Трактат о радиотрактах или некоторые маркетинговые заблуждения о радиосвязи

Написать данную статью побудило наличие в сети большого количества маркетинговых заблуждений, информации типа «радиооборудование, работающее на дальности в 100км», «радиооборудование работает на полностью закрытых трассах» и т.п. В принципе, маркетинг на то и существует, чтобы приукрасить тот или иной продукт, однако сейчас всё чаще и чаще сталкиваюсь с тем, что многие коллеги воспринимают данные маркетинговые заявления за чистую монету. В статье постараюсь озвучить и обосновать некоторые утверждения, которые конкретизируют некоторую «маркетинговую информацию».



Прежде чем начать, имеет смысл напомнить общепринятую классификацию диапазонов радиоволн в теории радиосвязи.

Собственно, никто никому не запрещает придумать свою классификацию диапазонов радиоволн, но все классификации в теории радиосвязи обычно строятся либо по частотному типу (УВЧ — ультравысокие частоты), либо по длине волны (УКВ — ультракороткие волны). Пользуются обычно совмещённой классификацией (когда говорят «УКВ», подразумевают определённый частотный диапазон). Некоторая общая классификация диапазонов радиоволн дана в таблице здесь — ну куда же без Википедии.

Дополнение к ней именно по УКВ-диапазону дано в верхней таблице здесь.

Согласно этим данным, всё общераспространённое на рынке оборудование, с помощью которого строятся радиоканалы в диапазоне от 30МГц и выше (есть смысл говорить о верхней границе до 90ГГц), относится к УКВ-диапазону. Т.е. все протоколы классов и семейств типа GSM, WiFi, WiMax, LTE, ШБД, РРЛ и т. д. работают именно в данной категории со всеми присущими данному диапазону особенностями. Радиосвязь в УКВ-диапазоне организуется поверхностной волной, поэтому дальность в пределах Земли не очень велика и ограничивается «кривизной Земли». Когда говорят про радиосвязь, часто все рассуждения сводятся к связи между 2-мя точками. Поэтому чтобы не усложнять нашу статью схемами «точка — многоточка», «многостанционный доступ» и т.д. ограничимся схемой «точка — точка» или «радиоканал».

Итак приступим.

1. Утверждение первое


Максимальная практическая дальность, на которую можно организовать радиоканал в УКВ-диапазоне — 50-60км. Поясню термин «практическая». Он означает только одно: организовать радиотрассу на большие расстояния возможно, но только в том случае, если будет подходящая высота подвеса оборудования.


Максимальная дальность радиотрассы в УКВ-диапазоне сводится к расчёту по следующей формуле:
D = 3,57 * [²√(H1) + ²√(Н2) + 10 * ³√(λ)]
Где:
3,57 — коэффициент рефракции, учитывающий кривизну поверхностной волны на частотах более 1ГГц. Если частоты менее 1ГГц, то коэффициент будет равен 4,12 или 4,56 (на частотах менее 500МГц).
D — дальность радиотрассы, в км.
Н1, Н2 — высота подвеса приёмной и передающей антенн, в м.
Λ — длина рабочей радиоволны в м. Однако этим параметром при расчётах УКВ-радиотрасс часто пренебрегают из-за его малой величины.

Есть пример рассчитанной таблицы, поясняющий данную взаимосвязь. Согласно данной таблице, чтобы организовать радиотрассу на 50км, потребуется подвесить антенны с обоих сторон выше чем на 49м. Для сравнения, 53м — это верхняя точка современного 16-ти этажного дома. Таблица верна, если поверхность Земли на трассе как бильярдный шар идеально ровная. Если есть разные возвышения рельефа, постройки или деревья — надо поднимать антенны выше, как минимум на величину данных препятствий. Далее нужно ещё компенсировать величину 1-й зоны Френеля, но об этом ниже. В современных условиях на радиотрассе обычно неожиданно оказывается застройка, или какой-нибудь лес, или всё упирается в «нехотение владельцев высотных точек пускать Вас в свою вотчину».

На моей практике были случаи организации УКВ радиорелейной связи на расстояние примерно в 400км. Сеанс связи был организован на старых аналоговых радиорелейных станциях, работающих на антенны с круговой диаграммой направленности, одна из которых была в летящем самолёте (высота более 1000м).

