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Esquemas de protección en sistemas deradioenlaces por microondas

Christian, Minni, Milusca y Jonathan

Resumen. 43 La protección consiste en introducir Redundancia ante

Capítulo 1

Introducción

1.1. ¿Qué es un Radioenlace?

Se denomina radio enlace a cualquier interconexión entre los terminales detelecomunicaciones efectuados por ondas electromagnéticas. Si los terminales sonfijos, el servicio se lo denomina como tal y si algún terminal es móvil, se lo denominadentro de los servicios de esas características.

Se puede definir al radio enlace del servicio fijo, como sistemas de comunicacio-nes entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan unacapacidad de información, con características de calidad y disponibilidad determi-nadas. Típicamente estos enlaces se explotan entre los 800 MHz y 42 GHz.

Los radio enlaces, establecen un concepto de comunicación del tipo dúplex, dedonde se deben transmitir dos portadoras moduladas: una para la Transmisión yotra para la recepción. Al par de frecuencia asignadas para la transmisión y recep-ción de las señales, se lo denomina radio canal. Los enlaces se hacen básicamenteentre puntos visibles, es decir, puntos altos de la topografía. Cualquiera que sea lamagnitud del sistema de microondas, para un correcto funcionamiento es necesarioque los recorridos entre enlaces tengan una altura libre adecuada para la propaga-ción en toda época del año, tomando en cuenta las variaciones de las condicionesatmosféricas de la región. Para poder calcular las alturas libres debe conocerse latopografía del terreno, así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedanexistir en el trayecto.

1.2. Concepto de Diseño (Previniendo la protección)

Los radio enlaces de microondas se realizan sólo si existe una vista del receptor(LOS, Line Of Sight), proveen conectividad de una manera sencilla y práctica entredos o más sitios. La línea de visión (LOS) implica que la antena en un extremo delradio enlace debe poder "ver" la antena del otro extremo. El diseño de un radioenlace de microondas LOS involucra cuatro pasos básicos:

Elección del sitio de instalaciónRelevamiento del perfil del terreno y cálculo de la altura del mástil para laantenaCálculo completo del radio enlace, estudio de la trayectoria del mismo ylos efectos a los que se encuentra expuesto.Prueba posterior a la instalación del radio enlace, y su posterior puesta enservicio con tráfico real.

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1.4. SUPERVISIÓN 4

1.3. Protección en el diseño de Radioenlace

El diseño de un Radioenlace, debe de contar con diversas técnicas de proteción,entonces un radioenlace está constituido por estaciones terminales y repetidoras in-termedias, con equipos transceptores, antenas y elementos de supervisión y reserva.

Además de las estaciones repetidoras, existen las estaciones nodales donde sedemodula la señal y de la baja a banda base y en ocasiones se extraen o se insertancanales. Al tramo terminal estación nodal se lo denomina sección de conmutacióny es una entidad de control, protección y supervisión. En cuanto a los repetidoresse los puede clasificar en activos o pasivos.

· Activos: En ellos se recibe la señal en la frecuencia de portadora y se la bajaa una frecuencia intermedia (FI) para amplificarla y retransmitirla en la frecuenciade salida. No hay demodulación y son transceptores.

· Pasivos: Se comportan como espejos que reflejan la señal y se los puede dividiren pasivos convencionales, que son una pantalla reflectora y los pasivos back-back,que están constituidos por dos antenas espalda a espalda. Se los utiliza en ciertoscasos para salvar obstáculos aislados y de corta distancia.

Los enlaces son estructuralmente sistemas en serie, de tal manera que si uno fa-lla se corta todo el enlace. Por ello se le exige una alta disponibilidad y confiabilidadutilizándose la redundancia de equipos frente a las averías y técnicas de diversidadfrente a los desvanecimientos. Esto también implica que es necesario sistemas desupervisión y control que realice automáticamente la aplicación de estas técnicas.Como además las estaciones funcionan en forma no atendida, para la ejecución dela supervisión y conmutación al equipo de reserva, junto con la información útil setransmiten señales auxiliares de telemando y telesupervisión.

