6cm-Richtfunkverbindung DK0SG - DK5EC


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Breitbandanbindung Club-Heim G25 mit preiswerten WLAN-und Sperrmüll-Komponenten

Autor: Karl, DK5EC, dk5ec @ darc.de

 

Motivation

Amateurfunk und Internet sind in den letzten Jahren doch erheblich zusammengewachsen. Einige Funkbetriebsarten wie WSPR, Echolink oder EME/WSJT sind ohne Internet gar nicht möglich. Auch die traditionellen analogen Betriebsarten werden vom Internet unterstützt, z.B. DX-Cluster, QRZ.COM etc. Desto mehr vermissen wir seit einigen Jahren einen Internetanschluss in unserem Clubheim in Sandscheid. Teilweise behelfen wir uns mit den neuen USB-Sticks, die einen Internetzugang mit EDGE/UMTS/HSDPA über einen GSM-Provider ermöglichen, deren Preise inzwischen erheblich gesunken sind. Aber auch hiermit war vom abgelegenen Clubheim kaum zuverlässiger Betrieb möglich, da kein Provider für den zuverlässigen Datenbetrieb ausreichende Feldstärken lieferte. Somit entstand die Idee, eine Breitbandanbindung über eine Richtfunkstrecke zu einem unserer Club-Mitglieder zu ermöglichen.

Angespornt vom IGFS-Vorsitzenden Heinz, DD9KA, der mir vom Ölberg-Relaisbetreiber Jochen Berns, DL1YBL, höchst interessante WLAN/WiFi-Komponenten des Systems Motorola Canopy (5-6 GHz) zu Testzwecken besorgte, bauten wir eine Versuchsstrecke zwischen DK5EC und DD9KA auf. Die Canopy-Geräte sind WLAN Ethernet Bridges, die alle notwendigen Bauteile in einem Gehäuse integriert haben, d.h. LAN-Anschluss, Antenne und Sende/Empfänger. Die Ausgangsleistung beträgt nur 100 mW (legale Obergrenze) und einen Antennengewinn von 6 dBi. Hiermit konnten wir die 2 km Sichtverbindung überbrücken, die allerdings bei starkem Regen zusammenbrach. Auf jeden Fall war ich beeindruckt von der Kompaktheit des Gerätes und der Vielfalt der Funktionen. Die Geräte mussten wir leider wieder an Jochen zurückgeben.

Heinz gab mir den Tipp, mal auf der Seite von Ubiquiti nachzuschauen. Dort fand ich eine Riesenauswahl von WiFi- bzw. Richtfunk-Komponenten, die zumindest laut Spezifikation den Motorola-Komponenten in nichts nachsstanden. Als ich dann noch bei den deutschen Händlern die äußerst niedrigen Preise erfuhr, habe ich mir gleich 2 Geräte Ubiquiti NanoStation5 LoCo für nur schlappe € 55.- pro Stück bestellt, sozusagen für den privaten Gebrauch zum Basteln. Dieses No-Name-Produkt konnte ich mir locker von meinem mageren Rentner-Taschengeld noch leisten, und wenn es wirklich nichts taugen sollte, so hätte ich das noch verschmerzen können.

 

Erste Inbetriebnahme der Hardware

2 Tage später kam ein sehr kleines Päckchen mit der Post an. Zuerst ärgerte ich mich, da ich glaubte, der Händler hätte mir nur 1 Gerät geschickt. Nein, es waren tatsächlich 2 komplette Systeme mit zusätzlicher PoE-Stromversorgung. Letzteres Power-over-Ethernet-Modul ermöglicht die Energieversorgung des außen anzubringenden Gerätes über das LAN-Kabel.

NanoStation5 LoCo

Die Außenmaße der NanoStation betragen 13 x 8 x 3 cm, mit einem Fliegengewicht von nur 180 g. Das linke Bild zeigt das Gerät in Strahlrichtung, mit dem Rechteck hinter dem blauen Symbol ist etwa die Antennenfläche (s.u.) zu erkennen. Die Antenne soll gleich 13 dBi Gewinn bringen. In der mittleren Seitenansicht ist die Halterung für einen Rohrmast zu sehen. Auf der Rückseite (rechtes Bild) ist eine LED-Zeile für Statusanzeigen zu erkennen, wo man die Stati Stromversorgung, LAN-Anschluss sowie Empfangsfeldstärke ablesen kann. Den unteren Deckel kann man öffnen, um dort an den LAN-Anschluss zu gelangen. Das Gehäuse ist (hoffentlich) wetterfest.

