UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

Calculo de Radioenlaces

Nombres : Pablo Juan Barrón Reyes

José Antonio De Lafuente

Juan Pablo Yañes

Docente : Ing. Félix Pinto

Materia : Ing. Telecomunicaciones

Carrera : Ing. Telecomunicaciones

Fecha : 22-09-11

La Paz – Bolivia

Calculo de Radioenlace

Hoy en día los sistemas inalámbricos nos rodean por todas partes. A los ya habituales sistemas de telefonía móvil, se unen las redes de datos inalámbricas, la televisión digital terrestre o los radioenlaces punto a punto. Para el correcto funcionamiento de estos sistemas resulta crucial un diseño adecuado del interfaz radioeléctrico.

El diseño de radioenlaces es una disciplina que involucra toda una serie de cuestiones tales como la elección de la banda de frecuencias, el tipo de antenas y los equipos de radiocomunicación, el cálculo del balance de potencias, la estimación de los niveles de ruido e interferencia o el conocimiento de las distintas modalidades y fenómenos de propagación radioeléctrica, entre otras.

Figura 1: Los mapas y fotografías resultan clave para la elección de los emplazamientos de las antenas de un radioenlace, la identificación de posibles obstáculos y el correcto apuntamiento de las antenas.

La planificación del enlace radioeléctrico de un sistema de radiocomunicaciones comienza con el cálculo del alcance. Para ello se deben conocer la banda de frecuencias, las características climáticas de la zona y las especificaciones técnicas de los equipos de radio: potencia del transmisor, ganancia de las antenas, sensibilidad del receptor, tasa de error, disponibilidad, etc.

Este cálculo del alcance del sistema constituye una primera estimación teórica que deberá verificarse tras la instalación de los equipos. La utilización de aplicaciones informáticas de simulación con cartografías digitales del terreno y de los edificios constituye una potente herramienta de ayuda en la planificación. Valiéndose de las mismas es posible determinar las mejores localizaciones para instalar las antenas y estimar su alcance o cobertura, así como los posibles niveles de interferencia que provienen de otros emplazamientos vecinos, especialmente en el caso de sistemas celulares o de acceso radio punto a multipunto.

Figura 2: Enlace Punto a Punto.

Figura 3: Enlace Punto a Multipunto

Planificación inicial del radioenlace y elección de los emplazamientos.

Además de la elección de los equipos de radio y de sus parámetros de funcionamiento, los factores más importantes que determinan las prestaciones de un sistema fijo de acceso inalámbrico son la buena situación de las antenas, la correcta planificación del enlace radioeléctrico y la elección de un canal libre de interferencias.

Sólo con una buena planificación del enlace entre antenas puede conseguirse evitar las interferencias y los desvanecimientos de la señal, alcanzando una alta disponibilidad en el sistema.

La planificación del enlace radioeléctrico de un sistema de radiocomunicaciones comienza con el cálculo del alcance. Para ello se deben conocer la banda de frecuencias, las características climáticas de la zona y las especificaciones técnicas de los equipos de radio potencia del transmisor, ganancia de las antenas, sensibilidad del receptor, tasa de error, disponibilidad, etc.

Figura 4: Las herramientas de simulación que incluyen cartografías digitales del terreno resultan de gran ayuda para la planificación de un radioenlace

Para comprobar la existencia de visión directa entre las antenas, deben visitarse los emplazamientos donde se tiene previsto instalarlas y realizar una serie de comprobaciones y tareas que se detallan a continuación:

Determinación de las coordenadas exactas de los extremos del radioenlace (latitud, longitud y altura sobre el terreno) ayudándose de un receptor GPS.

Determinación de la orientación del enlace e indicación sobre un mapa de la zona. Esto ayudará a la localización de posibles obstáculos y elementos significativos sobre el mapa.

En el caso de enlaces de corto y medio alcance se puede comprobar la existencia de visión directa con ayuda de unos prismáticos. La localización visual del otro extremo del enlace puede realizarse con ayuda de una brújula o valiéndose de alguna marca o elemento significativo del mapa.

Figura 5: Imagen de Google Earth software para ayuda con coordenadas y elevaciones.

Concepto de radioenlace.

Se denomina radioenlace a cualquier interconexión entre los terminales de telecomunicaciones efectuados por ondas electromagnéticas. Si los terminales son fijos, el servicio se lo denomina como tal y si algún terminal es móvil, se lo denomina dentro de los servicios de esas características.

Se puede definir al radioenlace 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.

Los radioenlaces, establecen un concepto de comunicación del tipo dúplex, de donde se deben transmitir dos portadoras moduladas: una para la Transmisión y otra para la recepción. Al par de frecuencias asignadas para la transmisión y recepción de las señales, se lo denomina radio canal.

Los enlaces se hacen básicamente entre puntos visibles, es decir, puntos altos de la topografía.

Cualquiera que sea la magnitud del sistema de microondas, para un correcto funcionamiento es necesario que los recorridos entre enlaces tengan una altura libre adecuada para la propagación en toda época del año, tomando en cuenta las variaciones de las condiciones atmosféricas de la región.

Para poder calcular las alturas libres debe conocerse la topografía del terreno, así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedan existir en el trayecto.

Las antenas poseen diferentes características con las cuales se puede medir su calidad. Las principales características que se deben tener en cuenta son: Impedancia, directividad, ganancia, polarización, y el ancho de banda.

Impedancia de una Antena.