1.4. Supervisión

Es el conjunto de medios que se ponen a disposición de la adecuada explota-ción en las condiciones definidas como operativas, que pretende obtener la máximainformación posible sobre el estado del radio enlace en un momento determinadoy facilitar las operaciones de mantenimiento, se ha generalizado el telecontrol y eltelemando puesto que por economía las estaciones funcionan de manera no atendi-da. Comprende el sistema de supervisión canales telefónicos de servicio utilizablespor el personal de mantenimiento, así como cierto número de señales que propor-cionan información del estado de los equipos. Las informaciones que se transmitendeberán permitir localizar con exactitud el equipo que ha sufrido averías y ademásdebe existir la posibilidad de telemando es decir, enviar señales desde la central alequipo en cuestión. También se hace necesario transmitir las señales de control delsistema de conmutación. Esto implica disponer de varios circuitos equivalentes acuatro hilos, utilizándose un radio canal bidireccional que opera en la frecuencia delos equipos de reserva y que normalmente se aprovechan parte de las instalacionesdel equipo principal.

Capítulo 2

Protección de Radioenlaces

Es sabido que las protección consiste en introducir Redundancia ante algunaposibilidad de la pérdida , distorción o desvanecimiento del enlace del cual se deseauna conexión óptima

Fallos y averías en equiposConmutación de protecciónEquipos redundantes en Tx y Rx, sistemas n+ 1Sistemas de supervisión y lógica de conmutación.

Por otro lado tenemos que estas protecciones se deben anteDesvanecimiento profundosDiversidadEquipos redundantes en Tx/RxSeleccion por conmutación o por combinación.

2.1. Clasificación de las protecciones de Radioenlace

Las proteciones que se usan en Radioenlaces se pueden clasificar de la siguientemanera

1. Esquema sin diversidada) Sin Reservab) Con reserva: Isofrecuencia con reserva activa

2. Esquema con diversidada) Sin reserva: Isofrecuencia con dos antenas(Diversidad espacial)b) Con reserva: Heterofrecuencia con una antena (Diversidad Frecuencial)

2.2. SISTEMAS DE PROTECCION POR DIVERSIDAD

En los sistemas de radiotransmisión por microondas, los trayectos de propa-gación entre puntos fijos (excepto cuando quedan ubicados en zonas sumamentefavorables) están sujetos a sufrir desvanecimientos o fluctuaciones de intensidad deseñales debido a alteraciones que se producen en las características de propaga-ción. Para mantener al mínimo el efecto de desvanecimiento utilizamos sistemas deprotección por diversidad.

2.2.1. Diversidad por Frecuencia. La diversidad por frecuencia permiteuna transmisión de audio de una sola fuente en dos radiofrecuencias independien-tes, proporcionando una mejor protección posible contra interferencias. Se analizacontinuamente la calidad de la señal y utiliza ambas frecuencias para proporcionaruna señal de audio optimizada en un solo canal. Al haber dos señales indepen-dientes de RF que transmiten la misma señal de audio, no hay interrupciones enel audio cuando una frecuencia recibe interferencia directa. En lugar de producir

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2.2. SISTEMAS DE PROTECCION POR DIVERSIDAD 6

ruidos peculiares o artefactos de audio, el receptor cambia automáticamente a laotra frecuencia, entregando una señal de audio limpia y sin interrupciones.

La diversidad de frecuencia transmite la misma información simultáneamentepor dos frecuencias distintas; en la recepción, el receptor minimiza los efectos deldesvanecimiento utilizando en cada instante la frecuencia que va teniendo la mayorintensidad de señal.

