Tipologie di pali per telecomunicazioni

Cos'è un ponte radio?

Per ponte radio si intende un collegamento wireless tra due punti fissi che consente la trasmissione di informazioni a distanza senza utilizzo di cavi.

A cosa serve?

Le applicazioni possibili sono disparate, di seguito solo qualche esempio:

• condividere la connessione ad internet tra un punto dotato di adsl ed un punto sprovvisto 
• visualizzare i video del proprio impianto di videosorveglianza IP installato nel punto A dal punto B distante svariati Km da A
• utilizzare la linea telefonica VoIP presente nel punto A dal punto B

I ponti radio sono tutti uguali?

No, esistono ponti radio in grado di trasferire grandi quantità di dati in breve tempo e ponti radio con capacità inferiori.

La frequenza di lavoro, le antenne e le radio da impiegare vanno selezionate e dimensionate, a grandi linee, sulla base del tipo di applicazione prevista, della distanza da coprire, della morfologia del territorio e della presenza o meno di altri segnali interferenti.

Ponti radio a microonde

I ponti radio in banda libera (Wi-Fi e HiperLAN) fanno utilizzo delle microonde.

Il primo fattore da considerare prima di dimensionare un ponte radio a microonde è la presenza o meno della visibilità ottica.

Infatti, è necessario che tra le due antenne non sia presente alcun tipo di ostacolo (come ad esempio edifici, alberi, ecc).

Gli inglesi la chiamano Line-of-sight (LOS) in italia preferiamo chiamarla Linea di Vista.

In realtà esiste una condizione ancora più restrittiva, ovvero deve essere libera da ostacoli una porzione di spazio attorno alla Linea di Vista: la prima zona di Fresnel.

Che distanza possiamo raggiungere?

Molto spesso la domanda che ci viene posta è: che distanza massima raggiunge questa "antenna"?

L'antenna è solo uno dei componenti necessari alla realizzazione del collegamento radio, servono infatti due antenne e due radio. E' quindi possibile dimensionare il ponte radio (selezionare antenne e radio) nota la distanza tra i punti da connettere e la velocità di trasmissione minima richiesta.

Le prestazioni del ponte radio variano se variano i seguenti parametri principali:

• Potenza di trasmissione (Tx): maggiore è maggiore potenza sarà ricevuta
• Attenuazione sul cavo coassiale in trasmissione (Actx): maggiore è minore potenza sarà ricevuta
• Guadagno antenna trasmittente (Gtx): maggiore è maggiore sarà la potenza ricevuta
• Attenuazione di tratta (At): maggiore è minore sarà la potenza ricevuta
• Guadagno antenna ricevente (Grx): maggiore è maggiore sarà la potenza ricevuta
• Attenuazione sul cavo coassiale in ricezione (Acrx): maggiore è minore potenza sarà ricevuta

Va fatta una considerazione, in particolare, la potenza EIRP* trasmessa massima è solitamente limitata dalle normative tecniche, tale limite di fatto influenza la distanza massima raggiungibile.

Facciamo ricorso al bilancio energetico per stimare che livello di potenza avremo al ricevitore:

       [dBm]

Volendo diagrammare avremo:

Vediamo nel dettaglio cosa accade nei punti dello schema:

A: Potenza di trasmissione della radio
B: Perdita a causa dell'attenuazione sul cavo
C: Incremento grazie al guadagno dell'antenna trasmittente
D: Potenza all'antenna ricevente

Tra il punto C e il punto D, il livello del segnale viene attenuato in quanto il segnale sta attraversando lo spazio libero. Maggiore è la distanza da coprire e maggiore sarà la perdita di segnale. Tale attenuazione, definita attenuazione di tratta, viene calcolata mediante la seguente formula:

 

con D distanza espressa in Km e At attenuazione di tratta espressa in dB

E: Incremento grazie al guadagno dell'antenna ricevente
F: Perdita a causa dell'attenuazione sul cavo

Il livello di segnale ricevuto è quindi pari a circa -61dBm. La comunicazione è bidirezionale per cui dovremmo calcolare il livello di segnale ricevuto quando la ricevente diventa trasmittente e viceversa, se ipotizziamo che l'apparecchiatura utilizzata è la medesima su ogni lato del collegamento non sarà necessario procedere al calcolo della tratta inversa.

La distanza massima è limitata dalla soglia di sensibilità della radio (RX). A titolo di esempio se la nostra radio ricevente avesse sensibilità minima pari a -96dBm potremmo aumentare la distanza fino ad ottenere un livello di segnale ricevuto pari a tale soglia. Nella realtà è opportuno lasciare un margine (Link Margin) di almeno 10dB tra la minima sensibilità e il livello di potenza ricevuto.

