Riktad radio

Från Wikipedia, den fria encyklopedin
Hoppa till navigation Hoppa till sökning
Högalpinriktad antenn på Jungfraujoch

(Som radio engelsk sändning Mikrovågsugn eller riktad (direktiv) radio [1] ) är en trådlös kommunikation (inklusive data- eller informationsöverföring) med hjälp av radiovågor (även hänvisad till radio- eller hertzianska vågor) från en startpunkt till en definierad målpunkt (Engelska: punkt-till-punkt ). Termerna riktad radio , radiorelästation , radioreläsystem eller radiofrekvens härleds från denna specialfunktion i det tysktalande tillämpningsområdet för denna radioapplikation. Den tyska frekvensförvaltningen föreskrev att riktade radiostationer vanligtvis är fasta radiostationer och tilldelas den fasta radiotjänsten . [2]

Den riktverkan av denna radioapplikationsresultat från användning av riktade antenner , dvs. energibuntningsantenner som till stor del begränsar den elektromagnetiska energiöverföring till den önskade riktningen; i motsats till sändnings energin i sändningstjänst . Genom att koncentrera överföringseffekten i denna riktning är jämförelsevis lägre överföringseffekter tillräckliga för riktad radio än för rundstrålning . Denna riktningseffekt resulterar också i multipel återanvändning av samma radiofrekvenser eller radiofrekvenskanaler för flera riktade radioriktningar, linjer eller rutter. Enligt frekvensplanen är frekvensområdena med beteckningen "fast radiotjänst" uttryckligen tillåtna för denna radioapplikation (överföring av meddelanden med radiorelä ). Operatörer av denna radioapplikation kan få en användningslicens med motsvarande frekvensallokering från relevant frekvensadministration. Riktningsradiostationer innehåller anordningar för att generera dessa radiofrekvenser och för modulering med signalerna från data, meddelanden eller information som ska överföras. [3]

särdrag

  • Beroende på frekvensområdet är riktningsradio uppdelad i digital punkt-till-punkt eller digital punkt-till-multipunkt riktad radio och används huvudsakligen för fjärranslutningar inom telekommunikation. Dessutom fungerar det digitala radioreläet som en infrastruktur till och från höjdplattformar [4] eller som en alternativ radioanslutning av abonnentlinjer till trådbundna abonnentlinjer.
  • Militära radioreläapplikationer och BOS -radiorelä är vanligtvis en del av den fasta radiotjänsten , även om taktiskt rörliga eller mobila radiorelästationer också används förutom fasta radiorelästationer . Användarna i fråga får därför frekvensuppdrag från frekvensområden som innehåller frekvensområdesallokering för en fast radiotjänst och / eller mobil landradiotjänst .

Historisk utveckling av radiorelä

Riktningsantenner på Engelska kanalen

Heinrich Hertz spegelexperiment var i grunden ett radioreläsystem.

Den första riktade radiolänken för överföring av en analog telefonkanal togs i drift 1931 mellan Calais i Frankrike och St. Margaret's Bay nära Dover i England . Det fungerade med en radiofrekvens på 1,7 GHz med roterande parabolantenner 3 m i diameter, överföringseffekten var 1 W och radiofältets längd var 40 km. Den första flerkanalsradiolänken som kunde överföra nio analoga telefonkanaler med en radiofrekvens på 65 MHz etablerades 1936 mellan Skottland och Belfast i Nordirland . [5]

Efter slutet av andra världskriget bidrog radioreläsystem betydligt till utvecklingen av nationella och internationella telekommunikationsnät. Radioreläsystem användes nästan uteslutande i fjärranätet. Radiofältlängder mellan 30 km och 60 km var regeln. Viktiga anslutningar i telekommunikationsnäten genomfördes parallellt både via koaxialkabeln och via radioreläsystem. Den första överföringen av ett tv -program via det internationella radionätverket, som nu har upprättats, ägde rum 1953 vid Elizabeth II: s kröning.

Analoga radioreläsystem med en överföringskapacitet på upp till 2700 telefonkanaler och radiofrekvenser mellan 1,9 GHz och 11 GHz användes fram till omkring 1980. Överföringen av tv skedde nästan uteslutande via riktad radio. Sändningseffekten var 0,5 watt för system med 120 telefonkanaler och 20 W för system med 2700 telefonkanaler. Frekvensmodulering har etablerat sig som moduleringsmetod för flerkanalssystem.

