Notas de Docencia Introducción - Facultad de Ciencias-UCV

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
Facultad de Ciencias
Postgrado en Ciencias de la Computación
Lecturas de Docencia
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica
Profesora Agregado Maria Elena Villapol
Octubre del 2006.
Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica
1. Conceptos Básicos
La Radio Frecuencia (Radio Frequency RF) o Tecnología Inalámbrica incluye
la generación, manejo, transmisión y recepción de ondas de radio y su uso para
transmitir información.
Las señales electromagnéticas o señales RF se caracterizan por:


Frecuencia
Amplitud
La amplitud pico (A) es la máxima fuerza de la señal. Mientras que la
frecuencia (f) es la tasa de cambio de la señal, generalmente, medida en Hertz
(Hz) o ciclos por segundo. El período (T) de una señal es definido como el tiempo de
una repetición de una señal y es el inverso de la frecuencia, T = 1/f. Finalmente, la
fase () es la posición relativa de una señal en el tiempo.
Las bandas de frecuencias especifican un determinado rango de
frecuencias. Por ejemplo, en el Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de
Frecuencias (CUNABAF) [1] se definen nueve grandes categorías de bandas de
frecuencias, a saber: VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF y THF.
Símbolo
Gama de frecuencias
VLF
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
EHF
THF
3 A 30 kHz
30 A 300 Khz
300 A 3000 kHz
3 A 30 MHz
30 A 300 MHz
300 A 3000 MHz
3 A 30 GHz
30 A 300 GHz
300 A 3000 GHz
Subdivisión métrica
Correspondiente
Ondas miriamétricas
Ondas kilométricas
Ondas hectométricas
Ondas decamétricas
Ondas métricas
Ondas decimétricas
Ondas centimétricas
Ondas milimétricas
Ondas decimilimétricas
Abreviaturas
métricas para las
bandas
B.Mam
B.km
B.hm
B.dam
B.m
B.dm
B.cm
B.mm
B.dmm
Rango Microonda:






L banda 1GHz - 2 GHz
S banda 2GHz - 4GHz
C banda 4GHz - 8GHz
X banda 8GHz - 12GHz
Ku banda 12GHz - 18GHz
K banda 18GHz - 27GHz
Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) (ver ITU-T S5.138 S5.150) –
bandas no licenciadas, bandas de uso libre:
 “900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Solo América)
 “2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz
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 ”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz
El término ancho de banda es usualmente usado para expresar la cantidad
de información transportada en cierto tiempo. Una definición más específica es el
ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa. Se expresa como la
diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor
frecuencia. Por ejemplo: la transmisión de voz tiene aproximadamente 3 kHz de
ancho de banda, la radio FM tiene 200 kHz y la TV tiene 6 MHz.
La longitud de onda () se define como la distancia ocupada por un ciclo o
la distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos
consecutivos. Asumiendo que la velocidad de la señal es v:
 = vT
 = v/f
Un caso particular es cuando v= c= 3*108 m/s (velocidad de la luz en el
espacio libre).
2. Unidades de Medidas
A continuación se presentan las unidades de medidas usadas más
frecuentemente cuando se administran redes inalámbricas.
2.1.
Watts
El Watt (vatio) es la unidad básica de la potencia y se define como un amperio
(A) de la corriente en un voltio (V). En lo que respecta a las redes inalámbricas solo
se está interesado en la transmisión y recepción de energía RF. Y se puede observar
que se requiere relativamente poca potencia para formar un enlace RF de gran
distancia. CONATEL permite solamente 1 W de potencia radiada en dispositivos para
redes inalámbricas de uso libre en la frecuencia 2400 – 2483,5 MHz y 5725 – 5825
MHz (ver [2]).
Es también común el uso de los mili vatios (mili Watts). Un mili vatio es
1/1000 W y es abreviado como mW.
2.2.
Decibelios
El decibelio (dB) es una expresión logarítmica que mide el radio entre la
potencia, voltaje o corriente de dos señales. Los decibelios hacen mas legible y
manejables medidas tales como 0,000000001 W las cuales pueden fácilmente
encontrase en las redes inalámbricas. A diferencia del vatio, el cual representa una
medida absoluta, el decibelio representa una medida relativa.
PdB = 10 Log10 (P2/P1)
P1: potencia señal 1
P2: potencia señal 2
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Cuando la cantidad en decibelios es positiva entonces hablamos de ganancia.
