Funkbedingungen im Voraus prüfen

Einführung

Anders als drahtgebundene Systeme sind drahtlose Systeme abhängig vom genutzten Frequenzband, von der Entfernung, der Installation der Funkgeräte und eventuellen Hindernissen in der Umgebung sowie von den Emissionen anderer Funksysteme und -geräte. Daher raten wir, die Bedingungen für die Funkausbreitung gründlich zu prüfen, bevor man ein drahtloses System installiert.

In diesem Artikel werden detaillierte Methoden zur Ermittlung der Ausbreitungsbedingungen genannt. Sie lassen sich grob in 2 Bereiche unterteilen: Simulation und Gerätetest.

Simulation

Die Simulation kann vor allem zur Prüfung der Ausbreitungsbedingungen eingesetzt werden, bevor man sie mit dem echten Funkgerät prüft. Auch wenn man das eigentliche Funkgerät nicht verwendet, ist es möglich, die Ausbreitungsbedingungen bis zu einem gewissen Grad zu überprüfen, indem man die Funkspezifikationen, Details zum Standort und andere Bedingungen eingibt.

Simulationstools von Circuit Design

Auf unserer Website steht ein Berechnungstool zur Verfügung, mit dem Sie den Pegel des empfangenen Signals simulieren können.

Tool zur Berechnung der Wellenausbreitung (für Freiraum- und 2-Wellen-Modell)

Wenn nur relativ wenige Hindernisse vorhanden sind, kann der Empfangspegel mit dem 2-Wellen-Modell simuliert werden.

Man kann die Grund- und Detail-Parameter entsprechend den nachstehenden Bedingungen eingeben. Hier verwenden wir ein Beispiel für ein Low-Power-Funkmodul bei 434 MHz.

Die Grundparameter, die eingegeben werden müssen, sind genutzte Frequenz, Sendeleistung und Kommunikationsdistanz.

Die einzugebenden Detail-Parameter sind die Höhe der Sende-/Empfangsantenne sowie deren Gewinn. Auch hier verwendet man das 2-Wellen-Modell.

Durch Eingabe der genannten Parameter können wir den Pegel des berechneten Empfangssignals bestimmen.

Im Diagramm sehen wir, dass Funkwellen mit der Entfernung schwächer werden (aber nicht gegen Null gehen). Dieses Beispiel zeigt einen Empfangssignalpegel von -97,8 dBm in 2000 m Entfernung. Ist also eine Kommunikation auf diese Distanz möglich? Es kommt darauf an. Wir müssen uns überlegen, ob dieser Pegel für den Empfänger gerade ausreicht, um das Signal zu demodulieren und einen akzeptablen Bitfehlerbereich zu ermöglichen. Dieser als Empfängerempfindlichkeit bezeichnete Pegel ist bei allen Funkempfängern unterschiedlich, so dass z. B. bei einer Empfangsempfindlichkeit von -110 dBm (Bitfehlerrate 1 %) eine Marge von 10 dB für eine stabile Kommunikation möglicherweise nicht ausreichend ist. Die Kommunikation wäre dennoch bis zu einem gewissen Grad möglich, je nach den Anforderungen der Anwendung.

Tool zur Berechnung der Wellenausbreitung (für Freiraum- und 2-Wellen-Modell)

Berechnungstool für Okumura-Hata-Kurve

Auf ähnliche Weise kann man Grund- und Detail-Parameter eingeben und eine ähnliche Simulation durchführen.

Die Okumura-Hata-Kurve kann Simulationen in 5 verschiedenen Umgebungen durchführen: offenes Land, Vorstädte, kleine bis mittlere Städte, Großstädte und freier Raum.

Diese Näherungskurven waren ursprünglich auf mittlere bis große Distanzen ausgelegt, das heißt einige km bis 20 km, bei Frequenzen zwischen 150 und 1500 MHz. Außerhalb dieser Werte fällt die Diskrepanz zwischen tatsächlichen und simulierten Ergebnissen höher aus.

Berechnungstool für Okumura-Hata-Kurve

Geländesimulation

Die Simulation kann auf der Grundlage von Geländeinformationen durchgeführt werden. Derartige Tools sind im Internet verfügbar und können Ergebnisse liefern, die den Eigenschaften des Geländes entsprechen.

