El canal de radiopropagación

El Canal de Radiopropagación
Radiopropagación Indoor
CAPÍTULO 5: EL CANAL DE
RADIOPROPAGACION
En la actualidad, vivimos con una demanda cada vez mayor en las
telecomunicaciones tanto en velocidad como en ubicuidad; la llegada de Internet y de
las redes de datos ha servido para extender esta tendencia. La movilidad y facilidad de
instalación hacen que las redes de comunicaciones sin hilo sean uno de los sistemas de
comunicación más importante para desplegar [26].
Los sistemas de comunicaciones personales (PCS) [27], las redes de área local
de radio, los teléfonos portátiles, los servicios de paginación y los dispositivos de
detección inalámbricos (por ejemplo un vigilabebés) se están desplegando en áreas de
interiores en una escala de aumento, incluso en oficinas, alamedas de compras, escuelas,
hospitales, y fábricas. El gran despliegue de estos servicios proporciona un desafío
importante a los diseñadores de la red inalámbrica, porque los canales de radio de
interior tienen a menudo una cantidad significativa de debilitaciones y de variabilidad.
Por eso, es imprescindible desarrollar las herramientas del despliegue, que proporcionen
modelos eficientes y exactos del canal de radio. La eficacia de un modelo es medida
generalmente por su complejidad de cómputo, mientras que la exactitud del modelo es
medida por el error total de la valoración del funcionamiento. Aunque la mayor parte de
la investigación actual en el modelado y la simulación del canal inalámbrico se hayan
hecho para el canal de radio móvil y los entornos residenciales y de oficina, el modelado
de la propagación para áreas industriales y otras áreas adversas no se ha investigado
completamente.
En este bloque, se explicarán los principales factores que intervienen en la
propagación inalámbrica, y seguidamente se expondrán los aspectos generales de dicha
propagación, una variedad de métodos de modelado y los modelos de canales que
pueden ser implementados. Finalmente, se usará un modelo de trazado de rayos que será
explicado detalladamente en el bloque 3.
5.1
Sistema de comunicación digital
Un sistema de comunicación transmite información desde un punto hacia otro,
estos sistemas se encuentran en la actualidad en una vertiginosa evolución. Un sistema
de comunicación digital está dividido principalmente en tres etapas. En la primera etapa,
se encuentra la parte de transmisión, posteriormente, el canal de comunicación por
donde se propaga la señal y finalmente, la sección del receptor por el cual se obtiene la
información [28].
5.1.1 Sistema de comunicación
En un sistema de comunicación, en la primera sección se encuentra la etapa del
transmisor, que se encarga del procesamiento de la información. En esta sección, es
donde se acondicionan los datos a transmitir, los cuales son codificados con el objetivo
de reducir la degradación en su propagación, así como ofrecer fiabilidad y seguridad de
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la transmisión en presencia del ruido generado por el canal. Actualmente se emplean
dos técnicas de codificación que es el DSSS y FHSS.
La multicanalización es otra técnica que se emplea para reducir la degradación
de la señal, la cual se ha aplicado principalmente en ambientes de multiusuarios. En esta
etapa se divide la información de los usuarios a través de varios canales, para lo cual se
emplean secciones de tiempo, frecuencia, código, etc., lográndose una mayor eficiencia
en el empleo del espectro e incremento del ancho de banda del canal.
El empleo de portadoras moduladas en un canal de comunicación, tiene como
objetivo facilitar la propagación en el canal e incrementar la cantidad de información
transmitida.
Existen varias técnicas para modular la información, entre algunas de ellas se
puede encontrar las portadoras analógicas conocidas como AM, FM y PM. Dentro de
los sistemas con modulación digital se tienen las de tipo BPSK, QPSK, FSK, etc.
En la segunda etapa se encuentran los canales de comunicación usados para la
transmitir la información. Esta sección, es principalmente la parte que afecta a la señal
que se desea transmitir, entre algunos canales de comunicación están los conocidos
como Bifilares, Fibra Óptica, Guías de Onda, Cable Coaxial, Espacios Libres o
Inalámbricos, etc.
En la tercera etapa referente al receptor, la señal se capta por una antena
receptora, la cual se encarga de trasladar el campo magnético recibido a un
demodulador para separar la información que se encuentra en
la
portadora.
Posteriormente, esta información es demulticanalizada y finalmente
decodificada, con el objetivo de poder obtener la información que fue transmitida
originalmente. En la Figura 5.1 se observan los procesos con los que se llevan a cabo
estas tres etapas.
Figura 5.1: Etapas que componen un sistema de comunicación
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5.1.2 Sistema de comunicación inalámbrico
El sistema de comunicación inalámbrico está constituido por un transmisor, que
es el encargado de procesar la información y posteriormente radiarla. El receptor es
el encargado de captar la señal, procesarla y así poder recuperar la información.
Dentro de este canal existen dos formas de establecer la comunicación entre
transmisor y receptor. El primero de ellos es cuando entre Tx y Rx por lo menos recibe
una señal en forma directa, a este proceso se le llama enlace LOS. Otro, es cuando la
señal transmitida entre Tx y Rx llega de manera indirecta, al cual se le conoce como
enlace NLOS.
Las fases de transmisión están constituidas por la entrada de datos, la etapa de
codificación, el proceso de multicanalización, la modulación, la amplificación de la
señal y su radiación.
La codificación de la señal se utiliza para reducir gran parte del ruido
generado por el canal inalámbrico, así como incrementar la seguridad en su
transmisión. Entre algunos tipos de codificaciones se puede encontrar es el DSSS y el
FHSS, los cuales se emplean en sistemas de comunicaciones modernos.
Esta señal codificada es multicanalizada para trasmitir una mayor cantidad de
información o emplearla en un ambiente de multiusuarios. Algunas de las técnicas de
multicanalización que se emplean son: CDMA, OFDM, FDMA, TDMA, etc.
Los sistemas de modulación se usan para facilitar la radiación del campo
electromagnético en el espacio. Las portadoras modulantes son divididas en dos
secciones, la primera es llamada portadoras analógicas, las cuales fueron las primeras
en transmitir información de una antena Tx a una Rx y éstas se dividen en AM, FM y
PM. En modulación digital, se tiene como objetivo transmitir información en código
binario, entre algunas de ellas se puede encontrar las modulación PSK, FSK, QAM.
