Richtfunk
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Richtfunksysteme sind Funksysteme zur Übertragung von Informationen zwischen festen Standorten. Zu Ehren von Heinrich Hertz, dem 1886 der Nachweis der Existenz elektromagnetischer Wellen gelang, tragen im Französischen Richtfunkstrecken die Bezeichnung faisceaux hertziens. Im englischen Sprachgebrauch werden Richtfunkstrecken als Point-to-Point Systems und der Dienst über diese Systeme wird als Fixed Service bezeichnet. Heute werden ausschließlich Digitalrichtfunksysteme eingesetzt. In Deutschland sind für diese Systeme Frequenzbereiche oberhalb 3,4 GHz reserviert.
Geschichtliche Entwicklung des Richtfunks
Die erste Richtfunkverbindung zur Übertragung eines analogen Fernsprechkanals wurde 1931 zwischen Calais in Frankreich und St. Magaret´s Bay bei Dover in England in Betrieb genommen. Sie arbeitete bei einer Radiofrequenz von 1,7 GHz mit Rotationsparabolantennen von 3 m Durchmesser, die Sendeleistung lag bei 1 W und die Funkfeldlänge betrug 40 km. Die erste Mehrkanal-Richtfunkverbindung, die neun analoge Fernsprechkanäle bei einer Radiofrequenz von 65 MHz übertragen konnte, wurde 1936 zwischen Schottland und Belfast in Nordirland aufgebaut.[1]
Nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges trugen Richtfunksysteme maßgeblich zum Aufbau der nationalen und internationalen Telekommunikationsnetze bei. Richtfunksysteme wurden dabei fast ausschließlich im Fernnetz eingesetzt. Funkfeldlängen zwischen 30 km und 60 km waren die Regel. Wichtige Verbindungen in den Telekommunikationsnetzen wurden parallel, sowohl über koaxiale Kabelleitungen als auch über Richtfunksysteme geführt. Die erste Übertragung eines Fernsehprogramms über das inzwischen aufgebaute, internationale Richtfunknetz erfolgte 1953 anlässlich der Krönung von Elisabeth II.
Bis etwa 1980 waren analoge Richtfunksysteme mit einer Übertragungskapazität bis zu 2700 Fernsprechkanälen und Radiofrequenzen zwischen 1,9 GHz und 11 GHz im Einsatz. Die Übertragung von Fernsehen erfolgte nahezu ausschließlich über Richtfunk. Die Sendeleistung betrug 0,5 Watt für Systeme mit 120 Fernsprechkanälen und 20 W für Systeme mit 2700 Fernsprechkanälen. Als Modulationsverfahren setzte sich für Vielkanalsysteme Frequenzmodulation durch.
Ab etwa 1970 wurden Schritt für Schritt Digitalsignal-Übertragungssysteme in die Netze eingeführt. Mit optischen Übertragungssystemen war es nunmehr möglich, sehr hohe Bitraten über große Entfernungen ohne Zwischenregeneratoren zu übertragen. Dies hatte zur Folge, dass alle Ballungszentren mit optischen Übertragungssystemen vernetzt wurden. Der Einsatzbereich von Richtfunksystemen verlagerte sich infolgedessen in die regionale und örtliche Netzebene des Telekommunikationsnetzes.
Nach der Wiedervereinigung der beiden deutschen Staaten im Jahre 1990 musste in kurzer Zeit das Telekommunikationsnetz in den neuen, östlichen Bundesländern ausgebaut und mit dem Netz der westlichen Bundesländer verbunden werden. Diese Aufgabe konnte durch den massiven Einsatz von Digitalrichtfunksystemen erfolgreich gelöst werden. 1991 startete der Aufbau der digitalen Mobilkommunikationsnetze. Aus Kostengründen werden große Teile des Festnetzes der Mobilkommunikationssysteme mit Richtfunksystemen realisiert. Insbesondere die Netzausläufer sind für den Einsatz von Richtfunksystemen prädestiniert. Mit Inkrafttreten des Telekommunikationsgesetzes wurde 1996 in Deutschland das bisherige Telekommunikationsmonopol des Bundes beendet. Nunmehr konnten auch private Unternehmen eigene Telekommunikationsnetze aufbauen und betreiben. Viele Verbindungen in diesen neu entstanden Netzen werden über Richtfunk geführt. Ende Oktober 2013 waren in Deutschland mehr als 125.000 Richtfunkstrecken in Betrieb, mit jährlichen Zuwachsraten von 10 %. Deutschland besitzt das weltweit wohl dichteste Richtfunknetz.
