MABB:TVWS

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WLAN im TV-Whitespace im Testbetrieb

Mehr Frequenzspektrum mit größerer Reichweite für die digitalen Commons durch die digitale Dividende. Dokumentation des TV-Whitespace-Experiments in Berlin-Friedrichshain auf 482 MHz.

Einleitung

Durch die Digitalisierung des Fernsehens steht ungenutztes UHF-Spektrum zur Verfügung, das sich glänzend für schnelle Breitbandkommunikation in der Fläche eignet. Standorte, zu deren Versorgung Funkstrecken die Vegetation durchqueren müssen, profitieren von der größeren Wellenlänge. Noch bestehende Lücken in der Breitbandversorgung lassen sich so leichter und preiswerter schließen. Die Berliner Freifunker und die MABB erproben und evaluieren die Eigenschaften von WLAN-Nutzung im UHF-Frequenzbereich. Dazu führt der Verein Freie Netzwerke e.V. den Pilotbetrieb mit frequenzkonvertierten WLAN-Geräten nach dem IEEE Standard 802.11n im UHF-Frequenzspektrum durch.

Präsentation verfügbar

Die "Directors cut"-Version der Freifunk-TVWS-Präsentation von der re:publica, WCW2015, Battlemesh V8, Chaos Camp 2015, "Das ist Netzpolitik #11", MABB mit zusätzlichen Slides and Commentaren (in English).

"Directors cut" of the TVWS presentation from re:publica, WCW2015, Battlemesh V8, Chaos Camp 2015, "Das ist Netzpolitik #11", MABB with additional slides and comments in English.

TVWS Presentation (English)

Bi-Quad und TVWS-Prototyp

Rechtliches

Durch die Unterstützung der MABB hat Freifunk eine Lizenz von der Bundesnetzagentur (BNetzA) für den Pilotbetrieb von Freifunk-Knoten bei 482 MHz (UHF-Band, 62cm Wellenlänge) erhalten. Die Lizenz läuft bis 31.12.2015 und erlaubt die Erprobung und Evaluation von WLAN auf drei zur Zeit in Berlin ungenutzten UHF-Fernsehkanälen (K21, K22, K23). Die Lizenz gilt für den Betrieb in Friedrichshain, für einen Bereich bis zu 5 km Abstand in Richtung Norden von der Zwingli-Kirche. Die Sendeleistung ist beschränkt auf 4 Watt EIRP (Äquivalente Strahlungsleistung in der Hauptstrahlrichtung der Antenne). Es wäre toll, wenn es langfristig einen lizenzfreien Bereich von 100 MHz Breite in diesem Bereich für Breitbandkommunikation gäbe, ähnlich der Situation im 5 GHz-Band.

Technisches

Die drei verwendeten UHF-Kanäle sind jeweils – wegen des mittlerweile obsoleten PAL-Standards – 8 MHz breit und grenzen direkt aneinander an. Daraus ergibt sich ein 3 * 8 MHz = 24 MHz breites zusammenhängendes Band mit einer Mittenfrequenz von 482 MHz, das mehr als ausreichend ist, um einen 20 MHz breiten WLAN-Kanal unterzubringen.

Preiswerte WLAN-Hardware für den Einsatz im UHF-Band ist bislang Mangelware. Zum Einsatz kommen daher modifizierte Versionen eines handelsüblichen WLAN-Routers (Dragino MS14, wird auch als Mesh Potato 2.0 verkauft).
Dragino MS14
Zu diesem Zweck werden die Dragino MS14 für den Betrieb im UHF-Band mit einem nachgeschalteten Frequenzkonverter umgerüstet, den wir selbst entwickelt haben.
TVWS-Prototypen
Auch wenn wir nur einen oder zwei PAL-Kanäle zur Verfügung hätten, könnten wir die von uns entwickelte Technik einsetzen, da OpenWRT mit dem ath9k-Treiber auch WLAN-Kanäle mit 5 MHz, bzw 10 MHz Modulationsbandbreite erlaubt. Zur Unterdrückung von 2.4 GHz-Signalen sind die Geräte in ein HF-dichtes Blechgehäuse eingebaut.


Die WLAN-Router laufen unter dem Betriebssystem OpenWRT und wurden um einige Softwaretools zur Steuerung des Frequenzkonverterboards erweitert.

