Capítulo II: Fundamentos de Radio Enlaces de Microondas

2.1. ¿Qué son los radio enlaces de microondas?

Un radio enlace de microondas se refiere a un enlace, analógico o digital, entre terminales de telecomunicaciones mediante ondas electromagneticas, la conexión de estos terminales pueden ser punto a punto o punto multipunto. Estos enlaces operan en la banda del espectro radioeléctrico de microondas entre 1GHz y 300GHz, además, puede funcionar en configuración simplex, half duplex o full dúplex (bidireccional). radio enlaces de microondas

• Modo Simplex: se hace uso de una frecuencia con la cual un punto transmite datos y el otro solo los recibe.
• Modo Half Dúplex: se hace uso de una frecuencia, sin embargo, la transmisión de datos se puede dar en ambos sentidos pero en un sentido a la vez, es decir, un punto puede transmitir o recibir mientras el otro punto cumple la función opuesta, el cambio de roles, de transmisión o recepción, puede darse mediante un proceso de negociación entre ambos puntos.
• Modo Full Dúplex: se tienen dos frecuencias, esto permite que la transmisión de datos pueda darse en ambos sentidos y a la vez, es decir, un punto puede transmitir y recibir al mismo tiempo.

Un sistema de microondas se encarga de transmitir la señal de banda base digital a través de un proceso de modulación sobre una portadora de RF análoga, luego es transmitida sobre el aire como una onda electromagnética. En el caso del modo Full dúplex, ambas frecuencias de transmisión y recepción son transmitidas/recibidas sobre una misma antena, este proceso se logra con el uso de duplexores como se muestra en la Figura 2.2. Aquí el duplexor permite el acoplamiento de señales sobre una misma antena además de proporcionar el aislamiento necesario para asegurar que la señal de transmisión no fugue al receptor de RF, en algunos casos se hace uso de elementos ferromagnéticos llamados circuladores para cumplir esta función.

Un punto importante es el espaciamiento de las frecuencias de transmisión-recepción, o comúnmente llamado espaciamiento de canal, la distribución de las frecuencias debe permitir un filtrado efectivo de las señales, algunos países adoptan las recomendaciones de la ITU para separación de canal. Un ejemplo de separación de canal se muestra en la Figura 2.3.

Figura 2.3. Separación de canal en 7GHz según la ITU.

2.2. Diagrama de bloques de radio enlaces microondas

Un equipo de radio está compuesto por varios bloques que cumplen una función bien definida, un diagrama de bloques típico se muestra en la Figura 2.4.

El tráfico de banda base (voz y datos) junto con otros bytes de cabecera, para señalización, canal de servició, order wire (canal de voz de ingeniería), control de radio, etc., ingresan al multiplexor donde se combinan en un flujo de datos. Luego son procesados de tal manera que se obtenga una distribución uniforme de las líneas espectrales. Después este flujo de datos es condensado para obtener un flujo más eficiente, lo que permite una reducción del ancho de banda en el modulador. Entonces esta señal es convertida a una frecuencia intermedia (IF) donde la amplificación es más fácil en términos de linealidad. Posteriormente, es transportada a la frecuencia de RF usando un oscilador local de transmisión para luego alimentar la etapa de potencia. A menudo habrá un módulo amplificador de alta potencia (HPA), al final de la etapa electrónica, antes de ser alimentado al branching circuit (circuito derivador, compuesto por filtros y circuladores) para la conexión a la antena.

La ubicación de estos componentes varía de equipo en equipo, pero principalmente se puede distinguir tres categorías:

• Full indoor (Equipamiento de interiores),
• Split unit (unidades ODU/IDU),
• Full outdoors (Equipamiento de exteriores).

2.2.1. Full Indoor

Tradicionalmente los equipos de microondas Full Indoor son instalados dentro de racks de 19 pulgas (21 pulgadas para USA) en una sala para equipos de transmisión (sala de microondas).  Un cable coaxial (por ejemplo tipo Heliax) o una guía de onda conectan el branching circuit con la antena montada en la torre, transportando la señal de RF. El equipo tiene a menudo una construcción modular para propósitos de mantenimiento. Estos equipos full indoor son generalmente usados para enlaces de larga distancia que requieren altas potencias de transmisión y arreglos de branching para múltiples frecuencias (diversidad de frecuencia), la ventaja es su alta capacidad de tráfico y reúso de antenas.