Riktad radioplats med mobil basstation i Spachbrücken, Hessen, Tyskland

Från omkring 1970 introducerades digitala överföringsmetoder gradvis i nätverken. Med optiska överföringssystem var det nu möjligt att sända mycket höga bithastigheter över långa avstånd utan repeterare. Som ett resultat var alla storstadsområden anslutna till optiska överföringssystem. Som ett resultat flyttades tillämpningsområdet för radioreläsystem till telekommunikationsnätets regionala och lokala nätverksnivå.

Efter återföreningen av de två tyska staterna 1990 måste telekommunikationsnätet i de nya östra förbundsstaterna byggas ut och anslutas till nätverket av de västra förbundsstaterna. Denna uppgift kan framgångsrikt lösas genom massiv användning av digitala radioreläsystem. 1991 började utvecklingen av de digitala mobilkommunikationsnäten. Av kostnadsskäl implementeras stora delar av det fasta nätverket av mobila kommunikationssystem med radioreläsystem. Särskilt nätverksförlängningarna är förutbestämda för användning av radioreläsystem. I och med att telelagen trädde i kraft 1996 upphörde Tysklands tidigare telekommunikationsmonopol. Nu kunde också privata företag starta och driva egna telekommunikationsnät. Många anslutningar i dessa nyskapade nätverk dirigeras också via radiorelä. I slutet av oktober 2013 var mer än 125 000 radiolänkar i drift i Tyskland med en årlig tillväxttakt på 10%. Tyskland har förmodligen det tätaste radiorelänätet i världen.

Frekvensområden mellan 3,8 GHz och 86 GHz med en bandbredd på 41 GHz är tillgängliga för riktad radio i Tyskland. I Tyskland tilldelas frekvenser för radiolänkanslutningar av Federal Network Agency (BNetzA). Mobilkommunikation fortsätter att göra det största bidraget till den ytterligare expansionen av riktade radionät. Riktningsradiostationer används mestadels också som platser för cellulära basstationer (se figur). Som ett alternativ och komplement till trådbaserade överföringssystem är radioreläsystem fortfarande ett oumbärligt överföringsmedium i nationella och internationella telenät.

Struktur för en radiolänk

Med riktade radiolänkar utförs emission och mottagning av elektromagnetiska vågor av paraboliska antenner med hög direktivitet. Det finns en siktlinje mellan sändande och mottagande antenner. Radioreläsystem är vanligtvis punkt-till-punkt-radiosystem. Användningen av punkt-till-multipunktsystem är begränsad till speciella fall. När det gäller överföringskvalitet och tillgänglighet gäller mikrovågslänkar samma krav som överföringssystem som använder fiberoptiska kablar som överföringsmedium.

Schema för en riktad radiolinje

Figur 1: Riktad radiolinje

Figur 1 visar en radiolänk mellan terminalerna A och B i schemat. Eftersom det inte finns någon siktlinje mellan platserna A och B krävs en relästation . I detta exempel består anslutningen av två riktade radiolänkar. I många fall är platserna för relästationer noder för radiorelänätet (se figur).

Relästation med gallermast i Weiterstadt, Hessen, Tyskland

Radioreläsystem är vanligtvis dubbelriktade överföringssystem. Enhetskonfigurationen för detta ges i den nedre delen av figur 1. I modulatorn M är den digitala dataström som ska överföras imponerad på en mellanfrekvensbärare. Kvadraturamplitudmoduleringsmetoder med 4 till 2048 nivåer (4QAM till 2048QAM) används som moduleringsmetod. I överföringsenheten S omvandlas mellanfrekvensbäraren till radiofrekvensnivån och dess effektnivå höjs till överföringsnivån. De vanliga överföringsnivåerna för radioreläsystem är mellan 20 dBm (= 100 mW) och 30 dBm (= 1 W). Radiofrekvensbäraren matas till antennen via en sändnings- / mottagningsomkopplare och sänds i riktning mot den motsatta stationen. Där anländer bäraren till mottagare E, som förstärker den mottagna signalen och sätter tillbaka den till mellanfrekvensnivån. Mellanfrekvensbäraren demoduleras slutligen i demodulatorn och datasignalen som återvinns i processen regenereras.

