Początek, czyli od czego by tu zacząć

Na obronie pracy dyplomowej nt. systemu UMTS dostałem pytanie o wyzwaniach stojących przed projektantami systemu. Wypowiedź rozpocząłem od: kanał radiowy jest najgorszym z możliwych mediów transmisyjnych... I w tym momencie dr inż. hab. Iks przerwał mi słowami: "nie najgorszym tylko najbardziej wymagającym". O co chodzi? Postaram się w sposób czytelny trochę przybliżyć problemy, przed jakimi stają codziennie radiowcy. Nitka dla nietechnicznych.

Część 1. Podstawy.

Skupię się na najgorszym, o przepraszam, najbardziej wymagającym, ale jakże ciekawym zakresie fal radiowych, czyli KF, który po latach zapomnienia oraz zachwytów łącznością satelitarną wrócił do łask projektantów wojskowych systemów łączności. Zaczniemy od tego, czego nikt nie lubi, czyli kilku definicji.

LOS (Line-of-Sight) – termin używany do określenia łączności w sytuacji, gdy anteny nadajnika i odbiornika „widzą” się wzajemnie, czyli wystają ponad horyzont. Zazwyczaj zasięg łączności LOS nie przekracza 30 km. Zależy od krzywizny Ziemi, ukształtowania terenu i przeszkód terenowych. Bardzo ważne są również: moc nadajnika, wykorzystywany zakres częstotliwości i wysokość anteny oraz jej charakterystyka. Przy łączności LOS możemy wycisnąć z łącza spore prędkości transmisji.

Fala przyziemna (Ground Wave) – czasami w angielskiej literaturze określana jako ExLOS (Extended LOS) w zakresie fal KF. Jest rodzajem propagacji radiowej, w której dużą rolę odgrywa ziemia, ponieważ fala ta rozchodzi się na granicy powietrza i ziemi. Część fali wnika w ziemię i wywołuje w niej zjawiska elektromagnetyczne. Z tego powodu bardzo ważne są takie parametry jak wilgotność, struktura i temperatura gleby. Co ważne, fala przyziemna tworzy się tylko na określonych częstotliwościach KF oraz przy odpowiedniej polaryzacji anteny nadawczej. Zasięg takiej łączności może sięgać 50 km na lądzie i nawet 300 km (lub więcej) na morzu.

BLOS (Beyond Line-of-Sight) – łączność pozahoryzontalna wykorzystująca fale NVIS (Near Vertical Incidence Skywave), a tłumacząc na nasze prawie pionowo padającą falę jonosferyczną. W przeciwieństwie do fali przyziemnej stosuje się tu systemy antenowe kierujące fale radiowe prawie pionowo w górę, tak, by odbiły się one od jonosfery i wróciły na Ziemię. Ważny jest dobór częstotliwości: jeśli będzie za wysoka fala „ucieknie” nam w kosmos, jeśli z niska sygnał zostanie stłumiony w jonosferze. Jakie to daje zalety? Zasięg rzędu 400-600 km, a ponadto teren (np. góry) nie jest problemem. BLOS można zatem wykorzystywać w trudnym terenie gdy nie ma dostępnych kanałów łączności satelitarnej.
Wady, a raczej wyzwania?
Ograniczony zakres użytecznych częstotliwości, często zależny od stanu jonosfery w danym momencie (czyli m.i. od aktywności Słońca). Tu pomagają rozwiązania w postaci ALE (Automatic Link Establishment). Ten typ fal nadaje się do przekazywania głosu, przy transmisji danych bywa średnio lub słabo.

Długodystansowa łączność – wykorzystuje fale jonosferyczne, czyli takie które odbijają się od jonosfery i powierzchni ziemi wielokrotnie. Co ciekawe, do odbicia fali radiowej możne wykorzystać również Księżyc w pełni. Zasięg takiej łączności może sięgać nawet 4000 km (lub więcej, jak jonosfera nam pozwoli). Uzyskanie takiego zasięgu nie jest proste, zależy od warunków panujących w jonosferze (które nie dość, że zmieniają się w zależności od pory roku, to jeszcze różne są w dzień i w nocy), wybranej częstotliwości, zastosowanej anteny i mocy nadajnika. Ręczne liczenie zasięgów w tym przypadku to istna mordęga (którą gnębiono nas na laborkach). Na szczęście mamy wiele serwisów i programów liczących to dziś za nas oraz wspomniane wcześniej ALE (o którym szerzej później), które większość wyzwań związanych z zestawieniem łącza wykonuje automatycznie.

Na koniec dodam, że wbrew powszechnej opinii fale radiowe rzadko podróżują w przestrzeni po liniach prostych (takie warunki panują w otwartej przestrzeni kosmicznej). W rzeczywistości mamy do czynienia z ugięciami, odbiciami, absorbcją i tłumieniem, w wyniku czego do odbiornika często dociera sygnał mocno „zdewastowany”. Do tego dochodzi jeszcze wielotorowość: część fali dociera najkrótszą drogą, część odbija się i ugina na przeszkodach i dociera później do odbiornika utrudniając odbiór informacji.

Krótkie podsumowanie tego przydługiego i nudnego wstępu. Mając współczesne radio zakresu KF wyposażone w zestaw różnych anten oraz qmatego operatora można zapewnić łączność od krótkich do bardzo dużych odległości, a postęp techniczny oraz nowe rodzaje modulacji przywróciły radio zakresu KF do życia.

W następnym odcinku będzie o tej wrednej jonosferze i jej wpływie na propagację fal radiowych.