Radio Theory — Теорія радіозв'язку для RFCP¶

Лінійно:              Логарифмічно (dB):
1                     0 dB
10                    10 dB
100                   20 dB
1,000                 30 dB
1,000,000             60 dB
1,000,000,000         90 dB

dB = 10 × log₁₀(P₂/P₁)     — для потужності
dB = 20 × log₁₀(V₂/V₁)     — для напруги/амплітуди

Зворотнє:
P₂/P₁ = 10^(dB/10)

Лінійно: 0.001 × 1000 × 0.5 × 100 = 50
В dB:    -30 + 30 - 3 + 20 = 17 dB ← просте додавання!

dBm = 10 × log₁₀(P_мВт / 1 мВт)

Приклади:
1 мВт     = 0 dBm
10 мВт    = 10 dBm
100 мВт   = 20 dBm
1 Вт      = 30 dBm
10 Вт     = 40 dBm
40 Вт     = 46 dBm   ← типова BS
100 Вт    = 50 dBm

      λ (довжина хвилі)
   ◄──────────────────►

   ┌─╮         ┌─╮         ┌─╮
   │  ╲       │  ╲       │  ╲
───┤   ╲──────┤   ╲──────┤   ╲────► напрямок поширення
   │    ╲    ╱│    ╲    ╱│
   │     ╲──╯ │     ╲──╯ │
   └──────────┴──────────┘

   ▲ амплітуда (сила сигналу)

c = f × λ

де:
c = швидкість світла ≈ 300,000,000 м/с (3×10⁸)
f = частота (Hz)
λ = довжина хвилі (м)

Звідси:
λ = c / f
f = c / λ

Низькі частоти (700-900 MHz):
├── Довша хвиля
├── Краще огинає перешкоди (дифракція)
├── Краще проникає в будівлі
├── Менші втрати у vegetation
└── Більший радіус покриття

Високі частоти (2100-2600 MHz):
├── Коротша хвиля
├── Гірше огинає перешкоди
├── Гірше проникає в будівлі
├── Більші втрати у vegetation
├── Менший радіус покриття
└── АЛЕ: більше bandwidth = швидший інтернет

Сигнал (голос/дані):
    ╭───╮       ╭─╮
────╯   ╰───────╯ ╰────  (гучно-тихо-гучно)

AM модуляція:
▓▓▓░░░▓▓▓░░░▓▓▓
█│█│░│░│█│█│░│░│█    ← великі піки = "гучно"
█│█│░│░│█│█│░│░│█    ← маленькі = "тихо"
▀▀▀───▀▀▀───▀▀▀

FM модуляція:
╭╮╭╮╭╮╭╮ ╭─╮ ╭─╮ ╭─╮ ╭╮╭╮╭╮╭╮
││││││││ │ │ │ │ │ │ ││││││││
╰╯╰╯╰╯╰╯ ╰─╯ ╰─╯ ╰─╯ ╰╯╰╯╰╯╰╯
▲▲▲▲▲▲▲▲           ▲▲▲▲▲▲▲▲
густо              рідко
(висока частота)   (низька)

Constellation diagram (кожна точка = унікальна комбінація біт):

QAM-16 (4 біти/символ):        QAM-64 (6 біт/символ):

    ●   ●   ●   ●              ●●●●●●●●
    ●   ●   ●   ●              ●●●●●●●●
    ●   ●   ●   ●              ●●●●●●●●
    ●   ●   ●   ●              ●●●●●●●●
                               ●●●●●●●●
   16 станів                   ●●●●●●●●
                               ●●●●●●●●
                               ●●●●●●●●

                               64 стани

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Site Cabinet                          │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │                    BBU                            │  │
│  │  (Baseband Unit — цифрова обробка)               │  │
│  │  • Модуляція/демодуляція                         │  │
│  │  • Кодування/декодування                         │  │
│  │  • Scheduling                                     │  │
│  │  • Зв'язок з Core Network                        │  │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘  │
│                         │                               │
│                         │ CPRI/eCPRI (оптика)          │
│                         │                               │
└─────────────────────────┼───────────────────────────────┘
                          │
                          │ До 300м
                          │
┌─────────────────────────┼───────────────────────────────┐
│                         ▼                               │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │                    RRU                            │  │
│  │  (Remote Radio Unit — радіо частина)             │  │
│  │  • DA/AD перетворення                            │  │
│  │  • Підсилення (PA)                               │  │
│  │  • Фільтрація                                    │  │
│  │  • Duplexer (TX/RX розділення)                   │  │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘  │
│                         │                               │
│                         │ RF кабель (feeder)           │
│                         │                               │
│                    ┌────┴────┐                         │
│                    │ Antenna │                         │
│                    └─────────┘                         │
│                       Tower                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