2.2.2. Split unit (RF outdoors)

Este tipo de equipamiento satisface a las redes de acceso, donde las estaciones poseen espacio limitado y se requiere instalar una mayor cantidad de enlaces por nodo. Estos equipos se dividen en dos partes: a) la parte interna o IDU, que está compuesta principalmente por las interfaces de banda base, el modulador y la tarjeta de control que administra todo el equipamiento, y b) la parte externa u ODU, que está compuesta por el módulo de RF que en general es independiente de la capacidad del enlace, ambos son conectados por un cable coaxial que transporta la señal en IF, los datos de control y la energía necesaria para alimentar a la ODU, tener la etapa de RF muy cerca a la antena permite tener una menor pérdida de potencia, en especial al hacer uso de frecuencias mayores a los 20GHz.

2.2.3. Full Outdoor

Cuando los enlaces de microondas son utilizados para interconectar micro-celdas celulares o comunicar a usuarios a corta distancia del nodo, se hace necesario el uso de equipos compactos con antenas pequeñas fáciles de instalar que no consuman mucha energía. Estos equipos de radio manejan, por ejemplo, tasas de datos del orden del 1Gbps sin embargo la potencia de transmisión es baja lo cual limita el diseño de radio enlace de microondas a aplicaciones de mediana o corta distancia. Estos equipos de radio tienen todos los elementos necesarios para su funcionamiento en un solo paquete, el cual está sellado herméticamente para así evitar el deterioro de sus componentes.

La figura 2.5 muestra los tres tipos de equipos de radio microondas descritos anteriormente. Estos equipos son de la marca NEC modelo iPasolink.

2.3. Etapas de un sistema de radio microondas

En la sección anterior se ha descrito a grandes rasgos las etapas de un sistema de microondas y su ubicación según el tipo de equipamiento, a continuación pasaremos a describir cada una de estas etapas. Las principales son:

• Interfaces de Usuario
• Muldem (Multiplexor/demultiplexor)
• Modem (Modulador/demodulador)
• Transceptor (Transmisor/Recepctor)
• Branching Circuit (Circuito derivador)

2.3.1. Interfaces de Usuario

Dependiendo del tipo de sistema de radio, los radio enlaces de microondas podrán transportar tráfico de voz o datos, de esto dependerá si se usa una interface TDM o Ethernet o quizá ambos. Felizmente, existe para cada necesidad el equipamiento adecuado. Las principales interfaces de esta categoría son: TDM (E1, E3, STM-1, etc.) y Ethernet eléctrico u óptico.

2.3.2. Muldem (multiplexor secundario)

Las tramas E1 (o T1) no son las únicas que se usan en redes de transporte, también se tienen, por ejemplo, señales de 34 Mbit/s (E3) útiles para el transporte de señales de TV, señales STM-1 o Ethernet, por lo tanto, la entrada a una interfaz de un sistema de radio puede soportar uno o más estándares, tales como E1, T1, E3, STM-1 o Ethernet.

Los sistemas de radio necesitan transportar estas señales transparentemente al otro punto del enlace. En otras palabras, no se debería manipular la señal de ninguna manera. Lo primero que necesita hacer una radio es crear una señal compuesta desde varias entradas, la cual pueda ser transmitida al otro punto. Entonces es necesario multiplexar todas las señales y agregar alguna cabecera si se requiere con la finalidad de distinguir cada flujo de datos, esta función la cumple el Muldem, el cual es un multiplexor a nivel de señales de banda base.

2.3.4. Modem

Es un modulador/demodulador. Luego de la multiplexación de señales en banda base, estas deben ser transportada sobre la portadora de RF, lo cual se realiza mediante la modulación de la señal dentro de una portadora de IF o RF, con un poco más de detalle describiremos las funciones del modulador y demodulador:

a. Modulador

Se encarga de modular la señal en banda base, existen dos formas de realizar la modulación en sistemas de radio digital, mediante modulación directa o modulación indirecta.

