Rádio direcional

Antena direcional alpina alta em Jungfraujoch

Como um relé de rádio ( transmissão em inglês de microondas ou rádio direcional (direcional) ), uma comunicação sem fio (incluindo transmissão de dados ou informações) por meio de ondas de rádio (incluindo ondas de rádio ou hertzianas ) denota que de um ponto de partida a um ponto-alvo definido ( Inglês: ponto a ponto ). Os termos de rádio direcional , estação de retransmissão de rádio , sistema de retransmissão de rádio ou frequência de rádio são derivadas a partir deste recurso especial na área de língua alemã de aplicação do presente aplicação de rádio . A administração de freqüência alemã decretou que as estações de rádio direcionais são geralmente estações de rádio fixas e são atribuídas ao serviço de rádio fixo .

O efeito direcional desta aplicação de rádio resulta do uso de antenas direcionais , ou seja, antenas de agrupamento de energia que limitam amplamente a transmissão de energia eletromagnética para a direção desejada; em contraste com a radiação redonda da potência de transmissão durante o serviço de radiodifusão . Ao concentrar a potência de transmissão nesta direção, potências de transmissão comparativamente mais baixas são suficientes para o rádio direcional do que para a radiação omnidirecional . Este efeito direcional também resulta na reutilização múltipla das mesmas frequências de rádio ou canais de frequência de rádio para várias direções de rádio direcionais, linhas ou rotas. De acordo com o plano de frequências , as gamas de frequências com a designação “serviço fixo de rádio” são expressamente permitidas para esta aplicação rádio (transmissão de mensagens por rádio-relé ) . Os operadores deste aplicativo de rádio podem obter uma licença de uso com uma alocação de frequência correspondente da administração de frequência relevante . As estações de rádio direcionais contêm dispositivos para gerar essas frequências de rádio e modulá-las com os sinais dos dados, mensagens ou informações a serem transmitidas.

particularidades

  • Dependendo da faixa de frequência, o rádio direcional é dividido em rádio digital direcional ponto a ponto ou ponto a multiponto digital e é usado principalmente para conexões de longo alcance em telecomunicações. Além disso, o relé de rádio digital serve como uma infraestrutura de e para plataformas de altura ou como uma conexão de rádio alternativa de linhas de assinantes para linhas de assinantes com fio.
  • As aplicações de rádio militar e rádio BOS são geralmente para serviço fixo , embora, além dos pontos de retransmissão de rádio fixos, também sejam usados pontos de retransmissão de rádio móveis ou taticamente móveis . Os utilizadores em questão recebem, portanto, atribuições de frequências de gamas de frequências que contêm a atribuição de gama de frequências de um serviço de rádio fixo e / ou do serviço de rádio móvel terrestre .

Desenvolvimento histórico do relé de rádio

Antenas direcionais no Canal da Mancha

O experimento do espelho de Heinrich Hertz foi basicamente um sistema de transmissão de rádio.

O primeiro link de rádio direcional para a transmissão de um canal de telefone analógico foi colocado em operação em 1931 entre Calais, na França, e St. Margaret's Bay, perto de Dover, na Inglaterra . Funcionava a uma frequência de rádio de 1,7 GHz com antenas parabólicas rotativas de 3 m de diâmetro, a potência de transmissão era de 1 W e o comprimento do campo de rádio era de 40 km. O primeiro link de rádio multicanal capaz de transmitir nove canais telefônicos analógicos a uma frequência de rádio de 65 MHz foi estabelecido em 1936 entre a Escócia e Belfast, na Irlanda do Norte .

Após o fim da Segunda Guerra Mundial, os sistemas de transmissão de rádio deram uma contribuição significativa para o desenvolvimento das redes de telecomunicações nacionais e internacionais. Os sistemas de retransmissão de rádio foram usados ​​quase exclusivamente na rede de longa distância. Comprimentos de campo de rádio entre 30 km e 60 km eram a regra. Ligações importantes nas redes de telecomunicações foram realizadas em paralelo tanto através de linhas de cabo coaxial como através de sistemas de retransmissão de rádio. A primeira transmissão de um programa de televisão através da rede internacional de retransmissão de rádio, agora estabelecida, ocorreu em 1953, por ocasião da coroação de Elizabeth II.