Im Sendefall wird bei unseren Versuchen das 20 MHz breite Signal von einem WLAN-Kanal mit einem quarzstabilisierten Mischsignal heruntergemischt. Das Ausgangsprodukt ist das selbe WLAN-Signal, das nun bei der niedrigeren Mittenfrequenz von 482 MHz erscheint (Kanalmitte von UHF-TV-Kanal 22). Das Sendesignal wird durch Filter von unerwünschten Mischprodukten befreit und anschließend verstärkt. Der gleiche Prozess findet in umgekehrter Richtung im Empfangsfall statt, nur wird hier von einer niedrigen Frequenz auf eine hohe Frequenz gemischt.
2.4 GHz-Signal vor der Frequenzkonvertierung
482 MHz-Signal nach der Frequenzkonvertierung

Es stehen die Modulationsbandbreiten 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz und 40 MHz (entsprechend 25%, 50%, 100% und 200% der WLAN-Kanalbandbreite) zur Verfügung. Für 40 MHz Modulationsbandbreite - bei entsprechend doppelter Datenrate – werden zwei benachbarte WLAN-Kanäle parallel verwendet, dazu müsste man 5 freie, benachbarte PAL-Kanäle verwenden, die hier in Berlin nicht zur Verfügung stehen. Bei halber/viertel Kanalbreite halbiert/viertelt sich auch die Datenrate.

Der WLAN-Standard IEEE 802.11n stellt pro Kanal unterschiedliche Datenraten von 1 Mbs bis 72.2 Mbs zur Verfügung (Mbs: Megabit pro Sekunde). An der gerade-noch Reichweitengrenze arbeiten die Geräte bei 1 Mbs. Bei sehr guter Verbindung – unter Idealbedingungen – liegt die maximale Bandbreite von 72.2 Mbit an. Zu berücksichtigen ist, dass es sich bei diesen Werten um die Bruttodatenraten handelt, die ganz erheblich von der Nettodatenraten abweichen. Durch die Art der drahtlosen Übertragung im Halb-Duplex-Modus und den Overhead an Protokolldaten auf den verschiedenen Transportschichten (im MAC-Layer des WLANs und TCP/IP) beträgt die Nettodatenrate maximal etwa 40-45% der Bruttodatenrate. Interessant erscheint uns auch der Betrieb mit halber/geviertelter Modulationsbandbreite.

Perspektive: Erweiterung des Konverters mit MIMO-Technik

Interessant an der Technologie von 802.11n ist eine Erweiterung, die sich MIMO nennt. MIMO steht für Multiple Input/Multiple Output. Damit gemeint ist die Möglichkeit mehrere Sender und Empfänger parallel auf dem gleichen Funkkanal zu verwenden, die an entsprechend viele Antennen angeschlossen werden, die räumlich voneinander getrennt sind. Es gibt MIMO-Geräte auf dem Markt mit zwei Sendern und zwei Empfängern (Doppelter Datenstrom = Dual-Stream), drei Sendern und drei Empfängern, bis zu maximal vier. Dank moderner Computertechnik können die Geräte anhand der Laufzeitunterschiede der Signale diese parallelen Datenströme auswerten. Das ist ziemlicher Voodoo auf den hier nicht weiter eingegangen werden soll. Der von uns für die Experimente eingesetzte WLAN-Router Dragino MS14 unterstützt die MIMO-Technologie nicht, er besitzt nur einen Sender/Empfänger. Prinzipiell kann das Frequenzkonverterkonzept aber auch auf MIMO-Geräte angewendet werden.

Erste praktische Erfahrungen

Erster Test

Standort A ist der erste TV-Whitespace-Router auf der Zwinglikirche mit einer Bi-Quad-Antenne vor einer Reflektorwand (10 dBi = 7,85 dBd Gewinn) mit vertikaler Polarisation. Senderausgangsleistung 100 mW = 20dBm, entsprechend EIRP = 30dBm. Die Antenne ist nicht hinter einem Fenster plaziert, da die Fensterplätze bereits mit den 2.4 GHz und 5 GHz Routern belegt sind. Stattdessen funkt die UHF-Antenne direkt durch die Holzwand des Kirchturms. Nach unserer Einschätzung ist die Dämpfung durch die Holzwand zu vernachlässigen.
UHF-Antenne auf der Zwingli-Kirche


Standort B befindet sich 2 Meter über dem Boden in einer Senke mit einem simplen Dipol (2,15 dBi = 0 dBd Gewinn) mit vertikaler Polarisation. Senderausgangsleistung 100 mW = 20dBm, entsprechend EIRP 22,15 dBm
Haben wir eine freie Sichtlinie zur Gegenstelle? Nein...

Zwischen den beiden Standorten A und B befindet sich dichter Bewuchs im besten Saft des Frühlings – viele Büsche und Bäume versperren die Sicht und die Fresnelzone. Ausserdem geht ein Maschendrahtzaun quer durch die Fresnelzone erster Ordnung. Des weiteren befindet sich ein großer Bauwagen aus Aluminiumblech mit einem aufgerichteten Array von Solarmodulen ebenfalls mitten in der Fresnelzone zur Kirche, die wegen des Bewuchses nichts zu sehen ist.

