60 GHz in Europa: regen, DFS en de 5 GHz-backup

Een straalverbinding tussen twee panden was jarenlang een 5 GHz-verhaal. Sinds Ubiquiti met de Wave-lijn 60 GHz betaalbaar maakte, krijgen we bij elke offerte dezelfde vragen: werkt dat wel met regen, hoe ver kom je, en wat gebeurt er als het signaal wegvalt? Sinds kort komt daar een vraag bij die we een paar jaar geleden niet kregen: hoe zit het met radar? Hieronder het gedrag van 60 GHz in Europa, naast 5 GHz gezet, met de cijfers erbij.

Wat 60 GHz anders maakt

De band van 57 tot 71 GHz is in Europa vergunningvrij. Voor vaste verbindingen geldt 57 tot 66 GHz (ECC/REC(09)01, ETSI EN 302 217) met een maximaal uitgestraald vermogen van 55 dBm EIRP; het stuk tot 71 GHz is per land geregeld. In die band passen kanalen van 2 GHz breed. Ter vergelijking: op 5 GHz werk je buiten met 20, 40 of hooguit 80 MHz. Honderd keer zoveel spectrum per kanaal, en dat vertaalt zich direct in doorvoer: een Wave Pro haalt ruim 5 Gbit/s, een Wave Nano of Wave AP een paar gigabit.

De bundel is smal, een tot drie graden, met een antennewinst van 38 tot 44 dBi in een behuizing van een paar decimeter. Daardoor hoort een 60 GHz-radio zijn buren niet. Interferentie, het grootste probleem op 5 GHz in een stad of op een bedrijventerrein, speelt op 60 GHz nauwelijks. De keerzijde van die smalle bundel: de montage moet stijf zijn. Een mast die een graad meebuigt in de wind, is op 5 GHz geen probleem en op 60 GHz een storing.

Dan de natuurkunde die 60 GHz zijn naam geeft. Rond 60 GHz absorbeert zuurstof het signaal: 10 tot 15 dB per kilometer tussen 57 en 64 GHz, ook bij strakblauwe lucht. Dat beperkt het bereik tot enkele kilometers, en het is tegelijk de reden dat je het kanaal honderd meter verderop opnieuw kunt gebruiken.

Terugvallen in modulatie: hier wint 60 GHz ruim

Elke radio schakelt bij slechter signaal naar een lagere modulatie: minder bits per symbool, robuuster, minder doorvoer. Op 5 GHz is dat pijnlijk. Een point-to-point link op 40 MHz zit op zijn hoogste modulatie rond de 300 Mbit/s en op zijn laagste, BPSK 1/2, op een paar tientallen megabits. Een point-to-multipoint sector deelt dat nog eens met alle klanten.

Op 60 GHz begint die ladder veel hoger. In een kanaal van 2 GHz levert de laagste modulatie nog altijd enkele honderden megabits per seconde. De 802.11ad-tabel waar de Wave-radio's op zijn gebaseerd, begint bij 385 Mbit/s op MCS 1 en eindigt bij 4,6 Gbit/s op MCS 12. Een 60 GHz-link die door regen vier stappen terugvalt, levert dus nog steeds meer dan een 5 GHz-link op zijn best. Dat is het praktische antwoord op "werkt het wel met regen": meestal werkt het, alleen langzamer, en langzamer is op 60 GHz nog steeds snel.

De grens ligt bij een wolkbreuk. Dan is het signaal weg, en dan wil je niet alleen een lagere modulatie maar een andere band. Daarom is de combinatie van 60 GHz met een 5 GHz-backup het beste van twee werelden: de snelheid en de rust van 60 GHz, en de weerbestendigheid van 5 GHz voor de minuten per jaar waarin het echt nodig is.

Regen in cijfers

Hoeveel regen kost, is goed bekend. De ITU-aanbeveling P.838 geeft de extra demping per kilometer als functie van de regenintensiteit, en voor 5 en 60 GHz ziet dat er zo uit.

Voor Nederland is de relevante waarde 25 mm/u: volgens de ITU-regenstatistiek wordt die intensiteit ongeveer 0,01% van de tijd overschreden, zo'n 53 minuten per jaar. Een ontwerp dat 25 mm/u aankan, haalt dus 99,99% beschikbaarheid op regen alleen. Reken het uit voor een link van 800 meter:

Situatie	Zuurstof	Regen	Totaal extra op 800 m
Droog	10 dB	0 dB	10 dB
Stevige bui, 10 mm/u	10 dB	4 dB	14 dB
Zware bui, 25 mm/u (0,01% van de tijd)	10 dB	8 dB	18 dB
Wolkbreuk, 50 mm/u	10 dB	14 dB	24 dB

Met een fademarge van 20 dB in het linkbudget blijft de 60 GHz-link op 800 meter dus bijna altijd in de lucht, en levert hij tijdens de zware bui op een lagere modulatie nog ruim een gigabit. Bij 2 kilometer kost dezelfde bui 20 dB aan regen alleen, en dan is de backup geen luxe meer. Vuistregel voor Nederland: tot een kilometer ontwerp je 60 GHz op regen, daarboven ontwerp je op de backup.

Op 5 GHz is regen geen factor. Daar zijn het de natte bladeren in de Fresnelzone, de buurman met dezelfde kanaalkeuze en, daar komen we zo op, radar.

