¿Qué es el desvanecimiento? ¿Cuáles son sus parámetros? ¿Cómo se clasifican los desvanecimientos? ¿Qué características tiene el multitrayecto atmosférico? Efectos del desvanecimiento multitrayecto
¿Cómo modelamos estadísticamente el desvanecimiento? ¿Qué desvanecimiento hay debido al suelo? ¿Cómo modelo el desvanecimiento selectivo en frecuencia? ¿Qué estadísticas tiene?
Ejemplo
¿Qué es el Diversidad? Objetivo de la Diversidad Ventajas de la Diversidad
Clasificación de las Técnicas de Diversidad Ventajas y desventajas de las Técnicas de Diversidad RECOMENDACIÓN UIT-R F.752-2 Diversidad espacial en radiocomunicaciones
Desvanecimiento: disminución de la potencia recibida con relación a su valor medio a largo plazo. También puede ser definida como o toda disminución de la potencia recibida de señal con relación a su valor nominal.
Potencia recibida nominal Po: valor mediano de la potencia recibida. • Profundidad de desvanecimiento (dB): la diferencia entre ambos valores. Expresada como diferencia de potencias F1=Po-P1=20log10 ro/r1, o a partir de las tensiones de envolvente ro y r1.
Factor k • Desvanecimiento lento de duración larga, con hasta 6 dB de profundidad. • El radio de Fresnel depende de la frecuencia, aún así la variación no es significativa dentro del canal. Por ello se consideran planos. • También pueden ocurrir desvanecimientos por mecanismos de superrefracción y formación de conductos que desenfocan el haz radioeléctrico. • Este grupo se modela como una gaussiana o expresiones empíricas. • Los desvanecimientos de factor k pueden evitarse mediante alturas de antenas adecuadas.
Multitrayecto: multitrayectos atmosféricos y suelo (u otros). • Suele ser muy profundo y selectivo en frecuencia • Se modela como Rayleigh o Rice
Centelleo • Irregularidades en la troposfera • De pequeña intensidad
Plano o Depresión Media
• Obviamos el suelo (3.28.6 HR) y estudiamos Dependencia con distancia, gradiente N, Espesor, Altura y Grado de estratificación atmósfera. • Si existe componente dominante Distribución Rice. Ej: radioenlaces • Si no existe componente dominante Distribución Rayleigh. Ej: com. Móviles (reflexiones en edificios, dispersión, difracción)
Multitrayectos atmosféricos: “Mes más desfavorable” para estadísticas de ηmes+ desf. Climas templados: η “para el año medio“ se corresponde con los 3 meses del verano: η = 3/12 · ηmes+desf.= 1/4 · ηmes+desf.
• Sea r la tensión de la envolvente de la señal recibida. • Normalizamos r haciendo 1 la tensión nominal: valor mediano en condiciones de recepción normal, sin desvanecimiento profundo. • La fdp de r en el modelo de desvanecimiento Rayleigh:
Y la función de distribución La profundidad de desvanecimiento F1(dB) correspondiente a una tensión recibida normalizada igual a r1 es
El valor de la mediana
• Introduciendo en la función de distribución anterior el valor de y simplificando,
• Se observa que cuando F1 varía en 10 dB, la probabilidad lo hace en una década, “ley de 10dB/década”. • La probabilidad absoluta de que el desvanecimiento sea superior a F1 (dB) incluye la probabilidad de que se de este tipo de desvanecimiento P(R)=η,
• Longitud pequeña y zonas despejadas: mar, lagos, zonas llanas y húmedas • La función de transferencia del trayecto es
Que depende de la distancia, de la frecuencia, de las alturas de antenas y del factor k
El máximo desvanecimiento Como el módulo de la FT es una función periódica, para una determinada frecuencia fc interesa saber en qué lóbulo n0 estamos y cuál es la frecuencia fo donde está el mínimo inmediato inferior.
