Ponti radio a 5 GHz sopra l'acqua: Fresnel, riflessioni e multipath

Quando si progetta un ponte radio a 5 GHz la prima verifica è quasi sempre la visibilità ottica: "le due antenne si vedono?". Se sì, molti danno per buono il collegamento ma non sempre basta.

Per un link stabile servono anche una zona di Fresnel sufficientemente libera, un buon margine di segnale e attenzione alle riflessioni, soprattutto quando il percorso passa sopra l'acqua. Un link sopra un lago, un fiume largo o il mare può funzionare benissimo oppure mostrare instabilità difficili da spiegare: RSSI apparentemente buono ma throughput ballerino, modulazione che scende, CCQ basso, retry, cali improvvisi.

Il motivo di solito non è che l'acqua "blocchi" il segnale come un muro. Il problema tipico è che l'acqua si comporta come uno specchio radio, generando riflessioni e quindi multipath.

La zona di Fresnel e la regola del 60%

Un'onda radio non è un raggio laser: non viaggia solo sulla linea diretta tra le antenne, ma occupa un volume ellissoidale attorno ad essa, la zona di Fresnel. La più importante è la prima, larga al centro del percorso e stretta vicino alle antenne. Ecco perché un ostacolo a metà tratta pesa più di uno vicino a un'antenna.

La regola pratica è tenere libero almeno il 60% della prima zona di Fresnel: sotto quella soglia il link può ancora funzionare, ma diventa più probabile avere attenuazione extra, modulazione più bassa, throughput instabile, più retry e minor margine contro fading e condizioni meteo particolari.

Come si calcola, con esempio

Il raggio della prima zona di Fresnel, con distanze in km e frequenza in GHz, si approssima con:

r = 17,32 · √( d₁ · d₂ / ( f · D ) )

dove d₁ e d₂ sono le distanze dal punto alle due antenne, D la distanza totale e f la frequenza.a 5 GHz la lunghezza d'onda è circa 6 cm (λ = c / f).

Esempio, link da 2 km, al centro (d₁ = d₂ = 1 km):

r = 17,32 · √(1 · 1 / (5 · 2)) = 17,32 · 0,316 ≈ 5,5 m
60%  →  5,5 · 0,6 ≈ 3,3 m

A metà percorso servono quindi circa 3,3 m liberi attorno alla linea diretta. Se il raggio radio sfiora il pelo dell'acqua, il link si fa delicato.

L'acqua non blocca: riflette

Se la superficie è sotto la linea diretta, l'acqua non "blocca" il segnale. Il punto è più sottile: ne riflette una parte. Il ricevitore riceve così due copie dello stesso segnale, quella diretta e quella riflessa dall'acqua, che percorrono strade leggermente diverse e arrivano con fase e ritardo diversi.

Se le due copie arrivano in fase si sommano; se arrivano in controfase si cancellano parzialmente. È il multipath: propagazione su percorsi multipli, di cui la riflessione è una causa principale. Detto con precisione: l'acqua non modifica il segnale diretto mentre passa, ma ne crea una copia riflessa sfasata; è la somma delle due al ricevitore a produrre il fading.

Perché il multipath dà problemi

Il multipath non è sempre un disastro: il Wi-Fi 802.11n/ac/ax lo tollera e, indoor, è la norma. Ma un ponte punto-punto tra antenne direzionali dovrebbe avere un percorso dominante pulito. Quando arriva una riflessione forte dall'acqua, il segnale diventa variabile nel tempo, RSSI che oscilla, SNR peggiore, CCQ basso, retry in aumento, MCS che sale e scende, throughput incostante, jitter, brevi disconnessioni.

L'aspetto ingannevole è che il segnale può sembrare forte. Ma conta la qualità, non solo la quantità, un segnale forte ma pieno di riflessioni è peggio di uno un po' più debole ma pulito.

Perché l'acqua è un caso particolare

Una superficie d'acqua calma è molto riflettente per le radiofrequenze, e a 5 GHz (λ ≈ 6 cm) bastano variazioni geometriche di pochi centimetri per cambiare la fase relativa tra percorso diretto e riflesso. Il modello semplificato "a due raggi" (segnale ricevuto = diretto + riflesso) lo spiega bene: con una differenza di percorso di circa mezza lunghezza d'onda (λ/2 ≈ 3 cm) la riflessione arriva quasi in opposizione di fase.

Per questo il link può cambiare comportamento per cause apparentemente minime: onde, vento, livello del lago, maree, barche, umidità, stratificazione termica dell'aria, escursione tra giorno e notte. Sopra il mare si aggiungono fenomeni come il ducting.

Fresnel libera non significa niente multipath

Attenzione: il 60% di Fresnel riguarda gli ostacoli sulla propagazione principale, non la riflessione. Il multipath da acqua può presentarsi anche con il percorso diretto perfettamente libero. Su un link sopra acqua vanno quindi controllate due cose, la linea diretta con la sua zona di Fresnel e la geometria della riflessione.

Come mitigare

Spesso non serve cambiare tecnologia, bastano buone scelte di installazione:

• Alzare le antenne: migliora la clearance e cambia la geometria della riflessione (va calcolato, perché alzare troppo sposta solo il punto di riflessione).
• Antenne più direttive, con lobo verticale stretto: irradiano meno verso l'acqua e "vedono" meno la riflessione.
• Curare il tilt verticale: non illuminare la superficie, massimizzare il diretto e minimizzare il riflesso.
• Aumentare il fade margin: progettare con margine scarso su acqua è rischioso.
• Provare la polarizzazione: verticale e orizzontale si comportano diversamente rispetto alla riflessione.
• Non esagerare con la potenza: più potenza significa più segnale diretto ma anche più riflesso, e può peggiorare le cose.
• Guardare i parametri giusti: non solo RSSI, ma SNR, CCQ, retry, MCS, throughput reale, jitter, differenza tra catene radio, comportamento nelle diverse ore. RSSI buono e CCQ basso è il classico segnale "sporco".

Prima di installare

Conviene preparare una piccola analisi, distanza totale, frequenza, altezza delle antenne, profilo altimetrico, altezza minima sopra l'acqua, raggio della prima Fresnel al centro, clearance disponibile, possibile punto di riflessione, tipo di antenne e apertura del lobo verticale, margine di segnale previsto. Dopo l'installazione, monitorare per più giorni e non per pochi minuti: un link sopra acqua può essere ottimo al test e peggiorare all'alba, di sera, con vento, acqua calma o foschia.

In sintesi

L'acqua non è automaticamente un problema, molti link sopra laghi, fiumi e mare funzionano bene. Ma va considerata sul serio in fase di progetto. Il rischio non è solo la Fresnel vicina alla superficie, è la riflessione che crea un secondo percorso del segnale capace di sommarsi o cancellarsi con il diretto. Ecco perché un link sopra acqua può dare segnale presente ma qualità instabile.

La regola pratica: visibilità ottica, Fresnel libera e buon RSSI non bastano sopra l'acqua bisogna ragionare anche di riflessioni, multipath e fade margin. Un ponte ben progettato non cerca solo di "arrivare", ma di arrivare con margine, pulizia e stabilità.