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Capítulo V: Diseño de Radioenlaces de Microondas

5.1 Proceso de diseño de radio enlaces

El diseño de radio enlaces de microondas es un proceso metódico, sistemático y algunas veces prolongado que incluye las siguientes actividades principales:

  • Cálculo de pérdida/atenuación.
  • Cálculo de desvanecimiento y margen de desvanecimiento.
  • Plan de Frecuencia y cálculo de interferencia.
  • Cálculos de calidad y disponibilidad del enlace.

El diseño completo es iterativo y puede tomar muchas fases de rediseño antes de lograr la calidad y disponibilidad requerida, la figura 5.1 muestra las fases del proceso del diseño de radio enlaces de microondas.

diseño de radio enlaces de microondas

Los modelos de predicción se usan con el propósito de predecir de manera empírica los efectos del desvanecimiento, por empírico se dice que los modelos se han obtenido en base a la experiencia, estos no se basan en consideraciones teóricas. Los modelos empíricos son el resultado de la aplicación de técnicas de regresión matemática sobre datos de medición y por lo tanto el resultado es una relación que describe la dependencia de una variable bajo ciertas condiciones.

A continuación revisaremos los siguientes aspectos relacionados con el diseño de radio enlaces:

  • Cálculo de atenuación y pérdidas.
  • Desvanecimiento y margen de desvanecimiento.
  • Análisis de interferencia.
  • Cálculos de calidad y disponibilidad.
  • Consideraciones de diseño.

5.2. Cálculos de atenuación/pérdida

Los cálculos de atenuación/pérdida se compone de tres principales contribuciones: pérdidas por propagación, branching y “misceláneos”.

  • Las contribuciones por pérdidas de propagación vienen de las pérdidas producidas por la atmósfera de la tierra y el terreno, por ejemplo el espacio libre, los gases, precipitaciones (principalmente lluvias), reflexión de la tierra y obstáculos.
  • Las contribuciones por pérdidas en el branching vienen del hardware requerido para enviar las señales de transmisión/recepción hacia/desde la antena, por ejemplo, las guías de onda, splitters, conectores y atenuadores.
  • Las contribuciones por pérdidas misceláneas o diversas tienen un carácter impredecible y esporádico, por ejemplo, tormentas de polvo y arena así como también nubes, humo o movimientos de objetos cruzando el enlace. Normalmente, esta contribución no es considerada en el cálculo, pero si puede ser considerada en el proceso de planeamiento como una pérdida adicional y luego incluida en el margen de desvanecimiento.

5.2.1. Pérdidas en el espacio libre

Las ondas electromagnéticas son atenuadas mientras se propagan en el espacio libre. El modelo de pérdida por trayectoria en el espacio libre es usado para predecir la intensidad del nivel de recepción cuando el transmisor y receptor tienen una trayectoria de línea de vista clara, sin obstrucciones entre ellos.

La atenuación es directamente proporcional al cuadrado de la distancia y la frecuencia, la pérdida por espacio libre representa la mayor parte de la atenuación total causada por efectos de propagación de la onda.

La relación de la frecuencia y la distancia con respecto a la pérdida entre dos antenas isotrópicas es expresada en términos numéricos, como se muestra en la ecuación 5.1:

L_{FSL}=(4*\pi *d/\lambda )^{2}=(4*\pi *f/c )^{2}\cdots [5.1]Donde:

  • d, distancia entre las antenas de transmisión de recepción (m)
  • λ, longitud de onda (m)
  • c, velocidad de la luz en el vacío (m/s)
  • f, frecuencia (Hz)

Es muy importante notar que el modelo de la pérdida por espacio libre es válido solo para las distancias que están en el campo lejano de transmisión de la antena.

La pérdida por espacio libre siempre está presente y depende de la distancia y frecuencia. La pérdida por espacio libre entre dos antenas isotrópicas se deriva de la relación entre la potencia total desde el transmisor y la potencia recibida en el receptor. Después de convertir las unidades de frecuencia y expresarlo en la forma logarítmica (decibel), la ecuación se transforma en:

L_{FSL}=92.45+20*log(f_{GHz})+20*log(d_{Km})\cdots [5.2]

Donde:

  • f, frecuencia (GHz)
  • d, línea de vista (LOS) entre antenas (km)

Una revisión cercana de la ecuación de pérdida por espacio libre muestra una relación que es muy útil en el cálculo del presupuesto del enlace. Cada incremento de 6 dB en la EIRP (Potencia isotrópica radiada equivalente) duplica el rango del enlace. Por el contrario, una reducción de 6 dB por pérdidas del sistema (debido a pérdidas en la línea de transmisión o en el extremo receptor) equivale una reducción en la mitad del rango del enlace. Esto se conoce como la regla de los 6 dB. Esto no es siempre tan fácil de lograr, pues en la trayectoria total se presentan otros factores negativos como la pérdida por lluvia y gases.

5.2.2. Atenuación por vegetación

Si se diera el caso de un obstáculo inesperado que intercepta la zona de Fresnel (por ejemplo un árbol en crecimiento), se puede calcular ésta pérdida adicional. Se necesita perfiles de trayectoria en alta definición además de realizar visitas en el sitio, para así evitar sorpresas de atenuación por obstáculos inesperados. La vegetación crece continuamente, y la tasa de crecimiento es muy importante. Por lo tanto, es importante incluir en el diseño un crecimiento de vegetación de por lo menos 10 años. La ITU-R P833-6 presenta dos métodos para el cálculo de atenuaciones por vegetación:

  • Trayecto terrenal con un terminal en zona boscosa: este modelo es aplicado en el escenario donde un terminal del enlace se encuentra dentro del follaje o zona boscosa, y mientras tanto el otro terminal se encuentra libre.
  • Obstrucción por solo un obstáculo vegetal: es un modelo de radio-propagación que cuantifica aproximadamente la atenuación debido a un arbusto, árbol o cuerpo vegetal en medio del enlace de microondas. Este modelo es muy complejo y no es aplicable para frecuencias de 3-5 GHz.

