RPR-APRS


Was ist überhaupt RPR?


RPR steht für Robust Packet Radio. Dabei handelt es sich um ein neuartiges Packet-Radio-Verfahren, das speziell für den Einsatz auf Kurzwelle entwickelt wurde. Es ermöglicht also PR-Betrieb auf Kurzwelle, bei dem erstmals auch Digipeating zweckmässig eingesetzt werden kann.



Was kann man mit RPR machen?


Mittels RPR lässt sich nicht nur simpler HF-Packet-Radio-Betrieb zwischen zwei Stationen machen, sondern man kann über RPR-Digipeater (z.B DB0UAL) damit auch auf Kurzwelle direkt ins "gewöhnliche" PR-Netz einsteigen! Das funktioniert genauso wie ein PR-Digi auf VHF oder UHF - nur eben auf Kurzwelle mit den damit verbundenen hohen Reichweiten.

Selbstverständlich lassen sich aber auch von Packet-Radio abgeleitete Betriebsarten (wie z.B. APRS) mithilfe von RPR sinnvoll auf Kurzwelle einsetzen.

 

Wie wird man in RPR-APRS qrv ?

Zunächst benötigt man ein Modem/ Tracker, der die Betriebsart RPR beherrscht.  Derzeit sind dies die folgenden Geräte:

Darüber hinaus brauchen Sie natürlich noch einen geeigneten KW-TRX.

 


RPR-APRS-Gateways



Bei den angegebenen Frequenzen handelt es sich um sog. "dial"-Frequenzen. Es ist also genau die Frequenz, die Sie an Ihrem Transceiver einstellen müssen. Bitte beachten Sie auch die Wahl des richtigen Seitenbandes.

 

 

Warum RPR-APRS?


Bislang wurde zum APRS-Betrieb auf Kurzwelle vorwiegend gewöhnliches  HF-Packet (FSK, 300 Bd) eingesetzt. Wo liegt nun der Unterschied zu RPR?
Um diese Frage zu beantworten sollte man sich zunächst die Eigenschaften eines HF-Kanals sowie die die Besonderheiten bei der Übertragung digitaler Signale auf Kurzwelle vor Augen halten.

Eigenschaften eines HF-Kanals:

HF-Übertragung digitaler Signale

Bei der Funkübertragung digitaler Signale mittels einzelner Träger ergeben sich Probleme aufgrund der auf Kurzwelle fast immer vorhandenen Mehrwegeausbreitung.



Laufzeitunterschiede durch Mehrwegeausbreitung



Ein Signal kommt dabei auf verschiedenen Wegen beim Empfänger an. Die unterschiedlichen Weglängen, die das Signal zurücklegen muss, bewirken jeweils unterschiedliche Verzögerungen des Signals. Dadurch entsteht eine Vermischung des "direkten" Signals mit den verschiedenen, zeitlich versetzten, reflektierten "Echosignalen". 
Wie sich diese Laufzeitverzerrungen am Empfänger auswirken zeigt die nachfolgende Abbildung.



          Inter-Symbol-Interferenz durch Laufzeitverzerrungen
  

Es sind hier die am Empfänger eintreffenden Symbole sinnbildlich dargestellt. Wie man sieht treffen die über Reflexion empfangenen Symbole derart verzögert ein, dass sie direkt empfangene, nachfolgende Symbole beeinträchtigen. Kommt es nun zu einer Überlagerung der nachfolgenden Symbole durch das Echo vorangegangener Symbole spricht man von Inter-Symbol-Interferenz (ISI). Unter kurzwellentypischen Randbedingungen wird ein Symbol etliche nachfolgende Abtastwerte beeinflussen.
   

Um die Auswirkungen der ISI abzumildern wurde beim alten HF-Packet (FSK) deshalb die Symboldauer verlängert (Reduzierung auf 300 Bd). Dies führt zu einer Verbesserung des Verhältnisses von Symboldauer zu Echodauer. Man gibt dem Echo damit einfach mehr Zeit um abzuklingen.


Verbesserung durch Verlängerung der Symboldauer



Es fällt aber auch auf, dass das nachfolgende Symbol noch teilweise durch die Reflexion des vorhergehenden Symbols gestört wird. Die Symboldauer ist also selbst bei einer Reduzierung auf 300 Bd immer noch viel zu kurz, um die Folgen der auf Kurzwelle üblichen Mehrwegeausbreitung zu verkraften.




Wie wird das bei RPR besser gemacht?


Die Lösung für das Problem der ISI durch Mehrwegeausbreitung ist seit den fünfziger Jahren bekannt und wird seither von militärischen Funkdiensten im HF-Bereich eingesetzt. Es handelt sich dabei um sog. Mehrträgerverfahren. Man macht sich dabei das sog. Zeitdauer-Bandbreite-Produkt zunutze: Der Datenstrom wird auf mehrere Unterträger (Subcarrier) verteilt. Anstatt viele Symbole in kurzer Abfolge nacheinander zu übertragen, werden nun gleichzeitig mehrere lange Symbole gesendet. Je mehr Unterträger verwendet werden, umso länger kann man die Symboldauer machen. Dieses Verfahren nennt man Frequency Division Multiplex (FDM).
Trotz der weiteren Verbesserung des Verhältnisses Symboldauer-Echo muss man aber immer noch mit ISI rechnen. Um dem zu begegnen wird nun nach jedem Symbol eine kleine Pause eingefügt. Diese Pause nennt man Schutzintervall (Guard Interval).