Los datos de información que fueron unidos a la portadora, son enviados a un
amplificador de potencia con el objetivo de tener una mayor cobertura. Finalmente,
los datos son radiados a través de una antena que emite la señal al espacio. La
recepción de la señal se realiza a través de Rx, donde la señal es obtenida con cierto
nivel de degradación debido a la trayectoria que recorrió el campo electromagnético
por medio del canal inalámbrico de comunicación. En la Figura 5.2 se describe, las
etapas de un sistema de comunicación inalámbrica.
Dentro del canal inalámbrico, existen varios fenómenos físicos que se pueden
presentar al momento de radiar la señal, entre ellos se pueden considerar los que
ocasionan las pérdidas por trayectoria, dispersión de campo, reflexión de la señal,
absorción, etc. Otro factor importante en el canal de comunicación, depende del área
en donde se va a propagar la señal que transporta información, ya que en diferentes
medios, el comportamiento y la degradación del campo no es el mismo. La
propagación de las señales se clasifica en cuatro zonas denominadas: interiores de
edificios (indoor), urbanas, suburbanas y rural. La propagación de estas señales a su
vez puede clasificarse en forma determinista, empírica, semi-empírica y
probabilística.
Dentro de esta clasificación de parámetros, se pueden obtener los efectos que
se presentan en enlaces con LOS o enlaces a través NLOS. En el bloque siguiente se
tratará la degradación que sufre el campo en el interior de los edificios por medio de
un proceso determinista, debido a la exactitud de estos modelos de propagación.
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Figura 5.2: Sistema de comunicación inalámbrico
El modelado de un canal inalámbrico de comunicación, sirve para predecir qué
factores degradan el campo electromagnético que trasporta la información desde la
salida de los datos, su proceso de transmisión hasta el momento de obtener la señal
en la antena receptora, procesarla y así poder interpretar los datos transmitidos.
Para un sistema de comunicación por radio, el canal describe la forma en que la
propagación electromagnética de una señal transmitida induce una señal en el receptor.
El canal se puede expresar en términos de una respuesta impulsiva, que es la señal que
se recibiría si la señal transmitida fuera un impulso. Para el caso en que la comunicación
se lleve a cabo en un entorno que tiene diferentes caminos de propagación del
transmisor al receptor, la respuesta impulsiva del canal puede ser descrito por una suma
ponderada de factores de la siguiente forma [29]:
Ecuación 5.1
donde Ai es la magnitud de la respuesta impulsiva retrasa τi con una fase angular
y j satisface j2=1. LA señal recibida x(t) se puede describir en términos de
asociada
la señal transmitida y(t) y de la respuesta impulsiva del canal de la siguiente manera:
Ecuación 5.2
donde * representa la operación de convolución y n(t) es una función de ruido, que
cuando frecuentemente se le da un valor nulo significa que es un proceso gaussiano.
En un sistema de comunicación móvil, el canal cambia de acuerdo a la
circulación de las entidades de la comunicación y de otros objetos que tienen un efecto
sobre los campos electromagnéticos que van al receptor. Esto resulta en la dependencia
del tiempo de la respuesta impulsiva del canal como se muestra a continuación:
Ecuación 5.3
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Ai(t) y
dependen de la distancia desde el transmisor al receptor a través de la ruta
de propagación asociada, y se describen estadísticamente en muchos modelos de
canales. Como la longitud de onda de las comunicaciones por radio es pequeña en
comparación con las longitudes típicas de la trayectoria, un pequeño cambio en ésta
. De ésta forma,
puede ser modelada
última se refleja en un gran cambio en
como una variable aleatoria distribuida de manera uniforme. A menudo se asume que Ai
es una variable con una distribución de Rayleigh en un enlace de comunicaciones donde
no hay línea de vista directa entre el transmisor y el receptor; suele denominarse como
trayectoria en línea de visión obstruida o línea con obstáculos (OBS). La figura 5.3
muestra un conjunto de Rayleigh distribuido las funciones de densidad de probabilidad
con diferentes valores de los controles que la varianza de la distribución. En el caso de
una trayectoria en línea de visión (LOS), se supone que Ai(t) es una variable aleatoria
con una distribución de Ricean. La figura 5.4 muestra la función de densidad de
probabilidad para distintos valores de s que describe la amplitud de la componente LOS.
Figura 5.3: Funciones de densidad de probabilidad con distribución de Rayleigh [29]
Figura 5.4: funciones de densidad de probabilidad con distribución de Ricean [29]
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5.1.3 Comunicación indoor (dentro de los edificios)
En los últimos años, se ha experimentado un enorme aumento en el número de
dispositivos de comunicaciones por radio con millones de clientes, tanto en España
como en el resto del mundo para acceder a la red de telefonía celular a través de las
células de radio [29]. Esto, junto al aumento de las comunicaciones que operan en la
banda libre de microondas (2,4 Ghz) aumenta aún más la demanda sobre los escasos
recursos del espectro electromagnético. Esa red, por su propia naturaleza, debe ser un
sistema híbrido de todas las técnicas de comunicación, uno de ellos con radio de
comunicaciones dentro de los edificios de oficinas. Debido al alto número de
dispositivos de comunicación de comunicadores personales que introduciría en la media
de la oficina, debe ser desarrollado algún método de apoyo al gran ancho de banda de
las comunicaciones que se genera.
Durante muchos años, el entorno exterior ha venido apoyando los móviles de
comunicación para usuarios públicos y privados, y ha visto una gran cantidad de trabajo
en el entorno que lo caracterizan a fin de utilizar el potencial de ancho de banda al
máximo de su capacidad. En el entorno exterior uno de las entidades de comunicación
que normalmente se encuentra en una posición fija por encima de la construcción de
altura, por lo que la mayoría de los scatterers están en estrecha proximidad con el
móvil.
El escenario interior, por el contrario, tiene tanto de la comunicación de las
entidades en las proximidades de la dispersión y difracción en objetos. El entorno de
interiores se caracteriza por un gran número de rutas de propagación del transmisor al
receptor, y por lo tanto es clasificada como un entorno multitrayecto.
