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MICROONDAS

FASE 3. EVALUAR FACTIBILIDAD DE SOLUCIÓN PARA UN SISTEMA DE COMUNICACIONES POR MICROONDAS

PRESENTADO POR CRISTIAN DAVID FAJARDO RODIÑO CÓDIGO: 1028029032

TUTOR: MARIO ANDRES RAMOS

GRUPO: 208018A_614

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA 2019

Actividades a desarrollar 1. Desarrollar los siguientes puntos: a. Describa con sus palabras el tipo de condiciones del entorno que afecta los radioenlaces: curvatura de la tierra, zonas de fresnel, pérdidas de espacio libre, pérdidas por absorción, pérdidas en conectores y todos aquellos que considere pertinentes; incluya su descripción matemática. Curvatura de la tierra: Cuando se diseña un radioenlace de larga distancia, es necesario tener en cuenta la orografía del terreno con el fin de identificar posibles obstáculos (montañas, cumbres, colinas, …). Para ello se representa un perfil del radioenlace, en donde se puede apreciar fácilmente aquellos elementos que se encuentran más cercanos al haz radioeléctrico (primera zona de Fresnel) o que incluso pueden llegar a obstruirlo, provocando zonas de sombra con pérdidas de señal significativas. La representación del perfil del radioenlace se realiza a partir de las curvas de nivel de los mapas topográficos de la zona, aunque resulta de gran ayuda disponer de cartografías digitales del terreno. Sin embargo, tal y como explicaremos a continuación, resulta necesario corregir las alturas como paso previo a los cálculos de despejamiento y de pérdidas por difracción. Cuando hablamos de obstáculos pensamos en objetos, pero hay otra cosa más grande que también puede producir problemas: la tierra. Si la distancia entre antenas es muy grande, la curvatura terrestre puede interferir en la señal de varias maneras: Aumentando la altura de los obstáculos intermedios. Curvando el haz electromagnético como consecuencia de la refracción troposférica. Convirtiéndose ella misma en un obstáculo.

Zona fresnel: La idea, que fue bautizada en honor a Fresnel, consiste en determinar qué zona del espacio entre emisor y receptor debe estar libre para evitar en la medida de lo posible este fenómeno de cancelación por fase. Podemos imaginar las zonas de Fresnel como varias elipses en 3D. Todas tienen la misma distancia entre antenas (d en la imagen), pero cada una dispone de un radio al centro (r en la imagen) cada vez mayor:



La zona 1 es la que más afecta a la intensidad de la señal.



La zona 2 afecta menos que la 1.



La zona 3 afecta menos que la 2.



Y así sucesivamente…

Existe un número infinito de zonas (n) pero habitualmente se realizan los cálculos hasta la 3ª zona, porque a partir de ella, el efecto de cancelación se hace despreciable.

Perdidas de espacio libre: La pérdida de energía entre dos antenas isotropicas al atravezar una atmosfera homogena se llama pérdida de 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 en espacio libre 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 electromagnética. De acuerdo a la recomendación ITU P.525, cuando se trata de un enlace punto a punto, es preferible calcular la perdida de espacio libre considerando dos antenas isótropas, denominada también pérdida básica de transmisión en el espacio libre (ITU, 2016), esto se calcula de la siguiente manera:

dónde:

perdidas espacio libre

Lbf : pérdida básica de transmisión en el espacio libre (dB) d : distancia λ : longitud de onda c : velocidad de la luz d y λ se expresan en las mismas unidades. Es muy importante notar que el modelo de pérdida por espacio libre es válido solo para antenas cuyas distancias están en el campo lejano de transmisión. La pérdida por espacio libre siempre está presente y depende de la distancia y frecuencia. Pérdidas por absorción: Los vapores de agua y de oxígeno no condensados poseen líneas de absorción en la banda de frecuencias de microondas y de ondas milimétricas, causando atenuación en trayectos radioeléctricos terrenales y oblicuos. En concreto, existen frecuencias donde se produce una gran atenuación, separadas por ventanas de transmisión donde la atenuación es mucho menor. En el caso del vapor de agua, se producen fuertes líneas de absorción para longitudes de onda de 1,35 cm, 1,67 mm e inferiores. En el caso del oxígeno, las longitudes de onda de los picos de absorción son 0,5 y 0,25 cm.

