Planes de Frecuencia

Universidad Nacional de Rosario Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Ingeniería Electrónica

RADIOENLACES

PLA PL A NES DE FRECUE FRECUENCIA NCIA Versión 5 30 de julio de 2006

ÍNDICE 1 - Bandas de frecuencias atribuidas a los radioenlaces en visibilidad. 2 - Establecimiento de los planes de frecuencia. Disposición de los canales radioeléctricos. 2.1 - Número de canales necesarios para la transmisión bilateral de una señal. 2.2 - Organización de un plan de frecuencias o de una disposición de canales radioeléctricos. 3 - Principales planes de frecuencia. 3.1 - Planes de frecuencia de radioenlaces analógicos. 3.2 - Planes de frecuencia comunes a los radioenlaces analógicos y digitales. 3.3 - Planes de frecuencia específicos de los radioenlaces digitales. 3.4 - Compartición de bandas de frecuencia con los servicios especiales. 4 - Utilización de frecuencias sobre un territorio.

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1. BA NDAS DE FRECUENCIAS ATRIBUIDAS A LOS RADIOENLACES EN VISIBILIDAD A pesar que existen algunas bandas de frecuencia por debajo de 1 GHz, en las cuales pueden funcionar radioenlaces de baja capacidad, las bandas por encima de 1 GHz son las que brindan los anchos de banda necesarios para la transmisión de señales digitales. La adjudicación de las bandas de frecuencia a los diversos servicios surge de una reglamentación internacional (Reglamento de Radiocomunicaciones) de la UIT-R, pero la asignación de las bandas de frecuencia entre los diferentes utilizadores de un mismo servicio, surge de un reglamento propio a cada país. En Argentina la repartición entre los diferentes usuarios, es realizada por la Comisión Nacional de Comunicaciones (CNC). No siempre ocurre que las bandas de frecuencias que se asignan para un servicio estén reservadas a esa única aplicación. En algunos casos, el plan de frecuencia es compartido por otros servicios, por ejemplo, las bandas de 4 y 6 GHz, que se utilizan para radioenlaces terrestres y satelitales. Actualmente, se puede considerar que el rango de funcionamiento de los radioenlaces se extiende desde 1 a 40 GHz aproximadamente. La atenuación de propagación producida por los hidrometeoros constituye el mayor obstáculo para aumentar la frecuencia.

2. ESTABL ECIMIENTO DE LOS PLA NES DE FRECUENCIA. DISPOSICIÓN DE LOS CANAL ES RADIOELÉCTRICOS

Es conveniente optimizar la utilización del espectro radioeléctrico, lo que equivale a encontrar métodos que permitan transmitir el máximo de información sobre un dado trayecto, con la banda más estrecha posible, y con interferencias aceptables. Por canal radioeléctrico, se entiende la banda de frecuencia ocupada por una onda radioeléctrica modulada. Un canal esta definido por el UIT-R teniendo en cuenta el ancho de banda y la frecuencia de la portadora de la onda modulada. La yuxtaposición de varios canales, constituye un plan de frecuencias. El ancho de un canal, podría ser más elevado que el estrictamente necesario para transmitir la señal. Esto proviene de la necesidad de asegurar un funcionamiento correcto cuando se yuxtaponen varios canales, dado que es necesario tener en cuenta el efecto de interferencia entre canales.

2.1. Número d e canales necesarios p ara la transmisión bilateral de una señal Es evidente que son necesarios al menos dos canales para transmitir bilateralmente una señal sobre un trayecto determinado, y que la solución que consiste en afectar un canal único a un sentido de transmisión, según la figura, no es aceptable.


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F1

F1

Fig. 1 Interferencia en una repetidora resultante de la utilización de un canal único por sentido de transmisión En efecto, en una estación repetidora, la señal es recibida con una potencia extremadamente baja que puede descender a algunos picowatts, y es retransmitida con una potencia del orden del watt. En estas condiciones, el menor acoplamiento entre las antenas situadas sobre el mismo soporte provocaría interferencias inadmisibles. Entonces, se puede analizar de utilizar el mismo canal para la transmisión en los dos sentidos para una estación determinada, y otro canal para la recepción, según el esquema de la figura.

Fig. 2 Diferentes tipos de interferencias por el uso de un solo par de canales Los tipos de interferencias posibles, son los siguientes: n1 : Interferencia de la recepción en D por la transmisión en A. Dado que la distancia que separa las estaciones y la ausencia de propagación importante más allá del horizonte, esta interferencia se evita fácilmente; es suficiente que las antenas correspondientes no estén en visibilidad directa entre sí y para evitar toda interferencia en caso de propagación anormal, que los saltos no estén alineados. n2: Interferencia de la recepción en B en el canal F1 por la transmisión en B en el canal F2 . Este tipo de interferencia se produce cuando una parte de la energía transmitida es reinyectada por intermedio de los circuitos de conexión en la cadena de recepción. Este fenómeno esta siempre presente. Una separación conveniente de los canales F1 y F2 y un buen filtrado de las señales recibidas permite evitar esta interferencia. n3: Interferencia de la recepción en B proveniente de C por la transmisión de A hacia B. Esta interferencia proviene del hecho que la directividad de las antenas es insuficiente y que la antena de B orientada hacia C capta una cierta energía por su lóbulo posterior. Para evitar esta interferencia, conviene utilizar antenas con un diagrama de irradiación con lóbulos laterales muy bajos. Planes de Frecuencia

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Universidad Nacional de Rosario Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Ingeniería Electrónica n4: Interferencia de la recepción en A por la energía irradiada por el lóbulo posterior de la antena de B dirigida hacia C. Este fenómeno es parecido al precedente y se lo remedia de la misma manera.