El promedio de la oficina ya contiene un gran número de dispositivos de
comunicaciones, que van desde terminales de computadoras conectadas a las
computadoras en algunas otras ubicaciones compartidas y periféricos como impresoras,
a los teléfonos, los sistemas buscapersonas y teléfonos celulares. Estos dispositivos, a
excepción de los dos últimos ejemplos, suelen ser conectados entre sí por un cable de
interconexión del sistema, con velocidades de transmisión de datos que van desde diez
kilobits por segundo (kbps) a decenas de megabits por segundo (Mbps). El costo de
cableado que un edificio soporta por la amplia variedad de tecnologías de interconexión
suministradas por diferentes proveedores puede rápidamente convertirse en
prohibitivos, en particular en la situación en la que la comunicación de los dispositivos
han de ser reubicados en algún momento en el futuro, que requieren costosos recableados.
Lamentablemente, el espectro radioeléctrico ya está apoyando un gran número
de sistemas incompatibles, cada uno de ellos requiere una única asignación del espectro
radioeléctrico. No es un requisito para los diseñadores del sistema a hacer un uso
eficiente de los restantes ancho de banda disponible. Por lo tanto, para lograr el objetivo
de una cubierta sistema de radiocomunicación, los detalles de la forma en que el canal
afecta a una señal transmitida necesitan ser conocidos, lo que permite a los diseñadores
de sistema aprovechar las características del canal para maximizar el uso de la
disposición de ancho de banda. Se puede realizar la evaluación de la codificación, de los
sistemas de recepción y el diseñado para el entorno de comunicaciones interiores,
mostrando el rendimiento de los distintos métodos. Al examinar estas cuestiones, se
puede desarrollar un conjunto de requisitos para un sistema de comunicación de oficina.
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5.1.3.1
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Requisitos para la comunicación indoor
Una comunicación por radio basada en un sistema de red en interiores requiere
hacer frente a los problemas que son causados por un gran número de la comunicación
de los dispositivos que funcionen a la misma, y en las frecuencias de funcionamiento
similar. Cuando dos dispositivos están transmitiendo a la misma frecuencia, el receptor
experimenta interferencia co-canal, si ambos transmisores están dentro de un cierto
rango del receptor. Las interferencias causadas pueden ser controladas por la restricción
de la separación de los dos transmisores a ser mayor que algunos definen la reutilización
distancia o utilizando algún medio de dividir el tiempo de transmisión entre los dos
transmisores de modo que sólo una está en funcionamiento en cualquier momento. En el
caso de dos transmisores que funcionan en bandas de frecuencias adyacentes, en el
canal adyacente puede producirse interferencias. Esto puede ser minimizado por el
diseño juicioso del esquema de modulación.
Un posible régimen de conexión implica dividir un edificio en un número de
emisoras de radio locales, los emplazamientos de comunicaciones o las células.
Normalmente cada célula se le asigna un conjunto de frecuencias que difieren de todas
las células adyacentes. Estas frecuencias pueden ser reutilizadas en otra celda que está
separada de la primera por lo menos en la reutilización de distancia. Estas células
podrían estar conectadas, ya sea por un punto a otro enlace de radio o por cables de alta
capacidad basados en las conexiones. Como el número de sitios de torre celular es
significativamente menor que el número de dispositivos de comunicación, el coste
adicional de formar la columna vertebral de conexión de un cable basado en la
tecnología no es irrazonable. Diferentes tipos de comunicaciones tienen diferentes
requisitos de la red, cada uno de ellos requiere funciones especializadas. Para las
comunicaciones basadas en voz, la redundancia puede ser explotada, y la transferencia
de información precisa no es esencial. Para las comunicaciones de datos, la
comunicación puede ser lenta, pero debe ser exacta. En un sistema de múltiples base de
paquetes utilizando un sistema basado en ordenador, donde las comunicaciones tienen
lugar mediante un conjunto de bloques de la comunicación, es posible que los paquetes
de comunicación para llegar al receptor fuera de secuencia. Esta situación puede ser
tratada con el uso de protocolos de comunicación para reconstruir la señal transmitida.
5.1.3.2
Ventajas y desventajas de las comunicaciones indoor
Uno de los principales problemas que se presenta a sí misma es ya el limitado
espectro disponible para las comunicaciones. El resto del espectro libre ha de ser
utilizado al máximo de su potencial. La tecnología de espectro ensanchado se presenta a
sí misma como un medio de aumentar el rendimiento. La división del entorno en un
pequeño número de células también aumenta el ancho de banda de acceso del sistema
de comunicación, pero también aumenta el coste a medida que más sitios de torre
celular son obligatorios. Técnicas tales como la combinación de la diversidad también
puede utilizarse para aumentar el ancho de banda disponible a través de la mejora de la
capacidad de recepción.
En el caso de que exista un gran número de dispositivos, transmitiendo cada uno
de ellos a baja potencia, la cantidad de energía radioeléctrica total que se genera es
considerable. Por lo tanto, los efectos de las radiocomunicaciones sobre la salud
humana se siguen examinando. Sin embargo, es necesario mucho más trabajo en este
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campo a gran escala antes de que los sistemas de radiocomunicaciones se hayan
desarrollado.
La naturaleza ilimitada de los medios de radiocomunicación exige que se aborde
la cuestión de la seguridad de la red. También se debe efectuar la verificación de la
comunicación de las entidades para garantizar que sólo los dispositivos registrados
puedan comunicarse a través de la red, y que sólo los dispositivos registrados puedan
recibir los datos. Puede ser necesario algún tipo de cifrado para las comunicaciones a fin
de evitar la interceptación de los datos transmitidos a través de la red por parte de
dispositivos que no participen en las comunicaciones.
Además de las consideraciones de seguridad de los dispositivos externos, el
acceso a la red, interferir señales pueden ser generadas por otros dispositivos en el
entorno de oficina, por ejemplo, impresoras y otros dispositivos electromecánicos. Estos
dispositivos pueden interrumpir temporalmente un enlace de comunicación a través del
ruido que generan.