La atenuación debida al efecto conjunto de los vapores de agua y oxígeno es aditiva. En aquellas bandas donde los valores de atenuación exceden los 10 dB/km el alcance de las comunicaciones se encuentra enormemente limitado. Pero escogiendo adecuadamente las frecuencias de trabajo es posible obtener niveles de atenuación mucho menores: por ejemplo, a 30 GHz la atenuación es inferior a 0,1 dB/km. Para frecuencias por encima de 300 GHz, en cambio, la atenuación mínima es todavía elevada (6 dB/km o más) e impone una gran restricción en el caso de enlaces terrestres con visión directa. Para calcular la atenuación causada por los gases y vapores atmosféricos se debe acudir a la Recomendación UIT-R P.676. En este documento se indica que la atenuación de la señal radioeléctrica, A(dB), puede calcularse como:

donde γo y γw son las atenuaciones específicas en dB/km para el oxígeno y el vapor de agua, obtenidas de una gráfica como la mostrada en la figura 1, y r es la longitud del trayecto radioeléctrico en km.

Para frecuencias por debajo de 10 GHz, la atenuación suele ser despreciable. Sin embargo, a frecuencias milimétricas empieza a ser importante, y en especial para una frecuencia de 60 GHz, donde la molécula de oxígeno presenta un pico de absorción (atenuación específica de unos 15 dB/km). Sin embargo, la banda de 60 GHz todavía encuentra aplicaciones especializadas, gracias a que las longitudes de onda cortas posibilitan el uso de antenas de alta ganancia muy compactas que compensan en parte las pérdidas introducidas, se dispone de un mayor ancho de banda para la transmisión de datos y se reduce el alcance de las interferencias, permitiendo incluso la instalación de sistemas privados de corto alcance en entornos

Perdida por conectores: El estado y las características de los conectores afectan en gran medida el rendimiento de un enlace instalado. Una alta pérdida de conector (p. ej., pérdida de inserción), una baja pérdida de retorno o una alta reflectancia podría causar que una aplicación no funcione en una red. Una pérdida de retorno alta es algo positivo y usualmente resulta en una pérdida de inserción baja. Analicemos las diferencias entre estos tres términos porque pueden ser confusos.

b. Describa los criterios de calidad que se deben tener en cuenta en la planeación de un radioenlace: Margen de desvanecimiento, umbral de receptor y sensibilidad; incluya su descripción matemática. Margen de desvanecimiento: En cualquier tipo de comunicación a larga distancia ya sea aquí mismo en nuestro planeta tierra o de la tierra a satélites en el espacio, se necesitan de la propagación de señales electromagnéticas. Los humanos nos hemos encargado desde hace mucho tiempo de propagar ondas electromagnéticas por la atmosfera terrestre y como todos sabemos todo ese conjunto tan grande de señales van a sufrir de pérdidas. Estas pérdidas se deben a distintos fenómenos que tienen efectos tanto a corto como a largo plazo. Esta variación de pérdida de señal se le llama desvanecimiento, a su vez esta pérdida se debe a un sin número de fenómenos naturales como la lluvia, la nieve, el granizo, etc.

Si definimos la señal puesta sobre los bordes de receptor y la sensibilidad del mismo. Entonces podemos definir el margen de desvanecimiento como la diferencia entre ambos valores. Todo esto se cumple en caso ideal, donde no hay obstrucciones, donde la atmosfera se mantiene en los valores ideales previstos, donde no hay lluvia o granizo, polvo, arena donde no hay tormentas eléctricas ni otros factores climáticos que perturben al enlace. Pero realmente esto no se da y además existen otro tipo de estaciones que nos producen interferencia, tanto en nuestro canal, como en los canales adyacentes y que tienden a enmascarar nuestra señal. Es por esto que una señal nunca llega igual a como la enviamos por todos estos factores que nombramos, de todo esto es necesario establecer un Margen de Desvanecimiento que permita hacer frente a estos factores Matemáticamente se define como:

Umbral de receptor y sensibilidad: En el diseño de un radioenlace, la sensibilidad del equipo receptor es un parámetro de gran importancia, pues determina fundamentalmente el alcance del sistema. Este valor de sensibilidad, o nivel mínimo de señal que se necesita para un correcto funcionamiento, puede definirse en términos de potencia (dBm) y tensión (dBμV) en el puerto de RF, o bien campo eléctrico (dBμV/m) incidente en la antena. En las hojas de especificaciones de los equipos TX/RX de radiocomunicaciones se indica normalmente la potencia máxima que pueden transmitir, así como el nivel mínimo de señal (sensibilidad) que necesitan recibir para obtener un cierto umbral de calidad. Dado que hoy en día los radioenlaces son digitales, la calidad se define en términos de la tasa de error o BER (Bit Error Rate). De este modo, el fabricante suele proporcionar una tabla con diferentes valores de sensibilidad para distintos valores de BER (normalmente 10−3, 10−6 o 10−9, con capacidad de FEC), esquemas de modulación y anchos de banda, similar a la que se muestra en la figura 1.

