PA RÁ RÁMETR METROS OS EN EL DISEÑO DE RADIOENLACES
CONSIDER CONS IDERA A CIONE CIONES S INICI INICIA A L ES En un enlace, si todos los terminales están en la Tierra, se denomina radioenlace terrenal, reservándose el término radioenlace espacial o por satélite cuando en el enlace intervienen uno o más repetidores situados a bordo de un satélite. Aun cuando para estos enlaces los principios son similares a los de los radioenlaces terrenales, tienen características distintivas que justifican su estudio por separado. De acuerdo con esta nomenclatura, nomenclatura, podemos definir los radioenlaces terrenales del servicio fijo como sistemas de radiocomunicaciones entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan una capacidad de transmisión de información con unas características de disponibilidad y calidad determinadas. Generalmente, Generalmente, los sistemas de radioenlaces se explotan entre unos 2GHz y 50GHz, dependiendo de su capacidad. Como la mayoría de los sistemas de radioenlaces del servicio fijo utilizan frecuencias en la región de las microondas, se les llama también radioenlaces de microondas.
CONSIDER CONS IDERA A CIONE CIONES S INICI INICIA A L ES En un enlace, si todos los terminales están en la Tierra, se denomina radioenlace terrenal, reservándose el término radioenlace espacial o por satélite cuando en el enlace intervienen uno o más repetidores situados a bordo de un satélite. Aun cuando para estos enlaces los principios son similares a los de los radioenlaces terrenales, tienen características distintivas que justifican su estudio por separado. De acuerdo con esta nomenclatura, nomenclatura, podemos definir los radioenlaces terrenales del servicio fijo como sistemas de radiocomunicaciones entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan una capacidad de transmisión de información con unas características de disponibilidad y calidad determinadas. Generalmente, Generalmente, los sistemas de radioenlaces se explotan entre unos 2GHz y 50GHz, dependiendo de su capacidad. Como la mayoría de los sistemas de radioenlaces del servicio fijo utilizan frecuencias en la región de las microondas, se les llama también radioenlaces de microondas.
Aunque existen radioenlaces monocanales, monocanales, lo usual es que transporten señales multiplexadas, multiplexadas, constituyendo importantes arterias de transmisión. Por lo tanto, los radioenlaces guardan cierta similitud con los sistemas de transmisión múltiplex por línea aunque el portador es radioeléctrico, en vez de metálico u óptico. Ello implica que no sean posibles, en radioenlaces, los sistemas de transmisión en banda de base, sino que, necesariamente, deben ser sistemas con modulación de portadora. Los radioenlaces establecen circuitos de telecomunicación de tipo dúplex, a 4 hilos equivalentes, por lo que deben transmitirse dos portadoras moduladas, una para cada sentido. Se denomina radiocanal a la pareja de portadoras de ida y de retorno. Puede caracterizarse un radioenlace por el número de radiocanales principales y de reserva habilitados para cursar el tráfico previsto.
Según el tipo de modulación, pueden clasificarse los radioenlaces en dos amplias categorías, cada una de las cuales utiliza una tecnología específica: 1) Radioenlaces analógicos: en estos radioenlaces la portadora se modula en frecuencia (FM). Hoy día están en desuso, salvo en alguna aplicación relacionada con la radiodifusión sonora. 2) Radioenlaces digitales: la modulación en la portadora es digital, de tipo binario o multinivel. Se utilizan mucho variantes de la modulación de fase coherente: PSK binaria, PSK cuaternaria, PSK diferencial, PSK desplazada (Offset-PSK), así como modulaciones multinivel mixtas de amplitud y fase del tipo MQAM (M= 16, 64, 128, 256, 512 y 1024). La señal moduladora puede ser muy variable: señales telefónicas y de música digitalizadas, señales de datos, vídeo digitalizado, múltiplex digital de canales de 64 kbit/s, múltiplex de orden superior de las jerarquías digitales plesiócrona (PDH) o síncrona (SDH) normalizadas por el UIT-T y tráfico de paquetes IP.
Asociada a la clasificación anterior, existe otra en función de la capacidad del radioenlace, que se mide por el número de canales telefónicos para los radioenlaces analógicos o por la velocidad de bits para los radioenlaces digitales. Con arreglo a la capacidad, pueden establecerse tres tipos de radioenlaces: 1. Baja capacidad, hasta 2 Mbit/s. 2. Capacidad media, hasta 34 Mbit/s. 3. Alta capacidad, velocidad mayor que 34 Mbit/s. Los radioenlaces terrenales hacen uso de la propagación troposférica en condiciones de visibilidad directa. En consecuencia, para salvar las limitaciones de alcance impuestas por la curvatura de la Tierra y los obstáculos geográficos del terreno, se requiere la utilización de estaciones repetidoras, de manera que un radioenlace está constituido por dos estaciones terminales y un conjunto de estaciones repetidoras intermedias o, simplemente, repetidores, a través de las cuales la señal transmitida efectúa un tránsito.
Se denomina vano a la sección de enlace radioeléctrico entre un terminal y un repetidor o entre dos repetidores. Como el trayecto del rayo debe estar despejado al menos en el 60% de la primera zona de Fresnel para el peor obstáculo y en condiciones normales de refractividad atmosférica, la longitud de los vanos tiene un límite superior, que es del orden de los 80 km para frecuencias inferiores a unos 10 GHz.