Für Richtfunk stehen in Deutschland Frequenzbereiche zwischen 3,8 GHz und 86 GHz zu Verfügung. Die Zuweisung von Frequenzen für Richtfunkverbindungen erfolgt in Deutschland durch die Bundesnetzagentur (BNetzA). Am meisten trägt nach wie vor der Mobilfunk zum weiteren Ausbau der Richtfunknetze bei. Richtfunkstandorte werden meist auch als Standorte für Mobilfunk-Basisstationen genutzt (siehe Abbildung). Richtfunksysteme sind als Alternative und Ergänzung zu leitergebundenen Übertragungssystemen nach wie vor ein unverzichtbares Übertragungsmedium in den nationalen und internationalen Telekommunikationsnetzen.
Struktur einer Richtfunkverbindung
Die Abstrahlung und der Empfang der elektromagnetischen Wellen erfolgt bei Richtfunkverbindungen durch Parabolantennen mit großer Richtwirkung. Zwischen Sende- und Empfangsantenne herrscht Sichtverbindung. Richtfunksysteme sind in aller Regel Punkt-zu-Punkt-Funksysteme. Der Einsatz von Punkt-zu-Mehrpunkt-Systemem ist auf Sonderfälle beschränkt. Bezüglich Übertragungsqualität und Verfügbarkeit sind Richtfunkverbindungen den gleichen Anforderungen unterworfen wie Übertragungssysteme, die Glasfaserkabel als Übertragungsmedium verwenden.
Abbildung 1: Richtfunklinie
In Abbildung 1 ist eine Richtfunkverbindung zwischen den Endstellen A und B im Schema dargestellt. Da zwischen den Standorten A und B keine Sichtverbindung besteht, ist eine Relaisstelle erforderlich. Die Verbindung besteht in diesem Beispiel somit aus zwei Richtfunkstrecken. Standorte von Relaisstation sind in vielen Fällen Knotenpunkte des Richtfunknetzes (siehe Abbildung).
Richtfunksysteme sind in aller Regel bidirektionale Übertragungssysteme. Im unteren Teil von Abbildung 1 ist die Gerätekonfiguration hierzu angegeben. Im Modulator M wird der zu übertragende, digitale Datenstrom einem Zwischenfrequenzträger aufgeprägt. Als Modulationsverfahren werden Quadratur-Amplitudenmodulationsverfahren mit 4 bis 2048 Stufen (4QAM bis 2048QAM) verwendet. In der Sendebaugruppe S wird der Zwischenfrequenzträger in die Radiofrequenzebene umgesetzt und sein Leistungspegel auf den Sendepegel angehoben. Die üblichen Sendepegel von Richtfunksystemen liegen zwischen 20 dBm (= 100 mW) und 30 dBm (= 1 W). Über eine Sende-Empfang-Weiche wird der Radiofrequenzträger der Antenne zugeführt und in Richtung der Gegenstelle abgestrahlt. Dort gelangt der Träger zum Empfänger E, der das Empfangssignal verstärkt und in die Zwischenfrequenzebene zurücksetzt. Im Demodulator wird der Zwischenfrequenzträger schließlich demoduliert und das dabei wiedergewonnene Datensignal regeneriert.
Der Richtfunkkanal
Der Richtfunkkanal umfasst das Funkfeld einschließlich der Sende- und der Empfangsantenne. Die elektromagnetische Welle zwischen Sende- und Empfangsantenne breitet sich in der Troposphäre aus. Die Ausbreitungsbedingungen der elektromagnetischen Welle sind somit abhängig von den Witterungsverhältnissen und damit auch von der geographischen Lage des Funkfeldes. Sie verändern sich mit der Jahres- und Tageszeit. Diese zeitlichen und örtlichen Abhängigkeiten des Ausbreitungsverhaltens fließen in die Planungsrechnungen für eine Richtfunkstrecke ein.