• La modulación directa es cuando no existe portadora de IF. La señal en banda base es aplicada directamente al modulador, permitiendo la reducción de costos y complejidad.
• La modulación indirecta implica primero convertir la señal en banda base a una en IF y luego convertir esta señal en RF, esta forma es la más utilizada en los sistemas de radio microondas punto a punto.

Existen tres tipos principales de modulaciones digitales:

• Modulación por amplitud,
• Modulación por fase,
• Modulación por frecuencia.

Como las señales son digitales estas cambian entre dos estados. En modulación por amplitud (ASK), la señal cambia desde un valor de amplitud establecido a algún otro valor de amplitud predeterminado; en modulación por fase (PSK) la fase de la señal cambia en 180 grados; en modulación por frecuencia (FSK) la señal cambia entre dos valores de frecuencia, la figura 2.7 muestra estos tipos de modulación. Existen variantes de estos tipos de modulación que permiten más estados, a estos se les denomina modulaciones digitales multinivel.

Figura 2.7 Modulaciones digitales

Los dos métodos de más usados para radioenlaces de microondas son basados en modulaciones multinivel B-PSK y n-QAM, la cual consiste en una combinación de los métodos descritos anteriormente, estos esquemas usan modulación multi-símbolo para reducir los requerimientos de ancho de banda. Estos esquemas de modulación requieren una mayor relación S/N para operar en comparación a otros sistemas, la Figura 2.8 muestra los tipos de modulación multinivel.

Figura 2.8 Modulaciones multinivel

b. Demodulador

Un demodulador realiza el proceso inverso de un modulador, dos tipos principales de demoduladores se usan para detectar señales digitales: detectores de envolvente y detectores de fase.

• Los detectores de envolventes usan circuitos simples compuestos por diodos y condensadores para extraer la envolvente de la señal.
• Para el caso de las modulaciones PSK y QAM, no hay variaciones de envolvente, por lo tanto, se requiere de la demodulación coherente de la señal. En este método la señal modulada entrante es mezclada con una réplica exacta (fase y frecuencia) de la señal portadora IF. Un filtro pasa-bajos luego es usado para recuperar la señal en banda base La réplica de la portadora requerida se genera usando un circuito de fase cerrada (PLL), este proceso añade complejidad a la circuitería además del costo de fabricación, pero se obtiene como resultado una mejora en los umbrales de recepción.

Existe un compromiso entre la eficiencia del ancho de banda y el performance del enlace. En los sistemas digitales de radio la señal recibida podría estar justo arriba del umbral de recepción sin sufrir errores, es decir al límite, pero siempre es necesario tener un margen considerable entre el umbral de recepción y la señal recibida, a esto se le llama margen de desvanecimiento, o Fade Margin en inglés, con la finalidad que el sistema puede soportar condiciones adversas que deterioren el nivel de la señal.

2.3.5 Transceptor

La sección de RF está compuesta por los módulos transmisor y receptor, los cuales son conocidos en conjunto como transceptores.

a. Transmisor

La señal luego de ser modulada, es convertida a una señal en RF o IF para luego ser amplificada con un amplificador de potencia. Los transmisores actuales son sintetizados, lo que significa que se hace uso de un oscilador local de referencia para generar la señal de RF, este oscilador local está controlado por un nivel de tensión (VCO). Con el uso de un sintetizador VCO, la frecuencia de transmisión puede ser seleccionada, en un rango establecido, mediante el uso de software. El amplificador de potencia debe ser lo más lineal posible; sin embargo, este siempre introducirá algo de distorsión, para mantener este nivel de distorsión al mínimo, la señal es pre-distorsionada antes de la amplificación, debido a la introducción complementaria de distorsión se produce la cancelación en la etapa de amplificación de potencia, a esto se le denomina un proceso de ecualización. El transmisor también incluye un control automático de ganancia (AGC) para mantener la potencia de salida constante ante cualquier variación de temperatura.

b. Receptor

En la etapa de recepción, la portadora modulada de RF es convertida a una señal de IF antes de su demodulación. Esta se consigue mediante la mezcla de la señal de RF con un oscilador local sintetizado (VCO). Un circuito de control automático de ganancia (AGC) asegura que la señal de salida IF se mantenga constante ante variaciones de la señal de recepción RF. Esta señal de AGC es usada para la medición de la intensidad del nivel de recepción (como por ejemplo en el proceso de alineamiento de antenas).