Bältesposition regel

Riktade radiolänkar fungerar vanligtvis dubbelriktade och är därför symmetriska i strukturen. Internationellt definieras fasta frekvensband med radiokanaler med fast bandbredd och mittfrekvens för bästa möjliga användning av frekvensområdet. För dubbelriktad överföring är frekvensbanden uppdelade i ett nedre och ett övre band, som var och en omfattar lika många radiokanaler.

Till exempel omfattar 13 GHz-frekvensområdet för radiolänkanslutningar enligt ITU-R F.497 åtta radiokanaler i de nedre och övre banden med en bandbredd på 28 MHz per kanal. En kanal från det nedre och ett övre bältet bildar vardera ett kanalpar, varav en manövreras i en riktning och den andra kanalen manövreras i motsatt riktning. Det så kallade diplexavståndet mellan dessa två kanaler mellan det nedre och övre bandet är 266 MHz i detta frekvensområde och tack vare det stora frekvensavståndet tillåter störningsfri drift mellan sändaren och mottagaren. [6]

Eftersom riktade radiolänkar över längre avstånd i allmänhet består av flera partiella radiolänkar, så kallade radiofält, tillämpas den så kallade bandpositionsregeln för optimal användning av frekvensen. Denna regel säger att på en radiomast kan alla radiolänkar i ett visst frekvensområde endast sända i det övre bandläget eller bara i det lägre bandläget, men aldrig blandat. Detta krav undviker ömsesidig störning mellan sändare och mottagare på samma plats. Varje riktad radiostation längs rutten är antingen en så kallad övre bandplats (alla riktade radioenheter sänder bara i det övre bandet på denna plats) eller en så kallad lägre bandplats (alla riktade radioenheter på denna plats sänder bara i det nedre bandet). Detta krav gäller för alla operatörer för alla överföringssystem på en plats. För att en radiolänk bestående av flera radiofält ska hantera med endast ett par kanaler, krävs det inom ramen för bandpositionsregeln att övre eller nedre bandplatser alternerar längs radiolänken. Detta innebär att flera på varandra följande sektioner kan manövreras med bara ett par kanaler, som praktiskt taget aldrig ska vara i en rak linje. I undantagsfall, till exempel vid upprättande av nätverksradiorelänät eller grenar, kan det finnas en avvikelse från bandpositionsregeln. I sådana fall används till exempel kanaler från andra frekvensområden för enskilda rutter.

Den riktade radiokanalen

Den riktade radiokanalen innefattar radiofältet inklusive sändnings- och mottagarantennen. Den elektromagnetiska vågen mellan den sändande och mottagande antennen förökar sig i troposfären . Utbredningsförhållandena är därför beroende av vädret och därmed också av radiofältets geografiska läge. De ändras med tiden på året och dagen. Dessa tidsmässiga och lokala beroende av förökningsbeteendet flödar in i planeringsberäkningarna för en radiolänk.

Om den första Fresnel -zonen är fri från hinder gäller dämpningen av radiofältet :

= Radiofrekvens, = Radiofältlängd, = Antennvinster i dB

Denna skräddarsydda storleksekvation härrör från formeln för dämpning av ledigt utrymme . Den första Fresnel -zonen är ett område runt siktlinjen. Din radie vid punkten uppgår till:

= Jordens radie

Siktlinjen är också känd som en riktad radiostråle. För det mesta minskar troposfärens brytningsindex linjärt med höjden, så att den riktade radiostrålen bryts mot jorden, det vill säga den är krökt. För att få en rak siktlinje i representationen multipliceras jordens radie med den så kallade k-faktorn. I Europa är k -faktorn k = 1,33 (normal atmosfär) mer än 50% av tiden.

Ibland bildas emellertid inversionsskikt i troposfären, så att den riktade radiostrålen bryts annorlunda. Till exempel sprider sig flera riktade radiostrålar över banor av olika längd som är överlagrade i den mottagande antennen (se figur 2). Resultatet är mångsidig mottagning . Som ett resultat sker bredbandsfädning ( engelsk flatfading ) i kombination med selektiv fading ( engelsk selektiv fading ) vid utgången från den mottagande antennen i radioreläets spektrum.

