Radioenlaces de Microondas

Radioenlaces de Microondas
Capítulo I: Introducción a
comunicaciones inalámbricas
las
1.1 Breve historia de las comunicaciones
inalámbricas
1.1.1 Las comunicaciones en la antigüedad
En la antigüedad los comunicaciones han tenido un gran impacto en las
sociedades, como dos grandes ejemplos tenemos al servicio de mensajería
a toda velocidad de Maratón en Atenas al rededor del año 490 a. C., y al
servicio de mensajería utilizado en el imperio incaico mediante Chasquis que
eran corredores jóvenes que llevaban el mensaje de forma hablada o
mediante quipus, esto ilustra que en los inicios de la historia la información
principalmente se intercambiaba mediante el transporte físico de mensajes.
Existen pocos ejemplos de técnicas de comunicación no eléctrica para la
transferencia de información a través de otros medios distintos a las del
transporte físico, en los cuales tenemos a las señales de humo y señales en
operaciones marítimas como algunos casos. A continuación, revisaremos los
inicios de las comunicaciones inalámbricas.
Figura 1.1. Señales de humo como ejemplo de comunicaciones inalámbricas
en la antigüedad
1.1.2 Inicio de las telecomunicaciones modernas
En 1684, un científico británico llamado Robert Hooke inventó unos paneles
móviles que codificaban las letras del alfabeto, este es uno de los primeros
ejemplos que tenemos de lo que consideraríamos nuestra definición moderna
de telecomunicaciones. Otro intento de comunicar señales visuales fue por
medio de un sistema llamado semáforo de Chappe el cual consistía en un
poste con brazos móviles, este avance tecnológico vio la luz a finales del siglo
XVIII en Francia. Los holandeses utilizaron un sistema experimental similar
durante la campaña de los diez días contra la revuelta belga en 1831/1832.
En 1837, la Cámara de Representantes aprobó una resolución en la que
solicitaba al Secretario del Tesoro que investigara la viabilidad de establecer
dicho sistema en los Estados Unidos.
Figura 1.2. El Semáforo o Telégrafo de Chappe
Tener en cuenta que en la actualidad, según la Unión Internacional de
Telecomunicaciones (ITU, 2016), la telecomunicación se define
como: «Cualquier transmisión, emisión o recepción de señales, señales,
escritos, imágenes y sonidos o inteligencia de cualquier naturaleza por cable,
radio, óptica u otros sistemas electromagnéticos (CS)».
1.1.3 La era de las comunicaciones inalámbricas
La demostración práctica de la telegrafía (eléctrica) de Joseph Henry y
Samuel F.B. Morse en 1832 sucedió poco después del descubrimiento del
electromagnetismo, por Hans Christian Oersted y Andre-Marie Ampere, a
principios de la década de 1820. En la década de 1840, redes de telégrafos
se construyeron en la costa este de los Estados Unidos y en California. Luego
de la extensión rápida de su uso, siguió el primer cable transatlántico que se
colocó en 1858. En 1864, James Clerk Maxwell postuló el principio de
propagación inalámbrica, que fue verificada y demostrada por Heinrich Hertz
en 1880 y 1887 respectivamente.
Por otra parte, en 1876, Alexander Graham Bell patentó el teléfono. Marconi
y Popov comenzaron a experimentar con el radiografío poco después, y
Marconi patentó un sistema inalámbrico completo en 1897, cabe indicar que,
si bien se le conoce a Marconi como el padre de las comunicaciones
inalámbricas, su desarrollo se basó en 14 patentes de Nikola Tesla, en los
años 40 el Tribunal Supremo de los EEUU declaro a Nikola Tesla como el
propietario original de las patentes, el cual es el verdadero padre de las
radiocomunicaciones.
Figura 1.3. Tesla, más adelante en su vida, ajustando un dispositivo de radio
en su laboratorio.
La invención del diodo, por Fleming en 1904, y el triodo, por Lee de Forest
en 1906, hicieron posible el rápido desarrollo de la telefonía de larga distancia
(radio). La invención del transistor por Bardeen, Braittain y Shockley, que
más tarde condujo al desarrollo de circuitos integrados, allanó el camino para
la miniaturización de los sistemas electrónicos, lo cual permitió fabricar
dispositivos y equipos electrónicos portátiles que permitan una comunicación
inalámbrica más práctica.
Figura 1.4. Izquierda diodo de Fleming, al centro el primer transistor
primitivo, a la derecha transistores modernos.
1.1.4. Fechas importantes en las telecomunicaciones

1864: James Clerk Maxwell demostró la existencia de ondas
electromagnéticas.

1887: Heinrich Hertz envía y recibe ondas inalámbricas, usando un
transmisor de chispa y un receptor de resonador.

1895: Guglielmo Marconi envía señales de radio a más de una milla.

1901: Marconi recibió el mensaje de morse «s» (…) enviado a través
del Atlántico.

1904: J.A. Fleming patentó el diodo.

1906: Lee DeForest patentó el amplificador de triodo. Primera
transmisión inalámbrica de voz, por Fessenden.

1907: Servicio inalámbrico transatlántico comercial, utilizando
enormes estaciones de tierra: mástiles de antena de 30 x 100 m

Principio del final para la telegrafía basada en cable.

WWI:
Desarrollo
rápido
de
inteligencia
de
comunicaciones,
tecnología de interceptación, criptografía.

1915: transmisión de voz inalámbrica NY a SF.

1920: Marconi descubre radio de onda corta, con longitudes de onda
entre 10 y 100 metros. Las señales de onda larga de longitud de
onda superior a 1.000 metros siguen el contorno de la tierra, pero
requieren una potencia de transmisión muy alta (típicamente
superior a 200 kW, a veces incluso 2 MW, como, por ejemplo,
utilizada por Radio Tele Luxemburgo). Como las señales de onda
corta se reflejan contra la ionosfera, la potencia de transmisión
puede mantenerse pequeña.

1920: primera emisión de radio comercial (en Pittsburgh)

1921: radios de despacho de automóviles policiales, Detroit.

1930: BBC comenzó experimentos de televisión.

1935: Primera llamada telefónica alrededor del mundo.

WWII: desarrollo rápido de la tecnología de radio.

1968: decisión de Carterphone.

1974: FCC asigna 40 MHz para telefonía celular.

1982: establecimiento del sistema GSM e Inmarsat europeos.

1984: Desintegración de AT&T.

1984: implementación inicial del sistema celular AMPS.
1.2. Fundamentos de las comunicaciones
inalámbricas
1.2.1. Fundamentos del Electromagnetismo
Las ondas de radio y las microondas son formas de energía electromagnética
que podemos describir colectivamente con el término radiofrecuencia o RF.
Las emisiones de RF y los fenómenos asociados pueden discutirse en
términos de energía, radiación o campos. Podemos definir la radiación como
la propagación de energía a través del espacio en forma de ondas o
partículas. La radiación electromagnética se puede describir mejor como
ondas de energía eléctrica y magnética que se mueven juntas (es decir, se
irradian) a través del espacio, como se ilustra en la Figura 1.5. El campo
magnético es perpendicular al campo eléctrico, y su producto cruzado apunta
hacia la dirección de propagación:
El Vector P que va en la dirección de propagación y esta medido en vatios
por metro cuadrado, es el vector de propagación o vector Poynting.
Figura 1.5. Composición del campo electromagnético
Las ondas se generan por el movimiento de cargas eléctricas, como en un
objeto metálico o antena conductiva. Por ejemplo, el movimiento alterno de
carga (es decir, la corriente) en una antena, utilizada por una estación de
transmisión de radio o televisión o en una antena de estación base celular,
genera ondas electromagnéticas. Estas ondas que se irradian lejos de la
antena transmisora son interceptadas por una antena de recepción, como
una antena de TV en la azotea, una antena de radio del automóvil o una
antena integrada en un dispositivo portátil como un teléfono celular.
El término campo electromagnético se usa para indicar la presencia de
energía electromagnética en una ubicación determinada. El campo de RF se
puede describir en términos de la intensidad de campo eléctrico y/o
magnético en esa ubicación. Como cualquier fenómeno relacionado con las
ondas, la energía electromagnética se puede caracterizar por una longitud
de onda y una frecuencia, principalmente los parámetros que caracterizan a
una onda electromagnética son:
o
Frecuencia / Periodo
o
Longitud de onda
o
Velocidad de Propagación
o
Polarización
o
Densidad de Potencia
Figura 1.6. Componentes de una onda
a. Frecuencia
La frecuencia (ƒ) se define como la cantidad de ciclos, o períodos, por unidad
de tiempo y se mide en hercios (Hz). El período de una onda (T) es el período
de tiempo antes de que la onda se repita, la frecuencia y el periodo se
relacionan mediante la siguiente ecuación:
b. Longitud de Onda
La longitud de onda (λ) de una onda sinusoidal es el período espacial de la
onda, la distancia sobre la que se repite la forma de la onda. En otras
palabras, la longitud de onda λ es la distancia por la cual la fase de la onda
sinusoidal cambia en 2π radianes. Se puede expresar como:
Donde:

ν = Velocidad de propagación en (m/s), y

ƒ = frecuencia en (Hertz).
Las ondas electromagnéticas viajan a través del espacio libre a la velocidad
de la luz, y la longitud de onda y la frecuencia de una onda electromagnética
están inversamente relacionadas mediante una fórmula matemática que
conecta longitud de onda, velocidad de la luz (c) y frecuencia (ƒ):
Puede ver que las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen
longitudes de onda cortas, y las ondas de baja frecuencia tienen longitudes
de onda largas. La variación o modulación de las propiedades de la onda
(amplitud, frecuencia o fase) permite que la información se transmita en la
onda entre su fuente (transmisor) y el receptor de destino, que es el objetivo
de las comunicaciones inalámbricas.
c. Velocidad de Propagación
La velocidad de propagación puede expresarse como:
Donde:

ε = Permitividad y puede ser expresada como K.ε0

ε0 = Permitividad en el espacio libre, igual a 8.854 × 10-12 F/m

K = Permitividad relativa, por ejemplo, K(aire) = 1

μ = Permeabilidad y puede ser expresada como Km.μ0

μ0 = Permeabilidad en el espacio libre, igual a 1.257 × 10-6 H / m

Km = Permeabilidad relativa que depende del material utilizado.
Todos los medios dieléctricos se especifican en términos de permitividad y
permeabilidad, que son medidas de capacitancia e inductividad,
respectivamente. En el vacío la velocidad de propagación es igual a la
velocidad de la luz (aproximadamente 3 x 108 m/s)
La velocidad de propagación en otros medios depende de la permitividad y
la permeabilidad de ese medio. En el aire, la permitividad y la permeabilidad
son aproximadamente las mismas que en el vacío, por lo que el haz de
microondas viaja a la velocidad de la luz, independientemente de la
frecuencia. Para determinar la velocidad de propagación a través de un cable
relleno de espuma, sería necesario buscar la constante dieléctrica de la
espuma.
d. Polarización
La polarización de la señal corresponde al plano del vector del campo
eléctrico. Si uno imagina una onda sinusoidal que viaja perpendicularmente
fuera de la página, el vector de amplitud oscilaría desde un máximo positivo
a cero hasta un máximo negativo. En este plano, el vector eléctrico oscila
verticalmente y, por lo tanto, está polarizado verticalmente. En la Figura 1.7
se observan los tres tipos de polarización que peude presentar una señal.
Figura 1.7. Polarización Lineal, Circular y Elíptica
e. Densidad de Potencia
Una onda electromagnética transporta energía que se puede representar
como densidad de potencia Pd expresado en W/m2. Una fuente puntual de
radiación que transmite energía uniformemente en todas las direcciones se
llama isótropo. Si se considera que una esfera alrededor de esta fuente
isotrópica con salida de potencia Pt tiene un área A = 4πr2, entonces la
densidad de potencia (P) se puede expresar como:
1.2.2. Espectro Electromagnético
El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las
ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro
electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética
que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una
sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera
análoga a digital.
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor
longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la
radiación ultravioleta, la luz visible y la radiación infrarroja, hasta las ondas
electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio
Figura 1.7. Espectro electromagnético
1.2.3. Espectro Radioeléctrico
El espectro de RF es la parte más baja en el espectro electromagnético
familiar como un medio de sistema de comunicación inalámbrico digital
analógico y moderno. Se propaga en el rango entre 3 KHz y 300 GHz. Todos
los sistemas de transmisión conocidos funcionan en el rango de espectro de
RF, incluyendo la radio analógica, la navegación de aeronaves, la radio
marina, la radio afición, las transmisiones de televisión, las redes móviles y
los sistemas de satélite.
A continuación, se da un resumen a cada una de las subbandas de RF y las
áreas de uso del espectro, según la clasificación de la ITU.
Figura 1.8. Espectro Radioeléctrico
a. Frecuencia extremadamente baja (ELF)
La frecuencia que comienza de 3 Hz a 3 KHz se conoce como frecuencia
extremadamente baja o rango ELF en el espectro electromagnético. Este
rango es altamente vulnerable a las perturbaciones y se distorsiona
fácilmente por los cambios atmosféricos. Es difícil diseñar un sistema con
esta furia que es desafiante debido a que las longitudes de onda más grandes
requieren antenas largas que son prácticamente imposibles de lograr. Los
científicos usan esta banda de frecuencias en estudios sísmicos para
comprender las actividades naturales en la atmósfera de la Tierra.
b. Frecuencia muy baja (VLF)
La frecuencia muy baja es el rango inicial de RF y el sistema práctico de
transmisión de radio que abarca desde 3 KHz hasta 30 KHz. Sin embargo, el
diseño e implementación del sistema de antena es extremadamente
complicado debido a la longitud de onda. Se ha estado usando en submarinos
y todavía se usa en estaciones de radio de tiempo que sincronizan señales
de reloj entre dos ubicaciones remotas.
c. Baja frecuencia (LF)
La baja frecuencia está en el rango de 30 KHz a 300 KHz. Una de las
propiedades importantes de las señales LF es que se reflejará en la ionosfera
terrestre y, por lo tanto, es adecuada para la comunicación a larga distancia.
Dado que es una longitud de onda larga y menos atenuada por grandes
terrenos como montañas generalmente se llama ondas de tierra. Las señales
de baja frecuencia son utilizadas por operadores de radioaficionados; es una
de las fuentes más importantes de transferencia de información cuando otro
tipo de fuentes de comunicación falla durante situaciones como los desastres
naturales. Otras áreas son aplicaciones militares como submarinos, etiquetas
RFID en la comunicación de campo cercano y algunas transmisiones de radio
de baja frecuencia.
d. Frecuencia media (MF)
La frecuencia media fue una de las bandas de frecuencia más populares
desde el comienzo de la transmisión de radio inalámbrica a principios del
siglo XIX. MF opera en el rango de 300 KHz a 3 MHz. El diseño de
transmisores, receptores y antena son relativamente menos complejos que
otras bandas de transmisión de alta frecuencia. MF ha estado utilizándose
ampliamente en la transmisión de radio AM, sistemas de navegación para
barcos y aeronaves, señales de emergencia, costos y otras aplicaciones
experimentales.
e. Alta frecuencia (HF)
Las señales de alta frecuencia oscilan entre 3 MHz y 30 MHz. Esta banda de
frecuencia también se conoce como onda corta. También se refleja en la
ionosfera terrestre y es una de las bandas adecuadas para la comunicación
a larga distancia. La banda de alta frecuencia es utilizada principalmente por
la industria aeronáutica, los sistemas gubernamentales, los operadores de
radioaficionados y las estaciones de radiodifusión meteorológica.
f. Muy alta frecuencia (VHF)
La frecuencia muy alta es una de las bandas más utilizadas, que tiene un
rango de operación de 30 MHz a 300 MHz. La frecuencia de VHF es
ampliamente utilizada en la transmisión de TV analógica desde que comenzó
hace algunas décadas. La transmisión de radio FM a 88 MHz a 108 MHz opera
en banda de frecuencia VHF. Otros usos incluyen estaciones de radio privadas
y comerciales, equipos médicos (imágenes por resonancia magnética),
radioaficionados y aplicaciones militares. Por lo general, se ve afectado por
grandes terrenos, pero adecuado para la comunicación de corta distancia.
g. Ultra alta frecuencia (UHF)
La frecuencia ultra alta es la banda de frecuencia más importante para los
sistemas modernos de comunicación inalámbrica. Comienza de 300 MHz a 3
GHz y es extremadamente complicado diseñar e implementar el sistema.
Tiene muchas bandas de sub-frecuencia, algunas están restringidas y
asignadas solo para aplicaciones particulares. Se utiliza en sistemas de
navegación GPS, satélites, buscapersonas, Wi-Fi, Bluetooth, transmisión de
televisión y, lo más importante, transmisión móvil GSM, CDMA y LTE.
h. Súper alta frecuencia (SHF)
Súper alta frecuencia está en el rango de 3 GHz a 30 GHz. Solo puede operar
en la ruta de la vista, ya que cualquier obstrucción entre el transmisor y la
estación receptora romperá la comunicación. Se utiliza comúnmente en
comunicación punto a punto, sistemas de satélite, transmisión de TV digital
en banda Ku (servicio DTH – directo a casa), Wi-Fi (canal de 5GHz), hornos
de microondas y redes móviles. Las guías de onda son adecuadas entre el
transmisor y la antena debido a las mayores pérdidas de los cables de RF
habituales. El diseño del sistema es extremadamente difícil en la banda SHF
debido a su menor longitud de onda y complejidad.
i. Frecuencia extremadamente alta (EHF)
La banda de frecuencia extremadamente alta es la más alta en el espectro
de frecuencia de RF, que oscila entre 30 GHz y 300 GHz. EHF solo se utiliza
en sistemas de comunicación avanzados debido a su naturaleza compleja y
al requisito de línea de visión. EHF se utiliza en radioastronomía y
teledetección (análisis meteorológico). Se sugiere su uso para sistemas de
Internet de alta velocidad como la tecnología 5G, y para redes de transmisión
futuras debido a la gran disponibilidad de ancho de banda.
Capítulo II: Fundamentos de Radio
Enlaces de Microondas
2.1.
¿Qué
son
los radio
enlaces
de
microondas?
Un radio enlace de microondas se refiere a un enlace, analógico o digital,
entre terminales de telecomunicaciones mediante ondas electromagnéticas,
la conexión de estos terminales puede ser punto a punto o punto multipunto.
Estos enlaces operan en la banda del espectro radioeléctrico de microondas
entre 1GHz y 300GHz, además, puede funcionar en configuración simplex,
half duplex o full dúplex (bidireccional).
radio enlaces de mic ro ondas

Modo Simplex: se hace uso de una frecuencia con la cual un punto
transmite datos y el otro solo los recibe.