• El desvanecimiento es función de la frecuencia • Resulta necesario conocer Porcentaje de tiempo en el que un desvanecimiento multitrayecto tendrá carácter selectivo Modelo de la función de transferencia H(ω) (FTM, función de transferencia del multitrayecto), al menos para el ancho de banda de interés. Estadística de los parámetros que intervienen en el modelo. • Los modelos de la FTM se clasifican en Modelos de rayos Modelos polinómicos Modelo de rayos: modelo “multiecos”
Modelo polinómico En la práctica, modelos simplificados • Modelo de tres rayos • Modelo de dos rayos ficticios Objetivo: • Modelar dónde está el notch • Modelar un desvanecimiento selectivo superpuesto al plano
Radioenlaces analógicos: Ruido de intermodulación: importante en radioenlaces con gran capacidad y en aquellos en que se produce por reflexión en el suelo. Variación del nivel de la banda base Radioenlaces digitales Aumenta la interferencia entre símbolos debido a la dispersión de los impulsos. Es mayor a velocidades grandes. Efectos de la recuperación de portadora: se produce una rotación en la constelación. Efectos de la recuperación de la temporización: el muestreo no se realiza en el punto adecuado
Ejemplo de degradaci贸n
Desvanecimiento Plano:
Estadísticas del desvanecimiento • Objetivo: evaluar la probabilidad de que se rebase una determinada profundidad de desvanecimiento • Se predice la duración media de los desvanecimientos • Se predice la frecuencia de los desvanecimiento: número de desvanecimientos de profundidad superior a F por unidad de tiempo. • Si F es pequeña, usualmente centelleo F ≈ 2-5 dB se aplica una gaussiana. La probabilidad de rebasar F se expresa mediante
• Si F es grande F > 15 dB P(FG) ≈ 0 y se aplican estadísticas derivadas de la función Rayleigh. Se modela a continuación. • Para valores intermedios se usan métodos de interpolación.
Métodos de cálculo de la probabilidad de desvanecimiento La ITU-R proporciona la siguiente relación empírica entre η y P0
Método de Mojoli • El valor de P0 para el mes más desfavorable se calcula como sigue, Donde: • f frecuencia en GHz • d longitud del enlace en Km • a parámetro descriptivo del clima. a = [.25,4]. En climas templados a=1, en secos y montañosos, a=0.25, para climas húmedos o que presentan variaciones térmicas intensas (desiertos), a=4. • b parámetro que incluye la influencia del terreno. Para terrenos medianamente ondulados con una ondulación s comprendida entre 5 y 100 m
s es la desviación típica terreno sin tener en cuenta el primer y último km
Cálculo de la probabilidad de desvanecimiento: Métodos 1 y 2 Rec 530 ITU-R • Objetivo: predicción de la probabilidad de desvanecimiento, para el peor mes del año en cualquier parte del mundo • Dos métodos • Método 1: Para pequeños porcentajes de tiempo Para grandes profundidades de desvanecimiento No se utiliza el perfil del trayecto Útil para la planificación inicial o solicitud de licencia de un radioenlace • Método 2 - Para cualquier profundidad de desvanecimiento, mezcla de Método para desvanecimientos profundos Interpolación para desvanecimientos poco intensos • Se completan estos métodos con la conversión entre distribución media anual y mes más desfavorable. •Se desarrollará el método 1.
Cálculo de la probabilidad de desvanecimiento: Métodos 1 y 2 Rec 530 ITU-R Método 1 de la Rec 530 ITU-R. • Validez: desde fmin=15/d (GHz) hasta 45 GHz • Error: 5.2dB a 7.3 dB Se siguen los siguientes pasos: • 1) Cálculo del Valor geoclimático del trayecto, en el mes más desfavorable - A partir de datos de desvanecimientos en la zona - O estimándolo con
Donde – dN1: valor del gradiente para los 65 m inferiores de la atmósfera, no superado durante el 1% del tiempo – sa: rugosidad del suelo – Para una estimación rápida se puede utilizar
2) Se calcula el ángulo de inclinación del trayecto |εp| (mrad) y la altura mínima hl mediante:
donde h1 y h2 son las alturas de las antenas en m sobre el nivel del mar y d es la longitud del trayecto en km. 3) El valor de la probabilidad P(F), en %, es
donde f está en GHz y d en km. Para una estimación rápida se puede utilizar
CONCLUSIONES IMPORTANTES ACERCA DEL DESVANECIMIENTO Y EJEMPLO
El desvanecimiento tiene una gran influencia en la calidad del servicio. Por tanto, es esencial saber lo mas posible sobre el desvanecimiento e intentar predecir o contrarrestar sus efectos.