Ich baute mir dann auf meinem Schreibtisch eine Teststrecke mit 2 Rechnern und den beiden NanoStations auf. Dann ein Rückschlag: verzweifelt suchte ich nach einer CD oder Manual, um das Ganze in Betrieb nehmen zu können. Da war aber nichts! Erst beim genauen Hingucken auf den Karton sah ich den Hinweis, dass man als Erstes über den Browser die HTML-Oberfläche des Gerätes mit der IP-Adresse 192.168.1.20 aufrufen sollte. Und dieser Hinweis war tatsächlich völlig ausreichend, da die nun erscheinende Browser-Bedienoberfläche sehr einfach gestaltet und völlig selbsterklärend ist. Nach Anpassung der beiden Rechner an eine IP im Bereich 192.168.1.x konnte ich nun ohne Probleme mit dem Konfigurieren beginnen.

Bedienoberfläche und Konfiguration

Nach Anpassung der IP-Adressen der beiden Rechner (s.o.) und Eingabe von 192.168.1.20 in die Adresszeile des Browsers erscheint die folgende Bedienoberfläche.

Status-Anzeige Main als Access Point

Das Menü Main ist nur eine Statusanzeige der derzeitigen Konfiguration. Die Werte können nur in den anderen Menüs geändert werden. Hier ist das Gerät als Access Point konfiguriert. Das folgende Bild zeigt das Main-Menü, wenn das Gerät als "station", also WLAN-Client, konfiguriert wurde.

Status-Anzeige Main als WLAN-Client

Mit "Signal Strength" kann man hervorragend die Antenne ausrichten. Um die Signalstärke-Wechsel mitzubekommen, muss man dauernd auf Refresh drücken. Beim Access Point muss man Tools/Align Antenna aufrufen, um eine ähnliche Anzeige darzustellen. Die Anzeige Noise Floor zeigt das Grundrauschen der Strecke an, die Signal Strength sollte möglichst 10 db darüber liegen, damit ein passabler Datendurchsatz gewährleistet ist.

Konfigurationsmenü Link Setup

Im Menü Link Setup werden verschiedene Parameter eingestellt. Als Access Point bzw. Hauptstation sollte das Gerät eingestellt werden, das an den DSL-Router per LAN-Kabel angeschlossen wird. Als "Station" wird der WLAN-Client eingestellt. Auch wenn kein DSL angebunden werden soll, muss eine Station immer als Access Point (AP) konfiguriert werden, da der WLAN Client sich die Frequenzinformation bzw. -Einstellung vom AP holen muss.
Die SSID sollte für Amateurfunkzwecke die beiden Rufzeichen der Strecke beinhalten, womit die Stationen eindeutig indentifiziert werden können. Als Channel Bandwidth wurde hier die geringstmögliche Bandbreite 5 MHz eingestellt, womit auch die höchstmögliche Feldstärke erzielt werden kann. Da mein Internetanschluss ohnehin nur 2 MBit/s leistet, würde mehr hier ohnehin nichts bringen. Wenn z.B. auf 40 MHz eingestellt wird, verteilt sich die verfügbare Abstrahlleistung von 100 mW auf diese Bandbreite. Somit steht nur 2,5 mW/MHz zur Verfügung, anstatt 15 mW/MHz bei 5 MHz Bandbreite. Dieser Verlust kann bei ehe knappen Empfangsfeldstärken zur Streckenunterbrechung führen. Bei anderen Linkstrecken mit ausreichender Reserve, z.B. DK5EC-DD9KA, konnte die 40MHz-Bandbreite erfolgreich betrieben werden. Die Dämpfung auf der Strecke DK5EC-DK0SG liegt aufgrund des größeren Abstandes und Sichtbehinderung durch Bäume hier 25 dB höher und ist teilweise als kritisch anzusehen.
Als Frequenz wurde hier Kanal 134 = 5670 MHz gewählt. Das entspricht dem DARC-Bandplan. Allerdings ist das in der Nähe des oberen Frequenzbereiches der NanoStation5, die Leistunsbilanz ist hier um ca. 5 dB schwächer als in Bandmitte des Gerätes. Die Kanäle außerhalb des Amateurfunkbandes dürfen eigentlich nicht benutzt werden, obwohl wir zwar kaum mehr die legalen 100 mW fahren, aber durch die Antennengewinne doch eben ca. 10 W ERP. Hierzu wäre eine Genehmigung von der Bundesnetzagentur notwendig.
Die Leistung habe ich hier auf die maximalen 22 dBm eingestellt, ca. 150 mW.