Un sistema de comunicación inalámbrica tiene una serie de ventajas, no menos
de la movilidad de los dispositivos en el entorno. Es una simple cuestión reubicarse a un
dispositivo de comunicación, y sin costo adicional de cableado y el exceso de tiempo de
inactividad se asocia con esa medida. También es una tarea simple añadir o eliminar un
dispositivo al sistema de comunicación sin ninguna interrupción para el resto del
sistema. Distinta de la inicial sobre la creación de sitios de la célula, los costes de
funcionamiento y el mantenimiento de un radio de comunicaciones basadas en la
solución es mínima. Estos y otros factores, muestran el llamamiento que un sistema de
comunicación por radio tiene para el entorno de oficina.
5.1.3.3
Tecnologías de interconexión
Dos zonas del espectro electromagnético son candidatas potenciales para apoyar
la alta capacidad de los sistemas de radio comunicación: la banda de infra-rojo (IR), y la
banda de frecuencia ultra alta (UHF). La banda de IR es ampliamente utilizada en el
hogar para dispositivos controlados a distancia. En tales aplicaciones la tasa de datos es
baja, y no es difícil de lograr una línea de vista directa entre el transmisor y el receptor.
Las comunicaciones de IR funcionarán si no hay visión directa disponible, pero es una
trayectoria reflejada. Como las comunicaciones por infrarrojos son cercanas a la luz
visible en frecuencia, y los cuerpos calientes emiten radiación IR, los enlaces de
comunicación están sujetos a grandes cantidades de ruido del entorno. Es evidente que
tal medio no es propicio para el desarrollo de una red dinámica que debe apoyar un alto
ancho de banda de comunicación previstas para la oficina de comunicaciones.
Enlaces de comunicaciones UHF difieren de los enlaces IR en una serie de
aspectos. Muchas de las superficies en un entorno de oficina que aparecen como objetos
opacos IR para las comunicaciones, sino como objetos transmisibles de comunicaciones
UHF. Esto tiene una ventaja en que los grupos de las oficinas en un edificio separado
que requiere transceptores infrarrojos para cada oficina pueden ser servidos por un sitio
de células que operan en la banda UHF.
5.2
F actores en la propagación inalámbrica
La Figura 5.5 representa una perspectiva general de cuáles son los factores más
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importantes que afectan a la cobertura inalámbrica, y aunque en las imágenes aparezcan
un punto de acceso WLAN y un portátil, son aplicables a cualquier modelo de
propagación; aunque como veremos más adelante, destacaremos los fenómenos que se
producen en mayor medida en redes interiores (indoor), de mayor interés en esté
Proyecto [18].
Tipo de Antena
• Ganancia
• Patrón de radiación
• Efectos de la radiación
• Perdidas
Ubicación
• Altura
• Ángulo
• Polarización
Obstáculos
• Penetración
• Reflexión
• Difracción
• Refracción
• Dispersión
Pérdidas de
propagación
• Distancia
• Frecuencia
Otros aspectos:
• Receptor RAKE
• Ecualizadores
• Técnica de modulación
• Movimiento
Interferencias
Ruido
Tipo de Antena
• Ganancia
• Patrón de radiación
• Efectos de la radiación
• Perdidas
Ubicación
• Altura
• Ángulo
• Polarización
•
•
•
•
Otros aspectos:
Receptor RAKE
Ecualizadores
Técnica de modulación
Movimiento
Figura 5.5: Factores que afectan a la cobertura
5.3
Antenas
Como se ve en la Figura 5.5, el tipo de antena va a influir en la comunicación en
ambos extremos de la comunicación.
Una antena es un dispositivo generalmente metálico capaz de radiar y recibir
ondas de radio; que adapta la entrada/salida del receptor/transmisor al medio [18]. La
antena convierte las ondas eléctricas entregadas por el emisor, en ondas
electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre; y en el otro extremo,
convierte las ondas electromagnéticas que recibe, en ondas eléctricas que entrega al
receptor.
Básicamente su estructura consiste en un trozo de material conductor, al cual se
le aplica una señal, y ésta es radiada por el espacio libre. Opera igualmente en sentido
inverso, capturando la señal de radiofrecuencia del aire y entregándola posteriormente al
receptor.
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Las antenas juegan un papel vital en la definición del área de cobertura de una
WLAN. Si se ignora su importancia los puntos de acceso podrían no conseguir los
máximos ratios de efectividad y cobertura, lo cual puede incurrir en un aumento de
costes al ser necesario un mayor número de puntos de acceso para cubrir el área
requerida.
Una elección correcta de antena incrementa los niveles de cobertura de su celda
produciendo una reducción de costes, al ser necesarios un menor número de puntos de
acceso.
5.3.1 Características de las antenas
 Ancho de banda
El ancho de banda de la antena se define como el rango de frecuencias sobre las
cuales la operación de la antena es "satisfactoria". Esto, por lo general, se toma entre los
puntos de media potencia, pero a veces se refiere a las variaciones en la impedancia de
entrada de la antena.
En WLANs las antenas tiene que estar sintonizadas para la banda de 2.4 GHz
(802.11b/g) ó 5 GHz (802.11a). Una antena funcionará de modo eficiente sólo si su
ancho de banda coincide con las frecuencias de radio utilizadas.
 Potencia
Las antenas operan con un determinado nivel de potencia entregado por el
transmisor. En el caso de 802.11 se ajustan normalmente a 100mW que es la potencia
máxima permitida en Europa para la emisión de puntos de acceso o NIC WiFi.
 Patrón de radiación
Es la representación gráfica de las propiedades de una antena, en coordenadas
polares o rectangulares, de cómo distribuye la energía en el espacio.
Puede representar las intensidades de los campos (si se traza en términos de
intensidad de campo eléctrico E) o las densidades de potencia (P) en varias posiciones
angulares en relación con una antena.
La forma del patrón de radiación de una antena define su directividad. En la
Figura 5.6 se representa el diagrama de radiación en tres dimensiones de una antena
yagi de seis elementos.
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Figura 5.6: Patrón de radiación de una antena yagi
Algunas veces no nos interesa el diagrama de radiación en tres dimensiones, al
no poder hacerse mediciones exactas sobre el y lo que se suele hacer es un corte en el
diagrama de radiación en tres dimensiones para pasarlo a dos dimensiones. Este tipo de
diagrama es el más habitual ya que es más fácil de medir y de interpretar.
