Factores que Afectan las Comunicaciones

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
Facultad de Ciencias
Postgrado en Ciencias de la Computación
Lecturas de Docencia
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica:
Factores que Afectan la Transmisión
Profesora Agregado Maria Elena Villapol
Octubre del 2006.
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
1. Factores que afectan la transmisión LOS
Los factores más importantes que afectan la transmisión LOS son los
siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
1.1.
Atenuación y distorsión de atenuación
Pérdida en el espacio libre (Free space loss)
Ruido
Absorción atmosférica
Multi trayecto (Multipath)
Refracción
Ruido Termal
Desvanecimiento
Atenuación
La fuerza de la señal decrece con la distancia. La atenuación introduce los
siguientes factores a tomar en cuenta para la ingeniería de los medios de
transmisión:



1.2.
La señal recibida debe tener la suficiente fuerza para ser interpretada
correctamente por el receptor.
La señal debe mantener un nivel más alto que el ruido para ser recibido sin
error.
Si la atenuación es más alta a altas frecuencias causa distorsión.
Pérdida en el Espacio Libre
Para algunos tipos de comunicación inalámbrica la señal se dispersa con la
distancia. Si se asume que no hay ninguna otra fuente que afecte la señal, la misma
se atenúa con la distancia ya que se dispersa en un área grande. La misma es
expresada en la siguiente fórmula para antenas ideales:
Pt (4  d ) 2 (4  fd ) 2
Eq 1.1


Pr
2
c2
Pt = potencia de la señal de la antena transmisora
Pr = potencia de la señal de la antena receptora
 = longitud de la onda portadora
d = distancia de propagación entre las antenas
c = velocidad de la luz (3 * 108 m/s)
d y  tienen las mismas unidades
Lo anterior puede ser expresado en dB como se muestra a continuación:
LdB  10 log10
 (4  d )
Pt
 20 log10 
Pr
 

  20 log10   20 log10 d  21,98dB

Eq 1.2
2 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
Para otras antenas se debe tener en cuenta la ganancia de la antena,
quedando la ecuación expresada de la siguiente manera:
Pt (4 ) 2 d 2 (d ) 2
(cd ) 2



Eq 1.3
Pr
Gr Gt 2
Ar At
f 2 Ar At
Gt = ganancia de la antena que transmite
Gr = ganancia de la antena que recibe
At = área efectiva de la antena que transmite
Ar = área efectiva de la antena que recibe
Lo anterior puede ser expresado en dB como se muestra a continuación:
LdB  10 log10
Pt
 20 log10 f  20 log10 d  10 log10 ( Ar At )  169,54dB Eq 1.4
Pr
En la práctica se usan las Ecuaciones 1.1 y 12. En este caso se puede
observar una relación que resulta útil cuando se están haciendo cálculos de
presupuesto de un enlace. Un aumento de 6 dB en la ganancia de una antena
resulta en un aumento del EIRP necesario para doblar el rango o distancia de la
antena. Una reducción de 6 dB resulta en una reducción del EIRP equivalente a la
mitad del rango. La Tabla 1 muestra la relación de la pérdida en el espacio libre para
ciertas distancia entre el transmisor y el receptor a 2.4 GHz.
Tabla 1: Relación entre la pérdida en el espacio libre y la distancia entre
transmisor y receptor
1.3.
Ruido
Los siguientes tipos de ruido pueden afectar la transmisión de las señales:

Ruido termal: Debido a la agitación de los electrones. Esta presente
en todos los dispositivos y medios de transmisión. No puede ser eliminado.
El ruido termal presente en un ancho de banda B Hz es:
N  kTB
3 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
k = constante de Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/K
T = temperatura, en grados kelvins (temperatura absoluta)
En decibelios
N  10log k  10logT  10log B  228,6dBW  10logT  10logb
Otros ruidos:



