Un rapido riassunto degli aspetti e dei parametri che permettono il funzionamento di una tratta di collegamento via radio
Link-Budget
E’ il calcolo aritmetico di tutti i guadagni e delle perdite di potenza di un segnale in una tratta radio di un sistema di trasmissione composto da un trasmettitore, cavi o guide d’onda, un’antenna, mezzo fisico, fino al ricevitore.
È un’equazione che definisce la potenza ricevuta a partire dalla potenza del trasmettitore, dopo aver considerato l’attenuazione del segnale trasmesso dovuta alla propagazione, i guadagni dell’antenna, le perdite delle linee e l’eventuale l’amplificazione del segnale nel ricevitore.
Il Link-budget è un ausilio alla progettazione per garantire che le informazioni siano ricevute in modo intelligibile con un adeguato rapporto segnale/rumore. Una semplice equazione del link budget si presenta come:
Potenza ricevuta (dBm) = potenza trasmessa (dBm) + guadagni (dB) − perdite (dB).
Nota: l’utilizzo di dBm e dB consente di effettuare semplici addizioni e sottrazioni dei guadagni e dei livelli di potenza. La cosa importante è non confondere mai le unità di misura del guadagno lineare (rapporto) e della potenza in watt (mW) con le unità di misura del guadagno logaritmico (dB) e della potenza (dBm).
Frequency band [Hz]
La banda è l’intervallo di frequenze contigue dello spettro radio necessario al funzionamento della tratta.
Nello spettro elettromagnetico si dispone di una gamma di frequenze per le trasmissioni comprese tra 3 kHz e 3 THz, rigorosamente regolamentate da norme nazionali e coordinate a livello mondiale dall’ITU (International Telecommunication Union), al fine di prevenire le interferenze. Un apparato radio è in grado di funzionare solo all’interno di una specifica banda di frequenze: al di fuori di questo intervallo la radio non è in grado di sintonizzarsi oppure le sue prestazioni non saranno adeguate.
Tipicamente i segnali radio a basse frequenze sono meno sensibili alle condizioni atmosferiche, permettono di “scavalcare” ostacoli del terreno (fenomeno della diffrazione e riflessione) e coprire distanze maggiori, ovviamente a spese della minore quantità di bit trasportati (data rate).
Le alte frequenze – invece – offrono elevati di livello di trasporto, anche dell’ordine di decine di Gbps, ma sono molto sensibili ai fenomeni atmosferici, sono estremamente direttive, non pemettono il superamento di ostacoli fisici, non vengono riflesse nella ionosfera e nel caso dei collegamenti punto-punto non ammettono disallineamenti.
Tx power [dBm / mW / W]
Potenza d’uscita di un trasmettitore radio, la cui intensità può essere misurata in dBm o decibel-milliwatt, in Watt o milliwatt.
La potenza d’uscita di un trasmettitore influenza direttamente la portata del segnale, la copertura e la capacità di superare o penetrare gli ostacoli. Valori elevati garantiscono certamente portate di distanza maggiori, ma richiedono assorbimenti elettrici maggiori e causare disturbi ed interferenze (distorsioni, armoniche, segnali spuri, segnali non lineari). Se il livello del segnale è troppo basso, il segnale verrà sepolto nel rumore di fondo, rendendone difficile il recupero.
Rx sensitivity [dBm]
La sensibilità del ricevitore è la misura della minima intensità del segnale che un ricevitore è in grado di rilevare.
Maggiore è la sensibilità del ricevitore, maggiore sarà la sua capacità di “catturare” i segnali. Tuttavia è sbagliato affermare che un ricevitore meno sensibile ha prestazioni migliori in presenza di interferenze.
Infatti la capacità di un ricevitore di trascurare le interferenze non è correlata alla sua sensibilità, ma ad una specifica funzionalità chiamata receiver blocking che appunto ferma i segnali interferenti su frequenze diverse rispetto al segnale portante desiderato, in base ad un sovraccarico (saturazione) od elevato rapporto SNR.
SNR – Signal to Noise Ratio [dB]
Rapporto segnale/rumore, una misura che confronta il livello di un segnale desiderato (potenza attesa) rispetto al livello del rumore di fondo (potenza del segnale indesiderato).
L’SNR è un parametro importante che influenza le prestazioni e la qualità dei sistemi radio: se elevato indica che il segnale è chiaro e facile da rilevare o interpretare, se basso indica che il segnale è alterato o, peggio, coperto dal rumore pertanto difficile da distinguere o recuperare. Ad esempio un rapporto maggiore di 1 dB, indica una maggiore quantità di segnale desiderato rispetto a quello indesiderato (rumore).
L’SNR può essere migliorato in modi diversi, come:
- aumento dell’intensità del segnale (Tx power)
- impiego di sistemi d’antenna con maggiore guadagno
- filtraggio dei segnali indesiderati
- utilizzo di tecniche di correzione degli errori
- allontanamento dell’apparato da sorgenti di disturbo note
- impiego di cavi schermati
- ecc.