Side-by-side: 5 GHz tegenover 60 GHz

	5 GHz (airMAX, airFiber 5)	60 GHz (Wave, airFiber 60)
Spectrum buiten, Europa	5470 tot 5725 MHz, 1 W EIRP, allemaal DFS	57 tot 66 (71) GHz, 55 dBm EIRP, geen DFS
Kanaalbreedte	20 tot 80 MHz	2 GHz
Doorvoer in de praktijk	100 tot 500 Mbit/s	1 tot 5 Gbit/s
Laagste modulatie	enkele tientallen Mbit/s	enkele honderden Mbit/s
Bundelbreedte	5 tot 10 graden	1 tot 3 graden
Interferentie	de grootste storingsbron	verwaarloosbaar
Regen	geen effect	5 tot 17 dB/km, zie grafiek
Zuurstof	geen effect	10 tot 15 dB/km, altijd
Bereik	tot tientallen kilometers	honderden meters tot enkele kilometers
Radar en DFS	verplichte detectie, onderbrekingen	niet van toepassing
Montage	vergevingsgezind	stijf en exact uitgelijnd
Beheer	UISP	UISP

De 5 GHz-backup in UISP Wave

De Wave-radio's van Ubiquiti (Wave Pro, Wave LR, Wave AP en airFiber 60 LR) hebben naast de 60 GHz-radio een tweede radio op 5 GHz aan boord. Die backup staat klaar op een eigen kanaal en doet verder niets. Zakt de 60 GHz-link onder zijn drempel, bij een wolkbreuk, natte sneeuw op de radome of een duif voor de antenne, dan schakelt de radio het verkeer binnen een paar seconden over naar 5 GHz. Komt 60 GHz terug, dan schakelt hij weer terug. Beide richtingen zie je in UISP als event, en daar hoort een alert op.

Twee kanttekeningen bij het ontwerp. De backup levert de doorvoer van een 5 GHz-link, geen gigabit. Zet dus vooraf vast welk verkeer voorrang heeft als de link een paar minuten op de backup draait: telefonie, camera's, de koppeling met het ERP. En de backup is een 5 GHz-radio buiten, dus hij valt onder DFS. Kies een kanaal buiten 5600 tot 5650 MHz, daar zitten de weerradars en daar duurt een kanaalcheck tien minuten in plaats van zestig seconden.

DFS: waarom 5 GHz buiten steeds vaker stilvalt

Buiten mag je in Europa op 5 GHz alleen 5470 tot 5725 MHz gebruiken met een zinnig vermogen, en die hele band is DFS. De radio moet luisteren naar radar en, hoort hij er een, het kanaal direct verlaten. Hoe dat uitpakt staat in ETSI EN 301 893: zestig seconden kanaalcheck voordat een nieuw kanaal gebruikt mag worden, tien minuten op de weerradarkanalen 5600 tot 5650 MHz, en dertig minuten niet terug naar het kanaal waar de radar werd gehoord.

De radars die je hoort zijn de weerradars van het KNMI in Herwijnen en Den Helder, de naderingsradars van vliegvelden en, steeds vaker, militaire radars. Luchtverdedigingssystemen, scheepsradars en mobiele surveillanceradars werken in de C-band, precies waar onze 5 GHz-links zitten. Nu de NAVO zijn activiteit langs de grenzen van de Europese lidstaten opvoert, met meer oefeningen, meer schepen op de Noordzee en in de Oostzee en meer verplaatsbare radarsystemen, zien wij op 5 GHz-links een toename van DFS-events. Niet alleen naast een vliegbasis: een radar met een bereik van honderden kilometers triggert een detectie op een dak in de Randstad net zo goed.

Elke detectie is een onderbreking van een minuut, en op de weerradarkanalen tien. Voor een link die een productielocatie koppelt, is dat geen theoretisch risico meer. Een 60 GHz-link heeft dit mechanisme niet: er is geen radar op 60 GHz om te beschermen, dus er is geen detectie, geen kanaalcheck en geen gedwongen kanaalwissel. Dat is, naast de doorvoer, inmiddels het belangrijkste argument om een bedrijfskritische verbinding op 60 GHz te ontwerpen en 5 GHz alleen als backup in te zetten. De backup is dan de enige plek waar DFS nog kan toeslaan, en dat alleen in de minuten per jaar dat hij actief is.

Ontwerpregels die wij hanteren

• Linkbudget met zuurstof én regen voor 25 mm/u, en een fademarge van minimaal 20 dB.
• Tot een kilometer: 60 GHz op regen ontwerpen. Daarboven: de 5 GHz-backup is onderdeel van het ontwerp, niet een extra.
• Backup buiten 5600 tot 5650 MHz, en een alert in UISP op elke failover.
• Stijve montage, geen lange buismasten, en uitlijnen op de meter met de UISP-app aan beide kanten.
• Vooraf vastleggen welk verkeer voorrang krijgt als de link op de backup draait.
• Meten bij oplevering: signaal, modulatie en doorvoer per richting, vastgelegd in het rapport zodat afwijkingen later herkenbaar zijn.

Samengevat

• 60 GHz geeft gigabits, een smalle bundel en geen interferentie, met zuurstof en regen als enige tegenstanders.
• Terugvallen in modulatie doet op 60 GHz veel minder pijn: de laagste stap is nog sneller dan 5 GHz op zijn best.
• Zware regen is in Nederland minder dan een uur per jaar. Daarvoor is de 5 GHz-backup.
• DFS raakt elke 5 GHz-link buiten, en met meer radaractiviteit in Europa raakt het ze vaker. 60 GHz heeft er geen last van.
• De combinatie is het beste: 60 GHz primair, 5 GHz als vangnet.

Twee panden koppelen, een camerastandpunt ontsluiten of glasvezel vervangen zonder graafwerk? Wij leveren en installeren Ubiquiti UISP-straalverbindingen, inclusief linkbudget, montage en meetrapport. Kijk bij straalverbindingen of vraag een offerte aan.