                    ┌─────────┐
                    │ Antenna │
                    └────┬────┘
                         │ короткий RF кабель (< 1м)
                    ┌────┴────┐
                    │   RRU   │ ← на щоглі, біля антени
                    └────┬────┘
                         │
                         │ Оптика (CPRI) — до 20 км!
                         │ Живлення -48V DC
                         │
                    ┌────┴────┐
                    │   BBU   │ ← в будівлі/контейнері
                    └─────────┘

Електромережа 220/380V AC
           │
           ▼
┌─────────────────────────┐
│      Випрямляч          │
│      (Rectifier)        │
│                         │
│  AC 220V → DC -48V      │
│                         │
│  Ефективність: ~95%     │
└───────────┬─────────────┘
            │
            ├──────────────────┐
            │                  │
            ▼                  ▼
    ┌───────────────┐  ┌───────────────┐
    │   Батареї     │  │     BBU       │
    │   -48V        │  │    ~200W      │
    │ (резерв 4-8h) │  └───────────────┘
    └───────────────┘          │
                               │
                               ▼
                       ┌───────────────┐
                       │     RRU       │
                       │   ~500-1000W  │
                       └───────────────┘

Історичні причини:
├── Телефонні станції використовували -48V з 1900-х
├── Мінус на "плюсі" — захист від електрохімічної корозії кабелів
└── 48V — безпечно для людини (< 60V)

Технічні причини:
├── 4 × 12V батареї = 48V (зручно)
├── Достатньо для передачі на 100+ метрів
├── I = P/V → менший струм ніж при 12V → тонші кабелі
└── Стандарт індустрії — все обладнання сумісне

-48V DC вхід (~800W)
       │
       ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                        RRU                            │
│                                                       │
│   ┌─────────────┐                                    │
│   │   DC-DC     │   -48V → різні напруги             │
│   │  Converter  │   • 28V для PA                     │
│   │             │   • 5V для логіки                  │
│   │   η ≈ 95%   │   • 3.3V для цифрової частини     │
│   └──────┬──────┘                                    │
│          │                                           │
│          ├────────────────────┐                      │
│          │                    │                      │
│          ▼                    ▼                      │
│   ┌─────────────┐     ┌─────────────┐               │
│   │   Digital   │     │     PA      │               │
│   │  Processing │────►│   (Power    │               │
│   │   (FPGA)    │     │  Amplifier) │               │
│   │    ~50W     │     │   ~600W     │               │
│   └─────────────┘     └──────┬──────┘               │
│                              │                       │
│                              │  η ≈ 25-35%          │
│                              │                       │
│                              ▼                       │
│                      RF вихід ~150W                  │
│                      (решта → тепло!)               │
│                                                      │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

PA — найбільший споживач енергії і джерело тепла!

Вхід PA: ~600W DC
Вихід PA: ~150W RF (корисна потужність)
Втрати: ~450W → ТЕПЛО

Ефективність:
η = P_rf / P_dc = 150W / 600W = 25%

Сучасні GaN транзистори: до 35-40%

Принцип роботи транзистора як підсилювача:

     28V DC живлення
           │
           │
    ┌──────┴──────┐
    │             │
    │   ┌─────┐   │
    │   │ GaN │   │
    │   │ FET │   │
    │   └──┬──┘   │
    │      │      │
    └──────┼──────┘
           │
    ───────┼──────────────►
           │              RF вихід (46 dBm)
    ◄──────┘
    RF вхід (0 dBm)

Транзистор працює як "кран":
• Маленький вхідний RF сигнал керує великим струмом від DC джерела
• DC енергія перетворюється в RF енергію
• Gain = 46 dB (вхід 1 мВт → вихід 40 Вт)

TX: Електричний сигнал → Антена → Радіохвиля
RX: Радіохвиля → Антена → Електричний сигнал

Випромінює рівномірно в усі боки (сфера):

            ·  ·  ·
          ·        ·
         ·    🔴    ·     ← антена в центрі
          ·        ·
            ·  ·  ·

Gain = 0 dBi (reference point)
Не існує фізично, але використовується для порівняння

Omni (всенаправлена):
─────────────────────

        │ слабко
      ──┼──
     ·  🔴  ·     ← сильно з боків (горизонтально)
      ──┼──
        │ слабко