Die Einstellung für Wireless Security ist hier noch offen, aber ich werde hier die Strecke verschlüsseln. Hier ist der Funkamateur in der Zwickmühle. Einerseits muss er verhindern, dass Nicht-Amateurfunker die Strecke nutzen oder missbrauchen können. Das geht nur über die Verschlüsselung. Anderseits dürfen im Amateurfunk die Nachrichten nicht verschlüsselt werden. Ich werde aber die Strecke trotzdem verschlüsselt betreiben, zumal durch die SSID der Eigner der Strecke problemlos identifiziert werden kann. Die Bundesnetzagentur wird es schon verzeihen oder mir einen Weg aus diesen Widersprüchen aufzeigen müssen.

Konfigurationsmenü Network

Hier wird die Network Mode (Bridge für beide Seiten) und IP-Adresse der Gerätes eingestellt. Mein DSL-Router hat die IP 192.168.2.2, also muss das Gerät im gleichen Bereich liegen. Diese Adresse wird statisch vergeben. Im DSL-Router muss sicher gestellt sein, dass der DHCP-Bereich diesen Adressbereich nicht abdeckt. Meinen Router habe ich so konfiguriert, dass der dynamische Adressbereich bei .20 erst anfängt. Somit kann ich die unteren Adressen statisch verwenden, ohne hierbei Adresskonflikte befürchten zu müssen.
Die Gateway und DNS IP sollte die IP-Adresse des DSL-Routers sein. Ohne die Einträge würde der Internetzugang nicht gefunden werden.

Menü Advanced

Im Menü Advanced sollte die ungefähre Länge der Richtfunkstrecke eingetragen werden. Vermutlich werden hier Signallaufzeiten berücksichtigt.
Bei Antenna Settings hat sich die Polarisation Vertical um 5 dB stärker erwiesen als Horizontal.
Bei Thresholds kann man die LED-Anzeigen auf der Rückseite des Gerätes auf den gewünschten Schwellwert einstellen.

Allgemeine Hinweise zur Konfiguration

Grundsätzlich kann man die gegenüberliegende Station über die Richtfunkstrecke mit konfigurieren bzw. die Werte ändern, man muss also nicht vor Ort sein. Hierbei ist aber zu beachten, dass bei vielen Konfigurationseinstellungen sich man selbst unbeabsichtig trennen kann. Es ist also immer zuerst die gegenüberliegende Strecke zu ändern, dann muss die Einstellung auf der lokalen Seite nachgezogen werden. Im dritten Schritt ist zu prüfen, ob die beiden Geräte wieder miteinander kommunizieren können. Es ist also immer sicherzustellen, dass die Konfiguration auf beiden Seiten identisch ist, ausg. die Einstellung Acces Point / Station und IP-Adresse. Auf Station-Seite wird keine Frequenz eingestellt, sie wird automatisch vom Access Point abgeleitet.

Möglichkeiten von Test und Diagnose

Im Menü Main sind unter den Buttons Extra Infos und Tools ein Reihe von interessanen Test- und Diagnosemöglichkeiten vorhanden. In den folgenden Bildern werden hier 3 Beispiele gezeigt.

Tools/SpeedTest, Datendurchsatz auf der Richtfunkstrecke

 

Extra Infos/Show Throughput, Datendurchsatz auf der Richtfunkstrecke, der LAN- und Gesamtstrecke

Tools/Antenna Align, Echtzeitanzeige der Feldstärke bei Antennenausrichtung

 

Konfiguration des WLAN Clients (Rechner)

Netzwerkkonfiguration des Rechners

Bei der Rechnerkonfigurarion des WLAN-Clients ist darauf zu achten, dass bei Bevorzugter DNS-Server die IP-Adresse des DSL-Routers eingetragen ist. Anderseits ist kein Internet-Verkehr möglich. Die IP-Adresse des Rechners wird automatisch über die Richtfunkstrecke vom DSL-Router bezogen. Aus Sicht des Rechners ist die Richtfunkstrecke nichts anderes als ein verlängertes LAN-Kabel, da diese als Bridge arbeitet.