En caso contrario hablamos de pérdida. La Tabla 1 muestra los valores en decibelios
y sus correspondientes factores. Por ejemplo, un aumento de 3 dB indica que la
potencia se duplica y un decremento de 3 dB (- 3 dB) indica que la potencia se
reduce en ½.
Incremento
0 dB
1 dB
3 dB
6 dB
10 dB
12 dB
20 dB
30 dB
40 dB
Factor
1x
1.25 x
2x
4x
10 x
16 x
100 x
1000 x
10,000 x
Decremento
0 dB
-1 dB
-3 dB
-6 dB
-10 dB
-12 dB
-20 dB
-30 dB
-40 dB
Factor
1x
0.8 x
0.5 x
0.25 x
0.10 x
0.06 x
0.01 x
0.001 x
0.0001 x
Tabla 1: Valores en decibelios y correspondientes factores
2.3.
dBm
Los Decibelios dBm son usualmente usado en WLANs:
PdBm = 10 log10 (PWATTS/1mW)
1mW = 0,001 Watts
La m en dBm se refiere simplemente al hecho que la referencia es 1 mW. a
Tabla 2 muestra valores comunes de mW a dBm. Observe que el punto de referencia
que relaciona la escala logarítmica de dB con la escala lineal es:
1 mW = 0 dBm
dBm
0 dBm
1 dBm
3 dBm
6 dBm
7 dBm
10 dBm
12 dBm
13 dBm
15 dBm
17 dBm
20 dBm
30 dBm
40 dBm
mW
1 mW
1.25 mW
2 mW
4 mW
5 mW
10 mW
16 mW
20 mW
32 mW
50 mW
100 mW
1000 m W(1 W)
10,000 mW (10 W)
dBm
0 dBm
-1 dBm
-3 dBm
-6 dBm
-7 dBm
-10 dBm
-12 dBm
-13 dBm
-15 dBm
-17 dBm
-20 dBm
-30 dBm
-40 dBm
mW
1 mW
0.8 mW
0.5 mW
0.25 mW
0.20 mW
0.10 mW
0.06 mW
0.05 mW
0.03 mW
0.02 mw
0.01 mW
0,001 mW
0,0001 mW
Tabla 2: Valores Comunes de mW a Valores de dBm
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3. Antenas
Una antena es un dispositivo usado para transformar una señal RF, viajando
sobre un conductor, en una onda electromagnética en el espacio libre. Siendo la
propiedad de reciprocidad el hecho que una antena conserva sus mismas
características sin importar que este trasmitiendo o recibiendo. Una antena debe ser
adaptada a la misma banda de frecuencia que el sistema de radio al cual está
conectado.
A continuación algunos conceptos relacionados con las antenas:
 Ancho de banda: se refiere al rango de frecuencias sobre el cual la
antena puede operar.
 Directividad (Directivity): habilidad de una antena de enfocar la energía
en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor
de una dirección particular cuando está recibiendo.
 Patrón de radiación: La antena emite radiaciones distribuidas en el
espacio en cierta forma. El patrón de radiaciones se refiere a la distribución
relativa de la potencia radiada en el espacio. El describe también las
propiedades de recepción de una antena. Se representa usualmente usando
un formato polar. En la Ilustración 1 se presenta la forma más usual de
representar el patrón de radiación de una antena. En rojo se muestra el
patrón de radiación de la antena. La Ilustración 2 muestra otra forma de
representar el patrón de radiación de una antena
Lóbulo principal
Lóbulos laterales
Lóbulo trasero
Ilustración 1: Representación de Radiación de una Antena
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Ilustración 2: Diagrama de Radiación de una Antena
 Ancho del Haz (beamwidth): Conocido también como mitad de la
potencia del ancho del rayo. Es el ángulo que subtienden los dos puntos
sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la
potencia pico del mismo se reduce en 3 dB. Se busca la intensidad de la
radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad
de la potencia de la intensidad pico.
 Polarización de una Antena: es la dirección del campo eléctrico emitido
por una antena. El vector del campo eléctrico es perpendicular a ambos la
dirección de viaje y el vector del campo magnético. Las formas de
polarización más comunes son:
 Vertical: cuando el campo eléctrico generado por la antena es vertical
con respecto al horizonte terrestre (es decir va de arriba abajo). Las
antenas omnidireccionales tiene siempre polarización vertical.
Ilustración 3: Ejemplo de polarización vertical.
 Horizontal: cuando el campo eléctrico generado por la antena es
paralelo con respecto al horizonte terrestre.
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Ilustración 4: Ejemplo de polarización horizontal.