Sofern die erste Fresnelzone frei von Hindernissen ist, gilt für die Funkfelddämpfung 
:
= Radiofrequenz, 
= Funkfeldlänge, 
= Antennengewinne in dB
Diese zugeschnitte Größengleichung ist aus der Formel für die Freiraumdämpfung abgeleitet. Die erste Fresnelzone ist ein Bereich um die Sichtlinie. Ihr Radius 
an der Stelle 
beträgt:
= Erdradius
Die Sichtlinie wird auch als Richtfunkstrahl bezeichnet. In der meisten Zeit nimmt der Brechungsindex der Troposphäre linear mit der Hohe ab, so dass der Richtfunkstrahl zur Erde hin gebrochen wird. Um eine gerade Sichtlinie zu erhalten, wird in der Darstellung der Erdradius mit dem sogenannten k-Faktor multipliziert. In Europa beträgt der k-Faktor in mehr als 50 % der Zeit k = 1,33 (Normalatmosphäre). In kleinen Zeitprozentsätzen bilden sich in der Troposphäre Inversionsschichten aus, in denen ein Richtfunkstrahl abweichend von den Verhältnissen in der Normalatmosphäre gebrochen wird. Hierdurch breiten sich mehrere Richtfunkstrahlen über unterschiedlich lange Wege aus, die sich in der Empfangsantenne überlagern (siehe Abbildung 2). Dieses Ausbreitungsverhalten bezeichnet man als Mehrwegeausbreitung. Als Folge entsteht an Ausgang der Empfangsantenne im Spektrum des Richtfunkträgers breitbandiger Schwund (flat fading) in Kombination mit selektivem Schwund (selective fading).
Abbildung 2: Mehrwegeausbreitung
Mehrwegeausbreitung ist bei Funkfeldlängen größer als 30 km, wie sie bei Radiofrequenzen unterhalb 10 GHz die Regel sind, das vorherrschende Ausbreitungsphänomen. Bei Radiofrequenzen oberhalb 10 GHz hat die Regendämpfung überwiegenden Einfluss. Regen erzeugt Breitbandschwund. Die Regendämpfung nimmt mit steigender Radiofrequenz zu, so dass die realisierbaren Funkfeldlängen mit steigender Radiofrequenz abnehmen.[2] Ab etwa 20 GHz gewinnt neben der Regendämpfung die Absorption durch atmosphärische Gase an Einfluss. Die wesentliche Absorption erfolgt durch den Wasserdampf und die Sauerstoffmoleküle der Luft. Bei 23 GHz und bei 60 GHz hat die spezifische Absorptionsdämpfung jeweils ein Maximum [3].
Richtfunksysteme
Die Systembaugruppen Modulator und Demodulator sind mit den Baugruppen zur Stromversorgung und den Schnittstellen in einer Inneneinheit (engl. Indoor Unit, IDU) zusammenfasst. Sender und Empfänger bilden das Funkgerät. Es in vielen Fällen als Außeneinheit (engl. Outdoor Unit, ODU) ausgeführt und in der Nähe der Antenne montiert. Mit der Inneneinheit ist die Außeneinheit über ein Koaxialkabel verbunden, über das auch die Stromversorgung der Außeneinheit läuft (siehe Abbildungen).
Modulator und Demodulator sind in Form komplexer, programmierbarer, integrierter Schaltungen zur Digitalsignalverarbeitung realisiert. Hierdurch können Modulationsverfahren und Bandbreite entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen konfiguriert werden. Die wichtigsten Systemkennwerte sind der Sendepegel 
, die Systemschwelle 
(Empfangspegel bei der einer Bitfehlerhäufigkeit von 
), Bitrate und Modulationsverfahren. Bitrate und Modulationsverfahren bestimmen die benötigte Bandbreite im Radiofrequenzband. In einem Radiofrequenzkanal mit einer Bandbreite von 28 MHz kann mit dem Modulationsverfahren 256QAM eine Nettobitrate von 193 Mbit/s übertragen werden. Ist eine höhere Bitrate erforderlich, kann die Stufenzahl des Modulationsverfahrens erhöht werden. Bei der Nutzung beider Polarisationsrichtungen (horizontal und vertikal) im selben Radiofrequenzkanal verdoppelt sich die Bitrate. Zudem können mehrere Systeme auf der Strecke in unterschiedlichen Radiofrequenzkanälen parallel betrieben werden. In einer Bandbreite von 56 MHz und 1024QAM kann damit eine Nettobitrate von 1 Gbit/s übertragen werden.