El valor de sensibilidad del equipo receptor depende de diversos parámetros, pero sobre todo del nivel de ruido a la entrada del demodulador, tanto ruido térmico generado en el propio equipo como ruido externo captado por la antena. Lógicamente, cualquier interferencia externa que incida en la antena influirá igualmente en la calidad del sistema y en el valor de sensibilidad. Basándose en conceptos teóricos de modulaciones digitales, para obtener un determinado umbral de calidad (tasa de error), el demodulador necesita a su entrada un cierto nivel de energía de bit sobre densidad espectral de ruido, Eb/N0 (figura 2).

Obsérvese que la gráfica de la figura 2 está expresada en términos de la probabilidad de error de símbolo, que puede transformarse fácilmente en tasa de error de bit (BER) utilizando la siguiente aproximación: BER = Peb = Pes / log2 M, donde Pes es la probabilidad de error de símbolo, Peb es la probabilidad de error de bit y M es el número de símbolos de la modulación (M = 4 para QPSK y M = 16 para 16QAM). Si ahora nos fijamos en que a partir de Eb/N0 podemos calcular la relación portadora a ruido, C/N, como C/N = Eb/N0 · vb/B, donde vb es la tasa de bit y B es el ancho de banda de canal. Pues finalmente, el nivel de potencia mínimo (sensibilidad) que se necesita a la entrada del demodulador para obtener un cierto umbral de calidad, podrá obtenerse a partir del valor de C/N si conocemos el nivel de ruido en dicho punto.

Por último, como se ha dicho anteriormente cualquier tipo de interferencia externa también afectará al nivel de sensibilidad de nuestro receptor. En la figura 3 se muestra cómo varía la tasa de error conforme aumentamos el nivel de interferencia en sistemas celulares punto a multipunto y para el caso de una modulación 16QAM. Así, por ejemplo, una reducción en el nivel de relación portadora a interferencia, C/I, de 23 a 17 dB, implica que se necesita aumentar 7 dB el nivel de señal recibida para mantener una BER de 10−6. Figura 3: Influencia del nivel de interferencia en la calidad de una modulación 16QAM.

2. De acuerdo con los conceptos definidos en la actividad anterior, realice el cálculo de todos los elementos necesarios en la planificación del radioenlace (presupuesto de potencia) de la propuesta escogida por el grupo en la fase 1, defina si el radioenlace es viable de acuerdo a los criterios de calidad definidos en 1b. En los radios enlace el presupuesto de potencia es muy importante ya que sin importar que se cuente con los mejores equipos de red inalámbrica o que se consiga una vista libre, al tener los cálculos de potencias malos o defectuosos originan sobre cargas en los radioenlaces, y esto hará que cause problemas en otros usuarios que estén usando el espectro. Un presupuesto de potencia para un enlace punto a punto es el cálculo de ganancias y pérdidas desde el radio transmisor a través de cables, conectores y espacio libre hacia el receptor, cabe destacar que con la estimación del valor de potencia en diferentes partes del radio enlace es completamente necesario para tener un enlace correcto y de alta precisión, así como usar los mejor dispositivos para realizar el mismo

Elementos del presupuesto del enlace: Estos elementos pueden ser divididos en 3 partes principales que son:   

El lado de transmisión con potencia efectiva de transmisión Perdidas en la Propagación El lado de recepción con efectiva sensibilidad receptiva

En pocas palabras un presupuesto es completo cuando se hace la suma de todos los aportes en decibeles en el camino de las tres partes principales.

Planificación de radioenlaces El proceso genérico de planificación de una red de transporte contempla una o varias etapas básicas destinadas a establecer un Plan Nominal de Red. Un Plan Nominal de Red establece la localización de emplazamientos, la altura y configuración de los sistemas radiantes, así como la configuración de equipos que intervienen en la red, contemplando su calidad y disponibilidad, total e individual, además de las limitaciones por interferencias entre los miembros de la propia red o las causadas por otros. Todos los parámetros utilizados por defecto en Xirio son suficientes para llegar a esta etapa de la planificación. Las etapas básicas para obtener un plan nominal de red son las que se indican a continuación.

Análisis de necesidades - configuración El planificador debe tener claro, de forma preliminar al proceso de planificación, qué emplazamientos desea comunicar, cuánta información debe transportar, y con qué grado de calidad y disponibilidad.

Así mismo, se deberá recopilar información necesaria como: •Cartografía básica sobre la que se va a trabajar. Si la red de transporte discurre por zona rural bastará con usar un MDT con una resolución de 25 a 100 metros, mientras que, si la red discurre por zonas urbanas, es necesario disponer de un MDE con una resolución mucho más alta.

•Método de cálculo a emplear. Tanto en el estudio de Enlace como en el estudio de Red de Transporte, en Xirio, es el recogido en la Rec. UIT-R P.530.

