Reichweite (Funktechnik)

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Die Reichweite ist in der Funktechnik bei einer Funkverbindung diejenige Entfernung, die maximal zwischen dem Sender und dem Empfänger bestehen darf, so dass noch eine Kommunikation möglich ist.

Grundlagen bei Digitalfunk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zuverlässigkeit eines modernen, mit digitalen Übertragungsverfahren arbeitenden Funksystems hängt von der Bitfehlerrate (BER) des empfangen Bitstroms ab. Damit die vom Funksystem eingesetzten Fehlerkorrekturverfahren, wie zum Beispiel die Vorwärtsfehlerkorrektur, einen für die Funkanwendung genügend fehlerfreien Bitstrom liefern können, darf die Bitfehlerrate des empfangenen, unkorrigierten Bitstroms nicht zu groß sein. Als Faustregel für gut verständliche Sprachkommunikation gilt eine maximal zulässige Bitfehlerrate von 0,1 % (BER = 1E-3). Also höchstens jedes 1000 Bit darf fehlerhaft empfangen werden, damit die Fehlerkorrekturverfahren im Empfangsgerät den Bitfehler korrigieren können und eine akzeptable Sprachqualität resultiert.

Für schnelle Datenübertragungen sind die Anforderungen an die maximal zulässige Bitfehlerrate deutlich höher. Als Faustregel für schnelle Datenübertragungen gilt eine maximal zulässige Bitfehlerrate von 0.001 % (BER = 1E-6).

Die Bitfehlerrate (BER) ist abhängig von Eb/N0 und dem eingesetzten digitalen Modulationsverfahren. Eb/N0 ist als normalisiertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verstehen und wird auch als "SNR pro Bit" bezeichnet.

Reichweite von Digitalfunk mit Raumwellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für zuverlässige Funksysteme mit großer Reichweite sind elektromagnetische Wellen aus dem Frequenzbereich 30 MHz bis 90 GHz einzusetzen. In diesem Frequenzbereich bereiten sich die elektromagnetischen Wellen vorwiegend als Raumwelle aus.

Für den modernen Digitalfunk in diesem Frequenzbereich ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei idealen Funkbedingungen:

von folgenden wesentlichen Faktoren abhängig:[1][2][3]

All diese Faktoren müssen in der Leistungsübertragungsbilanz (engl. "link budget") berücksichtigt werden.

Generell wird die Sichtverbindung und somit die Reichweite des terrestrischen Funks durch die Erdkrümmung begrenzt. Mit der Formel zur Geodätischen Sichtweite lässt sich die maximale Distanz der Sichtverbindung berechnen. Alternativ zur Formel der Sichtweite kann die Näherungsformeln des Radiohorizonts verwendet werden.

Bei fehlender Sichtverbindung zwischen Sende- und Empfangsantenne beeinflussen weitere Faktoren die Reichweite des modernen Digitalfunks:

  • Dämpfung, Mehrwegempfang und weitere Einflüsse durch Vegetation (zum Beispiel: Wald)[4]
  • Dämpfung, Mehrwegempfang und weitere Einflüsse durch Gebäude (Gebäude intern: Wand) oder Gegenstand
  • Dämpfung, Mehrwegempfang und weitere Einflüsse durch Erdoberfläche und Gewässer

Hinweise zu den einzelnen Faktoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Freiraumdämpfung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Freiraumdämpfung, ist unter anderem von der Sendefrequenz abhängig. Die Freiraumdämpfung ist maßgeblich für die Reichweite einer Funkverbindung verantwortlich. Je weiter Sender und Empfänger voneinander entfernt sind und je höher die Sendefrequenz ist, desto größer ist die Freiraumdämpfung und umso stärker wird das Sendesignal abgeschwächt. Je größer also die zu überbrückende Distanz ist, desto höher muss die Sendeleistung des Senders, oder die Empfindlichkeit des Empfängers sein.

Einflüsse der Erdatmosphäre auf die Funkwellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Troposphäre dämpft oder absorbiert das Wetter durch die Luftfeuchtigkeit, Regen, Schnee und weiteren Wettereinflüssen das Funksignal.[5][6] Neben der Troposphäre beeinflusst auch die Ionosphäre die Ausbreitung der Funkwellen durch Dämpfung, Absorption, Refraktion, Szintillation und Depolarisation.

Fading durch Mehrwegempfang[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Besteht Sichtverbindung zwischen der Sende- und Empfangsantenne, sollte der Einfluss des Mehrwegempfangs mit dem mathematischen Modell "Rice-Fading" in der Leistungsübertragungsbillanz berücksichtigt werden. Fehlt die Sichtverbindung zwischen der Sende- und Empfangsantenne, sollte der Einfluss des Mehrwegempfangs mit dem mathematischen Modell "Rayleigh-Fading" in der Leistungsübertragungsbillanz berücksichtigt werden.[7]

Frequenzmultiplexing oder eine Mischung von Frequenz- und Zeitmultiplexing einsetzende Mobilfunkstandards oder Bündelfunksysteme mit automatischer, adaptiver Sendeleistungsregelung (TPC) reduzieren häufig die Sendeleistung bei reiner Sprachübertragung, wenn die Verbindungsreserve (link margin) > 25 dB ist. Die 25 dB entstammen vom "Rayleigh-Fading" bei einer Bitfehlerrate von 0,1 % (BER = 1E-3).

Moderne digitale Übertragungsverfahren sind entweder immun gegen Mehrwegempfang, wie zum Beispiel COFDM. Oder sie können den Mehrwegempfang gar für die Verbesserung des Funkempfangs ausnützen, wie zum Beispiel der Rake-Empfänger.

Empfängerempfindlichkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei sehr guten Empfängern begrenzt das Wärmerauschen die Empfindlichkeit des Empfängers maßgebend. Je größer die Bandbreite des zu empfangenden Funksignals ist, desto größer ist die Rauschleistung und desto höher ist der Rauschspannung. Die Rauschleistung hat einen direkten Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Martin Werner: Nachrichtentechnik: Eine Einführung für alle Studiengänge. 7. Auflage, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0905-6.
  • Dennis Roddy: Satellite Communications third edition, McGraw-Hill, ISBN 0-07-137176-1.[8]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. http://www.cdt21.com/resources/TechnicalArticle/article9.asp Circuit Design Inc. - Understanding the Quality of Radio System Communication
  2. https://fahrplan.events.ccc.de/camp/2011/Fahrplan/attachments/1864_satellite_communication.pdf Irmtraut Meister - Chaos Communication Camp 2011 - Introduction to satellite communication
  3. http://sss-mag.com/pdf/1mss.pdf Prof. Randy H. Katz - CS 294-7: Mobile Satellite Systems
  4. https://funkperlen.blogspot.ch/2017/11/wenn-baume-den-wellen-im-wege-stehen.html Anton’s Funkperlen – Wenn Bäume den Wellen im Wege stehen
  5. http://www.tele-satellite.com/TELE-satellite-0709/eng/feature.pdf Peter Miller - Ka-Band – the future of satellite communication?
  6. https://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Applications/Satellite_frequency_bands ESA - Satellite frequency bands
  7. http://diru-beze.de/funksysteme/skripte/DiFuSy/Mobilfunk-Kanal_WS0405.pdf Prof. Dr.–Ing. Dietmar Rudolph - Funk-Kanal
  8. http://bigsemite.tripod.com/mcgraw.pdf Satellite Communications – Dennis Roddy – Third Edition