Os sistemas de retransmissão de rádio analógico com capacidade de transmissão de até 2700 canais telefônicos e radiofrequências entre 1,9 GHz e 11 GHz estavam em uso até cerca de 1980. A transmissão da televisão ocorreu quase exclusivamente por rádio direcional. A potência de transmissão foi de 0,5 watts para sistemas com 120 canais telefônicos e 20 W para sistemas com 2700 canais telefônicos. A modulação de frequência se estabeleceu como o método de modulação para sistemas multicanais.

Site de rádio direcional com estação base de celular em Spachbrücken, Hesse, Alemanha

Por volta de 1970, os métodos de transmissão digital foram gradualmente introduzidos nas redes. Com sistemas de transmissão óptica, agora era possível transmitir taxas de bits muito altas em longas distâncias sem repetidores. Como resultado, todas as áreas metropolitanas foram conectadas em rede com sistemas de transmissão óptica. Como resultado, a área de aplicação dos sistemas de retransmissão de rádio mudou para o nível de rede regional e local da rede de telecomunicações.

Após a reunificação dos dois estados alemães em 1990, a rede de telecomunicações nos novos estados federais do leste teve que ser expandida e conectada à rede dos estados federais do oeste. Essa tarefa poderia ser resolvida com sucesso por meio do uso massivo de sistemas de relé de rádio digital. Em 1991 começou o desenvolvimento das redes de comunicação móvel digital. Por razões de custo, grande parte da rede fixa de sistemas de comunicação móvel é implementada com sistemas de relé de rádio. As extensões de rede em particular são predestinadas para o uso de sistemas de retransmissão de rádio. Com a entrada em vigor da Lei das Telecomunicações em 1996, o monopólio anterior das telecomunicações da Alemanha foi encerrado. As empresas privadas agora também podem estabelecer e operar suas próprias redes de telecomunicações. Muitas conexões nessas redes recém-criadas também são roteadas por meio de retransmissão de rádio. No final de outubro de 2013, havia mais de 125.000 links de rádio em operação na Alemanha, com taxas de crescimento anual de 10%. A Alemanha provavelmente tem a rede de retransmissão de rádio mais densa do mundo.

As faixas de frequência entre 3,8 GHz e 86 GHz com largura de banda de 41 GHz estão disponíveis para rádio direcional na Alemanha. Na Alemanha, as frequências para conexões de link de rádio são alocadas pela Federal Network Agency (BNetzA). As comunicações móveis continuam a dar a maior contribuição para a expansão das redes de rádio direcionais. As estações de rádio direcionais também são usadas principalmente como locais para estações base de celular (veja a figura). Como alternativa e complemento aos sistemas de transmissão com fio, os sistemas de rádio relé ainda são um meio de transmissão indispensável nas redes de telecomunicações nacionais e internacionais.

Estrutura de um link de rádio

A emissão e recepção de ondas eletromagnéticas ocorrem em enlaces de rádio direcionais por antenas parabólicas de alto efeito direcional. Há uma linha de visão entre as antenas de transmissão e recepção. Os sistemas de retransmissão de rádio são geralmente sistemas de rádio ponto a ponto. O uso de sistemas ponto a multiponto é limitado a casos especiais. Em termos de qualidade e disponibilidade de transmissão, os links de microondas estão sujeitos aos mesmos requisitos dos sistemas de transmissão que usam cabos de fibra ótica como meio de transmissão.

Esquema de uma linha de rádio direcional

Figura 1: Linha de rádio direcional

A Figura 1 mostra um link de rádio direcional entre os terminais A e B no esquema. Como não há linha de visão entre os locais A e B, é necessária uma estação retransmissora . Neste exemplo, a conexão consiste em dois links de rádio direcionais. Em muitos casos, as localizações das estações retransmissoras são nós da rede de retransmissão de rádio (veja a figura).

