RADIOENLACES

Definicion:

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

El desvanecimiento Desvanecimiento de Microondas

El desvanecimiento se debe normalmente a los cambios atmosféricos y a las reflexiones del trayecto de propagación al encontrar superficies terrestres o acuáticas.

La intensidad del desvanecimiento aumenta en general con la frecuencia y la longitud de trayecto.

En caso de transmisión sobre terreno accidentado, el desvanecimiento debido a propagación multrayecto es relativamente independiente del citado margen sobre obstáculo y en casos extremos tiende a aproximarse a la distribución de Rayleigh, es decir, la probabilidad de que el valor instantáneo del campo supere el valor R es :

-R/R0

P (R) = e

En donde: Ro es el valor eficaz.

En la figura se presentan valores típicos de desvanecimiento para trayectos con suficiente margen sobre obstáculos.

Los tipos de desvanecimiento que influye sobre la contabilidad de la propagación en los sistemas de microondas son selectivos y no selectivos.

Desvanecimiento en el peor mes para trayectos de 40 a 60 Kms con visibilidad

y margen sobre obstáculos de 15 a 30 m.

DESVANECIMIENTO TOTAL

Comparativamente el desvanecimiento total es raro, pero cuando se presenta, sus efectos suelen ser catastróficos, pues anulan por completo las señales. En este caso, los métodos tradicionales usados para mejorar la contabilidad de los radioenlaces, tales como: Aumento del margen contra el desvanecimiento o la aplicación de diversidad resultan prácticamente ineficaces.

Se considera como desvanecimiento total a cualquier atenuación excesivamente larga de las señales de microondas.

Para describir el desvanecimiento total se utilizan diversos términos, tales como;

- Formación de ductos

- Atrapamiento del haz.

-Bloqueo o desaparición de las señales.

- Desacople de antena.

El desvanecimiento total se caracteriza por una aguda disminución de densidad atmosférica a medida que aumenta la altura, que es la causante del verdadero esvanecimiento.

Las interrupciones de señal calificadas como catastróficas se producen simultáneamente en ambas direcciones de transmisión y en los dos trayectos de diversidad. Salvo algunos casos aislados, la recepción en diversidad de espacio ha demostrado que este tipo de desvanecimiento tiene una alta selectividad.

El desvanecimiento total se confunde a menudo con el desvanecimiento por dirección u obstrucción del haz cuando se produce una curvatura inversa, pero las características de estos dos fenómenos son opuestas. El desvanecimiento total se produce por presencia de una atmósfera superrefractiva, que a veces es invisible salvo en zonas brumosas, sin

embargo, en algunas ocasiones dicha atmósfera resulta visible en forma de niebla, de vapor de agua caliente o niebla que refracta el frente de la onda del haz abajo hasta una superficie acuática o terrena, antes de llegar a la antena receptora. En estos casos, generalmente ninguna parte de la señal llega a la antena receptora.

Cuando una masa de aire frío sobre zonas cálidas y húmedas o sobre regiones acuáticas templadas, la atmósfera circundante tiene a comportarse en forma superrefractiva. Como consecuencia, los trayectos de microondas poca despejados, ubicados en dichas zonas o regiones, se tornan susceptibles a sufrir undesvanecimiento total.

La masa de aire puede producirse:

a. Con el paso de un frente frío sobre un terreno cálido y húmedo a cualquier hora del día o de la noche.

b. Por decantación. Es el lento asentamiento de una masa de aire fresco en un sistema atmosférico de alta presión. La masa de aire se calienta por compresión adiabática (sin perdida ni aumento de calor) y al asentarse va cubriendo y encerrando otra masa de aire mas frío y húmedo sostenida por la superficie mojada.

Las masas o capas superrefractivas se producen con mas frecuencias en las noches claras, serenas y frías en las primeras horas de la mañana, pero raramente en las redes. Su presencia va acompañada por:

- Calor

- Baja humedad

- Atmósfera heterogénea

- Turbulencia del aire

 

DESVANECIMIENTO TOTAL POR DESACOPLE DE ANTENA

Aun cuando la antena receptora este dentro del horizonte radioeléctrico, la aparición de una capa superrefractiva hace que le haz propagado llegue a su destino con un ángulo de elevación mayor que el normal. Si en condiciones atmosféricas normales las antenas transmisoras y

receptoras fueran orientadas para obtener la máxima respuesta con el mayor nivel de señal, al variar las condiciones formado una capa superefractiva el ángulo de incidencia del haz se desplazara hacia arriba. Teniendo en cuenta que las antenas de grandes dimensiones o los reflectores pasivos tienen un lóbulo de irradiación estrecho y considerado también la longitud de los trayectos de microondas, un cambio de 0.5^o o mas en el ángulo de llegada del haz puede desplazar el trayecto, a lejano del lóbulo principal de la antena. En este evento se producirá un desvanecimiento total.

El comportamiento característico del desvanecimiento total por desacople de antena es idéntico al que se produce cuando la antena receptora se encuentra mas allá del horizonte radioeléctrico.