Figura 5.7: Patrones de radiación: ejemplos ideales
 Potencia
Modelo hipotético de antena sin pérdidas que emite una intensidad de radiación
uniforme en todas direcciones. Es utilizada como referencia a 0 dB en el cálculo de la
ganancia aportada por antenas directivas.
 Ganancia de la antena
La ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de
potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena
isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.
La mayoría de fabricantes especifica la ganancia en dBi lo que representa la
ganancia comparada con una antena isotrópica.
 Beam width (anchura de haz)
Se utiliza para definir la directividad de una antena direccional. El ancho del haz
de la antena es sólo la separación angular entre los dos puntos de media potencia (-3dB)
en el lóbulo principal del patrón de radiación del plano de la antena, por lo general
tomando uno de los planos "principales".
El ancho del haz para una antena cuyo patrón de radiación se muestra en la
Figura 3 es el ángulo formado entre los puntos A, X y B (ánguloФ). Los puntos A y B
son los puntos de media potencia (la densidad de potencia en estos puntos es la mitad de
la densidad de potencia, a una distancia igual de la antena, en la dirección de la máxima
radiación). El ancho de haz de la antena se llama ancho de haz de -3dB o ancho de haz
de media potencia.
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Figura 5.8: Anchura de haz
 Polarización de la antena
La polarización de una antena se refiere sólo a la orientación del campo eléctrico
radiado desde ésta. Una antena puede polarizarse en forma lineal (por lo general,
polarizada horizontal o vertical), en forma elíptica o circular. Si una antena irradia una
onda electromagnética polarizada verticalmente, la antena se define como polarizada
verticalmente; si la antena irradia una onda electromagnética polarizada
horizontalmente, se dice que la antena está polarizada horizontalmente; si el campo
eléctrico radiado gira en un patrón elíptico, está polarizada elípticamente; y si el campo
eléctrico gira en un patrón circular, está polarizada circularmente.
 Resistencia de radiación
Debido a la radiación, en las antenas se presenta pérdida de potencia; por ello se
ha establecido un parámetro denominado resistencia de radiación Rr, cuyo valor
podemos definir como el valor de una resistencia típica en la cual, al circular la misma
corriente que circula en la antena, disiparía la misma cantidad de potencia.
5.3.2 Tipos de antenas
Existen diferentes tipos de antenas para la banda de 2.4 GHz [18], cada una de
las cuales tiene una aplicación y entorno de uso específico, ofreciendo una capacidad de
cobertura determinada. Normalmente, a medida que la ganancia de una antena se
incrementa se alcanzan distancias de cobertura mucho mayores, pero sólo en una
dirección determinada. Los patrones de radiación son los que definen la directividad de
una antena determinada.
 Antenas omnidireccionales
Una antena omnidireccional es aquella diseñada para proveer un patrón de
radiación de 360º (Figura 5.9). Propagan la señal de RF en todas las direcciones en el
plano horizontal aunque tienen u rango limitado en el plano vertical. Son las más
comunes en WLAN y se utilizan cuando se requiere dotar de cobertura en todas las
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direcciones. Sus ganancias pueden llegar hasta 6 dB. Proporcionan la cobertura más
amplia dentro de edificios, pudiendo formar celdas circulares mínimamente solapadas a
lo largo del edificio. La mayoría de los puntos de acceso estándar disponen de una
antena omnidireccional de baja ganancia.
Figura 5.9: Radiación de una antena omnidireccional
 Antenas direccionales
Las antenas direccionales transmiten y reciben energía RF más en una
determinada dirección que en otras. Este patrón de radiación es similar a la luz
producida por un flash o un foco. La antena no añade potencia a la señal sino que
simplemente redirige la energía entregada por el transmisor en una determinada
dirección. Al distribuir más energía en una dirección y menos en el resto la ganancia de
las antenas direccionales se incrementa y su ángulo de radiación generalmente decrece,
proporcionando una mayor distancia de cobertura pero reduciéndose el ángulo de
cobertura. Existen diferentes tipos de antena direccionales, cada una con una forma y
estilo determinado, incluyendo yagis, antenas patch y parabólicas.
Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es
decir, deben acentuar un sólo aspecto de dirección, y anular o mermar los demás. Esto
es necesario ya que sólo nos interesa radiar hacia una dirección determinada (Figura
5.10).
Figura 5.10: Radiación de antenas direccionales
 Sistemas de diversidad
Los sistemas de diversidad se utilizan para reducir la distorsión conocida como
pérdidas por multitrayecto debido a reflexiones. Utiliza dos antenas idénticas separadas
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por muy poca distancia y que proporcionan cobertura a una misma área. El sistema
funciona como un conmutador que selecciona una u otra antena, nunca las dos al mismo
tiempo.
El receptor estará continuamente conmutando entre las escuchas de ambas
antenas por paquetes validos. Después de que llega un paquete valido, el receptor
evaluará el final de la señal de sincronismo del paquete de una antena y después
conmuta a la otra antena y evalúa igualmente. Después se selecciona la mejor y se usará
sólo esa antena para lo que queda de paquete.
5.4
Interferencias y ruido
 Interferencias
Las interferencias de radio frecuencia son uno de los asuntos más importantes a
tener en cuenta para el éxito en el diseño, operación y mantenimiento de sistemas
inalámbricos.
La principal causa de interferencia en cualquier señal de radio son los materiales
del entorno, especialmente aquellos de tipo metálico con tendencia a reflejar las señales.
Las fuentes potenciales de interferencia de este tipo son numerosas: materiales
metálicos, aislamientos, pinturas de plomo,… y pueden reducir la calidad de la señal
WLAN.
Los materiales con alta densidad como el hormigón, tienden a ser más duros de
penetrar para las señales de radio, absorbiendo más energía que muchos materiales
porosos como madera o yeso.
Existen otros dispositivos que utilizan la misma frecuencia que también pueden
ser fuente de interferencias como hornos microondas y ciertos teléfonos inalámbricos.
Las interferencias de intermodulación e ínter-símbolo también constituyen problemas a
tener en cuenta a la hora de planificar un sistema inalámbrico.
 Distorsión por intermodulación
Es la distorsión no lineal en un sistema caracterizada por la aparición en la salida
de frecuencias que son combinaciones lineales de las frecuencias fundamentales y sus
armónicos presentes en la señal de entrada.
