Radiomodems fråga

[jnielsen]

Jag är för närvarande inblandad i radio projektering i en medelstor kommun i mellan Sverige där kommunen idag använder Satteline 2as x från mitten av 90-talet. Kommunen utvärderar olika alternativ och jag har föreslagit Satellar. Jag har dock hört av ansvarig att man fått förslag på radio lösningar på 2.4 GHZ där man angivit räckvidder på 40-50 km. Jag har nagelfarit de föreslagna alternativet litet och förstår att det handlar om att man anger en sändareffekt på upp till en halv watt och använder riktantenner på omkring eller över 10 dB. Är det tillåtet i Sverige att sända på såg hög effekt? Jag känner mig också litet skeptisk till den uppskattade räckvidden på 40-50 km. Vårt längsta länkstråk idag är 22 km på 400 MHZ bandet och vi har en väl fungerande länk med en viss inbyggd marginal vilket gör att vi klarar kommunikationen alla årstider utan avbrott. Men jag vet också att den terängen som vi har i det systemet den öppnar inte för mycket längre sträckor än så med 2as x och därför känns det kanske till och med oseriöst att någon påstår att man med lätthet kan nå den sträckan på 2.4 GHZ, vad tror ni?

[Ulf Seijmer]

Tack för ditt inlägg. 2,4 GHz bandet har en begränsning på 100 mW ERP. ERP betyder Effective Radiated Power och innebär att den signalen du skickar ut i luften ur antennen får vara på max 100 mW (20 dBm). Att sända med 0,5 W och en 10 dB antenn innebär att man sänder med totalt 37 dBm, 17 dBm över marginalen, man går då ut med en effekt från antennen som är omkring 4 W, 3,9 W över gränsen. För att dämpa signalen till laglig nivå kan man installera en 34 m RG-213 kabel mellan radio och antenn i varje ända, men då minskar du i gengäld mottagningsmöjligheterna i andra ändan med lika mycket, man får alltså 17 dB sämre mottagning "på köpet" vilket inte inverkar positivt på räckvidden. Om man nu struntar i PTS bestämmelser så skall man tänka på att man som nätägare är ansvarig för sitt nät och om någon anmäler nätet får man garanterat plocka ned det med hyfsat omedelbar verkan. Om man då har ett samhällskritiskt nät, hur klarar man överföringen då och garanterar att medborgarna har en fungerande vattenförsörjning eller kraftnät?

Jag är skeptiskt till att någon kan nå 25-35 km på 2,4 GHz i normal svensk terräng med lagliga uteffekter under de förhållanden du beskriver. Att ens räckviddsmässigt jämföra ett radiomodem för 400 MHz bandet med 1 W uteffekt och -119 dBm mottagarkänslighet med en 2,4 GHz produkt med 0,1 W uteffekt och kanske som absolut max -105 dBm känns spontant som en snedvriden bild av vad man kan förvänta sig att nå under verkliga förhållanden. Som du skriver så är 22 km en ganska normal räckvidd mellan två radiomodem i en normalsvensk kommun. Detta beror på vår svenska terräng med berg och dalar, skog och andra naturliga hinder som finns emellan. Med SATELLAR så får du en ethernetradio med en mottagarkänslighet på -119 dBm, det är alltså 11 dBm förbättring mot SATELLINE-2ASx, jag lovar att det gör att du kommer att nå helt andra räckvidder än tidigare.

Återkom gärna om du vill ha mer hjälp att reda ut begreppen eller vill låna SATELLAR för praktiska fälttester.

[Anders Ekström]

Hej på er,

jag ville bara tillägga att man kan ansöka om att sända med högre effekt än 20dBm hos PTS.

Jag har heller aldrig träffat på någon som blivit tvungen att ta ner sin 2.4GHz-utrustning pga störningar och beslut av PTS.

trevlig kväll,
Anders

[Ulf Seijmer]

Hej Anders, visst kan man ansöka om högre uteffekter är 20 dBm hos PTS, men normalt inte för 2,4 GHz bandet. Jag pratade precis med Urban Landmark, Avdelningschef på PTS Spektrummarknadsavdelning och han bekräftar att man gett något enstaka tillstånd för högre effekter under mark i en gruva i Norrbotten.

Det band som vi använder med våra trådlösa modem ligger på 370 MHz där kunder normalt tilldelas tillstånd på 10-25 W eller högre. 2,4 GHz regleras av PTS författningssamling PTSFS 2004:8. Där begränsas uteffekten till 100 mW och grunden till det bygger på en europeisk harmoniserad standard. Att ge vissa användare tillstånd för en högre uteffekt på en licensfri kanal upphäver ju per definition licensfriheten och PTS grundläggande regel att "de licensfria radiofrekvenserna får användas av alla på lika villkor". 

Vad gäller vilken sändareffekt man vill gå ut med på 2,4 GHz så är detta ju en fråga som är upp till var och en att ta ställning till och det är väl snarare ett etiskt resonemang. Även om risken är liten att PTS hör av sig så har jag upplevt att det händer, jag har pratat många besvikna användare. Och de användare som råkar ut för det blir besvikna, varenda en av dem.

jnielsens applikation låter som en applikation för vatten, avlopp eller elförsörjning i en kommun. Att riskera invånarnas möjligheter till grundläggande kommunal service genom att bygga på en 2,4 GHz lösning med för hög effekt är troligen inte en genomtänkt väg. Riskerna är att någon annan användare sätter upp en sändare på de fria frekvenserna eller att PTS utövar marknadstillsyn och kräver att anläggningen monteras ned.