 Circular: cuando el campo eléctrico generado por la antena va rotando
de vertical a horizontal y viceversa creando movimientos circulares en
todas las direcciones
 Elíptica cuando el campo eléctrico generado por la antena se mueve
como en la polarización circular con desigual fuerza en las distintas
direcciones.
Para lograr una potencia máxima de transferencia es ideal que la
polarización de las antenas en ambos extremos de la comunicación sea la
misma. Cuando las antenas no tienen la misma polarización, habrá una
reducción en la potencia de transferencia entre las dos antenas. Esto
conllevará a una reducción en el rendimiento y eficiencia del sistema
completo.
3.1.
Tipos de Antena
Una antena isotrópica es ideal y solo existe teóricamente. La misma se
caracteriza por radiar potencia en todas las direcciones por igual, produciendo un
campo electromagnético útil en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de
eficiencia. Se dice que una antena isotrópica tiene una tasa de potencia de 0 dB
cuando comparada así misma, es decir cero ganancia/pérdida.
De lo contrario las antenas dipolos son reales y se dividen en antenas dipolos
de media onda (ver Ilustración 5) y antenas dipolos de un cuarto de onda (ver
Ilustración 6). La primera es la antena mas corta que puede ser usada para radiar
señales en el espacio libre. Esta formada por un conductor eléctrico recto, el cual
mide ½ la longitud de onda. Es una de las antenas más simples.
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/2
Ilustración 5: Antena Dipolo media longitud de Onda
/4
Ilustración 6: Antena Dipolo de un cuarto de longitud Onda
La antena de un cuarto de onda (o antena de Marconi) es un cuarto de la
longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida. Es una antena que necesita
estar en contacto directo con tierra para poder tener las características de la antena
anterior. Así, la radiación esta compuesta por: la señal radiada por la antena y la
reflexión de la tierra (llamada imagen espejo). Otro método de obtener imágenes
reflejadas es a través del uso de planos a tierra.
3.2.
Clasificación de las Antenas según su Directividad
Otra manera de clasificar
describe a continuación:
las antenas (según su directividad), como se
 Omnidireccionales: Radian el mismo patrón alrededor de la antena en un
patrón completo de 360 grados (ver Ilustración 7). Es conveniente usar
este tipo de antenas cuando se requiere una cobertura en todas las
direcciones.
 Sectorizadas: Radian primariamente en una área específica. El rayo puede
oscilar entre 180 grados o ser tan delgado como 60 grados (ver Ilustración
8).
 Direccionales: Redireccionan la energía que recibe del transmisor
proporcionando más energía en una dirección y menos en otras (ver
Ilustración 9). Es conveniente usar ese tipo de antenas cuando se requiere
alcanzar mayores distancias en una dirección particular. Ejemplos de este
tipo de antena son (ver [3]):
o Yagi
o Biquad
o Horn
o Helicoidal
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o Antena de panel
o Disco parabólico
Ilustración 7: Antena Omni Direccional de 2.4 GHz
Ilustración 8: Antena Sectorizada
Ilustración 9: Antena Direccional 2,4 GHz
3.3.
Antena Guía-Onda o “Cantenna”
Una antena sencilla de construir es la antena Guía-Onda o “Cantenna”. Esta
consiste de un tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de
¼ λ (= 12 cm a 2,4 GHz). El diámetro (D) debe ser tal que se pueda propagar el
modo fundamental pero se atenúen los modos superiores. En 2,4 GHz esto significa
que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm. La
longitud no es crítica, idealmente > 2 λ (Ver Ilustración 10 y Ilustración 11).
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Ilustración 10: Ejemplo de Antena Guía-Onda o “Cantenna”
Ilustración 11: Antena Guía-Onda o “Cantenna”
Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el
fondo del tubo. El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda
estacionaria, el cual ocurre a ¼ λg. λg es la longitud de onda de la onda estacionaria
dentro de la guía. La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc=
1,706 D. La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = 300.000 km/s y (1/ λ)2 =
(1/ λc)2 + (1/ λg)2. De donde: λg = ( (1/ λ)2 - (1/ λc)2 ) -1/2 (ver [3]).
3.4.
Ganancia de una Antena
Una antena, sin amplificadores ni filtros conectados a ella, es un dispositivo
pasivo. Sin embargo, la antena puede crear el efecto de amplificación debido a su
forma física, así, la amplificación de la señal es el resultado de enfocar le radiación
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RF en un rayo mas delegado. Una analogía es lo que sucede cuando colocamos un
bombillo en una lámpara, dependiendo de la forma de la misma el rayo puede ser
enfocado en un rayo más delgado. La manera en que la radiación es enfocada es
medida por el ancho del haz, medidos en grados horizontales y verticales. Por
ejemplo, una antena omnidireccional tiene un ancho del haz de 360 grados
horizontales.