 Interferencia inter-símbolo (ISI)
La presencia de trayectos múltiples en propagación de radio es un fenómeno que
se debe a las reflexiones (ecos) de las ondas sobre el suelo o los obstáculos presentes en
el trayecto que une el emisor al receptor.
En transmisión digital, este fenómeno es la causa de desvanecimientos de la
señal recibida, produciendo una fuerte degradación de la tasa de error; este es el
fenómeno de interferencia ínter símbolo.
 Ruido
Se entiende por ruido a la señal no deseada presente siempre en un sistema
eléctrico. El ruido reduce la capacidad del receptor para reconocer correctamente los
símbolos, lo que limita la velocidad de transmisión. El ruido se incrementa por una gran
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
130
El Canal de Radiopropagación
Radiopropagación Indoor
variedad de causas, naturales o artificiales.
Figura 5.11: Factores que intervienen en una comunicación
5.5
Cobertura indoor
Para llevar a cabo un modelo de cobertura WLAN así como para realizar una
correcta planificación de su estructura, es imprescindible conocer previamente qué
factores pueden intervenir en el proceso completo de intercambio de señales entre
emisor y receptor [18].
En general, los canales de propagación en interiores (indoor channels) pueden
clasificarse en:
 Canales de propagación en Línea de Visión (LOS)
 Canales de propagación en Línea con Obstáculos (OBS)
5.5.1 Límites de Emisión en WLAN
Entre otros factores, la limitación de potencia impuesta por las distintas
autoridades influye evidentemente en la cobertura inalámbrica.
La tabla siguiente muestra los niveles de potencia permitidos en cada una de las
regiones para la banda de 2.4 GHz.
Máxima potencia de
salida
1000 mW
100 mW (EIRP)
10 mW/MHz
Localización
Geográfica
EE.UU.
EUROPA
JAPÓN
Documento de
Complacencia
FCC 15.247
ETS 300-328
MPT ordinance 79
Tabla 5.1: Niveles de potencia de transmisión para diferentes regiones
En los Estados Unidos la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) regula el
uso de antenas a través de su norma FCC Part 15.247, el cual define los límites de
potencia de emisión para redes inalámbricas.
En Europa es el “European Telecommunications Standards Institute” que en su
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
131
El Canal de Radiopropagación
Radiopropagación Indoor
documento ETS 300-328 el que regula los límites de potencia de emisión.
El concepto básico para la comprensión de estas normas es el EIRP (Equivalent
Isotropically Radiated Power), que representa la potencia efectiva máxima de
transmisión, incluida la ganancia proporcionada por la antena. Para antenas
omnidireccionales el FCC fija el valor máximo de EIRP en 1 vatio.
Por ejemplo, si un dispositivo radio emite a una potencia de transmisión de 100
mW con una antena de 3dB su EIRP será de 200mW. Si la ganancia fuese de 6dB el
valor se duplicaría el EIRP a 400mW, si fuese 9dB se duplicaría nuevamente a 800mW
y así sucesivamente.
Con antenas de alta ganancia la FCC no es tan restrictiva en los límites del
EIRP. Si la ganancia es de al menos 6dBi se permite operar con EIRP de hasta 4 vatios
(1 vatio más 6dB de ganancia). La razón de esto es que se considera a las antenas de
mayor ganancia como más directivas lo cual reduce las posibilidades de interferencias
con otros sistemas. No obstante, la FCC exige la reducción de la potencia de
transmisión en 1 dB por cada 3 dB de ganancia adicional de la antena por encima de 6
dBi. Esto significa que cuando la ganancia sube, se decrementa la potencia pero en
menor grado. El resultado es que está permitido valores de EIRP mayores a 4 vatios
para antenas de ganancia superior a 6 dBi.
En la banda de 5 MHz. los niveles de potencia se establecieron en la Conferencia
Mundial de Radiocomunicaciones 2003 y se puede ver en la Tabla 1.
5.5.2 Umbral mínimo de recepción
El umbral mínimo de recepción de un dispositivo va a estar en función de sus
características funcionales. La mayoría de los fabricantes incluyen en las
especificaciones técnicas de sus productos los niveles de sensibilidad de recepción para
cada una de las velocidades definidas en el 802.11b.
La siguiente tabla indica la sensibilidad de recepción del Cisco Aironet 1100
según el Manual Técnico del producto editado por Cisco.
Velocidad
1 Mbps
2 Mbps
5,5 Mbps
11 Mbps
Potencia
-94 dBm
-91 dBm
-89 dBm
-85 dBm
Tabla 5.2: Sensibilidad de recepción de Cisco Aironet 1100
5.5.3 Propagación de ondas radioeléctricas indoor
A continuación se describirán fenómenos relevantes para el modelado de la
propagación en entornos indoor, que como he comentado anteriormente, tiene
características especiales [30].
La Figura muestra la potencia recibida de una típica propagación indoor en
función de una distancia dada entre transmisor y receptor en metros.
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
132
El Canal de Radiopropagación
Radiopropagación Indoor
Figura 5.11: Potencia recibida en función de la distancia transmisor–receptor [18]
La figura anterior ilustra cómo la potencia media recibida (línea central) varía
ligeramente con la distancia (slow fading), pero existen picos de variación cuando el
receptor se mueve. Pequeños cambios en la posición u orientación del receptor respecto
al emisor, pueden originar grandes variaciones en la intensidad de señal recibida.
En los apartados siguientes se van a ir tratando los distintos elementos que
influyen en la transmisión.
5.5.3.1
Propagación en espacio libre (LOS)
Se denomina propagación en espacio libre a la propagación cuando no existen
obstáculos en el camino entre el transmisor y el receptor [18]. La perdida de señal que
se produce está en función principalmente de la distancia que les separa, interviniendo
igualmente otros factores como el tipo y diseño de las antenas, su patrón de radiación,
etc.
La transmisión se ve afectada también por posibles reflexiones de la señal que se
agregan a la señal directa produciendo variaciones considerables como se verá también
en la propagación con línea de obstáculos.