Multipath förökning

Figur 2: Multipath förökning

Flervägsutbredning är det dominerande störningsfenomenet för radiofält som är större än 30 km, vilket är regeln för frekvenser under 10 GHz. Vid frekvenser över 10 GHz är regndämpning den dominerande störningsfaktorn. Regn skapar bredbandsblekning. Regndämpningen ökar med ökande frekvens, så att de realiserbara radiofältlängderna minskar med ökande radiofrekvens. [7] Från cirka 20 GHz, utöver dämpning av regn, får absorption av atmosfäriska gaser inflytande. Huvudabsorptionen sker genom vattenånga och syremolekylerna i luften. Den specifika absorptionsförlusten har maximalt 23 GHz och 60 GHz. [Åttonde]

Radioreläsystem

Systemaggregatets modulator och demodulator är anslutna till enheterna för strömförsörjning och gränssnitten i en inomhusenhet (kort IDU, engelsk sammanfattad inomhusenhet). Sändaren och mottagaren bildar radion . I många fall är den utformad som en extern enhet (kortfattat ODU, från engelska utomhusenheten ) och är monterad nära antennen. Utomhusenheten är ansluten till inomhusenheten via en koaxialkabel, via vilken strömförsörjningen för utomhusenheten också går (se illustrationer).

Inomhusenhet (IDU) och antenn med flänsmonterad utomhusenhet (ODU)
Installation av en antenn inklusive två externa enheter (ODU) i Frankfurt am Main (källa: CBL)

Modulator och demodulator implementeras i form av komplexa, programmerbara integrerade kretsar för digital signalbehandling. Detta gör att moduleringsmetoden och bandbredden kan konfigureras enligt de olika kraven. De viktigaste systemparametrarna är överföringsnivån , systemtröskeln (Mottagningsnivå med lite felfrekvens på ), Bithastighet och moduleringsmetod. Bithastighet och moduleringsmetod bestämmer den nödvändiga bandbredden i det elektromagnetiska spektrumet. I en radiofrekvenskanal med en bandbredd på 28 MHz kan en nettobithastighet på 193 Mbit / s överföras med 256QAM -moduleringsmetoden. Om en högre bithastighet krävs kan antalet steg i moduleringsprocessen ökas. När man använder båda polarisationsriktningarna (horisontellt och vertikalt) i samma radiofrekvenskanal fördubblas bithastigheten. Dessutom kan flera system på rutten drivas parallellt i olika radiofrekvenskanaler. En nettobithastighet på 1 Gbit / s kan överföras i en bandbredd på 56 MHz och 1024QAM.

För att motverka effekterna av flervägsutbredning innehåller demodulatorn en adaptiv tidsdomänutjämnare (kortfattat ATDE, från engelska Adaptive Time Domain Equalizer ). När man använder båda polarisationsriktningarna i samma radiofrekvenskanal påverkar de två olika polariserade bärarna varandra. Demodulatorerna hos mottagarna för vertikal och horisontell polarisering är därför kopplade till varandra via en tvärpolarisationskompensator (XPIC för kort, från engelska Cross Polarization Interference Compensator ), som kompenserar för dessa påverkan. Överföringsnivån för radioreläsystem reduceras med en automatisk nivåreglering (kort sagt ATPC, från engelsk adaptiv sändareffektkontroll ) till ett värde som ligger cirka 10 dB över systemtröskeln på en icke-blekande tid. Detta minimerar störningar av närliggande radiolänkar. Vid blekningshändelser i radiofältet ökas överföringsnivån enligt blekningsdjupet tills en så kallad operativ överföringsnivå uppnås.

