Beeinträchtungen einer Richtfunkverbindung durch Wetterereignisse
Regen
Durch Regen kann der Empfangspegel einer Richtfunkverbindung absinken.
Verantwortlich dafür ist die Absorption und die Streuung der elektromagnetischen Welle. Ist der Umfang der Regentropfen kleiner als die Wellenlänge kommt es zur Absorption. Ist der Umfang gleich groß zur Wellenlänge findet eine Streuung statt.
Die Dämpfung bei Regen ist somit stark frequenzabhängig.
Regentropfen haben normalerweise eine Größe von 0,5 – 4 mm (Umfang: 1,57 mm – 12,56 mm). Ab einer Größe von 4 mm beginnen die Regentropfen in kleinere Tropfen zu zerfallen.
Die Regenrate bestimmt auch die mittlere Tropfengröße. In einem heftigen Gewitterregen ist der Regentropfendurchmesser größer als bei feinem Nieselregen.
Da die Regentropfen nicht kugelförmig sondern eher linsenförmig sind, ist die Regendämpfung für vertikal polarisierte Wellen geringer als für horizontale Polarisation.
Bei Frequenzen unter 10 GHz ist die Regendämpfung selbst bei sehr starkem Regen unter 15 dB. Die Schwundreserve für die Mehrwegeausbreitung von 30 dB reicht aus um dies abzufangen.
Unterschiedliche Regenarten = unterschiedliche Beeinflussung
Nieselregen
0,25 mm / h
leichter Regen
2,5 mm / h
mittlerer Regen
12,5 mm / h
Starkregen
25 mm / h
Regenschauer
50 mm / h
Tropischer Regen
100 mm / h
Die einzelnen Regentypen lassen sich nach Tröpfengröße, Niederschlagsmenge und zeitlichem Ablauf unterscheiden.
Zu der Regendämpfung muss noch die Atmosphäre Dämpfung hinzuaddiert werden. Diese hat gerade bei 60 GHz einen enormen Einfluss auf die Gesamtdämpfung.
Beispiel 1:
| Nieselregen | (0,00 dB + 0,01 dB/km) * 30 km | = 0,3 dB |
| leichter Regen | (0,01 + 0,01 dB/km) * 30 km | = 0,6 dB |
| mittlerer Regen | (0,10 + 0,01 dB/km) * 30 km | = 3,3 dB |
| Starkregen | (0,23 + 0,01 dB/km) * 30 km | = 7,2 dB |
| Regenschauer | (0,53 + 0,01 dB/km) * 30 km | = 16,2 dB |
| Tropischer Regen | (1,25 + 0,01 dB/km) * 30 km | = 37,5 dB |
Beispiel 2:
60 GHz , 0,5 km:
| Nieselregen | (0,22 dB + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 7,86 dB |
| leichter Regen | (1,58 + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 8,54 dB |
| mittlerer Regen | (6,34 + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 10,92 dB |
| Starkregen | (11,53 + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 13,5 dB |
| Regenschauer | (20,98 + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 18,24 dB |
| Tropischer Regen | (38,18 + 15,5 dB/km) * 0,5 km | = 26,84 dB |
Regenzonen
Zur Vereinfachung für die Berechnung der Regendämpfung, benutzt man Regenzonen. Diese definieren Gebiete mit gleicher Regenrate. Die Datengrundlage bilden hierfür historische Wetterdaten.
Deutschland unterteilt man grob in 3 Regenzonen:
- E – Norddeutschland (22 mm/h)
- H – Mitteldeutschland (32 mm/h)
- K – Süddeutschland (42 mm/h)
Betrachtet für die Berechnung wird die maximale Regenrate die in 0,01% der Zeit überschritten wird.
| Regenzone | |||
| Verfügbarkeit | E | H | K |
| 99 % | 0,6 mm /h | 2 mm/h | 1,5 mm/h |
| 99,9 % | 6 mm/h | 10 mm/h | 12 mm/h |
| 99,95 % | 10 mm/h | 11 mm/h | 20 mm/h |
| 99,99 % | 22 mm/h | 32 mm/h | 42 mm/h |
| 99,995 % | 35 mm/h | 48 mm/h | 62 mm/h |
| 99,999 % | 70 mm/h | 53 mm/h | 100 mm/h |
Adpative Modulation
Alle Richtfunkstrecken benutzen das Feature der Adpativen Modulation. Damit kann trotz schwankender Dämpfungseigenschaften die maximal mögliche Übertragungsbandbreite erreicht werden.
