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RADIOCOMUNICACIÓN, ANTENAS Y CÁLCULO DE ENLACES (Sustituye al punto “Los sistemas radioterrestres” de la página 47 del libro)

Radiocomunicación

La radiación electromagnética, conocida también como onda electromagnética, es una onda que se propaga en el espacio (en el aire o en el vacío, ya que no necesitan un medio material de transporte) con componentes eléctricos y magnéticos que oscilan perpendiculares uno respecto al otro y en dirección a la línea de propagación.

Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas de radio que se propagan del transmisor al receptor.

Tipos de propagación: Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas de radio que se propagan del transmisor al receptor.

• Onda de Superficie:f<30MHz. Largo alcance y gran estabilidad. Influye mucho el tipo de terreno en la propagación. Ej: Radio AM

• Onda Ionosférica:3<f<30MHz. La onda se refleja en las capas ionizadas de la atmósfera. Gran alcance con poca estabilidad. Ej: Radioaficionados, comunicaciones militares.

• Onda Espacial: f >30MHz. A través de la troposfera. Suele exigir visión directa (LOS). Ej: radioenlaces, telefonía móvil, difusión de televisión terrestre y satélite.

○ Onda Directa: enlaza transmisor con receptor directamente.

○ Onda Reflejada: enlace a través de una reflexión en el suelo

○ Ondas de Multitrayecto: varias reflexiones de la señal alcanzan el receptor.

• Onda de Dispersión Troposférica: con frecuencias f >30MHz. Por reflexiones difusas en discontinuidades. Alcanza una distancia más allá del horizonte.

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Radiocomunicación para redes de área local: (Ver tabla 2.1 de página 40)En los años setenta se desarrollaron redes de área local inalámbricas en las bandas de frecuencias de decenas de Mhz (VHF, UHF) que permitía un caudal binario relativamente bajo (miles de bps). (Para ampliar ver Radio Packet http://es.wikipedia.org/wiki/Packet_radio).

Para redes de área local, y redes de acceso, actuales que exigen una alta tasa binaria (bps) se necesitan usar frecuencias del orden de GHZ (MICROONDAS), recuerda que portadoras con frecuencia alta implica mayor ancho de banda. Por ejemplo, Wifi 802.11b/g trabaja a una frecuencia de 2,4 Ghz, es decir longitud de onda de 12,5 cm.. Por tanto, las microondas desempeñan un papel fundamental en las redes locales inalámbricas actuales.

Además, puesto que las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también en comunicaciones por satélites.

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• Propagación de microondas:

• Necesitan línea de visión directa (LOS) entre el emisor y el receptor (Onda directa). La propagación se realiza en un área elíptica por encima y debajo de la línea recta del pasaje visual entre los dos puntos a interconectar. Esta zona elíptica se llama la Zona Fresnel, y es representada en la figura:

El radio de la sección transversal de la primera zona de Fresnel tiene su máximo en el centro del enlace. En este punto, el radio r se puede calcular (aproximación) como sigue:

r=548⋅ d1⋅d 2 f⋅d

donde:

r = radio en metros (m), d = distancia total en kilómetros (km), d1= distancia de emisor al obstáculo más alto (km), d2= distancia de receptor a obtáculo más alto (km)f = frecuencia transmitida en megahercios (MHz).

Recuerda que el estándar de la industria es el de mantener alrededor del 60-70% de la primera Zona Fresnel libre de cualquier obstáculo.

Por tanto, si deseamos realizar un enlace punto a punto usando microondas deberemos verificar la altura de los obstáculos que existen en el trayecto directo (edificios, árboles, montes,...) Cálculo en línea de la Zona de Frenel http://www.wimacom.com/tienda/calculawifi.php

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• La propagación por el medio atmosférico produce a veces problemas de transmisión provocados por agentes meteorológicos (lluvia, nieve, radiación solar,...). En general, cuanto mayor es la frecuencia de la señal que se emite más sensible es la propagación a este tipo de problemas.

Las microondas sufren una absorción intensa (atenuación intensa) por agua: El agua absorbe rápidamente las ondas electromagnéticas, así como muchas otras substancias y fenómenos meteorológicos que la contienen: lluvia, vegetación, niebla, hielo, vapor de agua, humanos, etc,... (Para saber más http://www.radioptica.com/Radio/propagacion.asp).

Las microondas también sobre absorción (atenuación) por metales y por roca, ladrillo, etc...

• Si bien las microondas poseen poca capacidad para atravesar obstáculos y poca capacidad de rebote (en relación a otras bandas de frecuencias), también sufren reflexión, refracción y difracción (la línea azul representa la difracción; la verde, la reflexión y la marrón, refracción).

