Radioenlaces by Gonzalo Verdaguer

SISTEMAS DE COMUNICACIONES

Módulo 2: LÍNEAS DE TRANSMISIÓN (Parte 6)

Tema: Radioenlaces Ing. Gonzalo Verdaguer Ultima revisión: 18/08/2020

TABLA DE CONTENIDOS TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................................................. 2 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 3 ARQUITECTURAS DE RADIOENLACES......................................................................................................... 4 PRESUPUESTO DE POTENCIA DE UN RADIOENLACE.................................................................................. 6 LADO DE TRANSMISIÓN ............................................................................................................................. 8 PÉRDIDAS DE PROPAGACIÓN .................................................................................................................. 11 LADO RECEPTOR ...................................................................................................................................... 18 PRESUPUESTO DE ENLACE COMPLETO.................................................................................................... 21 MARGEN DE DESVANECIMIENTO O FADING ........................................................................................... 22 INDISPONIBILIDAD DE UN RADIOENLACE ................................................................................................ 23 CONFIABILIDAD DE UN RADIOENLACE .................................................................................................... 25 REPETIDORES ........................................................................................................................................... 25 TÉCNICAS DE DIVERSIDAD ....................................................................................................................... 29 FUENTES................................................................................................................................................... 37

INTRODUCCIÓN ¿Qué es un radioenlace? Entendemos por radioenlace a aquella conexión que se realiza entre un emisor y un receptor utilizando como medio de propagación el espacio libre. Abordaremos todos aquellos aspectos relacionados con los sistemas de radiocomunicaciones, desde el análisis de los diferentes elementos que los componen. En el diseño de un radioenlace de microondas con visibilidad directa es importante, realizar de manera adecuada, el cálculo de la posición de las antenas en altura respecto a la superficie terrestre. Así mismo, la posición de las antenas establece la longitud de las líneas de transmisión que conectan las antenas con los equipos transceptores. La longitud de estos alimentadores de antenas define la pérdida en decibelios que disminuye la potencia de la señal de radiofrecuencia (RF) de acuerdo con el dato del fabricante. Así mismo, es necesario que los haces que siguen distintas direcciones resultado del efecto multitrayectoria arriben en fase con la señal de RF transmitida entre equipos transceptores. Para asegurar que esto suceda, se calcula el perfil de radioenlace terrestre incluyendo el análisis de la primera zona (o elipsoide) de Fresnel. En la práctica se requiere despeje total, libre de obstáculos, a la primera zona de Fresnel. Independientemente del buen equipamiento inalámbrico que se posea y del despeje de la línea de vista, siempre será necesario calcular el presupuesto de potencia del radioenlace. Sobrecargar un radioenlace no hará necesariamente, que las cosas mejoren para su implementación y causará problemas a otros usuarios del espectro radioeléctrico. Tener un buen presupuesto de potencia es esencial ya que es el requerimiento básico del funcionamiento de este. Puede ser comparado con los cimientos de un edificio: no importa lo bien hecho que estén el piso, las paredes y el techo, si el cimiento es débil, la edificación entera se caerá. Mas adelante se recomendarán ciertos procedimientos para encontrar la altura de las antenas, sus ganancias y la potencia y sensibilidad de los equipamientos. Consideraremos únicamente el análisis del despeje de la primera zona de Fresnel a partir el valor estimado del factor de radio terrestre (K), para los casos de clima templado y tropical, en la región del radioenlace. Por efecto de difracción, el factor K puede alcanzar valores bajos, ocasionando subrefractividad. Esto sucede cuando el valor del factor K varía el 99.9% del tiempo. También se recomendarán ciertos procedimientos para calcular las ganancias de las antenas, y la potencia y sensibilidad de los equipamientos de radio. Para lograr el adecuado despeje de trayectoria, proponemos la metodología para obtener un perfil de radioenlace entre los sitios fijos que incluya las condiciones de refractividad de la atmósfera con el valor mínimo del factor efectivo K en la trayectoria de propagación de las ondas, y a partir de él calcular la altura de las antenas. De igual manera, se describen los fenómenos atmosféricos y sus efectos sobre las señales de RF con el análisis de los parámetros de refractividad. Con valores estimados del gradiente del índice de refracción 3

radioeléctrica en la zona del radioenlace de microondas, es encuentra el valor del factor de radio terrestre efectivo para considerar la propagación curva de las ondas electromagnéticas en la atmósfera de la tierra. Para simplificar el estudio, se traza el haz con visibilidad directa (LOS) entre antenas siguiendo trayectoria rectilínea y con la variación de la superficie terrestre utilizando el factor se analiza la factibilidad del radioenlace.

ARQUITECTURAS DE RADIOENLACES Clasificación de acuerdo con la cantidad de receptores: En las comunicaciones inalámbricas fijas al aire libre, existen dos arquitecturas de implementación utilizados para la distribución inalámbrica: Punto a punto (PtP) y Punto a multipunto (PtMP). Enlaces Punto a Punto (PtP): Conecta solo dos ubicaciones, generalmente a una distancia de varios km, esencialmente formando un puente Ethernet. En una red punto a punto, los dispositivos en red actúan como socios iguales, o pares entre sí. Como pares, cada dispositivo puede tomar el rol de emisor o la función de receptor. En un momento, el dispositivo A, por ejemplo, puede hacer una petición de un mensaje / dato del dispositivo B, y este es el que le responde enviando el mensaje / dato al dispositivo A. El dispositivo A funciona como receptor, mientras que B funciona como emisor. Un momento después los dispositivos A y B pueden revertir los roles: B, como receptor, hace una solicitud a A, y A, como emisor, responde a la solicitud de B. A y B permanecen en una relación recíproca o par entre ellos. Las redes punto a punto son relativamente fáciles de instalar y operar. A medida que las redes crecen, las relaciones punto a punto se vuelven más difíciles de coordinar y operar. Su eficiencia decrece rápidamente a medida que la cantidad de dispositivos en la red aumenta debido a la sobreutilización del espectro radioeléctrico. Características de las redes punto - punto •

Redes de larga distancia (Long-Haul): Aunque no existe una definición absoluta de lo que constituye un enlace inalámbrico de corta distancia (Short-Haul) versus un enlace de larga distancia (Long-Haul), un enlace de corta distancia enlace se considera que cubra unos pocos kilómetros, mientras que un enlace de larga distancia suele ser de 20 a 50 km o más.

•

Redes de Backhaul o redes de retorno: Es la porción de una red jerárquica que comprende los enlaces entre el núcleo (o backbone), y las redes en sus bordes. Generalmente son redes de gran capacidad, seguras y de alta disponibilidad.

•

Fáciles de configurar porque tienen menos complejidad que los enlaces PtMP.

•

Menor costo dado que no se necesita dispositivos de red ni servidores dedicados.

•

La administración no es centralizada por lo que genera mayor dificultad de gestión.

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Las soluciones generalmente no son escalables y la sobreutilización reduce su rendimiento.

Enlaces punto a multipunto (PtMP): Conecta tres o más ubicaciones, utilizando una estación base (o controlador central) y múltiples dispositivos CPE (terminales) conectados al controlador central. En una red multipunto solo existe un medio de comunicación cuyo uso está compartido por todas las terminales en la red. La información fluye de forma unidireccional o bidireccional y es discernible para todas las terminales de la red. Lo mas importante en este tipo de redes es el manejo del medio compartido, mediante diferentes técnicas de multiplexación y acceso múltiple al medio. En los sistemas de multiplexación, se transmiten múltiples mensajes simultáneamente a los fines de aprovechar al máximo los recursos de transmisión. El reparto de un canal de transmisión se puede realizar dividiendo el canal en varios subcanales, utilizando FDM, TDM, CDM o WDM o combinación de ellos y repartirlos dinámicamente según se necesite. Con estos sistemas, se puede compartir alguna porción de los recursos de los sistemas de telecomunicaciones, entre múltiples terminales simultáneos y en los dos sentidos de transmisión. En cambio, los sistemas de acceso múltiple, los requerimientos de los usuarios se solicitan a un controlador de sistema utilizando tramas de cabecera (overhead), empleando un esquema de acceso dinámicamente variable. La transmisión simultánea con el acceso múltiple podrá estar basada en compartir recursos de telecomunicaciones, de distintos tipos. Éstos podrán ser tales como, espectro de frecuencias, o de tiempos, códigos, espacio o de polarización de transmisión, lo que determina distintas técnicas: FDMA, TDMA, CDMA y Spread Spectum (SS).

Características de las redes punto - multipunto •

En una red multipunto sólo existe un medio de comunicación, cuyo uso está compartido por todas las terminales en la red.

•

La información fluye de forma unidireccional o bidireccional y es discernible para todas las terminales de la red. Lo típico es que en una conexión multipunto las terminales compiten por el uso del medio, de forma que el primero que lo encuentra disponible lo usará, aunque también puede negociar su tiempo de uso.