Gain: 2-8 dBi
Beamwidth: 360° (горизонталь)
Використання: малі соти, indoor


Секторна:
─────────
                  ·  ·
         🔴 ────────────►   ← основний промінь
                  ·  ·

Gain: 15-18 dBi
Beamwidth: 65° або 90° (горизонталь)
Використання: macro сайти (зазвичай 3 сектори по 120°)


Параболічна (dish):
───────────────────

         🔴 ════════════════►  ← дуже вузький промінь

Gain: 20-35 dBi
Beamwidth: 3-10°
Використання: радіорелейні лінії (point-to-point)

15 dBi означає:
"В напрямку максимуму сигнал в 31.6 разів сильніший
ніж від ізотропної антени з тією ж потужністю"

Розрахунок: 10^(15/10) = 31.6

Але в інших напрямках сигнал СЛАБШИЙ.
Загальна енергія однакова — просто сфокусована.

Візуалізація:

Ізотропна (0 dBi):        Секторна (15 dBi):
      ╱│╲                         │
     ╱ │ ╲                        │
    ╱  │  ╲                   ────┼────────────►
   ╱   │   ╲                      │
  ╱────●────╲                     │
   ╲   │   ╱                      
    ╲  │  ╱                 
     ╲ │ ╱                  
      ╲│╱                   

Однакова площа (енергія),     
різна форма

EIRP = TX Power + Antenna Gain - Cable Loss

Приклад:
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                                                  │
│   Радіомодуль          Кабель         Антена    │
│   ┌────────┐         ┌───────┐      ┌───────┐  │
│   │ TX     │         │ Loss  │      │ Gain  │  │
│   │ 46 dBm │────────►│ -2 dB │─────►│+15 dBi│──┼──► EIRP
│   └────────┘         └───────┘      └───────┘  │
│                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────┘

EIRP = 46 dBm + 15 dBi - 2 dB = 59 dBm

59 dBm = 794 Вт еквівалентної потужності!

P_rx = P_tx + G_tx - L_tx_cable - L_path - L_other + G_rx - L_rx_cable

Де:
P_rx       = Потужність на приймачі (RSRP)
P_tx       = Потужність передавача
G_tx       = Gain TX антени
L_tx_cable = Втрати в TX кабелі
L_path     = Path Loss (основні втрати)
L_other    = Додаткові втрати (buildings, vegetation, rain)
G_rx       = Gain RX антени (для телефону ≈ 0 dBi)
L_rx_cable = Втрати в RX кабелі (для телефону ≈ 0)

RSRP = EIRP - Path Loss - Additional Losses

RSRP = (TX Power + TX Antenna Gain - TX Cable Loss) - Path Loss - (Building + Vegetation + ...)

Дано:
• TX Power: 46 dBm
• TX Antenna Gain: 15 dBi
• TX Cable Loss: 2 dB
• Frequency: 800 MHz
• Distance: 5 km
• Environment: Rural
• Antenna Height: 30 m

Розрахунок:

1. EIRP = 46 + 15 - 2 = 59 dBm

2. Path Loss (Okumura-Hata):
   L = 69.55 + 26.16×log(f) - 13.82×log(h) + (44.9-6.55×log(h))×log(d)
   L = 69.55 + 26.16×log(800) - 13.82×log(30) + (44.9-6.55×log(30))×log(5)
   L ≈ 125 dB

3. RSRP = 59 - 125 = -66 dBm

Результат: -66 dBm = EXCELLENT сигнал! ✅

     TX                                              RX
    46 dBm                                        -66 dBm
      │                                              ▲
      │  +15 dBi (antenna)                          │
      ▼                                              │
    61 dBm                                          │
      │                                              │
      │  -2 dB (cable)                              │
      ▼                                              │
    59 dBm ═══════════════════════════════════► -66 dBm
                        │
                        │ -125 dB (path loss)
                        │
                   Повітря, 5 км
                   Terrain
                   Vegetation

FSPL = 20×log₁₀(d) + 20×log₁₀(f) + 20×log₁₀(4π/c)

Спрощено:
FSPL(dB) = 20×log₁₀(d_km) + 20×log₁₀(f_MHz) + 32.45

Приклад (800 MHz, 5 km):
FSPL = 20×log(5) + 20×log(800) + 32.45
FSPL = 14 + 58 + 32.45 = 104.45 dB

L = 69.55 + 26.16×log(f) - 13.82×log(hb) - a(hm) + (44.9-6.55×log(hb))×log(d)

Де:
f  = частота (MHz)
hb = висота BS антени (м)
hm = висота UE антени (м)
d  = відстань (км)
a(hm) = корекція для висоти UE

