LTE a wycieki z sieci kablowej
W ostatnim czasie operatorzy TV kablowej w Europie i Stanach Zjednoczonych stanęli w obliczu poważnego zagrożenia, jakim jest system telefonii komórkowej LTE 800. Został on uruchomiony w paśmie tzw. dywidendy cyfrowej. Jest to pasmo częstotliwości zajmowane do niedawna przez TV analogową, które zostało uwolnione po uruchomieniu TV cyfrowej. Stacje bazowe i terminale przenośne LTE 800 będą umieszczone bardzo blisko instalacji budynkowych (np. terminal może leżeć koło telewizora, do którego dochodzi kabel abonencki). Poziom szczelności wielu sieci TV kablowej pozostawia wciąż wiele do życzenia. Źródła wycieków są jednocześnie miejscem wnikania zakłóceń. Oznacza to poważne ryzyko przenikania ingresu o dużym poziomie na tych samych częstotliwościach, na których dosyłane są usługi do abonentów. Co więcej, wycieki z sieci TVK zakłócają też łączność w systemie LTE. Operatorzy komórkowi, którzy płacą za używane częstotliwości i ich ochronę, natychmiast informują regulatora (w Polsce jest nim Urząd Komunikacji Elektronicznej) o zakłóceniach.
LTE 800 – jak poprawnie i skutecznie mierzyć wycieki z sieci TV kablowej?
W ostatnim czasie operatorzy TV kablowej w Europie i Stanach Zjednoczonych stanęli w obliczu poważnego zagrożenia, jakim jest system telefonii komórkowej LTE 800. Został on uruchomiony w paśmie tzw. dywidendy cyfrowej. Jest to pasmo częstotliwości zajmowane do niedawna przez TV analogową, które zostało uwolnione po uruchomieniu TV cyfrowej. Stacje bazowe i terminale przenośne LTE 800 będą umieszczone bardzo blisko instalacji budynkowych (np. terminal może leżeć koło telewizora, do którego dochodzi kabel abonencki). Poziom szczelności wielu sieci TV kablowej pozostawia wciąż wiele do życzenia. Źródła wycieków są jednocześnie miejscem wnikania zakłóceń. Oznacza to poważne ryzyko przenikania ingresu o dużym poziomie na tych samych częstotliwościach, na których dosyłane są usługi do abonentów. Co więcej, wycieki z sieci TVK zakłócają też łączność w systemie LTE. Operatorzy komórkowi, którzy płacą za używane częstotliwości i ich ochronę, natychmiast informują regulatora (w Polsce jest nim Urząd Komunikacji Elektronicznej) o zakłóceniach. Regulator podejmuje wtedy działania określone w przepisach i zmierzające do wykrycia i trwałego usunięcia źródła zakłóceń. Oznacza to dla operatorów TV kablowej poważne kłopoty, których do tej pory najczęściej udawało się uniknąć. Kilka lat temu podobny problem miał jeden z operatorów TVK w Irlandii, gdy wycieki z jego sieci zagłuszyły policyjny system łączności TETRA. Doniesienia o interwencjach regulatorów wobec operatorów sieci TVK coraz częściej zaczynają napływać z krajów, gdzie uruchomiono już LTE 800.
Zgodnie z Dyrektywą EMC i ustawą o kompatybilności elektromagnetycznej z 2007 r. sieci TVK powinny spełniać tzw. wymagania zasadnicze. Jest tam również zapis o posiadaniu przez operatora TVK dowodów potwierdzających zgodność instalacji stacjonarnej (sieci TVK) z wymaganiami zasadniczymi. Takim dowodem może być raport z pomiarów wycieków. Ponieważ źródła wycieków są jednocześnie źródłami wnikania ingresu, taki raport dokumentuje zarówno odporność sieci na zakłócenia zewnętrzne, jak i niski poziom promieniowanych zakłóceń. Problem w tym, że niewielu operatorów wykonuje regularne pomiary wycieków. W Europie temat kontroli wycieków pojawił się w chwili, gdy niektóre sieci zaczęły uruchamiać usługi w kanale zwrotnym. Okazało się wtedy, że okresowa kontrola źródeł wycieków i ich usuwanie znacząco poprawia parametry sygnałów oraz wpływa na niezawodność i jakość usług świadczonych abonentom. Wielu operatorów do dziś nie usuwa źródeł wycieków, mimo że mogłoby to znacząco poprawić jakość oferowanych usług (nie wspominając o tym, że zgodnie z ustawą o kompatybilności ciąży na nich taki obowiązek). Wprowadzenie systemu LTE 800 może w dramatyczny sposób wymusić regularne pomiary i usuwanie źródeł wycieków. Lepiej jednak nie czekać do tego momentu i uszczelnić sieć, zanim pojawią się problemy z UKE, operatorami LTE i własnymi abonentami zdenerwowanymi jakością usług.