•

Los terminales no tienen que estar necesariamente próximos geográficamente.

•

Tienen un acceso común al controlador central (comúnmente llamado Punto de Acceso a Access Point) por medio de un radioenlace, y que por lo tanto soporta todo el tráfico de la información.

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Cada terminal debe poder detectar si el mensaje que envía el host le corresponde o no. Para eso, cada mensaje llevará la dirección del terminal al que va dirigido.

•

Es necesario administrar el espectro radioeléctrico y compartirlo con todas las terminales de la red, por lo que se utilizan técnicas de acceso compartido al medio.

PRESUPUESTO DE POTENCIA DE UN RADIOENLACE Un presupuesto de potencia para un enlace punto a punto es el cálculo de ganancias y pérdidas desde el radio transmisor (fuente de la señal de radio), a través de cables, conectores y espacio libre hacia el receptor. Cabe destacar que con la estimación del valor de potencia en diferentes partes del radioenlace es completamente necesario para tener un enlace correcto y de alta precisión, así como usar los mejor dispositivos para realizar el mismo. La estimación del valor de potencia en diferentes partes del radioenlace es necesaria para hacer el mejor diseño y elegir el equipamiento adecuado.

Elementos que componen el presupuesto de un radioenlace Los elementos pueden ser divididos en 3 partes principales: 1. El lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión. 2. Pérdidas en la propagación. 3. El lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva (effective receiving sensibility). Un presupuesto de radioenlace completo es simplemente la suma de todos los aportes (en decibeles) en el camino de las tres partes principales. Potencia del transmisor [dBm] – Pérdida en el cable TX [dB] – Pérdida en los conectores TX [dB] + ganancia de antena TX [dBi] – Pérdidas en la trayectoria en el espacio libre [dB] + ganancia de antena RX [dBi] – Pérdidas en el cable del RX [dB] – Pérdida en los conectores RX [dB] = Margen – Sensibilidad del receptor [dBm].

Un aspecto que puede sorprender es que en la ecuación se suman unidades dBm, dB, dBi como si fueran de la misma dimensión. El decibel (dB) es una medida que surge de dividir dos cantidades, una unidad adimensional como el porcentaje (%). El dBm en cambio es la potencia referida a 1 mW y por lo tanto es una medida absoluta. Esto se entiende mejor recurriendo a una analogía con las alturas en metros; para calcular la altura de un edificio de 30m que está en una calle a 1600m sobre el nivel del mar 6

sumamos tranquilamente metros y metros sobre el nivel del mar. La altura total del edificio será de 1630m sobre el nivel del mar.

(Trayectoria completa de transmisión entre el transmisor y el receptor)

(Potencia en dBm en función de la distancia para un radioenlace)

Una cuestión importante a tener en cuenta es que si la potencia del transmisor y la del receptor no son iguales debe realizarse el cálculo del presupuesto tanto en el sentido transmisor-receptor como en el sentido inverso para asegurarnos que el enlace se puede establecer efectivamente. Podría darse el caso, por ejemplo, de tener una radiobase de mucha potencia para que llegue a varios clientes a distintas distancias y que uno de los clientes reciba la señal, pero no tenga la potencia suficiente para comunicarse con la radiobase con lo que el enlace no podrá establecerse.

LADO DE TRANSMISIÓN 1.1 Potencia de Transmisión (Tx) La potencia de transmisión es la potencia de salida del radio. El límite superior depende de las regulaciones vigentes en cada país, dependiendo de la frecuencia de operación y puede cambiar al variar el marco regulatorio. En general, los radios con mayor potencia de salida son más costosos. La potencia de transmisión del radio, normalmente se encuentra en las especificaciones técnicas del vendedor. Tenga en cuenta que las especificaciones técnicas le darán valores ideales, los valores reales pueden variar con factores como la temperatura y la tensión de alimentación. La potencia de transmisión típica en los equipos IEEE 802.11 varía entre 15 – 26 dBm (30 – 400 mW). Por ejemplo, en la siguiente tabla, vemos la hoja de datos de una tarjeta IEEE 802,11b/g/n/ac: Protocolo

Potencia pico [dBm]

Potencia pico [mW]

IEEE 802.11b

18 dBm

63 mW

IEEE 802.11g

26 dBm

398 mW

IEEE 802.11n

25 dBm

316 mW

IEEE 802.11ac

22 dBm

158 mW

1.2 Pérdida en el cable Las pérdidas en la señal de radio se pueden producir en los cables que conectan el transmisor y el receptor a las antenas. Las pérdidas dependen del tipo de cable y la frecuencia de operación y normalmente se miden en dB/m (metro). Independientemente de lo bueno que sea el cable, siempre tendrá pérdidas. Por eso, recuerde que el cable de la antena debe ser lo más corto posible. La pérdida típica en los cables está entre 0,1 dB/m y 1 dB/m. En general, mientras más grueso y rígido sea el cable menor atenuación presentará. Para darle una idea de cuán grande puede ser la pérdida en un cable, considere que está usando un cable RG58 que tiene una pérdida de 1 dB/m, para conectar un transmisor con una antena. Usando 3m de cable RG58 es suficiente para perder el 50% de la potencia (3 dB). Las pérdidas en los cables dependen de la frecuencia. Por eso al calcular la pérdida en el cable, asegúrese de usar los valores correctos para el rango de frecuencia usada. Controle la hoja de datos del fabricante y si fuera posible, verifique las pérdidas tomando sus propias mediciones. Como regla general, puede tener el doble de pérdida en el cable [dB] para 5,4 GHz comparado con 2,4 GHz. En la siguiente tabla se encuentran los datos referentes al diámetro, impedancia característica, factor de velocidad, así como la atenuación en decibelios cada 100m a distintas frecuencias de trabajo. 8

TIPO DE

DIÁMETRO

CABLE

EN mm.

RG5 RG6 RG8 RG9 RG10 RG11 RG12 RG13 RG14 RG17 RG18 RG19 RG20 RG21 RG22 RG34 RG35 RG55 RG57 RG58 RG59 RG62 RG63 RG71 RG74 RG79 RG87 RG108 RG111 RG114 RG115 RG116 RG122 RG140 RG141 RG142 RG143 RG149 RG164 RG174 RG177 RG178 RG179 RG180 RG187 RG188 RG195 RG196 RG209 RG210 RG212 RG213 RG214 RG215 RG216 RG217 RG218 RG219 RG220 RG221 RG222 RG223 RG225 RG227 RG280 RG281 RG302 RG303 RG304 RG307 RG316 C0-22

8,3 8,5 10,3 10,7 12,0 10,3 12,0 10,7 13,9 22,1 24,0 28,5 30,4 8,5 10,3 15,9 24,0 5,3 15,9 5,0 6,2 6,1 10,3 6,3 15,7 10,3 10,8 6,0 10,7 10,3 10,5 10,8 4,1 5,9 4,8 4,9 8,3 10,3 22,1 2,6 22,7 1,9 2,5 3,7 2,8 2,8 3,9 2,0 18,9 6,1 8,5 10,3 10,8 10,3 10,8 13,8 22,1 24,0 28,5 30,4 8,5 5,4 10,9 10,9 12,2 19,1 5,3 4,3 7,1 6,8 2,6 10

IMPEDANCIA

FACTOR VEL. 10 MHz

50 75 52 51 52 75 75 74 52 52 52 52 52 53 53 75 75 53 95 50 75 93 125 93 52 125 50 78 95 185 50 50 50 75 50 50 50 75 75 50 50 50 75 95 75 50 95 50 50 93 50 50 50 50 75 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 75 50 50 75 50 50

0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,84 0,84 0,84 0,66 0,84 0,69 0,68 0,66 0,88 0,70 0,69 0,66 0,69 0,69 0,69 0,69 0,66 0,66 0,66 0,66 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,84 0,84 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,69 0,69 0,80 0,80 0,69 0,69 0,69 0,80 0,69 0,80

10 MHz

50 MHz

DECIBELIOS DE ATENUACIÓN POR 100 METROS. 100 MHz 200 MHz 400 MHz 1 GHz

3 GHz

2,72 2,72 1,80 2,17 1,80 2,17 2,17 2,17 1,35 0,79 0,79 0,56 0,56 14,40

6,23 6,23 4,27 4,92 4,27 5,25 5,25 5,25 3,28 2,03 2,03 1,48 1,48 30,50

8,86 8,86 6,23 7,55 6,23 7,55 7,55 7,75 4,59 3,12 3,12 2,30 2,30 42,70

13,50 13,50 8,86 10,80 8,86 10,80 10,80 10,80 6,56 4,92 4,92 3,70 3,70 59,10

19,4 19,4 13,5 16,4 13,5 15,8 15,8 15,8 10,2 7,87 7,87 6,07 6,07 85,30

32,15 32,15 26,30 28,90 26,30 25,60 25,60 25,60 18,00 14,40 14,40 11,80 11,80 141,00

