Ponte radio
In telecomunicazioni il termine ponte radio si utilizza per indicare una connessione wireless a radiofrequenza tra punti fissi, realizzata a mezzo di una opportuna infrastruttura di telecomunicazioni, al fine di trasmettere a distanza dati, fonia, video e/o altre informazioni opportunamente codificate/modulate in una radiocomunicazione. Diffuso è il loro utilizzo nelle radiodiffusioni dei segnali radio-televisivi terrestri.
Il concetto può essere esteso anche alle radiocomunicazioni tra punti mobili come ad esempio nelle reti radiomobili cellulari tra il terminale utente e la Stazione radio base, sia pure con le dovute differenze tecniche di radiocollegamento.
Un ponte radio può essere terrestre se si appoggia ad infrastrutture poste sulla superficie terrestre o anche satellitare se si appoggia sui satelliti artificiali in orbita e le relative telecomunicazioni satellitari.
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Descrizione[modifica]
I ponti radio (in inglese radio links) sfruttano la propagazione delle onde elettromagnetiche nello spazio vuoto o occupato da un mezzo non totalmente opaco alle lunghezze d'onda utilizzate (radiopropagazione), grazie all'utilizzo di antenne (tipicamente antenne direzionali paraboliche) per l'irradiazione e la ricezione elettromagnetica, poste su appositi tralicci o torri, in trasmissione e ricezione con l'aggiunta di uno o più apparati di ricetrasmissione (amplificatori, filtri ecc..), agli estremi o nelle eventuali tratte interne di trasporto, dando dunque vita ai ripetitori del segnale.
Vantaggi[modifica]
I vantaggi di tale tecnica di radiocollegamento, comuni a tutte le forme di radiocomunicazione, sono ovviamente l'abolizione del cablaggio e quindi l'abbattimento di costi iniziali di investimento e dei tempi di installazione rispetto ad un sistema cablato, il superamento della linea di vista quando si è in presenza di ostacoli fisici quali ad esempio montagne o il limite imposto dalla curvatura terrestre e la possibilità di amplificare o rigenerare il segnale attenuato oltre una certa distanza fisica dall'emettitore.
Tipologie[modifica]
Oltre al trasmettitore iniziale e al ricevitore finale, in generale esistono due tipologie di ripetitori: ripetitori trasparenti e ripetitori rigenerativi: i primi attuano la sola funzione di amplificazione del segnale, i secondi attuano invece funzionalità di rigenerazione (reshaping) del segnale ovvero aggiungono operazioni di filtraggio dopo adeguata demodulazione del segnale e successiva rimodulazione. I secondi sono naturalmente più complessi e costosi dei primi.
Il termine ripetitore passivo indica invece un particolare tipo di ripetitore, utilizzato per poter superare ostacoli naturali che ostruirebbero la linea di vista tra due terminali radio, senza operare alcun tipo di amplificazione o rigenerazione operando quindi in maniera del tutto passiva. Esso consiste dunque in una coppia di antenne opportunamente collocate che ricevono e ritrasmettono il segnale cambiandone solamente la direzione e quindi in modalità del tutto passiva. Può essere collocato in punti elevati ovviando all'installazione di apparati elettronici che richiederebbero energia e la cui manutenzione risulterebbe complicata e costosa. In casi particolari, normalmente con angoli di ripetizione inferiori ai 90º, si può utilizzare uno specchio metallico con area di diversi metri quadrati opportunamente orientato, invece di due antenne accoppiate. In alcuni casi particolarmente critici per la presenza di ostacoli difficilmente superabili, si può utilizzare l'inserimento di doppi o addirittura tripli ripetitori passivi. La tecnica risulta particolarmente vantaggiosa se il punto di ripetizione passiva è vicino a uno dei due terminali attivi, in modo da ridurre le perdite totali del collegamento.