Powstaje tu pytanie, jak skutecznie znajdować źródła wycieków i ingresu. Wieloletnie doświadczenia firmy KABELKOM dowodzą, że spośród wielu możliwości najlepsza wydaje się następująca procedura – najpierw okresowy pomiar mobilny całego obszaru sieci TVK za pomocą anteny dookólnej, a następnie z użyciem otrzymanej mapy z zaznaczonymi źródłami ich dokładna lokalizacja w budynkach i mieszkaniach abonentów. KABELKOM opracował specjalizowane systemy i mierniki do pomiaru wycieków. W oparciu o sygnały z systemu GPS tworzą one mapy ułatwiające znajdowanie i usuwanie wycieków w terenie. Systemy te są z powodzeniem wykorzystywane od wielu lat przez operatorów TVK w Polsce i w Europie (Austria, Czechy, Francja, Holandia, Irlandia, Norwegia, Rumunia, Słowacja, Słowenia, Szwajcaria, Węgry).
Wycieki zwyczajowo mierzy się w paśmie 115-150 MHz. Historycznie pierwotną przyczyną wyboru tego właśnie pasma był fakt jego wykorzystywania przez zakłócane systemy komunikacji lotnictwa cywilnego. Idąc tym tropem, niektóre firmy zaczynają oferować systemy do pomiaru wycieków w paśmie LTE 800, a więc w tej części widma, która może być zakłócana przez sieci TVK. Okazuje się jednak, że nie jest to najlepsze rozwiązanie. Oto dlaczego o wiele lepiej jest mierzyć wycieki na niższych częstotliwościach. Wyjaśnień dostarcza nam fizyka, a dokładniej własności propagacji fal radiowych i anten.
Aby miernik wykrył wyciek, fala elektromagnetyczna musi dotrzeć od źródła wycieku do anteny odbiorczej i zaindukować w niej odpowiednio duże napięcie. Tłumienie, jakiego doznaje fala, może być obliczone za pomocą tzw. modeli propagacyjnych. Najprostszym modelem, dającym najmniejsze tłumienie (w praktyce może ono być większe w zależności od przeszkód między źródłem i anteną), jest model wolnej przestrzeni. Tłumienie sygnału między źródłem promieniującym falę o długości λ metrów a anteną odległą o r metrów wynosi dla wolnej przestrzeni [1]
A = -20log(λ/4πr)
Oznacza to, że tłumienie wzrasta wraz z częstotliwością. Przyjmijmy np. odległość r = 15 m. Otrzymamy następujące wartości tłumienia sygnału ze źródła wycieku o tej samej mocy:
- dla 150 MHz A = 39,5 dB
- dla 500 MHz A = 49,9 dB
- dla 800 MHz A = 54 dB
Wyciek na 800 MHz będzie dawał zatem na wejściu miernika poziom mocy o 14,5 dB (czyli 28 razy) niższy od poziomu mocy dla wycieku na 150 MHz. Przyjmując, że czułość miernika (najmniejsza moc sygnału wejściowego odbierana prawidłowo) nie zależy od częstotliwości, może to skutkować brakiem wykrycia wycieku przez miernik. Innymi słowy, jeśli miernik na granicy czułości wykrywa wyciek na 150 MHz, to wyciek na 800 MHz będzie wykryty, gdy jego moc będzie 28 razy większa. Pamiętajmy, że wyciek może słabo promieniować w stronę anteny odbiorczej, mimo że w innym kierunku poziom promieniowanej energii będzie bardzo duży. Kompensacja tłumienia jest możliwa przy użyciu anteny kierunkowej o dużym zysku energetycznym (np. anteny Yagi). Ze względów praktycznych użycie takiej anteny jest jednak niemożliwe przy pomiarach mobilnych, gdyż wtedy musimy korzystać z anteny o dookólnej charakterystyce promieniowania (inaczej nie wykryjemy wycieków z większości kierunków wokół samochodu). Antena Yagi nie byłaby też wygodnym rozwiązaniem dla techników szukających wycieków w mieszkaniach. Należy tu podkreślić, że ze względu na ukształtowanie terenu i przeszkody między źródłem wycieku oraz anteną odbiorczą tłumienie rzeczywiste jest większe niż dla wolnej przestrzeni i typowo rośnie ze wzrostem częstotliwości.