Berechnung der Link-Strecke

Für die Berechnung des Link-Budgets wurde das hervorragende Freeware-Programm Radio Mobile verwendet. Als Parameter wurden hier folgende Werte für beide Stationen verwendet:

Sendeleistung: 22 dBm
Leitungsverlust: 0 (da Antenne direkt mit dem TX/RX verbunden ist)
Antennengewinn NanoStation: 13,5 dbi (eingebaute Antenne der NanoStation5 LoCo)
Antennengewinn Spiegel: ca. 10 dB
Abstand der beiden Stationen: 4,19 km (wird durch Programm errechnet)

Berechnung der Richtfunkstrecke DK5EC - DK0SG

Bei der Berechnung sind die Angaben für Sendeleistung und Antennengewinn nur als ungefähre Werte mit einer Toleranz von +/- 2 dB anzusehen. Mit dem errechneten 29 dB Rauschabstand wäre hiermit mehr als genug Reserve vorhanden. In den Berechnungen ist nur aber der sichtfreie Geländeschnitt berücksichtigt. Die zusätzlichen Dämpfungen, die durch eine Baumreihe in der Nähe des Clubheims verursacht werden, wurden nach Fertigstellung der Strecke mit 12 ...23 dB gemessen. Mit diesem Gesamt-Link-Budget von -73...-83 dBm bzw. Rauschabstand 7...17 dB können Datendurchsätze zwischen 1 und 3 MBit/s erzielt werden. Für die Zwecke des Klubheims ist das völlig ausreichend, die Strecke kann also verwendet werden.
Bei starken Regenfällen sowie hohe Luftfeuchtigkeit war zeitweise eine Streckenunterbrechung zu verzeichnen, da hier die Rauschabstand bis auf 4 dB herabsank. Später muss noch untersucht werden, inwieweit sich die Verhältnisse bei Entlaubung im Winter und bei Schnee verhalten. Seltsamerweise sind die Signalstärken nachts schwächer als tagsüber, evtl. liegt das an der höheren Luftfeuchtigkeit, die ggf. die Blätter der Bäume mit Tau benetzt.

 

Einrichtung der Reflektoren (Spiegel)

Aus den o.a. Link-Berechnungen, den zu erwartenden Dämpungen durch die Bäume und den Messwerten der fertiggestellen Richtfunkstrecke kann abgeleitet werden, dass ein Betrieb ohne zusätzliche Reflektoren nicht möglich wäre. Die zusätzlichen 20 dB, die die Spiegel erzeugen, erweisen sich hier als absolut notwendig.
Ubiquiti bietet hier auch eine Reihe von Reflektoren an, die aber nicht mit der preiswerten NanoStation 5 LoCo betrieben werden können. Das Gesamtsystem wäre dann sicher mehrere €100.- kostspieliger geworden, hätten wir Komplettsysteme von Ubiquiti gekauft. Aus Geldmangel, aber vorallendingen aus Ehrgeiz als Funkamateur, habe ich eine Lösung zum Nulltarif gefunden.

Ich hatte noch 3 alte TV-Satelliten-Schüsseln herumliegen. Da ich befürchtete, dass die Baumreihe am Clubheim erhebliche Dämpfungen erzeugt, fing ich gleich mit größten, der 130cm-Schüssel an. Als Gegenstück baute ich die andere NanoStation5 ohne Spiegel im Garten mit ca. 45m Entfernung auf. Kurzerhand demontiete ich die vorhandenen 11GHz-TV-LNBs, und durch Trial and Error fand ich annähernd den Fokus für meinen 5,6GHz-NanoStation5. Hier stellte ich überraschenderweise fest, dass der Fokus absolut unscharf war. Ob ich den "LNB" 5cm näher oder weiter zur Schüssel zur Schüssel bewegte, machte sich im Gewinn kaum merkbar. Ebenso war die vertikale Ausrichtung des LNBs relativ unkritisch, da der Unterschied durch entsprechenden Neigungswinkel der Schüssel wieder ausgeglichen werden konnte. Als Optimum konnte ich einen Gewinn von 11 dB herausholen. Ich hatte von der Riesenschüssel ein bisschen mehr erwartet. Die Angabe von 11 dB ist aber auch nur ein Daumenwert, da die Messumgebung und vorallendingen die dB-Anzeigen der NanoStation5 sicherlich nicht sehr genaue Werte lieferten. Aber mir ging es ja hier nicht um die absoluten Messwerte, sondern um das jeweilig mögliche Optimum.