Um den Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung zu begegnen, enthält der Demodulator einen adaptiven Zeitbereichsentzerrer (engl.: Adaptive Time Domain Equalizer, ATDE). Bei der Nutzung beider Polarisationsrichtungen im gleichen Radiofrequenzkanal beeinflussen sich die beiden unterschiedlich polarisierten Träger. Die Demodulatoren der Empfänger für vertikale und horizontale Polarisation sind deshalb über einen Kreuzpolarisation-Kompensator (engl. Cross Polarisation Interference Compensator, XPIC) miteinander verkoppelt, der diese Beeinflussungen ausgleicht. Der Sendepegel von Richtfunksystemen wird durch eine automatische Pegelregelung (engl.: Adaptive Transmitter Power Control, ATPC) in schwundfreier Zeit auf einen Wert, der etwa 10 dB über der Systemschwelle liegt, abgesenkt. Hierdurch wird die Störbeeinflussung von benachbarten Richtfunkstrecken minimiert. Bei Schwundereignissen im Funkfeld wird der Sendepegel entsprechend der Fadingtiefe erhöht bis der operative Sendepegel erreicht ist.
Planung von Richtfunkstrecken
Im ersten Schritt der Planung von Richtfunkstrecken wird ein Geländeschnitt erstellt. Hierdurch wird nachgeprüft, ob die erste Fresnelzone frei von Hindernissen ist. Für die Erstellung von Geländeschnitten stehen Planungstools zur Verfügung, die auf digitale Geländemodelle zugreifen. Ist die erste Fresnelzone teilweise abgeschattet, kann dies durch eine Zusatzdämpfung 
berücksichtigt werden. Im nächsten Schritt wird der Empfangspegel 
in schwundfreier Zeit berechnet :
(
= Dämpfung der Antennenzuleitungen, 
= Absorptionsdämpfung)
Die Differenz zwischen dem Empfangspegel und der Systemschwelle ist die Flachschwundreserve FFM (engl.: flat fade margin):
Mit verschiedenen empirischen und semiempirischen Prognoseverfahren [4][5] kann vorhergesagt werden, ob unter dem Einfluss von Mehrwegeausbreitung oder Niederschlag in Form von Regen die berechnete Flachschwundreserve ausreicht, um die geforderte Übertragungsqualität bzw. Verfügbarkeit der Richtfunkstrecke zu gewährleisten. Falls die Flachschwundreserve nicht ausreicht und sie durch Erhöhung des Sendepegels oder durch Antennen mit höherem Gewinn nicht angehoben werden kann, besteht im Frequenzbereich unterhalb von 13 GHz die Möglichkeit die Schwundwahrscheinlichkeit durch den Einsatz von Raumdiversity entscheidend zu verringern. Bei Raumdiversity werden zwei Empfangsantennen verwendet, die in einem ausreichenden, vertikalen Abstand zueinander aufgestellt sind, so dass die Empfangsverhältnisse beider Antennen wenig korreliert sind. Die Ausgangssignale beider Empfangszweige werden in geeigneter Weise miteinander kombiniert.
Die Zuweisung des Radiofrequenzkanals für eine geplante Strecke erfolgt durch die nationale Regulierungsbehörde, in Deutschland durch die Bundesnetzagentur (BNetzA), in der Schweiz durch das Bundesamt für Kommunikation (BAKOM), in Österreich durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit). Es ist unter anderem die Aufgabe der Regulierungsbehörde, sicherzustellen, dass die geplante Strecke in vorgesehenen Radiofrequenzkanal störungsfrei arbeitet und die neue Strecke keine anderen Strecken, die im selben Radiofrequenzkanal oder in den Nachbarkanälen empfangen, unzulässig stark beeinflusst. Hierzu sind umfangreiche Interferenzberechnungen erforderlich, die alle im Einflussbereich der geplanten Richtfunkstrecke liegenden und bereits bestehenden Strecken berücksichtigt. In diese Berechnungen gehen beispielsweise die Sendepegel und die Richtdiagramme der Antennen auf den betroffenen Richtfunkstandorten ein.