Estos dos modelos pueden ser usados para evaluar la atenuación a través de vegetación entre las frecuencias de 30 MHz a 60 GHz. Este modelo está basado en el modelamiento de transferencia de radiación y cubre la propagación a través de la vegetación y la difracción alrededor de esta. Se debe notar, que la atenuación variará significativamente con el tiempo y la velocidad del viento.

5.2.3. Atenuación debida a los gases atmosféricos

La mayor diferencia en la propagación a través del espacio libre y la atmósfera real es el aire presente. Las moléculas de nitrógeno y oxigeno acumulan aproximadamente el 99% del volumen total de la atmósfera.

La banda de absorción del nitrógeno está localizada lejos del espectro de radio microondas, por lo tanto, se puede considerar que la atmósfera está compuesta por la mezcla de dos gases: aire seco (moléculas de oxigeno) y vapor de agua (moléculas de agua). No se manifiesta un incremento lineal de la absorción con respecto a la frecuencia, por lo contrario se presenta fluctuaciones agresivas, con picos de absorción seguida de valles y luego más picos, pero con una obvia tendencia al alza.

Los dos picos de absorción presentes en el rango de frecuencias comerciales para radioenlaces de microondas se ubican alrededor de los 23 GHz (moléculas de agua) y los 60 GHz (moléculas de oxigeno). Las atenuaciones especificas (en dB/km) para el vapor de agua y el oxígeno son calculadas de forma separada y luego sumadas para obtener la atenuación específica total. La atenuación específica total es fuertemente dependiente de la frecuencia, temperatura y la humedad absoluta o relativa de la atmósfera. La figura 5.2 muestra la variación de la atenuación específica con respecto a la frecuencia y la humedad relativa.

Atenuación de gas vs frecuencia

Los patrones de absorción para el oxígeno y el vapor de agua son muy diferentes, y sus picos y valles no coinciden. Por encima de los 100 GHz, la absorción de las moléculas de oxigeno se reduce hasta un nivel pequeño, mientras que la absorción por vapor de agua tiene una tendencia a crecer y manifiesta una serie de picos altos y profundo con el incremento de la frecuencias.

Desde los 10 a 30 GHz, la absorción debido a ambos tipos no es un problema serio, y solo un pico de absorción tiene una presencia significante, la cual ocurre a los 23 GHz. Por lo tanto, el espectro entero puede ser utilizado. Superior a los 30 GHz, la absorción por vapor de agua sube rápidamente, excediendo a los 10dB/km en 60 GHz.

Otros gases atmosféricos y poluciones tienen líneas de absorción en la banda de las ondas milimétricas (por ejemplo SO2, NO2, O2, H2O, CO2 y N2O); sin embargo, la pérdida por absorción es principalmente debida al vapor de agua y oxigeno solamente.

5.2.4. Atenuación debido a precipitaciones

Las precipitaciones pueden tomar la forma de lluvia, nieve, granizo, nube y neblina. Todos ellos consisten en partículas de agua (la neblina también consiste de pequeñas partículas sólidas). Se diferencia en la distribución de la forma y tamaño de sus gotas de agua. La atenuación debido a la lluvia, sin embargo, es la principal contribuidora en el rango de frecuencias usado por los enlaces de microondas. La atenuación por lluvia se incrementa con el aumento de la frecuencia y se convierte en la mayor contribuidora en las bandas de frecuencia por encima de los 10 GHz.

El parámetro principal que se usa en el cálculo de la atenuación por lluvia es la intensidad de lluvia, la cual se obtiene desde distribuciones acumulativas. Estas distribuciones son el porcentaje de tiempo durante el cual se alcanza o supera una determinada intensidad de lluvia, se ha elaborado 15 diferentes zonas de lluvia para así cubrir toda la superficie terrestre.

La atenuación específica de la lluvia depende de muchos parámetros, tales como la forma y tamaño de la distribución de las gotas de lluvia, polarización, intensidad de la lluvia y frecuencia. La contribución debido a la atenuación por lluvia no se incluye en el link Budget y solo se usa para el cálculo del margen de desvanecimiento.

Es importante notar que la atenuación por lluvia se incrementa exponencialmente con la intensidad de la lluvia (mm/hr) y que la polarización horizontal presenta mayor atenuación que la polarización vertical.

5.2.5. Pérdida por obstáculos

La difracción es el mecanismo responsable de las pérdidas/atenuaciones debido a obstáculos. De hecho, la pérdida por obstáculos también es conocida en la literatura como pérdida por difracción o atenuación por difracción.

Dependiendo la forma, tamaño y las propiedades del obstáculo, los cálculos de difracción pueden ser engorrosos y consumir mucho tiempo. Desde la premisa que los enlaces de microondas normalmente requieren línea de vista, se puede aplicar métodos relativamente simples para calcular las pérdidas por obstáculos.

Un método poderoso pero simple para el cálculo de pérdida por obstáculos es el método del pico único, el cual se basa al aproximarse el obstáculo al de un filo de cuchillo, como se puede apreciar en la figura 5.3, este método puede ser fácilmente extendido para abarcar los tres más importantes picos dentro de la zona de Fresnel.

Modelamiento de difracción filo de cuchillo

Existen otros métodos diferentes para estimar las pérdidas por difracción, algunas de las cuales se basan en cálculos matemáticos muy complicados. Aunque para un rápido análisis se puede usar el método de un solo obstáculo, un filo de cuchillo ideal rara vez aparece en la práctica, por lo tanto, se aplican modificaciones al modelo para considerar el radio finito del obstáculo. Si se considera una aproximación del tipo filo de cuchillo, los valores mostrados en la figura 5.4 son aproximaciones razonables. En este caso, si se tiene libre de obstáculos el 60% de la zona de Fresnel se obtiene 0 dB de pérdida por obstrucciones. En el caso que exista más de un obstáculo, el total puede ser remplazado por un obstáculo tipo filo de cuchillo. Los modelos de pérdida por difracción se pueden encontrar en la recomendación de la ITU-R P.526 . La última versión puede ser usada para estimar las pérdidas por obstáculos.