2.3.6. Branching Circuit

La unidad branching es un término genérico para describir la circuitería que hace de interfaz entre la antena y el transceptor. Esto incluye los filtros, circuladores, e híbridos.

La misma antena puede ser usada para transmitir y recibir la señal. La unidad branching filtra la señal y combina las dos señales en una misma antena. Filtrando la señal de transmisión se asegura que el espectro transmitido no cause interferencia a los canales adyacentes, y de esta forma evitar la interferencia co-canal. En la dirección de recepción, la señal es filtrada para eliminar cualquier señal espuria que pueda ser transferida al circuito de recepción.

La combinación de las señales de transmisión y recepción dentro de una misma antena se logra por el uso de dispositivos pasivos ferromagnéticos llamados circuladores. La combinación de circuladores y filtros es llamado duplexor. Un circulador transfiere la señal con muy poca pérdida al puerto que se requiere, obteniendo un alto aislamiento de las señales hacia otros puertos, La señal transmitida por lo tanto es transmitida a la antena con baja pérdida y muy poca fuga, lo mismo en el lado de recepción. Es importante que el planificador de radio entienda las pérdidas generadas por los duplexores y las incluya en los cálculos de diseño, la Figura 2.18 muestra un ejemplo de branching.

Dentro de los principales tipos de arreglos de branching tenemos los siguientes:

• Hot Standby
• Diversidad de Frecuencia
• Diversidad de Espacio

a. Hot Standby

En un arreglo del tipo Hot Standby convencional se hace uso de dos transceptores en cada extremo de un sistemas de radioenlace punto a punto, sin embargo, solo se hace uso de un par de frecuencias, por lo tanto, no es posible transmitir por ambos transceptores al mismo tiempo, se requiere de un conmutador para transmitir la señal por uno de los transmisores, ambos son capaces de transmitir la señal, pero solo uno está activo transmitiendo señal a la antena y el otro esta encendido en espera (Hot Standby) que el otro falle, de esta forma se obtiene redundancia en equipos transceptores, se debe considerar que el conmutador puede reducir la señal de transmisión en 0.5 dB. En la dirección de recepción, la señal es dividida en dos caminos, ambas señales son demoduladas, pero solo la mejor es elegida, al dividir la señal en dos caminos esta se reduce a 3dB. En la práctica, la pérdida puede ser desde 3.5 dB hasta 4 dB. La figura 2.19 muestra el arreglo tipo Hot Standby.

b. Diversidad de Frecuencia (FD)

En un arreglo con diversidad de frecuencia se puede configurar un arreglo de múltiples transceptores, obteniendo una configuración del tipo N+0 ó N+1. En el caso de la configuración N+0, se tiene N transceptores (o sistemas) sin ningún respaldo ante una falla. En el caso de N+1, se tiene N+1 sistemas de los cuales solo N están transmitiendo datos, el adicional se encuentra en espera de reemplaza a cualquiera de los N transceptores ante una falla. Cada transmisor transmite señal simultáneamente a una frecuencia distinta, es por eso que se denomina diversidad de frecuencia, por lo que cada señal alimenta a su respectivo receptor sin necesidad de un conmutador o divisor de señal. Las pérdidas son significativamente menores que un arreglo del tipo Hot Standby, las pérdidas de calculadores y filtros son típicamente de solo 0.1 dB cada uno. La figura 2.20 muestra el arreglo tipo diversidad de frecuencia.

c. Diversidad de Espacio (SD)