•Datos técnicos de equipos y antenas.

•Listado de emplazamientos ya conocidos, que ya dispongan de infraestructura, o que la puedan albergar. Elección de emplazamientos - visibilidad Lo primero que habrá que hacer será determinar cuáles son los emplazamientos que se van a usar para nuestra red de trasporte, comprobando que existe visibilidad entre los extremos de cada vano, con un despejamiento suficiente. Dicha comprobación se puede realizar conjuntamente para todos los vanos de la red, utilizando el Cálculo de matriz de intervisibilidad en el estudio de Red de Transporte, o individualmente, vano a vano, calculando su Enlace sin marcar la opción de Calcular informe vano digital, o a través de la utilidad de cálculo de perfil orográfico. Parametrización de estaciones En esta fase se caracterizan los parámetros generales de la instalación a realizar en cada extremo de cada vano, esto es: altura de antenas, orientación y tamaño de las mismas, necesidad de diversidad de espacio o frecuencia y caracterización de la misma, banda de frecuencias, etc. Es importante indicar que, en Xirio, no existe el concepto de "Estación Radioeléctrica". Por el contrario, existe el concepto de emplazamiento, como ubicación geográfica de la infraestructura, y el concepto de transmisor, como elemento vinculado a una antena y capaz de emitir ondas electromagnéticas. Obviamente, en un mismo emplazamiento puede haber varios transmisores/receptores, pero cada extremo de un vano se configurará de forma independiente, aunque coincida en ubicación con otros. Planificación de redes Si nuestra labor se limita a conectar dos emplazamientos entre los que existe visibilidad, nuestro trabajo puede haber concluido con la realización de las tareas anteriores. Sin embargo, si para nuestro propósito de transporte es necesario involucrar varios vanos, nuestro trabajo no habrá finalizado hasta que no comprobemos que las frecuencias asignadas a cada vano y en cada sentido, no provocan interferencias entre los miembros de la propia red o a terceros. Dentro del estudio Red de Transporte, cuando se realiza el Cálculo de estudio de red, si se desea calcular interferencias se deberá habilitar la opción de "Considerar interferencias en cálculos". Este cálculo nos proporciona, por un lado, las posibles incompatibilidades entre vanos, debidas a interferencias, las cuales se encuentran en el Informe resumen; y por otro lado, un Informe de interferencias detallado para cada enlace en estudio. En este último informe, para cada trayecto, directo e inverso, se detallan todos los niveles de potencia interferente presentes en cada extremo del vano, por cada extremo interferente e interferido.

Unidad A – Unidad B 19,3 KM 2432 2422 2442

Unidad B – Unidad C 30,2 KM 2455 2442 2462

+ Ganancia de Antena RX [dBi]

Valor 20 dDm 1 24 dbi 116 24 dbi

Valor 25 dBm 1 24 dbi 133.8 24 dbi

- Pérdidas en el Cable RX [dB]

1

1

- Sensibilidad del receptor [dBm]

95

95

44.4

32.2

Datos del Radioenlace Distancia (Km) Frecuencia central Frecuencia mínima Frecuencia máxima Presupuesto del enlace Elemento + Potencia del Transmisor [dBm] - Pérdidas en el Cable TX [dB] + Ganancia de Antena TX [dBi] - FSL [dB]

= Margen Enlace A a B:

𝑃(𝑑𝐵) = 20𝑙𝑜𝑔 19,3 𝐾𝑚+20𝑙𝑜𝑔102.43𝐺𝐻𝑧+92.4 .6 𝑃(𝑑𝐵)=116,6 + 20 potencia del transmisor (dBm) - 1 perdida en el cable TX (dB) + 24 ganancia de la antena TX (dBi) - 116.6 perdidas en la trayectoria en el espacio libre (dB) + 24 ganancia de la antena RX (dBi) - 1 perdida en el cable RX (dB) -50.6 señal - 95 sensibilidad del receptor (dBm) = 44.4 margen de operación Enlace B a C: 𝑃(𝑑𝐵)=20𝑙𝑜𝑔30,2𝐾𝑚+20𝑙𝑜𝑔102.45𝐺𝐻𝑧+92.4 𝑃=133.8 + 25 potencia del transmisor (dBm) - 1 perdida en el cable TX (dB) + 24 ganancia de la antena TX (dBi) - 133.8 perdidas en la trayectoria en el espacio libre (dB) + 24 ganancia de la antena RX (dBi) - 1 perdida en el cable RX (dB) - 62.8 señal - 95 sensibilidad del receptor (dBm) = 32.2 margen de operación Dada esta margen también podemos asegurar que el enlace será funcional

Referencia bibliográfica

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