Av erfarenhet är en egen frekvens ett bättre alternativ och då är man hänvisad till andra frekvensband än 2,4 GHz. Har man en störning på en egen frekvens så har PTS avsevärt större påtryckningsmedel än på en fri frekvens.

[Västgot]

Det här är en intressant debatt. Jag har också haft den här diskussionen i en kommun jag installerar åt. Finns det några vetenskapliga uträkningar att stödja sig på vad gäller vad som går och inte går? Jag offererar satellar och någon annan firma har offererat en 2,4 GHz lösning och hävdar långa räckvidder.

[Ulf Seijmer]

Vi kan göra en beräkning men du får gärna återkomma med följande fakta om du har dessa om 2,4 GHz lösningen:

Vilken typ av antenner pratat man om?
Vilken mottagarkänslighet har radion?
Vilken räckvidd säger man sig kunna nå?

[Västgot]

Tack för snabbt svar. Jag kollade detta i en broschyr och antennerna är jag osäker på men jag utgår från att det är någon form av kraftiga rikt antenner för det är 35km räckvidd man säger sig kunna nå. Mottagarkänsligheten verkar vara 102 dB.

[Ulf Seijmer]

Ok, jag räknar på detta. Normalt sett brukar jag använda Completechs Linkbudget som du kan hämta direkt på CompleTechs hemsida (http://www.completech.fi/linkbudget.xls) för beräkningar men den fungerar bara upp till 1 GHz och är baserad på EGLI modellen (http://en.wikipedia.org/wiki/Egli_Model). I det här fallet får man använda en annan modell. Jag återkommer med ett svar.

[Ulf Seijmer]

I det här fallet får man använda Longley-Rice modellen som är avsedd för upp till 20 GHz istället för EGLI.

Förutsättningarna är följande:
Frekvens: 2,4 GHz
Mottagarkänslighet: -102 dB
Räckvidd: 35 km
Antenner: 13 dB (motsvarar c:a 15 dBi)
Kabeldämpning: 5 dB
Uteffekt från antennen: 20 dB (100 mW ERP enligt gällande bestämmelser)

Jag har då följande frågor att besvara:

1. Hur hög antennmast behövs det för att överbrygga avståndet 35 km?
2. Är det teoretiskt möjligt att nå 35 km på 2,4 GHz?

Eftersom vi själva saknar beräkningsmodellerna för Longley-Rice kontaktade vi Ari Alonen på Completech för hjälp med uträkningen. Aris svar på frågorna är (vi har översatt från Engelska till Svenska):

"Jag byggde ett virtuellt 34,8 km länkstråk i mitten av Östersjön i den mest förlåtande platta miljön. Där är det enda hindret för radiosignalen jordens naturliga krökning.

Jag varierade antennhöjden mellan 200, 100, 50 och 25 m. Fri sikt kunde uppnås på alla de olika höjderna. Signalens sträckdämpning var 131 dB på höjderna mellan 50 och 200 m. På dessa höjder fanns inga hinder som dämpade Fresnel zonen medan när höjden sänktes till 25 m så kunde man se en ökning av dämpningen.

Hur som helst, när man håller lägger in de givna parametrarna och håller uteffekten på den lagliga nivån 100 mW är det är inte tillräckligt med uteffekt kvar oavsett antennhöjden utan länkbudgeten visar på ett negativt värde"

Slutsatsen är att med ovanstående antenner, antennkablar och radio så kommer signalen inte att nå fram.

Det som skall tilläggas i ovanstående kalkyl är tre saker.

1.Masthöjden med 2,4 GHz måste vara över 25 m, helst högre för att undvika ytterligare dämpning.
2. För alla radioförbindelser så bör man lägga in en marginal som kompenserar för variationerna över årstiderna och förändrade förutsättningar i terrängen. För 2,4 GHz rekommenderar CompleTech 15-20 dB marginal vilket baseras på närmare 20 års praktiska erfarenheter från fältet. Även utan denna marginal når inte signalen fram. Marginalen är ytterligare en faktor som skall tillföras hela nätet. Med hänsyn tagen till marginalen lär länken knappast fungera.
3. Detta är en teoretisk beräkning baserad på platt terräng mitt i Östersjön, verkligheten ser naturligtvis annorlunda ut och dämpar signalen. Återkopplat till punkt 1, beräkningen som ju inte visar att det finns någon möjlighet till kontakt, visar på ytterligare ett problem. Man måste ha minst 25 m mellan antenn och närmaste hinder i vertikal led för 2,4 GHz för att undvika dämpningen från marken. Med tanke på den svenska terrängen i allmänhet bör man alltså montera antennen 25 m över högsta trädtopp.

Sätter man in samma förutsättningar för SATELLAR med 1 W uteffekt på 370 MHz så har man med 20 m antennmaster en positiv marginal på 16 dB vilket är mer än tillräckligt för att lyckas med länken.