Implementační poznámky

Při šíření elektromagnetické vlny volným prostorem dochází k jejímu tlumení. Tento útlum se popisuje jako útlum šíření volným prostorem (Free-space Loss). Útlum závisí na délce trasy, po které se signál šíří a na frekvenci signálu. Pro oba parametry platí přímá úměra. Větší vzdálenost −> větší útlum, vyšší frekvence −> větší útlum. Útlum šíření volným prostorem lze vypočítat tímto vztahem:

FSL = 32,44 + 20log f + 20log D

Kde:

Cílem výpočtu je navrhnout linku tak, aby přijímaný signál byl silnější než citlivost přijímače při požadovaném BER (typicky 10^-6). Každý rádiový signál, který se šíří v zemské atmosféře podléhá kolísání (fading). Proto je nutná určitá rezerva mezi sílou signálu přijímaného za normálních podmínek a citlivostí přijímače. Ta slouží jako rezerva úniku (fade margin). Její velikost vypočítáme z požadavků na spolehlivost linky (typicky 99,999 % času). Požadovaná rezerva závisí na délce linky a na dalších faktorech jako je útlum deštěm, rozptyl signálu a vícecestné šíření.

Při zanedbání přídavných ztrát na trase můžeme sílu přijímaného signálu vypočítat podle vzorce pro šíření signálu:

P_R = P_T + G_T + G_R – FSL

Kde:

Pro P_R musí platit:

P_R > P_S

Kde:

Citlivost přijímače definuje minimální úroveň přijímaného signálu, při které je přijímač schopen zpracovat přijímaný signál beze ztrát nebo ovlivnění přenášených dat (pro BER lepší než 10^-6).

Určení správné rezervy na únik (fade margin) je nejdůležitější krok při návrhu mikrovlnného spoje. Je-li rezerva příliš malá, bude spoj nestabilní a ve výsledku nebude možno zaručit dostatečnou dostupnost spoje a kvalitu poskytovaných služeb. Na druhé straně rezerva zbytečně velká prodraží spoj (vyšší výkon, větší a dražší antény) a zvedne náklady na zřízení mikrovlnné linky.

Následující odstavce popisují dva nejvýznamnější typy útlumu – útlum způsobený deštěm a útlum vícecestným šířením. Tyto se vedle útlumu šířením volným prostorem uplatňují nejvíce. Vzájemný vztah mezi útlumem způsobeným deštěm a útlumem vícecestným šířením vylučuje možnost, že spoj bude ovlivněn oběma útlumy současně – tyto typy útlumu se nesčítají. Pro určení rezervy na únik je nutno vypočítat útlum způsobený deštěm i vícecestný útlum. Větší z nich pak určuje rezervu na únik. V oblastech s vysokými srážkami bude významnější útlum způsobený deštěm. Naopak linka v suché oblasti s malým sklonem paprsku bude více trpět vícecestným šířením.

FSL (Free Space Loss) není jediným útlumem, který ovlivňuje vysílaný signál. Pro kmitočty 10 GHz a vyšší má vliv také útlum deštěm. Srážky v různých místech světa se liší, proto ITU vydala doporučení Rec. ITU-R PN.837-1, které rozlišuje 15 oblastí podle intenzity srážek, viz Obr. 2.1 nebo podrobněji v příloze B – „Mapa dešťových zón“. V oblastech s vyššími srážkami je třeba očekávat vyšší útlum způsobený deštěm a musí být dodržena vyšší rezerva na únik viz výpočet spolehlivosti spoje.

Útlum způsobený deštěm se vyznačuje těmito vlastnostmi:

Obr. 2.1: Mapa dešťových zón podle Rec.ITU-R PN.837-1

Útlum způsobený deštěm lze vypočítat pomocí modelu ITU-R outage takto:

Zjistíme intenzitu srážek R_0.01 dosaženou po 0,01 procent času (s integračním časem 1 min). Hodnoty R_0.01 jsou definovány pro 15 dešťových zón a pro různá procenta času a jsou k dispozici v ITU-R Recommendation P.837.