En un arreglo de diversidad de espacio se puede tener una configuración del tipo diversidad de frecuencia o enlace punto a punto con un solo sistema, la diferencia radica en la colocación de una antena adicional de recepción, esta antena adicional recibe la señal y añade una mejora global en cada sistema. Existen dos tipos de SD, por conmutación y por ecualización, un SD por conmutación consiste en la selección de la mejora señal recibida por cada una de las antenas mediante un conmutador, la mejora resulta en un aumento en la disponibilidad del enlace, por otra parte, un SD por ecualización recoge la señal de ambas antenas y las ecualiza con la finalidad de mezclarlas y generar un única señal mejorada, esto permite aumentar no solo la disponibilidad del enlace sino también la ganancia total del sistema en hasta 3dB. El arreglo del branching para un sistema típico de diversidad de espacio es mostrado en la figura 2.21.

2.4. Características de los Equipos de Microondas

2.4.1. Características de RF

a. Rango de Frecuencia

Los equipos de radio están diseñados para operar en un cierto rango de frecuencia. El equipo sin sintetizador se ajustará al canal pre configurado y no puede ser modificado durante su instalación. El equipo sintetizado (mediante VCO) puede ser ajustado en sitio por software a la frecuencia del canal, sin embargo, aunque funcionará en un amplio rango de frecuencia, esto no siempre cubre toda la banda, por lo que puede ser necesario más de un transceptor. Generalmente se requieren diferentes transceptores para los extremos, uno de banda alta (High) y otro de banda baja (Low). Por lo tanto, el rango del transceptor del equipo debe verificarse con el plan de frecuencia que se está utilizando para evitar equivocaciones por uso de frecuencia.

b. Separación Tx / Rx

La separación entre TX y RX especifica el espacio mínimo permitido por la radio. Este valor dependerá del filtro de RF. El planificador de radio necesita verificar la especificación del equipo contra el plan de frecuencia que se está utilizando para evitar inconsistencias en la configuración de la frecuencia.

c. Espaciamiento de canal

Es necesario verificar que el espaciamiento de canales requerido sea compatible con el equipo. La técnica de filtrado y modulación determinará el espaciado entre canales. Los filtros de canal, que forman parte del Branching Circuit, a menudo se requieren a frecuencias más bajas (por ejemplo, 7 GHz) para cumplir los estrictos límites de ancho de banda establecidos por la UIT.

d. Estabilidad de Frecuencia

La estabilidad de frecuencias de la portadora de RF normalmente se especifica en partes por millón (ppm). Una ppm corresponde a 1 Hz por cada 1 MHz o 1 kHz por cada 1 GHz. Si la estabilidad de una portadora de 7 GHz se da como 3 ppm, la variación permitida es de 21 kHz como máximo.

2.4.2. Características de transmisión

a. Potencia de salida

La potencia de salida normalmente se especifica en el módulo de salida de transmisión o en la brida de la antena en dBm. En este último caso, las pérdidas de derivación de transmisión ya están incluidas. Se debe verificar si se especifican cifras típicas o garantizadas. Las cifras típicas tienden a ser de 3 dB a 4 dB mejor que las garantizadas, si se quiere ser riguroso durante el diseño se deberá elegir las cifras garantizadas.

b. Control de potencia

La potencia de salida de transmisión a menudo se puede controlar mediante el software de gestión en la radio. Existen dos formas de realizar este control. La primera es mediante el modo MTPC (Manual Transmission Power Control), la cual consiste en el control manual de la potencia de salida, se selecciona un nivel de atenuación o potencia de transmisión adecuada según los cálculos del enlace. La segunda forma es mediante ATPC (Automatic Transmission Power Control) el cual es un control automático de la potencia de salida, esto se realiza configurando tres parámetros, la potencia mínima, la potencia máxima y el nivel de histéresis, se usa ATPC para disminuir la interferencia de frecuencia atenuando la potencia de transmisión en condiciones no atenuadas y luego aumentando la potencia durante el desvanecimiento, esto se hace monitoreando el nivel de recepción y devolviendo esta información al transmisor. Si no se produce desvanecimiento, la potencia de transmisión se atenúa, lo que reduce la PIRE. Durante el desvanecimiento, esta atenuación se elimina, restaurando el margen de desvanecimiento de diseño completo incluido para superar los efectos de desvanecimiento.