Ventajas:- Emplea una disposición más sencilla de equipos- Facilidades de operación y mantenimiento

Desventajas:- Congestión del espectro de frecuencias disponible en muchos países Ejm:

En EE.UU. el empleo de diversidad de frecuencia está limitado por laComisión Federal de Comunicaciones a un solo canal de protección parauso de la banda de 4GHz y otro para la de 6GHz en cada sistema.

- La utilización de diversidad de frecuencia no se autoriza a menos quela compañía o empresa de telecomunicaciones que solicita el permisotenga como mínimo tres canales en servicio activo.

- Necesita generalmente un ancho de banda significativamente mayor, conun número igual de receptores que de canales de diversidad.

2.2.2. Redundancia. Los sistemas con diversidad de fre¬cuencia disponende un canal de protección completo de uno a otro extremo, que se puede colocarautomáticamente en servicio para reemplazar un canal averiado. Con la diversidadde frecuencia se dispone de equipo redundante (doble) completo para proteger elservicio en caso de averías de circuitos o desvanecimiento de las señales. En lossistemas con uno o dos canales de protección para un número determinado decanales en servicio, no se necesita conmutación en todos los enlaces, sino que seestablece una sección de conmutación compuesta de varios enlaces en tandem.

Figura 2.2.1. Diversidad de Frecuencia

2.2. SISTEMAS DE PROTECCION POR DIVERSIDAD 7

2.2.3. Conmutación (1+1). Para el caso de una conmutación directa anivel de señal HDB3. El circuito hibrido de transmisión puede ser de tipo resistivo oinductivo y en recepción la conmutación efectúa con transistores de efecto de campoFET que actúa como una llave (on-off) para la señal de 3 estados HDB3. Las señalesde entrada del canal principal y reserva se realiza en código HDB3 o CMI. Se tieneel ecualizador de línea coaxial, la extracción del reloj, se regenera la señal de entraday se decodifica desde HDB3 hasta NRZ. Previo a la conmutación se procede a poneren fase a ambos trenes de datos; para ello se debe compensar un retardo estáticoy otro dinámico. El retardo estático producido por la diferencia de cableado entrelos distintos equipos, se compensa con un retardo adicional mediante un registrode desplazamiento programable. El retador dinámico, producido por la diferenciade recorrido y velocidad entre las frecuencias en la propagación atmosférica, escompensado en una memoria elástica. De esta forma, las señales de salida desdela memoria elástica se conmutan en fase en un circuito lógico accionado por elcomando SW. El comando SW selecciona la tensión que corresponde al canal quese encuentra conmutando a la salida. Con un solo reloj de lectura se asegura quelos datos están en fase, pero no se asegura que sea el mismo bit. Para reconocer sies el mismo bit se recurre a un comparador de datos y un contador de diferencias.

Figura 2.2.2

2.2.4. Conmutación Multicanal (N+1). Cuando el sistema de transmi-sión tiene varios canales principales y uno de reserva se requiere de un sistemade conmutación más inteligente que dialogue entre los extremos para conocer cuál

2.3. ESQUEMA CON DIVERSIDAD SIN RESERVA 8

Figura 2.2.3

es el canal, de los N posibles, que debe enviarse para la reserva. En este caso laconmutación es hitless y se espera el alineamiento antes de conmutar.

2.3. ESQUEMA CON DIVERSIDAD SIN RESERVA

“Isofrecuencia con dos antenas. Diversidad de espacio”En los sistemas de radiotransmisión por microondas, los trayectos de propa-

gación entre puntos fijos —excepto cuando quedan ubicados en zonas sumamentefavorables— están sujetos a sufrir desvanecimiento o fluctuaciones de intensidad delas señales. Estos fenómenos, que perjudican la recepción de las señales, se debena las alteraciones que se producen en las características de propagación del propiotrayecto o del medio de transmisión. En consecuencia, de¬ben tomarse medidasadecuadas para reducir al mínimo aceptable los efectos de dichos fenómenos con elfin de obtener la confiabilidad necesaria del sistema. En los sistemas de microondasque emplean trayectos de línea visual entre puntos fijos, el efecto de desvanecimien-to de las señales se puede mantener al mínimo empleando métodos de protecciónpor diversidad, ya sea de frecuencia o de espacio (véase la figura 1).