75,5 75,5 52,5 59,1 52,5 54,1 54,1 54,1 40,7 31,2 31,2 25,3 25,3 279,0

1,05 0,79 3,94

2,79 1,90 10,50

4,59 2,79 15,80

6,89 4,17 23,00

10,80 6,40 32,80

19,00 11,50 54,10

52,5 28,2 100,0

4,59 3,61

10,80 7,87

16,10 11,20

24,30 16,10

39,40 23,00

78,70 39,40

177,0 86,9

1,35

3,28

4,59

6,56

10,70

18,00

40,7

5,58

14,80

23,00

36,10

54,10

95,10

187,0

3,61

8,86

12,80

18,50

26,30

44,30

88,6

12,80 0,79 18,40 17,40 10,80 17,40 19,70 10,80 18,40

21,70 2,03 34,50 27,90 15,10 27,90 31,50 15,10 34,50

29,20 3,12 45,90 32,80 18,70 32,80 37,40 18,70 45,20

39,40 4,92 63,30 41,00 24,90 41,10 46,60 24,90 62,30

57,40 7,87 91,90 52,50 35,40 52,50 54,80 35,40 91,90

98,40 14,40 151,00 78,70 55,80 78,70 102,00 55,80 151,00

210,0 31,2 279,0 144,0 115,0 144,0 197,0 115,0 279,0

2,72 1,80 2,17 1,80 2,17 1,35 0,79 0,79 0,56 0,56 14,40 3,94

6,23 4,27 4,92 4,27 5,25 3,28 2,03 2,03 1,48 1,48 30,50 10,50

8,86 6,23 7,55 8,23 7,55 4,59 3,12 3,12 2,30 2,30 42,70 15,80

13,50 8,86 10,80 8,86 10,80 6,56 4,92 4,92 3,70 3,70 59,10 23,00

19,40 13,50 16,40 13,50 15,80 10,17 7,87 7,87 6,07 6,07 85,30 32,80

32,15 26,30 28,90 26,30 25,60 18,00 14,40 14,40 11,80 11,80 141,00 54,10

75,5 52,5 59,1 52,5 54,1 40,7 31,2 31,2 25,3 25,3 279,0 100,0

1,50 3,61

4,00 8,86

10,80 12,80

15,40 18,50

22,60 26,30

41,90 44,30

85,3 88,6

19,70 1,2

31,50

37,40

46,60 6,0

54,80 8,0

102,00 16,0

197,0 42,0

(Valores típicos de pérdida en los cables cada 100m para frecuencias de 10 MHz a 3 GHz)

1.3 Pérdidas en los conectores Los conectores de RF proporcionan conexiones para unir cables coaxiales y líneas de transmisión stripline a otros componentes o submontajes. Extienden la estructura coaxial al agregar conductores interconectados junto con un mecanismo de bloqueo, mientras se mantiene una impedancia eléctrica constante. Cuando se inserta un elemento en nuestro sistema, tenemos lo que llamamos la pérdida de inserción. Esta pérdida se produce de dos maneras: por la atenuación, especialmente en el cable y por la reflexión. Estime por lo menos 0,25 dB de pérdida para cada conector en su cableado. Estos valores son para conectores bien hechos mientras que los conectores mal soldados DIY (Do It Yourself) pueden implicar pérdidas mayores. Vea la hoja de datos para las pérdidas en su rango de frecuencia y el tipo de conector que usará. Si se usan cables largos, la suma de las pérdidas en los conectores está incluida en una parte de la ecuación de “Pérdidas en los cables”. Pero para estar seguro, siempre considere un promedio de pérdidas de 0,3 a 0,5 dB por conector como regla general. Además, los protectores contra descargas eléctricas que se usan entre las antenas y el radio debe ser presupuestado hasta con 1 dB de pérdida, dependiendo del tipo.

1.4 Amplificadores Opcionalmente, se pueden usar amplificadores para compensar la pérdida en los cables o cuando no haya otra manera de cumplir con el presupuesto de potencia. En general, el uso de amplificadores debe ser la última opción. Una escogencia inteligente de las antenas y una alta sensibilidad del receptor son mejores que la fuerza bruta de amplificación. Los amplificadores de alta calidad son costosos y uno económico empeora el espectro de frecuencia (ensanchamiento), lo que puede afectar los canales adyacentes. Todos los amplificadores añaden ruido extra a la señal, y los niveles de potencia resultantes pueden contravenir las normas legales de la región. Técnicamente hablando, prácticamente no hay límites en la cantidad de potencia que puede agregar a través de un amplificador, pero nuevamente, tenga en cuenta que los amplificadores siempre elevan el ruido también. En la figura siguiente se puede observar el efecto del amplificador en la señal recibida. Obsérvese que se aumenta tanto el nivel de la señal como el del ruido. Además, se puede notar que la señal amplificada presenta mayores fluctuaciones de amplitud que la original, esto significa que la relación Señal/Ruido se ha deteriorado a consecuencia de la amplificación.

(NetStrumbler: Señal y Ruido con y sin amplificar)

1.5 Ganancia de antena La ganancia de una antena típica varía entre 2 dBi (antena integrada simple) y 8 dBi (omnidireccional estándar) hasta 21 – 34 dBi (parabólica). Tenga en cuenta que hay muchos factores que disminuyen la ganancia real de una antena. Las pérdidas pueden ocurrir por muchas razones, principalmente relacionadas con una incorrecta instalación (pérdidas en la inclinación, en la polarización, objetos metálicos adyacentes). Esto significa que sólo puede esperar una ganancia completa de antena, si está instalada en forma óptima. Ver unidad “Antenas y Guías de Ondas” para mas detalles.

PÉRDIDAS DE PROPAGACIÓN Las pérdidas de propagación están relacionadas con la atenuación que ocurre en la señal cuando esta sale de la antena de transmisión hasta que llega a la antena receptora.

2.1 Pérdidas en el espacio libre (Free Space Loss) Conforme una señal de radio sale de la antena del transmisor, se somete a un fenómeno conocido como la pérdida en el espacio libre (FSL, Lbf). La pérdida en el espacio libre explica como una señal que se propaga a través del espacio, se expande hacia el exterior, resultando en una reducción en los niveles de potencia. Es cierto que, de todas las señales de radio, las señales de frecuencia más alta (por ejemplo, 5 GHz) se someten a una mayor pérdida de trayecto en comparación con las señales de baja frecuencia (por ejemplo, 2.4 GHz).

Las pĂŠrdidas mĂĄs grandes de un radioenlace se producen en la propagaciĂłn en espacio libre debido a la atenuaciĂłn geomĂŠtrica de la seĂąal. AĂşn en el vacĂo, una onda de radio pierde energĂa (de acuerdo con los principios de Huygens) que se irradia en direcciones diferentes a la que puede capturar la antena receptora. NĂłtese que esto no tiene nada que ver con el aire, la niebla, la lluvia o cualquier otra cosa que puede adicionar pĂŠrdidas. La PĂŠrdida en el Espacio libre (FSL, Lbf), mide la potencia que se pierde en el mismo sin ninguna clase de obstĂĄculo. La seĂąal de radio se debilita en al aire debido a la expansiĂłn dentro de una superficie esfĂŠrica. La PĂŠrdida en el Espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y tambiĂŠn proporcional al cuadrado de la frecuencia. Aplicando decibeles, resulta la siguiente ecuaciĂłn:

đ?&#x;&#x2019;. đ??&#x2026; ) + đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2C6; đ?&#x2019;&#x2021; (đ?&#x2018;´đ?&#x2018;Żđ?&#x2019;&#x203A;) + đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2C6; đ?&#x2019;&#x2026; (đ?&#x2019;&#x152;đ?&#x2019;&#x17D;) đ?&#x2018;łđ?&#x2019;&#x192;đ?&#x2019;&#x2021; (đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2018;Š) = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2C6; ( đ?&#x2019;&#x201E; d = distancia f = frecuencia c = Velocidad de la luz en el vacĂo Si d se mide en KilĂłmetros, f en Megahertz y el enlace usa antenas isotrĂłpicas, la fĂłrmula es:

đ?&#x2018;łđ?&#x2019;&#x192;đ?&#x2019;&#x2021; (đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2018;Š) = đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;?, đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C; +đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2C6; đ?&#x2019;&#x2021; (đ?&#x2018;´đ?&#x2018;Żđ?&#x2019;&#x203A;) + đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2C6; đ?&#x2019;&#x2026; (đ?&#x2019;&#x152;đ?&#x2019;&#x17D;)