Wie bei den Berechnungstools von Circuit Design können Sie den möglichen Kommunikationsbereich sehen, indem Sie den Schwellenwert einstellen, der die Empfindlichkeit des Empfängers und den Sicherheitszuschlag einbezieht.

So wurde beispielsweise das von einem kanadischen Funkamateur (VE2DBE) entwickelte Tool “Radio Mobile” verwendet, um Simulationen in der Umgebung des Firmengeländes von Circuit Design Inc. durchzuführen. Anhand der Ausgabedaten war es möglich, mit Tools wie Google Maps eine Grafik zu erstellen.

Überprüfung mit realen Geräten

Anhand der obigen Simulationen können Sie einigermaßen beurteilen, ob eine Kommunikation möglich ist. Ohne die Übertragung am tatsächlichen Standort durchzuführen, ist es jedoch nicht möglich, dies mit Sicherheit zu wissen. So kann es beispielsweise sein, dass eine Übertragung nicht möglich ist, wenn ein hoher Störpegel vorhanden ist oder die gewünschte Frequenz bereits von einem anderen System genutzt wird. Da die Simulationsergebnisse nur ein Anhaltspunkt sind, müssen sie vor der Einführung eines drahtlosen Systems an dem betreffenden Ort mit einer realen Anlage überprüft werden.

In diesem Artikel zeigen wir einige Beispiele zur Überprüfung mit Modems der MU-Serie und der Evaluierungssoftware von Circuit Design.

Prüfung der Empfangssignalstärke (RSSI)

Bei Funkmodulen mit RSSI-Funktion (Anzeige der Empfangssignalstärke) kann man die Kommunikation unter Verwendung der Empfangssignalstärke prüfen.

Rauschen und Signale von anderen in Betrieb befindliche Funkanwendungen

Es ist wichtig, die Eignung des Standorts und die Auswahl des tatsächlichen Funkkanals anhand des Rauschpegels zu beurteilen. Die beste Methode ist die Messung mit einem Spektrumanalysator und ähnlichen Geräten. Solche Geräte können jedoch teuer sein und erfordern ein gewisses Maß an HF-Kenntnissen für deren Einsatz. Bei der Verwendung des Air-Monitors, der im Evaluierungsprogramm für die Modems der MU-Serie enthalten ist, sind die Auflösung und die Abtastrate im Vergleich zu einem Spezialmessgerät geringer, dafür können solche Messungen aber viel einfacher durchgeführt werden.

Frequenzbereichsmessung
Durch Betrachtung des Frequenzbereichs können Sie (auf einen Blick) den Zustand des gewählten Frequenzkanals im Band überprüfen. Es reicht nicht aus, den Zustand nur einmal zu überprüfen, sondern es ist z. B. notwendig, die Peak-Hold-Funktion zu verwenden, um eine kontinuierliche Überprüfung über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Durch Änderung der Sweep-Zeit können Sie eine Reihe von Bestätigungen vornehmen. Das folgende Diagramm zeigt den Air-Monitor nach 2 Stunden Dauerbetrieb mit der Peak-Hold-Funktion. Sie können sehen, dass auf Kanälen wie ch100, 118 und 122 Signale erschienen sind, zusammen mit geringfügigen Schwankungen des Geräuschpegels, die mit nur wenigen Sweeps nicht hätten erfasst werden können. Wenn Sie diese Informationen haben, können Sie die Verwendung dieser Kanäle während des Betriebs vermeiden. Der Rauschpegel kann im Laufe der Zeit um mehrere dB schwanken, so dass er um bis zu 10 dB variieren kann, auch wenn sich die Bestätigung einer solchen Beobachtung als schwierig erweist.

Zeitbereichsmessung
Mit dem Zeitbereich kann man die Empfangssignalstärke eines einzelnen Frequenzkanals kontinuierlich überwachen. Nehmen wir zum Beispiel eine Anzeige im Frequenzbereich an, die einen verwendeten Kanal anzeigt (z. B. Kanal 27). Wir können diesen Kanal im Zeitbereich betrachten und sehen, wie er tatsächlich genutzt wird. Bei einer langen Abtastzeit (Intervall) und unter Verwendung vieler Abtastpunkte, wie in der nachstehenden Abbildung gezeigt, können wir überprüfen, ob sich eine Übertragung wiederholt, oder ob es sich um eine einmalige Übertragung handelt. Wenn die Abtastzeit zu lang ist, werden detaillierte Ereignisse nicht erfasst und diese Einstellung muss entsprechend angepasst werden. Das folgende Diagramm zeigt eine Kurve auf Kanal 27, die ein Signal anzeigt, das etwa einmal pro Minute auftritt.

