5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Elektronowe „mózgi” radarów stały się z czasem coraz potężniejsze – potrafią lepiej przetwarzać otrzymany sygnał, lepiej go identyfikować i lepiej sobie radzić z zakłóceniami. Przecież radar musi umieć odróżnić czy sygnał, który otrzymuje pochodzi od „oświetlonego” wiązką radarową obiektu (sytuacja ze wszech miar pożądana) czy też z innego zupełnie źródła (sytuacja zupełnie niepożądana, bo to modelowa definicja zakłócenia). No właśnie – kluczową sprawą dla radaru jest umiejętność rozróżnienia sygnału prawdziwego od fałszywego. I tutaj czasem pojawiają się pewne problemy.

Czym są radary meteorologiczne? Zgodnie z najbardziej podstawową definicją są to urządzenia radarowe, których głównym celem jest wykrywanie i kwantyfikowanie opadów atmosferycznych oraz ruchu mas powietrza, czyli wiatru. Gdyby ktoś chciał się zagłębiać w szczegóły, znajdzie je w zaleceniu ITU-R M.1849-1 „Techniczne i operacyjne aspekty funkcjonowania radarów meteorologicznych bazowania naziemnego”¹ . Dane z radarów meteorologicznych są podstawą dla wszelakich modeli numerycznych prognoz pogody i pozwalają m.in. przewidywać wystąpienie opadów mogących prowadzić do powodzi.

Radary meteorologiczne, podobnie jak wszystkie pozostałe radary, mogą pracować w różnych zakresach częstotliwości – w zależności od typu pracy i zadań jakie mają wykonywać. Podstawowe typy radarów meteo to:

• radary S-band (2700-2900 MHz),
• radary C-band (5250-5750 MHz),
• radary X-band (9300-9500 MHz).

Różnią się one zasięgiem: od 350/400 km do zaledwie 40/50 km, jak również typem zadań jakie wykonują – jedne monitorują ruch mas powietrza, inne zaś monitorują opady, a jeszcze inne robią i jedno i drugie. W Europie najpopularniejszym typem radaru meteo jest ten pracujący w paśmie C – takich radarów pracuje blisko 200 sztuk. I to one w pewnym momencie – a konkretnie w okolicach 2006 roku – stały się mimowolną ofiarą tak zwanego postępu. Ale po kolei.

W 2003 roku Światowa Konferencja Radiokomunikacyjna² ustaliła, że zakresy częstotliwości 5150-5350 MHz oraz 5470-5725 MHz zostaną przeznaczone – prócz radarów meteo – również na potrzeby tzw. radiowych bezprzewodowych punktów dostępowych i radiowych sieci LAN. Za tą skomplikowaną nazwą kryje się po prostu znane nam dziś WiFi 5 GHz. Oczywiście zdawano sobie sprawę z tego, że praca w tym samym paśmie i radaru, i RLAN może spowodować kłopoty. Dlatego wprowadzono szereg mechanizmów zabezpieczających, które miały uniemożliwić zakłócanie radarów przez RLAN. Był to przede wszystkim mechanizm DFS (Dynamic Frequency Selection), który działa w taki sposób, że urządzenie RLAN „nasłuchuje” czy w jego paśmie nie pracuje radar, a jeśli taki radar „usłyszy”, to natychmiast przerywa transmisję. Mechanizm DFS został opisany w Zaleceniu ITU M.1652³, jak również znalazł się w normie ETSI EN 301 893⁴. To powinno załatwić sprawę, prawda? Otóż…nie bardzo.

Urządzenia RLAN 5 GHz zaczęły się upowszechniać mniej więcej w 2006 roku, i wtedy też operatorom radarów meteo zaczął ukazywać się taki widok:

Źródło: windy.com

Co tutaj widać? Te „szpilki” na poszczególnych azymutach to nic innego, jak zakłócenia pochodzące od urządzeń RLAN 5 GHz. W zależności od stopnia nasycenia takimi urządzeniami możemy mieć zakłócenia na jednym azymucie lub na wielu. W ekstremalnych sytuacjach zakłócenia mogą pokrywać cały obraz radarowy.