(PĂŠrdida en dB en funciĂłn de la distancia en metros)

El grĂĄfico muestra la pĂŠrdida en dB para 2,4 GHz

y 5,4 GHz

. Se puede ver que despuĂŠs de

1,5km, la pĂŠrdida se puede ver como â&#x20AC;&#x153;linealâ&#x20AC;? en dB. 12

Como regla general en una red inalámbrica a 2,4 GHz, 100 dB se pierden en el 1er kilómetro y la señal es reducida a 6 dB cada vez que la distancia se duplica. Esto implica que un enlace de 2 km tiene una pérdida de 106 dB y a 4km tiene una pérdida de 112 dB, etc. Distancia [km]

915 MHz

2,4 GHz

5,8 GHz

1 km

92 dB

100 dB

108 dB

10 km

112 dB

120 dB

128 dB

100 km

132 dB

140 dB

148 dB

(Pérdidas en Espacio Abierto (FSL, Lbf) en dB para diferentes distancias y frecuencias)

Estos valores son teóricos y pueden muy bien diferir de las mediciones tomadas, El término “espacio libre” no es siempre tan “libre”, y las pérdidas pueden ser muchas veces mas grandes debido a las influencias del terreno y las condiciones climáticas. En particular, las reflexiones en cuerpos de agua o en objetos conductores pueden introducir pérdidas significativas.

2.2 Zona de Fresnel Gracias a los desvelos de Huygens, Fresnel y posteriores, podemos representar de manera simplificada cómo se propagan, lo que nos será muy útil en el diseño de radioenlaces. La teoría de trayectorias de Huygens-Fresnel nos dice que la energía que transporta una onda electromagnética se propaga en línea recta. Esta simplificación es válida siempre que la longitud de onda sea mucho menor que los objetos circundantes, cosa que se cumple normalmente en las microondas, y que generalmente estas son las frecuencias donde trabajan los radioenlaces. Las microondas se propagan por la troposfera. La presencia de la superficie terrestre, el aire y los fenómenos meteorológicos, influyen en la propagación de las señales a través de fenómenos como: absorción, atenuación, difracción, interferencia, refracción y reflexión. Es decir, las ondas de la antena emisora llegarán a la receptora por otros caminos además de la línea recta o línea vista. Por ejemplo, como vemos en la imagen, podemos tener reflejos del suelo, pero también podríamos tener de otros objetos o de fenómenos meteorológicos.

Por lo tanto, tenemos más haces de la onda que llegan de una forma u otra a la antena receptora. Pero esto no es mejor, en todo caso es peor. El problema de estos haces de las ondas reflejadas, refractadas, etc. es que llegarán en un ángulo fuera de fase, pudiendo originar una interferencia destructiva que cause una reducción de la potencia de la señal o cancelación por fase.

Las zonas de Fresnel Un requisito importante para lograr la mejor calidad posible de un radioenlace al aire libre es mantener una línea de vista clara. Línea de visión se refiere a un área de forma elíptica entre ambos extremos del radioenlace. La idea, que fue bautizada en honor a Fresnel, consiste en determinar qué zona del espacio entre emisor y receptor debe estar libre para evitar en la medida de lo posible este fenómeno de cancelación por fase. Podemos imaginar las zonas de Fresnel como varias elipses en 3D. Todas tienen la misma distancia entre antenas (d en la imagen), pero cada una dispone de un radio al centro (r en la imagen) cada vez mayor:

Con la tecnología inalámbrica al aire libre, tales señales pueden causar múltiples vías de llegada, lo que puede afectar negativamente a la recepción de la señal. Dentro de estas zonas, obstrucciones comunes como follaje de árboles, edificios, las superficies de metal, e incluso precipitaciones pueden resultar en señales dispersadas o reflejadas. •

La zona 1 es la que más afecta a la intensidad de la señal.

•

La zona 2 afecta menos que la 1.

•

La zona 3 afecta menos que la 2.

•

Y así sucesivamente…

Existe un número infinito de zonas (n) pero habitualmente se realizan los cálculos hasta la tercera zona, porque a partir de ella, el efecto de cancelación se hace despreciable. Las zonas de Fresnel se calculan según esta fórmula:

Donde: •

n: es el número de zona: 1, 2, 3…

•

λ: es la longitud de onda de la señal emitida

•

d1: es la distancia del punto donde calculamos el valor de la zona a la antena emisora

•

d2: es la distancia del punto donde calculamos el valor de la zona a la antena receptora

En la práctica, es muy habitual calcular el máximo radio en metros de la primera zona de Fresnel. Este valor tiene lugar en el centro del radioenlace. En este punto, d1 es igual a d2, y la fórmula nos quedaría así:

Donde: •

D: es la distancia en km entre antenas

•

f: es la frecuencia en GHz de la señal transmitida

2.3 Cálculos de radioenlaces y obstáculos Las zonas de Fresnel son muy útiles a la hora de diseñar y construir radioenlaces, pues nos permiten calcular si los obstáculos entre antenas van a resultar un problema de pérdida de señal. En general, el estándar en el diseño de radioenlaces para considerarlos aceptables es: •

La primera zona de Fresnel debe estar despejada en al menos un 60% a lo largo de toda su extensión, aunque se recomienda que el despeje sea del 80% o mayor.

•

Cualquier reflexión o desviación que altere el refuerzo de la primera zona, reduce la señal recibida.

•

Las zonas de Fresnel sucesivas tienen menor impacto.

Esto significa que, si entre nuestras antenas existe un obstáculo, como el árbol de la imagen, la distancia del punto más alto hasta la Línea de Vista, debe ser superior al 60% del valor de la primera zona de Fresnel calculada en este punto: Es decir:

r2 >= r1 · 0,6 Siendo: 16

•

r1: el radio o distancia resultante de calcular la primera zona de Fresnel a la distancia del obstáculo.

•

r2: el radio o distancia desde el punto más elevado del obstáculo hasta la línea vista entre las 2 antenas.

2.4 La curvatura de la tierra Cuando hablamos de obstáculos pensamos en objetos, pero hay otra cosa más grande que también puede producir problemas: la tierra. Si la distancia entre antenas es muy grande, la curvatura terrestre puede interferir en la señal de varias maneras: •

Aumentando la altura de los obstáculos intermedios.

•

Curvando el haz electromagnético como consecuencia de la refracción troposférica.

•

Convirtiéndose ella misma en un obstáculo.

A la hora de calcular la altura de los obstáculos y ver si sobrepasan el 60% de la primera zona de Fresnel, tendremos que aplicar un factor corrector, también conocido como flecha:

Donde: •

d1: es la distancia del punto donde calculamos el valor de la zona a la antena emisora

•

d2: es la distancia del punto donde calculamos el valor de la zona a la antena receptora

•

k: es la constante de la tierra ficticia, habitualmente 4/3

•

a: es el radio de la tierra (6370 km)

LADO RECEPTOR Los cálculos son casi idénticos que los del lado transmisor.

3.1 Ganancia de antena desde el receptor Véase “Ganancia de Antena desde el transmisor”.

3.2 Amplificadores desde el receptor Los cálculos y los principios son los mismos que el transmisor. Nuevamente, la amplificación no es un método recomendable a menos que otras opciones hayan sido consideradas y aun así sea necesario, por ej., para compensar pérdidas en el cable.

3.3 Sensibilidad del receptor El trabajo principal del receptor de radio es "escuchar" las señales del transmisor deseado. Como se explicó en el punto anterior, la pérdida en el espacio libre hace que la señal decaiga rápidamente. El resultado es a menudo una señal muy, muy débil que llega al receptor, lo que hace que la sensibilidad sea una de las características más importantes del equipamiento de radio. El valor de sensibilidad del equipo receptor depende de diversos parámetros, pero sobre todo del nivel de ruido a la entrada del demodulador, tanto ruido térmico generado en el propio equipo como ruido externo captado por la antena. Lógicamente, cualquier interferencia externa que incida en la antena influirá igualmente en la calidad del sistema y en el valor de sensibilidad. En las hojas de especificaciones de los equipamientos TX/RX de radiocomunicaciones se indica normalmente la potencia máxima que pueden transmitir, así como el nivel mínimo de señal (sensibilidad) que necesitan recibir para obtener un cierto umbral de calidad. Dado que hoy en día los radioenlaces son digitales, la calidad se define en términos de la tasa de error o BER (Bit Error Rate). De este modo, el fabricante suele proporcionar una tabla con diferentes valores de sensibilidad para distintos valores de BER, esquemas de modulación y anchos de banda. La Sensibilidad define la capacidad del equipo de radio para "escuchar" las señales débiles. Cuanto mayor es la sensibilidad de la radio, se puede recibir señales más débiles también.