System gain [dB]
Il guadagno del sistema, inteso come circuito, è l’aumento netto totale della potenza del segnale
Questo valore è calcolato come differenza tra la potenza irradiata equivalente (EIRP) del trasmettitore e la sensibilità del ricevitore.
System gain (dB) = Tx Power (dBm) – Rx sensitivity (dBm)
Antenna gain [dB]
Il guadagno dell’antenna misura l’efficienza con cui un’antenna è in grado di convertire l’energia elettrica in onde radio verso una particolare direzione.
Il guadagno quantifica la potenza che può essere trasmessa in una direzione specifica rispetto ad un’antenna isotropica che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni. Chiaramente elevati guadagni d’antenna permettono di aumentare il system gain del collegamento, quindi maggiori distanze e fade margins più elevati.
Le antenne con guadagno sono del tipo direttivo (parabola, pannello, ecc.) poiché la focalizzazione permette di aumentare la potenza del segnale e di incanalarlo verso una specifica postazione. Al contrario, le antenne omnidirezionali presentano guadagni inferiori.
Nota: per misurare il guadagno dell’antenna possono essere impiegati diverse unità di misura, dB e dBi. Per evitare confusione basti ricordare che il guadagno espresso in dBi confronta il guadagno con un’antenna isotropica, mentre quando è espresso in dB confronta il guadagno dell’antenna con una reale, avente uno specifico diagramma di radiazione. In entrambi i casi, ad esempio, un’antenna con un guadagno di 10 dBi o 10 dB ha una potenza 10 volte maggiore in una direzione specifica. L’utilizzo di un dBi teorico semplifica il confronto delle prestazioni delle antenne.
Fade margin (dB):
Il margine di degradazione o fading è la tolleranza di progettazione imposta ad una una tratta radio.
Prevede livelli di guadagno o sensibilità sufficienti a compensare fenomeni temporanei di “sbiadimento” del segnale dovuti ad eventi atmosferici e garantire il mantenimento della qualità del servizio richiesta. A livello matematico
Fade Margin (dB) = Livello segnale RX (dBm) – Sensibilità ricevitore (dBm).
Se è richiesto un collegamento di altamente affidabile e mission-critical, l’obiettivo di progettazione dovrebbe disporre di un fade margin minimo compreso tra 20 e 30 dB. Tuttavia se il calcolo del link budget indica un margine inferiore a 10 dB, si dovrebbero valutare altre opzioni possibili per migliorarne il valore, come:
- impiego di antenne con guadagno maggiore
- aumento della potenza di trasmissione
- riduzione delle perdite nei cavi RF
- limitazione della propagazione multipath con antenne diversity.
Link Availability [%]
La disponibilità del collegamento rappresenta la percentuale di tempo (minuti in un anno) durante il quale un collegamento radio opera entro parametri di prestazioni definiti.
In genere è del 99,9% per i livelli di accesso fino al 99,999% (carriere quality) o superiore per le dorsali critiche. E’ definito in base alla Tx power, al fade margin, dal controllo automatico della modulazione (ACM) e fattori ambientali come la pioggia.
| Availability | Tempi di inattività | ||
| per anno | per mese | per settimana | |
| 99,9999% | 31.5 secondi | 2.59 secondi | 0.605 secondi |
| 99,999% | 5.26 minuti | 25.9 secondi | 6.05 secondi |
| 99,99% | 52.56 minuti | 4.32 minuti | 1.01 minuti |
| 99,95% | 4.38 ore | 24.56 minuti | 5.04 minuti |
| 99,9% | 8.76 ore | 43.2 minuti | 10.1 minuti |
| 99,8% | 17.52 ore | 86.23 minuti | 20.16 minuti |
| 99,5% | 1.83 giorni | 3.60 ore | 50.4 minuti |
| 99% | 3.65 giorni | 7.20 ore | 1.68 ore |
| 90% | 36.5 giorni | 72 ore | 16.8 ore |
Ad esempio, un’infrastruttura radio per fornire accesso a Internet residenziale/SOHO sarà progettato considerando come livelli minimi di disponibilità o availability:
- 99,9% per le tratte terminali di rilegamento delle utenze
- 99,99 per le tratte zonali di collegamento tra nodi
- 99,999 per le dorsali
Come punto di riferimento, nella progettazione di reti, le reti di pubblica sicurezza che supportano polizia, archivi, ecc. devono essere progettate al 99,9999% (six nine).
Zona di Fresnel
Nome delle regioni ellissoidali di forma allungata che condividono gli stessi punti focali tra, e attorno, un trasmettitore ed un ricevitore.
In qualsiasi trasmissione una parte dell’onda irradiata si propaga fuori asse e non lungo il percorso della linea di vista tra trasmettitore e ricevitore, quindi può deviare ed irradiarsi verso il ricevitore: se l’onda del percorso diretto e quella del percorso deviato arrivano fuori fase, causano un’interferenza distruttiva.
La dimensione della zona di Fresnel calcolata a una determinata distanza dal trasmettitore e dal ricevitore predice se ostruzioni o discontinuità lungo il percorso causeranno interferenze significative.
Link availability throughput request
La disponibilità di capacità trasmissiva (throughput) richiesta ad un link radio è riferita alla velocità di traferimento dati effettiva, cioè riuscita con successo, misurata in bit (o multipli) per secondo.