L = 46.3 + 33.9×log(f) - 13.82×log(hb) - a(hm) + (44.9-6.55×log(hb))×log(d) + C

C = 0 dB (suburban)
C = 3 dB (urban)

RFCP автоматично вибирає модель:

┌─────────────────────────────────────────────┐
│ Frequency        │ Model                     │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ < 150 MHz        │ ITU-R P.1546 / Longley-Rice │
│ 150 - 1500 MHz   │ Okumura-Hata              │
│ 1500 - 2000 MHz  │ COST-231 Hata             │
│ > 2000 MHz       │ COST-231 / Free Space     │
└─────────────────────────────────────────────┘

+ Додаткові втрати:
  • Terrain diffraction (knife-edge)
  • Building penetration
  • Vegetation loss
  • Reflection gains

                    Пряма хвиля
Передавач ─────────────────────────────────► Приймач
    │                                           ▲
    │          Відбиття від будівлі             │
    └──────────────────┐                        │
                       │                        │
                  ┌────┴────┐                   │
                  │ Будівля │───────────────────┘
                  └─────────┘

                       │
    └──────────────────┘
           Відбиття від землі

λ = довжина хвилі

Дві хвилі з різницею шляху ΔL:

Якщо ΔL = n×λ (ціле число хвиль):
→ Хвилі В ФАЗІ → Підсилюють одна одну! 📈

Якщо ΔL = (n+0.5)×λ (півхвилі):
→ Хвилі в ПРОТИФАЗІ → Гасять одна одну! 📉

В ФАЗІ (peaks співпадають):

Хвиля 1:  ╭─╮   ╭─╮   ╭─╮
          │  ╲_╱  ╲_╱  │
Хвиля 2:  ╭─╮   ╭─╮   ╭─╮
          │  ╲_╱  ╲_╱  │
          ─────────────────
Сума:     ╭─╮   ╭─╮   ╭─╮    ← 2x сильніший сигнал!
         ╱   ╲_╱   ╲_╱   ╲


ПРОТИФАЗА (peaks vs valleys):

Хвиля 1:  ╭─╮   ╭─╮   ╭─╮
          │  ╲_╱  ╲_╱  │
Хвиля 2:    ╲_╱   ╲_╱   ╲_   ← зсунута на λ/2
          ─────────────────
Сума:     ──────────────────  ← сигнал = 0!

800 MHz: λ = 37.5 см
  • Протифаза: ΔL = 18.75 см, 56.25 см, 93.75 см...
  • В фазі: ΔL = 37.5 см, 75 см, 112.5 см...

2100 MHz: λ = 14.3 см
  • Протифаза: ΔL = 7.15 см, 21.45 см, 35.75 см...
  • В фазі: ΔL = 14.3 см, 28.6 см, 42.9 см...

На вищій частоті "смуги" фази/протифази густіші!

Через multipath сигнал постійно змінюється:

Сигнал
  │
-60│    ╭─╮         ╭───╮
-70│╭───╯ ╰─╮   ╭───╯   │    ╭──
-80││       ╰───╯       ╰────╯
-90│╯
   └──────────────────────────────► час

   Fast fading — швидкі зміни (мілісекунди)
   Slow fading — повільні зміни (секунди)

RSRP (Reference Signal Received Power):
• Потужність reference сигналу
• Вимірюється на конкретних RE (Resource Elements)
• Діапазон: -140 до -44 dBm
• Головний показник coverage

RSSI (Received Signal Strength Indicator):
• Загальна потужність в каналі
• Включає сигнал + шум + інтерференцію
• Менш точний ніж RSRP

RSRQ (Reference Signal Received Quality):
• RSRQ = N × RSRP / RSSI
• N = кількість RB
• Показує якість відносно шуму
• Діапазон: -20 до -3 dB

dB ↔ Ratio:
dB = 10 × log₁₀(P₂/P₁)
Ratio = 10^(dB/10)

dBm ↔ mW:
dBm = 10 × log₁₀(P_mW)
P_mW = 10^(dBm/10)

dBm ↔ W:
P_W = 10^((dBm-30)/10)

λ = c / f = 300 / f_MHz [метри]

RSRP = TX_Power + TX_Gain - Cable_Loss - Path_Loss - Other_Losses + RX_Gain

FSPL = 32.45 + 20×log₁₀(d_km) + 20×log₁₀(f_MHz) [dB]

EIRP = TX_Power + Antenna_Gain - Cable_Loss [dBm]