Figura 5.4. Aproximación de pérdidas
Figura 5.4. Aproximación de pérdidas

5.2.6. Reflexión de la tierra

La superficie de la tierra actúa como un enorme espejo el cual refleja parcialmente las ondas radioeléctricas provenientes del transmisor. Dependiendo de la geometría de la trayectoria, el receptor puede recibir múltiples rayos provenientes de las reflexiones, las cuales interfieren con la señal principal, en algunos casos estas reflexiones pueden ser lo suficientemente fuertes para generar interrupción del servicio. Las propiedades de reflexión de la atmósfera cambian constantemente (cambios en el Factor-K), por lo tanto, las pérdidas por reflexión también varían (desvanecimiento). La pérdida debido a la reflexión sobre la superficie terrestre depende del coeficiente de reflexión de la tierra y el cambio de fase de la señal.

La Figura 5.5 ilustra la intensidad de la señal como una función del coeficiente total de reflexión. Los valores más intensos de la señal (Amax) se obtiene con un ángulo de fase de 0°, y los valores más bajos (Amin) se obtienen para un cambio de fase de 180°.

Figura 5.5. Intensidad de la señal vs. Coeficiente de reflexión
Figura 5.5. Intensidad de la señal vs. Coeficiente de reflexión

El coeficiente de reflexión depende de la frecuencia, el ángulo de reflexión, la polarización, y otras propiedades del terreno. El ángulo de reflexión en enlaces largos suele ser menor que 1°.

Se recomienda evitar las reflexiones de la tierra. Para grandes ángulos de reflexión, la diferencia entre la polarización vertical y horizontal es importante. El cambio de la altura de una antena puede mover el punto de reflexión. Este procedimiento, conocido como la técnica hi-lo, fuerza a que el punto de reflexión se mueva de tal manera, que los rayos reflejados no afecten a la antena receptora.

La técnica de diversidad de espacio también provee una buena protección contra reflexiones, esta es usualmente aplicada en trayectorias que pasen sobre cuerpos de agua.

Para muchas trayectorias de enlaces microondas, particularmente en altas frecuencias, es difícil obtener con exactitud el coeficiente de reflexión de la superficie, pues la conductividad, rugosidad, gradiente, etc., del terreno varía en toda la superficie. El procedimiento de cálculo puede tomarse como una guía general en los casos que sirva de ayuda para identificar problemas en la trayectoria o en la elección de un camino de entre varios, si es que existiese la posibilidad.

La contribución resultante de las pérdidas de reflexión no es automáticamente incluida en el Link Budget. Aunque, cuando la reflexión no puede ser evitada, el margen de desvanecimiento puede ajustarse incluyendo esta contribución como una pérdida adicional en el Link Budget.

5.3. Desvanecimiento y margen de desvanecimiento

El desvanecimiento es la variación de la intensidad de la señal de radio recibida debido a los cambios atmosféricos y/o reflexiones en agua y tierra en la trayectoria del enlace. Los tipos de desvanecimiento normalmente incluidos en el planeamiento de radioenlaces de microondas son los siguientes:

  • Desvanecimiento multitrayecto,
  • Desvanecimiento por precipitaciones,
  • Desvanecimiento por refracción-difracción (Desvanecimiento tipo-K)

Cualquier tipo de desvanecimiento depende de la longitud de la trayectoria.

5.3.1. Desvanecimiento multitrayecto

Se denomina desvanecimiento multitrayecto al mecanismo de desvanecimiento para frecuencias menores a 10 GHz. La figura 5.6 ilustra este fenómeno.

Figura 5.6. Desvanecimiento multitrayectoria
Figura 5.6. Desvanecimiento multitrayectoria

Bajo condiciones normales de propagación, el nivel de recepción está sujeto a ligeras fluctuaciones de unos pocos decibeles pico a pico. Estas fluctuaciones no tienen un efecto perjudicial sobre el funcionamiento del sistema siempre y cuando el margen de desvanecimiento se haya escogido lo suficientemente alto. Se sabe que los canales de transmisión entre las antenas transmisoras y receptoras de un sistema de microondas pueden divergir desde sus condiciones normales de propagación por períodos cortos de tiempo y experimentar efectos perjudiciales de propagación.

Una onda reflejada causa un fenómeno conocido como multitrayecto, lo que significa que una señal de radio puede viajar por múltiples caminos hacia la antena receptora. La propagación multitrayecto origina dos tipos de degradación de la señal, desvanecimiento plano y selectivo en frecuencia. El efecto del desvanecimiento plano es debido al ruido térmico e interferencia. Prácticamente, ambos fenómenos ocurren típicamente en combinación.

Se consideran dos tipos:

  • a. Desvanecimiento Plano.
  • b. Desvanecimiento Selectivo en frecuencia.

a. Desvanecimiento Plano.- es una reducción en el nivel de la señal donde todas las frecuencias son igualmente afectadas. Depende de la longitud del enlace, frecuencia y de la inclinación de la trayectoria.

b. Desvanecimiento selectivo en frecuencia.- implica la disposición de amplitudes y retardo de grupo a través del ancho de banda del canal, esto debido a la naturaleza de los medios de transmisión. Particularmente, afecta a los radioenlaces de microondas de mediana a alta capacidad. La sensibilidad del equipamiento de radio al desvanecimiento selectivo en frecuencia se describe en la curva característica de cada equipo.