Спутниковая связь работает в том же диапазоне, но там видимость есть всегда, когда спутник связи над горизонтом.

Заметим, значения мощности передатчика и чувствительности приёмника в формуле не участвуют. Дело в том, что влияние мощности на дальность радиосвязи в УКВ-диапазоне мало существенно, ибо диапазон высокочастотный. Мощности у существующего на рынке оборудования измеряются в десятках, реже в сотнях миливатт (встречались величины в 20, 63, 150мВт), варьируются также коэффициенты усиления у антенн. Понятно, что радиооборудование большей мощности и с большим коэффициентом усиления антенны даст лучшую энергетику в канале, но это в основном влияет на скорость канала и его устойчивость при наличии помех, препятствий и т. д., но об этом несколько ниже.

При организации радиосвязи на современном цифровом оборудовании на длинных радиотрассах (более 30км) часто наталкиваются на ограничения, которые накладываются высокими скоростями в канале. При организации высокоскоростных радиотрасс используется радиооборудование, которое применяет довольно сложные способы манипуляции/модуляции сигнала, одновременно несколько поляризаций сигнала, работает с увеличенной шириной полосы пропускания канала. Если протяжённость радиотрассы большая, а мощность передатчика и чувствительность приёмника при этом недостаточные, то на всё это начинает сильно влиять естественная задержка сигнала в канале, отражённые сигналы, это приводит к потерям и переповторам, адаптивному снижению скорости и пропаданию связи, т. е. радиоканал банально часто «падает».


Как-то коллеги из одной сотовой компании рассказывали, как организовали радиорелейную трассу на 50км. По поведению энергетики данной трассы, с их слов, «можно было предсказывать погоду».

2. Утверждение второе


На «полностью закрытых трассах» организовать УКВ-радиосвязь практически нельзя. Традиционно поясню термин «практически». Сделать это можно, но довольно проблематично — нужны ретрансляторы (отражатели), какие-то другие способы обхода препятствий или повышения энергетики в канале. Обычно, когда такое утверждается каким-либо вендором, то речь идёт либо о «полузакрытой трассе», либо связь организуется на «отражённом сигнале».

Теория говорит, что модель радиотрассы описывается не лучом, а фигурами, которые напоминают огурец и стакан вытянутый элипсоид вращения. Это так называемые зоны Френеля, для нас критична 1-я, про неё и будем говорить. При расчёте радиотрассы смотрят, есть ли препятствия на ней, и как они закрывают зону Френеля данной трассы. Практика показывает, что видимость между двумя точками, между которыми нужно организовать радиотрассу, может и быть, а вот при частичном перекрытии зоны Френеля препятствиями, энергетика радиотрассы будет слабенькой, и организовать радиоканал с нужными скоростями будет проблематично. Трасса с 20% закрытия зоны Френеля уже будет «полузакрытой» и будет терять энергетику. Оборудование, которое может реально работать на полузакрытых трассах (30-40% перекрытия зоны Френеля), на рынке стоит довольно дорого, и представлено очень малым количеством вендоров (упоминать не буду, ибо реклама). При закрытии зоны Френеля на 50% и более, нормальная работа радиотрассы без потерь практически нереальна.


Радиус данной зоны Френеля в конкретной части радиотрассы или минимальный просвет до препятствия рассчитывается по формуле:

h = ²√[1/3*D* λ*X/D*(1 — X/D)], где

h — величина «просвета»,
D — длина радиотрассы в м.,
Λ — длина рабочей радиоволны в м,
Х — расстояние до точки препятствия, в м.

В итоге, если подставить в формулу данные по 10км трассе в диапазоне 2,4ГГц, то получим максимальный радиус зоны Френеля на середине трассы более 10м. На 50км это значение будет равняться более 23м.

Компенсировать влияния препятствий на зону Френеля можно либо поднятием точки подвеса антенн ещё на необходимую величину просвета — смотрим рассуждения по Утверждению 1, либо повышением энергетики в канале — новые, обычно сверхбюджетные, затраты на мощность, коэффициенты усиления антенн, проприетарные протоколы отдельных вендоров.

3. Утверждение третье


Скорость в радиоканале, заявляемая продавцом оборудования, реальная скорость в радиоканале fullduplex, пакетная производительность — совершенно разные характеристики, друг с другом часто не совпадающие.

