Solskin lægger en dæmper på fremtidens mobilnet
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Solskin lægger en dæmper på fremtidens mobilnet

På meget varme og solrige dage kan Solens elektriske felt påvirke transmissionen ved 60 GHz, viser nye målinger i Saudi-Arabien. (Foto: Ahmed Sulyman/Embry-Riddle Aeronautical University) Foto: Ahmed Sulyman/Embry-Riddle Aeronautical University

Fremtidens 5G-netværk kan tabe pusten på varme, solskinsrige dage.

Det skriver forskere fra Embry-Riddle Aeronautical University i Arizona, USA og King Saud University i Saudi-Arabien i en artikel i antenneforskernes førende tidsskrift IEEE Transactions of Antennas and Propagation.

Ahmed Sulyman og co. har lavet detaljerede undersøgelser af transmission ved 60 GHz over afstande på op til 134 meter indendørs og 100 meter udendørs i og omkring King Saud University i Riyadh.

De udførte eksperimenterne på såvel varme, solrige dage med en temperatur på 41-42 grader celsius og på klare nætter med en temperatur mellem 20 og 38 grader celsius.

I forsøgene tabte man 10-15 pct. i signal-støj-forholdet på varme solskinsdage.

Forskerne fremhæver, at den forstyrrelse som Solens elektriske felt giver på radiotransmission længe har været kendt og studeret for satellitkommunikation, men stort set ikke tidligere har været studeret for landbaseret kommunikation.

Et dårligt valg udendørs

Før man bekymrer sig alt for meget om transmissionstabet på solskinsdage, er det vigtigt at notere, at 60 GHz ikke er nogen særlig god frekvens at benytte udendørs, da transmissionstabet er højt grundet absorption i luftens oxygen.

I Danmark vil regn uden tvivl generelt være et større transmissionsproblem for 5G-systemer, end Solen vil, selv om regn vil være af mindre relativ betydning ved 60 GHz, da dæmpningen af signalet i forvejen er meget høj ved den frekvens.

Vi kan derfor nok tillade os at betragte den amerikansk-saudiske undersøgelse som interessant for anvendelse af 60 GHz i Mellemøsten og måske Florida, men næppe som noget, der har betydning for udrulningen af 5G i Danmark.

Forskernes egen konklusion er, at netværksplanlæggerne skal udarbejde linkbudgetter med en passende margin, når de udruller 60 GHz-radiokommunikationssystemer på steder med ekstrem varme og solskin.

Det lyder fornuftigt nok. Men undersøgelsen viste også rent faktisk, at sådanne systemer kan benyttes ved over afstande op til 100 meter udendørs selv i et tætbebygget byområde.

Transmissionstabet i gigahertzområdet, hvor fremtidens 5G-systemer forventelig vil blive placeret et eller flere steder mellem 20 og 100 GHz. Området omkring 60 GHz er noget nær det værste at bruge set ud fra dæmpningen af signalet, så det vil højst sandsynligt kun blive brugt indendørs over meget korte afstande. Foto: http://www.electronicdesign.com/communications/millimeter-waves-will-expand-wireless-future

Jeg blev straks fanget af overskriften og blev mere og mere forundret, da jeg læste Jens Ramskov indlæg. For det første at solskinnet skulle påvirke en radiolink på 60 GHz og at varme solrige dage skulle give en dårligere link end kølige nætter. Dertil kommer ”solens elektriske felt”, som lød yderligere mystisk.
Derfor downloadede jeg artiklen og nogle af referencerne., og efter et par dages nærlæsning mener jeg nu at have pillet det hele fra hinanden.

Artiklen er på 12 sider og meget grundig med at forklare setup’et. Det første indtryk, man får, er ved at kigge på illustrationerne, Fig. 1, 2 og 17, og her ser det ud som om, at bare det at solen skinner på strålegangen mellem sender og modtager bevirker, at der opstår der forstyrrelser (særligt fig. 2 og 17).

Dykker man ned i artiklen afsnit III, underafsnit C, ”Effects of Solar Radio Emissions on 60 GHz Radio Links”, benyttes ref. [18] flittigt. Denne handler om at solen er en kraftig radiostøjkilde (omtrent som et sort legeme med 1 mio. Kelvin temperatur), og det betyder, at hvis solen står lige i modtagerantennens ”boresight”, stiger støjniveauet på modtagerens indgang kraftigt. Det er velkendt for enhver, der arbejder med satellitkommunikation. Det nævnes også i artiklen, at solens støjudsendelse på 2.8 GHz (10.7 cm bølgelængde) et næsten perfekt korreleret med solpletaktiviteten og derfor benyttes F10.7 indekset (syrken af solens radiostøj på 10.7 cm bølgelængde) som ”proxy” for solplettallet. F10.7 index data er tilgængelige fra 1947 og fremad. Også helt velkendt stof.

Dernæst analyserer forfatterne, hvad der sker med radiostøjen, når solen står i modtagerantennens boresight. I afsnit II underafsnit A, ”Measurement Setup”, fremgår, at der til eksperimenterne benyttes hornantenner med et gain på 24.5 dBi, svarende til 7.3° strålebredde ved -3 dB. Solens vinkeldiameter er 0.53°, og kan derfor ikke udfylde hele antennens synsfelt. Derfor kan det undre, at man udregner forringelsen i signal-støj forholdet, CNR, for det tilfælde, at antennens strålebredde er mindre end solens diameter, ligning (8).
Går man videre i artikel til testresultaterne afsnit IV, underafsnit B, ”Outdoor Measurements”, fremgår det at man laver både ”line-of-sight” (LOS) målinger, og non-line-of-sight (NLOS) målinger, hvor der i sidstnævnte ikke er direkte sigt fra sender til modtager, og at udbredelsen af radiobølgerne derfor er afhængig af refleksioner og diffraktion.
Endvidere fremgår det af denne passage: ”This means that the receiving antenna horn was turned away from the sun rays in most cases during NLOS signal detections. In contrast, the antenna horn was always directed toward the sun rays during the LOS measurement”, at solen skinnede lige ind i modtagerantennens boresight under LOS målingerne ikke under NLOS målingerne.