El empleo de antenas muy directivas y con lóbulos laterales suficientemente bajos, permite a menudo evitar las interferencias mencionadas más arriba, lo que permite utilizar sólo dos canales diferentes para la transmisión bilateral de una señal. Según la figura, el uso de antenas que permitan el cruce de la polarización de los canales de la misma frecuencia entre los dos sentidos de transmisión facilita esta utilización.

F1

F1

V

F2

V

H

F1

F2

H

V

F2

V

Fig. 3 Uso del cruce de polarización Esta solución llamada plan a dos frecuencias, es excelente en lo que respecta a utilización espectral, pero necesita el empleo de antenas de muy buena calidad. Los usuarios que tienen una red poco densa, pueden pensar en una red a cuatro frecuencias utilizando dos canales para cada sentido. Se evita así los casos de interferencia n3 y n4, pero se reduce a la mitad la capacidad total de la arteria del radioenlace. F3’ F3

F1

F3’

F1’

F3

Fig. 4 Reducción de interferencias usando cuatro canales

2.2. Organización de un plan de frecuencias o de una disposición de canales radioeléctricos A fin de asegurar coherencia en la realización de una red de transmisión sobre la recepción por acoplamiento en una misma estación, es conveniente agrupar en cada estación, de una parte todos los canales radioeléctricos de transmisión, y de otra parte todos los canales radioeléctricos de recepción, y alejar estos dos grupos de manera que puedan separarse por filtrado. Se obtienen configuraciones de este tipo en una estación. Ver figura.

F1 H

F2 V

F3 H

F’1 H

F’2 V

F’3 H

...etc.

Emisión en la estación A

...etc.

Recepción en la estación A

Fig. 5 Configuración de canales en una estación Planes de Frecuencia

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Los canales 1, 2, 3,..., n constituyen la semibanda baja. Los canales 1', 2', 3', ..., n' constituyen la semibanda alta. Cada estación emite en una semibanda y recibe en la otra. En la estación siguiente, la situación se invierte. Geográficamente, la situación se presenta según la figura.

Emisión: ½ banda baja Recepción: ½ banda alta

A

B

C

Emisión: ½ banda alta en ambos sentidos Recepción: ½ banda baja en ambos sentidos

Emisión: ½ banda baja Recepción: ½ banda alta Fig. 6 Disposición de las semibandas por estación

La elección de las polarizaciones respectivas de las semibandas influye sobre las infraestructuras (antenas, guías de onda). Se presentan dos casos: - Si las polarizaciones de los canales Fn y F'n son las mismas, la transmisión y la recepción tienen lugar sobre el mismo acceso de la antena para un par de canales dado. Hay por lo tanto un acceso de antena dedicado a los canales de rango par y otro a los de rango impar. Una sola antena con doble acceso y dos guías de onda son suficientes para conectar la antena a los equipos. Ciertos dispositivos unidireccionales como los ferrites, permiten separar los dos sentidos de transmisión encaminados por una guía. - Para los radioenlaces de alta capacidad, a veces es indispensable recurrir a planes de frecuencia donde las polarizaciones de los canales Fn y F’n son diferentes.

Fig. 7 Utilización de los polarizadores En este caso, cada guía de onda lleva un solo sentido de transmisión. Es necesario utilizar dos antenas y cuatro guías de onda por estación y por dirección.


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Acceso V

F'1 F'3

emisión de canales impares

F1 F3 Acceso H

recepción de canales impares F2 F4

Acceso V

recepción de canales pares F'2 F'4

Acceso H

emisión de canales pares

Fig. Utilización de dos antenas. Fig. 8 Utilización de dos antenas

3. PRINCIPALES PL ANES DE FRECUENCIA Para una modulación, un múltiplex y un tipo de señal determinados, se puede calcular el espacio mínimo entre canales adyacentes, tomando en cuenta las interferencias que resultan de la presencia de transmisores y receptores funcionando sobre diferentes canales que ocupan el plan de frecuencia. El objeto de este párrafo, es aportar algunos elementos de información sobre la disposición de los planes de frecuencia normalizados por el UIT-R. Es interesante además comparar los rendimientos de los radioenlaces analógicos y digitales. En este caso, se utiliza en analógico la noción de ocupación espectral (relación entre la banda pasante para la señal modulada y el número de canales transportados) y en digital la eficacia o rendimiento espectral (relación entre el número de bits transmitidos en un canal a la banda ocupada por señal modulada).

