Ein Viewshed für Funk: LOS vs. RF

Waveshed hat zwei Modi, und sie beantworten zwei grundverschiedene Fragen. LOS (Sichtlinie) ist ein Viewshed. Er zeigt, was von einem Punkt aus sichtbar ist. RF zeigt, wohin das Signal eines Senders wirklich reicht und wie stark es ankommt. Auf der Karte sehen beide oft ähnlich aus. Dasselbe sind sie aber nicht. Mit der richtigen Wahl fällt auch die Antwort anders aus.

Derselbe Hügel, zwei Fragen

Hier ein Sender auf dem Mount Rigi, zweimal gerechnet. Sonst bleibt alles gleich: ein Mast von 30 m, ein Empfänger auf 2 m, 30 km Reichweite, voller Kreis. Zwischen den beiden Karten ändert sich nur eines, nämlich die Frage, die wir stellen.

Zwei Dinge fallen sofort auf. Die RF-Karte ist abgestuft, die LOS-Karte kennt nur Ja oder Nein. Und die RF-Karte deckt mehr Boden ab, mit weicheren Rändern. Das ist kein Rauschen. Funk beugt sich über Grate und um sie herum. Er dringt also in Gelände vor, das die strenge Sichtlinie nie berührt. Und er schwächt sich mit der Entfernung ab, statt an einer harten Kante abzubrechen. Im Rest des Beitrags geht es darum, warum das so ist und welche Karte Sie wirklich brauchen.

LOS: reine Geometrie

Ein Viewshed ist Geometrie, sonst nichts. Führt von Ihrem Standpunkt eine freie, gerade Sichtlinie zu einem Punkt? Gelände und Erdkrümmung zählen dabei mit. Wenn ja, liegt der Punkt in Ihrem Viewshed. Aus dieser Einfachheit ergeben sich drei Dinge:

• Er ist schnell, denn pro Punkt ist nur ein geometrischer Test nötig.
• Er ist frequenzunabhängig. Einem Viewshed ist es gleich, ob Sie auf 100 MHz oder 10 GHz funken. Es geht um Sicht, nicht um Signal.
• Er braucht weder Leistung noch Frequenz. „Was sehe ich von diesem Gipfel aus?“ ist für sich genommen schon eine vollständige Frage.

Damit ist LOS das richtige Werkzeug für Aussichtspunkte, optische Verbindungen und Laserstrecken, für das Ausrichten von Richtfunkschüsseln und für die schnelle Frage, ob sich zwei Stellen gegenseitig sehen. Und es ist die ehrliche Antwort für Wanderer, Vermesser und Fotografen, die nach der Sicht fragen, nicht nach dem Funk.

RF: Geländephysik, in dBm

Der RF-Modus schätzt die Pfaddämpfung ab. Daraus sagt er die empfangene Signalstärke voraus. Das Modell der Wahl ist ITM, das Irregular Terrain Model, besser bekannt als Longley-Rice. Für geländebegrenzte Abdeckung ist ITM seit Jahrzehnten der Standard. Statt eines bloßen Ja oder Nein rechnet es die Beugung über das Gelände und um es herum mit. Für jeden Punkt im Raster liefert es eine Zahl, einen vorhergesagten Signalpegel in dBm. Genau deshalb ist die RF-Karte oben abgestuft. Und deshalb zeigt sie auch dort Abdeckung, wo keine strenge Sichtlinie besteht.

Damit er rechnen kann, geben Sie zwei Dinge an, die ein Viewshed nie braucht: eine Frequenz und eine Sendeleistung. Dazu stellen Sie die Antennenhöhen ein und einen minimal nutzbaren Signalpegel. Das ist die Schwelle, ab der die Karte dunkel wird. Die schwarzen Flächen in der Rigi-Karte liegen darunter. Free Space Path Loss, eine einfachere Schätzung nur aus Distanz und Frequenz, ist als zweites RF-Modell in Arbeit. Wie die Einstellungen im Einzelnen funktionieren, lesen Sie unter Funkabdeckung planen.