La sensibilidad del receptor es un parámetro que indica el valor mínimo de potencia que se necesita para alcanzar una cierta tasa de bit. Cuanto más baja sea la sensibilidad, mejor será la recepción del equipo de radio.

En el diseño de un radioenlace, la sensibilidad del equipo receptor es un parámetro de gran importancia, pues determina fundamentalmente el alcance del sistema. Este valor de sensibilidad puede definirse en términos de potencia (dBm) y tensión (dBμV) en el puerto de RF, o bien campo eléctrico (dBμV/m) incidente en la antena. Una diferencia de 10 dBm aquí (que se puede encontrar fácilmente entre diferentes tarjetas) es tan importante como 10 dB de ganancia que pueden ser obtenidos con el uso de amplificadores o antenas más grandes. Nótese que la sensibilidad depende de la tasa de transmisión. 1x BPSK (1/2)

4x 16QAM (3/4)

6x 64QAM (5/6)

8x 256QAM(5/6)

MCS0

MCS4

MCS7

MCS9

Ubiquiti Rocket M5 AC-Lite

-96 dBm

-86 dBm

-74 dBm

-65 dBm

Ubiquiti Rocket Prism AC5

-96 dBm

-86 dBm

-74 dBm

-65 dBm

Ubiquiti Bullet M5 AC-IP67

-93 dBm

-83 dBm

-71 dBm

-62 dBm

Mimosa PTP C5C

-93 dBm

-83 dBm

-75,5 dBm

Mikrotik Metal 5

-93 dBm

-71 dBm

-69 dBm

Mikrotik Metal 52AC

-93 dBm

-74 dBm

-69 dBm

Mikrotik NetMetal5RB922HP

-96 dBm

-77 dBm

-72 dBm

(Valores típicos de la sensibilidad del receptor de equipos inalámbricos)

3.4 Selectividad del Radio Con el fin de minimizar el efecto de la interferencia de canales vecinos, el receptor de radio necesita un filtrado adecuado. La capacidad del receptor para "escuchar" solamente la señal deseada mientras que bloquea otras fuentes en la banda no deseadas, es conocida como selectividad del equipo de radio. A modo de ejemplo, la interferencia en la banda de 2,4 GHz del espectro se refiere a las señales no deseadas a través de los canales del 1 al 11 (1-13 donde esté disponible). La siguiente figura muestra el receptor de radio (verde) con filtrado "apretado" -10 MHz por debajo del centro f del canal de transmisión (azul). Sin embargo, 10 MHz por encima del centro f del canal de transmisión, pobre filtrado / selectividad incrementa la cantidad de interferencia en la banda que el receptor puede escuchar.

3.5 Margen y SNR (Relación Señal/Ruido) Definiremos primero Piso de Ruido, que representa el nivel promedio de energía derivado de las fuentes de ruido locales, incluyendo del funcionamiento del equipo receptor de radio y el ruido térmico. El ruido térmico es una propiedad inherente relacionada con el tamaño del canal inalámbrico. El ruido también se mide en dB. Cuanto mayor sea la anchura del canal, mayor es el nivel de ruido térmico. Por esta razón, los canales más pequeños como 5 y 10 MHz son idealmente adecuados para largo alcance, los enlaces PTP donde la señal es muy débil, el canal es menos susceptible al ruido. No es suficiente que la señal que llega al receptor sea mayor que la sensibilidad de este, sino que además se requiere que haya cierto margen para garantizar el funcionamiento adecuado. La relación entre el ruido y la señal se mide por la tasa de señal a ruido (S/N). Un requerimiento típico de la SNR es 16 dB para una conexión de 11 Mbps y 4 dB para la velocidad más baja de 1 Mbps. En situaciones donde hay muy poco ruido el enlace está limitado primeramente por la sensibilidad del receptor. En áreas urbanas donde hay muchos radioenlaces operando, es común encontrar altos niveles de ruido (tan altos como -92 dBm). En esos escenarios, se requiere un margen mayor:

Relación señal a ruido [dB] = 10*Log10 (Potencia de la señal [W] / Potencia del ruido [W]) En condiciones normales sin ninguna otra fuente en la banda de 2.4 GHz y sin ruido de industrias, el nivel de ruido es alrededor de los -100 dBm. EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) = PIRE (Potencia Irradiada Isotrópica Efectiva)

Los organismos reguladores (autoridades nacionales) establecen límites sobre la cantidad de energía puede salir de un sistema de RF (radio y antena). La cantidad total de energía que sale del sistema de RF se llama la potencia efectiva isotrópica radiada (PIRE), que considera: •

Potencia de transmisión (TX)

•

Ganancia de antena (TX)

•

Pérdidas en cables y conectores (TX)

Para calcular la PIRE total de un radioenlace, se debe sumar la potencia de transmisión y la ganancia de la antena, luego se resta cualquier pérdida que puedan generar los cables o conectores. Con el fin de cumplir con las normas reguladoras. Hoy en día muchos equipos de radio ajustarán automáticamente la potencia de transmisión basados en el Código de País seleccionado, frecuencia y ganancia de antena.

PIRE (dBm) = Potencia del transmisor (dBm) – Pérdidas en el cable y

conectores (dB) + ganancia de antena (dBi)

Básicamente, la PIRE o EIRP es un valor que especifica la máxima potencia que está transmitiendo al espacio.

PRESUPUESTO DE ENLACE COMPLETO El cálculo de presupuesto de enlace es para estar seguro de que el margen en el receptor es mayor que un cierto umbral. Además, la PIRE debe estar dentro de las regulaciones. El margen de un presupuesto de enlace puede ser resumido de la siguiente manera:

Margen = Potencia de Transmisión [dBm] – Pérdidas en el cable TX [dB] + Ganancia de Antena TX [dBi] – Pérdida en la trayectoria del Espacio Libre [dB] + Ganancia de Antena RX [dBi] – Pérdida de Cable RX [dB] – Sensibilidad del receptor [dBm]

Tener un buen presupuesto del radioenlace es un requerimiento básico para el buen funcionamiento del mismo.

Ejemplos de cálculos de presupuesto completo: Ejemplo 1: Enlace de 50 km Datos

Elementos

Valores

Salida del transmisor (TX)

+ 15 dBm

Cables y conectores (TX)

– 3 dB

Antena del transmisor (TX)

+ 24 dBi

Distancia: 50 km

Perdida Espacio Libre (FSL, Lbf)

Frecuencia: 2,4 GHz

Antena del receptor (RX)

+ 24 dBi

Cables y conectores (RX)

– 3 dB

Sensibilidad del receptor (RX)

– 134 dBm

– – 85 dBm

Total: (margen)

+ 8 dB

El margen del enlace es de 8 dB a 2,4 GHz que puede ser adecuado para un ambiente rural pero la potencia irradiada de 36 dBm (4W) no es legal en Europa, aunque si en EEUU.

Ejemplo 2: Enlace de 1 km, Cables de baja calidad y poca ganancia de las antenas Datos

Elementos Salida del transmisor (TX)

Valores + 18 dBm

Distancia: 1 km

Cables y conectores (TX)

– 5 dB

Frecuencia: 2,4 GHz

Antena del transmisor (TX)

+ 5 dBi

Perdida Espacio Libre (FSL Lbf)

– 100 dBm

Cables de baja calidad y

Antena del receptor (RX)

+ 8 dBi

poca ganancia de

Cables y conectores (RX)

– 5 dB

antenas

Sensibilidad del receptor (RX) Total: (margen)

– – 92 dBm + 13 dB

El margen de este enlace es de 13 dB, adecuado para ambientes urbanos y la potencia irradiada es de 18 dBm (<100 mW), quiere decir que el enlace es legal en cualquier país.

MARGEN DE DESVANECIMIENTO O FADING Con el tiempo, y en un entorno dinámico y compartido como el espectro radioeléctrico, puede influir en la calidad del radioenlace, desvaneciéndolo. Para prevenir la degradación por ejemplo por efectos

estacionales, cambios en las precipitaciones, crecimiento de follajes, y hasta la presión atmosférica, es recomendable introducir un margen de desvanecimiento o sea la planificación de amortiguación de la señal para vincular los presupuestos de potencia. Cuanto mayor es el margen de desvanecimiento, más resistente será su enlace inalámbrico a los cambios. Normalmente se recomienda el margen de desvanecimiento de 15dB para enlaces inalámbricos al aire libre. Esto significa que si usted apunta recibir intensidad de señal de -65 dBm, usted debe planear utilizar equipos capaces de alcanzar la señal de -50 dBm.

INDISPONIBILIDAD DE UN RADIOENLACE La indisponibilidad o corte de un radioenlace se produce cuando la señal recibida no alcanza el nivel de calidad mínimo exigido, lo que se traduce en un aumento significativo de la tasa de error (BER). Es decir, existe una interrupción del servicio puesto que el demodulador no puede recuperar correctamente la señal de voz, vídeo o datos transmitida.