Det fremgår også, at målingerne blev fortaget om eftermiddagen på solskinsdage i Riyadh City sommeren 2015 og 2016. I midten af juli står solen op i Riyadh kl. ca. 05:15 og går ned kl. ca. 18:45. Da Riyadh ligger på 24.63°N bredde, lidt nordligere end krebsens vendekreds 23.44°N, kommer solen ikke i Zenith, men næsten: 87° med middagstid. Det vil sige, at målingerne må være lavet meget sent om eftermiddagen, hvis solen skal kunne skinne ind i modtagerantennen, idet der er begrænset, hvor stor radiolinkets vinkel med vandret kan være under de beskrevne forhold.

Men nu kommer der rigtig sjove: Slår man op i ITU-R Recommendation P.676-11 (09/2016) ”Attenuation by atmospheric gases”, Figure 6, side 21, ”Total, dry air and water-vapour zenith attenuation from sea level”, fremgår det, at dæmpningen af radiobølger gennem hele atmosfæren mod zenith i 60 GHz båndet er ca. 200 dB (to hundrede!), svarende til an faktor 10^20! Det vil sige, at uanset hvordan solen tér sig i 60 GHz båndet, skulle der intet slippe igennem atmosfæren! Dette forhold nævnes ikke i artiklen. Ved vinkler væk fra zenith kommer der en faktor 1/cos(phi) på, hvor phi er zenith-vinklen. Ved 2.8 GHz er dæmpningen ca. 0.037 dB, hvilket er helt negligibelt. Ovenstående stemmer dog ikke overens med ITU-R Recommendation P.372-13 ”Radio noise”, hvor der af fig. 12, side 20, ” Extra-terrestrial noise sources” fremgår at solen ved 60 GHz har en ”brightness temperature” på ca. 5700 Kelvin, hvilket er cirka den samme som ved synligt lys, men der er ingen forklaring på dette i dokumentet. På basis af dette må der komme et støjbidrag fra solen ved 60 GHz, men det forudsætter ifølge ITU-R P.371-7 som tidligere nævnt, at solen stråler lige ind i modtagerantennens boresight.

Artiklen har en mængde målte kurver af strækningsdæmpning vs. afstand både for LOS og NLOS links, fig. 7 – 16. Det fremgår tydeligt, at der er stor spredning på de enkelte måleresultater for hver afstandsposition, og selv de midlede målinger for hver afstandsposition har en stor spredning omkring de regressionslinier, man har beregnet med ”least-squares” metoden. Forfatterne angiver ikke data for korrelationsværdierne for de fittede data til regressionen, og diskuterer ikke kvaliteten/pålideligheden af dataforskellene på de forskellige målinger. De tillægger direkte forskellene en signifikans og tolker det som en effekt af solindstrålingen. Dette er yderst problematisk. I tabel 1 angiver man %CNR degradation uden at definere dette. Det må formodes, at det er procenter af dB-værdierne, selv om det er en diskutabel angivelse.

På side 6633 i artiklen går det helt galt med argumentationen. Der tales om: ”Finally, measurement data were collected to assess the combined effects of dusty and sunny weather on the path loss, and the results are shown in Fig. 16”, (nederst, venstre spalte) og endvidere: ”This is due to the fact that dust particles in the sky far above the TX and RX shielded the measurement equipment from the incoming sun rays, reducing the effects of solar radio emissions observed during signal detections in a dusty sky compared with a clear sky.”, (øverst, højre spalte). Meget mystisk. Sigtbarheden angives at have været 3 km ved disse målinger (nederst, venstre spalte), så der kan ikke være meget støv i luften. Endvidere vil spredningseffekten af støv ved 60 GHz være meget, meget mindre end ved synligt lys, da bølgelængden af 60 GHz er en faktor ca. 10000 gange større.

På side 6633, højre spalte i afsnittet, der starter med: ”In summary, the effects of solar radio emissions …”, kommer der nogle forblommede udtalelser om solens elektriske felt og dets vekselvirkning med TX-RX test radiosignalets elektriske felt (se også fig. 17). Formlen for |Esun| afhænger af Sav: ”solar power density experienced in the area”, men det fremgår ikke om der menes solens udsendelse på 60 GHz eller sollysets intensitet, omend det sidste forekommer mest sandsynligt, da enheden angives i kW/m^2. Hvad der menes med solens elektriske felt og hvilken effekt, der skulle få sollyset til at forstyrre et radiosignal, redegøres der ikke for. Ref. [34], som der henvises til har jeg ikke adgang til, og jeg har aldrig hørt om en sådan effekt, men det kan selvfølgelig være min utilstrækkelighed. Jeg har heller ikke kunnet google mig frem til en sådan effekt. Det mystiske er også, at forfatterne tidligere i artiklen analyserer direkte indstråling af radiostøj fra solen i antennen, mens der i dette afsnit beskrives forstyrrelser fra bare det at solen skinner på radiolinket – som var min første formodning, da jeg læste Jens Ramskovs artikel.

Konklusionen er efter min mening, at denne artikel ikke burde have passeret gennem peer-review nåleøjet. Der er alt for mange løse påstande og mangler ved dataanalysen og redegørelsen for de påstående effekter. Jeg tror ikke på artiklens resultater.

  • 3
  • 0