5.3.2. Desvanecimiento por precipitaciones

Los principales causantes de la absorción gaseosa son el oxígeno y el vapor de agua. El oxígeno causa la degradación de la señal en frecuencias alrededor de los 50 GHz. El principal efecto de las precipitaciones es la atenuación de la señal. Esta atenuación es causada por la absorción de las ondas electromagnéticas por las gotas de agua.

5.3.3. Desvanecimiento por refracción-difracción

En el mundo real, el factor K varia con el tiempo y el lugar de acuerdo con las interacciones físicas que involucran al gradiente de refracción. Debido a estas variaciones en el factor K se origina lo que se denomina desvanecimiento por refracción – difracción. Si se tienen valores de K bajos, la superficie de la tierra será para las ondas electromagnéticas más curvado, por lo tanto las imperfecciones en el terreno podrán obstaculizar en alguna medida la línea de vista del enlace.

5.4. Análisis de interferencia

La interferencia en los sistemas de microondas es causada por la presencia de una o varias señales indeseada en el receptor. Para predecir con exactitud el rendimiento de un radioenlace digital se debe considerar los efectos debidos a la interferencia. Cuando esta señal indeseada excede ciertos valores limites, la calidad de la señal deseada es afectada. Para mantener la disponibilidad del servicio, la relación de la señal deseada a la señal indeseada (interferente) debe ser siempre mucho mayor que los valores umbrales del receptor.

La interferencia dentro de una radio digital degradará el nivel umbral del receptor, lo cual resultará en un menor margen de desvanecimiento,lo cual va a producir un BER excesivo. En condiciones donde no exista desvanecimiento, la señal digital puede tolerar altos niveles de interferencia; sin embargo, para proteger el rendimiento y fiabilidad del enlace, es necesario e importante controlar la interferencia en presencia de desvanecimientos críticos, esto se logra conociendo las causas que originan la interferencia.

5.4.1. Causas de Interferencia

La interferencia puede provenir de fuentes internas y externas. Como fuente interna se refiere a que puede ser originada desde el mismo equipo debido a los osciladores locales de transmisión y recepción (LO), también debido a una mala acción de los filtros selectivos. Un buen equipamiento posee osciladores estables y una buena respuesta en el filtrado de la señal, adicionalmente, puede ser originada por emisiones espurias del mismo sistema de radio. Como fuentes externas, puede ser originado de sistemas de radio operando en la misma banda de frecuencia o en canales adyacentes.

5.4.2. Tipos de interferencia

Existen dos tipos de interferencias de la señal, una es con la portadora a ruido variable (C/I variable) y la otra con la portadora a ruido constante (C/I constante).

– C/I Variable, en este caso, la interferencia es constante, pero el nivel de la portadora es variable debido a los desvanecimientos del medio, Se asume que el desvanecimiento que la portadora experimenta es independiente del desvanecimiento que experimenta la interferencia. Esto resulta en una relación C/I variable con el desvanecimiento. El efecto impacta en el nivel umbral del receptor (alto BER).

– C/I Constante, se da en el caso que la portadora y la interferencia son afectadas al mismo tiempo por el desvanecimiento. Se presenta cuando la señal e interferencia viajan a través de la misma trayectoria. El nivel absoluto de la señal e interferencia pueden variar durante el camino que recorren pero la relación C/I permanece constante. Este efecto se analiza para una señal de recepción fuerte donde el ruido térmico no es un problema, pero la interferencia entre símbolos es crítica.

5.4.3. Efectos de la interferencia

Los efectos en sistemas análogos y digitales son totalmente distintos.

– Efectos en Receptores análogos, la interferencia incrementa el ruido lo cual tiene un efecto directo en la calidad de la señal, esto también conduce a la acumulación de productos de intermodulación (IMP) lo cual degrada la calidad de la señal, estos productos interfieren con la frecuencia portadora y las bandas laterales, esta frecuencia portadora de la señal de interferencia, la cual es recibida por el receptor, puede tener un nivel superior al de las bandas laterales, resultando en lo que es llamado interferencia por batido de portadora. Otro tipo de interferencia es causado solo a los canales adyacentes, lo cual es llamado interferencia por batido de bandas laterales. Las figuras 5.7 y 5.8 muestran estos dos tipos de interferencia:

Figura 5.7. Interferencia por batido de portadora
Figura 5.7. Interferencia por batido de portadora

Figura 5.8. Interferencia por batido de banda lateral
Figura 5.8. Interferencia por batido de banda lateral

La interferencia también se añadirá al ruido térmico del receptor. El ruido térmico de fondo (Pn) puede ser cuantificado como la ecuación 5.3:

Pn = K*T*B\cdots (5.3)

Donde K es la constante de Boltzmann (1.38×10-23 J/K), T es la temperatura del receptor (en grados Kelvins), y B es el ancho de banda del receptor en Hertz.

El nivel umbral del receptor PT puede expresarse en dBm según la ecuación:

P_T = S/N_{BB} + F_{dB} + N_i + K*T*B\cdots (5.4)

Donde:

  • S/NBB es la relación señal a ruido en la entrada del demodulador,
  • FdB es la figura de ruido anticipado, y
  • Ni es el ruido de la interferencia.

Este resulta en un incremento en el ruido en banda base y la degradación de la relación S/N en el punto de supresión de ruido de RF, resultando en un decremento en el margen de desvanecimiento. Este efecto es insignificante en comparación con los efectos anteriores en los sistemas analógicos.

El efecto del aumento del ruido debido al ruido térmico y de intermodulación se muestra en la figura 5.9, es interesante observar que el punto de cruce es el punto de funcionamiento deseado, por lo que la mayoría de sistemas analógicos se han diseñado para cumplir con un margen de desvanecimiento determinado, independiente de las condiciones de enlace. En resumen, se puede decir el efecto principal sobre los sistemas analógicos es debido al aumento de ruido e IMP en ausencia de desvanecimiento.