5.5.3.2
Propagación en Línea con Obstáculos (NLOS)
En un entorno cerrado existirán multitud de obstáculos que se interpondrán en el
trayecto seguido por las ondas electromagnéticas. Cada uno de estos obstáculos
(paredes, suelos, muebles,…) afecta a la señal de determinada forma [18]:
• Los objetos metálicos reflejan las señales de radio. Esto significa que la señal no
atravesará muros metálicos y que los objetos metálicos dentro de una habitación
reflejarán la señal y causarán desvanecimientos y atenuaciones de la señal.
• Madera, cristal, plástico y ladrillo reflejan parte de la señal de radio y dejan
pasar parte del resto.
• Los objetos que contienen un alto grado de humedad absorben la mayor parte de
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133
El Canal de Radiopropagación
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la señal.
Cuando la señal electromagnética se propaga por una estancia es afectada por
múltiples fenómenos diferentes debido a los diferentes tipos de obstáculos descritos. Es,
por tanto, imprescindible tener en cuenta estos fenómenos, que causan atenuaciones y
desvanecimientos de la señal original, a la hora de diseñar un modelo matemático de
cobertura para WLAN.
5.5.3.2.1 Reflexión
La reflexión ocurre cuando una onda electromagnética que se propaga por el aire
incide contra un objeto de grandes dimensiones en comparación con la longitud de onda
de la señal [18][30]. El resultado puede ser que la señal sea absorbida, reflejada o una
combinación de ambas. Esta reacción depende principalmente de:
• Propiedades físicas del obstáculo, como pueden ser su geometría, textura y
composición.
• Propiedades de la señal, como el ángulo de incidencia, orientación y longitud de
onda.
Los conductores perfectos reflejarán la totalidad de la señal. Otros materiales
reflejarán solo una parte de la energía incidente y transmitirán el resto. La cantidad
exacta de transmisión y reflexión depende igualmente del ángulo de incidencia así como
del grosor y propiedades dieléctricas material.
Figura 5.12: Reflexión de una señal
5.5.3.2.2 Desvanecimiento por multitrayecto debido a reflexiones
Cuando una señal electromagnética es transmitida por el aire, es muy probable que
debido al fenómeno de reflexión, alcance al receptor por múltiples caminos. Las señales
procedentes de caminos alternativos llegarán ligeramente retardadas con respecto a la señal
directa, lo que provoca efecto fading o desvanecimiento. Esto es debido a que las señales
reflejadas tendrán diferente amplitud que la señal directa cuando lleguen al punto de
recepción retardadas.
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134
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Figura 5.13: Multitrayecto y sus efectos
El Multitrayecto provoca variaciones aleatorias en la amplitud de la señal
recibida sobre un margen de frecuencias. Sus efectos varían dependiendo de la
localización de la antena así como del tipo de antena utilizado. Los resultados
observados son una variación “in and out” de la señal conocida como fading o
desvanecimiento, pudiendo existir variaciones de hasta 40 dB como se puede ver en la
Figura 5.13.
5.5.3.2.3 Perfil de retardo
El perfil de retardo es la previsión de potencia recibida por unidad de tiempo con
un cierto nivel de retardo. El MDT (Maximum Delay Time Spread) es el intervalo de
tiempo total durante el que se reciben señales reflejadas con energía significativa. El
RMS (Root Mean Square Delay Spread) es la desviación típica del retardo de reflexión,
ponderado según la energía de las ondas reflejadas.
Figura 5.14: Perfil de retardo típico
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135
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Radiopropagación Indoor
El perfil de retardo típico tiene una forma plana en su cabeza hasta un
determinado punto cayendo posteriormente con el tiempo a niveles cada vez más
débiles. Esto es debido a que las primeras señales reflejadas se reciben con potencia casi
idéntica.
 Consecuencias de la dispersión de retardo
El perfil de retado provocado por reflexiones produce interferencia ínter
símbolo, lo que genera una tasa irreducible de BER (Bit Error Rate) en los sistemas
inalámbricos. En retardos pequeños (con relación a la duración del símbolo) predomina
el flat fading o desvanecimiento plano. En el flat fading la potencia de la señal recibida
cambia con el tiempo debido a fluctuaciones de ganancia del canal causadas por los
multitrayectos, pero el espectro de la señal recibida se mantiene o varía en la misma
proporción. La canales típicos con flat fading provocan desvanecimientos profundos y
pueden requerir de un incremento de 20 a 30 dB en la potencia de emisión para lograr
tasas de BER bajas. Para retardos mayores, los errores de temporización y la
interferencia inter-símbolo son los predominantes.
 Relación entre la dispersión de retardo RMS y la Tasa de Error
La siguiente figura muestra la conexión directa entre la tasa de error de símbolo y el
RMS. La curva más baja corresponde a la modulación CCK utilizada en 802.11b para
transmisiones a 5.5Mbps y 11Mbps.
Figura 5.15: Comparativa de BER
 Relación entre la distancia transmisor-receptor y la dispersión de retardo
La dispersión de retardo se incrementa normalmente con la distancia entre
transmisor y receptor, así como en función de las características del entorno. La
siguiente figura muestra las medidas realizadas en el Cory Hall en la UC Berkeley.
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
136
El Canal de Radiopropagación
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Figura 5.16: Dispersión de retardo RMS vs Distancia
El estudio demostró que la dispersión de retardo se incrementa con la distancia
entre transmisor y receptor y las dimensiones de la estancia. En habitaciones de
pequeñas dimensiones y pocos obstáculos la dispersión de retardo apenas se incrementa
con la distancia (ver medición en hallway).
 Receptor Rake
Una de las razones más importantes para usar el espectro extendido es su
habilidad para discriminar las interferencias producidas por multitrayectos. Una
implementación de receptor RAKE para secuencia directa (DSSS) permite que los
diferentes componentes de una señal individual producidos por retardos de
multitrayecto sean detectados por separado y coherentemente combinados. Esto no sólo
tiende a prevenir perdidas graduales, si no que también proporciona un efecto de
diversidad de canales resultando unos enlaces muy robustos.
El nombre proviene de que el efecto obtenido es comparable al de un rastrillo
recogiendo hojas, de modo que cuantas más señales se capten mejor será el resultado
final.