Estação retransmissora com mastro de treliça em Weiterstadt, Hesse, Alemanha

Os sistemas de relé de rádio são geralmente sistemas de transmissão bidirecional. A configuração do dispositivo para isso é dada na parte inferior da Figura 1. No modulador M, o fluxo de dados digital a ser transmitido é impresso em uma portadora de frequência intermediária. Métodos de modulação de amplitude em quadratura com 4 a 2048 níveis (4QAM a 2048QAM) são usados como o método de modulação . No conjunto de transmissão S, a portadora de frequência intermediária é convertida no nível de radiofrequência e seu nível de potência é elevado ao nível de transmissão. Os níveis normais de transmissão dos sistemas de relé de rádio estão entre 20  dBm (= 100 mW) e 30 dBm (= 1 W). A portadora de radiofrequência é alimentada à antena por meio de uma chave de transmissão / recepção e emitida na direção da estação oposta. Aí, a portadora chega ao receptor E, que amplifica o sinal recebido e o coloca de volta no nível de frequência intermediário. A portadora de frequência intermediária é finalmente desmodulada no desmodulador e o sinal de dados recuperado no processo é regenerado.

Regra de posição da correia

Os links de rádio direcionais geralmente funcionam bidirecionalmente e, portanto, são de estrutura simétrica. Internacionalmente, bandas de frequência fixas com canais de rádio com largura de banda fixa e frequência central são definidas para o melhor uso possível da faixa de frequência . Para transmissão bidirecional, as bandas de frequência são divididas em uma banda inferior e uma superior, cada uma das quais compreende um número igual de canais de rádio.

Por exemplo, a faixa de frequência de 13 GHz usada para conexões de link de rádio de acordo com ITU-R F.497 compreende oito canais de rádio nas bandas inferior e superior com uma largura de banda de 28 MHz por canal. Um canal da correia inferior e uma superior formam um par de canais, um canal sendo operado em uma direção e o segundo canal operando na direção oposta. O chamado espaçamento diplex desses dois canais entre a banda inferior e superior é de 266 MHz nesta faixa de frequência e, graças ao grande espaçamento de frequência, permite uma operação livre de interferências entre o transmissor e o receptor.

Como os links de rádio direcionais em distâncias mais longas geralmente consistem em vários links de rádio parciais, os chamados campos de rádio, a chamada regra de posição da banda é aplicada para o uso ideal da freqüência. Esta regra estabelece que em um mastro de rádio, todos os links de rádio em uma determinada faixa de frequência podem transmitir apenas na posição de banda superior ou apenas na posição de banda inferior, mas nunca misturados. Este requisito evita interferência mútua entre os transmissores e receptores no mesmo local. Cada estação de rádio direcional ao longo da rota é uma chamada localização de banda superior (todas as unidades de rádio direcionais transmitem apenas na banda superior neste local) ou uma chamada localização de banda inferior (todas as unidades de rádio direcionais neste local transmitem apenas em a banda inferior). Este requisito se aplica a todos os operadores para todos os sistemas de transmissão em um local. Para que um link de rádio consistindo de vários campos de rádio seja gerenciado com apenas um par de canais, existe um requisito dentro da estrutura da regra de posição de banda que os locais de banda superior ou inferior alternem ao longo do link de rádio. Isso significa que várias seções sucessivas podem ser operadas com apenas um par de canais, que praticamente nunca deve estar em linha reta. Em casos excepcionais, por exemplo, ao configurar redes de retransmissão de rádio em malha ou ramificações, pode haver um desvio da regra de posição da banda. Nesses casos, por exemplo, canais de outras faixas de frequência são usados ​​para rotas individuais.

O canal de rádio direcional

O canal de rádio direcional compreende o campo de rádio incluindo a antena de transmissão e recepção. A onda eletromagnética entre a antena transmissora e receptora se propaga na troposfera . As condições de propagação dependem, portanto, do clima e, portanto, também da localização geográfica do campo de rádio. Eles mudam com a época do ano e o dia. Essas dependências temporais e locais do comportamento de propagação fluem para os cálculos de planejamento de um link de rádio.