Modo Half Dúplex: se hace uso de una frecuencia, sin embargo, la
transmisión de datos se puede dar en ambos sentidos, pero en un
sentido a la vez, es decir, un punto puede transmitir o recibir
mientras el otro punto cumple la función opuesta, el cambio de
roles, de transmisión o recepción, puede darse mediante un proceso
de negociación entre ambos puntos.

Modo Full Dúplex: se tienen dos frecuencias, esto permite que la
transmisión de datos pueda darse en ambos sentidos y a la vez, es
decir, un punto puede transmitir y recibir al mismo tiempo.
Figura 2.1. Tres modos de trasmisión de datos
Un sistema de microondas se encarga de transmitir la señal de banda base
digital a través de un proceso de modulación sobre una portadora de RF
análoga, luego es transmitida sobre el aire como una onda electromagnética.
En el caso del modo Full dúplex, ambas frecuencias de transmisión y
recepción son transmitidas/recibidas sobre una misma antena, este proceso
se logra con el uso de duplexores como se muestra en la Figura 2.2. Aquí el
duplexor permite el acoplamiento de señales sobre una misma antena
además de proporcionar el aislamiento necesario para asegurar que la señal
de transmisión no fugue al receptor de RF, en algunos casos se hace uso de
elementos ferromagnéticos llamados circuladores para cumplir esta función.
Figura 2.2. Uso de duplexores y circuladores para la separación de señales
Un punto importante es el espaciamiento de las frecuencias de transmisiónrecepción, o comúnmente llamado espaciamiento de canal, la distribución de
las frecuencias debe permitir un filtrado efectivo de las señales, algunos
países adoptan las recomendaciones de la ITU para separación de canal. Un
ejemplo de separación de canal se muestra en la Figura 2.3.
Figura 2.3. Separación de canal en 7GHz según la ITU.
2.2. Diagrama de bloques de radio enlaces
microondas
Un equipo de radio está compuesto por varios bloques que cumplen una
función bien definida, un diagrama de bloques típico se muestra en la Figura
2.4.
El tráfico de banda base (voz y datos) junto con otros bytes de cabecera,
para señalización, canal de servició, order wire (canal de voz de ingeniería),
control de radio, etc., ingresan al multiplexor donde se combinan en un flujo
de datos. Luego son procesados de tal manera que se obtenga una
distribución uniforme de las líneas espectrales. Después este flujo de datos
es condensado para obtener un flujo más eficiente, lo que permite una
reducción del ancho de banda en el modulador. Entonces esta señal es
convertida a una frecuencia intermedia (IF) donde la amplificación es más
fácil en términos de linealidad. Posteriormente, es transportada a la
frecuencia de RF usando un oscilador local de transmisión para luego
alimentar la etapa de potencia. A menudo habrá un módulo amplificador de
alta potencia (HPA), al final de la etapa electrónica, antes de ser alimentado
al branching circuit (circuito derivador, compuesto por filtros y circuladores)
para la conexión a la antena.
Figura 2.4. Diagrama de bloques del sistema de radio enlaces de microondas.
La ubicación de estos componentes varía de equipo en equipo, pero
principalmente se puede distinguir tres categorías:

Full indoor (Equipamiento de interiores),

Split unit (unidades ODU/IDU),

Full outdoors (Equipamiento de exteriores).
2.2.1. Full Indoor
Tradicionalmente los equipos de microondas Full Indoor son instalados
dentro de racks de 19 pulgas (21 pulgadas para USA) en una sala para
equipos de transmisión (sala de microondas). Un cable coaxial (por ejemplo,
tipo Heliax) o una guía de onda conectan el branching circuit con la antena
montada en la torre, transportando la señal de RF. El equipo tiene a menudo
una construcción modular para propósitos de mantenimiento. Estos equipos
full indoor son generalmente usados para enlaces de larga distancia que
requieren altas potencias de transmisión y arreglos de branching para
múltiples frecuencias (diversidad de frecuencia), la ventaja es su alta
capacidad de tráfico y reúso de antenas.
2.2.2. Split unit (RF outdoors)
Este tipo de equipamiento satisface a las redes de acceso, donde las
estaciones poseen espacio limitado y se requiere instalar una mayor cantidad
de enlaces por nodo. Estos equipos se dividen en dos partes: a) la parte
interna o IDU, que está compuesta principalmente por las interfaces de
banda base, el modulador y la tarjeta de control que administra todo el
equipamiento, y b) la parte externa u ODU, que está compuesta por el
módulo de RF que en general es independiente de la capacidad del enlace,
ambos son conectados por un cable coaxial que transporta la señal en IF, los
datos de control y la energía necesaria para alimentar a la ODU, tener la
etapa de RF muy cerca a la antena permite tener una menor pérdida de
potencia, en especial al hacer uso de frecuencias mayores a los 20GHz.
2.2.3. Full Outdoor
Cuando los enlaces de microondas son utilizados para interconectar microceldas celulares o comunicar a usuarios a corta distancia del nodo, se hace
necesario el uso de equipos compactos con antenas pequeñas fáciles de
instalar que no consuman mucha energía. Estos equipos de radio manejan,
por ejemplo, tasas de datos del orden del 1Gbps sin embargo la potencia de
transmisión es baja lo cual limita el diseño de radio enlace de microondas a
aplicaciones de mediana o corta distancia. Estos equipos de radio tienen
todos los elementos necesarios para su funcionamiento en un solo paquete,
el cual está sellado herméticamente para así evitar el deterioro de sus
componentes.
La figura 2.5 muestra los tres tipos de equipos de radio microondas descritos
anteriormente. Estos equipos son de la marca NEC modelo iPasolink.
Figura 2.5. Tipos de equipamiento de microondas NEC iPasolink.
2.3. Etapas de un sistema de radio microondas
En la sección anterior se ha descrito a grandes rasgos las etapas de un
sistema de microondas y su ubicación según el tipo de equipamiento, a
continuación, pasaremos a describir cada una de estas etapas. Las
principales son:

Interfaces de Usuario

Muldem (Multiplexor/demultiplexor)

Modem (Modulador/demodulador)

Transceptor (Transmisor/Recepctor)

Branching Circuit (Circuito derivador)
2.3.1. Interfaces de Usuario
Dependiendo del tipo de sistema de radio, los radio enlaces de microondas
podrán transportar tráfico de voz o datos, de esto dependerá si se usa una
interface TDM o Ethernet o quizá ambos. Felizmente, existe para cada
necesidad el equipamiento adecuado. Las principales interfaces de esta
categoría son: TDM (E1, E3, STM-1, etc.) y Ethernet eléctrico u óptico.
Figura 2.6. Interfaces de usuario en radioenlaces de microondas.
2.3.2. Muldem (multiplexor secundario)
Las tramas E1 (o T1) no son las únicas que se usan en redes de transporte,
también se tienen, por ejemplo, señales de 34 Mbit/s (E3) útiles para el
transporte de señales de TV, señales STM-1 o Ethernet, por lo tanto, la
entrada a una interfaz de un sistema de radio puede soportar uno o más
estándares, tales como E1, T1, E3, STM-1 o Ethernet.
Los sistemas de radio necesitan transportar estas señales transparentemente
al otro punto del enlace. En otras palabras, no se debería manipular la señal
de ninguna manera. Lo primero que necesita hacer una radio es crear una
señal compuesta desde varias entradas, la cual pueda ser transmitida al otro
punto. Entonces es necesario multiplexar todas las señales y agregar alguna
cabecera si se requiere con la finalidad de distinguir cada flujo de datos, esta
función la cumple el Muldem, el cual es un multiplexor a nivel de señales de
banda base.
2.3.4. Modem
Es un modulador/demodulador. Luego de la multiplexación de señales en
banda base, estas deben ser transportada sobre la portadora de RF, lo cual
se realiza mediante la modulación de la señal dentro de una portadora de IF
o RF, con un poco más de detalle describiremos las funciones del modulador
y demodulador:
a. Modulador
Se encarga de modular la señal en banda base, existen dos formas de realizar
la modulación en sistemas de radio digital, mediante modulación directa o
modulación indirecta.

La modulación directa es cuando no existe portadora de IF. La señal
en banda base es aplicada directamente al modulador, permitiendo
la reducción de costos y complejidad.

La modulación indirecta implica primero convertir la señal en banda
base a una en IF y luego convertir esta señal en RF, esta forma es
la más utilizada en los sistemas de radio microondas punto a punto.
Existen tres tipos principales de modulaciones digitales:

Modulación por amplitud,

Modulación por fase,

Modulación por frecuencia.
Como las señales son digitales estas cambian entre dos estados. En
modulación por amplitud (ASK), la señal cambia desde un valor de amplitud
establecido a algún otro valor de amplitud predeterminado; en modulación
por fase (PSK) la fase de la señal cambia en 180 grados; en modulación por
frecuencia (FSK) la señal cambia entre dos valores de frecuencia, la figura
2.7 muestra estos tipos de modulación. Existen variantes de estos tipos de
modulación que permiten más estados, a estos se les denomina
modulaciones digitales multinivel.
Figura 2.7 Modulaciones digitales
Los dos métodos de más usados para radioenlaces de microondas son
basados en modulaciones multinivel B-PSK y n-QAM, la cual consiste en una
combinación de los métodos descritos anteriormente, estos esquemas usan
modulación multi-símbolo para reducir los requerimientos de ancho de
banda. Estos esquemas de modulación requieren una mayor relación S/N
para operar en comparación a otros sistemas, la Figura 2.8 muestra los tipos
de modulación multinivel.
Figura 2.8 Modulaciones multinivel
b. Demodulador
Un demodulador realiza el proceso inverso de un modulador, dos tipos
principales de demoduladores se usan para detectar señales digitales:
detectores de envolvente y detectores de fase.

Los detectores de envolventes usan circuitos simples compuestos
por diodos y condensadores para extraer la envolvente de la señal.

Para el caso de las modulaciones PSK y QAM, no hay variaciones de
envolvente, por lo tanto, se requiere de la demodulación coherente
de la señal. En este método la señal modulada entrante es mezclada
con una réplica exacta (fase y frecuencia) de la señal portadora IF.
Un filtro pasa-bajos luego es usado para recuperar la señal en banda
base La réplica de la portadora requerida se genera usando un
circuito de fase cerrada (PLL), este proceso añade complejidad a la
circuitería además del costo de fabricación, pero se obtiene como
resultado una mejora en los umbrales de recepción.
Existe un compromiso entre la eficiencia del ancho de banda y el performance
del enlace. En los sistemas digitales de radio la señal recibida podría estar
justo arriba del umbral de recepción sin sufrir errores, es decir al límite, pero
siempre es necesario tener un margen considerable entre el umbral de
recepción y la señal recibida, a esto se le llama margen de desvanecimiento,
o Fade Margin en inglés, con la finalidad que el sistema puede soportar
condiciones adversas que deterioren el nivel de la señal.
2.3.5 Transceptor
La sección de RF está compuesta por los módulos transmisor y receptor, los
cuales son conocidos en conjunto como transceptores.
a. Transmisor
La señal luego de ser modulada es convertida a una señal en RF o IF para
luego ser amplificada con un amplificador de potencia. Los transmisores
actuales son sintetizados, lo que significa que se hace uso de un oscilador
local de referencia para generar la señal de RF, este oscilador local está
controlado por un nivel de tensión (VCO). Con el uso de un sintetizador VCO,
la frecuencia de transmisión puede ser seleccionada, en un rango
establecido, mediante el uso de software. El amplificador de potencia debe
ser lo más lineal posible; sin embargo, este siempre introducirá algo de
distorsión, para mantener este nivel de distorsión al mínimo, la señal es predistorsionada antes de la amplificación, debido a la introducción
complementaria de distorsión se produce la cancelación en la etapa de
amplificación de potencia, a esto se le denomina un proceso de ecualización.
El transmisor también incluye un control automático de ganancia (AGC) para
mantener la potencia de salida constante ante cualquier variación de
temperatura.
b. Receptor
En la etapa de recepción, la portadora modulada de RF es convertida a una
señal de IF antes de su demodulación. Esta se consigue mediante la mezcla
de la señal de RF con un oscilador local sintetizado (VCO). Un circuito de
control automático de ganancia (AGC) asegura que la señal de salida IF se
mantenga constante ante variaciones de la señal de recepción RF. Esta señal
de AGC es usada para la medición de la intensidad del nivel de recepción
(como por ejemplo en el proceso de alineamiento de antenas).
2.3.6. Branching Circuit
La unidad branching es un término genérico para describir la circuitería que
hace de interfaz entre la antena y el transceptor. Esto incluye los filtros,
circuladores, e híbridos.
La misma antena puede ser usada para transmitir y recibir la señal. La unidad
branching filtra la señal y combina las dos señales en una misma antena.
Filtrando la señal de transmisión se asegura que el espectro transmitido no
cause interferencia a los canales adyacentes, y de esta forma evitar la
interferencia co-canal. En la dirección de recepción, la señal es filtrada para
eliminar cualquier señal espuria que pueda ser transferida al circuito de
recepción.
La combinación de las señales de transmisión y recepción dentro de una
misma antena se logra por el uso de dispositivos pasivos ferromagnéticos
llamados circuladores. La combinación de circuladores y filtros es llamado
duplexor. Un circulador transfiere la señal con muy poca pérdida al puerto
que se requiere, obteniendo un alto aislamiento de las señales hacia otros
puertos, La señal transmitida por lo tanto es transmitida a la antena con baja
pérdida y muy poca fuga, lo mismo en el lado de recepción. Es importante
que el planificador de radio entienda las pérdidas generadas por los
duplexores y las incluya en los cálculos de diseño, la Figura 2.18 muestra un
ejemplo de branching.
Figura 2.18 Duplexor en un branching con configuración 1+0
Dentro de los principales tipos de arreglos de branching tenemos los
siguientes:

Hot Standby

Diversidad de Frecuencia

Diversidad de Espacio
a. Hot Standby
En un arreglo del tipo Hot Standby convencional se hace uso de dos
transceptores en cada extremo de un sistemas de radioenlace punto a punto,
sin embargo, solo se hace uso de un par de frecuencias, por lo tanto, no es
posible transmitir por ambos transceptores al mismo tiempo, se requiere de
un conmutador para transmitir la señal por uno de los transmisores, ambos
son capaces de transmitir la señal, pero solo uno está activo transmitiendo
señal a la antena y el otro esta encendido en espera (Hot Standby) que el
otro falle, de esta forma se obtiene redundancia en equipos transceptores,
se debe considerar que el conmutador puede reducir la señal de transmisión
en 0.5 dB. En la dirección de recepción, la señal es dividida en dos caminos,
ambas señales son demoduladas, pero solo la mejor es elegida, al dividir la
señal en dos caminos esta se reduce a 3dB. En la práctica, la pérdida puede
ser desde 3.5 dB hasta 4 dB. La figura 2.19 muestra el arreglo tipo Hot
Standby.
Figura 2.19 Diagrama de bloques de un arreglo Hot Standby.
b. Diversidad de Frecuencia (FD)
En un arreglo con diversidad de frecuencia se puede configurar un arreglo de
múltiples transceptores, obteniendo una configuración del tipo N+0 ó N+1.
En el caso de la configuración N+0, se tiene N transceptores (o sistemas) sin
ningún respaldo ante una falla. En el caso de N+1, se tiene N+1 sistemas de
los cuales solo N están transmitiendo datos, el adicional se encuentra en
espera de reemplaza a cualquiera de los N transceptores ante una falla. Cada
transmisor transmite señal simultáneamente a una frecuencia distinta, es por
eso que se denomina diversidad de frecuencia, por lo que cada señal alimenta
a su respectivo receptor sin necesidad de un conmutador o divisor de señal.
Las pérdidas son significativamente menores que un arreglo del tipo Hot
Standby, las pérdidas de calculadores y filtros son típicamente de solo 0.1
dB cada uno. La figura 2.20 muestra el arreglo tipo diversidad de frecuencia.
Figura 2.20. Diagrama de un arreglo con diversidad de frecuencia
c. Diversidad de Espacio (SD)
En un arreglo de diversidad de espacio se puede tener una configuración del
tipo diversidad de frecuencia o enlace punto a punto con un solo sistema, la
diferencia radica en la colocación de una antena adicional de recepción, esta
antena adicional recibe la señal y añade una mejora global en cada sistema.
Existen dos tipos de SD, por conmutación y por ecualización, un SD por
conmutación consiste en la selección de la mejora señal recibida por cada
una de las antenas mediante un conmutador, la mejora resulta en un
aumento en la disponibilidad del enlace, por otra parte, un SD por
ecualización recoge la señal de ambas antenas y las ecualiza con la finalidad
de mezclarlas y generar un única señal mejorada, esto permite aumentar no
solo la disponibilidad del enlace sino también la ganancia total del sistema
en hasta 3dB. El arreglo del branching para un sistema típico de diversidad
de espacio es mostrado en la figura 2.21.
Figura 2.21 Diagrama un arreglo con diversidad de espacio
2.4.
Características
de
los
Equipos
de
Microondas
2.4.1. Características de RF
a. Rango de Frecuencia
Los equipos de radio están diseñados para operar en un cierto rango de
frecuencia. El equipo sin sintetizador se ajustará al canal preconfigurado y
no puede ser modificado durante su instalación. El equipo sintetizado
(mediante VCO) puede ser ajustado en sitio por software a la frecuencia del
canal, sin embargo, aunque funcionará en un amplio rango de frecuencia,
esto no siempre cubre toda la banda, por lo que puede ser necesario más de
un transceptor. Generalmente se requieren diferentes transceptores para los
extremos, uno de banda alta (High) y otro de banda baja (Low). Por lo tanto,
el rango del transceptor del equipo debe verificarse con el plan de frecuencia
que se está utilizando para evitar equivocaciones por uso de frecuencia.
b. Separación Tx / Rx
La separación entre TX y RX especifica el espacio mínimo permitido por la
radio. Este valor dependerá del filtro de RF. El planificador de radio necesita
verificar la especificación del equipo contra el plan de frecuencia que se está
utilizando para evitar inconsistencias en la configuración de la frecuencia.
c. Espaciamiento de canal
Es necesario verificar que el espaciamiento de canales requerido sea
compatible con el equipo. La técnica de filtrado y modulación determinará el
espaciado entre canales. Los filtros de canal, que forman parte del Branching
Circuit, a menudo se requieren a frecuencias más bajas (por ejemplo, 7 GHz)
para cumplir los estrictos límites de ancho de banda establecidos por la UIT.
d. Estabilidad de Frecuencia
La estabilidad de frecuencias de la portadora de RF normalmente se
especifica en partes por millón (ppm). Una ppm corresponde a 1 Hz por cada
1 MHz o 1 kHz por cada 1 GHz. Si la estabilidad de una portadora de 7 GHz
se da como 3 ppm, la variación permitida es de 21 kHz como máximo.
2.4.2. Características de transmisión
a. Potencia de salida
La potencia de salida normalmente se especifica en el módulo de salida de
transmisión o en la brida de la antena en dBm. En este último caso, las
pérdidas de derivación de transmisión ya están incluidas. Se debe verificar si
se especifican cifras típicas o garantizadas. Las cifras típicas tienden a ser de
3 dB a 4 dB mejor que las garantizadas, si se quiere ser riguroso durante el
diseño se deberá elegir las cifras garantizadas.
b. Control de potencia
La potencia de salida de transmisión a menudo se puede controlar mediante
el software de gestión en la radio. Existen dos formas de realizar este control.
La primera es mediante el modo MTPC (Manual Transmission Power Control),
la cual consiste en el control manual de la potencia de salida, se selecciona
un nivel de atenuación o potencia de transmisión adecuada según los cálculos
del enlace. La segunda forma es mediante ATPC (Automatic Transmission
Power Control) el cual es un control automático de la potencia de salida, esto
se realiza configurando tres parámetros, la potencia mínima, la potencia
máxima y el nivel de histéresis, se usa ATPC para disminuir la interferencia
de frecuencia atenuando la potencia de transmisión en condiciones no
atenuadas y luego aumentando la potencia durante el desvanecimiento, esto
se hace monitoreando el nivel de recepción y devolviendo esta información
al transmisor. Si no se produce desvanecimiento, la potencia de transmisión
se atenúa, lo que reduce la PIRE. Durante el desvanecimiento, esta
atenuación se elimina, restaurando el margen de desvanecimiento de diseño
completo incluido para superar los efectos de desvanecimiento.
c. Espectro de salida y emisiones espurias
Para reducir la interferencia en otros sistemas, las emisiones espurias de un
transmisor deben reducirse mediante la configuración y filtrado adecuados.
Las máscaras de salida de transmisión y los límites de emisión espurias en
relación con la frecuencia de la portadora se especifican en los parámetros
de los equipos.
2.4.3. Características de recepción
a. Umbral del receptor 10-6 y 10-3
El umbral del receptor es un parámetro crítico ya que este es uno de los
principales parámetros utilizados para determinar el margen de
desvanecimiento. Estrictamente hablando, un valor de 10-3 se utiliza para el
margen de desvanecimiento, ya que las interrupciones se basan en SES, sin
embargo, los usuarios a menudo prefieren el valor 10-6 hoy en día como un
nivel de calidad mínimo para la transmisión de datos. Debe quedar claro si
los valores calculados son relativos a la brida de la antena o se especifican
en la entrada al receptor. Los valores de umbral de la recepción se expresan
en dBm. Siempre serán un valor negativo, típicamente alrededor de -70 dBm
a -90 dBm.
b. Nivel máximo de recepción
Para saltos cortos, se debe tener cuidado de no exceder el nivel máximo de
recepción de entrada. Si el nivel de señal es demasiado fuerte, pueden ocurrir
errores debido a la saturación de los circuitos del receptor. Si los niveles son
extremos, pueden ocurrir daños irreversibles. Los fabricantes de equipos
especifican el nivel máximo de recepción de sobrecarga. Los niveles máximos
se expresan en dBm, generalmente alrededor de -15 dBm.
c. Margen de desvanecimiento dispersivo
Los márgenes de desvanecimiento dispersivos (DFM) se suelen citar para los
valores de 10-6 y 10-3. Al igual que con los valores de umbral del receptor,
el valor 10-3 es el correcto de usar para el margen de desvanecimiento. Los
ecualizadores adaptativos han mejorado drásticamente los valores de DFM.
El valor de DFM para un equipo debería ser, por lo general, 10 dB mejor que
el margen de desvanecimiento plano requerido. Los valores de DFM se
expresan en decibelios y varían desde aproximadamente 35 dB (sin
ecualizadores) hasta valores de 70 dB.
d. Relación C / I
La planificación de frecuencias requiere algunos parámetros de equipo para
los cálculos de interferencia. La relación mínima de portadora a interferencia
(C / I) que el demodulador puede tolerar es importante. Los fabricantes
normalmente suministran curvas o una tabla de valores para estos dos
parámetros. En los sistemas digitales, la interferencia en el umbral es más
crítica que en condiciones sin desvanecimiento; por lo tanto, se deben tomar
en cuenta valores de umbral a interferencia (T / I).
2.4.4 Detalles de consumo
a. Rango de voltaje de entrada
La mayoría de los equipos de telecomunicaciones de microondas funcionan
con -48 VDC; sin embargo, las radios tradicionales de baja capacidad usan
24 V y, por lo tanto, muchos sitios todavía tienen fuentes de alimentación de
24 V. Algunos equipos de radio tienen un rango de entrada extendido que
admite suministros de 24 V a 48 V en ambas polaridades. Sin embargo,
puede requerirse un conversor de energía externo para equipos que no
cubren este rango. Los equipos instalados en áreas urbanas también a
menudo no tienen una fuente de alimentación de corriente directa; por lo
tanto, pueden requerirse conversores para que el equipo se conecte al
suministro de energía principal. Se debe incluir una pequeña batería de
respaldo para superar los cortes de energía.
b. Consumo de energía
Para resolver los requisitos del suministro de energía y de capacidad de las
baterías de la estación, es necesario sumar el consumo total de energía de
todos los equipos. Se deben considerar las cifras de consumo de energía de
los terminales de radio. Estas cifras se expresan en vatios.
Capítulo III: Características
Antenas de Microondas
de
3.1. Generalidades sobre
Antenas de Microondas
El componente principal que está bajo la decisión de los planificadores de
radio, en términos del diseño del enlace, es la antena. Sus características
generales, incluidos la ganancia, rechazo a interferencias, diámetro y peso,
son los factores críticos en el éxito del diseño.
El propósito de una antena es convertir la energía eléctrica generada en el
transmisor de un sistema de radio en una señal electromagnética enfocada
en una dirección determinada. Las antenas se comportan de la misma
manera en las direcciones de transmisión y recepción, esta es una
característica conocida como reciprocidad.
Se sabe que cualquier flujo de corriente genera un campo magnético, si este
flujo varia con el tiempo, se generará un campo magnético que también
variará con el tiempo, éste a su vez generará un campo eléctrico también
variable, estos dos campos interactuarán uno con otro, y si el conductor es
lo suficientemente largo, en vez de que se genere solo calor, el conductor
“irradiará”.
Figura 3.1. Radiación de campo electromagnético debido a un flujo de
corriente variable.
Con un conductor cuya longitud es «media longitud de onda de la señal», el
flujo de corriente podrá recorrer el conductor de inicio a fin en un ciclo de RF
y luego se podrá producir la máxima oscilación para esa frecuencia; esto es
lo que se llama resonancia. A las frecuencias de microondas las longitudes
de onda son relativamente pequeñas, en cambio en frecuencias HF se podría
requerir antenas del tamaño de un campo de futbol.
La antena más simple es la antena dipolo, la cual es solamente un elemento
conductor de tamaño de una media longitud de onda e irradia la energía en
todas las direcciones, a esto se le denomina antena omnidireccional. Esta es
la antena más parecida a lo que se denomina antena isotrópica, la cual es
una antena hipotética que irradia la energía en todas las direcciones en un
patrón esférico, con lo que se entiende que la energía es irradiada de la
misma manera en todas las direcciones.
Dipolo
3.2.
Antena
3.2 Fundamentos de Antenas
Una antena es básicamente un elemento radiante que convierte la energía
eléctrica en forma de corriente en un frente de onda EM en forma de campos
eléctricos y magnéticos oscilantes. Cualquier flujo de corriente en un
conductor configurará un campo magnético. Cualquier flujo de corriente
variable generará un campo magnético variable que a su vez establece un
campo eléctrico. Existe una interacción entre los campos eléctricos y
magnéticos que da como resultado la propagación EM. Cuanto más rápida
sea la variación de estos campos, mayor será la radiación del elemento
conductor (antena). Los componentes de campo que no están radiados
componen las partes capacitivas e inductivas de la antena, lo que hace que
la antena muestre una impedancia compleja en lugar de solo resistencia.
Antena Dipolo
3.3.
Radiación
de
3.3. Características de Antenas
3.3.1. Ganancia
Una antena es un dispositivo pasivo y, por definición, no puede amplificar la
señal; sin embargo, puede dar forma a la señal para que sea más fuerte en
una dirección que en otra. Si consideramos un globo y lo aplastamos a los
lados, se expandiría en los extremos. Esta es la base de lo que consideramos
ganancia de antena. La referencia es un radiador isótropo que, por definición,
tiene ganancia cero.
Figura 3.4. Radiador Isótropo
La cantidad por la cual la antena da forma a la señal en una dirección
particular se describe en términos de su ganancia. Cuando uno habla de la
ganancia de la antena particular, uno se refiere a la ganancia en el eje de la
antena, es decir, la radiación que sale directamente de la parte frontal de la
antena.
Figura 3.5. Comparación entre antena isotrópica y antena directiva
La ganancia se expresa como la relación entre la densidad de potencia de
referencia (P) de un radiador isotrópico y la densidad de potencia en la
dirección particular que se está considerando. Esto generalmente se expresa
en una escala logarítmica en decibelios. Las antenas de microondas
generalmente se especifican en dBi y se pueden expresar como:
Donde:

GdBi: Ganancia de la antena con respecto a una antena isotrópica

P: Densidad de potencia en la dirección considerada

Pdi: Densidad de potencia de una antena isotrópica
Teniendo en cuenta que las antenas isotrópicas no pueden ser construidas
en la práctica, otra forma de expresas la ganancia de una antena es en
relación a las antenas omnidireccional dipolo que es lo más cercano a una
construcción real de una antena isotrópica. Esta relación es típicamente dada
en antenas VHF y UHF y se expresa de la siguiente forma:
Donde:

GdBd: Ganancia de la antena con relación a una antena dipolo

P: Densidad de potencia en la dirección considerada

Pdi: Densidad de potencia de una antena omnidireccional dipolo
La relación matemática entre la ganancia de una antena expresada en dBd
es 2.16dB menos que una antena expresada en dBi, es decir, la relación
queda así:
En una antena de microondas, la ganancia está relacionada con el área de
apertura de la antena y su frecuencia, esta puede ser expresada de la
siguiente forma:
Donde:

n: Eficiencia de apertura de la antena

Aa: Area de apertura de la antena

λ: Longitud de onda de la señal
Normalmente la eficiencia de una antena parabólica va en el rango de los
50% y 60%, si asumimos una eficiencia del 55% obtendremos una formula
muy útil para los planificadores de radioenlaces cuando se desconoce la
ganancia de la antena:
Donde:

d: Diámetro de la antena (metros)