c. Espectro de salida y emisiones espurias

Para reducir la interferencia en otros sistemas, las emisiones espurias de un transmisor deben reducirse mediante la configuración y filtrado adecuados. Las máscaras de salida de transmisión y los límites de emisión espurias en relación con la frecuencia de la portadora se especifican en los parámetros de los equipos.

2.4.3. Características de recepción

a. Umbral del receptor 10-6 y 10-3

El umbral del receptor es un parámetro crítico ya que este es uno de los principales parámetros utilizados para determinar el margen de desvanecimiento. Estrictamente hablando, un valor de 10-3 se utiliza para el margen de desvanecimiento, ya que las interrupciones se basan en SES, sin embargo, los usuarios a menudo prefieren el valor 10-6 hoy en día como un nivel de calidad mínimo para la transmisión de datos. Debe quedar claro si los valores calculados son relativos a la brida de la antena o se especifican en la entrada al receptor. Los valores de umbral de la recepción se expresan en dBm. Siempre serán un valor negativo, típicamente alrededor de -70 dBm a -90 dBm.

b. Nivel máximo de recepción

Para saltos cortos, se debe tener cuidado de no exceder el nivel máximo de recepción de entrada. Si el nivel de señal es demasiado fuerte, pueden ocurrir errores debido a la saturación de los circuitos del receptor. Si los niveles son extremos, pueden ocurrir daños irreversibles. Los fabricantes de equipos especifican el nivel máximo de recepción de sobrecarga. Los niveles máximos se expresan en dBm, generalmente alrededor de -15 dBm.

c. Margen de desvanecimiento dispersivo

Los márgenes de desvanecimiento dispersivos (DFM) se suelen citar para los valores de 10-6 y 10-3. Al igual que con los valores de umbral del receptor, el valor 10-3 es el correcto de usar para el margen de desvanecimiento. Los ecualizadores adaptativos han mejorado drásticamente los valores de DFM. El valor de DFM para un equipo debería ser, por lo general, 10 dB mejor que el margen de desvanecimiento plano requerido. Los valores de DFM se expresan en decibelios y varían desde aproximadamente 35 dB (sin ecualizadores) hasta valores de 70 dB.

d. Relación C / I

La planificación de frecuencias requiere algunos parámetros de equipo para los cálculos de interferencia. La relación mínima de portadora a interferencia (C / I) que el demodulador puede tolerar es importante. Los fabricantes normalmente suministran curvas o una tabla de valores para estos dos parámetros. En los sistemas digitales, la interferencia en el umbral es más crítica que en condiciones sin desvanecimiento; por lo tanto, se deben tomar en cuenta valores de umbral a interferencia (T / I).

2.4.4 Detalles de consumo

a. Rango de voltaje de entrada

La mayoría de los equipos de telecomunicaciones de microondas funcionan con -48 VDC; sin embargo, las radios tradicionales de baja capacidad usan 24 V y, por lo tanto, muchos sitios todavía tienen fuentes de alimentación de 24 V. Algunos equipos de radio tienen un rango de entrada extendido que admite suministros de 24 V a 48 V en ambas polaridades. Sin embargo, puede requerirse un conversor de energía externo para equipos que no cubren este rango. Los equipos instalados en áreas urbanas también a menudo no tienen una fuente de alimentación de corriente directa; por lo tanto, pueden requerirse conversores para que el equipo se conecte al suministro de energía principal. Se debe incluir una pequeña batería de respaldo para superar los cortes de energía.

b. Consumo de energía

Para resolver los requisitos del suministro de energía y de capacidad de las baterías de la estación, es necesario sumar el consumo total de energía de todos los equipos. Se deben considerar las cifras de consumo de energía de los terminales de radio. Estas cifras se expresan en vatios.