Por encima de esta frecuencia, la atenuación por lluvia suele ser el factor que limita la longitud de los vanos. Por razones económicas, es conveniente que el número de vanos de un radioenlace sea mínimo, lo que implica que éstos tengan la mayor longitud posible. Sin embargo, además de la limitación anterior, para los vanos de gran longitud es mayor la probabilidad de desvanecimiento. Uno de los aspectos más importantes de la ingeniería de radioenlaces es la determinación de la longitud óptima de los vanos. En general, en los radioenlaces se emplean antenas muy directivas con buena relación delante-atrás, lo que permite establecer cada radiocanal empleando únicamente dos frecuencias f 1 y f 2, una para cada sentido de transmisión, las cuales se reutilizan en vanos sucesivos. La limitación de los recursos espectrales exige que los radioenlaces deban atenerse a planes estrictos de canalización, aun a costa de sacrificar otras características (aumento de distorsión, interferencia entre símbolos. etc.), cuyo restablecimiento obliga a recurrir a técnicas especiales de tratamiento de la señal (codificación, ecualización, etc.).
En los radioenlaces, además de las estaciones repetidoras típicas donde la señal efectúa un tránsito, suelen existir otras estaciones intermedias denominadas nodales, donde se demodula la señal, bajando a banda base y, en ocasiones, procediéndose a la extracción-inserción de canales (dropin). Al tramo estación terminal-estación nodal se le denomina sección de conmutación, y constituye una entidad de control, protección y supervisión. Los repetidores pueden ser de dos tipos: a) Activos, en los cuales se realiza un tratamiento en la señal recibida, la cual se traslada a FI, se filtra y amplifica. Si el repetidor es no regenerativo, a continuación se convierte a la frecuencia del siguiente vano para su emisión. Si el repetidor es regenerativo, la señal se demodula en FI, se extrae la información y se genera una nueva señal modulada que se transmitirá en la frecuencia del siguiente vano. De esta forma se eliminan las perturbaciones (ruido, interferencias) del vano anterior, aunque no los errores que se hayan producido en la detección. b) Pasivos, que son simples reflectores (espejos) que cambian la dirección del haz radioeléctrico. Se utilizan, en ciertos casos, para salvar obstáculos aislados.
Debemos considerar que los radioenlaces son sistemas de comunicaciones <> por lo que cualquier interrupción causada por avería o desvanecimiento en un vano corta todo el radioenlace, dejando fuera de servicio a muchas comunicaciones. Por ello se exige a los radioenlaces una elevada disponibilidad, lo cual requiere: a) La utilización de redundancia de equipos para mantener la continuidad frente a eventuales averías y el uso de técnicas de diversidad, como medida de mitigación de los desvanecimientos. b) El establecimiento de sistemas de supervisión y control para la aplicación automática de las técnicas anteriores. Como, además, la mayoría de las estaciones funcionan en régimen no atendido, para la ejecución de las funciones de supervisión y conmutación al equipo de reserva en caso de avería, junto con la información útil se transmiten señales auxiliares de telecontrol, telemando y telesupervisión, así como canales telefónicos de servicio asociados a la banda base.
Elementos de reserva Con objeto de lograr la fiabilidad necesaria en un radioenlace y permitir las operaciones de conservación es necesario disponer de equipos de «protección» o «reserva activa» (stand-by) que entren en servicio en caso de fallo del enlace operativo. En general, un radioenlace que disponga de M radiocanales activos y N de reserva se designa por «M+ N». Son muy utilizadas las disposiciones 2 + 1 y 3 + 1. La conmutación del radiocanal de trabajo al de reserva puede efectuarse de forma automática, mediante la actuación de una lógica de conmutación activada por las señales de supervisión, o de forma manual. Esta última es necesaria con el fin de poder ejecutar operaciones de mantenimiento sin interrumpir el servicio. La conmutación se efectúa por separado en cada sentido y puede afectar a la Tx o a la Rx. La conmutación en recepción puede realizarse en FI o en banda base (BB). Suele preferirse la primera opción, por ser más breve, en ese caso, la duración del ciclo de conmutación.
Se efectúa la conmutación cuando una señal de referencia se degrada por debajo de un «umbral de conmutación» establecido, manteniéndose esta degradación durante un determinado tiempo (histéresis). El tipo de señal de referencia es variable según la naturaleza del radioenlace. En radioenlaces digitales el criterio de conmutación lo establece un aumento de la tasa de error, lo cual implica la medida de la proporción de errores en condiciones de tráfico (técnica de medida de «pseudoerrores»).
Sistema de supervisión El sistema de supervisión comprende el conjunto de medios puestos a disposición de la explotación, con el fin de obtener la máxima información posible sobre el estado del radioenlace en un momento determinado y facilitar las operaciones de mantenimiento propiamente dichas. La tendencia actual es generalizar el telecontrol y telemando de las estaciones de un radioenlace, dado que se tiende a la explotación con estaciones no atendidas en permanencia por motivos económicos. El sistema de supervisión comprende señales que proporcionan información sobre el estado de los equipos.