Figura 5.9. Ruido en sistemas analógicos
Figura 5.9. Ruido en sistemas analógicos

– Efectos en Receptores digitales, En ausencia de desvanecimiento, los receptores digitales son muy robustos contra las interferencias a diferencia de los sistemas análogos, sin embargo, el principal problema de interferencia ocurre en condiciones de desvanecimiento, donde los niveles de señal se acercan al umbral del receptor, los niveles de señal muy por debajo del umbral del receptor, puede causar problemas en el proceso de demodulación, el efecto de interferencia no está dada, por lo tanto, en términos de la amplitud de la señal absoluta, sino, en términos de la relación entre la señal deseada (portadora) y la señal indeseada (interferencia), la cual es expresada como C/I, si la cifra se expresa en relación con el nivel umbral, esto se denomina relación umbral a interferencia o T/I.

5.4.4. Interferencia co-canal

En los sistemas digitales, debido al efecto del nivel umbral de los receptores digitales, como se ilustra en la figura 5.10, la interferencia de bajo nivel tiene poco o nulo efecto en la calidad de la señal bajo ausencia de desvanecimiento. Para variaciones pequeñas alrededor del nivel nominal de recepción, el efecto sobre el BER es despreciable. Solo cuando la señal se acerca a la zona umbral con variaciones de nivel es cuando se puede tener efectos dramáticos en la calidad de la señal. Es interesante observar que debido al efecto umbral no es necesario operar en un margen de desvanecimiento determinado. Se puede calcular el margen de desvanecimiento requerido para un enlace específico siempre que exista un margen de desvanecimiento mínimo para mantener la señal alejada del umbral.

Figura 5.10. Curva umbral del receptor
Figura 5.10. Curva umbral del receptor

De la fórmula 5.4 la interferencia Ni se añade al ruido térmico del receptor, por ejemplo si el nivel umbral sin interferencia fuese -100 dBm y la señal interferente tiene un nivel de amplitud (Ni) de -100 dBm, el umbral se degradaría -3 dB, esto significa que el margen de desvanecimiento de 40dB se degradaría a solo 37 dB, lo cual tiene un efecto importante en el performance total del enlace.

En sistemas digitales existe una mínima relación C/I (C/Imin) por encima del cual el BER es constante y por debajo el cual el performance rápidamente se convierte en inaceptable. Esto depende bastante del esquema de modulación: un esquema QPSK requiere solo 15 dB, mientras que un esquema de 128 QAM requiere al menos 30 dB. Los sistemas digitales deben mantener la relación aun en condiciones de desvanecimiento, esto significa que la relación C/I debe ser más grande que la relación C/Imin más el mínimo margen de desvanecimiento calculado para obtener el performance objetivo, tal como indica la fórmula 2.5:

C/I = C/I_{min} + FM_{min} \cdots (2.5)

En la práctica, la situación de interferencia en una estación nodal mejora si los niveles de recepción son de igual magnitud. Los niveles de recepción son afectados por los tamaños de las antenas usados en los enlaces, este requisito debe equilibrarse con los objetivos de rendimiento que dictan los tamaños de antena específico con el fin de cumplir con un margen de desvanecimiento requerido.

Los fabricantes de equipos usualmente producen una serie de curvas que muestran el umbral de degradación para varias relaciones C/I. Un ejemplo es el mostrado en la figura 5.12.

Figura 5.12 Ejemplo de la curva C/I para un equipo
Figura 5.12 Ejemplo de la curva C/I para un equipo

El umbral de degradación debe ser incluido en las predicciones totales de desvanecimiento. El margen de desvanecimiento total es una combinación del margen desvanecimiento plano, desvanecimiento selectivo e interferencia.

5.4.5. Interferencia de canal adyacente

Con el fin de simplificar el análisis, la discriminación de filtro, llamado filtro de discriminación de la red (NFD) o factor de reducción de la interferencia (IRF), se utiliza para convertir la interferencia de canal adyacente en un valor co-canal equivalente, este valor es una función de selectividad del receptor en sí y, por lo tanto, debe ser obtenido a partir de las especificaciones del fabricante para cada tipo de radio. Un ejemplo se muestra en la figura 5.13. Utilizando el concepto NFD, el mismo análisis se puede utilizar para las señales de interferencia de canal adyacente y co-canal, la ecuación puede expresar como:

C/I _{(co-canal) }= C/I_{(adyacente)} +NFD \cdots (5.6)

Figura 5.13. Curva NFD típica de un equipo
Figura 5.13. Curva NFD típica de un equipo

5.5. Cálculo de calidad y disponibilidad del enlace

El principal propósito de la definición de disponibilidad y calidad es establecer objetivos razonables para los radioenlaces de microondas. El procedimiento total puede ser estructurado en cinco pasos generales tal como se muestra en la figura 5.14:

Paso 1: Seleccionar un diseño apropiado de la red de microondas.

Paso 2: Seleccionar los objetivos de calidad y disponibilidad para la porción y sección correspondiente del modelo de red.

Paso 3: Cálculo de los parámetros de calidad y disponibilidad.

Paso 4: Comparación de lo calculados en el paso 3 con los objetivos del paso 2.

Paso 5: Si el objetivo no se cumple, los parámetros apropiados de red (tamaño de antena, altura de antena, potencia de transmisión, arreglo de canales, polarización, etc.) son cambiados, y los parámetros de calidad y disponibilidad son recalculados como se indica en el paso 3. El procedimiento se continúa hasta llegar al objetivo, como un proceso iterativo.

Para predecir la calidad de un radioenlace de microondas, se considera los siguientes mecanismos de desvanecimiento:

  • Desvanecimiento plano debido a la propagación multitrayectoria.
  • Desvanecimiento selectivo debido a la propagación multitrayectoria.
  • Desvanecimiento debido a la lluvia.
  • Desvanecimiento debido a la refracción-difracción en la atmosfera.