Die TVWS-Geräte verbinden sich. Standort A zeigt eine Datenrate von 1-5.5 Mbit an. Zur Zeit ist der Link noch stark unidirektional, da dem Gerät an Standort B noch ein paar Modifikationen fehlen, die die Empfangsleistung des Empfängers wesentlich steigern, die das TVWS-Gerät auf der Zwingli-Kirche schon hat. Standort A sieht Standort B mit -80dBm, obwohl Standort B nur eine einfache "Stummelantenne" hat.

Mit 2.4 GHz wäre eine Verbindung unter derartig ungünstigen Bedingungen nicht möglich. Bei 5 GHz würden die Störungen in der Sichtlinie noch viel massiver dämpfen.

Besondere Eigenschaften der Dezimeterwellen des UHF-Bandes

Bessere Trennung von Polarisationsebenen

Im UHF-Band lassen sich Funkübertragungen durch unterschiedliche Polarisationsebenen besser voneinander isolieren als bei 12 cm (2.4 GHz) und 6 cm (5 GHz). Prinzipiell empfängt eine horizontal polarisierte Antenne ein vertikal polarisiertes Signal stark gedämpft (theoretisch um den Faktor 100 = 20 dB abgeschwächt) – und umgekehrt. Mikrowellen werden aber durch sehr viele Objekte im Raum gebrochen oder gespiegelt. Dabei ändert sich die Polarisationsebene. An der Empfangsantenne trifft im Mikrowellenbereich daher in der Praxis eher selten eine Wellenfront mit einer eindeutigen linearen Polarisationsebene auf. Im UHF-Bereich ist das anders. Auch wenn das Signal durch die Äste eines Baumes passiert ist, ist die Polarisation immer noch bedeutend stärker linear in der selben Polarisationsebene. Das konnten wir beim Testen der Bi-Quad gegen die Dipolantenne feststellen. Dreht man die Bi-Quad um 90 Grad von vertikale auf horizonale Polarisation ist der Link sofort weg. Das ist von Vorteil für den Parallelbetrieb von mehreren Netzwerken auf der gleichen Frequenz oder für die Diversität von MIMO-Antennensystemen: Sind die Polarisationsebenen linear um 90 Grad gedreht oder zirkular gegenläufig (linksdrehende gegen rechtsdrehende Polarisation) lassen sich die Systeme besser voneinander isolieren, d.h. sie stören sich weniger gegenseitig.

Bevorzugte Polarisationsebene

Lineare horizontale Polarisation oder zirkulare Polarisation ist bei Dezimeterwellen von Vorteil, wenn man quer durch die Botanik funken will. Büsche und Bäume sind durch ihre Feuchtigkeit in gewissem Umfang elektrisch leitend. Da sie tendenziell eher in die Höhe wachsen, wirken sie für vertikal polarisierte Wellenfronten stärker als Antennen, die die Sendeenergie in den Boden leiten, als für horizontal polarisierte Wellenfronten. Entsprechend ist die Dämpfung vertikaler Wellen in der Botanik etwas stärker. Da wir bei den mobilen Knoten einfache, senkrecht aufgerichtete Dipole als Rundstrahlantennen verwenden wollen, haben wir bei der Antenneninstallation auf der Zwingli trotzdem die lineare, vertikale Polarisationsebene gewählt.



Verweise und aktuelle Forschung

Edward W. Knightly von der RICE University, Houston, Texas, USA forscht schon seit mehreren Jahren an dem Thema TVWS Radios. An seinem Institut sind unter anderem auch arbeiten zum Multi-User MIMO im TVWS Bereich entstanden.

  • Liste der Publikationen der RICE Networks Group (RNG): [1]
  • Liste der Publikationen von Edward W. Knightley (möglicherweise überlappend zu 1): [2]
  • Teile der entwickelten Technologie werden in einem staatlich geförderten Sozialprojekt zur Anwendung gebracht. [3]
  • Wikipedia Artikel (en) zur TVWS Technik [4]
  • Auch das deutsche Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht offensichtlich auf diesem Gebiet [5]
  • Carlsson Wireless Technologies ist ein Anbieter für TVWS Hardware aus den USA [6]


Fußnote: Verfügbare Datenraten nach IEEE 802.11b und IEEE 802.11n: 1Mbs, 2Mbs, 5.5Mbs, 6.5Mbs, 7.2Mbs, 11Mbs, 13Mbs, 14.4Mbs, 19.5Mbs, 21.7Mbs, 26Mbs, 28.9Mbs, 36Mbs, 39Mbs, 43.3Mbs, 52Mbs, 57.8Mbs, 58.5Mbs, 65Mbs, 72.2Mbs bei 100% der WLAN-Kanalbandbreite. Man könnte auch die Datenraten nach IEEE 802.11g erzwingen, diese wären aber eine Verschlechterung gegenüber 802.11n. Bei 25% beziehungsweise 50% Kanalbandbreite viertelt, beziehungsweise halbiert sich die Bandbreite.