Radiolänk och fast radio

En radiolänk är en riktad radioförbindelse mellan två fasta punkter. I Radioreglementet kallas den fasta tjänsten (eng. fixed service), och PTS använder uttrycket fast radio. Antennerna är parabolskärmar som riktas mot varandra, och signalen är digital med hög bithastighet. Länkarna bär mobilnätens trafik mellan basstationer och kärnnät (backhaul, se Så fungerar ett mobilnät), men används också av myndigheter, energibolag och industrier. Fördelen mot fiber är att en länk kan byggas snabbt och utan grävning. Priset är att den kräver fri sikt, att den påverkas av väder och att kapaciteten bestäms av ett begränsat spektrum.

Frekvensband för fast radio#

Frekvensbanden för radiolänkar anges i PTS frekvensbandslista (per 2025-06-10).¹ Figur 1 och tabell 1 visar bandgränserna som listan anger. Bandens kanalplaner är främst CEPT-rekommendationer (ERC/ECC, eng. channel arrangements), som anger centerfrekvenser, kanalbredder och duplexavstånd så att utrustning från olika tillverkare passar in. Beteckningarna i tabellen är återgivna som i PTS lista och förkortade. Fullständiga titlar finns i CEPT:s dokumentdatabas.

Tabell 1. Band för fast radio enligt PTS frekvensbandslista, med hänvisningar som listan anger.

Kanalplaner#

En kanalplan (eng. channel arrangement) delar ett band i kanaler och anger centerfrekvenser, kanalbredd och, för FDD-system, duplexavståndet mellan de två riktningarnas frekvenser. Banden delas ofta i en lägre och en övre halva, och en länk använder en kanal i vardera halvan, så att radion sänder i den ena och tar emot i den andra. Eftersom tillverkarna bygger radior för planerna kan frekvenser planeras utan att varje länk förhandlas för sig. Intilliggande kanaler kan läggas på omväxlande polarisation för bättre isolering. I de lägre banden är kanalerna i storleksordningen några MHz till drygt 50 MHz breda.

E-bandets kanalplan är väl dokumenterad.² Kanalerna ligger 250 MHz från varandra, och kanal $n$ har centerfrekvensen $f_n=f_r+250n$ MHz med $f_r=71000$ MHz i det undre bandet och 81 000 MHz i det övre, $n=1,\dots ,19$ (figur 2). Banden används parvis med duplexavståndet 10 GHz: en riktning på 71–76 GHz och motsatt riktning på 81–86 GHz. Kanaler kan slås ihop till bredare, och PTS anger kanalbredder om 250–2 500 MHz.

Egenskaperna ändras med frekvensen på ett förutsägbart sätt. Fri-rymd-dämpningen mellan isotropa antenner ökar med frekvensen (mellan 6 och 80 GHz med $20{\log }_{10}(80/6)=\mathrm{22,5}$ dB), men med skärmar av samma storlek ökar antennvinsten ännu mer, så budgeten i fri rymd blir bättre. Gränsen sätts i stället av regn och gasdämpning, och av att loberna blir så smala att antennerna måste vara mycket stabila. De låga banden (6–8 GHz) används för de längsta hoppen, de mellanliggande (13–23 GHz) för medellånga hopp, och 26–38 GHz och E-bandet för korta hopp med stor kapacitet.

En radiolänk i praktiken#

En modern länk består av en utomhusenhet (ODU) som monteras direkt på antennen och en inomhusenhet (IDU) eller en kabel till nätet. Många system är helt utomhus. Radion sänder och tar emot på två olika frekvenser samtidigt (FDD, se Multipel access och duplex), och i den andra änden är frekvenserna omvända. För drifttrygghet dubbleras ofta utrustningen (1+1, med en reservradio som tar över vid fel), och för att bekämpa flervägsfädning kan man använda två antenner med höjdskillnad (diversitet).