Las informaciones que se transmitan deberán permitir localizar con exactitud el equipo que ha sufrido avería. Estas señales tienen su origen en las estaciones no atendidas y son transmitidas automáticamente al centro de supervisión. El sistema en cuestión puede también tener posibilidad de establecer la transmisión de señales en sentido inverso, es decir, del centro de supervisión a la estación no atendida; se trata entonces de señales de telemando. Además de estos canales de servicio, telecontrol y telemando, es necesario transmitir las señales de control del sistema de conmutación. El conjunto de estas operaciones requiere el establecimiento, entre la estación o estaciones de control y las supervisadas, de varios circuitos a 4 hilos equivalentes. La capacidad requerida es función de la rapidez con que sea necesario transferir la información.
BANDAS Y ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS En una estación terminal se requieren dos frecuencias (Tx y Rx) por radiocanal. En una estación repetidora que tenga al menos una antena por cada dirección, es necesario que las frecuencias de transmisión y recepción estén suficientemente separadas, debido a:
La gran diferencia entre los niveles de las señales transmitida y recibida, que puede ser de 60 a 90 dB.
La necesidad de evitar los acoplos entre ambos sentidos de transmisión.
La directiividad insuficiente de las antenas.
La asignación de frecuencias a las estaciones se realiza según planes de frecuencias, empleándose dos frecuencias para cada radiocanal, siendo iguales entre sí las frecuencias de Tx y las de Rx en cada estación.
Debido a esta intensa reutilización de las frecuencias pueden producirse interferencias cocanal (interferencia creado en un canal por un canal distante en la misma frecuencia): a) Por radiación hacia atrás desde A y captación directa en B (trayecto interferente «1»); b) por radiación directa desde C y captación por el lóbulo posterior de B (trayecto interferente «2»). Para reducir al mínimo los efectos de estas posibles interferencias, se cambia la polarización de la onda en cada vano.
Bandas de frecuencias En el Reglamento de Radiocomunicaciones figuran atribuciones de varias bandas de frecuencias a los radioenlaces terrestres, en 2, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 23, 27, 31,38 y 55 GHz. De forma periódica, el UITR ha ido desarrollando Recomendaciones relativas a la canalización de esas bandas para radioenlaces analógicos y digitales que figuran en la Serie F de Recomendaciones. La mayoría de las Administraciones de Telecomunicaciones se basan en ellas para elaborar sus propios planes de y utilización de frecuencias. En nuestro país, mediante Resolución Ministerial No. 187-2005-MTC/03 se aprobó el Plan Nacional de Atribución de Frecuencias (PNAF), documento técnico normativo que contiene los cuadros de atribución de frecuencias y la clasificación de usos de espectro radioeléctrico, así como las normas técnicas generales para la utilización del espectro radioeléctrico en el Perú.
Planes de disposición de radiocanales Un plan de disposición de radiocanales, o plan de canalización, establece para una banda y capacidad determinada, valores para los siguientes parámetros: 1. Número de radiocanales que pueden utilizarse en la banda. 2. Separaciones entre frecuencias adyacentes y entre las frecuencias extremas y los bordes de la banda. 3. Bandas de guarda. 4. Valores de las frecuencias portadoras. 5. Polarización. 6. Frecuencia central de la banda. 7. Ancho de banda. 8. Anchuras de RF de las diferentes portadoras. 9. Tipo y capacidad del radioenlace.
El objetivo primordial de todo plan es el de optimizar la utilización del espectro radioeléctrico y minimizar las interferencias. Son también objetivos importantes: 1. Facilitar la interconexión en RF de radioenlaces, en circuitos internacionales. 2. Facilitar el intercalado de radiocanales adicionales. En general, todo plan de canalización divide la banda en dos mitades. En cada emplazamiento las frecuencias de cada semibanda se utilizan para transmisión y para recepción, respectivamente. En vanos sucesivos se va alternando la polarización.
Ejemplo de plan de canalización Como ejemplo típico de plan de canalización para un radioenlace digital, se presenta el que recoge la Recomendación UIT-R F.636 en la banda de 15 GHz para radioenlaces digitales de pequeña y mediana capacidad. El ancho de banda es de 950 MHz y se han normalizado dos configuraciones homogéneas con separaciones de radiocanales de 14 y 28 MHz. Las disposiciones preferidas recomendadas son: 1. Para 14 MHz: 32 radiocanales, con valores de sus frecuencias portadoras dados por:
2. Para 28 MHz: 16 radiocanales, cuyas frecuencias son:
donde todas las frecuencias están en MHz y f r es una frecuencia de referencia, cuyo valor recomendado es f r = 11.701 MHz. 3. Para radioenlaces de pequeña capacidad, se utiliza una disposición intercalada, con un desplazamiento de 7 MHz, mediante la cual de cada radiocanal principal pueden obtenerse 4 radiocanales adicionales, cuyas frecuencias son:
En la siguiente Figura, se ilustra la canalización para la disposición o caso 2, representándose también el desglose del canal n = 15 mediante la intercalación.
Como en todos los planes, se utilizarán en cada conexión para el sentido de ida los canales de una mitad y para el de retorno los de la otra.