Die Unschärfe des Fokus konnte ich mir Anfangs nicht erklären, aber nach einigen Überlegungen kam ich doch auf den Grund. Eine normale TV-Satellitenschüssel mit dem dazugehörigen LNB hat in der Regel einen Dipol im LNB, der gerade mal eine Antennen-Empfangsfläche von ca. 15 x 2 mm, also maximal 30 mm² anbietet. Die NanoStation5 hingegen hat (vermutlich) mehrere gestockte Dipole eingebaut, die sich über eine Fläche von 30 x 20 mm verteilen, also mit 600 mm² die 20-fache Fläche des Sat-TV-LNBs. Durch die verteilte größere LNB-Antennenfläche ergibt sich somit diese gemessene Unschärfe.

Als nächsten Schritt habe ich mir den viel handlicheren 80cm-TV-Offset-Spiegel vorgenommen. Natürlich musste ich zuerst den ursprünglichen LNB aus den verrosteten Schrauben herausoperieren. Außerdem musst ich noch ein bisschen feilen und sägen, da die Mechanik nur einen Neigungswinkel von 20 Grad aufwärts zuließ. Für die Linkstrecke zu DK0SG benötigte ich aber 0 Grad. Hier machte ich die gleichen Erfahrungen mit der Unschärfe des Fokus wie beim großen Bruder, als maximalen Gewinn konnte ich ca. 10 dB mit den NanoStation-Tools herausmessen.

Im dritten Schritt knöpfte ich mit die kleinste Schrott-Schüssel mit ihren 60 cm vor. Auch hier machte ich die gleichen Erfahrungen mit dem unscharfen Fokus, das Optimum und der Neigungswinkel waren schnell gefunden. Erstaunlicherweise war der Gewinn nur unwesentlich geringer wie bei den anderen beiden Schüsseln.

Mein Gefühl und Erfahrungen sagten mir eigentlich, je größer die Schüssel, desto höher der Gewinn. Das stimmt aber nur, wenn der LNB ein isotropischer (Rund-)Strahler wäre. Die NanoStation5 hingegen hat eine eingebaute Richtantenne 13,5 dBi mit einem max. Öffnungswinkel von 45 Grad, sprich nach 22,5 Grad nach links oder rechts haben wir auf der Schüssel schon 3 dB weniger, dann weiter sehr stark abfallend. Mit anderen Worten, größere Schüsseln können aufgrund der Richtwirkung und begrenzten Öffungswinkel des LNBs gar nicht voll ausgeleuchtet werden. Bei einem Versuch deckte ich das rechte Viertel der 80cm-Schüssel mit einer mit meinem Körper ab und stellte fest, das die Empfangsfeldstärke gerade mal ein knappes dB absank. Aufgrund dieser Erfahrung hatte ich auch keine große Bedenken, die Schüssel auf mein Garagendach in der Nähe des 18m-Kurzwellenmastes zu setzen, der bis zu 10 cm in das Strahlungsfeld der Schüssel hineinragte, weil es die Mechanik nicht anders hergab. Übrigens haben die Schüsseln, die Ubiquiti oder Motorola verkauft, nur 40 cm Durchmesser, da vermutlich größere Reflektoren aufgrund der schmalen Öffnungswinkel einfach nicht mehr bringen.


