Maksymalny zasięg komunikacji radiowej

Wielu producentów urządzeń radiowych w notach katalogowych sprzętów podaje parametr zwany „maksymalnym zasięgiem transmisji (w otwartej przestrzeni)”. Zagadnienie „w wolnej przestrzeni” jest teoretycznym, wyidealizowanym przypadkiem, kiedy fala radiowa rozchodzi się w próżni, czyli w warunkach niedostępnych dla typowych użytkowników bezprzewodowych systemów, np. alarmowych.

W niniejszym artykule omówiono rzeczywiste warunki propagacyjne fal radiowych w kontekście pasm ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical equippment – urządzenia przemysłowe, naukowe, medyczne). Pasma te są wykorzystywane przede wszystkim przez urządzenia klasy I (takie, które mogą być używane bez pozwoleń radiowych) do celów przemysłowych, naukowych, medycznych i domowych. Obecnie pasma ISM dzielą się na kilkanaście grup (tab.1).

Tab. 1. Grupy pasm ISM

Należy pamiętać, że powyższa tabela przedstawia zakresy częstotliwości, które są uregulowane prawnie na terenie Unii Europejskiej. W pasmach ISM jest szereg ograniczeń transmisji radiowej, a mianowicie wybrane kanały mają z góry ustalone przeznaczenie, np. monitoring. Innymi ograniczeniami są moc wyjściowa, szerokość kanału lub czas pracy w paśmie. Szczegółowe informacje na ten temat można znaleźć m.in. w Regulaminie Radiokomunikacyjnym ITU, zaleceniach ITU oraz Krajowej Tablicy Przeznaczeń Częstotliwości.

Najbardziej intensywnie wykorzystywanym pasmem ISM jest UHF 433 MHz. Pracuje w nim wiele urządzeń radiowych, dlatego trudno jest znaleźć kanał wolny od zakłóceń, szczególnie w większych miastach. Ponadto zakres częstotliwości 433,05–434,79 MHz jest przeznaczony dla służby amatorskiej. Istnieje więc ryzyko, że urządzenia alarmowe pracujące w tym paśmie mogą być zakłócane przez stacje radioamatorskie o znacznie wyższych mocach, rzędu 100 W; dla porównania moc urządzeń alarmowych w tym zakresie wynosi maksymalnie 10 mW. Między innymi dlatego większość obecnie produkowanych urządzeń alarmowych pracuje na wyższych częstotliwościach, np. 868 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz. W przypadku pasma 868 MHz współczynnik zajętości jest dość mały, zwłaszcza w zakresie 868–869,7 MHz.

Maksymalny zasięg transmisji (w skrócie: MZT) w realnych warunkach może być kilkakrotnie mniejszy niż MZT w otwartej przestrzeni. Na tłumienie fali ma wpływ wiele czynników.

Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje terenu.

Rys. 1. Trzy podstawowe rodzaje terenu: (1) przestrzeń z przeszkodami, (2) przestrzeń półotwarta, (3) przestrzeń otwarta

Powyższy rysunek przedstawia trzy rodzaje przestrzeni, w których może być planowana łączność. Gdy anteny nadawcza i odbiorcza są optycznie niewidoczne (dotyczy pasm powyżej 300 MHz), łączność może nie zostać zrealizowana (rys. 1.1). W sytuacji jak na rys. 1.2 (przestrzeń półotwarta) – łączność może być niesatysfakcjonująca, ponieważ sygnał jest niewystarczająco dużej mocy.

