Introducere în legături radio prin radiorelee

Fig reprezintă o undă electromagnetică pentru un semnal sinusoidal. Folosind analiza Fourier orice formă de undă arbitrară poate descopusa intr-o suma de sinusoide.

Fig. Unda electromagnetică ,Cimpul Electric E(V/m),cimpul magnetic H(A/m), vectorul PoyntingImpedadanţa caracteristică a unui mediu

Amplitudinea cimpului electric şi magnetic depinde de mediul în care are loc transmisia undelor electromagnetice, mediul fiind caracterizat prin permeabilitatea µ şi permeativitatea єPentru vid: є0=8.854x10-12 F/m pentru un mediu oarecare: є= є0 єr

µ0=4πx10-7 H/m µ= µ0 µr

Pentru vid єr=1; µr=1, Zvid=377Ω

Fig. Arhitectura unui sistem de telefonie celularaCele mai multe din radiorelee digitale existe folosesc benzile de

frecventă de la 1GHz-40GHz, şi sînt utilizate în special de către operatorii de telefonie pentru transportul semnalelor de telefonie sau pentru transportul semnalelor de televiziune.Cîteva precizări cu privire la legături radio in microunde:

- energia dee microunde nu urmăreşte curbura pămîntului, sînt afectate puternic de fenomene de difracţie, ele sînt în special destinate pentru legături „line of sight”(LOS).- Transmisiile în microunde sînt destinate în principal legăturilor de tip punct la punct- La frecvenţe peste 1GHz nu se poate utiliza analiza circuitelor cu parametrii concentrati ci distribuitţi

Pentru a putea realiza o legătură radio în microunde este necesar să avem o anumită zonă liberă de a lungul căii de propagare. Dimensiunea zonei necesar a fi libere depinde de următorii factori:

1. înalţimea antenelor.2. Suprafaţa terenului(apa, pămînt...)3. Profilul terenului.4. Curbura Pămîntului.5. Refracţia troposferică.

Ultimul factor, refracţia troposferică, apare deoarece indicele de refracţie, n, al troposferei, depinde de temperatura acesteia, T, presiunea, P, şi presiunea vaporilor de apă e. Deoarece modificări

importante ale parametrilor T,P, e duc la modificări foarte mici ale lui n, de obicei se lucrează cu indicele de refracţie modificat N, definit după cum urmează:

N=(n-1)106

Un model bun este recomandarea ITU-R, Rec 453: N=77.6P/T +3.73X105e/T2

P,e sînt exprimate în milibari, T este exprimată în Kelvin

Deasemenea are loc o variaţie a indecelui de refracţie cu înalţimea care conduce la o curbare a undelor electromagnetice, undele electromagnetice circula cu viteze mai mici în medii unde indicele de refracţie este mare decît al spaţiului liber. Experimental s-a constatat ca dN/dh=-40unităţi/km(valabil pentru SUA, pentru restul lumii trebuie consultată Rec ITU-R 563-4), adică indicele de refracţie scade cu înălţimea, ceea ce face că partea superioară a fontului de undă să circule mai repede decît partea inferioară ceea ce duce la curbarea undelor electromagnetice spre Pămînt.

Suprafaţa pămintului este deasemenea curbă, raza pămintuluie este de 6371 km.

Pentru a putea considera că radiaţia electromagnetică se propagă în linie dreaptă, se înlocuieşte Pămîntul de rază a=6371Km cu un Pămînt echivalent de rază ka unde

k=1/(1+a(dN/dh)10-6)Pentru condiţii meteorolgice standard k=4/3 putem considera că radiaţia electromagnetică se propagă în linie dreaptă.

Fig. Curbura razelor terestre in atmosferă

Distanţa maximă pentru îndeplinirea condiţiei LOS(line of sight)

Rezultă că lungimea totală poate fi aproximată cu relaţia:

Principiul lui Huygens şi zonele Fresnel

Energia electromagnetică este distribuită în jurul” line of sight”, în yona data de elipsoizii avînd focarele în punctul de emisie şi recepţie

Fig. Elipsoizii Fresnel

Raza elipsoizilor Fresnel se poate aproxima după formula:

d1,d2 reprezintă distanţa pînă la emiţător, respectiv distanţa pînă la receptor

Contribuţia majoră la recepţie o au undele electromagnetice situate în prima zona Fresnel (r1). Este foarte important ca spaţiul dat de primul elipsoid Frenel să fie liber de obstacole, astfel încît o cît mai mare parte din energia electromagnetică de la emisie să ajungă în punctul de recepţie.Cu cît creşte frecvenţa cu atît raza primului elipsoid Fresnel devine mai mică

Fig. Tabel cu raza(metrii) primului elipsoid Fresnel calcultă la mijlocul distanţei dintre E-R

Difractia undelor electromagnetice-apare şi duce la creşterea atenuării cînd între emiţător şi receptor apare un obstacol cu dimensiuni comparabile cu lungimea de undă.

