Actividad 3
Apropiar conceptos y calcular el radioenlace del proyecto
Apropiar conceptos y calcular el radioenlace del proyecto
1. Desarrollar los
siguientes puntos:
a. Describa
las características generales de un enlace satelital y diagrámelo.
Básicamente
un enlace satelital se conforma de tres etapas, dos están ubicadas en las
estaciones terrestres a las cuales llamaremos modelos de enlace de subida o
bajada y la tercera etapa estará ubicada en el espacio donde la señal subirá
cruzara por el transpondedor del satélite y será regresada a la tierra a una menor frecuencia con la que
fue transmitida.
Modelo
básico de un sistema satelital
ESTACION
TERRENA
Los modelos tanto de subida como de
bajada requieren una estación terrena ya sea para transmitir o para recibir una
señal y básicamente están compuestas por cuatro segmentos.
El primer segmento es un modulador de FI
para transmisión y en el caso de transmisión se ocupa de un demodulador.
La segunda etapa es un convertidor de
elevador de FI a microondas RF para transmisión y para recepción de un
convertidor descendente de RF a FI.
La tercera es un amplificador de alta
potencia (HPA) para tranmision y para recepción de un amplificador de bajo
ruido (LAN).
La cuarta etapa que conforma son las
antenas que conforman la estación terrena.
Estación
terrena común
ENLACE DE SUBIDA
El
enlace de subida consiste en modular una señal de FI en banda base a una señal
de frecuencia intermedia modulada en FM, PSK, y QAM, seguida por el convertidor
elevador, el cual está constituido por un mezclador y un filtro pasa por
bandas, el cual convertirá la señal de IF a RF.
Por
último la señal pasa por un amplificador de potencia (HPA), el cual le dará
potencia necesaria para que llegue la señal hasta el satélite.
Modelo
básico de subida
TRANSPONDEDOR
El
transpondedor está constituido por un filtro pasa bandas (BFP), el cual se
encarga de limpiar el ruido que la señal adquiere en la trayectoria de subida,
además a de la que servirá como seleccionador de canal ya que cada canal
satelital requiere un transpondedor por separado.
Le
sigue un amplificador de bajo ruido (LNA) y un desplazador de frecuencias, el
cual tiene la función de convertir la frecuencia de la banda alta de subida a
banda baja de salida, después seguirá un amplificador de baja potencia el cual
amplificara la señal RF para el enlace de bajada, la señal será filtrada y
regresada a la estación terrena.
Etapas
básicas de un transpondedor
MODELO DE ENLACE DE BAJADA
El
receptor de la estación terrena contiene filtros (BFP) el cual limita la
potencia de entrada que recibe el (LNA) una vez amplificada la señal en bajo
ruido la señal será descendida de RF a
frecuencias IF por medio de un convertidor descendente, después de la señal
será demodulada y entregada en banda base.
Modelo
básico de bajada
b. Describa
las características generales de un enlace terrestre por microondas.
Los sistemas de microondas terrestres
han abierto una puerta a los problemas de transmisión de datos, sin importar
cuales sean, aunque sus aplicaciones no estén restringidas a este campo
solamente. Las microondas están definidas como un tipo de onda electromagnética
situada en el intervalo del milímetro al metro y cuya propagación puede
efectuarse por el interior de tubos metálicos. Es en si una onda de corta
longitud.
Tiene como características que su ancho
de banda varía entre 300 a 3.000 MHz, aunque con algunos canales de banda
superior, entre 3´5 GHz y 26 GHz. Es usado como enlace entre una empresa y un
centro que funcione como centro de conmutación del operador, o como un enlace
entre redes LAN.
Para la comunicación de microondas
terrestres se deben usar antenas parabólicas, las cuales deben estar alineadas
o tener visión directa entre ellas, además entre mayor sea la altura mayor el
alcance, sus problemas se dan perdidas de datos por atenuación e
interferencias, y es muy sensible a las malas condiciones atmosféricas.
Las microondas son:
· Las microondas son unidireccionales.
· Las microondas son más sensibles a la
atenuación producida por la lluvia.
Suelen utilizarse antenas parabólicas.