Para la diversidad de espacio, la información se envía en una misma frecuenciapor dos trayectos diferentes, mediante una sola antena. Los trayectos se eligende manera que no exista la posibilidad de ocurrir desvanecimiento simultáneo enambos. Para la recepción generalmente se usan dos antenas con separación verticalen una misma torre; las señales captadas pasan a dos receptores que entregan unaseñal de salida combinada de intensidad prácticamente constante.


Figura 2.3.1

Afortunadamente hay muchos casos de éxito completo en la utilización de di-versidad de espacio. Por ejemplo, como en los Estados Unidos no se permite ladiversidad de frecuencia en las bandas de servicio industrial o comercial, en es-tos servicios se ha venido utilizando la diversidad de espa-cio desde hace más dediez años para obtener el grado de confiabilidad necesario de los sistemas. En laactualidad se encuentran en servicio cientos de trayectos de radiotransmisión pormicroondas protegidos con diversidad de espacio, la mayoría en la banda indus¬trialde 6575 a 6875 MHz. /*De acuerdo con artículos publicados recientemente, se es-tima que la diversidad de espacio vertical es por lo menos tan provechosa como lade frecuencia y en algunos casos suministra mayor protección. Los laboratories delBell Telephone System han efectuado experimentos que demuestran un mejor ren-dimiento de la diversidad de espacio que la de frecuencia, sobre todo en la bandade 6 GHz y otras más elevadas. En la banda de 4 GHz la diferencia no es muymarcada, pero aun así la diversidad de espacio resulta más favorable. En general seestima que esta diversidad es eficaz en todas las bandas de microondas, hasta enlas frecuencias bajas de la gama de 2 G Hz.

2.3.1. Consideraciones técnicas. Los ingenieros que preferían la diversi-dad de espacio desarrollaron teorías para calcular la "separación óptima". Estasteorías se basaban en la suposición de que el único factor importante que contri-buía al desvanecimiento selecti¬vo de las señales por efecto de trayectos múltiples,era una sola reflexión discreta desde un punto del trayecto, punto que se determi-naba con cálculos de los parámetros del trayecto. Otros ingenieros opinaban que lamayoria de los trayectos de transmisión por microondas quedaba sujeta a nume-rosos factores atmosféricos y geográficos causantes de desvanecimiento, por lo cualconsideraban que no había forma de calcular la separación óptima. En la actualidadla mayoría de los ingenieros e investigadores concuerdan en que la separación entre


antenas no es un factor crítico y no necesita calcularse. por lo menos en los tra-yec¬tos convencionales sobre tierra (sin pasar por mar u otra superficie acuática).Se ha determinado que el efecto de la diversidad tiende a mejorar a medida queaumenta la separación entre antenas, pero para este objeto también puede ser ne-cesario aumentar la altura de las torres, lo que influiría en el costo del sistema. Unaseparación de 9 a 12 m resulta adecuada para transmisión en la banda de 6 GHz.Las especificaciones de espaciamiento de antenas ahora son bastante moderadas.En general se recomienda una separación de 9 a 12 m en 6 GHz, de 14 a 15 m en4 GHz y de 18 a 24 m en 2 GHz. Con estos valores se obtiene suficiente efecto dediversidad para eliminar el desvanecimiento de trayec¬tos múltiples. En la bandade 11 GHz se obtiene una protección adecuada con una separación de 8 a 9m.

En la experiencia se ha comprobado que aunque se aplique una separaciónreducida (por ejemplo 4,5 a 6 m), siempre se obtiene un buen efecto de diversidad,por lo menos en la banda de 6 GHz. Se ha observado que aun con una pequeñaseparación de 3 m se logra una notable mejora.