Equipos Los equipos que se utilizan en los radioenlaces son en la actualidad muy compactos, gracias al gran desarrollo de la microelectrónica y de los circuitos monolíticos de microondas. En algunos casos los equipos se agrupan en una sola unidad (mochila) que se instala junto a la antena o incluso está integrada con ella en un único soporte mecánico. Esta unidad tiene las conexiones necesarias de alimentación, datos en banda base y telecontrol, y se construye con las características de estanqueidad necesarias para su instalación en la intemperie. Otros fabricantes dividen los equipos en dos unidades, una exterior ODU (Outdoor Unit), con los subsistemas de radiofrecuencia (RF) y parte de los de Fl, y una interior IDU (Indoor Unit) que integra los subsistemas de banda base y modulación/demodulación. Ambas unidades se conectan en Fl, generalmente mediante un único cable coaxial. Cada fabricante puede introducir otros elementos o modificaciones a las anteriores unidades.
En la Figura se presenta el diagrama de bloques de un transmisor.
En la Figura se presenta el diagrama de bloques de un receptor.
En las anteriores Figuras, se han representado los puntos en que, por convenio se definen las potencias de transmisión (P t) y de recepción (Pr ), así como las pérdidas en terminales (L tt y Ltr ) y las ganancias de las antenas (Gt y G r ). La mayoría de los radioenlaces son bidireccionales, por lo que cada terminal incluye al menos un transmisor y un receptor.
En los puntos intermedios de los radioenlaces multivano se utilizan generalmente repetidores regenerativos, cuyo esquema básico se representa en la siguiente Figura.
También pueden utilizarse repetidores no regenerativos, en los que no se realiza ningún proceso de demodulación, sino que la señal recibida se convierte en frecuencia, se filtra y se amplifica para ser de nuevo emitida en una frecuencia distinta. En esta configuración, que se presenta en la siguiente Figura, el ruido que capta el receptor también se amplifica y reemite, por lo que su empleo se restringe a casos en los que la relación señal a ruido en el vano precedente es elevada, por ejemplo cuando este vano es muy corto.
Circuitos de acoplo y alimentadores Los dispositivos pasivos de microondas permiten la transmisión/recepción de varios radiocanales por una misma antena. Se les denomina circuitos de acoplo y están constituidos por:
Circuladores.
Filtros.
Polarizadores.
Duplexores.
Las configuraciones de los circuitos varían en función del número de radiocanales y las polarizaciones. Estos dispositivos son pasivos y añaden unas pérdidas de inserción. Los alimentadores son líneas de transmisión que transportan las señales hasta la antena. Los hay de dos tipos: 1)Líneas coaxiales: se utilizan hasta unos 3GHz. Son flexibles y relativamente fáciles de instalar. Están construidas por un conductor interior macizo, un dieléctrico de espuma o aire con separadores de polietileno y un conductor exterior corrugado. Su impedancia es de 50 ohmios. En la siguiente Tabla se dan las características de atenuación unitaria de los tipos más utilizados.
2) Guías de onda: se emplean en el modo fundamental, a cuya frecuencia de corte le corresponde una longitud de onda λ c , que para guías rectangulares es λ c = 2a, siendo a la anchura de la guía. Se utilizan las guías para frecuencias superiores a 3GHz, ya que en este caso la atenuación de una línea coaxial es excesiva. En instalaciones con grandes tramos de guías de onda, éstas se rellenan con aire seco o nitrógeno a presión para evitar la entrada de humedad. En la siguiente Tabla se dan algunos ejemplos de guías de onda con la atenuación unitaria para las bandas de frecuencias indicadas
Antenas Las antenas utilizadas habitualmente en los radioenlaces son paraboloides de revolución alimentados en el foco. Para frecuencias superiores a 2GHz, el diámetro máximo de los paraboloides suele ser de unos 3 m. Desde el punto de vista de la ingeniería de radioenlaces, revisten interés tres características de la antena: Ganancia isótropa.
Anchura del haz.
Diagrama de radiación.
La ganancia viene dada por: donde: sg: Superficie geométrica de la apertura. Si el diámetro de la antena es D, resulta:
luego, k: Rendimiento de iluminación del paraboloide, comprendido generalmente entre 0,55 y 0,6. se: Superficie equivalente de recepción.
En dB se tiene:
PARÁMETROS BÁSICOS DE UN RADIOENLACE Con referencia al bloque del Tx y Rx los parámetros de mayor relieve por su influencia en los cálculos de calidad del enlace son los siguientes: Pt (dBm):
Potencia entregada por el amplificador del transmisor a los circuitos de acoplamiento a la antena, que se suele denominar potencia de transmisión.
L tt, L tr (dB):
Pérdidas en los circuitos de acoplamiento a la antena del transmisor y receptor, respectivamente, que suelen llamarse pérdidas en terminales.
Gt, Gr (dB):
Ganancias de las antenas de transmisión y recepción, respectivamente, con relación a la antena isótropa.
L b (dB):
Pérdida básica de propagación.
Pr (dBm):
Potencia recibida, que se define a la entrada del amplificador RF del receptor.
Fr (dB):
Factor de ruido del receptor.
Pth (dBm):
Umbral del receptor para una tasa de error determinada en un punto de referencia.
Pr / Pn = C / N (dB): Relación
potencia_recibida/ruido demodulación.
antes
de
la
B t (Hz):
Anchura de banda RF del radiocanal.
Pn (dBm):
Potencia de ruido en la anchura b t en el punto de referencia.
Eb / N0 (dB):
Relación energía por bit/densidad espectral de ruido, para radioenlaces digitales.