1.4.
Ruido de inter modulación: ocurre cuando diferentes frecuencias
comparten el mismo medio. La interferencia es causada por la señal
resultante que tiene una frecuencia igual a la suma o diferencia de la
frecuencia original.
Crosstalk: acoplamiento del camino de las señales no deseable.
Ruido impulsivo: pulsos irregulares de corta duración y relativa alta
amplitud. Causado por disturbios electromagnéticos o equipos con fallas.
Absorción
Una señal es absorbida cuando choca con un objeto y es absorbida en el
material del mismo, de forma tal que no pasa a través del mismo (ver Ilustración 1).
La absorción puede ser producida por el vapor de agua.
Ilustración 1: Ejemplo de absorción.
1.5.
Refracción
Es la inclinación de las ondas de radio cuando pasan a través de un medio de
diferente densidad. La velocidad de las ondas electromagnéticas es una función de la
densidad del medio. Cuando las ondas pasan a través de esta medio serán reflejadas
alejándose del camino de la señal deseado y otras se inclinarán en el medio en otra
dirección (ver Ilustración 2).
4 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
Ilustración 2: Ejemplo de refracción de una señal.
Podemos observar que la refracción puede convertirse un gran problema en
los enlaces a grandes distancias debido a los cambios en las condiciones
atmosféricas, que pueden ocasionar cambios, no deseados, en la dirección de la
señal.
1.6.
Difracción
Ocurre cuando la señal de radio entre el transmisor y el receptor es obstruida
por una superficie que tiene irregularidades puntiagudas o una superficie desigual
(ver Ilustración 3). Aunque a veces el término de difracción es confundido con el de
refracción, hay que tener en cuenta que este último describe la inclinación de la
señal a través del medio. Mientras que difracción se refiere a la inclinación de la
onda alrededor de un obstáculo Por ejemplo, considere una máquina generando
humo de cigarrillo. El humo seguirá una dirección recta hasta que tropieza un
obstáculo. Si se introduce un bloque de madera en el humo ocasionará que el humo
riza alrededor de las esquinas del bloque, produciendo una degradación en la
velocidad del humo en ese punto y un cambio de su dirección.
Ilustración 3: Ejemplo de difracción.
5 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
1.7.
Reflexión
Ocurre cuando la señal encuentra una superficie que es larga comparado con
la longitud de onda de la señal (ver Ilustración 4). La reflexión ocurre de la superficie
de la tierra, edificios, paredes, entre otros.
Ilustración 4: Ejemplo de reflexión.
1.8.
Scattering
Ocurre cuando la señal tropieza un cuerpo cuyo tamaño es menor que la
longitud de onda de la señal y el volumen de obstáculos por unidad de volumen es
larga. Algunos ejemplos de objetos que pueden causar scattering son postes de luz,
señales de tránsito.
Ilustración 5: Ejemplo de Scattering.
Producto del scatterring la señal principal se puede destruir cuando, por
ejemplo, choca con una superficie quebrada y es reflejada en muchas direcciones.
Esto puede ocurrir cuando una onda RF es reflejada al chocar con rocas, arena. Por
otro lado la señal puede ser reflejada en una pequeña escala producto del choque de
la onda RF con partículas tales como las partículas de polvo pesadas.
La Ilustración 6 ilustra el efecto de la difracción, scattering y reflexión.
1.9.
Desvanecimiento (Fading)
Es usado para describir las fluctuaciones rápidas en las amplitudes, fases o
retardos de una señal de radio en un período corto de tiempo o distancia de viaje. El
desvanecimiento es causado por la interferencia entre dos o más versiones de la
señal transmitida que llega al receptor en tiempos ligeramente diferentes. La señal
recibida denominada onda multi-trayecto puede entonces variar significativamente
en sus características.
6 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
R
poste
S
D
R
Ilustración 6: Ejemplo de difracción, reflexión y scattering.
Muchos factores pueden causar el desvanecimiento, entre ellos:
a.- Propagación de multi-trayecto
b.- Velocidad del usuario móvil
c.- Velocidad de los objetos alrededor del radio del canal.
1.10. Multi-trayecto
Los obstáculos reflejan las señales causando que múltiples copias con