Una señal puede llegar a un receptor por múltiples trayectorias, lo cual puede causar problemas, llegando incluso a anular la señal con 180º de desfase respecto a la señal directa. Recuerda que la longitud de onda de las microondas son centímetros, luego un cambio de posición de varios centímetros de emisor o receptor puede ser significativo.

Si bien, aprovechando las trayectorias múltiples, se puede resolver problemas de linea de vista (LOS). El estandar MIMO aprovecha las trayectorias múltiples.

• La densidad de la atmósfera disminuye con la altura haciendo que disminuya el índice de refracción. Esto determina que el horizonte efectivo pare las ondas de radio se encuentre normalmente algo más allá del horizonte real (óptico), se define un factor K.

En enlaces mayores a 10 Km, la curvatura de la tierra se puede aproximar como un obstáculo de altura h=(d1*d2)/17 para k=4/3 h en mts, d1 y d2 en Km.

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Por tanto, para calcular la altura de las antenas será necesario considerar sumar el efecto de la curvatura de la tierra y el efecto de la necesidad de despejar la zona de Fresnel.

• Puesto que el espacio radioelétrico (espectro radioeléctrico) es por su naturaleza un medio compartido, deberemos considerar la existencia de interferencias y ruido a la hora de plantear el enlace. Por lo que el enlace no sólo estará limitado por la atenuación si no por el ruido existente, medido por la señal a ruido SNR.

En general, los equipos de comunicaciones para LAN inalámbricas actuales poseen mecanismo para adaptar la velocidad, dentro de unos márgenes, en función de los parámetros del enlace (atenuación, SNR, ...).

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Antenas:

Una antena es un dispositivo capaz de emitir o recibir ondas de radio. Está constituida por un conjunto de conductores diseñados (forma y tamaño) para radiar (transmitir) un campo electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz (es decir una diferencia de potencial o tensión variable).

De manera inversa, en recepción, si una antena se coloca en un campo electromagnético, genera como respuesta a éste una fuerza electromotriz alterna.

Parámetros de una antena:• Rango de frecuencias: El rango de frecuencias determina las frecuencias que la antena es capaz

de emitir o recibir. El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida, por eso, a frecuencias mayores las antenas disminuyen su tamaño.

• Densidad de potencia radiada: La densidad de potencia radiada se define como la potencia por unidad de superficie en una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado.

• Diagrama de radiación (patrones de radiación): El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección.Como el diagrama es tridimensional para representarlo en papel se suelen mostrar cortes en los ejes de coordenadas:

En el el diagrama de radiación llamamos Lóbulo a la porción del diagrama delimitada por regiones de radiación más débil.

El HPBW o Ancho de haz principal a 3 dB (anchura de banda de potencia mitad) expresa en grados (ángulos) la apertura entre los dos puntos del lóbulo principal que se encuentran a – 3dB del máximo.Análogamente se define el Ancho de haz entre nulos.

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• Una la antena isotrópica, que es una antena ideal que radia uniformemente en todas direcciones. (antena de referencia).

• Ganancia: Es el cociente entre la potencia emitida por la antena en su dirección de máxima emisión respecto de la antena isotrópica.El dBi expresa la ganancia relativa de una antena, con respecto a una antena isotrópica (i).

• Polarización: La polarización es la dirección el campo eléctrico en una onda que se propaga. La polarización puede ser Lineal, Elíptica y Circular. (En la página http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/PolElipt.html puedes observar una animación que ilustra los conceptos de polarización lineal, circular y elíptica).

• Impedancia:La impedancia de una antena se define como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada (Ley de Ohm).

• Adaptación de impedancias: Pérdidas de Retorno y ROE: Debe existir adaptación de impedancias en todo el circuito, para evitar que se produzcan pérdidas de retorno.La Relación de onda estacionaria (ROE) o relación de voltajes de ondas estacionarias (VSWR en inglés) es una forma de describir la magnitud de la reflexión. El valor del ROE es siempre superior a uno, de forma que un valor de ROE igual a uno implica que la antena está completamente adaptada y un 100% de la potencia está siendo transmitida. Esto ocurre en un caso ideal. En la práctica, un buen nivel de adaptación se logra con un ROE menor de 2, que equivale a que un 90% de la potencia transmitida está siendo irradiada por la antena.

Existen instrumentos electrónicos que permitirán medir la ROE y la potencia (Wattimeter SWR-meter) de nuestras instalaciones inalámbricas de redes.

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Clasificación de Antenas:

Según el entorno en el que se ubiquen y las características ambientales que soportan:• Interiores (Indoor), ubicadas en el interior de edificaciones.

• Exteriores (Outdoor), ubicadas en el exterior de edificaciones (radiación solar, lluvia, nieve, cambios temperatura, rayos ....).