Обычно, когда в характеристиках радиооборудования упоминается скорость организуемого радиоканала, оказывается, что не все йогурты одинаково полезны это общая теоретическая скорость в радиоканале. Т.е. это суммарная скорость в радиоканале «туда» и «обратно». Поясню на примере. Как-то столкнулись с радиооборудованием, про которое заявлялось, что на нём можно организовать радиоканал в 350Мбит/с. Детальное изучение показало, что мы имеем в лучшем случае только теоретические 175Мбит/с FullDuplex. Реально речь шла в лучшем случае о 140Мбит/с, а далее выяснилось, что радиооборудование имело интерфейс 10/100BaseTx, т. е. величину реальной скорости по каким-то веским причинам производитель ограничил до 70-80Мбит/с.

Текущие аппаратные реализации практически всего радиооборудования представляют собой в общем виде сетевой IP-маршрутизатор (той или иной степени функциональности) с радиоприемо-передающим модулем/модулями. Всё это помещено в одну коробку. Работает это примерно так — сетевой протокол обрабатывается железом под спецификации радиопротокола (обычно 802.11) и выдаётся в эфир. Естественно, для этого требуется некоторая мощность аппаратной начинки. Отсюда и ограничения, которые характеризуются пакетной производительностью.

Пакетная производительность — это характеристика радиооборудования, которая показывает какой будет скорость в канале, если пойдёт «тяжёлый» трафик. К «тяжёлому трафику» обычно относят трафик, который генерируется приложениями, использующими пакеты малого размера (VoIP, TV и т.д.). Есть старенькая статья, в которой осуществляется подробный анализ пакетной производительности оборудования WiFi, применяемого в сетях ШБД. Статья, конечно, направлена на рекламу конкретного типа оборудования и конкретную компанию, но анализ, которым пользуется автор, на мой взгляд правильный. Итог статьи, если опустить всю рекламу, таков. Если не знать пакетную производительность конкретного радиооборудования, то можно получить неприятный сюрприз в виде максимальной скорости на радиоканале в 16% от заявленной. Знаю только одного вендора, у которого пакетная производительность оборудования реально совпадает с заявленной скоростью на радиоканал. Этого данный вендор добился применением исключительно проприетарных протоколов в работы своего оборудования. Гораздо чаще бывает, что пакетная производительность — это не задокументированная характеристика.

4. Утверждение четвёртое


В нашей стране радиочастотный спектр является собственностью государства. Для надзора за правильным его использованием созданы надзорные и контролирующие органы. Гражданские лица и организации могут использовать конкретную радиочастоту под работу своего радиооборудования, но, во-первых, на вторичной основе, т. е. если не мешают своими радиоэлектронными средствами работе радиооборудования государственных организаций (МО, ФСБ, МВД и т. д.), во-вторых, если не мешают своими радиоэлектронными средствами существующим радиотрассам таких же гражданских организаций, в-третьих, только в разрешённом для этого диапазоне. Для этого внедрена процедура получения и регистрации радиочастотного ресурса. Радиочастотными органами диапазон, разрешённый для использования, поделён на радиоканалы. По какой-то, мне не известной, причине, видимо исторически так сложилось, ширина этих радиоканалов, а по сути ширина полосы пропускания выделяемого радиоканала, составляет 20МГц. Т.е. если мы получаем для пользования частоту/частоты, то за пределы +10МГц и -10МГц от несущей, мы шагнуть не можем. Если нам нужна полоса в 40МГц или 80МГц, то, соответственно, нужно получать разрешение на 2 или 4 смежные несущие частоты. Практически это не реально, ибо оказывается, что что-то рядом уже кем-то занято, ибо разрешённый диапазон не пустует. Казалось бы, ну и ладно, зачем нам нужен дуплексный разнос в 40 или 80МГц? Ответ прост — для организации радиоканалов со скоростью более 50Мбит/с fullduplex требуются величина полосы пропускания в 40МГц, а при увеличении аппетита свыше 150Мбит/с — 80МГц.