Para conexionas a larga distancia, se utilizan conexiones intermedias punto a
punto entre antenas parabólicas.
Se suelen utilizar en sustitución del
cable coaxial o las fibras ópticas ya que se necesitan menos repetidores y
amplificadores, aunque se necesitan antenas alineadas. Se usan para transmisión
de televisión y voz.
La principal causa de pérdidas es la
atenuación debido a que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la distancia
(con cable coaxial y par trenzado son logarítmicas). La atenuación aumenta con
las lluvias.
Las interferencias es otro inconveniente
de las microondas ya que al proliferar estos sistemas, pude haber más
solapamientos de señales.
La antena más común en las microondas es
la de tipo parabólico. El tamaño típico es de un diámetro de unos 3 metros.
Esta antena se fija rígidamente, y en este caso el haz estrecho debe estar perfectamente enfocado hacia la antena
receptora. Las antenas de microondas se sitúan a una altura apreciable sobre el
nivel del suelo para con ello conseguir mayores separaciones entre ellas, y
para evitar posibles obstáculos en la transmisión. Si no hay obstáculos
intermedios, la distancia máxima entre antenas es: d = 7.14 Kh ( Km.)
c. Consulte y describa los pasos para diseñar un radioenlace.
c. Consulte y describa los pasos para diseñar un radioenlace.
Diseño de radioenlaces.
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. 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. Posteriormente, las visitas a los posibles
emplazamientos permiten determinar su aptitud para albergar los equipos de
radiocomunicaciones.
Las frecuencias utilizadas habitualmente por los
radioenlaces fijos exceden de 1 GHz. Por lo tanto, estos sistemas se incluyen
dentro de la categoría de sistemas terrenales con visión directa (LOS, Line-Of-
Sight). La característica de visibilidad directa o LOS proviene de la
dificultad de las señales de radio de alta frecuencia para propagarse bordeando
esquinas o para difractarse en torno a obstáculos. Es decir, debe existir un
camino directo sin obstáculos para la propagación de la señal radio entre las
antenas transmisora y receptora. Si desde el emplazamiento de una de las
antenas puede verse la otra, entonces se dice que existe visión directa.
Normalmente, suelen visitarse los posibles emplazamientos y comprobarse la
existencia de visión directa como fase previa a la instalación de los equipos
de comunicaciones. En el caso de enlaces de corto alcance, la visión directa
puede limitarse simplemente a una cuestión de qué altura deben tener las torres
o mástiles donde se sitúen las antenas. Sin embargo, es evidente que ello no
constituye la solución más sencilla o económica. En cambio, resulta más
práctico la búsqueda de zonas geográficas prominentes con buena visibilidad o
edificios altos, lugares ideales para la instalación de estaciones base que
deben concentrar el tráfico de múltiples enlaces punto a punto. Ahora bien, las
antenas no siempre se encuentran en edificios altos, y lo que ocurre más a
menudo, ambos extremos del enlace es difícil que se encuentren simultáneamente
en lugares favorables.
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. Se debe tener cuidado con los campos magnéticos generados por los motores de las salas de máquinas de los ascensores de la azotea y que pueden falsear la lectura de la brújula. Si no se consiguiera identificar visualmente el otro edificio donde se va a situar la antena, puede servir de ayuda una segunda persona situada en dicho edificio y que emita algún tipo de destello de luz, con un espejo, por ejemplo, en el caso de un día soleado.
- En el caso de falta de visión directa debido a algún tipo de obstáculo, resulta necesario determinar la altura del mástil para evitar la obstrucción. El procedimiento que suele emplearse es similar al anterior, solo que ahora puede utilizarse por ejemplo un globo de helio de color llamativo y sujeto por una cuerda. Una persona situada en el extremo opuesto va elevando el globo hasta que resulte visible a través de los prismáticos.
- Una vez asegurada la visión directa, conviene comprobar que la primera zona de Fresnel se encuentra libre de obstáculos. En este caso conviene prever que el entorno resulta cambiante con el tiempo y con la época del año: construcción de nuevos edificios, árboles que crecen, nieve que se acumula en los tejados en invierno, tráfico aéreo, etc. Adicionalmente, se debe asegurar que no existe ningún obstáculo cerca de la posición de ambas antenas. En especial, superficies metálicas u otras antenas transmisoras dirigidas hacia la nuestra. Resulta interesante documentar todas las comprobaciones por medio de fotografías que puedan ayudar posteriormente.