Se describe en términos de interrupciones, intervalos de tiempo en que: •

Se produce pérdida total o parcial de la señal.

•

Se produce un ruido o tasa de error excesivo.

•

Aparece una fuerte discontinuidad o existe gran distorsión de señal.

Definición de las interrupciones: • •

Criterio cuantitativo de las interrupciones: S/N o potencia de ruido y BER. Duración: o Larga: mayores de 10 s e influyen notablemente en la disponibilidad. o Breves: se suele especificar la duración total máxima admisible; influyen en la calidad de fidelidad.

Las causas de estas interrupciones pueden ser muy diversas, aunque podemos destacar las siguientes: ruido externo e interferencias, atenuación por lluvia, obstrucción del haz, desvanecimientos de la señal o fallos y averías de los equipos.

Causas de interrupción: •

Debidas a los equipos: suelen ser de larga duración.

•

Condiciones anómalas de propagación.

•

Interferencia o Ruido: dentro del sistema o exterior al mismo.

Si dejamos aparte las interrupciones causadas por un aumento transitorio de los niveles de ruido o interferencia, el principal motivo de indisponibilidad de un radioenlace se debe a una disminución del 23

nivel de potencia recibida por debajo del umbral de sensibilidad del equipo receptor. Los aumentos de atenuación causados por la lluvia o la obstrucción del haz ya fueron tratados en artículos anteriores, por lo que ahora nos centraremos en los desvanecimientos.

Para evitar los desvanecimientos, o al menos reducir su probabilidad, suelen emplearse técnicas de diversidad. Estas técnicas pueden clasificarse atendiendo al dominio en el que se apliquen: espacio, tiempo, frecuencia o código. Las técnicas de diversidad espacial hacen uso de dos o más antenas que determinan distintos trayectos de propagación. Dichas antenas pueden ser iguales o de características diferentes (polarización, diagrama de radiación, etc.), así como emplear técnicas MIMO. Por otro lado, las técnicas de diversidad temporal hacen uso del procesado de señal para mejorar la calidad de la señal recibida, bien trabajando con distintas frecuencias, por ejemplo, OFDM y FHSS. Por último, otra causa de indisponibilidad de un radioenlace es la debida a fallos en equipos. Ésta puede calcularse como

Pind(%) = [ MTTR / (MTBF + MTTR) ] × 100 ≈ ( MTTR / MTBF ) × 100 donde MTBF es el tiempo medio entre fallos y MTTR es el tiempo medio que se tarda en reparar o sustituir un equipo por el de reserva.

(Indisponibilidad de un radioenlace por fallos en equipos)

La fiabilidad de los equipos de radiocomunicaciones suele ser elevada, pero dado que éstos se encuentran en ocasiones en lugares de difícil acceso (colinas o torres de comunicaciones), cualquier fallo tiene repercusiones importantes en la calidad del servicio, ya que pueden pasar varias horas hasta su sustitución o reparación. Por ello, y dependiendo del tipo de servicio, resulta necesario instalar equipos

redundantes en configuraciones 1+1 o N+1 en general. De este modo, se reduce considerablemente el tiempo de indisponibilidad del radioenlace.

CONFIABILIDAD DE UN RADIOENLACE La confiabilidad de este tipo de sistema de comunicaciones viene dada no sólo por la confiabilidad de los equipos y sistemas de poder y clima, sino también por las condiciones del medio de propagación. Este documento no trata los detalles propios del diseño de radioenlaces, sino sólo su aspecto más destacado de confiabilidad. Entonces las condiciones de espacio libre, es una situación ideal, en que la señal transmitida se atenúa, sólo por la expansión del frente de onda, y cuyo valor en dB corresponde a:

A = 92,4 + 20log f + 20log d Donde: f es la frecuencia de operación en GHz y d la distancia entre antenas en Km. En condiciones reales el medio de transmisión entre las antemas es el aire, sometido a sus componentes de humedad, presión atmosférica, temperatura, polución, etc. Más aún, la condición de espacio libre se ve afectada por los múltiples obstáculos que impone la topografía del terreno, generando los fenómenos de reflexiones, refracciones y difracciones de la onda electromagnética. Esto también indica que el conocido factor K=4/3 es un valor medio para representa el índice de refracción, que en la realidad también es variable, por lo cual debe tenerse en cuenta su variabilidad en el análisis de despeje de la trayectoria de propagación (criterio K=2/3). Siendo tantos los factores que influyen, se ha llegado a establecer modelos generales que consideran las características de la zona en que se despliega un radioenlace, tales como sitios montañosos o llanuras, zonas tropicales o mediterráneas.

REPETIDORES Los repetidores son estaciones fijas que trasmiten las señales que son recibidas, poseen características técnicas particulares y están ubicadas en lugares geográficos estratégicos que les permiten cubrir determinada área del sistema de comunicación, generalmente las estaciones repetidoras funcionan controlándose de forma no permanente, tele-controlados desde otros puntos o realizando visitas periódicas con espacios de tiempo largos, puesto que en la mayoría de los casos son lugares de difícil acceso.

En los casos en que una ruta de acceso de microondas directa no se pueda establecer, es decir que no hay línea de vista entre dos puntos, es posible establecer una ruta con un repetidor. La función de este repetidor es redirigir la señal con el fin de pasar el haz de microondas por encima del obstáculo, obviamente el principal requisito es que debe haber una clara línea de visión directa entre el repetidor y ambos lados del radioenlace. Puede haber 3 tipos de Repetidores:

Repetidor activo Este tipo de repetidores son los más comunes, están constituidos en su mayoría por un espacio para albergar equipos de radio, baterías, rectificadores y demás equipos, poseerá también la torre necesaria para colocar la o las antenas, por su constitución deberá ser necesariamente un lugar en el cual se cuente con energía eléctrica, ya sea a través de una líneas de alimentación eléctrica o renovable solar, eólica o por medio de un grupo electrógeno el cual regularmente se deberán recargar los tanques de combustible. La principal función del repetidor activo es tomar la señal en la frecuencia de llegada, trasladarla a una frecuencia intermedia, amplificar la señal y retransmitir en la frecuencia de salida, aquí no existe demodulación de la señal por lo que la información que lleva la señal no es procesada constituyendo a este tipo de repetidor un conjunto de equipos de transmisión-receptor para cada sentido de transmisión. Un sitio con un repetidor activo contiene dos terminales completas de radio de microondas: antenas, cables coaxiales o guías de onda, y otros componentes, y es una solución mucho más costosa que el repetidor pasivo se describe a continuación, puesto que se requiere un recinto para el equipo (caseta o shelter), planta eléctrica, una estructura de la antena de montaje de algún tipo. La mejor manera de evitar el uso de repetidores en los radioenlaces de microondas es cuidar exhaustivamente la planificación del radioenlace y ejecutar el diseño de la red de microondas y estratégicamente, sin embargo, hay ocasiones en que el uso de repetidores es imprescindible.

Repetidor portátil El concepto de repetidor portátil define un repetidor que es transportable con el usuario del sistema de comunicación, los equipos son denominados porta móviles y son instalados en vehículos o llevados temporalmente a mano.

Repetidor pasivo Suelen darse situaciones en las que es necesario colocar un repetidor en lugares de difícil acceso en donde es imposible por razones técnicas o económicas llevar alimentación eléctrica, estos lugares pueden ser la cima de una montaña, una zona protegida por motivos ambientales o que las líneas de transmisión eléctricas deban atravesar un terreno particular con cuyos propietarios no se puedan llegar a un acuerdo.

Los repetidores pasivos se utilizan para cambiar la dirección de la señal de radio con el fin de superar los obstáculos de visión directa entre dos estaciones de microondas, su misión es cambiar la dirección del haz radioeléctrico sin regenerar ni amplificador la ganancia de la señal. También se emplean cuando el costo en comparación con un repetidor activo es demasiado alto. Utilizar un repetidor pasivo no sólo es más barato de hacer uso de un repetidor activo, el costo de operación también se reduce sustancialmente. Además, los repetidores pasivos tienen una gran ventaja sobre los repetidores activos desde el punto de vista de la ecología, ya que no es necesario construir vías de acceso, ni implementar líneas de alimentación eléctrica hacia el sitio del repetidor, este tipo de repetidores requieren un mantenimiento mínimo y cuando es necesario visitarlo se lo puede hacer a caballo, a pie, o helicóptero, su instalación es menos costosa, al igual que su operación, al tiempo que ofrece una alta fiabilidad. Hay dos tipos de repetidores pasivos, uno consiste en dos antenas parabólicas conectadas espalda con espalda a través de un pequeño tramo de guía de onda o cable coaxial. La otra, es un reflector plano que actúa como un espejo de microondas.