La ganancia de una antena se define como la potencia de salida, en una
dirección particular, comparada con aquel producido por una antena omnidireccional
(isotrópica). La manera numérica de expresar la ganancia de una antena es:
G
4  Ae
2

4  f 2 Ae
c2
G = ganancia de la antena
Ae = área efectiva (relacionada al tamaño y forma de una antena)
f = frecuencia portadora
c = velocidad de la luz (3 * 108 m/s)
= longitud de la onda portadora
La ganancia de una antena es medida, en decibelios, con respecto a otra.
Usualmente se mide con respecto a la ganancia de una antena isotrópica. Así, dBi es
usado para medir el nivel de potencia de una antena con respecto a una antena
isotrópica. Similarmente a los dB, dBi es una medida relativa y puede ser sumada y
restada de otras unidades en decibelios. Por ejemplo, si una señal RF se reduce en 3
dB cuando pasa por una cable de cobre y es entonces transmitida por una antena
con una ganancia de 5 dBi, el resultado de la ganancia total es +2dB.
Algunas antenas son medidas en comparación con una antena dipolo,
usándose en esta caso dBd. Las antenas dipolos pueden ser medidas con respecto a
una antena isotrópica, teniendo una ganancia de 2,14 dBi (es decir, odBd = 2,14
dBi).
3.5.
La Potencia Radiada Isotropicamente Equivalente (Equivalent
Isotropically Radiated Power (EIRP))
El EIRP es la potencia radiada por una antena (ver Ilustración 12). Pro
ejemplo, suponga que una estación usa una antena de 10 dBi (el cual amplifica la
señal por un factor de 10, ver Tabla 1) y con 100 mW de potencia aplicada. El EIRP
es 1000 mW (10x 100 mW).
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Ilustración 12: EIRP.
4. Modos de Propagación
La manera en que viaja una onda depende de la frecuencia de la misma. Hay
tres formas básicas:
1. Ondas de Tierra: Las señales siguen el contorno de la tierra. Pueden
propagarse a grandes distancias. Se encuentra en ondas de hasta
aproximadamente 2 MHz (ver Ilustración 13).
Ilustración 13: Ejemplo de ondas de tierra.
2. Ondas del Cielo: Las señales son reflejadas desde la capa superior de la
ionosfera de regreso a la tierra (ver Ilustración 14). La reflexión es causada
por la refracción. Ondas con estas características están ubicadas en
aproximadamente 3 a 30 MHz. Por ejemplo, es el tipo de propagación de
las ondas generadas por los radios amateur.
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Ilustración 14: Ejemplo de ondas de cielo.
3. Línea de Vista (line of sight, LOS): Las antenas receptoras y
transmisoras deben estar en la línea de vista (ver Ilustración 15). La línea
de vista o Line of Sight (LOS) es definida como la aparente línea desde el
objeto a la vista (el transmisor) de los ojos del observador (el receptor). Se
habla de una línea aparentemente recta porque realmente las ondas son
sujetas a cambios debido a factores d que afectan la transmisión y que
serán estudiados posteriormente.
Propagación de la señal
Antena
transmisora
Antena
receptora
tierra
Ilustración 15: Ejemplo de Línea de Vista.
Cuando no hay obstáculos la línea de vista óptica se expresa como:
d  3,57 h Representa la línea de vista óptica
d: distancia entre la antena y el horizonte en kilómetros
h: la altura de la antena en metros
La línea de vista efectiva o de radio al horizonte es:
d  3,57 Kh
K = 4/3
Así la máxima distancia entre dos antenas para una propagación de LOS es:
d  3,57( Kh1  Kh2 )
h1: altura de la antena 1
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h2: altura de la antena 2
Referencias
[1] República Bolivariana de Venezuela. Ministerio de
Infraestructura.
Comisión Nacional de Telecomunicaciones. Cuadro Nacional de Atribución
de Bandas de Frecuencias. Caracas, 11 De Junio De 2002.
[2] República Bolivariana de Venezuela. Ministerio de
Infraestructura.
Comisión Nacional de Telecomunicaciones. RESOLUCIÓN CONTENTIVA DE
LAS CONDICIONES PARA LA CALIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE USO
LIBRE. Caracas, 06 de febrero de 2003.
[3] Villapol M.E. Presentación Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica.
Octubre 2006.
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