f: Frecuencia de operación (Gigahertz)
3.3.2. Lóbulos laterales
Las antenas de microondas son diseñadas para ser directivas. La máxima
radiación es por lo tanto en la dirección de propagación. En la práctica, es
imposible concentrar toda la energía en una sola dirección. Parte de la
energía se propaga a los lados y detrás de la antena. El lóbulo principal es el
que se encuentra al centro y de frente de la antena. Los lóbulos secundarios
son de menor amplitud y se encuentran alrededor de la antena.
Figura 3.6. Lóbulos de una antena parabólica de microondas
3.3.3. Relación Front to Back (F/B)
Se define como la relación de la ganancia en la dirección deseada entre la
ganancia en la dirección opuesta detrás de la antena. Esto se expresa en
decibeles. Es muy importante en los sistemas microondas de redes troncales
tener una buena relación F/B para el re-uso de frecuencias. Relaciones
superiores a los 70 dB pueden ser requeridas en el diseño.
Figura 3.7. Relación Front to Back
3.3.4. Ancho del haz
El ancho del haz es una indicación de cuan angosto es el lóbulo principal. El
ancho de haz a media potencia es el ancho del lóbulo principal en la mitad
de la intensidad de la potencia (es decir, 3 dB por debajo de la ganancia del
lóbulo principal). Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, más estrecho
será el ancho del haz, como se muestra en la Figura 3.8. La razón tiene que
ver con la definición de ganancia de antena. Recuerde que a medida que
aumenta la ganancia en una dirección, los lóbulos laterales disminuyen en
otra.
Figura 3.8 Ancho de haz de antenas parabólicas
El ancho de haz de la antena generalmente disminuye al aumentar el tamaño
del reflector. Las antenas de alta ganancia no solo mejoran la el margen de
desvanecimiento de un enlace de radio, sino también reduce la interferencia
de las señales fuera de la vista.
Hay que tener cuidado con las antenas de muy alta ganancia pues la
estabilidad de las torres es un factor crítico al sostener estas antenas de gran
tamaño y peso, la fuerza del viento podría generar desvanecimientos por
desapuntamiento de la antena.
3.3.5. Polarización
La polarización de la señal es determina por su alimentador o feeder (Horn
feed). Los radioenlaces deben transmitir y recibir en la misma polarización.
Si una señal es recibida en la polarización opuesta, la mayor parte de la señal
será atenuada debido a la discriminación por cros-polarización (XPD). Se
suele usar antenas con doble polarización para incrementar la capacidad del
sistema, para lograr esto se hace uso de alimentadores con polarización dual,
esto solo es posible en antenas parabólicas sólidas.
Figura 3.9. Antenas de Doble Polarización
3.3.6. Patrón de radiación
El patrón configurado por una antena tiene un aspecto tridimensional.
Normalmente se necesita conocer la forma y amplitud de los distintos
lóbulos. Esto se hace trazando la señal alrededor de 360 grados en ambos
planos. En el caso de las antenas VHF y UHF, esto generalmente se hace
como un gráfico polar. Para las antenas de microondas, la gráfica se aplana
en una gráfica de envolturas de patrón de radiación (RPE), que indica la
envolvente de los lóbulos de -180 grados a +180 grados sobre una base
lineal.
Figura 3.10. Patrón de radiación de una antena.
3.3.7. VSWR
Una antena presenta una impedancia compleja en el feeder y en el cable
alimentador, en una situación ideal, toda la potencia del módulo transmisor
se transferiría al cable de alimentación y a la antena para transmitirla en el
trayecto. Sin embargo, en la práctica, hay una falta de adaptación en la salida
del transmisor o en cualquier sección dañada del alimentador, por ejemplo,
una curva cerrada, y en la interfaz de la antena. La potencia reflejada, por lo
tanto, retorna por el cable hacia el transmisor. También puede ocurrir una
falta de adaptación entre la antena y el cable, y por lo tanto, se refleja
nuevamente en el cable y se configura una onda estacionaria. Este desajuste
se califica en términos de una relación de onda estacionaria de voltaje (ROE
o VSWR), como se muestra en la Figura 3.11.
Figura 3.11. Desadaptación de impedancias que genera ondas estacionarias
reflejadas
En la práctica, si hay un VSWR deficiente, uno debe verificar si el alimentador
está dañado, por ejemplo, en la guía de ondas, uno debe asegurarse de que
no se haya excedido el radio de curvatura máximo, y que el conector del
alimentador y de la antena se haya realizado correctamente. El VSWR (o
ROE) se puede expresar como:
El valor de VSWR siempre será mayor a la unidad y el mejor VSWR es un
valor que se acerca a la unidad. En la práctica, un buen valor resultará
alrededor de 1.2. Se puede definir un coeficiente de reflexión (ρ) que exprese
la relación entre las ondas reflejadas e incidentes.
La forma más conveniente de expresar esta falta de coincidencia es la
pérdida de retorno (RL, Return Loss), que es la diferencia de decibelios entre
la potencia incidente en la desadaptación y la potencia reflejada desde la
desadaptación. La RL en decibelios se expresa en términos del coeficiente de
reflexión:
Cuanto mayor sea el valor de la RL, mejor. Normalmente, esta cifra debería
ser mayor a 20 dB para los sistemas de radio de microondas. Para lograr
esto, los componentes individuales deben superar los 25 dB.
3.3.8. Campo Lejano y Campo cercano
Los patrones de antena solo están completamente establecidos a cierta
distancia de la antena, esta distancia es el campo lejano, es aquí donde la
física geométrica se puede usar para predecir las intensidades de campo.
Conceptos tales como ganancia de antena y pérdida de espacio libre se
definen en el campo lejano. La intensidad de la señal en el campo cercano
no se define tan fácilmente porque tiene un patrón oscilatorio. La distancia
de campo lejano se define como:
Donde:

CL: Distancia de Campo Lejano

D: Diámetro de la antena

λ: Longitud de Onda en Metros
En el primer 40% del campo cercano, el efecto no es tan drástico, pero una
vez que se excede esta distancia, la respuesta es oscilatoria; por lo tanto, es
extremadamente difícil predecir cuál es la ganancia de la antena.
3.4. Tipos de antenas
La mayoría de los platos de microondas se basan en reflectores parabólicos;
sin embargo, en las bandas de frecuencia más bajas, también se pueden usar
yagis, reflectores de esquina o antenas de panel plano.
3.4.1. Antenas no parabólicas
Una antena Yagi (a veces llamada por su nombre completo Yagi-Uda en
honor a sus inventores) se basa en una matriz de dipolos. Solo un dipolo está
conectado a una fuente de energía, que se llama elemento impulsado; los
otros son elementos parásitos y consisten en un elemento reflector colocado
detrás del dipolo y de mayor longitud que el resto de la antena y las barras
pasivas del director colocadas paralelas entre sí a intervalos muy específicos
irradian de nuevo la energía y crean ganancia. Esto se muestra en la Figura
7.6. Las barras se colocan con una separación de un cuarto de longitud de
onda de modo que la fase de estas señales adicionales sea aditiva en la
dirección de avance. El espaciado de la varilla se establece por la banda de
frecuencia de la antena, y cuantos más directores tenga, más largo será y
mayor será la ganancia. La ganancia puede estimarse multiplicando el
número de dipolos del director por 1,66.
Las antenas Yagi son populares para las bandas de frecuencias de
microondas más bajas, ya que tienen suficiente ganancia para un enlace
funcional, pero tienen una carga de torre muy baja en comparación con las
placas parabólicas. Por ejemplo, una antena de 1,5 m de longitud tendría
una ganancia de alrededor de 16 dB. A menudo están envueltos para ofrecer
protección contra el daño físico. Una antena reflectora de esquina es
efectivamente dos yagis colocados en forma de V para mejorar la ganancia.
Otra antena no parabólica es la antena de placa plana. Por lo general,
funcionan en una matriz de fases usando componentes electrónicos de
estado sólido para dar forma al haz. Estas antenas son particularmente útiles
para montar contra un edificio, para reducir el impacto visual. Lograr una
buena relación de frente a fondo es un desafío (por ejemplo, es de alrededor
de 30 dB para un panel de 50 cm × 50 cm a 1,4 GHz), pero la ganancia es
adecuada teniendo en cuenta el tamaño físico. Por ejemplo, a 1,4 GHz, se
pueden obtener 17 dBi con un panel de 50 cm × 50 cm, más o menos
equivalente a un plato parabólico de tamaño similar. Técnicamente hablando,
es posible producir antenas de panel plano en las bandas milimétricas. Al
igual que con todos los productos electrónicos de estado sólido, la
oportunidad de precios bajos es el volumen. A menos que exista una gran
demanda de la antena, para reducir los precios, seguirá siendo menos
competitiva que los platos parabólicos y se utilizará principalmente para
cumplir aplicaciones de enlaces específicos donde las dimensiones de la
antena física son un beneficio.
3.4.2. Antenas parabólicas
La mayoría de las antenas de microondas se basan en un reflector parabólico.
Las antenas parabólicas funcionan según el principio de que la alimentación
de la bocina se coloca en el punto focal, de modo que la señal reflejada desde
el elemento reflector está en fase, como se muestra en la Figura 7.7
a. Antena de rejilla
Las antenas de red se pueden usar a frecuencias de microondas más bajas,
por debajo de aproximadamente 2,5 GHz. La ventaja de las antenas de red
es que tienen una carga de viento significativamente menor en la torre.
Desde un punto de vista eléctrico, tiene los mismos parámetros de antena
que un plato sólido: se puede usar exactamente el mismo hornfeed. La
longitud de onda es tal que los «espacios» entre las cuadrículas no son
necesarios. Eléctricamente no hay diferencia entre un reflector sólido y un
reflector de rejilla. En la práctica, el reflector de rejilla tiene una relación F /
B ligeramente peor debido a la difracción alrededor de los elementos de la
rejilla. Una limitación de las grillas es que no pueden soportar más de una
polarización. Las barras del reflector polarizan naturalmente la señal en la
dirección en que se encuentran las barras. Esto da como resultado una muy
buena discriminación cruzada polar. Las antenas de red tienden a ser
significativamente más económicas que las antenas sólidas. Los cuernos son
una construcción más simple y la cantidad de material utilizado para el
reflector es menor. Los costos de transporte, que constituyen una parte
importante del costo de una antena, también se reducen debido a que se
pueden enviar en una forma desmontada
b. Parabólico sólido
En las antenas parabólicas solidas podemos encontrar dos tipos: antenas
estándar, antenas de plano focal y antenas de alto rendimiento o High
Performance.
Antena estándar: Las antenas parabólicas estándar generalmente están
construidas de aluminio. Se fabrican presionando una lámina de aluminio
alrededor de un mandril giratorio con forma de parábola. Los propios
reflectores no dependen de la frecuencia, pero cuanto mayor sea la
frecuencia, mayor será la perfección de la superficie requerida. En la práctica,
los reflectores se especifican por banda de frecuencia. Esta antena tiene
parámetros estándar de ganancia, relación F / B, ancho de haz y RL. Si se
desea una mejora en estos parámetros, se deben realizar ciertos cambios en
la antena.
Antena del plano focal: Para mejorar la supresión del lóbulo lateral y la
relación F / B, la antena del plano focal extiende la parábola del reflector al
plano del foco. Esto significa que el área de apertura aumenta. En lugar de
aumentar el área iluminada, lo que daría como resultado un aumento en la
ganancia, se ilumina la misma área, lo que reduce el derrame que produce
lóbulos laterales y lóbulos posteriores. En la práctica, la ganancia se reduce
debido a la eficiencia de iluminación de la antena. Para mejorar aún más la
relación F / B, la antena tiene una geometría de borde especial. El plato está
construido con un borde serrado. Esto rompe las corrientes de Foucault,
cancelando los componentes de adición de fase, reduciendo así la radiación
detrás del plato. Este tipo de plato ofrece al menos una mejora de 10 dB en
la relación F / B en comparación con una antena estándar, con una reducción
muy leve en la ganancia (significativamente inferior a 1 dB). El principio de
una antena de plano focal se muestra en la Figura 7.8.
Antena de alto rendimiento: Cuando se requiere una muy buena relación
F / B con una excelente supresión de lóbulos laterales, se requieren antenas
de alto rendimiento, muy alto rendimiento y de ultra alto rendimiento. Estas
antenas usan una cubierta alrededor del borde del plato para eliminar la
radiación de los lados y la parte posterior de la antena. Estos obenques están
cubiertos de material altamente absorbente que absorbe la energía de radio
del microondas. En el caso de las antenas de ultra alto rendimiento, el cuerno
en sí mismo también está cubierto con este material para eliminar la
dispersión de él. Esto da como resultado una ganancia ligeramente menor
debido a que parte de la energía directa también se absorbe. También se
emplean alimentaciones especiales para este tipo de plato. Los RPE se
especifican para cada lado de la antena ya que el hornfeed no es simétrico,
y por lo tanto el patrón varía ligeramente para cada lado. Las antenas de alto
rendimiento son significativamente más caras que las antenas estándar, pero
generalmente son obligatorias si se requiere la reutilización de frecuencias.
Antenas Split-fit: Para los sistemas de radio donde la unidad de RF de
antena se monta en el exterior, la antena a menudo se monta directamente
en la unidad de RF. Esto elimina la necesidad de una conexión de guía de
onda, reduciendo significativamente las pérdidas totales. Esta conexión es
patentada porque está desarrollada por un diseño conjunto entre los
fabricantes de radio y antena.
3.5. Radomes
Las cubiertas especiales para antenas llamadas radomes están disponibles
para proteger el cuerno y reducir la carga de viento en la torre. Estos
radomes varían en su construcción dependiendo del tipo de antena. Para
platos parabólicos estándar, los radomes son generalmente una forma cónica
construida de fibra de vidrio. El radom debe ser construido de tal manera
que su pérdida de inserción se minimiza. Para antenas envueltas,
generalmente se emplea un radom de tela que cubre la abertura del plato.
Mientras que los platos parabólicos sin cubierta se pueden usar con o sin
radom, la construcción envuelta tiene una carga de viento tan severa que los
radomes son obligatorios. Estos radomes planar deben tener un perfil lateral
inclinado hacia adelante para que las gotas de agua no puedan residir en el
radom. Los obenques de alto rendimiento tienen la forma correspondiente.
Un radom puede reducir la carga de viento por un factor de tres. Las antenas
con un diámetro de uno o dos tamaños más alto, con un radom, pueden
presentar la misma carga de viento que la antena más pequeña sin radom.
Por lo tanto, los radiadores son muy recomendables en cualquier instalación.
3.6. Alimentadores
El propósito de la línea de transmisión (alimentador) en este contexto es
transferir la señal de RF desde el módulo de transmisión del equipo de radio
al sistema de antena de la manera más eficiente. Para las configuraciones de
equipos que tienen la unidad de RF en la parte posterior de la antena, el
alimentador se usa para transportar la banda de base y las señales de IF más
las señales de potencia y telemetría. Hay dos tipos principales de líneas de
transmisión utilizadas en los sistemas de microondas: cables coaxiales y
guías de onda.
3.6.1. Tipos de alimentador
a. Cable coaxial
Los cables coaxiales están construidos con un núcleo interno metálico con un
material dieléctrico que separa el conductor metálico externo. El cable está
cubierto con una chaqueta de plástico para protección. El material dieléctrico
suele ser aire o espuma, en la práctica. Los cables son bastante robustos y,
por lo tanto, fáciles de instalar. Diferentes chaquetas de cables están
disponibles para uso en interiores y exteriores. Para aplicaciones en
interiores, los cables se verifican en cuanto a resistencia al fuego y emisiones
gaseosas. Para aplicaciones en exteriores, la resistencia UV de la chaqueta
es el factor clave. El núcleo central del conductor es invariablemente de cobre
para garantizar una alta conductividad. El cable externo tiene una mayor
área de superficie y, por lo tanto, la conductividad no es tan crítica. También
se usa alambre de acero recubierto de cobre o aluminio plateado. El
conductor externo a menudo toma la forma de alambre trenzado para
mejorar la flexibilidad; sin embargo, un conductor sólido tiene un
rendimiento de producto de intermodulación (IMP) muy superior. En este
caso, generalmente se emplea una superficie anular para garantizar la
flexibilidad.
La pérdida de cable es una función del área de la sección transversal; por lo
tanto, cuanto más grueso es el cable, menor es la pérdida. Obviamente, la
desventaja de los cables más gruesos es la flexibilidad reducida y el costo
incrementado. La pérdida de cable se cotiza en decibelios por 100m. Los
cables dieléctricos de aire ofrecen una solución de baja pérdida, pero tienen
la complejidad añadida de la presurización para evitar la entrada de
humedad.
A medida que aumenta la frecuencia de operación, la resistencia del
conductor aumenta, lo que resulta en pérdida de potencia debido al
calentamiento. Cualquier corriente alterna no tiene una densidad de corriente
uniforme. La densidad de corriente tiende a ser mayor en la superficie del
conductor, que es un fenómeno conocido como el efecto de la piel. En las
frecuencias de gigahertz, este cambio en la resistencia puede ser grande. La
pérdida de conductor por 100 m aumenta a medida que aumenta la
frecuencia. Otra razón por la cual la pérdida aumenta a medida que aumenta
la frecuencia es que la pérdida de radiación de un conductor aumenta con la
frecuencia a la potencia de 4 (f 4). La energía de RF viaja por el conductor
como una onda EM con el conductor interno y el conductor externo acoplando
los campos de tal manera que se propaga la señal. A medida que aumenta
la frecuencia, se introducen nuevos modos de acoplamiento que interfieren
con la señal. Este efecto junto con la pérdida de alta inserción limita la
utilidad de un conductor coaxial por debajo de unos 3 GHz para la mayoría
de las aplicaciones. Cuando se requieren longitudes de cable de RF muy
cortas, por ejemplo, para conectar la unidad de RF exterior a la antena en
configuraciones de radio de unidad dividida, se pueden usar cables coaxiales
especiales en bandas de frecuencia de hasta 23 GHz.
Para aplicaciones donde hay una configuración de radio de unidad dividida o
split, el cable se usa para transportar banda base, IF, telemetría y
alimentación de CC. Las características de atenuación generalmente limitan
la longitud del cable a aproximadamente 150 m para un cable de tipo RG-6.
Esta longitud se puede duplicar para un cable de tipo RG-11. Los cables
coaxiales están disponibles en 50 ohm o 75 ohm.
El estándar habitual es usar 50 ohm para aplicaciones de RF y 75 ohm para
aplicaciones IF. Tradicionalmente, esto es para acomodar el hecho de que
los cables IF tienen tendidos de cables más largos. En cables coaxiales con
75 ohm la impedancia característica tiene un valor de atenuación inferior a
50 ohm. Los cables de RF tienden a llevar una señal de potencia más alta,
de ahí la elección de 50 ohm. La impedancia de salida del equipo de radio,
los conectores del cable y el cable en sí deben coincidir para garantizar una
buena transferencia de potencia y una baja distorsión de la señal. El conector
en sí no tiene una impedancia característica a menos que se haya insertado
una sección dieléctrica en el cuerpo del conector. Es necesario verificar que
las dimensiones de los pines coincidan, ya que los conectores tradicionales
tienen diferentes tamaños de pines para los diferentes conectores de
impedancia.
b. Guía de onda
La energía de microondas puede guiarse en un tubo metálico, llamado guía
de ondas, con una atenuación muy baja. Los campos eléctricos y magnéticos
están contenidos en la guía y, por lo tanto, no hay pérdida de radiación.
Además, dado que el dieléctrico es aire, las pérdidas dieléctricas son
despreciablemente pequeñas. Una guía de ondas solo funcionará entre dos
frecuencias límite, llamada frecuencia de corte. Estas frecuencias dependen
de la geometría de la guía de ondas en comparación con la longitud de onda
de operación. Las guías de onda deben elegirse dentro de la banda de
frecuencias que admite el modo de propagación deseado. Recuerde que una
onda no guiada que viaja a través del espacio libre viaja como un frente de
onda TEM. En una guía de onda rectangular guiada, las ondas planas se
reflejan de pared a pared, lo que da como resultado que un componente del
campo eléctrico o magnético esté en la dirección del frente de onda y que
otro componente esté paralelo a él. Por lo tanto, ya no viaja como una onda
TEM.
Debido a las complejas configuraciones de campo y la fuerte dependencia de
la forma de la guía de onda, las instalaciones deben realizarse con el mayor
cuidado. Las guías de onda tienen una limitación para doblarse en ambos
planos. La guía de onda no debe torcerse porque esto produce una distorsión
de retardo de grupo no cuantificable.
La guía de onda más común utilizada en una instalación de radio de
microondas es la guía de onda elíptica. Esta tiene paredes de cobre corrugado
con una funda de plástico para protección. Las ondulaciones dan como
resultado un cable fuerte con capacidad de doblado limitada. La limitación de
la flexión se especifica en términos de un radio de curvatura en el plano E y
el plano H. Se permite un radio de curvatura mucho más pequeño en el plano
E; por lo tanto, se debe utilizar esto al planificar una instalación de guía de
onda. Aunque se especifica una tolerancia máxima de torsión, deben evitarse
las torsiones al planificar una instalación. Un cambio en el plano de E a H se
puede lograr fácilmente dentro de unos pocos metros sin torcer la guía de
onda doblando la guía de onda dentro del radio de curvatura especificado de
cada plano E y H, respectivamente. La longitud efectiva utilizable de la guía
de ondas está determinada por la pérdida de la guía de ondas. La pérdida de
la guía de onda se especifica en decibelios por 100 m y aumenta
significativamente a medida que aumenta la frecuencia. Por encima de 10
GHz, la pérdida se vuelve excesiva y los fabricantes de radio a menudo
ofrecen la opción de una conexión de banda base o IF a una unidad de RF
exterior montada en la torre para evitar largos recorridos de guía de onda
con pérdidas.
3.7. Accesorios del sistema de antena
3.7.1. Presurizadores
Para evitar el ingreso de humedad en un alimentador dieléctrico de aire, debe
presurizarse. Las variaciones diarias de temperatura dan como resultado un
volumen variable de aire dentro del alimentador. Durante el enfriamiento
nocturno, el aire húmedo y cálido puede penetrar en el alimentador, lo que
produce humedad en las paredes del alimentador que puede provocar una
oxidación no deseada. El aire seco o un gas inerte como el nitrógeno se usa
con una presión de unos 10 mbar para evitar la entrada de humedad. Se
debe insertar una ventana de presión entre las secciones presurizadas y no
presurizadas del alimentador, que generalmente se encuentra en la brida de
la radio después de la derivación. La unidad del presurizador debe
dimensionarse de acuerdo con la longitud total del alimentador que se debe
presurizar. Los presurizadores de aire seco a menudo se llaman
deshidratadores. Los tipos convencionales fuerzan el aire húmedo a través
de un desecante, que absorbe la humedad. Los tipos más recientes utilizan
una membrana para separar la humedad.
3.7.2. Fontanería
Las conexiones de la guía de onda en la radio y la antena se pueden
simplificar utilizando una combinación de secciones rectas, giros y curvas
rígidas. Estos deben planificarse cuidadosamente midiendo la altura de la
entrada de la guía de ondas en relación con el puerto de la guía de ondas en
el equipo y teniendo en cuenta la polarización de la antena.
3.7.3. Kits de tierra
Es importante no permitir sobretensiones inducidas en la sala de equipos a
través del cable de alimentación. Por lo tanto, el cable debe estar
correctamente conectado a tierra. Hay disponibles kits de puesta a tierra que
proporcionan un buen contacto entre la guía de onda y la correa de tierra. Al
instalarlos, es importante sellar la unidad para que no se permita la humedad
en la conexión. Se debe buscar el camino más corto y recto entre el kit de
conexión a tierra y el punto de la Tierra. Para los cables coaxiales, hay
pararrayos en línea que usan tubos supresores de gas para absorber las
sobretensiones. Un problema con estos tubos es que a menudo se pueden
descargar sin que el usuario se dé cuenta de que el tubo está fundido. Por lo
tanto, se requieren pruebas regulares.
3.7.4. Abrazaderas de cable
Los cables en una torre están sujetos a fuertes esfuerzos y tensiones debido
a la vibración de las fuerzas del viento. Es muy importante que estén bien
sujetos a la escalera de la guía de onda. En el caso de la guía de onda,
también es importante soportar el peso del cable; de lo contrario, las
corrugaciones del alimentador en la base de la torre pueden comenzar a
agruparse. Normalmente se recomienda que las abrazaderas se coloquen a
no más de 1 m de separación. La abrazadera tampoco debe cortar o
distorsionar el alimentador. Las bridas de plástico se vuelven frágiles muy
rápidamente debido a la radiación ultravioleta (UV) del sol. Por lo tanto,
normalmente se requiere un material resistente a los rayos UV y libre de
corrosión como el acero inoxidable.
Capítulo
IV:
Planificación
radioenlaces de microondas
de
4.1. Flujo de planificación de radioenlaces
de microondas
En la planificación de radioenlaces de microondas se debe tomar atención
minuciosa a cada detalle en las etapas iniciales del proyecto, de esta forma
se evitan diversos problemas durante su despliegue. El margen de error en
la planificación debe ser pequeño, pues en un proyecto nuevo, la inversión
en infraestructura es importante, instalar una torre en un lugar equivocado
o de altura inadecuada significa un gasto considerable.
En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo con los pasos a tomar en
cuenta en el planeamiento de un nuevo enlace de microondas.
Figura 1. Diagrama de
flujo del planeamiento de un nuevo radioenlace de microondas
Considerar que el planeamiento de un radio enlace de microondas es un
proceso iterativo y variara dependiendo de las condiciones del proyecto. Los
problemas de planeamiento en una zona urbana son completamente distintos
a los problemas que se puedan presentar en una zona rural. El planificador
del enlace debe identificar todos los pasos a seguir en cada estación y
elaborar un plan de proyecto como por ejemplo un diagrama de Gantt, para
así identificar y gestionar las rutas más críticas.
4.2. Proceso de planificación
de radioenlaces de microondas
4.2.1. Resumen de planificación de radioenlaces
El primer paso es establecer un resumen de la planificación, se dice que la
mitad de la solución reside en la definición del problema, lo cual es válido,
por ejemplo, al diseñador del sistema se le dice que se requiere un
radioenlace N+1 con canales STM-1 cuando en realidad una solución mucho
más simple podría encontrarse si se define el verdadero fin del sistema. La
planificación de radioenlaces de microondas debe estar especificada en
términos de los servicios, la capacidad de tráfico, que tipo de servicios o
usuarios se incorporaran en la ruta del sistema, las conexiones de los
circuitos y el objetivo de calidad requerido.
4.2.2. Identificar las estaciones terminales
Es importante verificar la información de la ubicación de las estaciones, las
estaciones de radio microondas permiten muy poco margen de error, pues
una inexactitud de las coordenadas, y por ende de la ubicación de la estación,
puede afectar de forma severa la claridad o línea de vista del enlace, en
muchos casos, las coordenadas solo deben tener un margen de error de solo
unos metros.
Actualmente, existen equipos sofisticados que nos permiten definir las
coordenadas de las estaciones con errores por debajo de los 3 metros, como
los GPS que son una herramienta muy necesaria para una correcta
planificación.
Figura 2. GPS para planificación de radioenlace de
microondas
Otra consideración importante es definir la ubicación de la infraestructura
que soportará la antena, la cual debe ser congruente con la dirección donde
apuntará el enlace evitando cualquier obstrucción con infraestructura
existente, considerando también la orientación de las caras de la torre, esto
para poder colocar los soportes orientados a la dirección del enlace.
Se debe tener en cuenta que la torre no debe estar muy alejada de la
ubicación de la caseta donde se instalarán los equipos, por ejemplo, en
equipos Indoor la perdida por la longitud de guía de onda entre antena y
duplexor puede ser un factor crítico.
4.2.3. Elaboración del diagrama de red
Una vez que las ubicaciones de las estaciones han sido definidas, éstas deben
ser graficadas geográficamente con los circuitos y conexiones lógicas, con el
fin de obtener el diagrama de red, el cual nos ayudará a definir las
capacidades e interfaces de los enlaces.
Luego de determinada las conexiones de red y las capacidades iniciales, se
realiza un primer borrador de los enlaces que interconectarán las estaciones
terminales, quizás en un primer ensayo no exista línea de vista debido a la
distancia u obstrucción de árboles, edificios, etc., entre estas estaciones, por
lo tanto, se vea la necesidad de colocar estaciones repetidoras.
En algunos casos la distancia entre estaciones repetidoras puede ser mayor
a los 100Km, y dependiendo la frecuencia con que se transmita, esto puede
hacer que un enlace punto a punto entre terminales sea inviable, también,
podría ocurrir que dentro de la trayectoria se encuentren obstáculos
imposibles de bordear con solo aumentar la altura de las torres. Bajo estos
casos, es necesario colocar uno o más repetidores dependiendo las
dificultades del terreno y objetivos de diseño. Los repetidores de radio
pueden ser:
o
Repetidores Pasivos.
o
Repetidores Activos.
a. Repetidores pasivos
Básicamente este tipo de repetidores son reflectores de haces
radioeléctricos, estos redireccionan la señal de microondas alrededor de una
obstrucción, estos tienen las siguientes ventajas:

No requieren energía.

No requieren un camino de acceso definido.

No requieren equipos ni casetas.

Son amigables con el medio ambiente.

No requieren casi ningún mantenimiento.
para radioenlaces de microondas
Figura
3.
Reflectores
pasivos
b. Repetidores activos
En muchos casos no es posible hacer uso de repetidores pasivos debido a
que estos insertan perdidas de señal, lo cual hace inviable la red de
microondas, en esos casos se hace uso de los repetidores activos, que a
diferencia de los pasivos, utilizan equipamiento que requiere energía para su
funcionamiento, básicamente captan la señal que proviene de la antena
receptora y es nuevamente ecualizada, regenerada y amplificada para poder
ser retransmitida por otra antena al siguiente salto.
Figura 4. Repetidor activo de radio
enlace de microondas
Cuando se trata de estaciones que solo son repetidoras, éstas en algunos
casos, no solo deben cumplir con satisfacer los requisitos de línea de vista,
claridad y cálculos de enlace, es importante también considerar las
facilidades constructivas, tales como accesos, personal en zona, recursos de
energía, tipo de terreno, etc., en la medida como se presenten estas
facilidades la implementación de una estación será o no viable en términos
de costo y tiempo.
En el caso de estaciones repetidoras y agregadoras de tráfico, la ubicación
depende también de la facilidad de implementar nuevos enlaces de acceso
o, en el caso de estaciones de telefónica celular, la zona de cobertura; por
ejemplo si se tiene la opción de elegir la ubicación de una estación repetidora
y agregadora de tráfico entre dos ubicaciones se debe considerar que tipo de
servicio agregará, si enlazará localidades cercanas mediante fibra o
radioenlaces de acceso se debe buscar que la estación se ubique a la menor
distancia hacia esta localidad, por otro lado, si el servicio a agregar es
proveniente de una estación base celular ubicada en la misma infraestructura
o caseta, se debe considerar ubicar la estación en el punto con la mayor
cobertura de las antenas sectoriales, cuidando la línea de vista con el enlace
principal.
4.2.4. Perfil del enlace
Una vez ubicadas las estaciones terminales y repetidoras, se debe establecer
si éstas serán activas o pasivas y los costos asociados a su implementación,
luego se procede a verificar el perfil de los enlaces; a grandes distancias es
importante que la ubicación de las estaciones sea lo más exacto posible. Es
importante tener en cuenta dos aspectos en la elaboración y análisis del
perfil: estos son la línea de vista y la curvatura de la tierra (factor K).
a. Línea de vista
La comunicación de los radioenlaces de microondas punto a punto opera bajo
un mecanismo llamado visibilidad, este nombre es debido a la similitud que
presenta con la propagación de la luz. Los radioenlaces de microondas
requieren de un camino libre de obstáculos entre las antenas parabólicas,
esto es comúnmente conocido como línea de vista o LOS (Line-Of-Sight).
La línea de vista existe cuando hay un camino directo entre dos puntos
separados, es decir, sin obstrucciones (como por ejemplo edificios, colinas,
montañas, arboles, etc.) entre estos puntos. Existe dos tipos de línea de
vista, línea de vista óptica y de radio (conocida como radio-visibilidad), las
cuales tienen ciertas diferencias, la línea de vista óptica considera solo la
visibilidad que puede proporcionar el ojo humano entre dos puntos, en
cambio la radio-visibilidad toma en cuenta el concepto de los elipsoides de
Fresnel y el criterio de claridad, la Figura 5 ilustra estas dos líneas de vista.
Figura 5. Línea de Vista óptica y Zona de Fresnel
Bajo las condiciones atmosféricas normales, el horizonte óptico es cerca del
30% del radio horizonte. Por lo tanto, es posible, por ejemplo, tener un radio
enlace de microondas con una línea de vista óptica, pero sin línea de vista
de radio. Si un objeto, como una montaña o edificio, está cerca de la señal
de radio, éste puede afectar la calidad de la señal, por lo tanto, esta señal
será recibida con menor intensidad. Esto ocurrirá si aún el obstáculo no
bloquea el enlace completamente es decir si existe línea de vista óptica.
El área necesaria para evitar que la señal no se degrade es conocida como
zona de Fresnel, en la práctica, esta Zona debe estar libre de obstrucciones.
La línea de vista de radio es más rigurosa que la línea de vista óptica, pues
la primera hace uso del concepto de la primera zona de Fresnel a lo largo del
camino. El concepto de claridad indica la distancia que hay entre un obstáculo
y la zona de Fresnel. Si se desea prever futuros obstáculos, tales como el
crecimiento de árboles o edificios, se puede tener en cuenta en el diseño la
claridad suficiente para estos futuros inconvenientes. Este concepto de
claridad se debe mantener a lo largo de la trayectoria del radioenlace.
b. Curvatura de la Tierra y el Factor-K
Para entender en términos de radio propagación la curvatura de la tierra es
necesario definir que es el radio efectivo de la Tierra, pero antes es necesario
explicar el concepto de índice de refracción
c. Índice de Refracción
La refracción es un fenómeno físico observado en cualquier medio que tiene
una variación del índice refractivo; este produce el efecto de desviar los haces
de luz o microondas. La refracción en la atmósfera se describe por el índice
de refracción, la cual depende de la humedad, temperatura, y la presión
atmosférica, todo en función de la altura.
En el vacío, las ondas electromagnéticas viajan en línea recta, pues el índice
de refracción es el mismo en cualquier parte del medio. Sin embargo, dentro
de la atmósfera de la Tierra la velocidad de las ondas electromagnéticas es
menor que en el vacío, y el índice de refracción normalmente decrece con el
incremento de la altitud, por lo tanto, la onda que se propaga se inclinará
hacia arriba o hacia abajo según sea la variación del índice de refracción.
Cuando el rayo presenta una desviación hacia arriba del haz directo se dice
que existe una atmosfera con características subrefractivas, cuando el rayo
se desvía por debajo del haz directo se dice que existe una atmosfera con
características suprarefractivas, en otro caso sucede que el rayo queda
atrapado entre capas de índice de refracción variable por lo que se genera
un efecto túnel o ducto, este efecto se muestra en la Figura 6.
refractado en un radio enlace de microondas
Figura
6.
Rayo
d. Radio efectivo de la Tierra
Debido al cambio en la dirección del recorrido de la onda radioeléctrica como
producto de las variaciones en el índice de refracción en la atmosfera, no se
puede considerar el radio real de la tierra para efectos del cálculo de la
claridad en la línea de vista, en este caso se considera el radio efectivo de la
tierra el cual tiene como variable el Factor-K.
El Factor-K es la relación que existe entre el radio de la tierra y el gradiente
de reflexión que es la variación del índice de refracción con respecto a la
altura, este tiene su valor medio el cual es aproximadamente 4/3 para una
atmósfera estándar.
Cuando la atmósfera es de características sub-refractivas (valores bajos del
factor K), el camino que adoptará el haz se curvará de tal manera que la
tierra parece obstruir el camino directo entre el receptor y el transmisor, si
se llegará a genera pérdidas por este tipo de obstrucción a este fenómeno se
le llama desvanecimiento por difracción. Este tipo de desvanecimiento
determina las alturas de las torres y antenas. El Factor-K, se usa en los
cálculos de diseño para compensar los efectos de refracción en la atmósfera.
Aplicando los valores apropiados de K, se obtiene en función del radio real
de la tierra un radio efectivo, la Figura 7 muestra los valores de K y sus
efectos en la geometría del haz electromagnético.
Figura 7.
Factor de curvatura K aplicado en radioenlaces de microondas
Para la elaboración de los perfiles de propagación del enlace se debe definir
el área donde se implementará el radioenlace, en áreas urbanas es discutible
si el perfil del enlace añade algún valor al diseño pues los datos del terreno
serán insignificantes comparados con los edificios que puedan ser
obstrucción al enlace, en el caso de estas áreas se ve necesario realizar un
estudio de línea de vista presencial, para el caso de zonas rurales si las
distancias no son mayores a 50 Km es factible realizar un estudio de línea de
vista a través de brillo de espejo, sin embargo, cuando las distancias son
mayores se hace casi imposible la comprobación en campo.
El método preferido para un estudio de línea de vista es a través de mapas
cartográficos, los cuales usualmente pueden ser de una escala de 1:50000,
para la elaboración de un perfil se ubica las coordenadas de las estaciones
en el mapa y luego se dibuja una línea recta entre estos puntos, luego se
toma los valores de elevación y distancia de las cotas cada intervalo,
mientras más corto el intervalo entre cotas, más preciso será el perfil,
después se realiza un diagrama de coordenadas de elevación y distancia con
los valores obtenidos.
Se debe tener en cuenta la curvatura de la tierra, pues para un valor
determinado los obstáculos pueden influir o no en el enlace. La Figura 8
muestra la elaboración del perfil del enlace según el procedimiento descrito.
Figura 8. Elaboración de perfiles topográficos mediante cartas geográfica y
curvas de nivel.
Existen métodos computacionales para la elaboración de los perfiles, con la
ayuda de tablas en hojas de cálculos o a través de software que manejen
base de datos tales como Pathloss o Radio Mobile por mencionar algunos.
4.2.5. Estudio de campo
Una vez realizado el estudio de gabinete o escritorio, y el mapa de red ha
sido completado con la definición de los enlaces de radio, es necesario
realizar un estudio de campo presencial, esto con la finalidad de comprobar
los datos obtenidos previamente, es posible que existan obstrucciones que
no se muestren en los mapas cartográficos tales como árboles y edificios,
estos pueden obstaculizar la línea de vista y redefinir la ruta del enlace, las
coordenadas deben ser cuidadosamente comprobadas y verificadas.
Como se ha indicado, el proceso de planificación de radioenlaces de
microondas es iterativo y si alguno de los pasos no cumple con las
especificaciones, se debe replantear hasta encontrar el mejor diseño. El
último paso es la adquisición o alquiler del espacio donde se colocará la
infraestructura y posterior instalación del equipamiento.
Capítulo V: Diseño de Radioenlaces
de Microondas
5.1 Proceso de diseño de radio enlaces
El diseño de radio enlaces de microondas es un proceso metódico,
sistemático y algunas veces prolongado que incluye las siguientes
actividades principales:

Cálculo de pérdida/atenuación.

Cálculo de desvanecimiento y margen de desvanecimiento.

Plan de Frecuencia y cálculo de interferencia.

Cálculos de calidad y disponibilidad del enlace.
El diseño completo es iterativo y puede tomar muchas fases de rediseño
antes de lograr la calidad y disponibilidad requerida, la figura 5.1 muestra
las fases del proceso del diseño de radio enlaces de microondas.
Los modelos de predicción se usan con el propósito de predecir de manera
empírica los efectos del desvanecimiento, por empírico se dice que los
modelos se han obtenido en base a la experiencia, estos no se basan en
consideraciones teóricas. Los modelos empíricos son el resultado de la
aplicación de técnicas de regresión matemática sobre datos de medición y
por lo tanto el resultado es una relación que describe la dependencia de una
variable bajo ciertas condiciones.
A continuación, revisaremos los siguientes aspectos relacionados con el
diseño de radio enlaces:
o
Cálculo de atenuación y pérdidas.
o
Desvanecimiento y margen de desvanecimiento.
o
Análisis de interferencia.
o
Cálculos de calidad y disponibilidad.
o
Consideraciones de diseño.
5.2. Cálculos de atenuación/pérdida
Los cálculos de atenuación/pérdida se compone de tres principales
contribuciones: pérdidas por propagación, branching y “misceláneos”.

Las contribuciones por pérdidas de propagación vienen de las
pérdidas producidas por la atmósfera de la tierra y el terreno, por
ejemplo, el espacio libre, los gases, precipitaciones (principalmente
lluvias), reflexión de la tierra y obstáculos.

Las contribuciones por pérdidas en el branching vienen del hardware
requerido
para
enviar
las
señales
de
transmisión/recepción
hacia/desde la antena, por ejemplo, las guías de onda, splitters,
conectores y atenuadores.

Las contribuciones por pérdidas misceláneas o diversas tienen un
carácter impredecible y esporádico, por ejemplo, tormentas de
polvo y arena, así como también nubes, humo o movimientos de
objetos cruzando el enlace. Normalmente, esta contribución no es
considerada en el cálculo, pero si puede ser considerada en el
proceso de planeamiento como una pérdida adicional y luego
incluida en el margen de desvanecimiento.
5.2.1. Pérdidas en el espacio libre
Las ondas electromagnéticas son atenuadas mientras se propagan en el
espacio libre. El modelo de pérdida por trayectoria en el espacio libre es
usado para predecir la intensidad del nivel de recepción cuando el transmisor
y receptor tienen una trayectoria de línea de vista clara, sin obstrucciones
entre ellos.
La atenuación es directamente proporcional al cuadrado de la distancia y la
frecuencia, la pérdida por espacio libre representa la mayor parte de la
atenuación total causada por efectos de propagación de la onda.
La relación de la frecuencia y la distancia con respecto a la pérdida entre dos
antenas isotrópicas es expresada en términos numéricos, como se muestra
en la ecuación 5.1:
Donde:

d, distancia entre las antenas de transmisión de recepción (m)

λ, longitud de onda (m)

c, velocidad de la luz en el vacío (m/s)

f, frecuencia (Hz)
Es muy importante notar que el modelo de la pérdida por espacio libre es
válido solo para las distancias que están en el campo lejano de transmisión
de la antena.
La pérdida por espacio libre siempre está presente y depende de la distancia
y frecuencia. La pérdida por espacio libre entre dos antenas isotrópicas se
deriva de la relación entre la potencia total desde el transmisor y la potencia
recibida en el receptor. Después de convertir las unidades de frecuencia y
expresarlo en la forma logarítmica (decibel), la ecuación se transforma en:
Donde:

f, frecuencia (GHz)

d, línea de vista (LOS) entre antenas (km)
Una revisión cercana de la ecuación de pérdida por espacio libre muestra una
relación que es muy útil en el cálculo del presupuesto del enlace. Cada
incremento de 6 dB en la EIRP (Potencia isotrópica radiada equivalente)
duplica el rango del enlace. Por el contrario, una reducción de 6 dB por
pérdidas del sistema (debido a pérdidas en la línea de transmisión o en el
extremo receptor) equivale una reducción en la mitad del rango del enlace.
Esto se conoce como la regla de los 6 dB. Esto no es siempre tan fácil de
lograr, pues en la trayectoria total se presentan otros factores negativos
como la pérdida por lluvia y gases.
5.2.2. Atenuación por vegetación
Si se diera el caso de un obstáculo inesperado que intercepta la zona de
Fresnel (por ejemplo, un árbol en crecimiento), se puede calcular ésta
pérdida adicional. Se necesita perfiles de trayectoria en alta definición
además de realizar visitas en el sitio, para así evitar sorpresas de atenuación
por obstáculos inesperados. La vegetación crece continuamente, y la tasa de
crecimiento es muy importante. Por lo tanto, es importante incluir en el
diseño un crecimiento de vegetación de por lo menos 10 años. La ITU-R
P833-6 presenta dos métodos para el cálculo de atenuaciones por
vegetación:

Trayecto terrenal con un terminal en zona boscosa: este modelo es
aplicado en el escenario donde un terminal del enlace se encuentra
dentro del follaje o zona boscosa, y mientras tanto el otro terminal
se encuentra libre.