Antennen är en parabolskärm. Förstärkningen och lobbredden följer av diametern $D$ och våglängden $\lambda$ (se Antennparametrar):

Med verkningsgraden $\eta =\mathrm{0,6}$ ger en 0,6 m skärm vid 18 GHz ($\lambda =\mathrm{16,7}$ mm) 38,9 dBi och en lobbredd på 1,9°. En 0,3 m skärm i E-bandet (73,5 GHz) ger 45,1 dBi och 0,95°. Smala lober är en fördel, eftersom antennen då både når långt och tar emot lite störning från sidan. Men de ställer krav på stabila master. Förlusten av en lobfelriktning $\theta$ är ungefär $12(\theta /{\theta }_{3\mathrm{d}\mathrm{B}}{)}^2$ dB. En lutning på 0,5° (en mast som svajar i vind) kostar 0,8 dB vid 18 GHz men 3,3 dB för E-bandets skärm.

Punkt-till-punkt, punkt-till-multipunkt och backhaul#

En punkt-till-punkt-länk (PTP) är två antenner som pekar på varandra. Nät byggs av flera länkar i kedjor, ringar eller träd, med de mest belastade hoppen i de korta, bredbandiga banden och de längsta hoppen i de lägre. I ett punkt-till-multipunkt-system (PMP) har en central enhet en sektorantenn som betjänar flera terminaler, och kapaciteten delas mellan dem. Eftersom sektorantennen måste täcka flera riktningar får den lägre vinst, och räckvidden blir kortare än för en PTP-länk.

Fast trådlöst bredband (FWA, fixed wireless access) kan byggas med PMP-radio, men kan också göras över mobilnätet med 5G (se 5G NR). Mobilnätens backhaul har fiber och radiolänk som alternativ, och valet beror på kostnad, tillgänglighet och kapacitet. Högre kapacitetskrav gör bredare kanaler och högre band, till exempel E-bandet, mer intressanta, medan fiber är ett alternativ där det går att gräva.

Länkbudget#

Länkbudgeten följer signalen från sändaren till mottagaren. Mottagen nivå är

där $L_{fs}=\mathrm{92,45}+20{\log }_{10}{f}_{\text{GHz}}+20{\log }_{10}{d}_{\text{km}}$ är fri-rymd-dämpningen. Fördjupning, och förklaring av begreppen, finns i Fri rymd-dämpning och länkbudget.

Marginalen är det som får finnas kvar när något går fel: regn, flervägsfädning eller felriktade antenner. Hur stor den måste vara avgörs av önskad tillgänglighet.

Fri sikt och Fresnelzonen#

En radiolänk behöver mer än en rak siktlinje. Den första Fresnelzonen är den rotationsellipsoid kring siktlinjen där en väg via en punkt på ellipsoiden är högst en halv våglängd längre än den direkta vägen. Dess radie på avståndet $d_1$ från ena och $d_2$ från andra änden är

med avstånden i km och frekvensen $f$ i GHz. Den andra formeln är jordbukten $h$ med $k=4/3$ för den vanliga luftbrytningen. Zonens teori, och hur hinder i zonen ger diffraktionsförlust, finns i Fresnelzon och fädning. Som tumregel ska minst 60 % av $F_1$ vara fritt vid $k=4/3$. Noggrannare planering tittar också på hur klaringen förändras när brytningen ändras.

Regn, fädning och tillgänglighet#

Två mekanismer dominerar fädningen på radiolänkar. Flervägsfädning uppstår när signalen kommer fram på flera vägar, till exempel via markreflexer eller skikt i atmosfären, och kopiorna ibland tar ut varandra. Den är mest påtaglig på långa, flacka sträckor och under varma, stilla nätter, och hanteras med diversitet och utjämnare (se Fresnelzon och fädning). Regn dämpar signalen genom absorption och spridning. Över ca 10 GHz är det oftast regnet som avgör, och dämpningen ökar kraftigt med frekvensen (se Mikrovågsutbredning).

Tillgänglighet är den andel av tiden som länken uppfyller sitt kvalitetsmål, och motsvarande andel som den inte gör det är avbrottet. Tabell 2 räknar om procent till minuter. För en kedja av hopp multipliceras tillgängligheterna: tre hopp med 99,99 % vardera ger $0,{9999}^3=\mathrm{99,97}$ % för kedjan.

Tabell 2. Tillgänglighet och avbrott per år (8 766 timmar).

