszkoda w torze transmisyjnym, 0,6 promienia pierwszej strefy Freslena oraz krzywizny Ziemi.

Monika Jaworowska