A differenza della velocità del livello fisico grezzo (PHY), la capacità effettiva tiene conto di overhead, ritrasmissioni e limitazioni ambientali. Per questa ragione è un parametro più stringente rispetto alla disponibilità del collegamento.
Condizioni metereologiche
Fenomeni naturali di impatto significativo sui collegamenti RF.
Le condizioni metereologiche raggruppano molteplici fenomeni come l’assorbimento atmosferico, la dispersione o la rifrazione, con effetti che si intensificano alle frequenze più alte (già a partire dai 10 GHz).
Pioggia, nebbia, neve causano l’attenuazione del segnale (detta anche rain fade), mentre le variazioni di temperatura e pressione possono causare rifrazione o curvatura dei segnali.
Infine, da non sottovalutare, il vento fisico che può far oscillare le strutture di sosteno in quota delle antenne, causando instabilità del segnale.
- le precipitazioni atmosferiche assorbono e disperdono i segnali a microonde, causando una significativa perdita. Sui collegamenti oltre i 60 GHz e satellitari oltre alla riduzione della capacità, può essere frequente la perdita del segnale.
- umidità e l’ossigeno presenti nell’aria assorbono l’energia RF, quindi elevati tassi di umidità tendono ad indebolire i segnali.
- la temperatura spesso influenza negativamente la potenza del segnale trasmesso. All’aumento della temperatura la potenza del segnale tende a diminuire e viceversa.
- la nebbia e le nuvole oltre a ridurre la visibilità ottica possono attenuare notevolmente le onde radio ad alta frequenza.
- il vento forte può scuotere, torcere o disallineare le antenne, causando il degrado o la perdita del segnale, in particolare per le antenne altamente direzionali, a lungo raggio o ad alta frequenza.
- la rifrazione atmosferica dovuta alle variazioni di temperatura e pressione in base all’altitudine può deviare i segnali radio trasmessi verso l’antenna ricevente, influenzando le comunicazioni in linea di vista.
- interferenza ionosferica che può disturbare solo i collegamenti terrestri a bassa frequenza o quelli ad alta frequenza che interessano lo spazio, come nel caso di brillamenti solari.
Proprio per attenuare questi inconvenienti che si adottano dei livelli di fade margin elevati o tecniche di diverity dei percorsi diversi o bande di frequenza più basse per i collegamenti critici a lunga distanza.
Orografia
Le caratteristiche del terreno attraversato da un segnale radio possono avere un impatto, anche molto significativo, sulle prestazioni del collegamento poiché possono introdurre fenomeni di riflessione, diffrazione, dispersione e attenuazione, tali da degradare il segnale (fading) o divenire una schermatura.
Principali impatti del terreno sui segnali RF in alta frequenza sono raffresentati da:
- pessima linea di vista (LOS) che attenua o blocca i segnali (si pensi alla vegetazione)
- fenomeni riflessivi che producono molteplici copie del segnale verso il ricevitore, con ritardi variabili e che danno luogo ad interferenze.
- diffrazione dei segnali che possono deviare attorno agli ostacoli, come le creste delle montagne.
- propagazione superficiale a causa della curvatura terrestre (le frequenze più basse tendono a seguire la curvatura meglio delle frequenze più alte che dipendono dalla LOS).
Legislazione (Regulatory domain)
Le norme, nazionali e transnazionali, regolamentano quasi tutti i parametri fondamentali di configurazione dei sistemi costituenti una tratta radio.
Parametri come la Tx power, gli EIRP levels, la larghezza canale nonché gli schemi di modulazione sono definiti, spesso in maniera molto stringente, dalle autorità competenti di ciascun Paese.
Quindi è chiaro che la massima distanza raggiungibile da un collegamento radio, a parità di condizioni ed equipaggiamenti, è necessariamente dalla nazione nella quale questo viene realizzato.
Modulazione digitale
Le tecniche di modulazione digitale fondamentali si basano sulla modulazione a chiave (keying) in cui il segnale modulante assume in ogni momento un valore predeterminato:
- PSK (phase-shift keying) – numero finito di fasi
- FSK (frequency-shift keying) – numero finito di frequenze
- ASK (amplitude-shift keying) – numero finito di ampiezze
- QAM (Quadrature amplitude modulation) – numero finito di almeno due fasi e almeno due ampiezze.
QAM
Quando si utilizza QAM per la modulazione del segnale digitale, si possono raggiungere velocità maggiori rispetto alla comune modulazione di ampiezza o di fase che supportano solo due tipi di simboli per distinguere 0 e 1 (la modulazione in ampiezza distingue 0 e 1 modificando l’ampiezza della portante, la modulazione di fase distingue 0 e 1 modificando la fase della portante).
La tecnologia QAM può modulare più simboli e ogni simbolo ha una propria fase e ampiezza.
Ad esempio, 16-QAM può modulare i simboli in 16 diverse forme d’onda, che rappresentano 0000, 0001 e così via. Questo significa che sono disponibili in totale 16 tipi di simboli, ognuno dei quali può trasmettere informazioni a 4 bit.
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