La degradación producida por el desvanecimiento puede contrarrestarse por medio de – codificación de canal con entrelazado – control de potencia rápido / adaptación al enlace rápida
– diversidad de recepción (de antena, de polarización) – diversificación (“diversidad”) multitrayecto, con SS
EJEMPLO PROBLEMA
PARÁMETROS A DETERMINAR
Se supone un vano de un radioenlace sobre agua,con una longitud de 61.1 km y altura sobre el nivel del mar ht=122 m y hr=457 m en la frecuencia f=6.125 GHz. Considerando R=-1 determine la pro-fundidad de desvanecimiento así como su efecto para una comunicación con 20 Mhz para varios valores del factor k. k
d1
4/3 1 0.83 2/3
15.1 15.7 16.3 17
0.41 0.37 0.34 0.30
D 0.854 0.800 0.754 0.687
Distancia al punto de reflexión Ángulo de incidencia Factor de divergencia Retardo del rayo reflejado Frecuencia de máximo de desv Máxima prof. desv. (ns) 3.9 3.3 2.8 2.2
FR (d B)
f0 (GHz)
16.7 14.0 12.2 10.1
6.154 6.061 6.071 5.909
Conclusiones Influencia de k y de la frecuencia sobre el desvanecimiento Depende del valor de k y para anchuras de banda de 20 MHz el desvanecimiento será más o menos selectivo.
Diversidad
•Diversidad: Técnica que consiste en la trasmisión de la misma información por dos “caminos radioeléctricos” diferentes, que se ven afectados de forma independiente por el desvanecimiento. Caminos eléctricos se refiere a cualesquiera de los parámetros de un vano entre ellos; recorrido, frecuencia, polarización y ángulo. •Objetivo de la Diversidad: Superar efectos adversos del desvanecimiento multitrayecto.
Diversidad •Ventajas de la Diversidad: Reducción del porcentaje de tiempo para un desvanecimiento dado. Aumento de la fiabilidad al existir cierta redundancia. Según el tipo de combinación de las señales y procesamiento subsiguiente, puede conseguirse una mejora en la calidad S/N o en la tasa de error.
Diversidad •Técnicas de Diversidad
Según los parámetros del camino radioeléctrico
De Espacio De frecuencia De Ángulo De Polarización De Trayectoria
Clasificación Selección por Según el Procesamiento de la señal
Conmutación
Selección por Combinación
Diversidad •Según los Parámetros de Caminos Radioeléctricos • De Espacio: Consiste en la habilitación de dos trayectos radioeléctricos disponiendo de dos antenas receptoras separadas verticalmente algunas longitudes de ondas, de forma que la señal emitida por un único transmisor se reciba por dos caminos diferentes en dos receptores separados.
Una distancia conveniente entre antenas viene dada por: Donde; d: longitud del vano h1: altura de la antena Transmisora
Diversidad •Según los Parámetros de Caminos Radioeléctricos •De Frecuencia: Consiste en una doble transmisión/recepción en frecuencias distintas, de forma que cuando una se desvanece, la otra se recibe en fase. Se basa en que difiere para frecuencias separadas de un 2 a un 5 %.
Para conseguir una buena decorrelación, la separación relativa debe ser del 3-5%, sin embargo debido a la escasa disponibilidad de frecuencias, es común emplear del 2 % o 1%.
Diversidad •Según los Parámetros de Caminos Radioeléctricos •De Ángulo: Antenas con dos o más haces separados por pequeños ángulos en el plano vertical, o bien antenas separadas apuntando con ángulos diferentes. •De Polarización: Una sola portadora de RF se propaga con dos polarizaciones electromagnéticas diferentes, vertical y horizontal. Las ondas electromagnéticas no necesariamente están sometidas a las mismas degradaciones de transmisión. Se usa en general con la diversidad de espacio. •De Trayecto: Realiza el enlace en paralelo, recorriendo dos caminos diferentes, se utiliza para desvanecimiento originado por precipitaciones. •Cuádruple: Combinación de diversidad de frecuencia, espacial y de polarización y de recepción en un solo sistema. Solo se utiliza en vanos excepcionalmente difíciles (Ej.: grandes recorridos sobre el mar).
Diversidad •Según el procesamiento de la Señal: Se busca obtener una única señal a partir de la operaciones que se realicen con las señales entregadas por los receptores del sistema de diversidad. •De Conmutación: Se elige la mejor señal entre las presentes, en base a un análisis de intensidad de las mismas, efectuándose una conmutación para conectar la señal al receptor correspondiente a esa señal mas intensa, la señal lleva consigo una microinterrupción. •De Combinación: se combinan las señales procedentes de las ramas de diversidad para obtener una salida única. La combinación puede efectuarse en RF o FI (predetención) o en banda de base (postdeteccion). Mayormente los combinadores trabajan en banda de base.