Obstrucción por solo un obstáculo vegetal: es un modelo de radiopropagación que cuantifica aproximadamente la atenuación debido
a un arbusto, árbol o cuerpo vegetal en medio del enlace de
microondas. Este modelo es muy complejo y no es aplicable para
frecuencias de 3-5 GHz.
Estos dos modelos pueden ser usados para evaluar la atenuación a través de
vegetación entre las frecuencias de 30 MHz a 60 GHz. Este modelo está
basado en el modelamiento de transferencia de radiación y cubre la
propagación a través de la vegetación y la difracción alrededor de esta. Se
debe notar, que la atenuación variará significativamente con el tiempo y la
velocidad del viento.
5.2.3. Atenuación debida a los gases atmosféricos
La mayor diferencia en la propagación a través del espacio libre y la
atmósfera real es el aire presente. Las moléculas de nitrógeno y oxigeno
acumulan aproximadamente el 99% del volumen total de la atmósfera.
La banda de absorción del nitrógeno está localizada lejos del espectro de
radio microondas, por lo tanto, se puede considerar que la atmósfera está
compuesta por la mezcla de dos gases: aire seco (moléculas de oxígeno) y
vapor de agua (moléculas de agua). No se manifiesta un incremento lineal
de la absorción con respecto a la frecuencia, por lo contrario, se presenta
fluctuaciones agresivas, con picos de absorción seguida de valles y luego más
picos, pero con una obvia tendencia al alza.
Los dos picos de absorción presentes en el rango de frecuencias comerciales
para radioenlaces de microondas se ubican alrededor de los 23 GHz
(moléculas de agua) y los 60 GHz (moléculas de oxígeno). Las atenuaciones
especificas (en dB/km) para el vapor de agua y el oxígeno son calculadas de
forma separada y luego sumadas para obtener la atenuación específica total.
La atenuación específica total es fuertemente dependiente de la frecuencia,
temperatura y la humedad absoluta o relativa de la atmósfera. La figura 5.2
muestra la variación de la atenuación específica con respecto a la frecuencia
y la humedad relativa.
Los patrones de absorción para el oxígeno y el vapor de agua son muy
diferentes, y sus picos y valles no coinciden. Por encima de los 100 GHz, la
absorción de las moléculas de oxígeno se reduce hasta un nivel pequeño,
mientras que la absorción por vapor de agua tiene una tendencia a crecer y
manifiesta una serie de picos altos y profundo con el incremento de las
frecuencias.
Desde los 10 a 30 GHz, la absorción debido a ambos tipos no es un problema
serio, y solo un pico de absorción tiene una presencia significante, la cual
ocurre a los 23 GHz. Por lo tanto, el espectro entero puede ser utilizado.
Superior a los 30 GHz, la absorción por vapor de agua sube rápidamente,
excediendo a los 10dB/km en 60 GHz.
Otros gases atmosféricos y poluciones tienen líneas de absorción en la banda
de las ondas milimétricas (por ejemplo, SO2, NO2, O2, H2O, CO2 y N2O); sin
embargo, la pérdida por absorción es principalmente debida al vapor de agua
y oxigeno solamente.
5.2.4. Atenuación debido a precipitaciones
Las precipitaciones pueden tomar la forma de lluvia, nieve, granizo, nube y
neblina. Todos ellos consisten en partículas de agua (la neblina también
consiste de pequeñas partículas sólidas). Se diferencia en la distribución de
la forma y tamaño de sus gotas de agua. La atenuación debido a la lluvia,
sin embargo, es la principal contribuidora en el rango de frecuencias usado
por los enlaces de microondas. La atenuación por lluvia se incrementa con el
aumento de la frecuencia y se convierte en la mayor contribuidora en las
bandas de frecuencia por encima de los 10 GHz.
El parámetro principal que se usa en el cálculo de la atenuación por lluvia es
la intensidad de lluvia, la cual se obtiene desde distribuciones acumulativas.
Estas distribuciones son el porcentaje de tiempo durante el cual se alcanza o
supera una determinada intensidad de lluvia, se ha elaborado 15 diferentes
zonas de lluvia para así cubrir toda la superficie terrestre.
La atenuación específica de la lluvia depende de muchos parámetros, tales
como la forma y tamaño de la distribución de las gotas de lluvia, polarización,
intensidad de la lluvia y frecuencia. La contribución debido a la atenuación
por lluvia no se incluye en el link Budget y solo se usa para el cálculo del
margen de desvanecimiento.
Es importante notar que la atenuación por lluvia se incrementa
exponencialmente con la intensidad de la lluvia (mm/hr) y que la polarización
horizontal presenta mayor atenuación que la polarización vertical.
5.2.5. Pérdida por obstáculos
La difracción es el mecanismo responsable de las pérdidas/atenuaciones
debido a obstáculos. De hecho, la pérdida por obstáculos también es
conocida en la literatura como pérdida por difracción o atenuación por
difracción.
Dependiendo la forma, tamaño y las propiedades del obstáculo, los cálculos
de difracción pueden ser engorrosos y consumir mucho tiempo. Desde la
premisa que los enlaces de microondas normalmente requieren línea de
vista, se puede aplicar métodos relativamente simples para calcular las
pérdidas por obstáculos.
Un método poderoso pero simple para el cálculo de pérdida por obstáculos
es el método del pico único, el cual se basa al aproximarse el obstáculo al de
un filo de cuchillo, como se puede apreciar en la figura 5.3, este método
puede ser fácilmente extendido para abarcar los tres más importantes picos
dentro de la zona de Fresnel.
Existen otros métodos diferentes para estimar las pérdidas por difracción,
algunas de las cuales se basan en cálculos matemáticos muy complicados.
Aunque para un rápido análisis se puede usar el método de un solo obstáculo,
un filo de cuchillo ideal rara vez aparece en la práctica, por lo tanto, se aplican
modificaciones al modelo para considerar el radio finito del obstáculo. Si se
considera una aproximación del tipo filo de cuchillo, los valores mostrados
en la figura 5.4 son aproximaciones razonables. En este caso, si se tiene libre
de obstáculos el 60% de la zona de Fresnel se obtiene 0 dB de pérdida por
obstrucciones. En el caso que exista más de un obstáculo, el total puede ser
remplazado por un obstáculo tipo filo de cuchillo. Los modelos de pérdida por
difracción se pueden encontrar en la recomendación de la ITU-R P.526 . La
última versión puede ser usada para estimar las pérdidas por obstáculos.
Figura 5.4. Aproximación de pérdidas
5.2.6. Reflexión de la tierra
La superficie de la tierra actúa como un enorme espejo el cual refleja
parcialmente las ondas radioeléctricas provenientes del transmisor.
Dependiendo de la geometría de la trayectoria, el receptor puede recibir
múltiples rayos provenientes de las reflexiones, las cuales interfieren con la
señal principal, en algunos casos estas reflexiones pueden ser lo
suficientemente fuertes para generar interrupción del servicio. Las
propiedades de reflexión de la atmósfera cambian constantemente (cambios
en el Factor-K), por lo tanto, las pérdidas por reflexión también varían
(desvanecimiento). La pérdida debido a la reflexión sobre la superficie
terrestre depende del coeficiente de reflexión de la tierra y el cambio de fase
de la señal.
La Figura 5.5 ilustra la intensidad de la señal como una función del coeficiente
total de reflexión. Los valores más intensos de la señal (Amax) se obtiene con
un ángulo de fase de 0°, y los valores más bajos (Amin) se obtienen para un
cambio de fase de 180°.
Figura
5.5. Intensidad de la señal vs. Coeficiente de reflexión
El coeficiente de reflexión depende de la frecuencia, el ángulo de reflexión,
la polarización, y otras propiedades del terreno. El ángulo de reflexión en
enlaces largos suele ser menor que 1°.
Se recomienda evitar las reflexiones de la tierra. Para grandes ángulos de
reflexión, la diferencia entre la polarización vertical y horizontal es
importante. El cambio de la altura de una antena puede mover el punto de
reflexión. Este procedimiento, conocido como la técnica hi-lo, fuerza a que el
punto de reflexión se mueva de tal manera, que los rayos reflejados no
afecten a la antena receptora.
La técnica de diversidad de espacio también provee una buena protección
contra reflexiones, esta es usualmente aplicada en trayectorias que pasen
sobre cuerpos de agua.
Para muchas trayectorias de enlaces microondas, particularmente en altas
frecuencias, es difícil obtener con exactitud el coeficiente de reflexión de la
superficie, pues la conductividad, rugosidad, gradiente, etc., del terreno varía
en toda la superficie. El procedimiento de cálculo puede tomarse como una
guía general en los casos que sirva de ayuda para identificar problemas en
la trayectoria o en la elección de un camino de entre varios, si es que
existiese la posibilidad.
La contribución resultante de las pérdidas de reflexión no es
automáticamente incluida en el Link Budget. Aunque, cuando la reflexión no
puede ser evitada, el margen de desvanecimiento puede ajustarse
incluyendo esta contribución como una pérdida adicional en el Link Budget.
5.3.
Desvanecimiento
y
margen
de
desvanecimiento
El desvanecimiento es la variación de la intensidad de la señal de radio
recibida debido a los cambios atmosféricos y/o reflexiones en agua y tierra
en la trayectoria del enlace. Los tipos de desvanecimiento normalmente
incluidos en el planeamiento de radioenlaces de microondas son los
siguientes:
o
Desvanecimiento multitrayecto,
o
Desvanecimiento por precipitaciones,
o
Desvanecimiento por refracción-difracción (Desvanecimiento tipoK)
Cualquier tipo de desvanecimiento depende de la longitud de la trayectoria.
5.3.1. Desvanecimiento multitrayecto
Se
denomina
desvanecimiento
multitrayecto
al
mecanismo
de
desvanecimiento para frecuencias menores a 10 GHz. La figura 5.6 ilustra
este fenómeno.
Figura 5.6. Desvanecimiento multitrayectoria
Bajo condiciones normales de propagación, el nivel de recepción está sujeto
a ligeras fluctuaciones de unos pocos decibeles pico a pico. Estas
fluctuaciones no tienen un efecto perjudicial sobre el funcionamiento del
sistema siempre y cuando el margen de desvanecimiento se haya escogido
lo suficientemente alto. Se sabe que los canales de transmisión entre las
antenas transmisoras y receptoras de un sistema de microondas pueden
divergir desde sus condiciones normales de propagación por períodos cortos
de tiempo y experimentar efectos perjudiciales de propagación.
Una onda reflejada causa un fenómeno conocido como multitrayecto, lo que
significa que una señal de radio puede viajar por múltiples caminos hacia la
antena receptora. La propagación multitrayecto origina dos tipos de
degradación de la señal, desvanecimiento plano y selectivo en frecuencia. El
efecto del desvanecimiento plano es debido al ruido térmico e interferencia.
Prácticamente, ambos fenómenos ocurren típicamente en combinación.
Se consideran dos tipos:
o
a. Desvanecimiento Plano.
o
b. Desvanecimiento Selectivo en frecuencia.
a. Desvanecimiento Plano.- es una reducción en el nivel de la señal donde
todas las frecuencias son igualmente afectadas. Depende de la longitud del
enlace, frecuencia y de la inclinación de la trayectoria.
b. Desvanecimiento selectivo en frecuencia.- implica la disposición de
amplitudes y retardo de grupo a través del ancho de banda del canal, esto
debido a la naturaleza de los medios de transmisión. Particularmente, afecta
a los radioenlaces de microondas de mediana a alta capacidad. La
sensibilidad del equipamiento de radio al desvanecimiento selectivo en
frecuencia se describe en la curva característica de cada equipo.
5.3.2. Desvanecimiento por precipitaciones
Los principales causantes de la absorción gaseosa son el oxígeno y el vapor
de agua. El oxígeno causa la degradación de la señal en frecuencias alrededor
de los 50 GHz. El principal efecto de las precipitaciones es la atenuación de
la señal. Esta atenuación es causada por la absorción de las ondas
electromagnéticas por las gotas de agua.
5.3.3. Desvanecimiento por refracción-difracción
En el mundo real, el factor K varia con el tiempo y el lugar de acuerdo con
las interacciones físicas que involucran al gradiente de refracción. Debido a
estas variaciones en el factor K se origina lo que se denomina
desvanecimiento por refracción – difracción. Si se tienen valores de K bajos,
la superficie de la tierra será para las ondas electromagnéticas más curvado,
por lo tanto las imperfecciones en el terreno podrán obstaculizar en alguna
medida la línea de vista del enlace.
5.4. Análisis de interferencia
La interferencia en los sistemas de microondas es causada por la presencia
de una o varias señales indeseadas en el receptor. Para predecir con
exactitud el rendimiento de un radioenlace digital se debe considerar los
efectos debidos a la interferencia. Cuando esta señal indeseada excede
ciertos valores limites, la calidad de la señal deseada es afectada. Para
mantener la disponibilidad del servicio, la relación de la señal deseada a la
señal indeseada (interferente) debe ser siempre mucho mayor que los
valores umbrales del receptor.
La interferencia dentro de una radio digital degradará el nivel umbral del
receptor, lo cual resultará en un menor margen de desvanecimiento, lo cual
va a producir un BER excesivo. En condiciones donde no exista
desvanecimiento, la señal digital puede tolerar altos niveles de interferencia;
sin embargo, para proteger el rendimiento y fiabilidad del enlace, es
necesario e importante controlar la interferencia en presencia de
desvanecimientos críticos, esto se logra conociendo las causas que originan
la interferencia.
5.4.1. Causas de Interferencia
La interferencia puede provenir de fuentes internas y externas. Como fuente
interna se refiere a que puede ser originada desde el mismo equipo debido a
los osciladores locales de transmisión y recepción (LO), también debido a
una mala acción de los filtros selectivos. Un buen equipamiento posee
osciladores estables y una buena respuesta en el filtrado de la señal,
adicionalmente, puede ser originada por emisiones espurias del mismo
sistema de radio. Como fuentes externas, puede ser originado de sistemas
de radio operando en la misma banda de frecuencia o en canales adyacentes.
5.4.2. Tipos de interferencia
Existen dos tipos de interferencias de la señal, una es con la portadora a
ruido variable (C/I variable) y la otra con la portadora a ruido constante (C/I
constante).
– C/I Variable, en este caso, la interferencia es constante, pero el nivel de la
portadora es variable debido a los desvanecimientos del medio, Se asume
que el desvanecimiento que la portadora experimenta es independiente del
desvanecimiento que experimenta la interferencia. Esto resulta en una
relación C/I variable con el desvanecimiento. El efecto impacta en el nivel
umbral del receptor (alto BER).
– C/I Constante, se da en el caso que la portadora y la interferencia son
afectadas al mismo tiempo por el desvanecimiento. Se presenta cuando la
señal e interferencia viajan a través de la misma trayectoria. El nivel absoluto
de la señal e interferencia pueden variar durante el camino que recorren,
pero la relación C/I permanece constante. Este efecto se analiza para una
señal de recepción fuerte donde el ruido térmico no es un problema, pero la
interferencia entre símbolos es crítica.
5.4.3. Efectos de la interferencia
Los efectos en sistemas análogos y digitales son totalmente distintos.
– Efectos en Receptores análogos, la interferencia incrementa el ruido lo cual
tiene un efecto directo en la calidad de la señal, esto también conduce a la
acumulación de productos de intermodulación (IMP) lo cual degrada la
calidad de la señal, estos productos interfieren con la frecuencia portadora y
las bandas laterales, esta frecuencia portadora de la señal de interferencia,
la cual es recibida por el receptor, puede tener un nivel superior al de las
bandas laterales, resultando en lo que es llamado interferencia por batido de
portadora. Otro tipo de interferencia es causado solo a los canales
adyacentes, lo cual es llamado interferencia por batido de bandas laterales.
Las figuras 5.7 y 5.8 muestran estos dos tipos de interferencia:
Figura 5.7. Interferencia por batido de portadora
Figura 5.8. Interferencia por batido de banda lateral
La interferencia también se añadirá al ruido térmico del receptor. El ruido
térmico de fondo (Pn) puede ser cuantificado como la ecuación 5.3:
Donde K es la constante de Boltzmann (1.38×10-23 J/K), T es la temperatura
del receptor (en grados Kelvins), y B es el ancho de banda del receptor en
Hertz.
El nivel umbral del receptor PT puede expresarse en dBm según la ecuación:
Donde:

S/NBB es la relación señal a ruido en la entrada del demodulador,

FdB es la figura de ruido anticipado, y

Ni es el ruido de la interferencia.
Este resulta en un incremento en el ruido en banda base y la degradación de
la relación S/N en el punto de supresión de ruido de RF, resultando en un
decremento en el margen de desvanecimiento. Este efecto es insignificante
en comparación con los efectos anteriores en los sistemas analógicos.
El efecto del aumento del ruido debido al ruido térmico y de intermodulación
se muestra en la figura 5.9, es interesante observar que el punto de cruce
es el punto de funcionamiento deseado, por lo que la mayoría de sistemas
analógicos se han diseñado para cumplir con un margen de desvanecimiento
determinado, independiente de las condiciones de enlace. En resumen, se
puede decir el efecto principal sobre los sistemas analógicos es debido al
aumento de ruido e IMP en ausencia de desvanecimiento.
Figura 5.9. Ruido en
sistemas analógicos
– Efectos en Receptores digitales, En ausencia de desvanecimiento, los
receptores digitales son muy robustos contra las interferencias a diferencia
de los sistemas análogos, sin embargo, el principal problema de interferencia
ocurre en condiciones de desvanecimiento, donde los niveles de señal se
acercan al umbral del receptor, los niveles de señal muy por debajo del
umbral del receptor, puede causar problemas en el proceso de demodulación,
el efecto de interferencia no está dada, por lo tanto, en términos de la
amplitud de la señal absoluta, sino, en términos de la relación entre la señal
deseada (portadora) y la señal indeseada (interferencia), la cual es
expresada como C/I, si la cifra se expresa en relación con el nivel umbral,
esto se denomina relación umbral a interferencia o T/I.
5.4.4. Interferencia co-canal
En los sistemas digitales, debido al efecto del nivel umbral de los receptores
digitales, como se ilustra en la figura 5.10, la interferencia de bajo nivel tiene
poco o nulo efecto en la calidad de la señal bajo ausencia de
desvanecimiento. Para variaciones pequeñas alrededor del nivel nominal de
recepción, el efecto sobre el BER es despreciable. Solo cuando la señal se
acerca a la zona umbral con variaciones de nivel es cuando se puede tener
efectos dramáticos en la calidad de la señal. Es interesante observar que
debido al efecto umbral no es necesario operar en un margen de
desvanecimiento determinado. Se puede calcular el margen de
desvanecimiento requerido para un enlace específico siempre que exista un
margen de desvanecimiento mínimo para mantener la señal alejada del
umbral.
Figura
5.10. Curva umbral del receptor
De la fórmula 5.4 la interferencia Ni se añade al ruido térmico del receptor,
por ejemplo, si el nivel umbral sin interferencia fuese -100 dBm y la señal
interferente tiene un nivel de amplitud (Ni) de -100 dBm, el umbral se
degradaría -3 dB, esto significa que el margen de desvanecimiento de 40dB
se degradaría a solo 37 dB, lo cual tiene un efecto importante en el
performance total del enlace.
En sistemas digitales existe una mínima relación C/I (C/Imin) por encima del
cual el BER es constante y por debajo el cual el performance rápidamente se
convierte en inaceptable. Esto depende bastante del esquema de
modulación: un esquema QPSK requiere solo 15 dB, mientras que un
esquema de 128 QAM requiere al menos 30 dB. Los sistemas digitales deben
mantener la relación aun en condiciones de desvanecimiento, esto significa
que la relación C/I debe ser más grande que la relación C/Imin más el mínimo
margen de desvanecimiento calculado para obtener el performance objetivo,
tal como indica la fórmula 2.5:
En la práctica, la situación de interferencia en una estación nodal mejora si
los niveles de recepción son de igual magnitud. Los niveles de recepción son
afectados por los tamaños de las antenas usados en los enlaces, este
requisito debe equilibrarse con los objetivos de rendimiento que dictan los
tamaños de antena específico con el fin de cumplir con un margen de
desvanecimiento requerido.
Los fabricantes de equipos usualmente producen una serie de curvas que
muestran el umbral de degradación para varias relaciones C/I. Un ejemplo
es el mostrado en la figura 5.12.
Figura
5.12
Ejemplo de la curva C/I para un equipo
El umbral de degradación debe ser incluido en las predicciones totales de
desvanecimiento. El margen de desvanecimiento total es una combinación
del margen desvanecimiento plano, desvanecimiento selectivo e
interferencia.
5.4.5. Interferencia de canal adyacente
Con el fin de simplificar el análisis, la discriminación de filtro, llamado filtro
de discriminación de la red (NFD) o factor de reducción de la interferencia
(IRF), se utiliza para convertir la interferencia de canal adyacente en un valor
co-canal equivalente, este valor es una función de selectividad del receptor
en sí y, por lo tanto, debe ser obtenido a partir de las especificaciones del
fabricante para cada tipo de radio. Un ejemplo se muestra en la figura 5.13.
Utilizando el concepto NFD, el mismo análisis se puede utilizar para las
señales de interferencia de canal adyacente y co-canal, la ecuación puede
expresar como:
Figura 5.13. Curva NFD típica de un equipo
5.5. Cálculo de calidad y disponibilidad del
enlace
El principal propósito de la definición de disponibilidad y calidad es establecer
objetivos razonables para los radioenlaces de microondas. El procedimiento
total puede ser estructurado en cinco pasos generales tal como se muestra
en la figura 5.14:
Paso 1: Seleccionar un diseño apropiado de la red de microondas.
Paso 2: Seleccionar los objetivos de calidad y disponibilidad para la porción
y sección correspondiente del modelo de red.
Paso 3: Cálculo de los parámetros de calidad y disponibilidad.
Paso 4: Comparación de lo calculados en el paso 3 con los objetivos del paso
2.
Paso 5: Si el objetivo no se cumple, los parámetros apropiados de red
(tamaño de antena, altura de antena, potencia de transmisión, arreglo de
canales, polarización, etc.) son cambiados, y los parámetros de calidad y
disponibilidad son recalculados como se indica en el paso 3. El procedimiento
se continúa hasta llegar al objetivo, como un proceso iterativo.
Para predecir la calidad de un radioenlace de microondas, se considera los
siguientes mecanismos de desvanecimiento:

Desvanecimiento plano debido a la propagación multitrayectoria.

Desvanecimiento selectivo debido a la propagación multitrayectoria.

Desvanecimiento debido a la lluvia.