3.1- Planes de frecuencia de radioenlaces analógi cos El espaciamiento mínimo depende del ancho del espectro de la señal modulada, de las posibilidades de filtrado y de la sensibilidad de las señales a las interferencias. Se pueden obtener excelentes resultados alternando las polarizaciones de las señales emitidas sobre un salto dado, si el canal 1 se emite en polarización horizontal, el canal 2 se emite en polarización vertical, etc.

Fig. 9 Plan de frecuencias En la siguiente tabla se muestran los principales planes de frecuencia para transmisión analógica.


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Recomendación UIT-T

Banda [GHz]

Capacidad de canales telefónicos

Número de canales radioeléctricos

DF [MHz]

283

2,1 – 2,3

300

6

14

382

3,8 – 4,2

1260

6

29

382

3,8 – 4,2

1800

6

29

383

5,9 – 6,4

1800

8

29,65

384

6,4 – 7,1

2700

8

40

385

7,425 – 7,725

300

9

14

386

8,2 – 8,5

960

6

23,3

387

10,7 – 11,7

1800

12

40

497

12,75 – 13,25

960

8

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3.2. Planes de frecuencia com unes a los radioenlaces analógico s y digitales La mayoría de los países disponen de una red de radioenlaces realizada con equipos analógicos. El pasaje a la digitalización sólo se puede hacer progresivamente y entonces es necesario asegurar, en un mismo plan de frecuencias, la compatibilidad de funcionamiento de ambos sistemas. A continuación, la renovación de los equipos sobre la base de una utilización exclusiva de radioenlaces digitales, debería permitir una modificación de los planes de frecuencia para optimizar el rendimiento espectral. En el caso presente, se trata de utilizar sin modificación los planes definidos por el UIT-R para el funcionamiento de radioenlaces analógicos.

3.3. Planes de frecuenci a específicos de los radioenlaces digitales Según el tipo de modulación utilizado, se pueden proponer varios modos de funcionamiento ligados esencialmente a las propiedades de resistencia a la interferencia de las modulaciones digitales. Las investigaciones en configuraciones de planes de frecuencia procuran el máximo de eficacia espectral y por lo tanto el máximo de canales radioeléctricos. Se constata que hay: - tendencia a la utilización de un plan de canales adyacentes alternados en polarización, con más o menos solapamiento de los espectros. Este caso se encuentra en las bandas de 2 a 7 GHz donde las transmisiones digitales a 34 Mb/s utilizan una modulación 4PSK, en la que el ancho teórico de espectro es de 17 MHz y el paso entre dos canales adyacentes es de 14MHz. - tendencia a la utilización de la cofrecuencia.


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XS

ZS

VS

H(V) 1

N’

2

1’

N’ N

V(H)

1r

2r

N’r

Disposición prin cipal

2’

Reutilizaión de frec para el fu ncionamien to con un mismo canal

N’r

A

Número d e canal

B

XS

H(V)

1’

N

2’

N’ Disposición principal

1r

2r

Nr

1’r

2’r

N’r

Reutilizació n de frecuencia con canales intercalados

V(H)

XS 2

XS

VS

ZS

Fig. Posibilidad de reorganización de los planes de frecuencia ne transmisiones digitales

Fig. 10 Posibilidades de organización de los planes de frecuencia en transmisiones digitales

3.4. Compartición de bandas de frecuencia con los servi cios espaciales Algunas bandas de frecuencia utilizadas por los radioenlaces, son compartidas con los servicios espaciales, especialmente con el servicio fijo por satélite. Esto se da especialmente en las bandas de 4/6, 11/14, y 20/30 GHz. Resultan de ello restricciones al uso de los radioenlaces terrestres. Se distingue: - por un lado, y según la Recomendación 406 de la UIT-R, se protege la órbita de los satélites geoestacionarios para evitar las interferencias en recepción en las estaciones espaciales en órbita. - por otro lado, y según la Recomendación 359 e Informe 382 de la UIT-R, es necesario definir una zona de coordinación entre las estaciones terrestres y los radioenlaces, para evitar las interferencias del tipo estación terrestre hacia estación de radioenlace, o del tipo estación de radioenlace hacia estación terrestre.

4. UTILIZACIÓN DE FRECUENCIAS SOBRE UN TERRITORIO A partir del momento en que un país decide desarrollar una red de radioenlaces muy densa, no puede haber una compartición geográfica de las frecuencias. Todos los radioenlaces del mismo tipo deben funcionar en la misma banda y son susceptibles de interferencia. El estudio de las perturbaciones entre radioenlaces, muestra que es preferible que todos los enlaces que funcionan en la misma banda, utilicen exactamente los mismos canales. Sin embargo, en ciertas condiciones, puede ser interesante recurrir a un plan de frecuencia intercalado, es decir, donde las frecuencias portadoras están situadas en el medio entre dos portadoras adyacentes del plan principal. Los problemas de interferencia se resuelven empleando antenas muy directivas y jugando con las polarizaciones respectivas de los saltos que se perturban. Se muestra así, que bajo ciertas condiciones angulares ligadas a la calidad de las antenas, los enlaces con el mismo plan de frecuencias, pueden cruzar en una estación común a ambos.


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