Lamentablemente, en el caso de radioenlaces de más
de unos 8 km resulta difícil realizar este tipo de comprobaciones visualmente,
por lo que se debe acudir a otros métodos. La solución consiste en conseguir
mapas con perfiles de la zona o utilizar aplicaciones informáticas con mapas
digitales del terreno. En este caso, las coordenadas exactas de los extremos
del enlace resultan de vital importancia.
Un factor importante de degradación en sistemas que
operan a altas frecuencias lo constituye la vegetación existente en las
inmediaciones del radioenlace. En ciertas ocasiones, el radioenlace puede verse
accidentalmente obstruido por árboles o incluso azoteas de edificios en
entornos urbanos. En estos casos, el campo electromagnético presente en la
antena receptora puede modelarse como la suma de la onda directa proveniente
del transmisor, y multitud de pequeñas ondas dispersadas por los edificios
adyacentes y por las hojas de los árboles cercanos. Dado que las fases de estas
ondas son aleatorias, las señales resultantes pueden estimarse de forma
estadística. El resultado final de sumar todas las contribuciones suele
modelarse mediante una distribución de Nakagami-Rice.
En general, la gran variedad de
edificios, tipos de terreno y vegetación a considerar en una determinada zona
susceptible de instalar un sistema de radiocomunicaciones, hace que sea
extremadamente difícil proporcionar reglas de diseño generales para estimar la
cobertura. La utilización de herramientas informáticas de trazado de rayos y de
modelado de obstáculos a partir de información preliminar sobre la zona reduce
la complejidad de diseño del sistema. Sin embargo, la realización de mediciones
experimentales es indispensable para validar los modelos y proporcionar
confianza a los resultados de las predicciones.
Atenuación causada por gases atmosféricos e hidrometeoros
Otro tipo de factores que también
deben tenerse en cuenta son los atmosféricos y meteorológicos. En los
radioenlaces troposféricos se producen atenuaciones de la señal durante su
propagación, causadas por la absorción y dispersión en hidrometeoros como la
lluvia, la nieve, el granizo o la niebla. Estos efectos son especialmente
importantes en el caso de sistemas que trabajan a frecuencias milimétricas.
Aunque la atenuación causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias
por debajo de 5 GHz, ésta debe incluirse en los cálculos de diseño a
frecuencias superiores donde su importancia aumenta rápidamente. La atenuación
específica debida a la lluvia puede calcularse a partir de la Recomendación
UIT-R 838. Dicha atenuación es ligeramente superior para polarización
horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren
las gotas de lluvia por el rozamiento experimentado durante la caída. Para la
predicción de la atenuación producida por la lluvia se necesita información
sobre las estadísticas de intensidad de precipitación. En la Rec. UIT-R
PN.837-1 se proporcionan valores de intensidad de lluvia excedidos durante
determinados porcentajes de tiempo y para distintas zonas hidrometeorológicas
mundiales. En el caso de España, estas son las llamadas zonas H y K. Por
ejemplo, Madrid se encuentra en la zona H, mientras que Valencia se encuentra
en la zona K. La Rec. UIT-R P.530-7 establece el procedimiento para calcular la
atenuación producida por la lluvia a largo plazo.
Figura 3: La disponibilidad de un radioenlace se ve
afecta por las estadísticas de lluvia de la zona hidrometeorológica (ejemplo
para un enlace a 40 GHz en la zona K).
|
Los cálculos de la atenuación por lluvia en un
radioenlace se utilizan para realizar el diseño de cobertura o alcance del
sistema de radiocomunicaciones dado un cierto valor de disponibilidad o calidad
de servicio. Por ejemplo, supongamos un radioenlace funcionando a una
frecuencia de 40 GHz con polarización vertical. Las pérdidas de propagación del
sistema serán, en una primera aproximación, las pérdidas en espacio libre, las
pérdidas por absorción atmosférica y las pérdidas por lluvia. Suponiendo una
potencia transmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12
dB, una ganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del
receptor de -75 dBm, se tiene un valor máximo para las pérdidas de propagación
de 140 dB. A partir de este requisito se puede calcular el alcance o cobertura
de nuestro sistema. En este caso, para una disponibilidad del 99,99%, se
obtiene una cobertura de 1,4 km.