Cuando se anticipa o se experimenta un desacople, las antenas receptoras pueden inclinares levemente hacia arriba con lo cual también se introduce una pérdida de 1 o 2 dB durante la propagación normal.

En la instalación de antenas alta y baja la inferior puede reducirse de tamaño. Así mismo, la iniciación de las antenas trae la ventaja de aumentar la discriminación a las reflexiones superficiales durante los períodos de programación normal.

Si después de haber efectuado una instalación de microondas se descubre que el trayecto es suceptible a sufrir desvanecimiento total :

a. Estudiar la posibilidad de introducir desacople de antenas. Esta medida se toma especialmente cuando:

- Las parábolas o los reflectores son de grandes dimensiones

- El trayecto es de gran longitud

- Se utiliza la gama superior de 6 a 13 Ghz.

Si inicialmente la posición de una o de ambas antenas transmisoras se desvía levemente hacia abajo con respecto al ángulo normal de incidencia del haz, la capa superrefactiva puede desplazar el haz en forma que no llegue el lóbulo principal de la antena receptora. En estas condiciones se producirá un desvanecimiento total. En este caso la mayor o la menor de las dos antenas puede reorientarse verticalmente hasta encontrar un trayecto adecuado. Sin embargo, en vez de reorientar

las antenas grandes para evitar un posible desacople, conviene utilizar una pequeña antena receptora de prueba, de 60 cm a 1.20 m para efectuar el rastreo del trayecto. A veces suele colocarse una pequeña antena fija para evitar el efecto de desacople entre las antenas grandes.

b. Si al antena receptora queda mas allá del horizonte visual, en vez de quedar solo desorientada o desacoplada, se debe investigar si a lo largo del mástil o torre de soporte de la antena se encuentra presente alguna señal estable de nivel inferior al normal. El trayecto de la señal posiblemente queda a una altura de 3 a 9 m sobre el nivel del terreno o bien debajo de la linea normal de visión directa. Si se comprueba la existencia de este trayecto durante el desvanecimiento total,

Los receptores deben disponerse para funcionar en diversidad de espacio. Si ya se cuenta con este tipo de recepción debe utilizarse además diversidad de antenas sobre la torre.

Dado que el desvanecimiento total obstruye el trayecto simultáneamente en ambos sentidos, el sistema de transmisión debe estar provisto de equipo de reserva activo con conmutación automática o manual, o con combinadores de antena.

c. Aumentar la altura libre del trayecto a un mínimo de K=1, sobre una capa de 50 m de altura. Mediante pruebas apropiadas se localiza la capa atmosférica y se determina la altura de las antenas ajustadas para tal fin. Si se sospeche la existencia de una capa reactiva en la mitad del trayecto A veces es inevitable la presencia de desvanecimiento total en algunas zonas geográficas durante ciertas épocas del año cuando existe una combinación desafortunada de factores determinantes, tales como la densidad atmosférica y la naturaleza del terreno.

DIVERSIDAD DE ESPACIO Se denomina diversidad de espacio a la radiorrecepción mediante dos o mas antenas que generalmente se colocan en una misma torre, en ambos extremos del trayecto, con una separación equivalente a varias longitudes de onda. La información se envía en una sola frecuencia pero se recibe por dos o mas trayectos distintos. Las señales recibidas se alimentan a receptores individuales, los cuales suministran una señal combinada de salida esencialmente constante a pesar del desvanecimiento que pueda ocurrir durante la propagación. 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. El sistema por diversidad de espacio funciona de acuerdo con el principio de que las dos componentes de una misma señal que corren dos caminos distintos no tendrán los mismos puntos de interferencia. Una misma longitud de onda sufre diferentes grados de interferencia. Una misma longitud de onda sufre diferentes grados de interferencia en dos puntos espaciados verticalmente por que dicha onda llega a las antenas por dos caminos distintos.

DIVERSIDAD DE FRECUENCIA. En la diversidad por frecuencia, solo consiste en modular dos portadoras de RF distintas con la misma información de FI (Frecuencias Intermedias), y transmitir. Entonces ambas señales de RF a un destino dado. En el destino, se demodulan ambas portadoras y la que produzca la mejor seña de FI (Frecuencias Intermedias) de mejor calidad, es la que se usa. Cuando se usa diversidad de frecuencia, la información se transmite en más de una portadora, de tal forma que señales con una separación de frecuencia mayor que determinado valor no experimenten el mismo desvanecimiento, siendo la separación en frecuencia necesaria para que los canales estén parcial o totalmente decorrelados una función del ancho de banda de coherencia del canal. Este valor puede corresponder a una fracción importante del ancho de banda total utilizado, y por lo tanto, esta técnica tiene la desventaja de necesitar generalmente un ancho de banda significativamente mayor, con un número igual de receptores que de canales de diversidad. Sin embargo, la diversidad en frecuencia se emplea usualmente en enlaces por línea de vista que usan FDM (Multiplexación por División de Frecuencia) y para rutas críticas. En sistemas de diversidad en transmisión es posible utilizar la diversidad de frecuencia a través de códigos espacio-frecuencia, con la misma metodología empleada por los códigos espacio-tiempo que se verán en apartados siguientes.