Źródło: windy.com

Dlaczego tak się dzieje? Radary meteo stanowią dość specyficzną kategorię urządzeń radiolokacyjnych. Klasyczne równanie radarowe, zwane równaniem zasięgu radiolokacyjnego stanowi, że proporcja sygnału odbieranego do emitowanego jest jak 1/r⁴. W przypadku radarów meteo ta proporcja wynosi 1/r², co automatycznie przekłada się na większą absorpcję zakłóceń przez radary meteo. Takie radary stosują również zmienne w czasie schematy (strategie) emisji (zmianom ulega tzw. PRF – Pulse Repetition Frequency), co również sprawia, że są bardziej podatne na zakłócenia. Radary meteo podlegają również bardzo częstej kalibracji, gdzie mierzy się stosunek poziomu sygnału użytecznego S (Signal) do sygnału zakłócającego N (Noise) i na tej podstawie ustala się strategię pracy urządzenia. W przypadku gdy taki pomiar – zwykle jeden lub dwa obroty anteny radaru – jest zanieczyszczony sygnałami zakłócającymi pochodzącymi np. z RLAN, których poziom zmienia się w trakcie procedury kalibracji, cały schemat pracy radaru zostaje tym dotknięty.

Czy tylko RLAN zakłóca? Otóż nie – jak wskazano wcześniej radary meteo to bardzo specjalizowane i dokładne urządzenia, które niestety dość łatwo zakłócić. Wynika to m.in. z tego, że skanują one przestrzeń w szerokiej elewacji (czyli „w pionie”), wynoszącej od 0 do 90 stopni. Przez swoją czułość (równanie radarowe!) na niskich elewacjach radary takie mogą być zakłócone np. przez… promienie słoneczne. Jest to obrazowane przez szerokie, sektorowe zakłócenie na azymucie zgodnym z aktualnym położeniem słońca. Radary meteo potrafią być również zakłócane w sytuacjach szybkiego wzrostu wilgotności (mgły, inwersja), choć takie artefakty są zwykle eliminowane na etapie przetwarzania sygnału. Czasem jednak przez kilka obrotów anteny są one widoczne na obrazie, co oczywiście powoduje entuzjazm u zwolenników płaskiej Ziemi, HAARP-ów i LOFAR-ów.

Czy dalej będzie tak jak będzie? Otóż niestety tak. Wprawdzie wymagania dla urządzeń RLAN ewoluowały tak, żeby zminimalizować ich wpływ na radary meteo, zakłócenia te nadal będą istnieć. Urządzenia RLAN są coraz popularniejsze, a nie we wszystkich mechanizm DFS działa prawidłowo – w niektórych, szczególnie tych sprowadzanych z innych regionów świata DFS można było w ogóle wyłączyć! To skoro nie da się wyplenić RLAN-ów, to może wymienić radary? Oczywiście – nowe urządzenia mają bardziej zaawansowaną obróbkę sygnału, która lepiej filtruje zakłócenia. Biorąc jednak pod uwagę fakt, że „cykl życia” urządzenia radarowego to zwykle kilkanaście bądź nawet kilkadziesiąt lat, istniejące radary będą pracować jeszcze długo zanim zostaną zastąpione przez ich nowsze, „mądrzejsze” wersje. Podniebne „kręgi w zbożu” pozostaną więc z nami na dłużej, a płaskoziemcy mogą już otwierać szampana.

Autor: Michał Połzun, ekspert ds. systemów łączności bezprzewodowej

---

¹https://www.itu.int/rec/R-REC-M.1849/en

²https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0C/0A/R0C0A00000F0076PDFE.pdf

³https://www.itu.int/rec/R-REC-M.1652/en

⁴https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/301800_301899/301893/02.01.01_60/en_301893v020101p.pdf