Anwendung von Richtfunkstrecken
Bis zum Beginn der 1990er Jahre wurde in Deutschland fast ausschließlich Richtfunk für die Übertragung von Informationen aus TF-Netzen über große Entfernungen (ca. 100–120 km) eingesetzt. Die damalige Deutsche Bundespost als Monopolist im Fernmeldebereich baute dazu in den 1950er und 1960er Jahren ein engmaschiges Netz von Fernmeldetürmen und Verstärkerämtern, über die Verbindungen zwischen einzelnen Vermittlungseinrichtungen hergestellt wurden. Bemerkenswert dabei waren Richtfunkverbindungen nach West-Berlin, die aufgrund der großen Entfernung zwischen Bundesgebiet und Berlin am Rande der technischen Machbarkeit errichtet und betrieben werden mussten. Neben dem Telefonnetz wurden zu dieser Zeit von der Post auch Richtfunkstrecken zur Verbreitung der öffentlich-rechtlichen Rundfunkprogramme gebaut. Dies umfasste sowohl Verbindungen aus den Studios zu den über das Land verteilten Sendeanlagen, als auch zwischen den Funkhäusern, zum Beispiel zum Programmaustausch.
Mit der Verfügbarkeit von kostengünstigen Glasfaserverbindungen mit sehr hohen Kapazitäten in den 1990er Jahren sank die Bedeutung des Richtfunks für diese Anwendungen allerdings schnell. Neue Einsatzgebiete fand die Technik dagegen in den etwa gleichzeitig aufkommenden Mobilfunknetzen. Hier wird Richtfunk sehr häufig zur Anbindung der einzelnen Mobilfunkbasisstationen an ihre übergeordneten Einheiten eingesetzt. Vorteilhaft für diese Nutzung sind gegenüber einer gemieteten Festleitung vor allem die niedrigeren Betriebskosten, der schnellere Aufbau sowie der direkte Zugriff auf die Hardware für den Mobilfunkbetreiber. Außerdem sind Richtfunkstrecken zwar anfälliger für Störungen z. B. durch Starkregen, aber auch schneller entstörbar als Mietleitungen (z. B. bei Ausfall eines vergrabenen Verstärkers), so dass sich in der Summe eine höhere Gesamtverfügbarkeit ergibt.
Literatur
- Jürgen Donnevert: Digitalrichtfunk Grundlagen – Systemtechnik – Planung von Strecken und Netzen. Springer Fachmedien oder Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1782-2.
- Wolfgang Heinrich, Hrsg.: Richtfunktechnik R. v. Decker´s Verlag, G. Schenk, 1988, ISBN 3-7685-2087-0
- Helmut Carl: Richtfunkverbindungen SEL-Fachbuchreihe. Verlag Berliner Union, Stuttgart 1964, ISBN 3-408-53036-X
Beispiele für Richtfunkstationen
- Richtfunkverbindung nach West-Berlin
- Richtfunkstation Ansfelden
- Richtfunkstation Exelberg
- Sender Jauerling
- Sender Anninger
Einzelnachweise
- ↑ Helmut Carl: Richtfunkverbindungen. SEL-Fachbuchreihe. Verlag Berliner Union, Stuttgart 1964, ISBN 3-408-53036-X.
- ↑ ITU-R Rec. P.383-3: Specific attenuation for rain for use in prediction methods auf itu.int
- ↑ ITU-R Rec. P.676-9: Attenuation by atmospheric gases auf itu.int
- ↑ ITU-R Rec. P.530-13: Propagation data and prediction methods for the design of terrestrial line-of-sight systems 2009. auf itu.int
- ↑ M. Glauner: Outage prediction in modern digital radio-relay systems. 1. European Conference on Radio-Relay-Systems (ECRR); November 1986, München, S. 90–96.