El valor de la impedancia de una antena es la resistencia que ésta presenta en su punto de conexión a la señal de corriente alterna que le llega del transmisor por la línea de transmisión. Esta impedancia debe ser igual a la impedancia de la línea de transmisión para que haya una máxima transferencia de energía.

Directividad.

De acuerdo a su posición y forma, una antena irradia la energía entregada por el transmisor en una disposición específica. Esta disposición recibe el nombre de patrón de radiación o directividad. Según este parámetro, existen dos grupos de antenas:

Las antenas omnidireccionales, que son las que irradian las ondas en forma casi uniforme en todas las direcciones.

Las antenas direccionales, que concentran la energía en una sola dirección.

Este patrón de radiación se refiere teóricamente al espacio libre sin tener en cuenta los obstáculos que pueda encontrar la señal.

Figura 6: Directividad y Ganancia.

Ganancia.-

Teniendo en cuenta el patrón de radiación, se dice que una antena tiene ganancia no en el sentido que amplifica la señal recibida del transmisor, sino que la concentra hacia una sola dirección, o que hace ver como si la señal fuera emitida con una potencia mayor.

Este es el caso de las antenas direccionales que dirigen sus ondas hacia un sólo sector, llegando la señal con más fuerza si fuera por una antena omnidireccional.

La ganancia de las antenas se mide en decibeles, que es la unidad de medida adoptada para este tipo de parámetros. A mayor cantidad de decibeles, mejor calidad de la antena. Para determinar la ganancia se establece la intensidad en un punto, irradiada por una antena omnidireccional sin ganancia y la intensidad de la señal emitida por la antena direccional. La relación de estas señales se utiliza para obtener los decibeles de ganancia.

Polarización.

La polarización de una antena se refiere a la dirección del campo eléctrico dentro de la onda electromagnética emitida por ésta. Las antenas verticales emiten un campo eléctrico vertical y se dice que están polarizadas verticalmente. Las antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarización horizontal.

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 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.

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). Las pérdidas en los cables dependen mucho de la frecuencia. Por eso al calcular la pérdida en el cable, asegúrese de usar los valores correctos para el rango de frecuencia usada.

Control de la hoja de datos del distribuidor 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.

Tabla 1: Tabla de pérdidas de cables.

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 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).

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.

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.

Figura 7: Perdidas en el espacio libre.

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:

PEA(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) + K

d = distancia.f = frecuencia.

K = 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:

FSL(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) −

187.5

Figura 8: Descripción de la ecuación en el espacio libre.

Figura 9: Ecuación de Friis

Figura 10: Diagrama de Tx y Rx.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 ejemplo, un edificio, una colina o la propia curvatura de la tierra) en esta zona para contener las pérdidas.

Figura 11: 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:

ro =

Figura 12: Ecuación de 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]

Figura 13: Diagramas de la Zona de Fresnel.

Figura 14: Diagramas de la Primera Zona de Fresnel.

Figura 15: visualización de la línea de vista desde el punto Rx al Tx.

Figura 16: Antena instalada sin línea de vista.

Figura 17: Antena con línea de Vista Directa.

Perfil de Trayectoria.

K = 4/3, 90% del tiempo, la constante dieléctrica disminuye con la altura alcance 1/3 más allá del horizonte.

Figura 18: K=4/3.

K = infinito, trayectoria rectilínea.

Figura 19: K= Infinito.

K = 2/3, curva hacia arriba, menor alcance, 0.6 de enlaces críticos.

Figura 20: K= 2/3.

Figura 21: Vista del Horizonte Óptico y el Horizonte de Radio.

Calculo de R .

RCalculo de Altura de Torres Δh.-

Δh = h1 - (h1 - h2) - - h0

Lado receptor.Los cálculos son casi idénticos que los del lado transmisor.

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 ejemplo., para compensar pérdidas en el cable.

Sensibilidad del receptor.La sensibilidad de un receptor es un parámetro que merece especial atención ya que identifica el valor mínimo de potencia que necesita para poder decodificar/extraer “bits lógicos” y alcanzar una cierta tasa de bits.

Cuanto mas baja sea la sensibilidad, mejor será la recepción del radio. Un valor típico es -82 dBm en un enlace de 11 Mbps y -94 dBm para uno de 1 Mbps.

Margen y Relación S/N.No es suficiente que la señal que llega al receptor sea mayor que la sensibilidad del mismo, 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:

Conclusiones.Entender los elementos de un enlace, en términos de ganancias o pérdidas, es crucial para implementar una red inalámbrica que funcione en forma confiable. Los cinco temas más importantes que debe recordar de esta unidad pueden ser resumidos como:

1. Tener un buen presupuesto de enlace es un requerimiento básico para el buen funcionamiento del mismo.

2. Un presupuesto de enlace de una red inalámbrica es la cuenta de todas las ganancias y pérdidas desde el radio transmisor hacia el receptor.

3. Las pérdidas más grandes del enlace se producen en la propagación en espacio libre debido a la atenuación geométrica de la señal.

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

5. La sensibilidad del receptor es un parámetro que indica el valor mínimo de potencia que se necesita para alcanzar una cierta tasa de bit.

Bibliografía. Sistemas de comunicaciones electrónicasWayne Tomasi Apuntes de la Materia Microondas

Raúl Pinto T.

Web.

http://www.eslared.org.ve/tricalcar/06_es_calculo-de-radioenlace_guia_v01%5B1%5D.pdf

http://www.radiocomunicaciones.net/radio-enlaces.html

http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-radioenlaces/

http://conocimientoysistemas.wordpress.com/2010/01/19/calculo-de-radio-enlaces-radio-mobile/