Wird die Empfangsqualität zu schlecht, schaltet der Richtfunklink automatisch in eine niedrigere Modulationsstufe. Verbessern sich die Wetterbedingungen wieder, wird eine höhe Modulationsstufe gewählt.
Je niedriger die Modulationsstufe ist, umso geringer ist auch die Übertragungsbandbreite. Richtfunkstrecken werden so geplant, dass selbst in sehr schlechten Wetterbedingungen eine Mindestübertragungsrate gewährleistet wird.
Die Plangröße der vollen Verfügbarkeit liegt bei 99.995%. Dies entspricht 26.5 min/Jahr in denen theoretisch ein niedrigere Übertragungsrate auftreten kann. Dies übertrifft vielfach den Plangrößen von anderen Übertragungstechnologien wie z.B. Glasfaser.
Aktuelle Richtfunkgeräte schaffen sogar die Modulationsstufe 4048 QAM. Dies entspricht sind bei einer 56 MHz Kanalbandbreite eine Übertragungsbandbreite von 1062 Mbit/s. Durch weitere Techniken wie Multi-Header-Compression sind damit sogar 2500 Mbit/s möglich.
Absorption durch atmosphärische Gase
Ab einer Frequenz von 20 GHz wird neben der Regendämpfung auch die Absorption durch atmosphärische Gase ein wichtiger Einflussfaktor. Die hautpsächliche Absorption verursacht dabei Wasserdampf und Sauerstoff.
Absorption durch Sauerstoff in trockener Luft erreicht bei 60 GHz ihr Maximum.Sie beträgt dort bis zu 15,5 dB/km.
Die Dämpfung durch Wasserdampf hat im Bereich von 23 GHz ein Maximum. Sie beträgt hier ca. 0,2 dB/km. Danach fällt sie kurz ab und steigt dann ab 50 GHz wieder stark an. Bei 80 GHz erreicht sie ca. 0,3 dB/km.
Rechnet man beide zusammen erhält man die Verluste durch die Absorption von atmosphärischen Gasen.
Gerade im Bereich von 23 und 60 GHz hat dieser einen enormen Einfluss auf die Empfangsleistung.
| Funkfelddämpfung | ||
| Frequenz | Atmosphärische Dämpfung | typische Funkfeldlänge |
| 6 GHz | 0,01 db/km | > 15 km |
| 7 GHz | 0,01 db/km | > 15 km |
| 8 GHz | 0,01 db/km | > 15 km |
| 13 GHz | 0,02 db/km | 12 – 15 km |
| 18 GHz | 0,06 db/km | 4 – 12 km |
| 23 GHz | 0,20 db/km | 4 – 5 km |
| 26 GHz | 0,13 db/km | 2 – 4 km |
| 28 GHz | 0,13 db/km | 2 – 4 km |
| 32 GHz | 0,11 db/km | 1 – 2 km |
| 38 GHz | 0,10 db/km | 0 – 2 km |
| 60 GHz | 15,50 db/km | 0 – 0,5 km |
| 80 GHz | 0,36 db/km | 0 – 3 km |
Eis / Schnee
Die Dämpfung durch trockenes Eis und Schnee ist eher gering. Allerdings steigt die Dämpfung beim Abtauen stark an.
Je nach Frequenz und Eisstärke sind Werte bis zu 18 dB möglich.
Weiterführende Informationen:
Uni-Mainz Vertical Windtunnel (PowerPoint)
Video: „Raindrops Are Not Raindrop-Shaped“ (Youtube)
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