Según la directividad de las antenas:• Direccionales (Directivas): Estas antenas son capaces de enfocar toda la energía de la señal en

torno a una dirección concreta, con mayor o menor grado directividad en función del modelo y características. Normalmente estas antenas se usan para establecer enlaces punto a punto (direccional contra direccional) o para enlazar con un nodo que tenga una antena Omnidireccional (punto-multipunto).

• Onmidireccional: Estas antenas son capaces de emitir señal en todas las direcciones.

Según el propietario:

• Colectiva: Aquella mediante distribuidores y amplificadores permite que varios usuarios la empleen.

• Individual.

Según la forma y disposición de los elementos de las antenas:• Las antenas lineales. Son antenas cuyos elementos radiantes son lineales. Ejemplos de antenas

lineales son:

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o El monopolo vertical (necesita el plano de tierra).

o El dipolo

o La hélice (antena helicodial).

• De apertura. La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético como de forma de concentrar la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. Ejemplo de antena de apertura:

o Antena parabólica.

o Antena “pringles”.

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• Arrays de Antenas. Agrupación de antenas separadas y alimentada sincrónicamente. Ejemplo de array de antenas:

o Antena Yagi.

Ejemplos de antenas usadas en Redes de Área Local:

http://www.trendware.com/sp/products/TEW-AI75O.htm

http://www.distcomantenas.com/antenas_wifi.htm

http://www.wimo.de/framesetp_s.html (sección WLAN)

http://www.dlink.es (sección Productos/Antenas)

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Atenuación en el espacio Libre (Fórmula de Friis) y cálculo de enlaces.

Obtenido de http://www.radioptica.com/Radio/calculo_radioenlaces.asp

El cálculo del balance de potencias es el procedimiento que se utiliza normalmente para estimar de una manera rápida si un radioenlace funcionará correctamente. No obstante, debe tenerse en cuenta que se trata de un cálculo teórico, y que por lo tanto está sujeto a variaciones debidas a múltiples factores: apuntamiento de las antenas, reflexiones, interferencias no deseadas, etc. Así pues, se puede utilizar durante la fase inicial de diseño del radioenlace, pero en cualquier caso habrá que realizar las oportunas comprobaciones, medidas y ajustes durante la posterior fase de instalación para asegurar el buen funcionamiento del sistema.

A continuación se incluye una fórmula con las principales magnitudes que se utilizan para calcular el balance de potencias de un radioenlace. El resultado final de los cálculos es el margen resultante, cuyo valor nos proporciona información acerca del correcto funcionamiento del sistema desde un punto de vista teórico. En la práctica, los radioenlaces se suelen diseñar para obtener un margen de pérdidas de unos 6 dB, aunque este valor es muy dependiente de la distancia, frecuencia y tipo de sistema.

Margen en dB =Potencia del transmisor en dBm -Pérdidas adicionales en transmisión (cables) en dB + Ganancia de la antena transmisora en dBi -Pérdidas básicas de propagación en espacio libre en dB (fórmula de Friis) - Pérdidas adicionales de propagación en dB (pérdidas por fenómenos meteorológicos) + Ganancia de la antena receptora en dBi - Pérdidas adicionales en recepción (cables) en dB - Sensibilidad del receptor en dBm.

La Fórmula de Friis permite calcular las pérdidas de propagación que sufre la señal radioeléctrica en condiciones de espacio libre, es decir sin ningún obstáculo en el camino, es decir, visión directa entre las antenas.

Lbas(dB) = 92,44 + 20 log10 f(GHz) + 20 log10 d(km)

La sensibilidad es el mínimo nivel de señal para conseguir un funcionamiento aceptable del receptor (nivel de calidad)

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Pigtails (o Latiguillos):

En comunicaciones inalámbricas, el término Pigtail (cola de cerdo) o latiguillo hace referencia al medio de transmisión que une el equipo de comunicaciones (router o tarjeta) con la antena.

Construcción de Latiguillo Soldadura:http://www.zerobots.net/wireless/manuales/Construccion_Latiguillo_N_Macho_Soldadura.pdfConstrucción de Latiguillo Crimpado:http://www.zerobots.net/wireless/manuales/Construccion_Latiguillo_N_Macho_Crimpado.pdf

Selector del “pigtail” de antena para dispositivos Wifi:http://www.wimo.com/cgi-bin/kabel/kabel.pl?l=e

Lea más sobre conectores de RF en http://hwagm.elhacker.net/htm/galeriaconectores.htm

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Otros sitios interesantes:

http://www.microalcarria.com/miscelanea/calculos_enlace_wireless/

http://www.trucoswindows.net/redes-wifi-6-Manual-funcionamiento-basico-Netstumbler.html

http://www.paramowifix.net/antenas/calculoenlacewlan.html

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