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Abschätzen einer Funkkommunikationsstrecke

Jede Funkstrecke besteht im Wesentlichen aus drei Elementen: einem Sender, einem Empfänger und einem Übertragungskanal. Mit Kenntnis dieser Elemente lässt sich bereits im Vorfeld schon gut abschätzen ob eine Funkstrecke etabliert werden kann. Diese Abschätzung wird in der Kommunikationstechnik häufig einfach “Link Budget” genannt. 

Bildquelle: IRLG

Sender und Empfänger lassen sich dabei nachrichtentechnisch detailliert beschreiben. Der Sender setzt sich aus der Sendeleistung, den Kabelverlusten und den Antennengewinn zusammen. Auch der Empfänger setzt sich aus den Antennengewinn und den Kabelverlusten zusammen, jedoch wird hier die Sendeleistung durch Empfangsempfindlichkeit ausgetauscht. 

Im Unterschied dazu muss der Übertragungskanal jedoch meist über ein Modell abgebildet werden. Die einfachste Form des Übertragungskanals ist die sogenannte Freiraumdämpfung nach Friis. Die Freiraumdämpfung gibt den Verlust der Sendeleistung durch Distanz im Vakuum an. Mehrwegeausbreitung und Dämpfung durch Objekte werden hier nicht berücksichtigt.

F [\text{dB}] = 20 \cdot \log_{10}( d [\text{m}]) + 20 \cdot \log_{10} (f [\text{Hz}] ) - 147,55 \text{dB}

Aus der Formel wird deutlich: Je größer die Frequenz f oder die Distanz d, desto größer ist die Freiraumdämpfung.

Das Link Budget ist die Kombination aus Eigenschaften des Senders, Ausbreitungsverlust sowie Eigenschaften des Empfängers. In Datenblättern von Funkkomponenten liegen alle Werte typischerweise in logarithmischer Form [dB] vor, sodass diese Werte einfach addiert bzw. subtrahiert werden können. Ist die Summe aus effektiver Sendeleistung und Ausbreitungsverlusten größer als die Empfängerempfindlichkeit, kann eine Verbindung aufgebaut werden. Der daraus resultierende Überschuss wird als “Margin“ bezeichnet.

\text{Effektive Sendeleistung} – \text{Ausbreitungsverlust} \geq \text{Empf\"angerempfindlichkeit}

Ein WLAN System beispielsweise sendet auf 2,48 GHz mit maximal 20 dBm Sendeleistung (siehe Frequenzbänder). Umgerechnet (siehe Anhang) entspricht das entspricht 100 mW. Bei einer zu überbrückenden Distanz von 300 m im freien Raum, ergibt sich die Freiraumdämpfung zu circa 90 dB. Daraus folgt, dass die Empfängerempfindlichkeit mindestens -70 dBm betragen muss. Ist diese Empfindlichkeit niedriger kann keine Verbindung im freien Raum etabliert werden.

Für die Etablierung eines 5G-Campusnetzes werden von der BNetzA die Frequenzen zwischen 3,7 und 3,8 GHz vergeben. Soll eine Strecke von 1 km abgedeckt werden, so muss eine Freiraumdämpfung von circa 105 dB überbrückt werden.

Bei bidirektionalen Systemen, wie WLAN oder 5G, müssen sowohl der Downlink-Fall wie auch der Uplink-Fall betrachtet werden. Diese Abschätzungen sind zwar theoretischer Natur, verschaffen jedoch einen ersten Überblick über ein geplantes Vorhaben. Weiter müssen reale Umgebungsbedingungen und praktische Störungen betrachtet werden. Darunter fallen unter anderem Einschränkungen der Sichtverbindung (Non-Line of Sight, NLOS) andere Sender oder atmosphärische Störungen, welche das Link Budget verringern.

Kann eine Verbindung im freien Raum nicht etabliert werden, ist davon auszugehen, dass diese Verbindung auch im Praktischen nicht realisiert werden kann.

Wichtige Umrechnungen:

Ermittlung des logarithmischen Leistungswertes in dBm zu einem gegebenen linearen Wert in mW:

P[\text{dBm}] = 20 \cdot \log_{10} \left( \frac{ \text{Sendeleistung} } { 1\, \text{mW}} \right)
PräfixSymbolFaktor
Picop10^{-12}
Nanon10^{-9}
Mikroµ10^{-6}
Millim10^{-3}
Kilok10^{3}
MegaM10^{6}
GigaG10^{9}
TeraT10^{12}
In der Funkkommunikation sind sowohl sehr kleine (z.B. für Empfangsleistung) als auch sehr große (z.B. für Frequenzen) physikalische Größen relevant. Um diese Größenordnungen abzudecken, sind die gelisteten Präfixe äußerst hilfreich.