Peb (dB):
Probabilidad de error en los bits
Los parámetros C / N y Eb / NO, aunque realmente son los medidos en la entrada del demodulador, se refieren siempre al punto de recepción.
Las pérdidas en los elementos terminales suelen especificarse en forma global para los duplexores, circuladores y filtros y en forma unitaria para los alimentadores de antena. Por consiguiente, se tendrá en el transmisor: donde: L tt (dB):
Pérdida total en los elementos terminales del transmisor.
L dft (dB):
Pérdida en duplexores, circuladores y filtros del transmisor.
αt
(dB/m):
l t (m):
Atenuación unitaria del alimentador de antena. Longitud del alimentador de antena.
De manera análoga, se tendrá en el receptor:
donde los diferentes términos tienen el mismo significado que sus homólogos de transmisión.
La potencia recibida se calcula mediante la ecuación de balance del enlace:
Relación portadora/ruido En los cálculos de calidad de los radioenlaces interviene la relación entre las potencias de portadora y ruido a la entrada del demodulador, denominada abreviadamente «relación portadora/ruido» o, simbólicamente, C/N. Esta relación puede evaluarse en el punto de referencia R que se desee, tomando la precaución de referir al mismo punto todas las contribuciones de ruido. Este punto de referencia es la entrada del receptor, el mismo en que se mide la potencia recibida. El valor de potencia recibida se ha designado como P r , su cálculo se realizará de acuerdo con los modelos de propagación estudiados en temas anteriores, y siguiendo los procedimientos que se detallarán más adelante.
El cálculo de la potencia de ruido se simplifica bastante si se tiene en cuenta que el ruido que capta la antena es exclusivamente ruido térmico a la temperatura de referencia, es decir Ta = T0, lo que se cumple con buena aproximación en los radioenlaces terrenales de microondas. Si los elementos pasivos de conexión, cuyas pérdidas en conjunto denominamos L tr , están también a T0, puede comprobarse que la combinación de ruido de antena y ruido de elementos pasivos equivale a una única fuente de ruido a la temperatura T 0 conectada a la entrada del receptor. A ella habrá que sumar la contribución del factor de ruido del receptor:
La potencia de ruido se obtiene por: entonces, la relación portadora/ruido, en unidades logarítmicas, resulta:
En algunos radioenlaces digitales se utiliza la relación E b / N0 entre la energía recibida por bit y la densidad espectral de ruido. Su cálculo es inmediato, utilizando la velocidad binaria neta o útil v b (bit/s):
Ancho de banda de u n radioenlace digital El ancho de banda ocupada por cada radiocanal de un radioenlace digital depende de la tasa binaria, que es proporcional a la capacidad de canales del radioenlace y del tipo de modulación. Este ancho de banda se calcula mediante la siguiente expresión: F: Factor de especificación, que depende del filtrado aplicado. En métodos de modulación eficaces, F se encuentra generalmente entre 1 y 2. Son posibles valores de F inferiores a 1, pero a expensas de aumentar la interferencia entre símbolos. Por ejemplo, en un sistema teórico que utilizase filtros conformadores en banda base del tipo coseno alzado, F = 1 + α, siendo α el valor del parámetro de caída progresiva del filtro (0 ≤ α ≤ 1).
vb: Velocidad de la señal binaria antes del proceso de modulación (bit/s) incluidas la codificación de canal e información de servicio. R: Factor de anchura de banda. Expresa el cociente entre velocidad de símbolos y la velocidad de bits. Su valor es R = 1/log2M, siendo M el número de niveles en una modulación multinivel.
Condiciones de diseño de un radioenlace Como ya se mencionó, los radioenlaces terrestres se diseñan de forma que en cada uno de sus vanos se den condiciones de visibilidad directa, habida cuenta de la curvatura equivalente de la Tierra. Esta condición debe cumplirse en condiciones normales del índice de refracción atmosférico. En casos de refractividad desfavorable, debe preverse el despejamiento necesario en función de la atenuación por difracción admisible para el valor del factor k de modificación del radio terrestre correspondiente, cuando el realce de los posibles obstáculos produzca esa pérdida adicional por difracción.
Estas previsiones corresponderán a un determinado porcentaje de tiempo, es decir, son de tipo estadístico, dado el carácter aleatorio de la variación de la refractividad atmosférica. La consecución de un cierto despejamiento implica la situación de las antenas a unas alturas determinadas, cuestión de gran importancia técnica y económica. En efecto, aunque desde el punto de vista de la propagación es conveniente que las antenas estén altas sobre el suelo, ello encarece la instalación (el precio de las torres aumenta con la altura según una ley de variación mayor que una ley lineal) y también aumentan las pérdidas en el alimentador de antena. En condiciones normales de propagación, con despejamiento adecuado, la pérdida básica de propagación es la de espacio libre mas la debida a gases. Sin embargo, existen atenuaciones adicionales que se manifiestan en condiciones de propagación anómalas, dando lugar a desvanecimientos.
Para un vano de radioenlace terrestre, la pérdida básica de propagación, en general, es:
donde: Lbf : Pérdida en condiciones de espacio libre. Ldi: Pérdida por difracción, debida a un despejamiento insuficiente en condiciones adversas de propagación. Ld: Pérdida por desvanecimiento, desenfoque y centelleo. LP: Pérdida ocasionada por las precipitaciones. Lg: Pérdida debida a la absorción por gases atmosféricos.