Se a primeira zona de Fresnel estiver livre de obstáculos, a atenuação do campo de rádio se aplica :

= Frequência de rádio, = comprimento do campo de rádio, = ganho da antena em dB

Esta equação de tamanho sob medida é derivada da fórmula para a atenuação do espaço livre . A primeira zona de Fresnel é uma área em torno da linha de visão. Seu raio neste ponto é:

= Raio da Terra

A linha de visão também é conhecida como feixe de rádio direcional. Na maioria das vezes, o índice de refração da troposfera diminui linearmente com a altitude, de modo que o feixe de rádio direcional é refratado em direção à terra, ou seja, ele é curvo. Para obter uma linha de visão reta na representação, o raio da Terra é multiplicado pelo chamado fator k. Na Europa, o fator k é k = 1,33 (atmosfera normal) mais de 50% do tempo.

Às vezes, no entanto, camadas de inversão se formam na troposfera, de modo que o feixe de rádio direcional é refratado de maneira diferente. Por exemplo, vários feixes de rádio direcionais espalhados por caminhos de diferentes comprimentos que são sobrepostos na antena receptora (consulte a Figura 2). O resultado é uma recepção multi-vias . Como resultado, o desvanecimento da banda larga ( desvanecimento plano inglês ) em combinação com desvanecimento seletivo ( desvanecimento seletivo inglês ) ocorre na saída da antena receptora no espectro do relé de rádio .

Propagação multipercurso

Figura 2: propagação multipercurso

A propagação multipercurso é o fenômeno de propagação disruptiva predominante para comprimentos de campo de rádio maiores que 30 km, como é a regra para frequências abaixo de 10 GHz. Em frequências acima de 10 GHz, a atenuação da chuva é o fator de interferência predominante. A chuva cria o desbotamento da banda larga. A atenuação da chuva aumenta com o aumento da frequência, de modo que os comprimentos do campo de rádio realizáveis ​​diminuem com o aumento da frequência de rádio. Por volta dos 20 GHz, além do amortecimento da chuva, a absorção pelos gases atmosféricos ganha influência. A principal absorção ocorre por meio do vapor d'água e das moléculas de oxigênio do ar. A perda de absorção específica tem um máximo de 23 GHz e 60 GHz.

Sistemas de relé de rádio

O modulador e o demodulador dos conjuntos do sistema são conectados aos conjuntos para alimentação de energia e às interfaces em uma unidade interna (IDU curto, da unidade interna em inglês condensado). O transmissor e o receptor formam o rádio . Em muitos casos, é quando uma unidade externa (ODU, abreviação de Unidade externa em inglês ) é executada e instalada perto da antena. A unidade externa é conectada à unidade interna por meio de um cabo coaxial, através do qual também funciona a fonte de alimentação da unidade externa (veja as ilustrações).

Unidade interna (IDU) e antena com unidade externa montada em flange (ODU)
Instalação de uma antena incluindo duas unidades externas (ODUs) em Frankfurt am Main (fonte: CBL)

O modulador e o demodulador são implementados na forma de circuitos integrados programáveis ​​complexos para processamento digital de sinais. Isso permite que o método de modulação e a largura de banda sejam configurados de acordo com os diferentes requisitos. Os parâmetros de sistema mais importantes são o nível de transmissão , o limite do sistema (nível de recepção com uma frequência de erro de bit de ), taxa de bits e método de modulação. A taxa de bits e o método de modulação determinam a largura de banda necessária no espectro eletromagnético. Em um canal de radiofrequência com largura de banda de 28 MHz, uma taxa de bits líquida de 193 Mbit / s pode ser transmitida usando o método de modulação 256QAM. Se uma taxa de bits mais alta for necessária, o número de estágios no processo de modulação pode ser aumentado. Ao usar ambas as direções de polarização (horizontal e vertical) no mesmo canal de radiofrequência, a taxa de bits dobra. Além disso, vários sistemas na rota podem ser operados em paralelo em diferentes canais de radiofrequência. Uma taxa de bits líquida de 1 Gbit / s pode ser transmitida em uma largura de banda de 56 MHz e 1024QAM.

