Documento técnico

Documento técnico
Riesgo de pérdida de datos clave en los
enlaces backhaul bipolarizados
Introducción
El uso de la doble polarización no es nada nuevo en el campo de las radios de microondas y es frecuente en los sistemas
centrales o troncales de transmisión en los que la alta capacidad multicanal es la norma. Sin embargo, en lo que respecta a los
enlaces backhaul móviles, hoy en día, sólo un pequeño porcentaje emplea la doble polarización, porcentaje que, según se prevé,
aumentará ante la demanda de mayor capacidad y de mejoras en la funcionalidad de los sistemas de radio. Los supresores
de interferencia por polarización cruzada (XPIC), dispositivos que se consiguen fácilmente en el mercado, atenúan el efecto
del acoplamiento cruzado de polarización provocado por los enlaces o equipos, de modo que los sistemas que utilizan doble
polarización y un mismo canal pueden brindar el doble de capacidad de transmisión dentro de un único canal de frecuencia.
ANDREW se encuentra trabajando con los principales fabricantes originales (OEM) de equipos de radio para facilitar la
integración económica de las radios de microondas de última generación con antenas ValuLine. En el armado del programa,
quedó claro que era necesario diseñar el conjunto radio/antena como paquete integrado. La estrategia de utilizar componentes
guiaondas “complementarios” de terceros constituye un alto riesgo pues es posible que, por sus características mecánicas y de RF,
el conjunto integrado resultante no ofrezca la eficiencia de espectro o la vida útil previstas.
El presente informe técnico ilustra los riesgos que implica introducir componentes de terceros en el paquete integrado de radio
y antena, y explica por qué conviene adquirir la antena y la unidad guiaondas como paquete integrado únicamente de un
fabricante de antenas reconocido.
Doble polarización
Tradicionalmente, la doble polarización funciona gracias a una combinación de antena y radio en la que una radio montada
en forma remota se conecta con la antena mediante dos guiaondas: un guiaondas por polarización. Las polarizaciones se
combinan en el mismo trayecto de transmisión mediante un dispositivo conocido como transformador ortomodal (OMT) o
polarizador que forma parte del sistema de alimentación de la antena. Dicho dispositivo puede hacer las veces de bocina de
alimentación, por ejemplo, situado junto al punto focal de una antena reflectora o bien colocarse en la conexión de cliente de la
antena. Su funcionamiento en modo transmisión (recepción) implica la combinación (separación) de los dos polarizaciones fuera
(dentro) de los guiaondas rectangulares, dentro (fuera) de un trayecto de transmisión común, normalmente dado por un guiaondas
circular. El guiaondas circular transmite-recibe las polarizaciones a (de) la apertura de radiación de la antena.
En los enlaces backhaul móviles, lo que más se implementa son las unidades de radio integradas con montaje dividido. Los
circuitos de RF se alojan en una unidad exterior (ODU) integrada con la antena de microondas, o colocada junto a ella, mientras
que los circuitos de procesamiento de la banda de base se disponen en una unidad interior (IDU), a menudo montada dentro
de un bastidor estándar en la base de la antena. Se utiliza un cable coaxial para la frecuencia intermedia, la comunicación y la
conexión eléctrica entre las dos unidades.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 1 de 10
Documento técnico (cont.)
La mayoría de las radios integradas de montaje dividido se encuentran configuradas para funcionar con polarización simple.
Se utiliza un único par de canales de radio de ida/vuelta para lograr un funcionamiento dúplex total. Sin embargo, el continuo
crecimiento de los servicios de datos de los dispositivos móviles está obligando a los proveedores de sistemas a considerar la
ampliación de sus redes backhaul para atender la mayor demanda. Si se reformatea el canal de radio de polarización simple
previamente comprado o alquilado transmitiendo-recibiendo simultáneamente la polarización ortogonal, puede duplicarse la
capacidad de manejo de datos del canal con un impacto mínimo sobre los costos de alquiler del espectro.
Las mejoras funcionales de las radios de microondas, incluida la evolución de los XPIC, facilitan la transmisión simultánea de dos
polarizaciones, vertical y horizontal, en el mismo canal y, a la vez, reducen la diafonía que existe entre los canales a causa de
impedimentos producidos por los equipos o enlaces de radio.