Desventajas (entra el tema económico)

la imposibilidad de efectuar pruebas entre ambos entremos del trayecto sinretirar el equipo del serviciomayor costo del sistema debido al mayor número de antenas y guías deonda necesarias aparte de la consiguiente sobrecarga de las torres.se requieren dispositivos de detección y conmutación de señales que aumen-tan la complejidad del equipo.La diversidad de espacio solo se puede introducir en base a cada salto o searadioenlace de un sistema.

2.3.2. Redundancia. Con la diversidad de espacio se puede o no introdu-cir redundancia de equipos, lo que depende de la disposición del sistema. En lossistemas industriales generalmente se emplean dos receptores completos en la sec-ción de recepción de ambos extremos de cada enlace de microondas; un receptorse conecta a la antena más alta y el otro a la más baja. Ambos receptores captanla onda completa de información y en ausencia de desvanecimiento la atenuaciónde la señal de un receptor no afecta la señal combinada de salida, ya que el equipoestá provisto de un conmutador o combinador automático que permite dejar ambasseñales de entrada en la línea o elegir la mejor captada por un receptor cuando elotro pierde su serial por desvanecimiento o averías.

2.3.2.1. Técnica de diversidad(I). Útiles para disminuir los efectos de los des-vanecimientos mutitrayectos

Técnica de diversidad: espacio, ángulo , frecuencia, polarización trayecto.

Diversidad de espacio

Dos antenas separadas verticalmente y dos sistemas de recepción, junto conun sistema de conmutación o combinación

1. Habilitación de dos trayectos radioeléctricosa) Dos antenas receptorasb) separación: Unas decenas de longitud de ondac) Un único trasmisord) No es probable un devanecimiento simultaneo

2.4. RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO: 11

Figura 2.3.2

2. Separación entre antenas

4h =λ.d

4.h1≥ 150.λ

h1: altura antena trasmisora3. Ventajas: Uyiliza una sola frecuencia4. Inconveniente: En caso de avería del trasmisor se rompe el enlace

Figura 2.3.3

5. Sin reserva: “Isofrecuencia con dos antenas”Diversidad de espacioSelección por conmutación o combinación1Tx y 2 Rx

2.4. RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO:

Sistemas de radiocomunicaciones entre puntos fijos que proporcionan una ca-pacidad de transmisión de información con calidad y disponibilidad dadas.

2.4.1. Equipamiento de un Radioenlace.1. Transmisor, Receptor, Antena, Repetidores2. Equipos de reserva3. Sistema de Gestión4. Sistema de Energía


Figura 2.3.4

Vano: el enlace radioeléctrico entre dos estaciones. Situación de compromiso entreel número de vanos (mínimo) y la longitud de los mismos que tiene un límite debidoal desvanecimiento de la señal.

Estructura general de un enlace

Figura 2.4.1

Repetidores deben tener visión óptica en vanos adyacentes:Activos: amplifican la señal sin demodularla.Pasivos: sólo cambian la dirección de propagación.

Radioenlaces son sistemas en serie por lo que requieren gran disponibilidadUtilización de técnicas de redundancia (equipos) y diversidad (desvaneci-miento)Establecimiento de sistemas de control para aplicación automática

Tipos de radioenlaces según el tipo de señal múltiplex transmitidaAnalógicos:múltiplex de 12 a 2700 canales telefónicos, múltiplex de vídeo yaudioDigitales: múltiplex digital de alguna de las jerarquías normalizadas

DESVANECIMIENTOSVariación temporal de la amplitud, fase y polarización de la señal recibida con

relación al valor nominal debido al trayecto de propagaciónCLASIFICACION


DESVANECIMIENTO MULTITRAYECTO.Se debe a la existencia de dos o más trayectos de propagación además deldirecto.Puede producirse por reflexiones en el suelo o en capas de la atmósfera.Es selectivo en frecuencia por lo que produce distorsión y atenuación.