Die Frequenz verändert das Bild

Zur Frequenz gibt es im Viewshed nichts Vergleichbares. Und sie verschiebt die Antwort erheblich. Zwei Effekte sind dabei am wichtigsten. Erstens: die Pfaddämpfung wächst mit der Frequenz. Selbst im Freien verliert ein höheres Band über dieselbe Strecke mehr Energie. Bei gleicher Leistung und gleichem Gelände kommt es also schlicht nicht so weit. (Die Freiraumdämpfung steigt mit jeder Verdopplung der Frequenz um rund 6 dB.) Zweitens: höhere Frequenzen beugen sich weniger. Niedrige Frequenzen biegen sich über Grate und um sie herum und füllen die Schatten auf. Hohe Frequenzen verhalten sich eher wie Licht. Sie werfen härtere, schärfere Schatten. Ihre Fresnel-Zone ist kleiner, sie brauchen also einen freieren Pfad.

Derselbe Sender zeichnet je nach Band also eine ganz andere Karte. Hier noch einmal der Mount Rigi, gleiche 100 W, gleiche Höhen, gleiche Reichweite. Einmal bei 121 MHz (VHF) und einmal bei 9 GHz (Mikrowelle):

Bei 9 GHz reicht das Signal etwa bis zur Sichtlinie und kaum darüber hinaus. Genau deshalb brauchen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Mikrowellenbereich einen freien Pfad. Und genau deshalb sind VHF und UHF die Arbeitspferde für geländebegrenzte Abdeckung, etwa bei Repeatern und Handfunkgeräten. Rechnen Sie mit dem Band, das Ihr System wirklich nutzt. Es verändert die Karte.

Der Horizont liegt nicht da, wo Sie ihn vermuten

Licht und Funk haben nicht denselben Horizont. Die Atmosphäre lenkt Funk leicht nach unten ab. Sein effektiver Horizont liegt also etwas weiter draußen als der optische. Üblicherweise modelliert man das über den effektiven 4/3-Erdradius. Im Höhenprofil-Werkzeug sehen Sie beide nebeneinander. Den optischen Strahl auf der echten Erde. Und den Funkstrahl auf der 4/3-Erde, der ein Stück weiter reicht.

Eine zweite Sache zählt für den Funk, für die Sicht aber nicht: die Fresnel-Zone. Eine Funkverbindung will mehr als nur eine Sichtlinie. Sie will Platz rund um diese Linie. Als Faustregel hält man die erste Fresnel-Zone zu mindestens 60 Prozent frei (der erste Fresnel-Radius ist F1 = 547,7 × √(d1·d2 / (f·D)), mit Distanzen in km und Frequenz in MHz). Das Profil-Werkzeug legt diese 0,6-Fresnel-Hülle schattiert darüber. So markiert es ein Hindernis, das eine reine LOS-Prüfung einfach durchwinken würde.

Welche nehmen Sie nun?

Kurz gesagt: LOS beantwortet die Frage nach der Sichtbarkeit, RF die nach der Abdeckung. Sobald eine Frequenz für Ihre Frage eine Rolle spielt, brauchen Sie RF.

Was beide Modi nicht wissen

Beide Modi arbeiten mit globalen Geländedaten von rund 30 m. Und beide modellieren den Boden, nicht das, was darauf steht. Einzelne Bäume, Bewuchs und die meisten Gebäude tauchen nicht auf. (Gebäudegrundrisse lassen sich als massive Blöcke einrechnen. Reflexionen und Beugung um sie herum bleiben aber außen vor.) Antennen sind einfache Punkte, ohne Richtcharakteristik. Sehen Sie jedes Ergebnis deshalb als Schätzung für die Planung, nicht als Garantie. Und prüfen Sie die Grenzfälle vor Ort nach. Mehr dazu in Genauigkeit & Datenquellen.

Probieren Sie es an Ihrem eigenen Hügel aus

Setzen Sie einen Punkt und starten Sie LOS. Wechseln Sie dann auf RF und sehen Sie, wie dieselbe Stelle beide Fragen beantwortet. Das ist kostenlos und läuft im Browser. Und falls Sie sich fragen, woher der Name kommt: das ist eine Geschichte für sich, nachzulesen in warum wir es Waveshed nannten.