Diversidad •Ventajas y Desventajas de las Técnicas de Diversidad Técnica
Ventajas
Desventajas
Equipos mínimos a utilizar
De Espacio
Proporciona un uso eficiente del espectro de frecuencia y una protección bastante mayor que la de frecuencia. Una de las medidas mas eficaces contra desvanecimientos multitrayecto.
Es mas costosa que la diversidad de frecuencia por las guías de ondas y las antenas adicionales
Dos antenas, un transmisor y dos receptores para cada estación
De Frecuencia
Proporciona dos trayectorias eléctricas del transmisor al receptor
Requiere un radiocanal adicional para la misma capacidad de tráfico. Duplica el espectro de frecuencia y los equipos necesarios.
Una antena, dos transmisores y dos receptores.
Diversidad RECOMENDACIÓN UIT-R F.752-2 Técnicas de diversidad para sistemas inalámbricos fijos punto a punto La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, consideran a) que el desvanecimiento selectivo en frecuencia puede deformar y reducir la intensidad de las señales recibidas en trayectos de visibilidad directa y transhorizonte y disminuir así la calidad de funcionamiento de un sistema inalámbrico fijo; b) que la aplicación de las técnicas de diversidad es útil para reducir los efectos del desvanecimiento sobre la calidad del sistema; c) que se necesita proporcionar la recepción por diversidad a fin de alcanzar una calidad satisfactoria en los trayectos por difracción y transhorizonte; d) que se han estudiado y están en uso varias técnicas para realizar la diversidad en trayectos de visibilidad directa, con difracción y transhorizonte; e) que la aplicación de las técnicas de diversidad puede proporcionar una calidad elevada en los sistemas de visibilidad directa que utilizan eficazmente el espectro radioeléctrico; f) que en las Recomendaciones UIT-R P.530 y UIT-R F.1093 figura más información sobre el uso y aplicación de técnicas de diversidad
Otra perspectiva acerca de la Diversidad Los métodos clásicos se conocen genéricamente como diversidad de frecuencias y diversidad en el espacio. En la diversidad de frecuencias la misma información se transmite por más de un radiocanal. En la diversidad en el espacio, la señal alcanza al receptor recorriendo trayectos radioeléctricos diferentes entre las antenas transmisora y receptora correspondientes. Una descripción de las diferentes posibilidades de diversidad para sistemas afectados de forma diferente por la propagación anómala requiere una descripción detallada de las técnicas de diversidad en el espacio.
Diversidad Los sistemas transhorizonte utilizan diversidad en transmisión y en recepción Utilizan diversidad múltiple con amplia flexibilidad en el emplazamiento tridimensional de las antenas, y algunas veces diversidad angular formando haces múltiples o diagramas directivos con una sola antena. La diversidad angular proporciona señales relativamente no correlacionadas aprovechando las variaciones del ángulo de llegada en el receptor de la energía dispersada. Con visibilidad directa la diversidad en el espacio Se realiza habitualmente, cuando las degradaciones son la distorsión y la pérdida de potencia de la señal, mediante dos antenas en el receptor con una separación vertical suficiente como para que las señales obtenidas presenten unas degradaciones, debidas al desvanecimiento por trayectos múltiples, suficientemente no correlacionadas. A fin de mantener la calidad de los sistemas radioeléctricos digitales, en los cuales la degradación más importante debida a la propagación es la distorsión de la señal, se han aplicado métodos de diversidad basados en la estructura no uniforme del campo electromagnético incidente cerca de la antena receptora principal, en lugar de utilizar grandes separaciones para que las degradaciones no estén correlacionadas
Diversidad
Diversidad
Diversidad Diversidad espacial en radiocomunicaciones
El uso de múltiples antenas en emisión y recepción de un enlace de comunicaciones, aun no siendo una idea totalmente nueva (aplicaciones clásicas en sonar, radioastronomía, acústica, etc), se ha mostrado en los últimos tiempos como un eficaz modo de incrementar sustancialmente la capacidad de los canales de comunicación disponibles. Su uso eficiente junto al resto de los recursos disponibles, como son la diversidad espacial (codificación), potencia, ancho de banda, inteligencia de red, etc, permiten diseñar sistemas capaces de atender las necesidades de incesante incremento de las velocidades de transmisión para dar respuesta a un cada vez mayor número de usuarios con requerimientos de más y más altos flujos de información. Una revisión global de todas estas técnicas serán abordadas en esta conferencia