diferentes retardos sean recibidas. Dependiendo de las diferencias en las longitudes
de las ondas directas y reflejadas, la señal compuesta puede ser más larga o más
pequeña que la señal directa. En la telefonía móvil hay muchos obstáculos. En otros
casos como satélites y microondas las antenas pueden ser localizadas donde no
existan muchos obstáculos cercanos.
Las fuentes de propagación multi-trayecto son: Reflexión, Difracción y
Scattering. Y sus efectos de la propagación multi-trayecto se describen a
continuación. En la Ilustración 7 se puede ver que la señal recibida por el usuario
móvil puede consistir de un número de ondas con aleatorias características de onda
que pueden combinarse vectorialmente en la antena del receptor causando
distorsión o pérdida.
Señales recibidas
Tiempo
Resultados combinados
Tiempo
Ilustración 7: Ejemplo de Propagación de Multi-Trayecto.
7 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
o
Decaimiento de la Amplitud de la señal: es producto de las múltiples
ondas reflejadas que están desfasadas con respecto a la señal principal, y
cuyas amplitudes se suman a su señal principal cuando estas llegan al
mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 8).
Ilustración 8: Ejemplo de decaimiento de la amplitud de la señal.
o Corrupción: es causado por el mismo fenómeno que el decaimiento de la
amplitud de la señal pero en mayor magnitud. En tal sentido, cuando se
suman las amplitudes de las señales desfasadas con la señal principal, la
amplitud de la misma puede ser enormemente reducida en vez de un poco
reducida como en el caso anterior. La consecuencia es que con la
receptividad del receptor este no puede descifrar la información
transportada en la señal. Adicionalmente, la señal a ruido es usualmente
baja, impidiendo que el receptor distinga entre el ruido y la información
transportada por la señal (ver Ilustración 9).
La corrupción requiere que la data sea enviada nuevamente.
Ilustración 9: Ejemplo de corrupción.
o Nulling: cuando múltiples copias de una onda reflejada llegan fuera de
fase al receptor y se suman con la señal principal de forma tal que la
8 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
amplitud de la señal principal es cancelada (ver Ilustración 10). Cuando
ocurre la cancelación (nulling) los componentes tales como le transmisor,
receptor o los objetos reflexivos deben moverse ya que la retransmisión de
la señal no resuelve el problema.
Ilustración 10: Ejemplo de cancelación (nulling).
o Aumento de la Amplitud de la señal: es producto de las múltiples
ondas reflejadas que están en fase con respecto a la señal principal y
cuyas amplitudes se suman a su señal principal cuando estas llegan al
mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 11). Sin embargo, hay que
notar que bajo ninguna condición la señal resultante que llega al receptor
es más fuerte que la señal transmitida en el lado del transmisor. Lo que si
puede suceder es que, producto de la suma de estas señales reflejadas en
fase con la señal principal, la señal resultante sea más fuerte que aquella
generada de no haberse producido multi-trayecto.
Ilustración 11: Ejemplo del aumento de la amplitud de la señal.
9 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
1.11. Mecanismos para Compensar los Efectos de los Factores que Afectan
una Señal
A continuación se describe algunos mecanismos para compensar los
efectos producidos por los factores que afectan las señales descritos anteriormente.
 Corrección de Errores Hacia delante: Las técnicas de detección y corrección
de errores se estudiaran posteriormente
 Ecualización: Usado en contra de interferencia ínter símbolos. Algunos métodos
comprenden juntar la energía de símbolos dispersos en su intervalo original.
 Diversidad: Consiste en proporcionar múltiples canales lógicos entre el
transmisor y el receptor y enviar la señal sobre cada canal. Algunos tipos de
diversidad se explican a continuación:
 Diversidad Espacial o Diversidad de Antenas: Por ejemplo, consiste
en colocar múltiples antenas para recibir mensajes. Luego, reconstruir la
señal que con mayor probabilidad se transmitió.
 Diversidad en Frecuencia: Dispersar la señal sobre un ancho de banda