La atenuación por niebla está
gobernada por las mismas ecuaciones que en el caso de la lluvia. La principal
diferencia es que la niebla puede modelarse como un conjunto de gotas de agua
muy pequeñas en suspensión (con radios variables entre 0,01 y 0,05 mm). Para
frecuencias por debajo de 300 GHz la atenuación producida por la niebla es
linealmente proporcional al contenido total de agua por unidad de volumen para
cada frecuencia. Una concentración de 0,032 g/m3 corresponde a un
nivel de niebla que permite visibilidad a unos 700 m. Por otro lado, una
concentración de 0,32 g/m3 permite visibilidad a algo más de 100 m.
El nivel máximo de contenido de agua se sitúa en torno a 1 g/m3, con
densidades considerablemente menores para la mayor parte de las nieblas. Para
una frecuencia de 100 GHz, la atenuación en el caso de niebla densa es de tan
solo 1 dB/km. Por lo tanto, en el diseño de radioenlaces con suficiente margen
de señal para evitar la atenuación por lluvia, la niebla no constituirá un
factor de limitación.
Por otra parte, la atenuación de
las microondas al atravesar nieve en polvo es al menos un orden de magnitud
inferior que para la lluvia considerando la misma tasa de precipitación. No
obstante, la atenuación para la nieve húmeda es comparable a la de la lluvia e
incluso superior en la banda de frecuencias milimétricas. Medidas
experimentales han demostrado valores de atenuación en torno a 2 dB/km para 35
GHz y una tasa de precipitación de 5 mm/h. Para nieve en polvo la atenuación es
dos órdenes de magnitud inferior. Debido a la gran cantidad de variables
involucradas, en particular el contenido de agua relativo, resulta difícil
especificar la atenuación en función de la tasa de precipitación de una forma
simple. En todo caso, se recomienda emplear radomos en zonas de fuertes nevadas
para evitar la acumulación de hielo y nieve en la superficie de las antenas, ya
que pueden provocar niveles de atenuación importantes.
|
Figura 4: La utilización de
radomos de protección evita la Figura 5: Los gases y vapores atmosféricos
también acumulación de hielo y nieve en las antenas. introducen atenuación en los radioenlaces de alta frecuencia.
|
Finalmente, los vapores de agua y de oxígeno no
condensados poseen líneas de absorción en la banda de frecuencias de microondas
y de ondas milimétricas. Por ello existen frecuencias donde se produce una gran
atenuación separadas por ventanas de transmisión donde la atenuación es mucho
menor. En el caso del vapor de agua, se producen fuertes líneas de absorción
para longitudes de onda de 1,35 cm, 1,67 mm e inferiores. En el caso del oxígeno,
las longitudes de onda de los picos de absorción son 0,5 y 0,25 cm. La
atenuación debida al efecto conjunto de los vapores de agua y oxígeno es
aditiva. En aquellas bandas donde los valores de atenuación exceden los 10
dB/km el alcance de las comunicaciones se encuentra enormemente limitado. Pero
escogiendo adecuadamente las frecuencias de trabajo es posible obtener niveles
de atenuación mucho menores: por ejemplo, a 30 GHz la atenuación es inferior a
0,1 dB/km. Par frecuencias por encima de 300 GHz, en cambio, la atenuación
mínima es todavía elevada (6 dB/km o más) e impone una gran restricción en el
caso de enlaces terrestres con visión directa. Sin embargo, determinadas
aplicaciones especializadas tales como comunicaciones secretas de corto alcance
(entornos "indoor" a 60 GHz) o enlaces entre satélites (no afecta la
atenuación atmosférica) se aprovechan del uso de la banda de frecuencias
milimétricas. Estas longitudes de onda cortas posibilitan el uso de antenas de
alta ganancia muy compactas que compensan parte de las pérdidas introducidas.
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.