El desvanecimiento multitrayectoria (plano y selectivo) se asume como causante de eventos de desvanecimiento rápido, lo cual afecta la calidad del enlace. La lluvia y la refracción-difracción son consideradas como causantes de eventos de desvanecimiento lento, contribuyendo a la indisponibilidad del enlace.

Proceso de cálculo de calidad y disponibilidad del enlace
Figura 5.14 Proceso de cálculo de calidad y disponibilidad del enlace

5.5.1. Recomendaciones ITU-T

a. Recomendaciones de la Serie-G

En tecnologías de transmisión digital, cualquier bit recibido en error puede deteriorar la calidad de la transmisión, por lo tanto, la calidad decrecerá si se incrementa el número de bits errados, entonces, la tasa de bits errados en relación con el total de bits transmitidos en un determinado intervalo de tiempo es una cantidad que puede ser usada para describir el rendimiento del enlace. Esta cantidad llamada bit error ratio (BER) o tasa de error de bit, es muy bien conocida y comúnmente usada como parámetro de rendimiento. El BER puede ser medido solo si la estructura de bit de la secuencia a evaluar es conocida, por esta razón, la medición de BER se realiza fuera de servicio usando una secuencia de bit seudo-aleatoria bien definida (PRBS, pseudorandom bit sequence). En la práctica, la PRBS remplaza la información enviada en servicio.

Los parámetros de calidad definidos por la recomendación ITU-T G.821 y aplicadas por las recomendaciones ITU-R son basadas en los parámetros de BER. Los parámetros de calidad son la tasa de segundo errado (ESR, errored second ratio) y la tasa de segundo severamente errado (SESR, severely errored second ratio). Los parámetros de disponibilidad son la tasa de tiempo disponible (ATR, available time ratio).

La recomendación G.826 define todos los parámetros de rendimiento de tal manera que las estimaciones en servicio sean posibles. La detección de errores en servicio es posible, aunque, usando mecanismos especiales de detección de error (error detection code, EDC), los cuales son inherentes a ciertos sistemas de transmisión. Ejemplos de estos mecanismos son chequeo de redundancia cíclico (CRC), chequeo de paridad, y observación de paridad de bit intercalado (BIP).

La detección de error en servicio es posible si uno o más errores ocurren en una secuencia o bloque de bits dado. Normalmente no es posible determinar con exactitud el número de bits errados dentro de un bloque.

La filosofía básica de G.826 se basa en la medición de bloques errados, de esta manera se puede hacer una estimación del error en servicio. Los bloques de errores son procesados de igual manera que el error de bits, por ejemplo, el término tasa de bloque errado se define como la relación del número de bloques errados referidos al número total de bloques transmitidos en un determinado intervalo de tiempo. Los parámetros de calidad son ESR, SESR y relación de error de bloques de bit (BBER). Los parámetros de disponibilidad son la tasa de tiempo disponible (ATR, available time ratio) y la tasa de tiempo indisponible (UATR, unavailable time ratio).

Algunas definiciones muy útiles son:

  • Bloque (definición genérica), un bloque es un conjunto de bits consecutivos asociados con la trayectoria; cada bit pertenece a uno y solo un bloque.
  • Bloque errado (EB), un bloque en el cual uno o más bits están errados.
  • Segundo errado (ES), un período de 1 segundo en el cual uno o más bloques están errados.
  • Tasa de segundo errado (ESR), la relación de ES a el total de segundos en el tiempo total de disponibilidad durante un intervalo fijo de medición.
  • Segundo severamente errado (SES), un período de 1 segundo que contiene por encima del 30 por ciento de bloques errados o al menos uno defectuoso. SES es un sub-conjunto de ES.
  • Tasa de segundo severamente errado (SESR), la relación de SES a el total de segundos en el tiempo total de disponibilidad durante un intervalo fijo de medición.
  • Errores de bloque de fondo (BBE) un bloque errado que no ocurre como parte de un SES.
  • Tasa de errores de bloque de fondo (BBER), la relación de errores de bloque de fondo con el total de bloques en un tiempo disponible durante un intervalo de medición fijo. El conteo total de bloques excluye todos los bloques durante los SES y cualquier tiempo no disponible.

Los segundos consecutivos severamente errados (CSES) pueden ser precursores de períodos de indisponibilidad, especialmente, cuando no existen métodos de restablecimiento y/o protección. Los períodos CSES persistentes durante t segundos (2 a 10) pueden tener un impacto importante sobre el servicio, tales como la desconexión de los servicios conmutados.

El comportamiento de los errores debe ser evaluado solo durante los momentos cuando el enlace está en estado de disponibilidad.

La medición del BER y BLER (tasa de error de bloque) producen valores similares para BER pequeños, y, para algunos modelos de errores específicos, es posible calcular el BER desde un BLER. La desventaja de este procedimiento es que los modelos de error describen la situación encontrada en la práctica incorrectamente. Por lo tanto, el resultado de un cálculo de este tipo no es muy fiable.

Se puede asumir un trayecto ficticio de referencia (HRP) como el definido en la Recomendación ITU-T G.826 como todo el medio de transmisión digital de un señal digital para una tasa específica, incluyendo los enlaces de acceso (donde exista) entre el equipo en el que se origina la señal y los terminales. Un HRP de extremo a extremo se extiende por una distancia de 27500 Km. La porción de interés suele ser la parte nacional de la HRP subdividido en tres clases: de acceso, de corta distancia y de larga distancia tal como se muestra en la figura 5.15.

Figura 5.15 Trayecto hipotético de referencia, porción nacional
Figura 5.15 Trayecto hipotético de referencia, porción nacional

La recomendación ITU-T G.826 aplica para ambas jerarquías PDH y SDH, mientras que la recomendación G.828 solo aplica para sistemas SDH. Los requerimientos de rendimientos en la recomendación G.828 son más rigurosos que en la G.826.

La recomendación G.828 solo aplica para equipamiento diseñado después del 10 de marzo del año 2000 (la fecha que la ITU-T adopto la recomendación G.828).

b. Recomendaciones de la serie Y.