Wenn wir stattdessen die Abtastzeit verkürzen, können wir eine einzelne Übertragung sehr viel detaillierter untersuchen. In der folgenden Abbildung ist zu erkennen, dass es eine Spitze von etwa 1 Sekunde und eine weitere von knapp 0,5 Sekunden Länge gibt.

Im Vergleich zur Verwendung von richtigen Messgeräten können einige Daten verloren gehen und die Funktionalität kann eingeschränkt sein. Durch die Wahl der besten Abtastzeiten und -bereiche ist es dennoch möglich, das Signal im Detail zu überprüfen.

Paketsignalpegel

Obwohl es möglich ist, den Pegel des Empfangssignals am Zielort mit Hilfe des Zeitbereichs zu überprüfen, verfügen die Modems der MU-Serie über den Befehl “@CR” zur Messung des RSSI der Zielstation. Wir beschreiben, wie das Evaluierungsprogramm verwendet werden kann, um das RSSI der Zielstation per Befehl zu überprüfen. Indem Sie entweder “@CR” von der lokalen Station aus eingeben oder durch Klicken auf “Target: RSSI” ist es möglich, den entsprechenden Wert zu ermitteln. Die Antwort “*DR=04xxXX” wird zurückgesendet. Nach der “04” steht “xx” für den Empfangspegel an der Zielstation während des Empfangs (HEX-Format) und “XX” für den Grundrauschpegel (HEX-Format). Die Minus-Notation wird bei den zurückgesendeten Werten weggelassen. Wird im Evaluierungsprogramm das Feld “Target: RSSI” angeklickt, wird der Pegel als Text angezeigt. Daran können Sie erkennen, ob die Kommunikation in der von Ihnen gewählten Umgebung ausreichend ist.

Kommunikationstest mit dem realen Gerät (Paket-Kommunikationstest)

In der Praxis wird die Kommunikation zwischen den Einheiten mehrfach durchgeführt, wobei die Anzahl der Übertragungen und der zurückgesendeten Pakete gezählt wird. Wenn zum Beispiel ein Paket 100 Mal übertragen wird und 99 Pakete zurückkommen, würde dies als 99%ige Rücksendequote ausgedrückt werden – eine Annäherung an den realen Funkbetrieb. Wie beim RSSI können Sie eine genauere Auswertung erhalten, wenn Sie diesen Wert über einen längeren Zeitraum oder eine zunehmende Anzahl an Übertragungen verwenden. Dieses Tool ist eine Funktionalität der Auswertungssoftware. Dabei ist zu beachten, dass der Test eine 2-Wege-Kommunikation beschreibt – es muss beispielsweise berücksichtigt werden, dass ein ausgehendes Paket korrekt empfangen wird, das zurückkommende Paket jedoch nicht korrekt empfangen wird, was zu der Schlussfolgerung führt, dass die Kommunikation nicht zufriedenstellend ist.

RSSI und Paket kombiniert

Es gibt Orte, an denen die bloße Bestätigung des Signalpegels oder die Durchführung von Pakettests nicht ausreicht, um die Kommunikationsbedingungen vollständig zu erfassen. Wenn man zum Beispiel nur den Signalpegel betrachtet und einen hohen Pegel sieht, werden Faktoren wie Mehrwegeausbreitung nicht erkannt, die die Übertragungsqualität beeinträchtigen können. Auch eine Paketrücklaufquote von 100 % bei der Durchführung von Pakettests allein bedeutet, dass man sich kein genaues Bild vom Umfang der Empfangsreserve machen kann.

Aus diesem Grund wird empfohlen, sowohl Signalpegel- als auch Pakettests zusammen durchzuführen, wenn man reale Funkgeräte verwendet.

Wenn Sie die Kommunikation in Bewegung überprüfen wollen, können Sie die Standortinformationen in die oben genannten Informationen einbeziehen und die Ergebnisse auf einer Karte anzeigen lassen.

Als Beispiel werden die Standortinformationen und der Signalpegel bei der Überprüfung rund um das Firmengelände in der unten abgebildeten Google-Karte dargestellt.