Hasta hace poco, casi todos los sistemas con doble polarización utilizados dentro del espacio de backhaul implicaban el
montaje remoto de dos radios junto a la antena. La conexión con la antena bipolarizada se realizaba mediante guiaondas
flexibles de baja pérdida que iban desde las radios hasta los puertos del OMT. Dicho esquema es sensato desde el punto de
vista funcional, pero puede no ser la solución más económica dada la inversión de capital (CAPEX) necesaria para adquirir los
dos guiondas flexibles y los dos soportes remotos de radio, además del soporte de la antena.
Funcionamiento integrado con doble polarización
Actualmente, el esquema integrado con montaje divido está comenzando a utilizarse con doble polarización, además de
polarización simple, mediante un OMT integrado. Las dos radios de polarización simple ahora se montan directamente en el
OMT, que a su vez va montado directamente en la antena. De este modo, ya no se necesitan dos soportes de radio adicionales
ni dos guiaondas flexibles, lo que representa un ahorro significativo en CAPEX.
De hecho, el esquema puede parecer similar al que se utiliza en los sistemas de radio protegidos (1+1), en los que se tiene una
radio primaria y una de reserva montadas directamente en la antena y acopladas a través de un acoplador de 6dB. En el caso
de fallas en la radio, se desactiva la radio primaria y se activa la radio de reserva; de esta manera, se mantiene el enlace hasta
que se repara la radio primaria. Sin embargo, las características de RF de un OMT son muy distintas de las de un acoplador y
resultan fundamentales para la implementación satisfactoria del esquema de doble polarización.
Aspectos fundamentales de diseño
La integridad mecánica del paquete integrado es un aspecto fundamental. El montaje de dos radios de OEM en una antena
junto con los componentes guiaondas correspondientes representa una carga considerable, y su viabilidad debe ser confirmada
mediante el análisis y la demostración práctica a través de pruebas de carga, choque y vibración. Como cada radio de OEM es
única, los paquetes de integración deben armarse a la medida de cada cliente.
Las características fundamentales de RF son la pérdida por inserción y la discriminación entre las dos polarizaciones, conocida
como discriminación entre puertos, cuyos valores típicos de rendimiento son ≤0.2dB y ≥35dB, respectivamente. Si bien una
pérdida por inserción mayor comenzaría a afectar la ganancia del sistema, podrían aceptarse valores menores de discriminación
suponiendo la corrección de la diafonía resultante por medio del XPIC. Sin embargo, la funcionalidad principal de un XPIC es
corregir los impedimentos de la polarización provocados por los enlaces y no las imperfecciones internas del OMT, por lo que se
prefiere una mayor discriminación.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 2 de 10
Documento técnico (cont.)
La pérdida por inserción y la discriminación entre puertos son dos parámetros que pueden evaluarse en el banco de pruebas
dentro de un entorno de fabricación. No obstante, existe un parámetro de RF potencialmente significativo que no puede evaluarse.
Fuga de RF — la amenaza oculta
Por lo general, los dispositivos guiaondas para esta aplicación, tales como los OMT (y acopladores), se fabrican en forma de
“bloque dividido”, es decir que el dispositivo se compone normalmente de dos medias secciones longitudinales. La unión está
colocada de manera tal de minimizar la pérdida de transmisión de RF dentro de los guiaondas. Se requiere alta presión de
contacto para un buen sellado de RF, lo cual se logra tradicionalmente con una variedad de elementos de fijación colocados en
los canales del guiaondas junto con superficies de contacto integradas. Se necesita asimismo un sellado ambiental, que puede
realizarse con una junta tórica o un adhesivo adecuado.
Sin embargo, la integridad y la eficacia del sellado de RF sólo pueden evaluarse en la fase de diseño mediante la integración
directa del dispositivo con la antena en cuestión y el análisis de los patrones de radiación de todo el conjunto en un campo de
pruebas por parte de ingenieros calificados especializados en antenas. Se trata de un esquema especial que requiere una gran
capacidad de medición del margen dinámico pues los límites de radiación establecidos por las autoridades normativas pueden
oscilar entre 60 y 80dB por debajo del nivel máximo del haz principal de la antena, según su ganancia.