El proceso de diseño de un radioenlace, vano por vano, en lo que atañe a la propagación, deberá seguir, en consecuencia, los siguientes pasos: 1. Análisis de la geometría del perfil: elección de las alturas de antenas. 2. Evaluación de las pérdidas por desvanecimiento de factor k y por gases atmosféricos. 3. Cálculo de la atenuación por lluvia. 4. Estudio de la despolarización. 5. Estudio del desvanecimiento multitrayecto: plano y selectivo. 6. Protección contra desvanecimientos multitrayecto: técnicas de diversidad.
Cálculo de las alturas de las antenas Las alturas de las antenas sobre el suelo deben ser las mínimas necesarias para cumplir los siguientes objetivos: 1. Probabilidad muy pequeña de pérdida de visibilidad del rayo (obstrucción) en condiciones de propagación anómalas. 2. Pérdidas por difracción tolerables en situaciones de propagación cuasi normales. En el pasado se colocaban las antenas a una altura suficientemente elevada para que en condiciones atmosféricas desfavorables (valores pequeños del factor k) no hubiese atenuación por difracción. Actualmente, se determinan las alturas aceptando la posibilidad de que se produzcan interrupciones cuya duración sea un pequeño porcentaje conocido del tiempo, utilizando estadísticas del factor k.
En la Rec. UIT-R P.530 se recomienda, para instalaciones de antenas sin diversidad de espacio, el siguiente procedimiento de cálculo: 1. Se determinan las alturas, a fin de que, para un valor mediano de k en el trayecto (si no se conoce esa cifra, puede utilizarse el valor por defecto k = 4/3), se obtenga un despejamiento igual al radio de la primera zona de Fresnel, R 1 en el obstáculo más desfavorable (climas tropical y templado). 2. Se obtiene el valor de k efectivo, rebasado el 99,9% del tiempo para el mes más desfavorable, k e = k(0,1), a partir de las estadísticas de refractividad, si se dispone de ellas. Si se carece de esta información, puede utilizarse las curvas que dan el valor de k(0,1) en función de la longitud del trayecto para climas templados.
3. Se realiza un nuevo cálculo de las alturas de antenas necesarias para que con el valor k e anterior se logren los siguientes valores de despejamiento en el punto crítico: 1) Para clima templado a) 0,0 R1 (incidencia rasante) si solamente hay un obstáculo aislado. b) 0,3 R1 si la obstrucción del trayecto se extiende a lo largo de una parte del mismo (obstáculo redondeado, meseta, etc.). 2) Para clima tropical a) 0,6 R1 para longitudes de trayecto superiores a unos 30 krn. 4. Las alturas de las antenas serán los valores máximos de los obtenidos en las etapas 1 y 3 anteriores.
En casos de duda sobre el tipo de clima, puede tomarse el despejamiento más conservador correspondiente al clima tropical o pueden adoptarse valores medios de despejamiento entre los climas continental y tropical. Con el fin de evitar alturas de antenas innecesariamente grandes, en frecuencias inferiores a 2 GHz pueden adoptarse fracciones menores de R1 que las indicadas en las etapas 1 y 3 anteriores. Para frecuencias superiores a 13 GHz debe añadirse al despejamiento calculado la exactitud de la estimación de la altura del obstáculo. Si la naturaleza del perfil es tal que se cumplen las condiciones anteriores con alturas iguales a cero (no hay obstáculos importantes), las alturas de antenas se elegirán de acuerdo con criterios económicos y de ingeniería del proyecto. Son valores típicos alturas entre 10 y 15 rn, para que queden suficientemente despejadas las parábolas del entorno inmediato y por razones de seguridad y protección de la instalación.
Pérdidas adicionales Se evaluarán las pérdidas debidas a difracción por factor k, gases atmosféricos y precipitaciones. a) Difracción por factor k: cuando haya algún obstáculo en el vano, de forma que con k < 4/3 exista despejamiento insuficiente, se obtendrán el parámetro de difracción «v» para ese obstáculo y el valor k e, y se evaluará la atenuación por difracción mediante los métodos vistos en temas anteriores. b) Atenuación por gases: se evalúa, de ordinario, para frecuencias superiores a unos 10 GHz. c) Atenuación por lluvia: se calculará, en general, para frecuencias por encima de unos 7 GHz, para un porcentaje de tiempo p% que depende del objetivo de indisponibilidad. d) Desvanecimiento por multitrayecto: el desvanecimiento multitrayecto se origina, como es sabido, por interferencia entre el rayo directo y los rayos reflejados en la superficie terrestre y en las capas atmosféricas.
Los desvanecimientos por reflexión en el suelo pueden ser profundos y de larga duración, sobre todo cuando la reflectividad del terreno es elevada (llanuras, mares, etc.). Puede controlarse tratando de bloquear el rayo reflejado o mediante un sistema de recepción adecuado. La reflexión en las capas atmosféricas se debe a que la antena radia un haz de rayos con diferentes ángulos de salida. Para alguno de estos rayos, la existencia de capas atmosféricas con variaciones anormales de la refractividad puede producir condiciones de reflexión, transportándolos de este modo a la antena receptora. Esta modalidad de multitrayecto troposférico está sujeta a variaciones aleatorias. Su importancia o grado de influencia aumenta con la frecuencia y de un modo especial con la longitud del vano. Este tipo de desvanecimiento es el más severo de los que se dan en condiciones de cielo despejado, sobre todo cuando adquiere carácter selectivo, ya que entonces produce una distorsión de amplitud y fase en la señal recibida que degrada la calidad del enlace, lo cual puede provocar interrupciones del servicio.