 

*Potenza EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) è pari alla somma della potenza di trasmissione (dBm) meno l'eventuale attenuazione sul cavo coassiale (dB) più il guadagno d'antenna (dBi).

Nel mondo delle reti informatiche abbiamo sempre sentito parlare di indirizzi IP, ogni dispositivo li utilizza per comunicare in rete.
Gli indirizzi IP sono rappresentati da una sequenza di numeri raggruppati in 4 terzine come ad esempio 192.168.001.001 o 192.168.1.1 con omissione degli zeri nelle ultime due terzine.

Per comprendere cosa si cela dietro questo formato numerico dobbiamo introdurre il concetto di numerazione binaria.

Per poter ragionare in un sistema binario, e non sul decimale a cui siamo abituati (numeri da 0 a 9), dobbiamo utillizzare soltanto due cifre simboliche: 0 e 1. Ebbene sì, i calcolatori riconoscono solo due numeri.

Ogni numero, del classico sistema decimale, può essere rappresentato nel sistema binario, utilizzando una sequenza composta da sole due cifre.

Considerando l'indizzo IP citato pocanzi, andiamo ad analizzarne la struttura.

192.	168.	1.	1
11000000	10101000	00000001	00000001
Un byte= 8 bit
4 byte = 32 bit

 

Nel sistema decimale, ogni cifra all'interno del numero assume un peso differente in ragione della posizione, ad esempio possiamo esprimere il numero 168 come somma di prodotti, in particolare: (1x100)+(6x10)+(8x1). Tale sistema è basato sulle potenze in base dieci, di seguito una tabella esplicativa:

Posizione	III	II	I
Potenza di 10	102	101	100
Valore associato alla potenza	100	10	1
Cifra	1	6	8

 

Per cui la cifra in posizione I ha peso unitario, la cifra in posizione II ha peso 10 volte maggiore rispetto alla precedente e la cifra in posizione III ha peso 100 volte maggiore rispetto alla I.

Il sistema binario è invece basato sulle potenze in base due, in particolare l'IP è composto da 4 gruppi di 8 bit, per cui possiamo seguire lo stesso ragionamento considerando una stringa di 8 cifre (1 byte):

Posizione	VIII	VII	VI	V	IV	III	II	I
Potenza di 2	27	26	25	24	23	22	21	20
Valore associato alla potenza	128	64	32	16	8	4	2	1
Cifra	1	0	1	0	1	0	0	0

 

La somma dei prodotti tra cifra e valore associato alla potenza restituisce il valore decimale:

(0x1)+(0x2)+(0x4)+(1x8)+(0x16)+(1x32)+(0x64)+(1x128)= 168

Ma come facciamo a passare da numeri decimali a numeri binari?

Vediamolo con un esempio numerico, convertiamo 168 dal sistema decimale al sistema binario.

Nella seguente tabella sono riportati: nella prima riga i valori delle potenze in base 2, nella seconda riga delle differenze e nella terza riga le cifre binarie

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	-	-	-	-	-	-
Cifra binaria	1	-	-	-	-	-	-	-

 

Per individuare la prima cifra binaria (VIII posizione) dobbiamo confrontare il numero da convertire (168) con il valore decimale più alto disponibile (128). Se tale numero è maggiore allora inseriremo 1 come cifra binaria, in caso contrario inseriremo 0.

Per determinare la cifra in posizione VII calcoliamo la differenza tra il valore decimale da convertire e 128, la confrontiamo con 64, se tale differenza è maggiore inseriamo 1 come cifra, in caso contrario inseriamo 0.
Nella seconda riga abbiamo effettuato la differenza ottenendo 40 come risultato, tale valore è minore di 64 per cui inseriamo uno 0 in corrispondenza della VII posizione.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	-	-	-	-	-	-
Cifra binaria	1	0	-	-	-	-	-	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in VI posizione confrontando 40 con 32. Quindi inseriamo 1 in quanto 40 è maggiore di 32.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	-	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	-	-	-	-	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in V posizione confrontando 8 con 16. Quindi inseriamo 0 in quanto 8 è minore di 16.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	-	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	0	-	-	-	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in IV posizione confrontando 8 con 8. Quindi inseriamo 1 in quanto 8 è uguale ad 8.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	8-8=0	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	0	1	-	-	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in III posizione confrontando 0 con 4. Quindi inseriamo 0 in quanto 0 è minore di 4.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	8-8=0	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	0	1	0	-	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in II posizione confrontando 0 con 2. Quindi inseriamo 0 in quanto 0 è minore di 2.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	8-8=0	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	0	1	0	0	-

 

Procediamo con il calcolo della cifra in I posizione confrontando 0 con 1. Quindi inseriamo 0 in quanto 0 è minore di 1.