Figura 5.17: Estructura de un receptor RAKE
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
137
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Radiopropagación Indoor
En la Figura 5.18 se puede ver el proceso. Cuando la señal se recibe puede llegar
con cambios de fase o retardos de tiempo. Esto se soluciona al alinear la trama y en la
etapa de muestreo; posteriormente se desengancha cada señal y los datos son
combinados para tener un enlace más robusto.
Figura 5.18: Procedimiento de los canales en el receptor RAKE
Por tanto, un receptor RAKE estará compuesto por un conjunto de elementos
que ponen en correlación una determinada componente multitrayecto de la señal
deseada. La salida de cada uno de estos elementos denominados correlator puede ser
ponderada de acuerdo con su potencia relativa y la suma de todas las salidas obtiene la
estimación final. Los receptores RAKE pueden utilizarse para mejorar el rendimiento
allí donde ocurren el desvanecimiento selectivo de frecuencia y el desvanecimiento por
multitrayecto.
5.5.3.2.4 Transmisión
La transmisión (o penetración) se produce cuando la señal se encuentra en su
camino con un obstáculo que es, por así decirlo, transparente para las ondas de radio
[18]. Cuando la señal penetra un obstáculo experimentará una perdida, la cual será
función del grosor del objeto y del material del que está compuesto. La frecuencia de la
onda electromagnética también influye en qué proporción de la señal incidente atraviesa
el objeto. Existen multitud de estudios sobre pérdidas estimadas en diferentes materiales
en WLAN. La siguiente tabla es un extracto del documento publicado por Ericsson
“Wireless LAN User’s Guide version 4.2” y en ella se presentan las perdidas predecibles
en la penetración de diferentes tipos de materiales.
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138
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TIPO DE OBSTÁCULO
Espacio abierto
Ventana (tintado no metálico)
Ventana (tintado metálico)
Muros finos
Muros medios de madera
Muros gruesos
Muros muy gruesos
Suelo/Techo grueso
Suelo/Techo muy grueso
Radiopropagación Indoor
PERDIDA
0 dB
3 dB
5-8 dB
5-8 dB
10 dB
15-20 dB
20-25 dB
15-20 dB
20-25 dB
Tabla 5.3: Transmisión a través de diferentes tipos de materiales
5.5.3.2.5 Difracción
En óptica se entiende por difracción la desviación del rayo luminoso al rozar el
borde de un cuerpo opaco [18][30]. Las ondas difractadas se forman cuando el camino
de propagación de la onda de radio es obstruido por una superficie que tiene
irregularidades o bordes puntiagudos o angulados. La difracción ocurre cuando los
obstáculos son impenetrables por las ondas de radio. Basándose en el principio de
Huygen, el resultado son ondas secundarias alrededor y detrás del obstáculo, incluso en
zonas sin visibilidad directa entre transmisor y receptor (Figura 5.19).
Figura 5.19: Difracción de señal
Los escenarios cerrados contienen muchos tipos de objetos con estas
características orientados tanto en el plano vertical como horizontal. La señal difractada
depende de la geometría del objeto así como la amplitud, fase y polarización de la onda
incidente en el punto de difracción.
 Zona de Fresnel
Las Zonas de Fresnel explican el concepto de perdidas por difracción como
función de la distancia del trayecto de bordeo del objeto. Las zonas de Fresnel
representan regiones sucesivas donde las ondas secundarias tienen una longitud de
trayecto desde el transmisor al receptor (n*λ/2) ásm grande que la longitud total del
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
139
El Canal de Radiopropagación
Radiopropagación Indoor
camino directo. La Figura 16 representa las zonas de Fresnel como círculos
concéntricos sobre un plano. Las sucesivas zonas de Fresnel tienen el efecto de provocar
alternativamente efectos constructivos y destructivos sobre el total de la señal recibida.
El radio del círculo n-ésimo de una zona de Fresnel se define por rn:
cuando d1,d2 >> rn
Ecuación 5.4
Figura 5.20: Círculos concéntricos que definen los límites de las Zonas de Fresnel
El incremento total de la longitud del trayecto a través del círculo n-ésimo es
nλ/2 donde n es un entero que representa el número de círculo. La Figura 5.21 muestra
un obstáculo bloqueando el trayecto directo, donde una serie de elipses pueden ser
trazadas entre transmisor y receptor uniendo todos los puntos en los cuales el exceso de
retado de propagación es un número entero múltiplo de la mitad de la longitud de onda.
Las elipses representan las Zonas de Fresnel.
Figura 5.21: Zonas de Fresnel representadas como elipses
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
140
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Radiopropagación Indoor
En sistemas inalámbricos las perdidas por difracción ocurren por la obstrucción
de ondas secundarias de modo que solo una porción de la señal es difraccionada
alrededor de un obstáculo. En enlaces de microondas con visión directa se considera que
si al menos el 55% de la primera Zona de Fresnel está ‘limpia’, la claridad del resto de
Zonas de Fresnel no altera significativamente la pérdida de difracción.
 Modelos de difracción de objetos puntiagudos
Generalmente es imposible realizar estimaciones precisas de las perdidas por
difracción y la predicción es un proceso de aproximación teórica modificado por las
necesarias correcciones empíricas. Cuando se observa la perdida de una superficie
afilada de manera aislada se obtiene un buen punto de vista del significado de la perdida
por difracción. Para estimar esta perdida se usa el parámetro de difracción expresado
matemáticamente como:
Ecuación 5.5
Donde los parámetros son ilustrados en la siguiente figura:
Figura 5.22: Difracción de objetos puntiagudos
5.5.3.2.6 Dispersión
La dispersión ocurre cuando en el camino la señal se encuentra con objetos
cuyas dimensiones son pequeñas en relación a la longitud de onda [18][30]. El resultado
es que el frente de onda se rompe o dispersa en múltiples direcciones (Figura 5.23).
Figura 5.23: Dispersión de señal
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
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Las ondas dispersas son producidas por superficies desiguales, pequeños objetos
y otras irregularidades presentes en el canal. La mayoría de las construcciones modernas
contienen vigas de hierro forjado en su estructura además de conductos para los
servicios eléctricos y de tuberías. En la práctica, el follaje, señales de tráfico o farolas
pueden provocar dispersión en sistemas de comunicaciones inalámbricos.
Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores
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