Frequenze utilizzate[modifica]
Gli intervalli di frequenze elettromagnetiche utilizzabili per i ponti radio commerciali, vanno dai MHz alle decine di GHz, e sono regolati in ogni paese dalle autorità competenti per ordinare e garantire una trasmissione senza interferenze e quindi con un livello di qualità opportuno. Al momento non esistono sistemi commerciali per frequenze superiori agli 80 GHz, mentre le frequenze più utilizzate sono quelle fra i 4 GHz e i 40 GHz.
A livello internazionale la UIT (Unione Internazione delle Telecomunicazioni, in inglese ITU) regola le porzioni di spettro radio in modo da permettere una massima omogeneità degli usi in tutti i paesi, e quindi anche lo sviluppo di prodotti commerciali di basso costo che possono essere venduti nei vari paesi.
Codifiche della trasmissione[modifica]
I ponti radio possono implementare sia trasmissioni di tipo analogiche sia trasmissioni di tipo digitali. Le tecniche di trasmissione in ponte radio digitale disponibili commercialmente permettono oggi (2007) la trasmissione con una complessità di modulazione numerica di 128 o 256 simboli differenti (ogni simbolo ha una differente fase e/o ampiezza dell'onda elettromagnetica impiegata, come previsto dalla modulazione QAM), corrispondenti ad una efficienza spettrale di trasmissione teorica di 7 o 8 bit/s per ogni Hertz di spettro elettromagnetico utilizzato.
Tecniche ancora più sofisticate permettono la trasmissione simultanea su due polarizzazioni ortogonali dell'onda radio, orizzontale e verticale, in modo da raggiungere efficienze di 14-16 bit/s per Hertz, con una doppia modulazione di 128-256 simboli per polarizzazione. Naturalmente dato che le antenne normalmente non consentono una separazione sufficiente delle due polarizzazioni in tutte le condizioni del mezzo di trasmissione, occorre normalmente l'utilizzo di dispositivi di cancellazione delle interferenze reciproche dei due segnali per ottenere queste efficienze massime.
Le efficienze massime si vedono poi normalmente ridotte di una certa percentuale (generalmente un 10-20%) data la necessità di utilizzare una parte della capacità per introdurre segnali ridondanti al fine di correggere gli errori di trasmissione con tecniche di rivelazione e correzione d'errore.
Modulazione adattativa[modifica]
Le ultime novità tecnologiche disponibili in prodotti commerciali, includono la possibilità di controllare (variare) la complessità della modulazione, ad esempio passando da 4/16/32/64/128 fino a 512 o 1024 QAM, in funzione delle condizioni di propagazione disponibili in ogni momento della trasmissione. In tal modo si può garantire una alta qualità di servizio (ad es. una disponibilità del 99.999% del tempo) per i servizi prioritari anche quando la pioggia e gli altri fenomeni atmosferici impediscono l'uso di modulazioni e capacità più elevate.
D'altra parte, dato che questi fenomeni avversi avvengono solo durante una piccola frazione del tempo, il sistema radio può trasportare servizi meno prioritari ma con richiesta di banda notevoli con una disponibilità che rimane elevata (per esempio superiore al 99.9% del tempo), utilizzando le modulazioni più efficienti in modo adattativo.
Quando la modulazione adattativa si accoppia con il trasporto di segnali di tipo 'a pacchetto', per esempio informazioni con protocollo IP, si raggiunge la migliore ottimizzazione e la massima efficienza totale media, permettendo il miglior bilanciamento fra qualità, capacità e investimenti in infrastrutture costose come antenne di gran diametro.
Multiplazione[modifica]
In uscita dal trasmettitore e per tutta la tratta di trasporto i dati trasportati possono essere multiplati con tecniche tipiche quali PDH e SDH e poi demultiplati in ricezione.
Limiti della radiopropagazione[modifica]
Come in ogni forma di radiopropagazione tra i fattori che limitano la capacità di trasmissione vi sono attenuazioni dovute a fenomeni atmosferici come pioggia, riflessioni e ostruzioni dal terreno, vegetazione, edifici etc., disomogeneità delle caratteristiche di trasmissione delle onde elettromagnetiche nei diversi strati atmosferici, assorbimenti determinati da alcune molecole (ossigeno, vapor d'acqua, ...).
Con particolari schemi di modulazione usati congiuntamente nell'OFDM, le riflessioni diventano un fenomeno meno limitante per la trasmissione radio in ambiente NLOS (Non-line-of-sight, non in vista ottica).
Interferenze[modifica]
Poiché i ponti radio utilizzano normalmente antenne di alta direttività che permettono di concentrare in una direzione preferenziale (tipicamente verso il ricevitore distante) l'energia elettromagnetica generata dall'emettitore, e complementariamente di ricevere solo l'energia ricevuta da una determinata direzione, in questo modo è possibile dunque minimizzare gli effetti di interferenza con altri sistemi di telecomunicazioni e riutilizzare quindi le stesse frequenze per trasmissioni simultanee nella stessa area geografica in direzioni diverse e opportunamente angolarmente separate. Il problema dell'interferenza è dunque meno sentito e meno gravoso rispetto ad altri sistemi di radiocomunicazione come le reti cellulari e i sistemi di radiodiffusione e telediffusione.
Potenze emesse[modifica]
D'altro canto in virtù della direzionalità dei fasci d'antenna i guadagni d'antenna sono abbastanza elevati e quindi abbastanza elevata sarà quindi anche l'intensità di energia elettromagnetica emessa nel fascio principale d'antenna.
In particolare i livelli massimi di potenza trasmissibile sono regolati dagli organismi competenti per evitare effetti negativi sulla popolazione (sotto forma di inquinamento elettromagnetico) che accidentalmente può essere illuminata dalle antenne trasmittenti. Di fatto si utilizzano normalmente pochi watt di potenza anche per trasmissioni di gran capacità, come quelle che in uno spettro di circa 28 MHz trasmettono oltre 340 Mb/s (al netto delle ridondanze) con l'uso di modulazioni a 256 simboli e doppia polarizzazione, a distanze di diverse decine di chilometri, con antenne paraboliche di pochi metri di diametro.
Capacità[modifica]
La capacità disponibile alla trasmissione dipende dunque dallo spettro radio utilizzato, ovvero l'intervallo di frequenze o canale radio utilizzate, e dalla complessità della modulazione utilizzata cioè dalla cosiddetta efficienza spettrale. Infatti nello stesso intervallo di frequenze si può trasmettere una quantità maggiore d'informazione se viene utilizzata una maggior complessità di codifica delle informazioni. La contropartita è che ad una maggior complessità corrisponde una minor robustezza della trasmissione (maggiori errori di trasmissione) che si risolve nella necessità di una maggiore potenza richiesta in trasmissione per aumentare il rapporto segnale-rumore (cosa peraltro limitata entro valori limiti di potenza), nell'incremento della complessità dell'elettronica utilizzata e nella maggior sensibilità alle possibili sorgenti di interferenza naturali o artificiali. I limiti minimi di potenza ricevibile per ogni fissata capacità e modulazione, ovvero la sensibilità del ricevitore, sono teoricamente determinabili dagli inevitabili livelli di rumore elettronico nel ricevitore, il quale induce una probabilità d'errore Pe nella sequenza del segnale digitale ricevuto o equivalentemente una sua distorsione nel caso di segnali analogici
Ponti radio e fibra ottica[modifica]
I ponti radio sono stati per molto tempo uno dei mezzi di trasmissione a distanza con maggior capacità nella rete di trasporto e dunque estremamente diffusi. Nel corso degli anni novanta, le fibre ottiche hanno superato largamente la capacità massima trasmissibile da sistemi in ponte radio, limitando di fatto il loro uso, specialmente nei paesi più sviluppati.
I ponti radio hanno mantenuto comunque una validità insuperata per tutti quei casi dove la rapidità di installazione e/o la moderata capacità di trasmissione richiesta rendono la fibra ottica una soluzione ancora inadeguata (es. zone impervie) o non necessaria. Come caso emblematico, la maggior parte delle connessioni di accesso alle stazioni radio base per la telefonia mobile, o per la connessione delle stazioni di radiodiffusione di segnali radio-televisivi terrestri, sono realizzate per mezzo di ponti radio. Alcune stazioni radiobase di reti cellulari possono comunicare tra loro per via di ponti radio piuttosto che in maniera cablata.
Sistemi di trasporto in ponte radio continuano comunque ad essere utilizzati in ambito militare, perché ritenuti a maggiore sicurezza in quanto non soggetti a incidenti o vandalismi come la rottura di un cavo, e in generale in tutti quei casi in cui le esigenze di traffico in una certa tratta della rete di trasporto sono appunto soddisfabili da sistemi wireless preesistenti anziché da nuovi sistemi cablati più costosi, divenendo così complementari alla rete cablata stessa. Laddove non sono dismessi possono essere utilizzati come ridondanza trasmissiva in caso di guasti o particolari criticità nella rispettiva tratta cablata.
Spesso però la sostituzione di un ponte radio con un cablaggio in fibra ottica, anche quando non strettamente necessario, rappresenta un'operazione di investimento a più lungo termine considerando i possibili aumenti di traffico nel tempo.
Ripetitori radioamatoriali[modifica]
Esistono anche ponti radio usati a scopo radioamatoriale, per lo studio e la conoscenza radioelettrica e per comunicazioni a medie distanze tra due stazioni non collegabili direttamente tra di loro. Tali ponti sono ad esclusivo uso dei radioamatori e hanno una propria nomenclatura. Ad esempio, RU7 definisce un ponte radio radioamatoriale in UHF con frequenza 430.175 e +1,6 MHz di shift.
Progettazione[modifica]
La progettazione di un ponte radio, ovvero il suo dimensionamento in potenza, si fa abitualmente ricorrendo al bilancio di radiocollegamento tenendo in debito conto tutte le attenuazioni. Le altezze dei tralicci devono tenere conto anche di eventuali fenomeni di copertura del segnale dovuti ad ostacoli fisici (vedi zona di Fresnel). Le frequenze saranno scelte in funzione della distanza da coprire a da eventuali possibili interferenze con altri sistemi di telecomunicazioni, mentre tra le tecniche di radiocollegamento è possibile scegliere tra tecniche in diversità di spazio e di frequenza per aumentare la disponibilità di servizio.
Records[modifica]
Il collegamento in ponte radio più lungo di cui si ha notizia è parte della connessione fra Port Sudan (Sudan) e Taif (Arabia Saudita) realizzato nel 1979 da Telettra. Il salto di 360km attraversava il Mar Rosso tra le stazioni di Jebel Erba, 2179m sul livello del mare (20°44'46.17"N 36°50'24.65"E, Sudan) e Jebel Dakka, 2572m s.l.m. (21° 5'36.89"N 40°17'29.80"E , Arabia Saudita). Fu realizzato nella banda di 2GHz, con trasmettitori della potenza di 10W (HT2), e con una combinazione di 4 antenne di 4.6m di diametro in ciascun terminale, montate su torri appositamente costruite di 112m. Permise la trasmissione di 300 canali telefonici più un segnale televisivo, con modalitá analogica (FDM).[1]
note[modifica]
- ^ Copia del documento originale di certificazione del Ponte Radio sul Mar Rosso disponible nel seguente link
Voci correlate[modifica]
Altri progetti[modifica]
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Collegamenti esterni[modifica]
- Ponte radio in Tesauro del Nuovo Soggettario. BNCF, marzo 2013