DIVERSIDAD DE POLARIZACION En este método dos señales procedentes del radiotransmisor se envían simultáneamente por dos antenas separadas, una con polarización vertical y la otra horizontal. La diversidad de polarización resulta útil para la transmisión por onda indirecta en la parte baja del espectro de frecuencias. En cambio, este método no da resultados en la transmisión de microondas por onda espacial debido a que generalmente ambas señales polarizadas se desvanecen al mismo tiempo

Zona de Fresnel.Teniendo como punto de partida el principio de Huygens, podemos calcular la primera zona de Fresnel, el espacio alrededor del eje que contribuye a la transferencia de potencia desde la fuente hacia el receptor.

Basados en esto, podemos investigar cuál debería ser la máxima penetración de un obstáculo (por ej., un edificio, una colina o la propia curvatura de la tierra) en esta zona para contener las pérdidas.

Zona de Fresnel.

Lo ideal es que la primera zona de Fresnel no esté obstruida, pero normalmente es suficiente

despejar el 60% del radio de la primera zona de Fresnel para tener un enlace satisfactorio. En

aplicaciones críticas, habrá que hacer el cálculo también para condiciones anómalas de

propagación, en la cuales las ondas de radio se curvan hacia arriba y por lo tanto se requiere

altura adicional en las torres. Para grandes distancias hay que tomar en cuenta también la

curvatura terrestre que introduce una altura adicional que deberán despejar las antenas.

La siguiente fórmula calcula la primera zona de Fresnel:

d1 = distancia al obstáculo desde el transmisor [km]

d2 = distancia al obstáculo desde el receptor [km]

d = distancia entre transmisor y receptor [km]

f = frecuencia [GHz]

r = radio [m]

Si el obstáculo está situado en el medio (d1 = d2), la fórmula se simplifica:

Tomando el 60% nos queda:

Consideración que se deben de tomar para hacer un enlace de microondas: aquí esta un video que explica esto, revisalo, a ver si sacas algo mejor https://www.youtube.com/watch?v=KGOWqZWMbO4

Presupuesto de potencia del enlace:

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. La estimación del valor de potencia en diferentes

partes del radioenlace es necesaria para hacer el mejor diseño y elegir el equipamiento adecuado.

Elementos del presupuesto de enlace:

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 radio enlace 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] + ganancia de antena TX [dBi] – Pérdidas en la trayectoria en el espacio abierto [dB] + ganancia de antena RX [dBi] – Pérdidas en el cable del RX [dB] = Margen – Sensibilidad del receptor [dBm].

Trayectoria completa de transmisión entre el transmisor y el receptor.

Potencia en dBm en función de la distancia para un radioenlace.

El lado de Transmisión:

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 lradio, 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 Tabla siguiente, vemos la hoja de datos de una tarjeta IEEE 802,11a/b:

Ejemplo de (pico) de potencia de transmisión de una tarjeta inalámbrica IEEE 802,11a/b típica.

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 o dB/pies.

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 más 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 3 m de cable RG58 es suficiente para perder el 50% de la potencia (3 dB).

Valores típicos de pérdida en los cables para 2,4GHz.

Pérdidas en los conectores.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, Ios 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. Revise los valores suministrados por el fabricante (los de buena calidad sólo introducen 0,2 dB).

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.

Ganancia de antena.La ganancia de una antena típica varía entre 2 dBi (antena integrada simple) y 8 dBi (omnidireccional estándar) hasta 21 – 30 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 Cables” 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.

Pérdidas en el espacio libre.La mayor parte de la potencia de la señal de radio se perderá en el aire. Aún en el vacío, una onda de radio pierde energía (de acuerdo con los principios de Huygens) que se irradia en direcciones diferentes a la que puede capturar la antena receptora. Nótese que esto no tiene nada que ver con el aire, la niebla, la lluvia o cualquier otra cosa que puede adicionar pérdidas La Pérdida en el Espacio libre (FSL), mide la potencia que se pierde en el mismo sin ninguna clase de obstáculo. La señal de radio se debilita en al aire debido a la expansión dentro de una superficie esférica.

La Pérdida en el Espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional al cuadrado de la frecuencia . Aplicando decibeles, resulta la siguiente ecuación:

d = distanciaf = frecuenciaK = constante que depende de las unidades usadas en d y f Si d se mide en metros, f en Hz y el enlace usa antenas isotrópicas, la fórmula es:

Pérdida en dB en función de la distancia en metros.

El gráfico muestra la pérdida en dB para 2.4 GHz [ ] y 5.4 GHz [ ]. Se puede ver que después

de 1,5 km, la pérdida se puede ver como “lineal” en dB.

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.

Pérdidas en Espacio Abierto (PEA) 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. Ver unidad “Física Básica de Radio” para mayor información.