NanoStation5 Loco mit Reflektor bei DK5EC, Ölberg im Hintergrund

Im obigen Bild ist die NanoStation5 mit dem 80cm-Reflektor zu sehen. Die Nanostation wurde mit Isolierband und Kabelbinder an die vorhandene Halterung angebracht. Durch einen Keil wude sichergestellt, dass das Strahlungsdiagramm des Gerätes etwa in die Mitte der Schüssel fällt. vermulich sind die 80 cm völlig überdimensioniert, aber der klamme Rentner nimmt das, was er hat. Der Versa-Tower links ragt in das Strahlungsfeld der Schüssel mit ca. 10 cm hinein, was aber so gut wie keine Verluste bringt.

NanoStation5 auf Seite von DK0SG

Im obigen Bild ist die Gegenstation auf dem Dach vom Clubheim G25 mit dem 60cm-Reflektor zu sehen. In Strahlungsrichtung befindet sich in ca. 200 m Abstand ein Waldgelände, dass dann aber steil abfällt. So behindert noch eine Breite von ca. 20 m Wald die freie Sicht in Richtung DK5EC, mit ca. 10 - 25 dB zusätzlicher Streckendämpfung je nach Umwelteinflüssen.

Alles in allem hat mir bei der ganzen Aktion das Herumexperimentieren mit den Satellitenschüsseln den meisten Spaß gemacht. Das waren für mich die ersten Erfahrungen mit Schüsseln und Richtfunk, und ich konnte dabei eine Menge lernen. Hier kamen auch ohne ein einziges GHz-Messgerät recht sehenswerte Ergebnisse heraus. Die hervorragenden Messmöglichkeiten der NanoStation5 reichen hier für Experimente völlig aus.

 

Gesamtschaltbild

Gesamtschaltbild der Anbindung DK5EC - DK0SG

Im obigen Schaltbild sind alle Komponenten der kompletten Strecke und Peripheriegeräten aufgezeigt. Die Telefone auf Seite von DK5EC spielen hier keine Rolle und sind nur der Vollständigkeit halber mit aufgeführt. Das IP-Telefon auf DK0SG-Seite ist aus legalen Gründen nicht angeschlossen und wird nur zu Unterrichtszwecken benötigt, da wir nicht nur funkspezifische Lehrgänge durchführen wollen, sondern auch moderne Internet-Technologien lehren möchten. Details für Anschluss und Konfiguration des IP-Telefons sind hier zu entnehmen. Die Geräte auf Seite von DK5EC sind weitgehend fernsteuerbar. So ist es denkbar, von DK0SG aus auch Satelliten- und EME-Betrieb zu machen, da DK5EC die notwendigen Anennenanlagen besitzt, DK0SG jedoch nicht. Jedenfalls bietet die obige Gesamtanlage ein weites Feld von neuen Möglichkeiten, die unser Hobby so interessant machen.

Zusammenfassung

Es ist kaum zu glauben, aber für bloße €110.- konnte eine Richtfunkstrecke über 4,2 km plus Zusatzdämpfung für bis zu 3 MBit/s eingerichtet werden. Vor einigen Jahren hätte man für kommerzielle Komponenten noch einige €1000.- aufbringen müssen, oder gewiefte GHz-Bastler hätten sehr viel Zeit investieren müssen.

Vom Funktionsumfang der NanoStation5 war ich begeistert:
1. sehr einfache und logische Menüführung, die auch für Laien geeignet ist,
2. alle notwendigen Test- und Diagnosemittel für Antennenausrichtung und Durchsatzprüfung sind vorhanden.
Nachteilig ist hier der Leistungsabfall im oberen Frequenzbereich der NanoStation5, zumal hier erst der Amateurfunkbereich beginnt. Natürlich eignet sich das Gerät hervorragend auch für Nicht-Amateurfunker, die sich im Nahbereich eine Link-Strecke mit den legalen 100 mW ERP aufbauen wollen.

Erstaunlich, dass man alte Satellitenschüsseln für solche Versuche ohne große Fachkenntnisse, also durch Probieren, für einen anderen Zweck ohne Probleme umwidmen kann. Gerade diese Basteleien haben mir am meisten Spaß gemacht.

Die Strecke wird nur in Betrieb sein, wenn Aktivitäten im Clubheim stattfinden. Aus legalen und Sicherheitsgründen wird der Betrieb außerhalb dieser Zeiten unterbrochen. Internetbetrieb wird vorläufig auch nur unter Aufsicht von Karl, DK5EC, möglich sein, da bis auf weiteres sein privater Internet-Account genutzt wird.