La prueba consiste en colocar el OMT/antena integrados, lo que convencionalmente se conoce como conjunto bajo prueba
(AUT), en un sistema de posicionamiento rotatorio en acimut. Posteriormente, se dirige la señal de RF (microondas) hacia el
AUT desde un punto de transmisión fijo, dentro de la banda operativa de interés, mientras el AUT gira en acimut. Por último,
se registra la señal recibida como función del ángulo de acimut. Convencionalmente, y según lo indicado por el ETSI (Instituto
Europeo de Normas de Telecomunicaciones), por ejemplo, esta medición suele realizarse a frecuencias bajas, medias y altas
dentro de la banda operativa bajo análisis, tanto para polarizaciones copolares como polarizaciones contrapolares incidentales.
En la figura 1, se muestra una típica antena integrada montada en un campo de pruebas al aire libre que se utiliza para la
evaluación de fugas de RF, mientras que, en la figura 2, se ilustra una integración de antena/OMT en evaluación.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 3 de 10
Documento técnico (cont.)
Figura 1: Campo de pruebas típico armado
para la evaluación de fugas de RF.
Figura 2: Unidad OMT integrada
típica, montada en la antena.
Las fugas de RF de los AUT pueden perjudicar seriamente el rendimiento en términos del diagrama de radiación si se lo compara
con el de la antena no integrada. En la figura 3a, se presentan los diagramas de radiación copolar de una antena de 18GHz
ValuLine de ANDREW cuando está integrada con una unidad de OMT bien diseñada en contraposición con los obtenidos
cuando se integra con un OMT mal diseñado (por ejemplo, de un tercero). Resulta evidente la degradación de los diagramas
de radiación del hemisferio posterior (detrás de la antena) causada por las fugas de RF y, en este caso, impide el cumplimiento
de la especificación de envolvente de diagrama de la norma ETSI, clase 3, obligatoria. En la figura 3b, se muestran los
correspondientes diagramas de radiación contrapolar, con los cuales la especificación es aún más rigurosa. Nuevamente, queda
claro el efecto de las fugas de RF del paquete de OMT mal diseñado.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 4 de 10
Documento técnico (cont.)
Figura 3a: Cobertura de diagrama de radiación copolar de una unidad OMT integrada correctamente diseñada comparada con
componentes mal diseñados según las especificaciones normativas obligatorias del ETSI y la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones).
Figura 3b: Cobertura de diagrama de radiación contrapolar de una unidad OMT integrada correctamente diseñada
comparada con componentes mal diseñados según las especificaciones normativas obligatorias del ETSI y la FCC.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 5 de 10
Documento técnico (cont.)
El impacto de tales fugas puede tener graves consecuencias, entre ellas:
• Degradación de la relación portadora/ruido del sistema, que conduce a errores de bit potencialmente significativos en
los sistemas que utilizan esquemas de modulación de alta capacidad más rigurosos;
• Incumplimiento de las especificaciones publicadas;
• Incumplimiento de las especificaciones normativas obligatorias, como las de la FCC y el ETSI;
• Incumplimiento de la declaración de conformidad con las normas armonizadas (de la UE) y, por ende, violación de las
condiciones exigidas para que el conjunto reciba la certificación “CE”.
Por lo tanto, las fugas de RF son un parámetro fundamental para un sistema de radio integrado y deben eliminarse en la fase
de diseño, lo cual debe confirmarse mediante un proceso de pruebas de RF sobre el conjunto. Por lo general, los terceros
proveedores de componentes guiaondas no poseen la experiencia necesaria para hacerlo ni tienen acceso directo a la
infraestructura requerida para realizar pruebas y evaluaciones exhaustivas y de alto margen dinámico del diagrama de radiación
durante la fase de desarrollo. Adquirir antenas de prueba a fin de integrar dispositivos de terceros y tomar en leasing/alquilar
un campo de pruebas para antenas sale mucho dinero: los costos normalmente superan los $3.000 por día. Si se sigue dicho
proceso para las actividades de desarrollo correspondientes a cada banda de frecuencia bajo análisis, se incurrirá en un
gasto considerable. Asimismo, a fin de verificar el cumplimiento de una norma armonizada necesaria para la aprobación de
la certificación europea “CE”, hay que contratar los servicios de un centro de pruebas acreditado, lo que de por sí representa
un costo significativo adicional. El proceso luego debe repetirse para cada producto del fabricante de radios y del fabricante
de antenas que vaya a integrarse con un OMT de terceros. Es evidente que el tercero se encuentra en franca desventaja a la
hora de desarrollar y evaluar dispositivos “complementarios”, tales como una solución de OMT para integración con la antena,
frente a un fabricante de antenas reconocido que no sólo posee la experiencia necesaria en materia de diseño, sino que está
preparado para llevar adelante el proceso obligatorio de pruebas.