Fala radiowa o częstotliwościach ISM może być tłumiona przez różne obiekty, np.:

– ściana wewnętrzna budynku – tłumi sygnał o 10–15 dB,

– ściana zewnętrzna budynku – tłumi sygnał o 2–38 dB,

– strop – w zależności od materiału, z którego został wykonany, tłumi sygnał o 12–27 dB,

– okno – tłumi sygnał o 2–30 dB w zależności od materiału, z którego jest zbudowana szyba oraz czym jest wypełniona przestrzeń między taflami szkła. Okna starszej konstrukcji, wypełnione jedynie powietrzem, słabo tłumią sygnał. Natomiast te, w których przestrzeń międzyszybowa wypełniona jest gazem szlachetnym, tłumią go znacznie bardziej. Dla zobrazowania – sygnał stłumiony o 30 dB jest tysiąc razy mniejszej mocy niż sygnał pierwotny (przed tłumieniem).

Najlepszym rozwiązaniem jest zamontowanie anten nadawczej i odbiorczej w ten sposób, aby na ich drodze optycznej nie znajdowały się przeszkody (rys. 1.3), a jeśli urządzenie nadawcze znajduje się na zewnątrz, antena odbiorcza także powinna być zewnętrzna.

Wbudowane anteny z powodu swojej konstrukcji mogą zmniejszać moc sygnału.

Jest to strefa w kształcie elipsoidy, której osią jest prosta nadajnik-odbiornik (rys. 2). W praktyce pierwsza strefa Fresnela wpływa bezpośrednio na zasięg transmisji.

Rys. 2. Pierwsza strefa Fresnela

Projektując system łączności, należy pamiętać, aby w pierwszej strefie Fresnela nie znajdowały się żadne przeszkody terenowe – zarówno naturalne, jak i sztuczne (fala ulegnie tłumieniu, a do łączności może nie dojść). Strefa ta jest obszarem, w którym transmitowana jest większość energii sygnału.

Zjawisko opisujące jak rozchodzi się fala (m.in. radiowa) w ośrodku. W przypadku czujek bezprzewodowych, alarmów, systemów monitoringu propagacja opisuje rozchodzenie się fali radiowej w powietrzu.

Przeszkody o łagodnych krawędziach powodują znacznie większe rozproszenie się fali (tłumienie) niż te ostro zakończone. Na propagację ma wpływ także pogoda: podczas deszczu, wiatru lub burzy na antenie gromadzą się ładunki elektrostatyczne, które powodują zakłócenia. Im bardziej intensywne opady deszczu, tym gorsze warunki propagacji fali, szczególnie w przypadku wyższych częstotliwości.

Maksymalny zasięg transmisji oraz sposób rozchodzenia się fali jest bezpośrednio zależny od częstotliwości. Należy pamiętać, że im wyższa częstotliwość, tym mniejsza podatność sygnału na zakłócenia oraz mniejszy zasięg.

Zasadniczy wpływ na maksymalny zasięg transmisji ma moc promieniowania (ERP lub EIRP). Na ERP składają się: moc nadajnika, zysk anteny nadawczej, tłumienie toru nadajnik-antena nadawcza (przeważnie zależy od zastosowanych przewodów, złączy i jakości ich wykonania). ERP jest sumą trzech ww. parametrów. Moc promieniowania jest to rzeczywista moc na wyjściu anteny nadawczej. Ponadto na MZT ma wpływ także wysokość zawieszenia środka elektrycznego anteny [m n.p.t.] i wysokość terenu u podstawy masztu [m n.p.m].

Odbiornik cechuje się takimi parametrami, jak zysk anteny odbiorczej, czułość odbiornika oraz selektywność odbiornika.

Zysk anteny odbiorczej wpływa na jakość odebranego sygnału oraz zwiększa MZT. Czułość odbiornika jest miarą jego zdolności do odbioru słabych sygnałów. Selektywność z kolei – miarą zdolności do wydzielenia sygnału użytecznego spośród wielu innych sygnałów (m.in. zakłóceń i szumów).

Tak jak w przypadku czynnika sprzętowego nadajnika na MZT mają wpływ także: wysokość środka elektrycznego anteny [m n.p.t.], wysokość terenu u podstawy masztu [m n.p.m] oraz tłumienie toru odbiornik-antena odbiorcza w kontekście odbiornika.