Desvanecimiento debido a la refracción-difracción en la atmosfera.
El desvanecimiento multitrayectoria (plano y selectivo) se asume como
causante de eventos de desvanecimiento rápido, lo cual afecta la calidad del
enlace. La lluvia y la refracción-difracción son consideradas como causantes
de eventos de desvanecimiento lento, contribuyendo a la indisponibilidad del
enlace.
5.14 Proceso de cálculo de calidad y disponibilidad del enlace
Figura
5.5.1. Recomendaciones ITU-T
a. Recomendaciones de la Serie-G
En tecnologías de transmisión digital, cualquier bit recibido en error puede
deteriorar la calidad de la transmisión, por lo tanto, la calidad decrecerá si
se incrementa el número de bits errados, entonces, la tasa de bits errados
en relación con el total de bits transmitidos en un determinado intervalo de
tiempo es una cantidad que puede ser usada para describir el rendimiento
del enlace. Esta cantidad llamada bit error ratio (BER) o tasa de error de bit,
es muy bien conocida y comúnmente usada como parámetro de rendimiento.
El BER puede ser medido solo si la estructura de bit de la secuencia a evaluar
es conocida, por esta razón, la medición de BER se realiza fuera de servicio
usando una secuencia de bit seudo-aleatoria bien definida (PRBS,
pseudorandom bit sequence). En la práctica, la PRBS remplaza la información
enviada en servicio.
Los parámetros de calidad definidos por la recomendación ITU-T G.821 y
aplicadas por las recomendaciones ITU-R son basadas en los parámetros de
BER. Los parámetros de calidad son la tasa de segundo errado (ESR, errored
second ratio) y la tasa de segundo severamente errado (SESR, severely
errored second ratio). Los parámetros de disponibilidad son la tasa de tiempo
disponible (ATR, available time ratio).
La recomendación G.826 define todos los parámetros de rendimiento de tal
manera que las estimaciones en servicio sean posibles. La detección de
errores en servicio es posible, aunque, usando mecanismos especiales de
detección de error (error detection code, EDC), los cuales son inherentes a
ciertos sistemas de transmisión. Ejemplos de estos mecanismos son chequeo
de redundancia cíclico (CRC), chequeo de paridad, y observación de paridad
de bit intercalado (BIP).
La detección de error en servicio es posible si uno o más errores ocurren en
una secuencia o bloque de bits dado. Normalmente no es posible determinar
con exactitud el número de bits errados dentro de un bloque.
La filosofía básica de G.826 se basa en la medición de bloques errados, de
esta manera se puede hacer una estimación del error en servicio. Los bloques
de errores son procesados de igual manera que el error de bits, por ejemplo,
el término tasa de bloque errado se define como la relación del número de
bloques errados referidos al número total de bloques transmitidos en un
determinado intervalo de tiempo. Los parámetros de calidad son ESR, SESR
y relación de error de bloques de bit (BBER). Los parámetros de
disponibilidad son la tasa de tiempo disponible (ATR, available time ratio) y
la tasa de tiempo indisponible (UATR, unavailable time ratio).
Algunas definiciones muy útiles son:

Bloque (definición genérica), un bloque es un conjunto de bits
consecutivos asociados con la trayectoria; cada bit pertenece a uno
y solo un bloque.

Bloque errado (EB), un bloque en el cual uno o más bits están
errados.

Segundo errado (ES), un período de 1 segundo en el cual uno o más
bloques están errados.

Tasa de segundo errado (ESR), la relación de ES a el total de
segundos en el tiempo total de disponibilidad durante un intervalo
fijo de medición.

Segundo severamente errado (SES), un período de 1 segundo que
contiene por encima del 30 por ciento de bloques errados o al menos
uno defectuoso. SES es un sub-conjunto de ES.

Tasa de segundo severamente errado (SESR), la relación de SES a
el total de segundos en el tiempo total de disponibilidad durante un
intervalo fijo de medición.

Errores de bloque de fondo (BBE) un bloque errado que no ocurre
como parte de un SES.

Tasa de errores de bloque de fondo (BBER), la relación de errores
de bloque de fondo con el total de bloques en un tiempo disponible
durante un intervalo de medición fijo. El conteo total de bloques
excluye todos los bloques durante los SES y cualquier tiempo no
disponible.
Los segundos consecutivos severamente errados (CSES) pueden ser
precursores de períodos de indisponibilidad, especialmente, cuando no
existen métodos de restablecimiento y/o protección. Los períodos CSES
persistentes durante t segundos (2 a 10) pueden tener un impacto
importante sobre el servicio, tales como la desconexión de los servicios
conmutados.
El comportamiento de los errores debe ser evaluado solo durante los
momentos cuando el enlace está en estado de disponibilidad.
La medición del BER y BLER (tasa de error de bloque) producen valores
similares para BER pequeños, y, para algunos modelos de errores
específicos, es posible calcular el BER desde un BLER. La desventaja de este
procedimiento es que los modelos de error describen la situación encontrada
en la práctica incorrectamente. Por lo tanto, el resultado de un cálculo de
este tipo no es muy fiable.
Se puede asumir un trayecto ficticio de referencia (HRP) como el definido en
la Recomendación ITU-T G.826 como todo el medio de transmisión digital de
una señal digital para una tasa específica, incluyendo los enlaces de acceso
(donde exista) entre el equipo en el que se origina la señal y los terminales.
Un HRP de extremo a extremo se extiende por una distancia de 27500 Km.
La porción de interés suele ser la parte nacional de la HRP subdividido en
tres clases: de acceso, de corta distancia y de larga distancia tal como se
muestra en la figura 5.15.
Figura 5.15 Trayecto hipotético de referencia, porción nacional
La recomendación ITU-T G.826 aplica para ambas jerarquías PDH y SDH,
mientras que la recomendación G.828 solo aplica para sistemas SDH. Los
requerimientos de rendimientos en la recomendación G.828 son más
rigurosos que en la G.826.
La recomendación G.828 solo aplica para equipamiento diseñado después del
10 de marzo del año 2000 (la fecha que la ITU-T adopto la recomendación
G.828).
b. Recomendaciones de la serie Y.
A continuación, se muestra la lista parcial de alguna de las más importantes
recomendaciones de la serie Y, los cuales son relativamente nuevos con
relación a las redes basadas en IP. Nuevas versiones y adendas se publican
todo el tiempo, por lo tanto, es importante buscar la última versión de estos
documentos.

Recomendación
ITU-T
Y.1541
“Objetivos
de
calidad
de
funcionamiento de red para servicios basados en el protocolo
Internet,” (2002) Define seis redes de calidad de servicio (QoS) y
especifica
objetivos
provisionales
para
los
parámetros
de
funcionamiento de redes IP. Estas clases están destinadas a ser la
base de acuerdos entre los proveedores de la red y entre los
usuarios finales y sus proveedores de la red.

Recomendación ITU-T Y.1560 “Servicio de comunicación de datos
con protocolo Internet – Parámetros de calidad de funcionamiento
relativos a la disponibilidad y la transferencia de paquetes del
protocolo Internet,” (2002) Define los parámetros que pueden ser
utilizados en la especificación y evaluación de la velocidad,
precisión, fiabilidad, y hacer uso de la capacidad IP de transferencia
de paquetes de servicios internacionales de comunicación de datos
IP. El transporte sin conexión es un aspecto distintivo del servicio
IP que se considera en la presente recomendación. Los parámetros
definidos se aplican de extremo a extremo, punto-a-punto de
servicio IP y para las partes de red que realicen o contribuyan a la
prestación de dicho servicio.

Recomendación
ITU-T
Y.1561
“Parámetros
de
calidad
de
funcionamiento y disponibilidad para redes con conmutación por
etiquetas multiprotocolo,” (2004) Define los parámetros que pueden
ser utilizados en la especificación y la evaluación del rendimiento de
la velocidad, la fiabilidad exactitud, y la disponibilidad de la
transferencia de paquetes sobre un camino de conmutación de
etiquetas (LSP) sobre una red de conmutación de etiquetas
multiprotocolo (MPLS). Los parámetros definidos se aplican de
extremo a extremo, LSP-punto a punto y en cualquier dominio MPLS
que proporciona o contribuye a la prestación del servicio de
transferencia de paquetes.
5.5.2. Objetivos de calidad e indisponibilidad
Los objetivos de calidad e indisponibilidad para todas las partes en el trayecto
ficticio de referencia (HRP) tienen que lograrse al mismo tiempo. Estos
objetivos toman en cuenta los efectos causados por desvanecimiento,
interferencia, y otras fuentes.
La asignación de bloques se utiliza en las porciones de acceso y de corta
distancia, mientras que en la porción de larga distancia es una combinación
de asignación de bloques y la asignación con indicación de longitud. Los
desvanecimientos por lluvia, difracción y refracción (desvanecimiento tipo k)
son causante de indisponibilidad, mientras que el desvanecimiento por
trayectos múltiples (plana y selectiva en frecuencia) da ESR, SESR, y BBER.
La indisponibilidad es el factor de dimensionamiento dominante para
frecuencias superiores a 15 GHz, mientras que la calidad es el factor
dominante y de dimensionamiento para frecuencias por debajo de 10 GHz (8
GHz en algunos países). Hay, sin embargo, una gama de frecuencias entre
10 y 15 GHz, donde la calidad y la disponibilidad pueden ser comparables, y
todos los mecanismos tienen que ser considerados.
Indisponibilidad debido a un fallo de hardware no está, obviamente,
relacionado con la longitud del recorrido, pero la indisponibilidad debido a la
propagación de las ondas de radio (lluvia y el desvanecimiento de refraccióndifracción) puede estar fuertemente dependiente de la longitud.
Las recomendaciones de la UIT-T G.801, G.821 y G.826 definen los objetivos
de característica de error y disponibilidad. Los objetivos de enlaces digitales
se dividen en grados diferentes: alto, medio y de grado local. El grado medio
tiene cuatro clasificaciones de calidad. Los grados siguientes se utilizan
generalmente en las redes inalámbricas:

Clase 3 de grado medio para la red de acceso

Alto grado para la red troncal
La UIT-R recomienda los objetivos para la disponibilidad y rendimiento de un
sistema inalámbrico fijo como se define en la recomendación F.1703
(sustituye la recomendación UIT-R F.1493) y F.1668 (sustituye la
recomendación UIT-R F.1491):
Recomendación UIT-R F.1668-1 (2007) define los «Objetivos de
característica de error para los enlaces inalámbricos fijos digitales utilizados
en las conexiones ficticias de referencia y trayectos ficticios de referencia de
27 500 km.”
Recomendación UIT-R F.1703 (2005) define los «Objetivos de disponibilidad
para enlaces inalámbricos fijos digitales reales utilizados en las conexiones
ficticias de referencia y trayectos ficticios de referencia de 27500 km.”
Los objetivos de disponibilidad deben dividirse con el fin de tener en cuenta
los eventos de indisponibilidad debido a problemas de propagación, la falla
del equipo, la intervención humana, y otras causas. La división de los
objetivos de las diferentes causas de indisponibilidad se encuentra fuera del
ámbito de aplicación de las recomendaciones de la UIT y se a definición de
los diseñadores locales.
5.6. Consideraciones de diseño
A continuación, se describe algunas consideraciones a tener en cuenta en el
diseño de los enlaces
5.6.1. Consideraciones en antenas
El componente principal que está bajo la decisión de los planificadores de
radio en términos del diseño del enlace es la antena. Sus características
generales, incluidos la ganancia, rechazo a interferencias, diámetro y peso,
son los factores críticos en el éxito del diseño.
El propósito de una antena es convertir la energía eléctrica generada en el
transmisor de un sistema de radio en una señal electromagnética enfocada
en una dirección determinada. Las antenas se comportan de la misma
manera en las direcciones de transmisión y recepción, una característica
conocida como reciprocidad. Se sabe que cualquier flujo de corriente genera
un campo magnético, si este flujo varia con el tiempo, se generará un campo
magnético que también variará con el tiempo, éste a su vez generará un
campo eléctrico también variable, estos dos campos interactuarán uno con
otro, y si el conductor es lo suficientemente largo, en vez de que se genere
solo calor, el conductor “irradiará”.
Con un conductor cuya longitud es media longitud de onda de la señal, el
flujo de corriente podrá recorrer el conductor de inicio a fin en un ciclo de RF
y luego se podrá producir la máxima oscilación para esa frecuencia; esto es
lo que se llama resonancia.
A las frecuencias de microondas las longitudes de onda son relativamente
pequeñas, en cambio en frecuencias HF se podría requerir antenas del
tamaño de un campo de futbol. La antena más simple es la antena dipolo, la
cual es solamente un elemento conductor de tamaño de una media longitud
de onda e irradia la energía en todas las direcciones, a esto se le denomina
antena omnidireccional.
Esta es la antena más parecida a lo que se denomina antena isotrópica, la
cual es una antena hipotética que irradia la energía en todas las direcciones
en un patrón esférico, con lo que se entiende que la energía es irradiada de
la misma manera en todas las direcciones. A continuación, se describe de
manera resumida sus principales características.

Ganancia.- Una antena es un dispositivo pasivo, y por definición, no
puede amplificar la señal; aunque, esta pueda dar forma a la señal
para que sea más fuerte en una dirección que en otra.

Lóbulos laterales.- Las antenas de microondas son diseñadas para
ser directivas. La máxima radiación es por lo tanto en la dirección
de propagación. En la práctica, es imposible concentrar toda la
energía en una sola dirección. Parte de la energía se propaga a los
lados y detrás de la antena. El lóbulo principal es el que se encuentra
al centro y de frente de la antena. Los lóbulos secundarios son de
menor amplitud y se encuentran alrededor de la antena.

Relación Front to Back (F/B). – Se define como la relación de la
ganancia en la dirección deseada entre la ganancia en la dirección
opuesta detrás de la antena. Esto se expresa en decibeles. Es muy
importante en los sistemas microondas de redes troncales tener una
buena relación F/B para el re-uso de frecuencias. Relaciones
superiores a los 70 dB pueden ser requeridas.

Ancho del haz.- El ancho del haz es una indicación de cuan angosto
es el lóbulo principal. El ancho de haz a media potencia es el ancho
del lóbulo principal en la mitad de la intensidad de la potencia.

Polarización.- La polarización de la señal es determina por su
alimentador o feeder (Horn feed). Los radioenlaces deben transmitir
y recibir en la misma polarización. Si una señal es recibida en la
polarización opuesta, la mayor parte de la señal será atenuada
debido a la discriminación por cros-polarización (XPD). Se suele usar
antenas con doble polarización para incrementar la capacidad del
sistema, para lograr esto se hace uso de alimentadores con
polarización dual, esto solo es posible en antenas parabólicas
sólidas.

Patrón de radiación.- El patrón de radiación de una antena tiene un
aspecto tridimensional. Normalmente se necesita saber la forma y
amplitud en que varían los lóbulos. Se obtiene por graficar la señal
radiada alrededor de los 360 grados en ambos planos.

VSWR.- Una antena presenta una impedancia compleja hacia el
alimentador del sistema, el cual debe ser adaptado. En una situación
ideal toda la potencia enviada desde el módulo transmisor debería
ser transferida hacia el alimentador. Sin embargo, en la práctica,
existe una desadaptación de impedancias a la salida del módulo
transmisor, por lo tanto, parte de la energía será reflejada y
regresará a través de los conductores hacia el módulo transmisor.
Esta desadaptación es cuantificada en términos de la relación de
onda estacionaria o ROE (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio).
Este parámetro ayuda a identificar problemas de desadaptación, así
como interrupciones en el cable coaxial o guía de onda. Es
expresada por: VSWR= (Vi + Vr) / (Vi – Vr), donde Vi es el voltaje
incidente y Vr es el reflejado, si Vr = 0, entonces ROE será 1 que
será el valor óptimo, VSWR siempre es ≥1.
5.6.2. Plan de frecuencias
Una vez que los perfiles de enlace hayan sido analizados y los repetidores de
radio ubicados correctamente, se puede elaborar un plan detallado de cada
enlace de radio. Las bandas de frecuencias adecuadas se pueden elegir para
los enlaces y aplicaciones definidas por la autoridad reguladora, en nuestro
caso el Ministerio de transporte y Comunicaciones (MTC). Las bandas de
frecuencias para cada enlace son generalmente asignados de acuerdo con el
servicio que se presta y el ancho de banda requerido del sistema. El espectro
es muy escaso, y por lo tanto el MTC tendrá que asignarlo cuidadosamente.
Siempre se busca no asignar las frecuencias bajas para enlaces de corto
alcance para aprovechar al máximo sus características de radio propagación.
Una típica política longitud del enlace se muestra en la Tabla 5.1.
Tabla 5.1. Guía de longitud de enlace
Banda de Frecuencia
Máxima distancia permitida
7 GHz
>30Km
13/15/18 GHz
15Km a 30Km
23/26 GHz
5Km a 15Km
38 GHz
hasta 5Km
El espectro de RF es parte del espectro electromagnético que a su vez es
compartido, es decir, una vez usado no puede ser reutilizado para otras
aplicaciones, por lo tanto, se requiere una planificación cuidadosa y
coordinada de su uso. A nivel global, la ITU es responsable de estos detalles,
específicamente, el área correspondiente a la ITU.R (agencia de
radiocomunicaciones de la ITU). Cada país tiene un ente regulador, que es
responsable de dar las directivas y políticas de uso del espectro de RF,
además, se encarga de elaborar y modificar el plan de atribución de
frecuencias, de esta manera, se detalla que parte del espectro le corresponde
una aplicación determinada.
La ITU puede recomendar el uso del espectro de RF pero no determina su
aplicación en cada país, por lo tanto, el plan de la ITU puede ser incompatible
con el que adopta un determinado país, es por eso que en países fronterizos
se debe coordinar el uso del espectro para evitar incompatibilidades e
interferencias.