EFECTOS DEL DESVANECIMIENTOMULTITRAYECTO. Radio-enlaces analógicos:

Ruido de intermodulación: importante en radioenlaces con gran capacidady en aquellos en que se produce por reflexión en el suelo.Variación del nivel de la banda base

Radioenlaces digitalesAumenta la interferencia entre símbolos debido a la dispersión de los im-pulsos. Es mayor a velocidades grandes.Efectos de la recuperación de portadora: se produce una rotación en laconstelación.Efectos de la recuperación de la temporización: el muestreo no se realizaen el punto adecuado.

DIVERSIDAD DE FRECUENCIA

Según el tipo de procesamiento de la señal.Diversidad de selección: permite la elección de la frecuencia que menor señal

atenua, elige la señal con el menos nivel de señalDiversidad de conmutación: Elige la señal de mayor calidad entre los dispositi-

vos realizando medidas en el nivel de las mismas, cuando la señal medida esta pordebajo del nivel de referencia, el sistema conmuta la otra señal.

CALIDAD DE LOS SISTEMAS DE RADIOENLACES. Representael grado para el que ese sistema está en condiciones de proporcionar el servicio para


el que se ha diseñado. Depende de la longitud de ruta y del número de procesos dedemodulación realizados

Calidad en cuanto a disponibilidad: el sistema se encuentra en condicionesde utilizarse.Calidad en cuanto a fidelidad: en condiciones de disponibilidad puedendarse interrupciones que degradan el funcionamiento del sistema. Se mideen términos de BER.

PROTECCIÓN DE LOS RADIOCANALES. Los métodos de protec-ción: consiste en introducir redundancia

EQUIPOS DE RESERVA. Estan en estado de reposo en espera de su posibleentrada de funcionamiento debido a varias fallas. La nomenclatura de un equipoes: M+N M= # de radiocanales activos y N= # de radiocanales de reserva

CLASIFICACION:.ESQUEMAS SIN DIVERSIDAD SIN RESERVA:. Sistema Simple, no ofrece

ninguna protecciónCON RESERVA:. esquema de tipo 1+1: requiere 2 TX y 2 RX y un conmuta-

dor de TX“Isofrecuencia con reserva activa”, es decir la señal se retrasmite desde la esta-

ción de radioenlace en las mismas frecuencias que se reciben

Conmutador: Se encarga de establecer una vía, un camino, de extremo a extre-mo entre dos puntos, un emisor (Tx) y un receptor (Rx) a través de nodos o equiposde transmisión. La conmutación permite la entrega de la señal desde el origen hastael destino requerido.

ESQUEMAS CON DIVERSIDAD.Sin reserva.

Diversidad de espacio: 1 TX y 2 RX en la misma frecuencia.Selección por conmutación o combinación


Se denomina isofrecuencia con dos antenas

– Con reserva.Diversidad de frecuencia: 2 TX y 2 RX en frecuencias diferentes.Selección por conmutación o combinaciónSe denomina heterofrecuencia con una antena

Diversidad mixta.Combinación de diversidad de espacio y de frecuenciaHeterofrecuencia con dos antenas

CONCLUSIONES 16

Conclusiones

1. La diversidad de espacio, con una moderada separación de antenas, puedeimpartir un alto grado de protección de las señales contra el desvanecimien-to selectivo (de trayectos múltiples). Sin embargo, aparte de su mayorcosto, la diversidad de espacio tiene ciertas desventajas de operación ymantenimiento en comparación con la diversidad de frecuencia; estos fac-tores deben tomarse en cuenta y analizarse al considerar su utilización.

2. La diversidad de espacio se puede aplicar en una gran variedad de formasy muchas empresas de telecomunicaciones han ideado métodos ingeniososbasándose en la experiencia de los usuarios de sistemas industriales demicroondas. Es indudable que en el futuro se encontraran otras aplicacionesprovechosas.

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