По теме, касательно того, кому нужно получать разрешение на работу в разрешённом диапазоне, а кому нет, остановлюсь очень кратко, ибо это тема для отдельного разговора. Порядок получения разрешения может иметь разрешительный характер или уведомительный. Он довольно сложен, всё зависит от того, кто мы — юридическое или физическое лицо, организуем радиоканал в коммерческих целях или для собственного пользования, оборудование какой мощности используем, используем в помещении или вне его, на какую высоту подвешиваем, в каком диапазоне работаем.


В принципе, можно ориентироваться на то, что если мы используем в помещении или на улице в диапазоне 2,4-2,4835ГГц оборудование мощностью до 100мВт, не предоставляем коммерческие услуги через него, то можно не получать разрешения. То же самое справедливо для диапазона 5,15-5,25ГГц для оборудования мощностью до 200мВт, но только внутри помещения. Но опять же, нужно понимать, что во всех подобных случаях, как всегда есть нюансы, к примеру, мощность 100мВт — это мощность на выходе из антенны, т. е. она получается из мощности самого передатчика с учётом коэффициента усиления антенны.
Справедливости ради нужно добавить, что на любые радиоканалы диапазона 76-86ГГц получать разрешения не нужно.

В сухом остатке имеем очевидную банальность следующий итог. С точки зрения соотношения цена-качество, при учёте озвученных утверждений:
1. Есть смысл рассматривать организацию радиоканала в условиях городской застройки, если нужное расстояние не превышает 10км. Обычно эффективно использовать на расстоянии 3-5км.
2. Есть смысл рассматривать организацию радиоканала в условиях открытой местности, если нужное расстояние не превышает 20км. Обычно эффективно использовать на расстоянии 12-15км.
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 19

    +2
    <полуоф>По поводу закрытых трасс. Было удивительно узнать, что это для телевидения:
    image
    </полуоф>
      0
      Это что, что-то типа пассивного радиозеркала?
        +1
        да, пассивный ретранслятор стоит на гребне горы. С одной стороны город, с другой стороны сёла района — из города на эту конструкцию направлена большая «тарелка».
      0
      >>для организации радиоканалов со скоростью более 50Мбит/с fullduplex требуются величина полосы пропускания в 40МГц, а при увеличении аппетита свыше 150Мбит/с — 80МГц

      Это при 2.4 ГГц. Давайте уж нормировать, раз в статье есть упоминания и про более высокочастотные линки. :)
      Например на 38 ГГц, полосы 28 МГц уже вполне достаточно для 200 мегабит полнодуплексных.

      Кстати немного в оффтопик, но еще хотелось бы отметить про маркетинговые «гигабиты» на обычном бытовом / сохо вайфае.
      Вендор пишет на коробке что роутер типа выдает в воздух 600 мегабит (а то и больше с новым стандартом 802.11ac), но забывает упомянуть что для этого нужна широкая полоса, которую как правило не умеют клиентские устройства.
      За рамки стандартных для вайфая 20/40 МГц выйти удается редко. Да плюс это еще и делится на всех участников эфира.
      И ожидания пользователя в итоге оказываются сильно завышены.
        0
        Поясните, пожалуйста, тезис про увеличение пропускной способности при увеличении несущей до 38 ГГц. Проще поднять энергетику и использовать большие сигнальные созвездия?
          0
          Это наверное какой- то конкретный вендор так исполняет. имхо.
          по ITU-R F.749 на 38ГГц нормальные такие каналы.
          p/s/бедная теорема котельникова шеннона найквиста