A continuación se muestra la lista parcial de alguna de las más importantes recomendaciones de la serie Y, los cuales son relativamente nuevos con relación a las redes basadas en IP. Nuevas versiones y adendas se publican todo el tiempo, por lo tanto es importante buscar la última versión de estos documentos.

  • Recomendación ITU-T Y.1541 “Objetivos de calidad de funcionamiento de red para servicios basados en el protocolo Internet,” (2002) Define seis redes de calidad de servicio (QoS) y especifica objetivos provisionales para los parámetros de funcionamiento de redes IP. Estas clases están destinadas a ser la base de acuerdos entre los proveedores de la red y entre los usuarios finales y sus proveedores de la red.
  • Recomendación ITU-T Y.1560 “Servicio de comunicación de datos con protocolo Internet – Parámetros de calidad de funcionamiento relativos a la disponibilidad y la transferencia de paquetes del protocolo Internet,” (2002) Define los parámetros que pueden ser utilizados en la especificación y evaluación de la velocidad, precisión, fiabilidad, y hacer uso de la capacidad IP de transferencia de paquetes de servicios internacionales de comunicación de datos IP. El transporte sin conexión es un aspecto distintivo del servicio IP que se considera en la presente recomendación. Los parámetros definidos se aplican de extremo a extremo, punto-a-punto de servicio IP y para las partes de red que realicen o contribuyan a la prestación de dicho servicio.
  • Recomendación ITU-T Y.1561 “Parámetros de calidad de funcionamiento y disponibilidad para redes con conmutación por etiquetas multiprotocolo,” (2004) Define los parámetros que pueden ser utilizados en la especificación y la evaluación del rendimiento de la velocidad, la fiabilidad exactitud, y la disponibilidad de la transferencia de paquetes sobre un camino de conmutación de etiquetas (LSP) sobre una red de conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS). Los parámetros definidos se aplican de extremo a extremo, LSP-punto a punto y en cualquier dominio MPLS que proporciona o contribuye a la prestación del servicio de transferencia de paquetes.

5.5.2. Objetivos de calidad e indisponibilidad

Los objetivos de calidad e indisponibilidad para todas las partes en el trayecto ficticio de referencia (HRP) tienen que lograrse al mismo tiempo. Estos objetivos toman en cuenta los efectos causados ​​por desvanecimiento, interferencia, y otras fuentes.

La asignación de bloques se utiliza en las porciones de acceso y de corta distancia, mientras que en la porción de larga distancia es una combinación de asignación de bloques y la asignación con indicación de longitud. Los desvanecimientos por lluvia, difracción y refracción (desvanecimiento tipo k) son causante de indisponibilidad, mientras que el desvanecimiento por trayectos múltiples (plana y selectiva en frecuencia) da ESR, SESR, y BBER.La indisponibilidad es el factor de dimensionamiento dominante para frecuencias superiores a 15 GHz, mientras que la calidad es el factor dominante y de dimensionamiento para frecuencias por debajo de 10 GHz (8 GHz en algunos países). Hay, sin embargo, una gama de frecuencias entre 10 y 15 GHz, donde la calidad y la disponibilidad pueden ser comparables, y todos los mecanismos tienen que ser considerados.

Indisponibilidad debido a un fallo de hardware no está, obviamente, relacionado con la longitud del recorrido, pero la indisponibilidad debido a la propagación de las ondas de radio (lluvia y el desvanecimiento de refracción-difracción) puede estar fuertemente dependiente de la longitud.

Las recomendaciones de la UIT-T G.801, G.821 y G.826 definen los objetivos de característica de error y disponibilidad. Los objetivos de enlaces digitales se dividen en grados diferentes: alto, medio y de grado local. El grado medio tiene cuatro clasificaciones de calidad. Los grados siguientes se utilizan generalmente en las redes inalámbricas:

  • Clase 3 de grado medio para la red de acceso
  • Alto grado para la red troncal

La UIT-R recomienda los objetivos para la disponibilidad y rendimiento de un sistema inalámbrico fijo como se define en la recomendación F.1703 (sustituye la recomendación UIT-R F.1493) y F.1668 (sustituye la recomendación UIT-R F.1491):

Recomendación UIT-R F.1668-1 (2007) define los «Objetivos de característica de error para los enlaces inalámbricos fijos digitales utilizados en las conexiones ficticias de referencia y trayectos ficticios de referencia de 27 500 km.”

Recomendación UIT-R F.1703 (2005) define los «Objetivos de disponibilidad para enlaces inalámbricos fijos digitales reales utilizados en las conexiones ficticias de referencia y trayectos ficticios de referencia de 27500 km.”

Los objetivos de disponibilidad deben dividirse con el fin de tener en cuenta los eventos de indisponibilidad debido a problemas de propagación, la falla del equipo, la intervención humana, y otras causas. La división de los objetivos de las diferentes causas de indisponibilidad se encuentra fuera del ámbito de aplicación de las recomendaciones de la UIT y se a definición de los diseñadores locales.

5.6. Consideraciones de diseño

A continuación se describe algunas consideraciones a tener en cuenta en el diseño de los enlaces

5.6.1. Consideraciones en antenas

El componente principal que está bajo la decisión de los planificadores de radio en términos del diseño del enlace es la antena. Sus características generales, incluidos la ganancia, rechazo a interferencias, diámetro y peso, son los factores críticos en el éxito del diseño.

El propósito de una antena es convertir la energía eléctrica generada en el transmisor de un sistema de radio en un una señal electromagnética enfocada en una dirección determinada. Las antenas se comportan de la misma manera en las direcciones de transmisión y recepción, una característica conocida como reciprocidad. Se sabe que cualquier flujo de corriente genera un campo magnético, si este flujo varia con el tiempo, se generará un campo magnético que también variará con el tiempo, éste a su vez generará un campo eléctrico también variable, estos dos campos interactuarán uno con otro, y si el conductor es lo suficientemente largo, en vez de que se genere solo calor, el conductor “irradiará”.