Se oservă din figura de mai jos atenuarea datorită difracţiei creşte cu atît mai mul cu cît obstacolul afectează o yonă mai mare din primul elipsoid Fresnel.

Fig. Atenuarea dataorată obturării primului elippsoid Fresnel

Deasemenea apare o obturarea a primului elipsoid Frenel datorită curburii Pămîntului.

Fig. Atenuarea undelor electromagnetice datorită efectului de curbură a pămîntului

RADIO LINK CALCULATION

Atenuarea in spaţiul liber se poate calcula după formula:

Free space loss(dB)=92.45+20log(dxf) unde d=distanţa emiţător receptor în km

f=frecvenţa în GHz

fading marin(dB)=tx_power(dbm)-tx feeder loss(dB)-tx branching losss(dB)+tx antenna gain(dB)-free space loss(dB)+rx antenna gain(dB)-rx feeder loss(dB)-rx branching loss(dB)-rx treshold(dBm)Fadingmargin reprezintă marginea de siguranţă, trebuie să aibă o valoare destul de mare (40dB) pentru a garanta condiţiile de caliate cerute(rata de erori) şi disponibilitatea serviciului

Pe lingă atenuarea în spaţiul liber apar şi alte fenomene, cum ar fi variaţii ale condiţiilor atmosferice, refracţie, difracţie, reflecţii care pot duce la pierderea semnalului la recepţie. Fenomenele descrise anterior

nu au un caracter permanent şi de aceea ele sînt tratate din punct de vedere probabilistic.

Atenuarea(fading) poate fi de mai multe feluri: Multipath fading(atenuarea de propagare pe trasee multiple) cu

două componente flat fading( modelul ITU Report 338-6) şi frequency selective fading(modelul ITU Report 884-3).

Propagarea pe trasee multiple are ca şi consecinţă fatul că la recepţie ajung replici ale semnalului original la diverse momente de timp lucru ce poate duce la anularea semnalului transmis.Datorită faptului ca radiorelee digitale folosesc lărbimi mari de bandă 30MHz, 40MHz, 50MHz anularea semnalului la recepţie datorită propagării pe trasee multiple este dependentă de frecvenţă(freguency selective fading)

Rain fading. Atenuarea datorită precipitaţiilor afectează în special transmisiile cu frecvenţa peste 10GHz

Fading margin>rain fading+multipath fadingPentru a contracara efectele progării pe trasee multiple se pot tehnici de diversitate

Fig Legea lui Snell

Fig. Difracţia undelor electromagnetice la întîlnirea cu obstacole avînd marginile ascuţite

Pentru a evalua o legătură radio dpv al disponibilitatea legăturii(cît la sută din timp legătura e disponibilă) şi calitatea(exprimată de obicei în BER) se folosesc Recomadările ITU.(Ex pentru legături de date cu debite mai mari de 2Mbps ITU R G826)

Fig Împărtirea lumii în 3 regiuni de către ITU

ITU-R(International Telecommunications Union Radiocommunications Sector) a împărţit lumea în 3 Regiuni în ceea ce priveşte alocarea frecvenţelor:America, Europa-Africa, Asia-Pacific.

Există 2 organisme influente în ceea ce priveşte detalierea alocării benzilor de frecvenţă:

CEPT(Conference of European Post and Telecomunications Commission)

FCC(Federal Communications Commission)Odată fixată destinaţia benzii de frecvenţe, organismele regionale care elaborează standarde ETSI(European Telecommunication Institute) şi FCC elaborează standardele care au la bază utilizarea eficientă a spectrului.

Tabel cu alocarea benzilor de frecvenţă de către ITU-R

Fig Constructia de bază a unui terminal radio punct la punct

Cîştigul unei antene parabolice poate fi aproximat după formula:G(dBi)=18.2+20log(D)+20log(f) unde D=diametrul exprimat în metrii

f=frecvenţa în GHz

Exemplu: o antenna cu diametrul de 30 cm construit[ pentru banda de 26GHz are un cîştig de aprox 35dBi, iar o antena cu acelaşi diametru construită pentru banda de 38GHz are un cîştig de aprox 39dBi

Fig Componentele de bază ale unei linii de radioreleu

Legătura dintre IDU(Indoor Unit) şi ODU(Outdoor Unit) se realizează pe cablu coaxial şi serveşte la tranportul semnalului modulat pe o frecvenţă intermediară FI. ODU relizează conversia de la FI la frecvenţă dorită de emisie. Legătura dintre ODU şi antenă se realizează prin ghid de undă(waveguide)

Există cîteva tipuri de antene de microunde: Parabolică Horn Antene panou Arie de antene

Parametrii de bază ai antenelor: Banda de frecvenţă Cîştugul, raportul faţă spate, directivitate, caracteristica de

radiaţie Tipul de ghid de undă utilizat pentru a realiza conexiunea cu

ODU Greutatea Rezistenţa la vînt şi protecţia la apă

Cu cît frecvenţa este mai ridicată cu atît dmensiunea antenei se reduce.Cerinţele minime pe care trebuie să le îndeplinească antenele de microunde folosite pentru legături punct la punct sînt prevăzute în standardul ETSI EN 300 833.