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:
d2
= distancia al obstáculo desde el receptor [km]
d
= distancia entre transmisor y receptor [km]
f
= frecuencia [GHz]
Si
el obstáculo está situado en el medio (d1 = d2), la fórmula se simplifica:
Tomando
el 60% nos queda:
Distancia
(Km)
|
915MHz
|
2.4GHz
|
5.8GHz
|
Altura
de la Curvatura Terrestre
|
1
|
9
|
6
|
4
|
0
|
10
|
29
|
18
|
11
|
4.2
|
100
|
90
|
56
|
36
|
200
|
Radio
[m] para la primera zona de Fresnel.
La
“Altura de la curvatura terrestre” describe la elevación que la curvatura de la
tierra crea entre 2 puntos.
La potencia isotrópica radiada efectiva es una
medida que indica la fuerza con que la señal es transmitida al satélite o a
cualquier estación en la tierra PIRE (potencia isotrópica radiada efectiva)
Pt (potencia de entrada a la antena en Watt)
At (ganancia de la antena en transmisión).
Entre el amplificador y la antena genera pérdidas
causadas en los cables que unen los elementos esta fórmula es la siguiente.
Lc
= log10p (1/pi. r)
Cuando se hace el cálculo descendente se utiliza las
huellas de los satélites y así se obtiene la potencia isotrópica radiada
efectiva y también se obtiene la potencia del transpondré.
El
siguiente ejemplo utiliza dBm, aunque también es corriente utilizar dBW. Los Decibelios son una forma muy práctica de expresar
la relación entre dos cantidades. dBm utiliza una referencia de 1 mW y
dBW 1 W.
Una
transmisión de 50 W es lo mismo que 17 dBW o 47 dBm.
Perdidas
en la propagación
Para determina la densidad de flujo a la distancia
que se encuentra el satélite así:
C` densidad de flujo (Dbw/m^2)
Ptx potencia de transmisión
Atx ganancia de la antena transmisora
R rango del radio en lace en Km.
Perdidas de la señal.
Relaciono todas las pérdidas son:
Perdidas en espacio libre expresada en dB
Perdidas mínimas atmosféricas
PIRE
Perdidas por lluvia.
Perdidas por apuntamiento
Perdidas en espacio libre expresada en dB
Perdidas mínimas atmosféricas
PIRE
Perdidas por lluvia.
Perdidas por apuntamiento
CALCULOS
Se
toma ejemplo con números reales para efectuar los cálculos
Datos
Iniciales del calculo
|
Unidades
|
|
distancia
|
4,733
|
Km
|
frecuencia
|
5.700
|
Mhz
|
Calculo
del PIRE
|
Unidades
|
|
potencia TX
|
43,01
|
dBm
|
perdida cable TX
|
-3
|
dBm
|
Ganancia TX
|
6
|
dBm
|
FSL
|
-121,06
|
dBm
|
Ganancia RX
|
2
|
dBm
|
perdida cable RX
|
-0,5
|
dBm
|
Sensibilidad RX
|
-113,02
|
dBm
|
Resultados
|
Unidades
|
|
FSL
|
121,1
|
dBm
|
PIRE
|
42,01
|
dBm
|
Enlace
|
dBm
|
|
Margen
|
10,5
|
dBm
|
Fresnel
|
7,87
|
mts
|
e. Describa los criterios de
calidad que se deben tener en cuenta en la planeación de un radioenlace:
indisponibilidad, rendimiento, BER, y todos aquellos que considere pertinentes;
incluya su descripción matemática.
Calidad
de los sistemas de radioenlace.
Representa el grado para el que ese
sistema está en condiciones de proporcionar el servicio para el que se ha
diseñado. Depende de la longitud de la ruta y del número de procesos de
modulación realizados.
Calidad en cuanto a disponibilidad.
El sistema se encuentra en condiciones
de utilizarse. Conceptos:
Tiempo de disponibilidad e
indisponibilidad. Incluye causas por equipos, propagación, interferencias y
actividades humanas. También incluye tiempo de restablecimiento.
Umbral de indisponibilidad.
Criterio: sistema indisponible cuando el
umbral se supera un tiempo To.
Indisponibilidad
total.
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