Para combater os efeitos da propagação de multicaminhos, o demodulador contém um equalizador adaptativo no domínio do tempo (ATDE, para abreviar, do inglês Adaptive Time Domain Equalizer ). Ao usar ambas as direções de polarização no mesmo canal de radiofrequência, as duas portadoras polarizadas diferentemente influenciam uma à outra. Os demoduladores dos receptores para polarização vertical e horizontal são, portanto, acoplados um ao outro por meio de um compensador de polarização cruzada (abreviado XPIC, do inglês Cross Polarization Interference Compensator ), que compensa essas influências. O nível de transmissão dos sistemas de relé de rádio é reduzido por um controle de nível automático (abreviado ATPC, do inglês Adaptive Transmitter Power Control ) para um valor que é cerca de 10 dB acima do limite do sistema em um tempo sem atenuação. Isso minimiza a interferência em links de rádio vizinhos. No caso de eventos de desvanecimento no campo de rádio, o nível de transmissão é aumentado de acordo com a profundidade de desvanecimento até que um chamado nível de transmissão operacional seja alcançado.

Planejamento de links de microondas

Na primeira etapa do planejamento de links de rádio direcionais, é criada uma seção transversal do terreno. Isso verifica se a primeira zona de Fresnel está livre de obstáculos. Se a primeira zona de Fresnel estiver parcialmente sombreada, isso pode ser levado em consideração pela atenuação adicional . Na próxima etapa, o nível de recepção é calculado em tempo sem atenuação:

( = Atenuação das linhas de alimentação da antena, = atenuação de absorção)

A diferença entre o nível de recepção e o sistema de limiar é a margem de desvanecimento plano (FFM curto de margem de desvanecimento plano inglês ):

Parte do link de rádio para Berlim Ocidental : o mastro de treliça do antigo link de rádio de Frohnau, que foi explodido em 2009

Vários métodos empíricos e semi-empíricos de previsão podem ser usados ​​para prever se, sob a influência de propagação de multicaminhos ou precipitação (chuva), a reserva de retração plana calculada é suficiente para garantir a qualidade de transmissão necessária ou disponibilidade do link de rádio. Se a reserva de desvanecimento superficial não for suficiente e não puder ser aumentada aumentando o nível de transmissão ou usando antenas com um ganho maior, existe a possibilidade na faixa de frequência abaixo de 13 GHz de reduzir significativamente a probabilidade de desvanecimento através do uso de diversidade espacial . No caso de diversidade espacial, duas antenas receptoras são usadas, configuradas a uma distância vertical suficiente uma da outra, de modo que as condições de recepção das duas antenas sejam mal correlacionadas. Os sinais de saída de ambas as ramificações de recepção são combinados um com o outro. Ou é apenas comutado para a melhor recepção em cada caso ou os dois sinais são combinados após um ajuste de amplitude e fase.

A atribuição do canal de radiofrequência a um percurso planeado é efectuada pelas autoridades reguladoras nacionais, na Alemanha pela Federal Network Agency (BNetzA), na Suíça pelo Federal Office of Communications (OFCOM), na Áustria pelo Federal Ministry for Transport , Inovação e Tecnologia (bmvit). Entre outras coisas, é responsabilidade da autoridade reguladora garantir que a rota planejada no canal de radiofrequência pretendido funcione sem interferência e que a nova rota não afete inadmissivelmente outras rotas que são recebidas no mesmo canal de radiofrequência ou no canais adjacentes. Para tanto, são necessários cálculos de interferência que levem em consideração todas as rotas existentes na área de influência do enlace de rádio planejado. Esses cálculos incluem o nível de transmissão e o diagrama direcional das antenas nos locais de relé de rádio afetados.

Uso de links de rádio direcionais

Link de rádio Signal de Botrange entre as bolsas de valores de Londres e Frankfurt

Até o início da década de 1990, o rádio direcional era quase exclusivamente usado na Alemanha para a transmissão de informações de redes TF em longas distâncias (aproximadamente 100-120 km). Nas décadas de 1950 e 1960, o antigo Deutsche Bundespost como um monopólio no setor de telecomunicações construiu uma rede unida de torres de telecomunicações e escritórios repetidores por meio da qual conexões entre dispositivos de comutação individuais foram estabelecidas. Destacam-se as ligações de microondas para Berlim Ocidental , que tiveram que ser montadas e operadas no limite da viabilidade técnica devido à grande distância entre o território federal e Berlim. Além da rede telefônica, os correios também construíram links de rádio direcionais para distribuir programas de rádio públicos. Isso incluiu conexões dos estúdios para os sistemas de transmissão espalhados por todo o país, bem como entre as casas de transmissão, por exemplo, para a troca de programas.