Beseitigung der Inter-Symbol-Interferenz durch Schutzintervall


Das Echo kann nun innerhalb des Schutzintervalls abklingen, ohne nachfolgende Symbole zu beeinträchtigen. Die Datenübertragungsrate verringert sich dadurch kaum, die Robustheit gegen ISI wird hingegen erheblich verbessert.

Wie man sich leicht vorstellen kann sind bei der Realisierung des Verfahrens aber sehr aufwendige, steilflankige Filter notwendig um die einzelnen Subträger wieder voneinander zu trennen. Deshalb wird bei RPR ein Verfahren namens Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) eingesetzt, bei welchem auf die steilflankigen Filter unter Zuhilfenahme der digitalen Signalverarbeitung verzichtet werden kann. Es wird im Fall von RPR mit 8 Unterträgern mit jeweils 60Hz Tonabstand gearbeitet. Somit vergrößert sich die mittlere Symboldauer bei RPR auf 20 ms (zum Vergleich: FSK300: 3,3ms). RPR kann also zweifellos als mehrwegefähiges Verfahren bezeichnet werden. Somit ist es für den Einsatz auf Kurzwelle hervorragend geeignet.



  Spektum von RPR (Quelle: Michael Zwingl, OE3MZC)



Das Spektrum von RPR ist wegen der acht Unterträger trotzdem nicht breiter, als das Spektrum von FSK300, im Gegenteil: Die benötigte Bandbreite beträgt lediglich 500 Hz.






Zum Vergleich wird in der nachfolgenden Grafik das Spektrum von FSK300 (altes HF-Packet) dargestellt.
Das Spektrum ist deutlich breiter als bei RPR. Der Bandbreitenbedarf liegt hier bei etwa 730 Hz.



Spektrum von FSK300 (Quelle: Michael Zwingl, OE3MZC)






Das Problem der Kanalcodierung


Neben dem bereits angesprochenen Problem der ISI durch Mehrwegeausbreitung gibt es noch ein weiteres Problem, speziell beim APRS-Betrieb mit AX.25 und FSK. Das ist das Problem der fehlenden Kanalcodierung. Wenn wir normalen FSK-Packet-Radio-Betrieb machen (gilt auch für VHF/UHF) und der Empfänger hat ein Datenpaket fehlerhaft empfangen (wenn es bei der Übertragung z.B. gestört wurde), so wird das fehlerhafte Paket verworfen und einfach erneut vom Sender angefordert. Der Empfänger erkennt das anhand einer CRC-Prüfsumme, die dem Datenpaket angehängt wird. Dieses Verfahren wird auch als „Rückwärtsfehlerkorrektur mit Wiederholungsanforderung“(ARQ) bezeichnet. Bei Packet-Radio-Betrieb funktioniert das auch einwandfrei. Wenn wir nun aber APRS machen, dann ist dieser AX-25-Rückfragemechanismus leider ausser Kraft, denn wir arbeiten ja mit unprotokollierten Paketen. Wird ein Datenpaket durch einen winzigen Knackser gestört, ist das Paket unbrauchbar. Der Empfänger wird es als fehlerhaft erkennen und verwerfen. Es wurde also völlig umsonst gesendet.


Aber auch hier bietet RPR eine Lösung in Form einer geeigneten Kanalcodierung.
Diese Kanalcodierung erlaubt es dem Empfänger Übertragungsfehler nicht nur zu erkennen, sondern diese auf der Empfängerseite - bis zu einem gewissen Grad - auch selbst zu korrigieren.
Dazu werden vom Sender gezielt Rekonstruktionsdaten mitgeschickt. Dieses Verfahren nennt man Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction). Das hier beschriebene Verfahren eignet sich also sehr gut um Einzelbitfehler (wie sie z.B. durch „Knackser“ oder Blitze entstehen) zu korrigieren.





Doch was passiert bei einem Burstfehler, wenn ganze Blöcke zusammenhängender Bits gestört werden? Es wird also nicht nur 1 Bit, sondern z.B. eine Gruppe von 10 Bits verändert. Diese Menge kann nicht mehr korrigiert werden.
Hier bedient man sich eines „Tricks“, dem sog. Interleaving. Dabei werden die ursprünglich hintereinander liegenden Bits vor der Übertragung derart „verwürfelt“, dass sie in dem Datenblock, der gesendet wird, nicht mehr in chronologischer Reihenfolge hintereinander stehen. Durch das Interleaving macht man jetzt aus einem Burstfehler künstlich eine größere Menge von Einzelbitfehlern, die dann durch die Vorwärtsfehlerkorrektur wieder korrigiert werden können.

Auf diese Weise werden nun auch APRS-Pakete wirkungsvoll vor Übertragungsfehlern geschützt und können in vielen Fällen vom Empfänger selbst „repariert“ werden.