Vypočteme specifický útlum γ_R (dB/km) pro kmitočet, polarizaci a intenzitu srážek podle ITU-R recommendation P.838. Specifický útlum pro R_0.01 vypočteme takto:

γ_R0.01 = k_h,v .R_0.01^α_h,v

Kde:

Obr. 2.2: Specifický útlum způsobený deštěm γ_R0.01 (dB/km) pro H, V polarizaci a dešťové zóny při 10 GHz

Obr. 2.2 ukazuje, že útlum deštěm je větší pro horizontální polarizaci. Tento rozdíl je významnější v oblastech s vyššími srážkami. Proto při návrhu spoje v prostředí s vysokými srážkami (oblasti K až Q) je téměř nezbytné použít vertikální polarizaci a dostatečnou rezervu na únik.

Vícecestné šíření je další významný mechanismus zeslabování signálu na kmitočtu 10 GHz. Odražené vlny způsobují zeslabování zvané multipath, což znamená, že rádiový signál může dosáhnout přijímače různými cestami. Útlum nastane typicky tehdy, když odražená vlna dosáhne přijímače současně s přímou vlnou, avšak v opačné fázi.

Vícecestným šířením vznikají dva druhy útlumu, to je plochý útlum a kmitočtově závislý útlum. Plochý útlum je takové zeslabení signálu, kde všechny kmitočty v použitém pásmu jsou ovlivněny stejně a útlum závisí na délce spoje, kmitočtu a sklonu linky. Dále má významný vliv geoklimatický faktor K.

Pro výpočet pravděpodobnosti výpadku mikrovlnného spoje v pásmu 10 GHz vlivem vícecestného šíření můžeme použít pravděpodobnostní model ITU-R. Ten popisuje rozložení útlumu při jednom kmitočtu nebo při úzkém pásmu vhodné pro velké útlumy A v nejhorším průměrném měsíci v kterékoli části světa (založeno na ITU-R p.530-12)5. Pro podrobný návrh spoje se používá vztah [1]:

P₀ = Kd^3.2(1+|ε_P|)^-0.97×10^{0.032f-0.00085h_L–A/10}

kde:

K = 10^{-4.2-0.0029dN1}

Hodnota dN1 je uváděna pro síť 1.5° zeměpisné šířky a délky v ITU-R Recommendation P.453. Data jsou uváděna v tabulkové formě a jsou dostupná v Radiocommunication Bureau (BR).

Z výšek antén h_e , h_r (metry nad úrovní moře) se počítá sklon paprsku│ε_P│ (mrad) podle vztahu:

kde:

Poloha překážek mezi koncovými body spoje může významně ovlivnit jeho kvalitu. Rádiový signál se nešíří pouze podél přímky mezi oběma body ale také v jejím okolí v tzv. první Fresnelově zóně. V této zóně se přenáší 90 % energie mezi vysílací a přijímací anténou. Fresnelova zóna má tvar rotačního elipsoidu. Je-li v jejím prostoru překážka, pak má spoj zhoršené přenosové vlastnosti a vyžaduje použití kvalitnějších antén. Proto je přesná pozice antény stejně důležitá jako její výška nad zemí. Za nejdůležitější se považuje vnitřních 60 % z první Fresnelovy zóny.

Obr. 2.3: Fresnelova zóna

Obecná rovnice pro výpočet poloměru první Fresnelovy zóny v bodě P mezi koncovými body spoje:

Kde:

Poloměr každé Fresnelovy zóny je největší uprostřed linky a zužuje se k bodům, kde jsou umístěny antény. Pro praktické aplikace je často užitečné znát maximální poloměr první Fresnelovy zóny. Z výše uvedené rovnice může být odvozen zjednodušený vzorec pro výpočet maximálního poloměru:

Kde: