Un ripetitore viene installato sul tetto di un edificio.
Antenna nella posizione A:
copertura mediocre verso sud
BER elevato
zone d'ombra
La stessa antenna viene spostata:
4 metri
sulla stessa terrazza.
Stessa radio.
Stessa potenza.
Stesso cavo.
Stessa quota approssimativa.
Improvvisamente:
copertura molto migliore.
Possibile?
Assolutamente sì.
Ed è una delle caratteristiche più affascinanti — e spesso frustranti — della propagazione VHF/UHF.
La copertura radio non dipende soltanto da:
- potenza;
- altezza generale;
- guadagno dell’antenna.
Dipende anche dalla posizione precisa dell’antenna rispetto a:
- ostacoli;
- riflessioni;
- terreno;
- strutture metalliche;
- bordo del tetto;
- altre antenne;
- zona di Fresnel.
In alcuni casi spostarsi di pochi metri può produrre più miglioramento di un aumento di potenza di dieci volte.
Vediamo perché.
Il mito della postazione uniforme
Osservando una terrazza possiamo pensare:
“Tanto siamo sullo stesso tetto.”
Dal punto di vista RF non è necessariamente vero.
Possiamo avere:
POSIZIONE A
dietro locale ascensore
POSIZIONE B
vicino bordo tetto
POSIZIONE C
accanto torre metallica
POSIZIONE D
lato opposto dell'edificio
Geograficamente sono separate da pochi metri.
Elettromagneticamente possono essere ambienti completamente differenti.
Primo motivo: gli ostacoli
Immaginiamo:
locale tecnico
█████
RPT A ● █████────────► area da coprire
La struttura si trova direttamente nella direzione desiderata.
Spostiamo l’antenna:
█████
█████
● RPT B ─────► area
Sono forse:
5 metri
di differenza.
Ma abbiamo eliminato un ostacolo importante.
Il miglioramento può essere enorme.
Non serve un muro completamente davanti all’antenna
Anche un ostacolo vicino al percorso può interferire attraverso:
- diffrazione;
- riflessione;
- Fresnel.
La Recommendation ITU-R P.526 tratta proprio i meccanismi di propagazione dovuti alla diffrazione su ostacoli e profili del terreno.
Il problema è quindi tridimensionale.
La zona di Fresnel ritorna protagonista
Supponiamo che il percorso geometrico sia:
TX ----------------------------- RX
Attorno esiste la prima zona di Fresnel:
TX
●-----------------------------● RX
\ /
\_________________________/
Un ostacolo può non bloccare la linea diretta ma entrare nella zona di Fresnel.
Per esempio:
TX ----------------------------- RX
▲
│ albero
Se l’albero invade significativamente la zona, può produrre attenuazione.
Spostando l’antenna lateralmente di pochi metri possiamo cambiare la geometria.
Un esempio sul tetto
Posizione A:
antenna
●
\
\
█ camino
\
\──────── area servita
Posizione B:
█ camino
● antenna
\
\──────── area servita
Abbiamo eliminato il camino dal percorso critico.
La potenza TX è identica.
Ma la perdita di propagazione è cambiata.
Secondo motivo: il multipath
Questo è probabilmente il fenomeno che produce i cambiamenti più sorprendenti.
Il segnale non arriva necessariamente al ricevitore attraverso un solo percorso.
Può arrivare:
direttamente
e contemporaneamente attraverso:
riflessione da edificio
riflessione da montagna
riflessione dal terreno
struttura metallica
Abbiamo quindi:
SEGNALE DIRETTO
+
SEGNALE RIFLESSO
Le diverse copie possono:
- sommarsi;
- cancellarsi.
Bastano centimetri
A:
430 MHz
la lunghezza d’onda è circa:
70 cm
Mezza lunghezza d’onda è:
35 cm
A:
145 MHz
la lunghezza d’onda è circa:
2,07 m
e metà lunghezza d’onda circa:
1,03 m.
Questo significa che spostando l’antenna di pochi decimetri o di uno-due metri possiamo modificare significativamente la fase relativa dei segnali riflessi.
Interferenza costruttiva
Supponiamo che due segnali arrivino:
↑
↑
quasi in fase.
Si sommano.
Otteniamo:
SEGNALE FORTE
BER BASSO
Interferenza distruttiva
Spostandoci:
↑
↓
possono arrivare quasi in opposizione.
Si cancellano parzialmente.
Otteniamo:
SEGNALE DEBOLE
oppure perfino:
RSSI discreto
BER pessimo
perché il segnale è fortemente deformato.
È lo stesso fenomeno che vediamo camminando con una portatile
In casa possiamo osservare:
PUNTO A
ripetitore perfetto
un metro più avanti:
PUNTO B
robotico
un altro metro:
PUNTO C
perfetto
Non è cambiata la distanza in maniera significativa.
È cambiata la geometria del multipath.
Su una postazione fissa il fenomeno rimane congelato
Una portatile si muove continuamente.
Un’antenna di ripetitore no.
Se la installiamo casualmente in un punto sfavorevole possiamo lasciarla per anni in un:
minimo di multipath.
Spostarla di due metri può farla uscire da quel minimo.
Terzo motivo: il bordo del tetto
La posizione rispetto al bordo dell’edificio è importantissima.
Immaginiamo un’antenna al centro di una terrazza.
Verso l’orizzonte il segnale deve interagire con:
- tetto;
- parapetti;
- locali tecnici.
Spostarla verso un bordo libero può modificare significativamente:
- diffrazione;
- angolo di partenza;
- riflessioni.
Il tetto può diventare parte dell’antenna
Una grande superficie:
- metallica;
- cemento armato;
- copertura industriale;
può modificare il diagramma di radiazione.
Non dobbiamo quindi immaginare l’antenna in isolamento.
La vera antenna installata è:
ANTENNA
+
SUPPORTO
+
TETTO
+
TORRE
+
CAVI
+
AMBIENTE
Quarto motivo: strutture metalliche vicine
Una torre, un parapetto o un’altra antenna possono alterare il diagramma.
Supponiamo:
ANTENNA ● │ TORRE
La struttura metallica può:
- riflettere RF;
- accoppiarsi;
- distorcere il diagramma;
- creare nulli.
Spostando l’antenna lateralmente possiamo ottenere un diagramma differente.
Un’antenna omnidirezionale non è sempre omnidirezionale dopo l’installazione
Sul datasheet possiamo vedere:
360°
Ma il diagramma viene normalmente misurato in condizioni controllate.
Se installiamo l’antenna:
20 cm da una torre metallica
il sistema reale non è più perfettamente simmetrico.
Possiamo ottenere:
ottima copertura nord
scarsa copertura sud-est
anche utilizzando un’antenna teoricamente omnidirezionale.
La distanza dalla torre conta
Non esiste una distanza magica valida per qualsiasi antenna.
Dipende da:
- frequenza;
- diametro della torre;
- geometria;
- supporto;
- tipo di antenna.
Ma il principio è sempre lo stesso:
gli oggetti conduttori vicini diventano parte dell’ambiente elettromagnetico dell’antenna.
Quinto motivo: l’altezza
A volte non serve spostare lateralmente.
Basta:
+2 m
verticalmente.
Perché?
Possiamo:
- superare un parapetto;
- liberare una zona di Fresnel;
- eliminare una schermatura;
- modificare una riflessione dal terreno.
Ma più alto non è sempre automaticamente meglio
In generale l’aumento di altezza è estremamente vantaggioso.
Ma in presenza di multipath locale possiamo avere un comportamento non perfettamente monotono.
Per esempio:
10 m → ottimo
11 m → mediocre
12 m → eccellente
per specifiche direzioni.
La causa può essere la relazione tra:
- segnale diretto;
- riflessione dal terreno;
- strutture.
Il modello a due raggi
Un esempio classico considera:
- segnale diretto;
- segnale riflesso dal terreno.
TX ----------------------- RX
\ ▲
\ /
\________GROUND______/
La differenza di percorso determina la relazione di fase.
Modificando l’altezza dell’antenna modifichiamo questa differenza.
Il risultato può cambiare anche senza modificare potenza o distanza.
Sesto motivo: diffrazione sul bordo
Un ostacolo può comportarsi approssimativamente come un:
knife edge.
Immaginiamo:
TX RX
● ●
\ /
\ ▲ /
\____/ \____/
cresta
Se la cresta entra nel percorso, il segnale raggiunge il ricevitore principalmente grazie alla diffrazione.
Piccoli cambiamenti di altezza o posizione possono cambiare in maniera sensibile la geometria relativa all’ostacolo e quindi la perdita.
La modellazione della diffrazione su bordi e ostacoli è uno dei temi centrali della Recommendation ITU-R P.526.
Quando pochi metri fanno passare dalla zona d’ombra alla visibilità
Supponiamo che l’antenna A sia:
1 metro sotto
il profilo utile di una cresta.
Antenna B:
3 metri più alta
può ottenere una geometria molto migliore.
Il risultato non è necessariamente:
+3 dB
Può essere:
+10
+20
o più dB
in casi particolarmente sfavorevoli.
Per questo l’altezza non può essere tradotta semplicemente in watt equivalenti.
Settimo motivo: vegetazione
Un’antenna può avere:
linea verso sud
che attraversa la chioma di un grande albero.
Spostarla:
5 m
può portarla fuori dalla vegetazione.
A VHF/UHF:
- foglie;
- rami;
- acqua contenuta nella vegetazione;
possono introdurre attenuazione e scattering.
In estate il comportamento può essere peggiore che in inverno.
Ottavo motivo: il cavo
Supponiamo che la posizione A richieda:
40 m di coassiale
mentre posizione B:
15 m.
Se il cavo ha perdite significative a UHF, la differenza può valere diversi dB.
Spostare l’antenna può quindi migliorare la copertura non soltanto per propagazione ma anche perché riduce le perdite della linea.
Nono motivo: rumore locale
Un’antenna riceve anche il rumore.
La posizione A potrebbe essere vicina a:
- inverter fotovoltaico;
- alimentatore switching;
- apparato dati;
- illuminazione LED;
- trasmettitore;
- cavo Ethernet rumoroso.
Posizione B, cinque metri più lontana, potrebbe avere un noise floor molto più basso.
Risultato:
RSSI della stazione uguale
ma:
BER molto migliore.
L’antenna non deve soltanto trasmettere bene
Per un ripetitore metà del problema è:
TX
l’altra metà:
RX.
Una posizione apparentemente eccellente per irradiare potrebbe essere pessima per ricevere a causa del rumore locale.
Questo è uno dei motivi per cui la scelta del punto deve essere effettuata con misure bidirezionali.
Decimo motivo: accoppiamento con altre antenne
In una postazione possiamo avere:
DMR
FM
link UHF
VHF
LTE
microonde
Spostare l’antenna modifica l’isolamento rispetto alle altre.
Cinque metri in più possono ridurre significativamente il livello di un interferente presente all’ingresso del ricevitore.
Questo può migliorare:
- desense;
- intermodulazione;
- blocking.
Quindi spostare l’antenna può risolvere anche problemi apparentemente “elettronici”
Immaginiamo:
Posizione A
TX vicino → BER RX 8%
Spostiamo l’antenna ricevente.
Posizione B:
BER 0,5%
Non abbiamo:
- cambiato radio;
- ritoccato duplexer;
- aggiunto filtri.
Abbiamo semplicemente aumentato l’isolamento spaziale.
La separazione verticale
Nelle postazioni radio multiservizio è spesso utilizzata la separazione verticale tra antenne.
Per esempio:
ANTENNA A
│
│
│ 5 m
│
ANTENNA B
Aumentare la separazione può ridurre l’accoppiamento RF.
La quantità reale dipende dai diagrammi delle antenne e dalla geometria.
La separazione orizzontale
Anche:
A ●────────────● B
può essere efficace.
Ma l’isolamento dipende:
- distanza;
- orientamento;
- strutture;
- frequenza.
Non basta quindi dire:
“Sono distanti cinque metri.”
Bisogna misurare.
Spostare un’antenna di un metro può migliorare il VSWR?
Possibile.
La vicinanza di:
- strutture metalliche;
- altre antenne;
può alterare l’impedenza.
Spostando l’antenna il sistema può risultare più vicino alle condizioni previste dal costruttore.
Ma attenzione:
un VSWR migliore non significa automaticamente migliore copertura.
Sono due fenomeni collegati ma distinti.
Una ROS perfetta non garantisce una buona antenna
Possiamo avere:
SWR 1:1
su un carico fittizio.
Non irradia praticamente nulla.
Quindi per valutare una posizione dobbiamo misurare:
- Return Loss;
- potenza;
- diagramma;
- copertura;
- BER;
- RSSI.
Come scegliere davvero il punto migliore?
Non dobbiamo installare definitivamente l’antenna e sperare.
Possiamo effettuare una:
site survey RF.
Fase 1 — Identificare le posizioni candidate
Per esempio:
A — centro terrazza
B — bordo nord
C — bordo sud
D — torre +5 m
Fase 2 — Installazione temporanea
Montiamo l’antenna in maniera sicura ma temporanea.
Manteniamo per quanto possibile:
- stessa radio;
- stessa potenza;
- stesso cavo;
- stessa antenna.
Cambiamo soltanto:
la posizione.
Fase 3 — Utilizzare stazioni di riferimento
Scegliamo punti rappresentativi:
NORD
SUD
EST
OVEST
e possibilmente:
area urbana
fondovalle
zona marginale
Per ciascuna posizione dell’antenna registriamo i risultati.
Fase 4 — Misurare RSSI e BER
Esempio:
| Antenna | Nord BER | Sud BER | Est BER | Ovest BER |
|---|---|---|---|---|
| A | 0,5% | 7,2% | 1,0% | 2,1% |
| B | 0,6% | 0,8% | 1,1% | 2,0% |
| C | 2,2% | 0,5% | 5,1% | 1,8% |
| D | 0,3% | 0,4% | 0,6% | 0,7% |
La posizione D è chiaramente migliore.
Non dobbiamo affidarci al:
“Mi sembra che vada bene.”
Misurare sia uplink sia downlink
Per un ripetitore dobbiamo verificare:
UTENTE → RIPETITORE
e:
RIPETITORE → UTENTE.
Possiamo avere una posizione eccellente in trasmissione ma soggetta a forte rumore in ricezione.
Creare una mappa prima e dopo
Questa è una prova estremamente efficace.
Posizione A
Registriamo:
GPS
RSSI
BER
lungo un percorso.
Poi spostiamo l’antenna.
Posizione B
Ripetiamo lo stesso itinerario.
Possiamo produrre una vera:
drive-test comparison.
Un esempio
Posizione A:
km 10: BER 0,4%
km 20: BER 1%
km 30: BER 5%
km 40: perso
Posizione B:
km 10: BER 0,3%
km 20: BER 0,5%
km 30: BER 0,8%
km 40: BER 2%
km 50: BER 4%
Spostando l’antenna di pochi metri abbiamo modificato enormemente la copertura utile.
Quanto sarebbe servito aumentando la potenza?
Supponiamo che la posizione migliore ci abbia regalato:
10 dB
verso una determinata area.
Per ottenere 10 dB attraverso la sola potenza avremmo dovuto passare da:
5 W
a:
50 W.
Una semplice modifica meccanica può quindi equivalere, in quella direzione, a moltiplicare la potenza per dieci.
Ecco perché prima di comprare un amplificatore bisogna spostare l’antenna
Questa dovrebbe essere quasi una regola radioamatoriale.
Prima di:
50 W → 100 W
provare:
- +2 metri di altezza;
- altra posizione;
- cavo migliore;
- antenna libera dagli ostacoli.
Spesso il risultato è superiore.
Anche pochi centimetri possono contare nell’hotspot
Il principio vale su scala minore.
Un hotspot appoggiato:
dietro il computer
potrebbe funzionare peggio rispetto a:
sopra una mensola
a causa di:
- schermature;
- riflessioni;
- rumore elettronico.
Spostarlo di un metro può modificare:
BER 5%
in:
BER 0,3%.
Ma attenzione: non tutto è multipath
Se spostare l’antenna migliora il sistema, dobbiamo comunque capire perché.
Potrebbe essere:
- Fresnel;
- ostacolo;
- rumore;
- isolamento;
- cavo;
- multipath.
Non bisogna attribuire automaticamente qualsiasi variazione al multipath.
Un metodo scientifico: una variabile alla volta
Supponiamo di modificare contemporaneamente:
- antenna;
- posizione;
- altezza;
- cavo;
- potenza.
Il sistema migliora.
Cosa ha funzionato?
Non lo sappiamo.
Meglio:
TEST 1
stessa antenna
stesso cavo
stessa potenza
nuova posizione
Poi:
TEST 2
stessa posizione
+2 m altezza
Poi:
TEST 3
nuovo cavo
Così possiamo quantificare il contributo di ogni modifica.
Fotografare e documentare
Per una rete di ripetitori è molto utile conservare:
- fotografie della postazione;
- altezza;
- coordinate;
- orientamento;
- distanza dalle strutture;
- modello antenna;
- lunghezza cavo;
- misure BER/RSSI.
Se in futuro qualcosa cambia possiamo confrontare.
Una nuova antenna vicina può cambiare tutto
Immaginiamo che la nostra postazione funzioni perfettamente.
Un altro operatore installa:
una nuova antenna
a un metro dalla nostra.
Potrebbe modificare:
- ambiente elettromagnetico;
- accoppiamento;
- intermodulazione;
- diagramma;
- noise floor.
Una copertura cambiata dopo lavori sulla torre non deve essere considerata una coincidenza finché non è stata verificata.
La posizione ideale è un compromesso
Potremmo trovare:
POSIZIONE A
ottima copertura
molto rumore RX
e:
POSIZIONE B
copertura leggermente minore
ricezione pulitissima.
Per un ripetitore B potrebbe essere complessivamente migliore.
Non dobbiamo ottimizzare soltanto:
ERP.
Dobbiamo ottimizzare:
l’intero collegamento bidirezionale.
La potenza non risolve i nulli
Se una determinata direzione presenta un profondo nullo nel diagramma causato dall’ambiente, aumentare la potenza aumenta tutto proporzionalmente ma non cambia la geometria del nullo.
Spostare l’antenna può invece modificare il diagramma.
Questo spiega perché:
+3 metri
possono risultare più efficaci di:
+50 watt.
La copertura non è un cerchio perfetto
Sulle mappe tendiamo a immaginare:
█████
███████████
█████ RPT █████
███████████
█████
Nella realtà può essere:
███████████
█████
█████████████
██
█████
perché il territorio modifica continuamente il segnale.
Uno spostamento cambia l’intera geometria
Muovere l’antenna significa cambiare il punto da cui partono tutti i raggi verso:
- montagne;
- edifici;
- vallate;
- ostacoli.
Anche se lo spostamento è minimo rispetto alla distanza totale, vicino alla postazione può essere sufficiente a cambiare:
- un angolo;
- una schermatura;
- una riflessione.
L’effetto è particolarmente importante quando l’ostacolo è vicino
Se un camino si trova a:
3 m dall'antenna
uno spostamento laterale di:
3 m
modifica enormemente la geometria.
Se l’ostacolo si trova a:
30 km
lo stesso spostamento modifica pochissimo l’angolo.
Quindi i primi elementi da osservare sono proprio quelli vicini all’antenna.
Guardarsi intorno prima di guardare la cartina
Prima di aprire un sofisticato software di propagazione, osserviamo:
- torre;
- parapetti;
- locali tecnici;
- alberi;
- antenne;
- pannelli solari;
- tralicci.
Molti problemi nascono nei primi:
10-100 metri
dal sistema.
Poi arriva il software di propagazione
Una volta ottimizzata la postazione locale possiamo utilizzare modelli digitali del terreno per analizzare:
- line-of-sight;
- Fresnel;
- diffrazione;
- copertura prevista.
Ma il modello non conosce necessariamente:
- il camino sulla terrazza;
- la ringhiera;
- l’albero appena cresciuto;
- la nuova antenna del vicino.
Per questo previsione e misure reali devono essere utilizzate insieme.
Il drive test rimane insostituibile
Un modello può prevedere:
-85 dBm
in una determinata zona.
Il test reale ci dice:
RSSI -80
BER 8%
Abbiamo molto segnale ma pessima qualità.
Potrebbe esserci:
- multipath;
- interferenza.
La mappa teorica non basta.
Misurare BER, non soltanto tacche
Questa è un’altra lezione importante per DMR.
Una nuova posizione potrebbe produrre:
RSSI +2 dB
e sembrare un miglioramento modesto.
Ma:
BER 6% → 0,4%
dimostra che il cambiamento è enorme.
Il BER racconta ciò che l’S-meter non riesce a descrivere.
Un esempio reale ideale
Supponiamo di voler coprire una valle a sud.
Antenna A
altezza 20 m
centro terrazza
dietro parapetto
Risultato:
RSSI utenti buono
BER alto
Antenna B
altezza 20 m
5 metri verso sud
oltre parapetto
Risultato:
RSSI +4 dB
BER quasi zero
Non abbiamo aumentato:
- watt;
- guadagno nominale;
- altezza.
Abbiamo soltanto trovato il punto RF migliore.
La postazione deve essere “ascoltata”
Una buona installazione non dovrebbe essere considerata conclusa appena:
ROS = 1:1
Dovremmo verificare:
noise floor
sensibilità
BER
copertura
isolamento.
Solo allora sappiamo veramente come funziona.
Piccolo spostamento, grande differenza
Possiamo quindi avere:
ANTENNA A
e:
ANTENNA B
separate soltanto da:
3 metri
ma con:
A:
BER 8%
B:
BER 0,5%.
Non c’è nulla di misterioso.
È la conseguenza combinata di:
- lunghezza d’onda;
- multipath;
- ostacoli;
- Fresnel;
- ambiente locale.
La lezione per il radioamatore
Quando una stazione fissa riceve male una determinata direzione, non dobbiamo pensare immediatamente:
“Mi servono più watt.”
Proviamo:
- spostamento laterale;
- aumento dell’altezza;
- allontanamento da strutture;
- riduzione cavo;
- diversa posizione sul tetto.
La radiofrequenza spesso ricompensa queste modifiche molto più di un amplificatore.
La lezione per il sysop
Prima di rendere definitiva una nuova postazione sarebbe ideale testare almeno:
2-4 posizioni
per l’antenna.
Registriamo:
- RSSI;
- BER;
- noise floor;
- copertura.
Solo dopo scegliamo.
Un’ora di prove prima dell’installazione definitiva può evitare anni di copertura mediocre.
Conclusione
Spostare un’antenna di pochi metri può cambiare completamente la copertura perché il campo radio attorno alla postazione non è uniforme.
La posizione determina il rapporto con:
OSTACOLI
+
FRESNEL
+
MULTIPATH
+
STRUTTURE
+
RUMORE
+
ALTRE ANTENNE.
Alle frequenze UHF una lunghezza d’onda è inferiore a un metro.
Questo significa che anche movimenti sorprendentemente piccoli possono cambiare le relazioni di fase fra i vari percorsi.
Uno spostamento maggiore può invece:
- eliminare completamente un ostacolo;
- liberare il bordo di un edificio;
- ridurre il rumore;
- aumentare l’isolamento da un altro trasmettitore.
Ecco perché:
la posizione dell’antenna non è un dettaglio dell’installazione. È parte integrante del sistema radio.
Prima di aumentare:
5 W → 50 W
vale sempre la pena chiedersi:
“Ho davvero messo l’antenna nel punto migliore?”
Perché qualche volta cinque metri di spostamento possono regalare gli stessi decibel che cercheremmo inutilmente acquistando un amplificatore molto più potente.