Planering av mikrovågslänkar

I det första steget med att planera riktade radiolänkar skapas ett tvärsnitt av terrängen. Detta kontrollerar om den första Fresnel -zonen är fri från hinder. Om den första Fresnel -zonen är delvis skuggad kan detta göras genom ytterligare dämpning måste beaktas. Nästa steg är mottagningsnivån beräknad i icke-krympande tid:

( = Dämpning av antennmatningsledningarna, = Absorptionsdämpning)

Skillnaden mellan den mottagna nivån och systemtröskeln är den platta fade marginalen (FFM kort för engelska flat fade margin):

En del av radiolänken till Västberlin : Gittermasten på den tidigare Frohnau -radiolänken, som sprängdes 2009

Olika empiriska och semi-empiriska prognosmetoder [9] [10] kan användas för att förutsäga om den beräknade platta krympningsreserven under påverkan av flervägsutbredning eller nederbörd (regn) är tillräcklig för att garantera erforderlig överföringskvalitet eller tillgänglighet för radiolänk. Om den platta blekningsreserven är otillräcklig och den inte kan ökas genom att öka överföringsnivån eller genom att använda antenner med en högre förstärkning, finns det möjlighet i frekvensområdet under 13 GHz att avsevärt minska blekningssannolikheten genom användning av rumslig mångfald . Vid rumslig mångfald används två mottagarantenner som är inställda på ett tillräckligt vertikalt avstånd från varandra så att mottagningsförhållandena för de två antennerna är dåligt korrelerade. Utsignalerna från båda mottagningsgrenarna kombineras med varandra. Antingen byts den bara till bättre mottagning i varje fall eller så kombineras de två signalerna efter en amplitud- och fasjustering.

Tilldelningen av radiofrekvenskanalen för en planerad rutt utförs av nationella tillsynsmyndigheter, i Tyskland av Federal Network Agency (BNetzA), i Schweiz av Federal Office of Communications (OFCOM), i Österrike av Federal Ministry of Transport , Innovation och teknik (bmvit). Det är bland annat tillsynsmyndighetens ansvar att se till att den planerade rutten i den avsedda radiofrekvenskanalen fungerar utan störningar och att den nya rutten inte otillåtet påverkar andra rutter som tas emot i samma radiofrekvenskanal eller i intilliggande kanaler. För detta ändamål krävs interferensberäkningar som tar hänsyn till alla befintliga rutter inom inflytandeområdet för den planerade radiolänken. Dessa beräkningar inkluderar överföringsnivåerna och riktningsdiagrammen för antennerna på de relevanta radioreläplatserna.

Användning av riktade radiolänkar

Signal de Botrange radiolänk mellan börserna i London och Frankfurt

Fram till början av 1990 -talet användes riktad radio nästan uteslutande i Tyskland för överföring av information från TF -nät över långa avstånd (cirka 100–120 km). Under 1950- och 1960-talen byggde den tidigare Deutsche Bundespost som monopol i telekommunikationssektorn ett nära sammanhållet nätverk av telekommunikationstorn och repeaterkontor genom vilka förbindelser mellan enskilda kopplingsenheter upprättades. Anmärkningsvärt var mikrovågsförbindelser till Västberlin , som måste upprättas och drivas på gränsen till teknisk genomförbarhet på grund av det stora avståndet mellan det federala territoriet och Berlin. Förutom telefonnätet byggde posten också riktade radiolänkar för att distribuera offentliga radioprogram. Detta inkluderade anslutningar från studiorna till sändningssystemen som sprids över landet såväl som mellan sändningshusen, till exempel för att utbyta program.

Med tillgången på fiberoptiska anslutningar med mycket hög kapacitet minskade dock betydelsen av radiorelä för dessa applikationer snabbt, även om det erbjuder fördelar vid realtidsdataöverföring . Vid utbyte av data via kommunikationssatellit måste tidsfördröjningar förväntas på grund av signalutbredningstiden och, när det gäller fiberoptiska kablar, på grund av buffring av data. Så z. Till exempel används riktningsradio fortfarande mellan börserna i London och Frankfurt am Main för att säkerställa priser i realtid . [11]

Radioreläteknik fick igen betydelse med framväxten av mobilnät . Här används riktad radio mycket ofta för att ansluta de enskilda mobila radiobasstationerna till deras enheter på högre nivå. Fördelar jämfört med en hyrd fast linje är lägre driftskostnader, snabbare installation och direkt åtkomst till hårdvaran från mobilnätoperatören. Riktade radiolänkar är mer mottagliga för störningar (t.ex. från kraftigt regn), men de kan undertryckas snabbare än hyrda ledningar (t.ex. om en förstörd förstärkare misslyckas), vilket resulterar i en högre total tillgänglighet.

Mobilradio -relästation för den danska armén

Energiförsörjningsföretag använder också riktade radiolänkar och har byggt egna torn för detta ändamål, se listan över riktade radiotorn för energiförsörjningsföretag i Tyskland .