Com a disponibilidade de conexões de fibra ótica com capacidades muito altas, no entanto, a importância do link de rádio para essas aplicações diminuiu rapidamente, embora ofereça vantagens na transmissão de dados em tempo real . Na troca de dados via satélite de comunicações , deve-se prever atrasos devido ao tempo de propagação do sinal e, no caso de cabos de fibra ótica, ao buffering dos dados. Então, z. Por exemplo, o rádio direcional ainda é usado entre as bolsas de valores de Londres e Frankfurt am Main para garantir preços em tempo real .

A tecnologia de retransmissão de rádio ganhou importância novamente com o surgimento das redes de rádio móvel . Aqui, o rádio direcional é freqüentemente usado para conectar as estações base de rádio móvel individuais às suas unidades de nível superior. As vantagens em relação a uma linha fixa alugada são menores custos operacionais, instalação mais rápida e acesso direto ao hardware pela operadora de rede móvel. Os links de rádio direcionais são mais suscetíveis à interferência (por exemplo, de chuva forte), mas podem ser suprimidos mais rapidamente do que as linhas alugadas (por exemplo, se um amplificador enterrado falhar), resultando em uma maior disponibilidade geral.

Estação retransmissora de rádio móvel do exército dinamarquês

As empresas de fornecimento de energia também usam links de rádio direcionais e construíram suas próprias torres para esse fim, consulte a lista de torres de rádio de direção de empresas de fornecimento de energia na Alemanha .

Como a transmissão de dados com larguras de banda altas é desejada, mas a linha dedicada de fibra ótica necessária não está disponível em todos os lugares, um link de rádio direcional geralmente é configurado. Isso é configurado como uma conexão ponto a ponto ou uma conexão de Internet sem fio direcional para permitir backups em locais grandes, bem como um acoplamento de local de diferentes filiais. Para que esses links de rádio possam ser usados ​​da maneira mais eficiente e sem interferência possível, eles não devem ter mais de 20 km e estar à vista.

O provedor suíço de TV paga Teleclub tem sido vítima regular de pirataria . Desde 2001, o sinal do teleclube só é transmitido às redes de televisão a cabo na Suíça por meio da rede de retransmissão de rádio Swisscom . Anteriormente, a entrega insegura ocorria via satélite (primeiro via Astra , depois via DFS-Kopernikus ).

Vigilância e espionagem

“Interceptação” de link de rádio via satélites.

Durante a Guerra Fria , as agências de inteligência americanas, como a NSA, foram capazes de usar satélites para monitorar os links de rádio do Pacto de Varsóvia . Parte do feixe de um link de rádio passa a antena receptora para o lado e se irradia para o espaço na direção do horizonte, que pode ser usado para interceptar o link com um satélite localizado nesta órbita geossíncrona. Como outros links de rádio, as conexões de e para Berlim Ocidental e dentro da Alemanha Ocidental ao longo da fronteira interna da Alemanha foram monitoradas por postos de escuta do Ministério da Segurança do Estado e do NVA da Alemanha Oriental . Por esse motivo, a transmissão criptografada é preferida para links de rádio usados ​​pelos militares . Ainda hoje, links de rádio são monitorados e espionados por serviços secretos .

Exemplos de estações de retransmissão de rádio

literatura

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  • Wolfgang Heinrich (Hrsg.): Richtfunktechnik . R. v. Decker Verlag G. Schenk, 1988, ISBN 3-7685-2087-0 .
  • Helmut Carl: links de microondas . Verlag Berliner Union, Stuttgart 1964, ISBN 3-408-53036-X (série de livros SEL).

Links da web

Commons : Radio relay  - coleção de imagens, vídeos e arquivos de áudio

Evidência individual

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