Potencia recibida en condic iones normales de propagación y margen del enlace En condiciones normales de propagación, en un vano con despejamiento suficiente, la potencia recibida puede calcularse como:
En frecuencias más bajas por debajo de 3 GHz, a veces no es posible tener suficiente despejamiento. En ese caso habría que restar las pérdidas por difracción Ldi en la ecuación anterior, evaluadas para las condiciones normales de propagación.Este valor de potencia nominal de recepción es generalmente muy superior al valor umbral del receptor, que denominaremos Pth y que está relacionado con la superación de alguna tasa de error o característica de calidad relacionada. La diferencia entre ambos valores es el margen del enlace: En muchos casos el margen supera los 30-40 dB, para tener una protección suficiente frente a los desvanecimientos causados por la lluvia o por el multitrayecto.
Probabilidad de error En el caso ideal en que no haya más perturbaciones que el ruido térmico, la probabilidad de error de bit depende de: 1. La distancia de decisión d. 2. La potencia normalizada del ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN: Additive White Gaussian Noise) presente en el receptor, que es igual al producto de la densidad espectral unilateral de ruido por el ancho de banda equivalente en banda base B N (banda de Nyquist). La probabilidad de error de bit, supuesta una codificación de tipo Gray, obedece a la expresión general: Donde k depende del tipo de modulación y G(t) es la función de distribución gaussiana complementaria:
Algunos autores expresan Peb en términos de la función error complementaria Erfc(t). La relación entre Erfc(t) y G(t) es la siguiente:
Para los cálculos de P eb pueden utilizarse las aproximaciones numéricas de G(t), o también para t ≥ 7, caso bastante usual en la práctica, puede emplearse la siguiente aproximación:
Se ha normalizado la relación d/ σ en términos del cociente energía por bit/densidad bit/densidad de ruido, eb / n0. Puede también especificarse P b en términos de la relación entre las potencias media de portadora y de ruido a la entrada del demodulador, c/n.
Si definimos:
luego tenemos:
donde Tb y Ts son los períodos de bit y de símbolo respectivamente. Para los sistemas MQAM, si designamos con r al cociente entre las potencias máxima y media media de la portadora, portadora, como la c/n se refiere refiere al valor medio de c, se tendrá:
A continuación continuación se indican las probabilidades de error para los sistemas de modulación más utilizados en los radioenlaces digitales, en condiciones de recepción ideales con receptor óptimo, en función del parámetro normalizado w = eb / n0.
PSK binaria (BPSK) La probabilidad de error de bit es:
PSK multinivel, MPSK La probabilidad de error de símbolo es aproximadamente igual a:
Casos particulares: a) 8 PSK, M = 8. La probabilidad aproximadamente igual a Pes/3, luego:
de error de bit es
b) QPSK, M = 4. La probabilidad de error de bit es aproximadamente igual a la mitad de la probabilidad de error de símbolo: y es la misma que para la PSK binaria.
PSK diferencial Un método aproximado, pero muy utilizado en el cálculo de probabilidades de error, es el siguiente: Para mantener la misma probabilidad de error que en PSK, hay que multiplicar w por el factor:
MQAM Una expresión aproximada para la probabilidad de error de bit en un sistema QAM de M niveles es la siguiente:
En la siguiente Figura se representan curvas de P eb en función de: W(dB) = 10 log w para dos sistemas modulación digital.
de
Para un sistema dado, cuando se consideran condiciones de recepción no ideales, la curva de P eb en función de W se desplaza a la derecha.
En la siguiente Tabla se dan valores de W(dB) para probabilidades de error de 10 -3 y 10 -6 en diferentes sistemas de modulación. Se observa cómo, a medida que aumenta el número de estados, debe incrementarse W, es decir, la energía por bit o potencia de señal para mantener una probabilidad de error dada.
En la mayoría de los sistemas prácticos, el ancho de banda equivalente de ruido del receptor, Beq, es mayor que el ancho de banda de Nyquist, y se suele especificar la relación c/n para ese ancho de banda equivalente, mediante:
y luego se tiene:
Por consiguiente, si se especifica por el fabricante el valor (c/n) eq, deberá utilizarse la relación anterior para obtener w y calcular P eb con las fórmulas o curvas vistas anteriormente.
Potencia umbral Se define la potencia umbral T th(dBm) como el valor de la potencia de recepción correspondiente a una tasa de errores BER determinada. El cálculo teórico de los umbrales se efectúa obteniendo en primer lugar el valor w correspondiente a la probabilidad de error en cuestión mediante las inversas de las expresiones para P eb, según el tipo de modulación, o haciendo uso de la curva de la Figura anterior. Como:
haciendo Pr = Pth, resulta: En dBm tenemos: En esta ultima ecuación se dará a W el valor que corresponda a la BER de referencia.
Los umbrales prácticos son mayores que los obtenidos mediante la ecuación anterior, ya que en esta expresión el valor de W corresponde a condiciones de recepción ideales. En la práctica es usual que el fabricante facilite el valor del umbral para sus equipos, obtenido mediante mediciones en un punto de referencia, en condiciones determinadas. Si no se dispone de este dato, puede estimarse el umbral práctico mayorando el umbral teórico en unos 5-8 dB.
