Die Funk-Leistungsbilanz (RF link budget)

 
Die funktechnische Übertragungskette einer Mobilfunkverbindung besteht aus einer Basisstation mit einer bestimmten Antennenanlage, einem Mobilgerät und dem durch die Entfernung bedingten Funkfeld zwischen beiden. Beide Anlagen haben maximale Sendeleistungen sowie bestimmte Empfängerempfindlichkeiten, sodaß die erreichbare Reichweite von der Funkfelddämpfung dazwischen abhängt.
Im Idealfall ist die Leistungsbilanz dieser Übertragungskette in beiden Richtungen gleich, also die mögliche Reichweite in der Richtung von der Basisstation zum Mobilgerät ist gleich der in die umgekehrte Richtung. In der Realität ist dies jedoch nicht gegeben, da bereits durch die auseinanderliegenden Sendefrequenzen die Ausbreitungsbedingungen je nach Richtung unterschiedlich sind.
Die prinzipiellen Nachteile des Mobilgerätes in Senderichtung (kleinere Sendeleistung) wird durch eine höhere Empfindlichkeit des Basisstationsempfängers und die Möglichkeit der Nutzung von Antennen-Diversity auf Basisstationsseite ausgeglichen. Der Antennengewinn der Basisstation geht in beide Richtungen mit ein.

Zur Berechnung der Funk-Leistungsbilanz müssen mehrere Faktoren mit einbezogen werden:

Ausbreitungsverluste

Für die Berechnung des Funkfeldes genügt es nicht, nur die Freiraumdämpfung anzusetzen. Wie auf den vorherigen Seiten erklärt wurde, sind die Dämpfungen (Ausbreitungsverluste) im realen Funkfeld je nach Umgebung signifikant höher und müssen entsprechend berücksichtigt werden.

Eine Einführung in eine der (einfachen) Näherungsmethoden zur Berechnung von umgebungsabhängigen Ausbreitungsverlusten mit einem durchgerechneten Beispiel findet sich auf den beiden vorhergegangenen Seiten.

Zusätzliche Dämpfungsfaktoren

Genauso fehlerhaft wie die Annahme von Freifeldbedingungen für die Funkfeldberechnung wäre aber auch eine Beschränkung auf allein diese Ausbreitungsverluste. Es kommen bei der tatsächlichen Nutzung noch weitere Faktoren hinzu:

Gebäudedämpfung:	Je nach verwendeten Baustoffen, Größe und Bauart des Gebäudes sowie Position des Mobilgerätenutzers muß innerhalb von Gebäuden eine bestimmte Dämpfung zusätzlich mit berücksichtigt werden. Diese kann gemäß umfangreichen Messungen zwischen 5 - 37 dB liegen, wobei ein Mittelwert von 15 dB realistisch ist. Bei Aufenthalt in der Nähe eines Fensters ist etwa 12 dB anzunehmen.
Fahrzeuge:	Innerhalb von Fahrzeugen ist mit einer Dämpfung von zusätzlich ca. 6 dB zu rechnen.
Körperdämpfung:	Die Antenne des Mobilteils wird durch das nahe Körpergewebe der Hand und des Kopfes in ihrer Abstrahlcharakteristik negativ beeinflusst, außerdem treten Absorptionsverluste auf. Insgesamt ist dafür eine Dämpfung von ca. 6 - 9 dB anzunehmen.
Fadingreserve:	Zur Kompensation der Wirkungen von Mehrwegeempfang (Fast- oder Rayleigh-Fading) sowie weiterer Signalverzerrungen auf dem Übertragungsweg muß eine Reserve von etwa 11 dB bei großen Funkzellen und 8 dB bei kleinen Funkzellen vorgesehen werden. Hinzu kommt eine weitere Reserve von etwa 5 dB für Abschattungen (Slow-Fading).
Antennengewinne:	Sowohl die Antenne des Basisstation als auch die des Mobilgerätes sind in unterschiedlichem Maße Richtantennen, wobei bei einer Basisstation der dadurch entstehende Antennengewinn in Hauptstrahlrichtung zwischen 12 - 19 dBi liegt, bei einem Mobilgerät zwischen 2 - 5 dBi. Diese Gewinne verringern die Funkfelddämpfung. Bei einer Basisstation wird deren Antennengewinn bei der Berechnung der äquivalenten Sendeleistung (EIRP) bereits mit berücksichtigt. Im Empfangsfall kommt bei einer Basisstation mit der Nutzung von Antennen-Diversity noch ein Diversitygewinn von 4 - 6 dB hinzu.

Zu den Ausbreitungsverlusten (ohne der Berücksichtigung von Mehrwegeempfang) kommen anhand der oben genannten Faktoren je nach Umgebung in Empfangsrichtung des Mobilgerätes also in Summe noch folgende zu berücksichtigenden Dämpfungen hinzu:

Die Summe der Ausbreitungsdämpfung und diesen Zusatz-Dämpfungen, abzüglich des (ortsabhängigen) Antennengewinns der Basistation, ist die für die weitere Berechnung anzunehmende Funkfelddämpfung (auch Pfadverlust genannt).

Rechnerisch ergibt sich die Funkfelddämpfung zu: D = 10 log(Pe/Ps), in der Einheit Dezibel. Dabei ist Pe die Empfangsleistung und Ps die Sendeleistung (beide in Watt)

 

Die komplette Leistungsbilanz-Berechnung

Bei der Berechnung der Leistungsbilanz in Empfangsrichtung des Mobilgerätes ergibt sich aus der Empfindlichkeit des Mobilgerätes und der berechneten Funkfelddämpfung die erforderliche Sendeleistung der Basisstation. Normalerweise geht man jedoch von einer bestimmten Sendeleistung aus (oder eines Bereiches der Sendeleistung) und berechnet daraus die mögliche Reichweite der Basisstation in der jeweiligen Umgebung.

Die für alle GSM-Handys vorgeschriebene Mindest-Empfindlichkeit ist gleich -102 dBm, was etwa 63•10^-15 Watt entspricht. Diese Empfangsleistung darf für eine störungsarme Verbindung nicht unterschritten werden.
Bei einer angenommenen Sendeleistung der Basisstation von z. B. 10 Watt (das sind 40 dBm) darf die Funkfelddämpfung also maximal 142 dB betragen. Eine derartige Dämpfung kann in großstädtischen Gebieten bereits bei weniger als einem Kilometer Entfernung erreicht sein.
In Empfangsrichtung der Basisstation ist deren Empfängerempfindlichkeit mit -104 dBm anzusetzen, wozu noch ein Gewinn von 4 - 6 dB bei Nutzung von Antennen-Diversity hinzukommt.

	Absorption und Körperverluste bei Mobiltelefonen Vorstellung von Meßmethoden und Ergebnissen bei 200 Personen mit unterschiedlichen Handytypen (pdf, 228 KB, Auszug aus dem FGF Newsletter 4.00)
Folgende beiden Unterlagen können (wie alle 3GPP Spezifikationen) von dem FTP-Server der 3GPP Homepage heruntergeladen werden:
	3GPP TR 03.30 Radio Network Planning Aspects U. a. Beschreibung der verschiedenen Zusatz-Dämpfungen
	TS 05.05 Radio transmission and reception Beschreibung der hochfrequenztechnischen Eigenschaften der GSM-Mobilfunkanlagen

 

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