Regndämpningen beräknas med metoden i ITU-R P.530. Den specifika dämpningen är ${\gamma }_R=k{R}^{\alpha }$ dB/km, där koefficienterna beror på frekvens och polarisation. Figur 5 visar den för 25 mm/h, en rimlig nivå för den regnintensitet som överskrids 0,01 % av tiden i södra och mellersta Sverige enligt Mikrovågsutbredning. Platsens verkliga värde tas ur ITU-R P.837. Horisontell polarisation dämpas något mer än vertikal, eftersom regndroppar är tillplattade, och därför föredras ofta vertikal polarisation på regnkänsliga länkar. Skillnaden mellan frekvenserna är stor. Vid 18 GHz är dämpningen 1,9 dB/km, vid 38 GHz 6,0 dB/km och i E-bandet ca 11 dB/km.

Regnet täcker sällan hela länken, så metoden tar fram en effektiv längd $d_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}=rd$ med en distansfaktor $r$, och dämpningen som överskrids 0,01 % av tiden är $A_{\mathrm{0,01}}={\gamma }_R{d}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}$. För andra tidsandelar $p$ (0,001–1 %) skalas den med en formel i P.530. Alla formler finns i Mikrovågsutbredning.

Figur 6 visar varför frekvensen styr hopplängden. Med 20 dB regnmarginal klarar 15 GHz ca 24 km, 23 GHz ca 11 km, 38 GHz ca 4 km och E-bandet ca 1,7 km. Därför byggs de längsta hoppen i de låga banden, och E-bandet används där avståndet är kort och kapaciteten viktig, till exempel för tätt placerade basstationer.

Adaptiv modulation#

En länk som ska klara 99,999 % under regn måste ha en stor marginal, och då måste den använda en robust modulation som QPSK. Det slösar kapacitet under nästan all tid, då vädret är bra. Adaptiv modulation (ACM) löser det: radion mäter signalkvaliteten och byter modulation (och ofta kodtakt) så fort nivån ändras. I klart väder används t.ex. 1024-QAM med hög fart, och när regnet kommer går länken ned stegvis till 256-QAM, 64-QAM och så vidare, tills QPSK ger den sista, långsamma men säkra, förbindelsen. Bytet sker utan avbrott i trafiken. Prioriterad trafik (tal, styrsignaler) kan skyddas så att den får kvar en lägre kapacitet, medan resten får vänta.

Varje steg i modulationsordningen (två bitar mer per symbol) kostar ungefär 6 dB i krävd signalnivå. Tabell 3 visar trösklarna i exemplet från länkbudgeten, och hur stor andel av tiden regn skulle hålla länken över varje nivå.

Tabell 3. Länken på 12 km vid 18 GHz: trösklar, marginaler och regnbegränsad tillgänglighet per modulation (28 MHz kanal, antagen rolloff 0,2).

Siffrorna är beräknade för okodad QAM vid ${10}^{-6}$ och med en uppskattad bruttokapacitet före felrättande kod och overhead. Utrustning på marknaden har andra trösklar och avancerade koder, men principen är densamma: länken är tillgänglig med den lägsta modulationen under nästan all tid, och med den högsta i ca 99,98 % av tiden.

XPIC och frekvensåteranvändning#

Signaler med vinkelrät (ortogonal) polarisation kan i teorin skiljas åt utan att störa varandra. Det ger möjligheten att skicka två olika datasignaler på samma frekvens, en på vertikal och en på horisontell polarisation, med en dubbelpolariserad antenn. Tekniken kallas co-channel dual polarisation (CCDP) och ger dubbel kapacitet i samma kanal.

Isoleringen är dock inte perfekt. En del av den vertikala signalen läcker över i den horisontella kanalen, och tvärtom. Antennens korspolarisationsdiskriminering (XPD) anger hur mycket mindre den oönskade polarisationen tas emot. Med låg modulation räcker den, men med högre modulation blir överhörningen en stor störning. XPIC (cross-polar interference cancellation) löser det: mottagaren har båda polarisationernas signaler tillgängliga och subtraherar den läckande delen av den ena från den andra. Regn gör saken svårare, eftersom regndroppar depolariserar signalen och sänker XPD, men XPIC anpassar sig fortlöpande.

Tillstånd och planering i Sverige#

Länkantenner sitter ofta högt upp på master och tak och måste behålla sin riktning i vind och temperaturväxlingar. Störning mellan länkar hanteras genom planering. Störsändare är förbjudna att använda och sälja i Sverige (se Tillsyn, störsändare och sanktioner).

Kontrollfrågor#