Efectos del desvanecimiento multitrayecto en los radioenlaces digitales La distorsión ocasionada por el desvanecimiento multitrayecto provoca en los radioenlaces digitales tres tipos de efectos no deseados: 1) Interferencia entre símbolos: como consecuencia de la dispersión temporal y el desvanecimiento selectivo debida a la propagación multitrayecto, se produce interferencia entre símbolos. La función de transferencia del medio modifica la función de transferencia total y, por tanto, ya no se cumplen ahora las condiciones de diseño inicial, es decir, ausencia de interferencia entre símbolos y mínima BER.
Esto ocasiona un aumento en la tasa de errores superior a la que originaría una atenuación no selectiva de igual valor medio, por lo que contribuye a degradar la calidad del enlace. El fenómeno de dispersión puede despreciarse para velocidades de bits inferiores a unos 10 Mbit/s, es decir, para radioenlaces de baja capacidad, debiéndose tener en cuenta para velocidades superiores a 20 Mbit/s. Estas degradaciones no pueden compensarse aumentando la potencia. Para lograr que los radioenlaces digitales satisfagan las exigencias relativas a las interrupciones en presencia de desvanecimiento multitrayecto, deben utilizarse técnicas especiales, como son las de recepción por diversidad, ecualización de la señal recibida y utilización de códigos correctores de errores con entrelazado. El empleo simultáneo de estas técnicas proporciona una mejora superior al producto de las que brinda cada una por separado, lo que constituye un efecto sinérgico muy importante.
2) Efectos en la recuperación de la portadora: en los sistemas que emplean la demodulación coherente, es necesaria la reconstrucción de la portadora de referencia en el receptor. En la práctica nunca puede recuperarse exactamente la portadora y habrá siempre un error de fase, cuyo efecto consiste en rotar la constelación de las señales en relación con su posición óptima para la demodulación. En ausencia de propagación multitrayecto ese efecto no es importante, pero las distorsiones de la señal producidas por la propagación por trayectos múltiples pueden provocar una degradación. 3) Efectos en la recuperación de la temporización: la señal recibida debe muestrearse a la velocidad de símbolos (en cada canal de la constelación) para la recuperación de los símbolos individuales que se transmitieron. Casi todos los métodos de recuperación de la temporización funcionan según el principio de hacer máxima la energía de la señal en el instante de muestreo. Esto equivale a efectuar el muestreo en la cresta del impulso recibido. En presencia de desvanecimiento selectivo ese punto puede no ser óptimo, lo cual afectará desfavorablemente a la tasa de errores (BER) y, por consiguiente, a la calidad de la señal recibida.
Interferencia entre símbolos La interferencia entre símbolos (ISI) es una perturbación propia de los sistemas digitales y se produce cuando, en el momento del muestreo, la señal resulta afectada por las colas de los símbolos anteriores y los preludios de los símbolos siguientes. Como es sabido, para anular la interferencia entre símbolos en los instantes del muestreo, en los sistemas de transmisión digital se utilizan filtros de Nyquist. En los radioenlaces digitales, la interferencia entre símbolos se debe fundamentalmente a: 1. Limitación del ancho de banda de los radiocanales, que es necesaria para que en un plan de canalización de una anchura determinada pueda disponerse de un gran número de radiocanales. 2. Distorsión de la señal de RF provocada por el desvanecimiento selectivo. En el caso de la ISI debida a la limitación del ancho de banda, su efecto se describe como el incremento de la relación W necesario para mantener una BER dada. Tal incremento depende del sistema de modulación y del ancho de banda.
Calidad de los radioenlaces La calidad de un radioenlace representa el grado en que este sistema de transmisión estará en condiciones de proporcionar el servicio para el que se ha diseñado. Por ello se distingue entre dos aspectos de calidad complementarios y relacionados entre sí: 1. Disponibilidad. 2. Calidad de fidelidad. Se entiende por disponibilidad de un equipo o sistema su aptitud para desempeñar la función para la que ha sido proyectado. Se cuantifica por la probabilidad de que el sistema se encuentre en condiciones de funcionamiento en un momento dado. Por consiguiente, el tiempo total de observación del sistema T puede descomponerse en dos partes: T disp, tiempo en que el sistema está disponible, y Tind. tiempo en que está indisponible. Para la determinación de estos tiempos, se establece un criterio o umbral de indisponibilidad, que corresponde a una condición de interrupción o funcionamiento degradado.
Si tal condición se mantiene durante un tiempo mayor que un cierto valor de referencia T0, se dice que el sistema está indisponible durante ese tiempo, que se computa como tiempo de indisponibilidad. La indisponibilidad total es la suma de los intervalos de tiempo de indisponibilidad, dividida por el tiempo de observación. Suele expresarse en forma porcentual:
El tiempo T ha de ser suficientemente largo para obtener resultados estadísticamente significativos. En la estimación de la indisponibilidad deben incluirse todas las causas que tengan su origen en el equipo radioeléctrico, fuentes de alimentación, propagación, interferencias, equipo auxiliar y actividades humanas. Asimismo, debe tomarse en consideración el tiempo medio de restablecimiento del servicio.