Valore decimale	128	64	32	16	8	4	2	1
Differenza	168-128=40	-	40-32=8	-	8-8=0	-	-	-
Cifra binaria	1	0	1	0	1	0	0	0

 

In definitiva il numero decimale 168 nel sistema binario è esprimibile nel seguente modo: 10101000

In conclusione, quindi, ogni terzina dell'indirizzo IP può assumere valori decimali variabili da 0 a 255.

Valore decimale	255	1	0
Valore binario	11111111	00000001	00000000

 

Zone di Fresnel e Ponti radio

Uno dei tanti aspetti da considerare per la realizzazione di un collegamento radio

Per la realizzazione di un buon ponte radio in microonde non è sufficiente la sola condizione di LOS (line of sight), infatti la presenza di ostruzioni nelle vicinanze del segmento ideale congiungente i due punti potrebbe causare non pochi problemi.

• Ma allora come stabilire se un ostacolo influenzerà o meno il nostro collegamento?

Ci viene in soccorso Fresnel, un ingegnere e fisico francese vissuto tra il 1700 ed il 1800, e i suoi studi sui fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione in campo ottico.

Molti di voi si stanno chiedendo cosa ha a che vedere l’ottica con le onde elettromagnetiche, ebbene se non ne eravate al corrente anche la luce è una radiazione di tipo elettromagnetico.

Possiede quindi una lunghezza d’onda, una frequenza e tutto quanto sia attribuibile ad un onda elettromagnetica.

 

 

• Cosa accade e perché?

Non volendo complicare l’articolo con un approccio di tipo matematico, possiamo affermare che un onda EM che impatta contro un ostacolo di qualsiasi natura subirà una modifica del percorso che avrebbe avuto se tale ostacolo non fosse stato presente.

 

Potrà quindi ad esempio essere in parte riflessa per proseguire il suo cammino verso una nuova direzione ed in parte trasmessa attraverso l’ostacolo. Potrà essere diffratta ed in tal caso è possibile immaginare l’ostacolo come se fosse un nuovo punto radiante*.

 

 

Può ancora essere diffusa (scattering) nel caso di impatto contro superfici “rugose” che ne consentono la propagazione in tutte le direzioni.

 

I fenomeni precedentemente esposti ovviamente possono avvenire in concomitanza.

Bene, appurato che le cose iniziano a complicarsi e che per brevità non è possibile scendere nei dettagli, teniamo presente solo che:

•           Un segnale subisce modifiche del suo cammino se presenti ostacoli
•           Nel punto di ricezione del segnale arriverà: il segnale da percorso diretto ed il segnale da percorso modificato

NB: il contenuto del segnale è sempre lo stesso, per cui nel caso più semplice i segnali possono essere visti come somma di due segnali sfasati.

• Interferenza

Qui entra in gioco il fenomeno dell’interferenza che si verifica quando due o più onde si sovrappongono in un punto qualsiasi dello spazio. La conseguenza dell’interazione tra le onde può essere ricavata sommando i singoli segnali tra loro.

Possono presentarsi 2 casi limite:

•          Interferenza costruttiva
•          Interferenza distruttiva

Nel primo caso il segnale ricevuto sarà amplificato per un fattore 2 (ampiezza due volte maggiore rispetto al segnale originario).

Nel secondo caso, il segnale ricevuto sarà NULLO!

Tra i due casi limite esistono poi tutte le possibili interazioni intermedie.

• Zone di Fresnel

E finalmente entriamo nel pratico…al fine di evitare, alcune delle insidie viste e nascoste dietro la fisica della propagazione delle onde EM, seguiamo una regola:

Lasciamo libero da ostacoli almeno il 60% del raggio così calcolato

dove:

è uguale al raggio della n-esima zona di fresnel [m]

è la lunghezza d’onda [m]

è la distanza dal punto P al punto A [m]

è la distanza dal punto P al punto B [m]

= 1, 2, 3...

Il pedice “n” ci informa del fatto che esistono varie zone di fresnel, quella di maggior interesse per la pratica applicativa è la prima, per cui fissiamo pari ad 1.

Il valore più grande che può assumere il raggio (Rmax) si trova in mezzeria, per cui 

Indicando con D la distanza totale del ponte radio:

E sapendo che:

dove:

c è la velocità della luce (3x10⁸ m/s)

f è la frequenza del segnale [Hz]

Operando le opportune semplificazioni e convertendo la frequenza da inserire nella formula direttamente in GHz, si perviene alla seguente formulazione:

 

*Il principio di Huygens afferma che tutti i punti appartenenti ad un fronte d’onda possono essere considerati come sorgenti di nuove onde, la combinazione di tali onde produce un nuovo fronte d’onda che si propaga nella stessa direzione del primo.