Przeanalizujmy teraz ten sam problem nieco inaczej. Wyjdziemy z założenia, że wykrywamy wycieki przekraczające w miejscu pomiaru wartość graniczną 20 μV/m (zgodnie z PN-EN 50083-8). Będziemy korzystać z anteny odbiorczej o dookólnej charakterystyce promieniowania. Może to być np. pionowo ustawiony dipol półfalowy. Dipol ma co prawda zysk energetyczny niezależny od częstotliwości, jednak napięcie indukowane na jego zaciskach jest odwrotnie proporcjonalne do częstotliwości. Napięcie to zależy od tzw. długości skutecznej, która dla dipola półfalowego wynosi λ/π [1]. Można obliczyć spadek napięcia indukowanego w antenie dla innych częstotliwości w porównaniu z napięciem dla 150 MHz. Otrzymamy wartości 10,4 dB i 14,5 dB odpowiednio dla 500 i 800 MHz. Są to zatem te same wartości, które obliczyliśmy wcześniej korzystając z innego wzoru. Jeśli miernik jest w stanie na granicy czułości wykryć wyciek 20 μV/m na 150 MHz, to aby wykryć wyciek na 800 MHz, natężenie pola elektrycznego musiałoby być równe 106 μV/m. Niższe wartości natężenia pola dadzą na wejściu miernika moc poniżej progu czułości.
Antena pomiarowa jest połączona z miernikiem za pomocą kabla koncentrycznego. Tłumienie kabla rośnie w przybliżeniu proporcjonalnie do pierwiastka z częstotliwości. Tłumienie w dB jest o 2,3 razy większe dla 800 MHz w porównaniu z tłumieniem na 150 MHz. Jeśli tłumienie odcinka kabla wynosi np. 0,5 dB na 150 MHz, to ten sam odcinek kabla będzie miał tłumienie 1,15 dB na 800 MHz. Biorąc dane z poprzedniego przykładu oznacza to, że minimalna wartość pola elektrycznego musiałaby wzrosnąć ze 106 do 114 μV/m na 800 MHz.
Pomiar wycieków na częstotliwościach pracy systemu LTE 800 niesie za sobą jeszcze jedno niebezpieczeństwo. Bardzo silne sygnały ze stacji bazowych i terminali przenośnych mogą skutecznie maskować źródła wycieków z sieci TVK ze względu na zjawiska intermodulacji oraz blokady miernika. Prawdopodobieństwo wystąpienia podobnego zjawiska w zakresie 115-150 MHz jest znacznie mniejsze z powodu większego oddalenia potencjalnych silnych źródeł zakłócających od miernika.
Jak wskazują powyższe przykłady, pomiar wycieków z sieci TVK w paśmie LTE 800 nie jest dobrym rozwiązaniem. Wiele źródeł może pozostać niewykrytych, szczególnie w przypadku, gdy odległość między miernikiem a źródłem wynosi kilkanaście-kilkadziesiąt metrów (typowe odległości spotykane w pomiarach mobilnych). Użycie kierunkowych anten o dużym zysku energetycznym, które kompensują zwiększone tłumienie, jest niewygodne lub niemożliwe. Jedna rzecz pozostaje poza wszelkim sporem. Pomiary wycieków są konieczne, aby ograniczyć ingres i nie mieć w przyszłości kłopotów z regulatorem. Dla wszystkich chętnych KABELKOM oferuje mierniki i systemy do pomiaru wycieków, a ponadto szkolenia z tego zakresu dla inżynierów i techników. Posiadamy również laboratorium pomiarowe akredytowane w zakresie pomiaru wycieków (nr akredytacji AB1149 – www.pca.gov.pl), które wykonuje pomiary dla operatorów nieposiadających własnego sprzętu lub doświadczenia. Wszystkich chętnych zapraszamy do współpracy (e-mail: kabelkom@kabelkom.pl).
[1]. J. Szóstka, Fale i anteny, Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006.