Repetidor pasivo tipo Espejo El repetidor espejo o también conocido como reflector es una plancha metálica que refleja la señal entre las antenas de las estaciones receptor y transmisora para salvar los obstáculos que se presenten en la trayectoria cambiando la dirección del campo electromagnético. El repetidor pasivo tipo espejo es el más utilizado y su ganancia corresponde al cociente entre el área del espejo en la dirección de propagación y el área eficaz de la antena isotrópica. La figura 1.10 se aprecia el repetidor espejo.

Repetidores pasivos “Back-to-Back” o “Espalda-Espalda” El repetidor pasivo espalda-espalda o más conocido como “back-to-back” dispone de líneas de transmisión como el cable coaxial o guía de ondas que conectan una antena a la otra, con unos pocos metros de distancia. Al momento de calcular el presupuesto de potencias del radioenlace, el cálculo es muy simple. Aquí la ganancia total es la cercana a la suma de las ganancias individuales de las antenas, menos la perdida en el cable y sus conectores. Luego del repetidor hay que sumar nuevamente la perdida por espacio libre del segundo trayecto del radioenlace. Puede existir una interferencia entre antenas debido a la emisión frente-espalda de cada antena, que en estos casos es despreciable, la instalación y la orientación en el repetidor espalda-espalda es más simple que en el tipo espejo, sin embargo, un espejo de gran tamaño puede tener una ganancia mayor. Los repetidores back-to-back y en general los repetidores pasivos solo son útiles cerca de una de las antenas y para enlaces relativamente cortos debido a la suma de atenuaciones que sufre la señal en la trayectoria.

TÉCNICAS DE DIVERSIDAD El canal radio presenta un comportamiento dinámico producto de los efectos multitrayecto y del ensanchamiento Doppler, los cuales pueden afectar significativamente el rendimiento del sistema. Las técnicas de diversidad permiten en ocasiones evitar este deterioro a un coste relativamente bajo, pudiendo implementarse de diferentes formas tanto en transmisión como en la recepción. La diversidad es una técnica de ingeniería de radioenlaces que se desarrolla para combatir los efectos del desvanecimiento. Se basa en el principio de proporcionar al receptor diferentes versiones de la señal transmitida, así la combinación de todas ellas de manera redundante permitirá que si una de las señales se encuentra degradada se posee de otra recibida en mejores condiciones, el principio de recepción utilizando la técnica de diversidad consiste en recibir y analizar varias señales no correlacionales y escoger en cada instante la mejor, o en recibir en todo momento una combinación de las distintas señales, de esta manera la fiabilidad del enlace mejorará, reduciendo la tasa de error del sistema. La Unión Internacional de Telecomunicaciones emite la Recomendación UIT-R P.530, denominada “Datos de propagación y métodos de predicción necesarios para el diseño de sistemas terrenales”, en la cual se encuentra un apartado denominado “Técnicas de diversidad”, y sobre el que se basan las expresiones expuestas en los siguientes numerales referidos al tema de diversidad. Existen diferentes técnicas de diversidad, como se expone en el siguiente esquema: Según los parámetros del camino radioeléctrico

De espacio o espacial De frecuencia De polarización De ángulo

Según el procesamiento de la señal

De conmutación De combinación

Técnicas de diversidad

Diversidad de espacio o espacial En esta clasificación se presentan diferentes técnicas para conseguir varias señales que contengan la misma información, estas señales son procesadas posteriormente aplicando diversas técnicas de combinación tal como se indicará más adelante en este apartado, de tal forma que se obtenga una nueva señal que contenga las mejores características. La técnica de diversidad de espacio transmite una misma señal por medio de dos trayectos radioeléctricos, el presente sistema se basa en que las dos componentes de una misma señal recorren hacia el receptor por dos caminos diferentes distintos, por este motivo las señales no tendrán los mismos puntos de interferencia. Por lo general en los sistemas por diversidad de espacio se transmite una misma señal a dos antenas receptoras instaladas con cierta separación vertical. Las dos salidas de los receptores se combinan en la estación. Generalmente la separación entre las antenas es la mayor posible, considerando la altura máxima de las torres, además de factores mecánicos y de índole económica. En el siguiente esquema de diversidad espacial, en donde d constituye la separación entre antenas:

(Diversidad de espacio o espacial)

A continuación, se presenta un diagrama de diversidad de espacio que utiliza dos antenas de recepción separadas un distancia d, que recepta la señal enviada por una antena transmisora que utiliza una misma frecuencia para emitir dos señales que viajarán por distintos caminos radioeléctricos. La técnica de diversidad por espacio considera los siguientes puntos:

Separación de las antenas: •

Como se mencionó anteriormente se suele utilizar la mayor separación posible.

•

Las dos antenas deben cumplir con los criterios de visibilidad, considerando especialmente que la antena que se encuentra con menor altura debe mantener el despeje para reducir al mínimo el desvanecimiento.

â&#x20AC;˘

Como criterio prĂĄctico puede considerarse la siguiente expresiĂłn para determinar la distancia entre antenas:

đ?&#x2018;&#x2018;>

Îť 2

Y por generalmente se separan a una distancia 150Îť o 200Îť, asĂ la combinaciĂłn de estos dos criterios adicionados a los elementos reales del sistema darĂĄ las condiciones Ăłptimas de separaciĂłn de antenas.

Ventajas y Desventajas: â&#x20AC;˘

Como ventaja se puede mencionar la utilizaciĂłn de una sola frecuencia.

â&#x20AC;˘

El equipo mĂnimo para utilizar en el montaje del sistema consiste de dos antenas, transmisor y receptor en cada estaciĂłn, lo cual dependiendo del sistema puede ser considerado una ventaja o un perjuicio, sobre todo desde el punto de vista financiero.

â&#x20AC;˘

La diversidad de espacio es una de las medidas mĂĄs eficaces para reducir el desvanecimiento.

â&#x20AC;˘

La utilizaciĂłn de varias antenas podrĂa considerarse como una desventaja.

CĂĄlculo de la separaciĂłn espacial entre antenas: A continuaciĂłn, se presenta el cĂĄlculo para la separaciĂłn de antenas, en donde Îť se encuentra directamente relacionada con la frecuencia del sistema de la siguiente forma:

đ?&#x2018;&#x201C;=

đ?&#x2018;? Îť

Tomando en cuenta que la banda de frecuencia, por ejemplo, la de 5,8 GHz y considerando a c como la velocidad de la luz, procederemos a calcular la distancia entre antenas. 8 đ?&#x2018;&#x161; c 3đ?&#x2018;Ľ10 [ đ?&#x2018; ] Îť= = = 0,052[đ?&#x2018;&#x161;] f 5800 đ?&#x2018;&#x20AC;đ??ťđ?&#x2018;§

đ?&#x2018;&#x2018;>

đ?&#x153;&#x2020; 0,052[đ?&#x2018;&#x161;] = = 0,025[đ?&#x2018;&#x161;] 2 2

Considerando ademĂĄs d entre la 150Îť y 200Îť: 150đ?&#x153;&#x2020; = 150 đ?&#x2018;Ľ 0.052[đ?&#x2018;&#x161;] = đ?&#x;&#x2022;, đ?&#x;&#x2013;đ?&#x;&#x17D;[đ?&#x2019;&#x17D;] 200đ?&#x153;&#x2020; = 200 đ?&#x2018;Ľ 0.052[đ?&#x2018;&#x161;] = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;, đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x17D;[đ?&#x2019;&#x17D;]

La diversidad espacial puede darse tanto en el lado del transmisor, usando varias antenas transmisoras (conocido como sistemas MISO: multiple input single output), como en el lado de recepción, en el que se utilizarán múltiples antenas receptoras (hablamos entonces de sistemas SIMO). Cada vez más se están implementando sistemas que hacen uso de estos dos tipos de diversidad, y es lo que se conoce como sistemas MIMO. Estos sistemas además de conseguir la diversidad añaden distintos grados de libertad para la comunicación. Estos grados se tratarán con más detalle en el apartado posterior.

(Diagrama de bloques de diversidad en espacio)

En la figura podemos observar un ejemplo de un esquema de diversidad de antena, donde (a) se corresponde a un sistema SIMO (Single Input Multiple Output); (b) representa un sistema MISO y (c) un sistema MIMO.