Con un conductor cuya longitud es media longitud de onda de la señal, el flujo de corriente podrá recorrer el conductor de inicio a fin en un ciclo de RF y luego se podrá producir la máxima oscilación para esa frecuencia; esto es lo que se llama resonancia.

A las frecuencias de microondas las longitudes de onda son relativamente pequeñas, en cambio en frecuencias HF se podría requerir antenas del tamaño de un campo de futbol. La antena más simple es la antena dipolo, la cual es solamente un elemento conductor de tamaño de una media longitud de onda e irradia la energía en todas las direcciones, a esto se le denomina antena omnidireccional.

Esta es la antena más parecida a lo que se denomina antena isotrópica, la cual es una antena hipotética que irradia la energía en todas las direcciones en un patrón esférico, con lo que se entiende que la energía es irradiada de la misma manera en todas las direcciones. A continuación se describe de manera resumida sus principales características.

  • Ganancia.- Una antena es un dispositivo pasivo, y por definición, no puede amplificar la señal; aunque, esta pueda dar forma a la señal para que sea más fuerte en una dirección que en otra.
  • Lóbulos laterales.- Las antenas de microondas son diseñadas para ser directivas. La máxima radiación es por lo tanto en la dirección de propagación. En la práctica, es imposible concentrar toda la energía en una sola dirección. Parte de la energía se propaga a los lados y detrás de la antena. El lóbulo principal es el que se encuentra al centro y de frente de la antena. Los lóbulos secundarios son de menor amplitud y se encuentran alrededor de la antena.
  • Relación Front to Back (F/B). – Se define como la relación de la ganancia en la dirección deseada entre la ganancia en la dirección opuesta detrás de la antena. Esto se expresa en decibeles. Es muy importante en los sistemas microondas de redes troncales tener una buena relación F/B para el re-uso de frecuencias. Relaciones superiores a los 70 dB pueden ser requeridas.
  • Ancho del haz.- El ancho del haz es una indicación de cuan angosto es el lóbulo principal. El ancho de haz a media potencia es el ancho del lóbulo principal en la mitad de la intensidad de la potencia.
  • Polarización.- La polarización de la señal es determina por su alimentador o feeder (Horn feed). Los radioenlaces deben transmitir y recibir en la misma polarización. Si una señal es recibida en la polarización opuesta, la mayor parte de la señal será atenuada debido a la discriminación por cros-polarización (XPD). Se suele usar antenas con doble polarización para incrementar la capacidad del sistema, para lograr esto se hace uso de alimentadores con polarización dual, esto solo es posible en antenas parabólicas sólidas.
  • Patrón de radiación.- El patrón de radiación de una antena tiene un aspecto tridimensional. Normalmente se necesita saber la forma y amplitud en que varían los lóbulos. Se obtiene por graficar la señal radiada alrededor de los 360 grados en ambos planos.
  • VSWR.- Una antena presenta una impedancia compleja hacia el alimentador del sistema, el cual debe ser adaptado. En una situación ideal toda la potencia enviada desde el modulo transmisor debería ser transferida hacia el alimentador. Sin embargo, en la práctica, existe una desadaptación de impedancias a la salida del módulo transmisor, por lo tanto, parte de la energía será reflejada y regresará a través de los conductores hacia el modulo transmisor. Esta desadaptación es cuantificada en términos de la relación de onda estacionaria o ROE (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio). Este parámetro ayuda a identificar problemas de desadaptación, así como interrupciones en el cable coaxial o guía de onda. Es expresada por: VSWR= (Vi + Vr) / (Vi – Vr), donde Vi es el voltaje incidente y Vr es el reflejado, si Vr = 0, entonces ROE será 1 que será el valor óptimo, VSWR siempre es ≥1.

5.6.2. Plan de frecuencias

Una vez que los perfiles de enlace hayan sido analizados y los repetidores de radio ubicados correctamente, se puede elaborar un plan detallado de cada enlace de radio. Las bandas de frecuencias adecuadas se pueden elegir para los enlaces y aplicaciones definidas por la autoridad reguladora, en nuestro caso el Ministerio de transporte y Comunicaciones (MTC). Las bandas de frecuencias para cada enlace son generalmente asignados de acuerdo con el servicio que se presta y el ancho de banda requerido del sistema. El espectro es muy escaso, y por lo tanto el MTC tendrá que asignarlo cuidadosamente. Siempre se busca no asignar las frecuencias bajas para enlaces de corto alcance para aprovechar al máximo sus características de radio propagación. Una típica política longitud del enlace se muestra en la Tabla 5.1.

Tabla 5.1. Guía de longitud de enlace

Banda de FrecuenciaMáxima distancia permitida
7 GHz>30Km
13/15/18 GHz15Km a 30Km
23/26 GHz5Km a 15Km
38 GHzhasta 5Km

 

El espectro de RF es parte del espectro electromagnético que a su vez es compartido, es decir, una vez usado no puede ser reutilizado para otras aplicaciones, por lo tanto, se requiere una planificación cuidadosa y coordinada de su uso. A nivel global, la ITU es responsable de estos detalles, específicamente, el área correspondiente a la ITU.R (agencia de radiocomunicaciones de la ITU). Cada país tiene un ente regulador, que es responsable de dar las directivas y políticas de uso del espectro de RF, además, se encarga de elaborar y modificar el plan de atribución de frecuencias, de esta manera, se detalla que parte del espectro le corresponde una aplicación determinada.

La ITU puede recomendar el uso del espectro de RF pero no determina su aplicación en cada país, por lo tanto, el plan de la ITU puede ser incompatible con el que adopta un determinado país, es por eso que en países fronterizos se debe coordinar el uso del espectro para evitar incompatibilidades e interferencias.

 

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