Ghidurile de undă se utilizează în general la frecvenţe ridicate, avantajele sînt pierderile mici, puterile mari suportate, dezavantaje costul ridicat.

Dimensiunile ghidurilor de undă sînt standardizate de către IEC(International Electrotechnical Commission) şi EIA(Electronic Industries Association)

Fig. Distribuţia cimpului pentru modul dominat TE10, pentru ghidul de undă dreptunghiular a) vedere din lateral,b)vedere dinspre un capat, c)

vedre de deasupra

a>2bdimensiunea a a ghidului de undă dă şi frecvenţa minimă de lucru, sub această frecvenţa nu este posibilă transmiterea energiei electromagnetice

fcut off=c/2aModurile de propagare a undelor pot fi: transversal electric TE sau trasnversal magnetic TM

ODU

Semnalul de telemetrie este utizat pentru comunicaţia ODU-IDU şi pentru programare distantă, monitorizare.

Parametrii ce caracterizează ODU:

Puterea maximă de ieşire şi controlul puterii ATPC(Automatic Transmit Power Control)

ATPC monitorizează nivelul la recepţie şi în funcţie de acesta comandă emiţătorul să reducă sau să crească puterea. Prin acest mecanism se evită perturbarea altor legături radio funcţionînd în aceeaşi bandă sau în canale alăturate. Sensibilitatea receptorului(receiver sensitivity)-acest

parametru limitează distanţa maximă a unei linii de radioreleu, şi stabileşte nivelul minim de intrare pentru care receptorul decodează corect informaţia şi valoarea este dată în raport cu o anumită rată de erori acceptată(ex BER 10-6), frecvenţa utilizată, debitul transmis, modulaţia folosită

Receiver overload este nivelul maxim acceptat la intrarea receptorului, dacă se depăşeşte această valoare apar erori şi pot duce chiar la defectarea echipamentului

Stabilitatea frecvenţei(frequency stability) Banda de frecvenţă folosită, distanţa duplex între emisie şi

recepţie Lărgimea de bandă a canalului acesta poate fi de 3.5MHz,

7MHz,14 MHz, 28MHz,56MHz,...care împreună cu tipul de modulaţie folosit determină debitul pe care îl poate transporta legătura de radioreleu

Adjacent Channel Interference- se exprimă ca raport C(carrier)/I(adiacent channel). Valori tipice de -10 dB pt BER 10-6, ceea ce înseamnă că puterea în canalul adiacent poate fi cu 10dB mai care decît puterea în canalul utilizat.

Co-channel interference este cauzată de un sistem radio care utilizează acelaşi canal radio. Ex: C/I 13dB pt BER10-6

Spurrios Emissions – sînt acele semnale nedorite la ieşirea emiţătorului transmise în afara canalului utilizat

AGC Autoamatic Gfain Control nivelul de ieşire nu depinde de nivelul de intrare

RSL Received Signal Level este un indicator cu privire la nivelul de recepţie, echipamentele sînt prevăzute cu o ieşire de tensiune, tensiunea de ieşire fiind funcţie de nivelul semnalului recepţionat. Este folosită în special la alierea antenelor la instalare, în loc de analizor de spectru.

Temperatura de lucru şi condiţiile de umiditate Protecţia la supratensiunile atmosferice(Surge Current and

Lightning Protection)Ex: Parametrii pe care trebuie să îi îndeplinească liniile de radioreleu digitale funcţionînd în banda 32GHz-38GHz s]nt da’I ]n standardul EN 300 197, iar procedura de verificare a conformiţăţii în standardul EN 301 126-1

IDU

Fig Topologii pentru instalarea liniilor de radioreleu

Configuraţii posibile de instalare a liniilor de radioreleu

Protecţia liniilor de radioreleu se poate asigura în 3 moduri:

1. Hot Stand By

Ambele transceivere operează pe aceeaşi frecvenţă, transferul de pe principal pe rezervă se face în 3 situaţii:

- RSL(Received Field Strength) coboară sub o valoare predefinită de către utilizator

- BER(rata de erori) măsurată coboară sub un anumit prag- Pierderea sincronizării între emisie şi recepţie

2. Space Diversity

Prin acest sistem se asigură protecţia liniilor de radioreleu împotriva fadingului.

]\

3. Frequency Diversity

Modulaţii digitale

Fig. Modulaţia FSK

Fig. Modulaţia PSK

Fig. QPSK

Fig. Modulaţia 8QAM

Fig. Modulatorul IQ

Fig. Constelatia de puncte pentru 16QAM şi 64QAM