Diversidad de frecuencia Los sistemas con mejoramiento por diversidad de frecuencia consisten en que la realización de las radiocomunicaciones se den mediante doble transmisión/recepción de la señal en frecuencias distintas, por lo que en estos sistemas se necesitan por lo menos dos transmisores y dos receptores que emitan y recepten las mismas señales por dos frecuencias distintas, generalmente se necesitan una antena de transmisión y otra de recepción, puesto que las salidas de los transmisores se conectan en un combinador de diversidad que suma la potencia de las dos señales formando una sola señal que es la radiada al medio mediante una antena. La técnica de diversidad de frecuencia como método para contrarrestar el desvanecimiento en pos de del mejoramiento de la calidad enlace es una solución fácil y práctica. En la siguiente se aprecia la transmisión de una señal utilizando dos frecuencias distintas que se encuentran combinadas en una sola onda emitida al medio por una antena transmisora, la misma que será recibida por una antena receptora, por medio del proceso inverso a la combinación de las señales se obtiene de nuevo la onda original que fue transmitida en diferentes frecuencias, finalmente por medio de un combinador (procesador) se obtiene la mejor opción para la regeneración de la onda que fue transmitida. 32

(Diversidad de frecuencia)

Ventajas y Desventajas: •

Como una ventaja de este método se puede mencionar que para la realización de pruebas técnicas pueden realizarse sin interrupción del servicio.

•

El utilizar dos transmisores y dos protege la continuidad del servicio en caso de posibles averías, puesto que si un equipo falla el otro se coloca en funcionamiento.

•

Un inconveniente tanto desde el punto de vista económico, como de ingeniería de radiofrecuencia, por cuanto la escasez de disponibilidad de espectro radioeléctrico es el requerimiento de un radiocanal adicional para la misma transmitir la misma capacidad de tráfico.

Aplicación al sistema en diseño: La separación entre frecuencias en la práctica de encontrarse en el rango de entre 3 y 5 %, sin embargo, en vista de que la disponibilidad de frecuencias muchas veces es escaza, las separaciones suelen encontrarse en un 2% e incluso en 1%. Considerando como ejemplo un radioenlace de 5 GHz, tendríamos que los radiocanales necesarios serán los detallados a continuación.

•

Transmisión: Frecuencia tomando en cuenta 3% de separación entre canales: 0,03 x 5.660 Mhz = 5.825 Mhz

•

Recepción: Frecuencia tomando en cuenta 3% de separación entre canales: 0,03 x 5.160 Mhz = 5.320 Mhz

Una vez canalizadas las frecuencias tenemos que para la utilizar el método de diversidad de frecuencia al sistema en diseño las frecuencias a utilizar se resumen en la siguiente tabla: 33

Frecuencia Central

del canal 1

del canal 2

Transmisión

5.660 MHz

5.825 MHz

Recepción

5.160 MHz

5.320 MHz

Diversidad de ángulo Las diferentes réplicas de la señal pueden experimentar también diferentes canales de acuerdo con la dirección en que apunten los lóbulos principales de las antenas, tanto en el transmisor como en el receptor. La técnica de diversidad de ángulo constituye dos o más antenas separadas apuntando con ángulos diferentes hacia la antena receptora, garantizando de esta manera que las señales recibidas hayan viajado por caminos radioeléctricos distintos y en condiciones de propagación estadísticamente diferentes. Esta técnica se aplica cuando la frecuencia de operación está por encima de los 10 GHz. Este esquema es más útil en la unidad móvil que en la estación base. Diversidad de polarización Cuando se aplica este tipo de diversidad, se transmite una señal proveniente del radiotransmisor de manera simultánea por dos antenas polarizadas de forma vertical y horizontal, de tal forma que a la recepción lleguen dos señales desvanecidas de manera no correlacionada, este tipo de método de diversidad suele ser aplicado para transmisiones por onda indirecta es decir comunicaciones que utilizan frecuencias que se encuentran en la parte baja del espectro radioeléctrico. Este método no da resultados en la transmisión de microondas por onda espacial, que suelen ser comunicaciones que utilizan bandas de frecuencia por encima de los 30 Mhz, debido a que generalmente ambas señales polarizadas se desvanecen al mismo tiempo. La otra desventaja se halla en la reducción de la potencia de transmisión de 3 dB debido a la separación de la potencia entre las dos antenas polarizadas.

Diversidad de conmutación La combinación de conmutación es un procedimiento en el cual se emplea un dispositivo de conmutación automática que vigila constantemente los niveles de continuidad y ruido, con el propósito de elegir la señal de mejor calidad, el receptor que recibe la señal más débil se desconecta del circuito. El esquema muestra la técnica de diversidad por conmutación en el receptor, para lo cual la señal de una de las antenas pasa por el cabezal de radiofrecuencia, RF, luego la onda será sometida a un test de nivel de señal y una adaptación de nivel mediante un CAG (Control Automático de Ganancia) antes de ser modulada; así si el nivel de la señal se encuentra por debajo del umbral que garantiza la calidad

requerida del enlace se realiza una conmutación de antena, siendo así la señal demodulada la que se constituya de mejor calidad. Una de las ventajas de este método de diversidad se encuentra en la utilización de un solo equipo de radiofrecuencia, sin embargo, una desventaja considerable es la transitoriedad de amplitud y de fase de las ondas recibidas y la incertidumbre que existe al realizar la conmutación, puesto que únicamente se conoce el nivel de la señal de una de las antenas y la conmutación no garantiza que el nivel de señal de la otra antena sea mejor que el de la primera. Sin embargo, en un sentido más práctico los límites del método de conmutación están en el cambio instantáneo de las señales, debido a las implicancias técnicas propias del switching.

(Diversidad por conmutación)

Diversidad de combinación Este tipo de diversidad de se presenta mediante tres tipos de combinación, el principio es el mismo para las tres y es la combinación de las señales ya sea cuando se encuentran en banda base o una vez que han sido moduladas. Los mencionados tipos de diversidad son los siguientes: Combinación por Selección, Combinación Máxima Proporción y Combinación Igual Ganancia, cuyas características serán detalladas a continuación.

Diversidad de combinación por selección Es una combinación de técnicas, en la cual la relación señal a ruido SNR de cada una de las salidas de las n ramas son controladas mediante el uso del mismo número de módulos de procesamiento, es decir, existe un módulo de proceso para cada una de las ramas de la diversidad, tal como se muestra en la figura, la rama que tenga la mayor relación SNR será la seleccionada como señal de salida.

(Diversidad por combinación por selección de n antenas)

Diversidad de combinación por Equal-Gain (Igual ganancia) Como se describió anteriormente, los métodos de diversidad conmutados y de combinación por selección sólo se utiliza la señal de un de las ramas como la señal de salida en un instante determinado de tiempo, por lo que la energía que brindan las demás señales en las otras ramas es no se utilizan. Con el fin de mejorar el rendimiento de esta técnica de diversidad, las señales de todas las ramas se pueden combinar, de tal manera que todas las señales provenientes de cada rama se encuentren en fase, así se puede realizar la suma directa con igual ganancia de las envolventes instantáneas desvanecidas.

(Diversidad de combinación por igual ganancia con n antenas)

Diversidad por Maximal-Ratio (Máxima relación) La diversidad de combinación por igual ganancia se combina en un caso especial, resultando la técnica de máxima relación. El método es que las n ramas de la diversidad se ponderan de acuerdo con sus niveles de relación señal a ruido SNR individual. Se considera la mejor técnica de diversidad de combinación.

(suma directa con igual ganancia de las envolventes instantáneas desvanecidas)

FUENTES •

CABLES COAXIALES I Y II, Artículo aparecido en revista "Radioaficionados" en marzo y junio de 2000, Luis Sánchez Pérez, EA4NH, Apartado 421, TOLEDO

•

CÁLCULO DE RADIOENLACE, Tricalcar, Sebastian Buettrich. 2007

•

CONECTORES COAXIALES DE RF Y MICROONDAS, Ing. Alejandro Henze. INTI, 2011

•

HOW TO SELECT, USE, MAINTEIN COAXIAL CONECTORS RF, Article Digi-Key Electronics, Arthur Pini. 2018 (https://www.digikey.com/es/articles/how-to-select-use-maintain-coaxial-connectors-rf-applications)

•

PÉRDIDAS POR INSERCIÓN Y DE RETORNO EN COMPONENTES PASIVOS DE RADIOFRECUENCIA, José Toscano. 2014

•

CONFIABILIDAD DE UN RADIO ENLACE, Francisco Apablaza. 2015

•

TESIS: ESTUDIO DE LOS CANALES CON DESVANECIMIENTO SOBRE REDES FIJAS Y MÓVILES EN SISTEMAS DE RADIO COMUNICACIÓN, Escuela Politécnica Nacional de México. Paulina Cumandá Yánez Arias. 2009

•

TESIS: RE-DISEÑO DEL ARREGLO DE ANTENAS “BACK-TO-BACK” DEL RADIOENLACE DE MICROONDA ENTRE LAS ESTACIONES DE SAN JUAN Y CHIRIBOGA, DEL S.O.T.E. EN LA BANDA DE 7 GHZ, Escuela Politécnica Nacional de México, Paola Patricia Chicaiza Morocho. 2012