grande o transportar la señal usando múltiples portadoras de frecuencia.
 Diversidad Temporal: Dispersar la data en el tiempo para que el ruido
afecte unos pocos bits como se muestra en la Ilustración 12.
Ilustración 12: Ejemplo de diversidad temporal.
 Macro Diversidad: Uso de varios enlaces entre el móvil y estaciones fijas
(por ejemplo, el uso del Soft handover).
1.12. Diversidad de Antenas
Desde que esta es una técnica común para combatir el efecto de los factores
que perjudican la transmisión de una señal RF, nos extenderemos un poco más en su
explicación.
La diversidad de antenas consiste en colocar múltiples antenas, entradas y
receptores para compensar las condiciones que causan el multi-trayecto
(verIlustración 13). A continuación se enumeran los tipos de diversidad:
o Diversidad de antena (no activa): es raramente usada y consiste en
usar múltiples antenas en una simple entrada.
o Diversidad por Conmutación: consiste colocar múltiples antenas en
múltiples receptores, quienes se conmutaran basado en la fuerza de la
señal recibida.
10 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
o Diversidad por Conmutación de Antena: se usan múltiples antenas en
múltiples entradas pero un solo receptor. La señal es recibida a través de
una antena a la vez.
o Diversidad de fase: ajusta la fase de la antena a la fase de la señal para
mantener la calidad de la señal.
o Diversidad de transmisión: consiste en transmitir de la antena última
usada para recepción porque la señal recibida tuvo la mejor calida
comparado con las otras señales. Si el radio debe retransmitir una señal,
alternara las antenas hasta que se realice una transmisión exitosa.
Adicionalmentem una unidad puede transmitir o recibir pero no ambas.
Ilustración 13: Ejemplo de diversidad de antenas.
2. Alcance de un Sistema de Radiocomunicación
En esta sección se presentaran varios ejemplos para calcular el alcance de un
sistema de radiocomunicación en base a los conceptos y formulas ya vistas. Note
que cuando se calcula el alcance de un sistema de este tipo hay que tomar en
cuenta todos los elementos que están entre el equipo transmisor/receptor y la
antena. Así, en la Ilustración 14 se tiene:
Ilustración 14: Sistema de radiocomunicación.
•
•
•
Gs: ganancia de salida.
Pca: pérdida del cable del extremo transmisor.
Pna: pérdida de los conectores del extremo transmisor.
11 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
•
•
•
•
•
Gaa: ganancia de la antena del extremo transmisor.
Pp: pérdida en el espacio libre.
Gab: ganancia de la antena del extremo receptor.
Pab: pérdida de los conectores del extremo receptor.
Pcb: pérdida del cable del extremo receptor.
Siendo la señal que llega al receptor:
S = Ga – Pna + Gaa – Pp + Gab – Pnb –Pcb.
Por ejemplo:
2.1.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Potencia de transmisión
Pérdida en los cables
Pérdida en el Diplexer de TX
Pérdida en el Cable de TX
Ganancia de la antena TX
Pérdida en el espacio libre (FSL)
Ganancia de la antena RX
Pérdida en el Cable RX de
Pérdida en el Diplexer de RX
Pérdida en Cable
•
Nivel de Señal Recibida =
+25dBm
-1dB
-2 dB
-2.5 dB
+21 dBi
-124.5 dB
+21 dBi
-2.5dB
-2 dB
-1 dB
---------------68.5dBm
Sensibilidad del Receptor
Dependiendo de las características del equipo receptor, el nivel de señal
puede o no ser suficiente. Esto es conocido como sensibilidad del receptor. En la
Ilustración 15 podemos observar que el receptor tiene una sensibilidad de -82 dBm.
Adicionalmente, existe un margen de desvanecimiento por encima del cual puede
estar este valor de la sensibilidad. De allí que la señal recibida debe estar por encima
de la sensibilidad del receptor más el margen de desvanecimiento (-82+10), es decir,
-72 dBm.
12 / 13
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión
Ilustración 15: Ejemplo de sensibilidad del receptor.
Ilustración 16: Sensibilidad del receptor.
En la Ilustración 16 se ha calculado el nivel de la señal recibida, -71,8 dBm.
Como la misma es mayor que la sensibilidad del receptor mas el margen de
desvanecimiento calculado anteriormente (ver Ilustración 15), entonces la señal
puede ser recibida. En caso contrario habría que cambiar la antena por una con
mayor ganancia o tener cables con menos pérdidas.
13 / 13