En Europa, los OEM de radios son, en última instancia, los responsables de la declaración de cumplimiento de las normas
armonizadas aplicables a todo el sistema integrado de radio. Por lo tanto, es su deber cerciorarse de que se cumplan los
parámetros de rendimiento exigidos. Quienes pueden facilitar esa información sobre el paquete integrado antena/radio son los
fabricantes de antenas reconocidos que realizan el diseño y evaluación general de sus propios productos integrados dentro de su
proceso de desarrollo de productos (tal como lo exige la norma ISO9000, por ejemplo).
Entrada de humedad — otra amenaza oculta
La integridad mecánica que le brinda el sellado ambiental a una unidad integrada es otro aspecto muy importante que debe
contemplarse en el proceso de diseño y verificación del producto. Es relativamente fácil evaluar la integridad de la unidad en
forma aislada dentro de un entorno de fabricación utilizando, por ejemplo, un detector de fugas a presión. Más difícil resulta
evaluar el sellado ambiental de la unidad integrada a la antena en la conexión de microondas o junto a ella, para lo cual se
requieren detalles precisos sobre las piezas acopladas en la fase de diseño. Desde luego, esa información está en manos del
diseñador/fabricante de la antena, que posee los derechos de propiedad del diseño y puede proveer las piezas compatibles
correctas que se requieren para la integración. En cambio, los terceros proveedores no necesariamente cuentan con esa
información, pues casi siempre es propiedad exclusiva del fabricante de antenas.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 6 de 10
Documento técnico (cont.)
Puede que en la fase de instalación no se detecte un sellado ambiental mal diseñado e ineficaz en la conexión entre el OMT
integrado y la antena. Sin embargo, su impacto se notará con el tiempo, ya que la entrada de humedad en el trayecto de las
microondas terminará causando pérdidas importantes, lo que se traducirá en una disminución del rendimiento del enlace y el
incumplimiento de las metas de disponibilidad.
Lamentablemente, un sistema integrado no cuenta con redundancia ni protección para mitigar ese mecanismo: la conexión entre
la unidad de integración y la antena se encuentra en el trayecto de RF común y afecta a ambos canales. Para resolver este
problema, es probable que haya que cambiar tanto la antena como la unidad de integración.
Cabe aclarar nuevamente que los OEM de radios pueden tener la certeza de que el problema se evaluó correctamente sólo si
tratan directamente con el fabricante de antenas reconocido.
Ajuste fino de polarización
El ajuste fino de polarización es un requisito esencial en un sistema con doble polarización para optimizar la discriminación de
polarización (minimizar el acoplamiento cruzado). Cuando el conjunto de antena y radio se montan en un poste, no se considera
un procedimiento práctico alinear verticalmente el poste de montaje con respecto a una vertical verdadera de referencia. Por
ende, la orientación de las polarizaciones del transceptor no es exactamente horizontal ni vertical. De igual manera, el transceptor
del extremo receptor del enlace también está montado en una posición cercana a la vertical verdadera, pero no exactamente en
ella. Si al conjunto antena/radio se le agrega una funcionalidad de alineamiento de polarización independiente del poste de
montaje, la discriminación por polarización cruzada del enlace puede optimizarse en la fase de puesta en servicio de RF, por
ejemplo, configurando un extremo en la referencia nominal y ajustando en forma fina el extremo remoto para lograr una máxima
discriminación. De ese modo, los XPIC no se utilizan para compensar la polarización cruzada estable generada internamente por
el desalineamiento, sino las variaciones dinámicas de los impedimentos de la polarización cruzada que derivan del enlace.