Eftersom dataöverföring med höga bandbredder önskas, men den erforderliga fiberoptiska dedikerade linjen inte är tillgänglig överallt, upprättas ofta en riktad radiolänk. Detta konfigureras antingen som en peer-to-peer- anslutning eller en riktad trådlös internetanslutning för att möjliggöra säkerhetskopiering på stora platser såväl som en platskoppling av olika grenar. Så att sådana radiolänkar kan användas så effektivt och utan störningar som möjligt bör de inte vara längre än 20 km och inom synhåll. [12]

Den schweiziska betal -TV -leverantören Teleclub har varit ett vanligt offer för piratkopiering . Sedan 2001 har Teleclub -signalen endast matats till kabel -tv -nätverken i Schweiz via Swisscom -radiorelänätet. Tidigare skedde den osäkra leveransen via satellit (först via Astra , sedan via DFS-Kopernikus ).

Övervakning och spionage

”Avlyssning” av radiolänk via satelliter.

Under det kalla kriget kunde amerikanska underrättelsetjänster som NSA använda satelliter för att övervaka Warszawapaktens radiolänkar. En del av strålen i en radiolänk passerar den mottagande antennen till sidan och strålar ut i rymden i horisontens riktning, som kan användas för att fånga upp länken med en satellit som är placerad på denna geosynkrona bana. Liksom andra radiolänkar övervakades förbindelserna till och från Västberlin och inom Västtyskland längs den inre tyska gränsen med lyssningsinlägg från ministeriet för statlig säkerhet och den östtyska NVA . [13] Av denna anledning föredras krypterad överföring för radiolänkar som används av militären. Än idag övervakas och spioneras radiolänkar av hemliga tjänster.

Exempel på radiorelästationer

litteratur

  • Jürgen Donnevert: Grunderna för digital radiorelä - systemteknik - planering av rutter och nätverk. Springer Fachmedien och Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1782-2 .
  • Wolfgang Heinrich (Hrsg.): Richtfunktechnik . R. v. Decker's Verlag G. Schenk, 1988, ISBN 3-7685-2087-0 .
  • Helmut Carl: mikrovågslänkar . Verlag Berliner Union, Stuttgart 1964, ISBN 3-408-53036-X (SEL-serie böcker).

webb-länkar

Commons : Radiorelä - samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. Peter-Klaus Budig (red.): Langenscheidts specialistordbok elteknik och elektronik (D-E) . 1999, ISBN 3-86117-109-0 .
  2. ^ VO -radio i ITU , 2012 års upplaga, artikel 1.66, definition: fast radiostation ; Artikel 1.20, definition: fast radiotjänst .
  3. Radioreläteknik (system, planering, struktur, mätning) . Fachverlag Schiele & Schön, Berlin 1970, ISBN 3-7949-0170-3 .
  4. Höjdplattform = radiostation på en plattform på en viss höjd i stratosfären med en fast position ( engelska High Altitude Platform Station , akronym: HAPS)
  5. ^ Helmut Carl: riktade radiolänkar. SEL -serie specialböcker. Verlag Berliner Union, Stuttgart 1964, ISBN 3-408-53036-X .
  6. ^ ITU-R F.497: Radiofrekvenskanalarrangemang för fasta trådlösa system som arbetar i frekvensbandet 13 GHz (12,75-13,25 GHz). Hämtad 24 juni 2017 .
  7. ITU-R Rec. P.383-3: Specific attenuation for rain for use in prediction methods auf itu.int
  8. ITU-R Rec. P.676-9: Attenuation by atmospheric gases auf itu.int
  9. ITU-R Rec. P.530-13: Propagation data and prediction methods for the design of terrestrial line-of-sight systems 2009. auf itu.int
  10. M. Glauner: Outage prediction in modern digital radio-relay systems. 1. European Conference on Radio-Relay-Systems (ECRR); November 1986, München, S. 90–96.
  11. Neuer Turm für Botrange. Abgerufen am 24. Dezember 2019 .
  12. Richtfunkstrecke: Schnelle Datenübertragung mit hohen Bandbreiten. Abgerufen am 3. Januar 2018 .
  13. Die Hauptabteilung III des MfS