          +1
          Да, согласен, есть некоторая недоговорённая двухсмысленность. Поясню. В основном действительно имел в виду так называемые решения ШБД, которые работают на 1 частоте и 1 канале. Это диапазон 2,4, 3, 5-6,5 ГГц. Вендоры часто, особенно когда только железо начало появляться, позиционировали его как «убийца радиорелеек». 38ГГц — это чисто радиорелейный диапазон. Там работа осуществляется на 2-х частотах: 1 — на передачу, другая — на приём. Т.е. выделяются 2 несущих частоты, по сути 2 канала.
          Когда мы планируем организовать РРЛ на каком-то пролёте, то сначала должны посчитать трассу, далее получить в соответствующих органах диапазон и частоты, после на них заказать оборудование, которое какое-то время, обычно 1 мес., будут изготавливать. С ШБД обычно процедура несколько иная — есть стандартный перечень уже готового железа, начинаем параллельно работу с оформлением частот и инсталляцией железа. Можем, конечно попасть на то, что дадут «вдруг» для работы не тот диапазон, но обычно такое бывает редко, если предварительно на уровне «Вась-Вась» известно какой будет у нас диапазон. Но в любом случае, время, затрачиваемое на инсталляцию РРЛ — от 6 мес., а время на ШБД — около 1 мес. К тому же решения ШБД дешевле. К решениям ШБД обычно начинают обращаться с позиции «а почему бы нам не попробовать». Решения РРЛ — это осознанные, серьёзные решения, принимаемые «не с кондачка», почти всегда с проектами, экспертизой и т.д. На моей практике их было гораздо меньше, чем ШБД. Обычно останавливала цена решений.
          +1
          Максимальная дальность радиотрассы в УКВ-диапазоне сводится к расчёту по следующей формуле:
          D = 3,57 * [²√(H1) + ²√(Н2) + 10 * ³√(λ)]
          Где:
          3,57 — коэффициент рефракции, учитывающий кривизну поверхностной волны на частотах более 1ГГц. Если частоты менее 1ГГц, то коэффициент будет равен 4,12 или 4,56 (на частотах менее 500МГц).

          Насколько помню из основ радиолокации, 3.57 это как раз коэффициент с учётом кривизны Земли, а 4.12 — коэффициент с поправкой за атмосферную рефрацию. Последнее слагаемое (с куб. корнем из длины волны) — не упоминалось вообще.
            0
            В разных источниках встречал разные интерпретации данной формулы. Где-то было это 3-е слагаемое, где-то нет. Видимо причина в том, что величина его действительно мала. На 2,4ГГц это 0,1249. Посчитал, что лучше указать формулу, учитывающую длину волны — мне она более симпатична.
            По поводу коэффициента 3,57 (4,12, 4,56) согласен. Хотя, мне кажется, что мы об одном и том же говорим. Рефракция — это ведь и есть явление искривления (преломления) волны из-за неоднородности атмосферы.
            +2
            Спасибо за интересную и поучительную статью.

            Одно замечание: уж слишком много зачеркнутых фраз. Юмор — это хорошо, но несколько раз ловил себя на том, что, прочитав зачеркнутый текст, терял нить рассуждения. Вы ведь рассматриваете непростые вещи, они не читаются на одном дыхании.
              +1
              Я тоже все время спотыкался об зачеркнутые фразы, пока не понял, что их лучше игнорировать совсем.
                0
                Меня не напрягло. А где-то даже наоборот, помогло понять «мякотку» явления )
                  0
                  Спасибо, согласен, уже поправил.
                    +1
                    Зачем? Мне теперь обидно, что я их не видел. Не слушайте всех подряд.
                      +1
                      Зачёркнутых фраз действительно было много. Это действительно мешало, ибо жаловался не один человек, а несколько, некоторые даже в личку об этом писали. Но убрал не всё. Так что, что есть, то осталось. Будем считать всё это издержками первой статьи на Хабре.
                  0
                  Вообще, теоретическая передача по радиоканалу определяется теоремой Шеннона-Хартли. Каждый передаваемый символ связи может кодировать несколько бит информации.
                    0
                    Вроде русский человек, должны знать, что первым доказал Котельников, а не Шенон Теорема Котельникова. Даже международный научный фонд признал приоритет Котельникова.
                      0
                      Если вы отвечаете на мой комментарий, то теорема Котельникова и теорема Шеннона-Хартли — это две совершенно разные теоремы.
                      +1
                      У нас что с Поповым А.С., что с Котельниковым В.А. одна и та же история. Их открытия сразу становились прикладными в военно-промышленной области, а потом только становились достоянием научной общественности, посему и такие разночтения с авторством, бытуемым за бугром. Там ведь главное — кто первый добежит до патентного бюро. Посему наверное спор подобного плана вряд ли к чему-либо приведёт.
                      Мне несколько другое неясно. Про Шеннона-Хартли с какой целью вспомнили? Я в корыстном плане интересуюсь: «да, автор прав» или «нет, автор про данных господ забыл»? Если можно, то с обоснованием.

                      Only users with full accounts can post comments. Log in, please.