Esta funcionalidad puede incluirse fácilmente en el diseño integrado de antena/OMT de los fabricantes de antenas reconocidos,
pero no necesariamente en los accesorios de terceros puesto que, como ya se mencionó, se requieren para tal fin detalles
precisos y de propiedad exclusiva que no son de dominio público.
Integridad mecánica
La presencia de las dos ODU montadas junto a la parte posterior de la antena no debe interferir con el montaje del conjunto
sobre el poste requerido y debe permitir el rango completo de ajuste de acimut y elevación, normalmente +/- 15 grados en
ambos ejes. La mejor práctica para esta evaluación consiste en utilizar un conjunto de antena, unidad de integración y dos
radios de OEM.
La presencia de dos ODU puede constituir una carga significativa para la antena o su sistema de montaje, y debe determinarse
el efecto de dicha carga sobre el conjunto empleando todos los elementos de integración, incluidas las radios de OEM. El
trabajo analítico (por ejemplo, análisis de los elementos finitos [FEA], figura 4) complementado por las pruebas prácticas de
vibración en 3 ejes, choque (según norma ETSI EN 300 019) y carga es el método preferido para garantizar la integridad
mecánica y la vida útil del conjunto, y también demostrar el cumplimiento de la especificación de precisión de puntería en el
caso de las antenas de elevada ganancia y mayor frecuencia, que poseen anchos de haz menores. La vibración causada por el
viento y/o la deflexión de todo el conjunto puede reducir la disponibilidad del sistema (figura 5).
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 7 de 10
Documento técnico (cont.)
Figura 4: Típico análisis de elementos finitos del montaje de la antena cuando se le adosa un OMT integrado y dos radios.
Figura 5: Integración bipolarizada sometida a pruebas de vibración del eje Y.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 8 de 10
Documento técnico (cont.)
Figura 6: Resultado de la prueba de choque típica.
Un fabricante de antenas reconocido posee la experiencia y la infraestructura necesarias para realizar el diseño, el análisis
y la verificación práctica del producto. Ello tiene particular importancia si se considera que cada OEM de radios tiene su
propia manera de diseñar las unidades de radio. En general, las unidades varían en tamaño, volumen y peso, por lo que se
requieren diseños de integración personalizados en función del cliente. Por ende, la fase de verificación mecánica es un aspecto
fundamental del proceso de diseño: no existe una solución universal y no hay fórmulas mágicas para hallar la mejor solución.
Quien posee la experiencia necesaria, cabe insistir, es el fabricante de antenas reconocido, que lleva a cabo este tipo de
análisis en forma rutinaria. Normalmente, no puede decirse lo mismo de un tercero proveedor de componentes guiaondas, que
difícilmente tenga acceso a los datos de diseño de propiedad exclusiva que hacen falta y a los elementos y las instalaciones de
prueba que se requieren para evaluar cada combinación de diseño.
Conclusión
Hay una necesidad cada vez mayor de contar con sistemas de radio de doble polarización en los enlaces backhaul móviles,
por lo que ahora se requieren nuevos paquetes integrados de radio dual y antena de montaje dividido. Una solución es integrar
los componentes guiondas de terceros directamente en la antena para lograr la interconexión necesaria con las dos radios.
Sin embargo, ese enfoque supone un riesgo significativo en cuanto al cumplimiento de las normas y la vida útil del paquete
integrado final. Hace falta una gran experiencia no sólo para diseñar los componentes, sino también para diseñar el paquete de
integración y verificar su rendimiento.
Los fabricantes de antenas reconocidos poseen esa experiencia, además de la infraestructura necesaria para demostrar la
integridad del producto integrado.
en viaje
www.commscope.com/andrew
Póg. 9 de 10
www.commscope.com/andrew
Para obtener más información visite nuestro sitio web o contacte a su representante de CommScope a nivel local.
© 2011 CommScope, Inc. Todos los derechos reservados.
Todas las marcas identificadas con ® o TM son marchas comerciales registradas y marcas comerciales, respectivamente, de CommScope, Inc.
El presente documento tiene fines de planificación únicamente y no tiene por objetivo modificar o complementar algunas de las especificaciones o garantías relacionadas con los productos y servicios de
CommScope.
WP-1043 16-ZH.CN.
www.commscope.com/andrew
Póg. 10 de 10