TELECOMUNICACIONES. Semana Medios de transmisión Inalámbricos Radiocomunicaciones. Ing. Miguel Angel Castillo Vizcarra

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1 TELECOMUNICACIONES Semana Medios de transmisión Inalámbricos Radiocomunicaciones Ing. Miguel Angel Castillo Vizcarra

2 2.10 Medios de transmisión Inalámbricos Los medios guiados es el propio medio el que determina el principalmente las limitaciones de la transmisión: velocidad de transmisión de los datos, ancho de banda que puede soportar y espaciado entre repetidores. Al utilizar medios no guiados resulta más determinante en la transmisión el espectro de frecuencia de la señal producida por la antena que el propio medio de transmisión. el medio solo proporciona un soporte para que las ondas se transmitan, pero no las guía. La comunicación de datos en medios no guiados utiliza principalmente: Señales de radio Señales de Microondas Señales de Infrarrojo Señales de Rayo Laser

3 La transmisión de datos a través de medios no guiados, añade problemas adicionales provocados por la reflexión que sufre la señal en los distintos obstáculos existentes en el medio. Resultando más importante el espectro de frecuencias de la señal transmitida que el propio medio de transmisión en si mismo. Según el rango de frecuencias de trabajo, las transmisiones no guiadas se pueden clasificar en tres tipos: radio, microondas y luz (infrarrojos/láser).

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7 Radiocomunicaciones IEEE tradicional (Redes de Área Local Inalámbricas) El IEEE puede considerarse para Ethernet inalámbrica. El estándar original IEEE lanzado en 1997 especifica CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Acceso Múltiple por Detección de Portadora/Limitación de Colisiones-) como método de acceso al medio

8 IEEE Aspectos técnicos El estándar para redes LAN inalámbricas incluye una serie de enmiendas. Las enmiendas contemplan principalmente las técnicas de modulación, gama de frecuencia y la calidad del servicio (QoS). Como todos los estándares 802 del IEEE, el IEEE cubre las primeras dos capas del modelo de OSI (Open Systems Interconnection), es decir la capa física (L1) y la capa de enlace (L2). Enmiendas a

9 FISICA DE LAS ONDAS DE RADIO Campos y ondas electromagnéticas

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11 Radiación de un dipolo La radiación de un dipolo es el campo electromagnético producto del sistema de electrones en movimiento oscilatorio en un conductor lineal, o sea un alambre recto. Es una de las formas más simples de una antena; la antena de dipolo.

12 Propagación de ondas electromagnéticas Un principio importante cuando se trata de entender la propagación de ondas electromagnéticas, y por ende de ondas de radio, es el principio de Huygens, el cual en su forma simplificada puede ser formulado como: En cualquier punto de un frente de onda, se puede considerar que se origina un nuevo frente de onda esférico. Las ondas electromagnéticas están sometidas a una serie de efectos: Absorción, Reflexión, Difracción, Refracción e Interferencia.

13 Las ondas electromagnéticas están sometidas a una serie de efectos: Absorción, Reflexión, Difracción, Refracción e Interferencia. Absorción Las ondas de radio, de cualquier clase, son atenuadas o debilitadas mediante la transferencia de energía al medio en el cual viajan cuando éste no es el vacío. Normalmente, un coeficiente de absorción (en db/m) se usa para describir el impacto del medio en la radiación, de manera cuantitativa.

14 Reflexión Todos conocemos la reflexión de las ondas visibles en espejos o superficies de agua. Para la radio frecuencia, la reflexión ocurre principalmente en el metal, pero también en superficies de agua y otros materiales con propiedades similares

15 Difracción La difracción es un fenómeno basado en el hecho de que las ondas no se propagan en una sola dirección. Ocurre cuando las ondas encuentran un obstáculo en su trayectoria y divergen en muchos haces. La difracción implica que las ondas pueden dar la vuelta en una esquina, como se ilustra Esa es la razón por la cual una estación de radio AM que opera a 1000 khz (con una longitud de onda de 300 m) se oye fácilmente aún cuando haya considerables obstáculos en su trayecto, mientras que con redes inalámbricas (con una longitud de onda de 12 cm) se requiere una línea de vista entre transmisor y receptor.

16 Refracción La refracción es la desviación aparente de las ondas cuando encuentran un medio con composición diferente. Cuando un frente de onda pasa de un medio a otro diferente, cambia de velocidad y en consecuencia, de dirección Las líneas azules representan el frente de onda entrante mientras que las rojas representan el frente de ondas desviadas por la refracción. C1 es un medio con una velocidad de propagación mayor a C2. El ángulo que forman ambos frentes de onda depende de la composición del material del obstáculo (C2).

17 Interferencia Las ondas con una misma frecuencia y una relación de fase (posición relativa de las ondas) constante pueden anularse entre sí, de manera de la suma de una onda con otra puede resultar en cero. En tecnología inalámbrica, la palabra interferencia se usa típicamente en un sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia.

18 Efectos dependientes de la frecuencia Estos efectos están presentes en mayor o menor grado dependiendo de la frecuencia de la onda. Las fórmulas para medir estos efectos son complejas por naturaleza (por ejemplo cuando se busca una absorción por resonancia). Sin embargo algunas reglas básicas resultan muy útiles para entender y planear la propagación de señales de radio: Con frecuencias más bajas, el alcance es mejor. Con frecuencias más bajas, la señal es más penetrante y rodea más obstáculos. Con frecuencias más altas, se trasmite una mayor cantidad de datos.

19 Cálculo de Radioenlace Tomemos en cuenta que del buen equipamiento de red inalámbrica que posea y del despeje de la línea de vista, necesita calcular el presupuesto de potencia de enlace Presupuesto de potencia del enlace Un presupuesto de potencia para un enlace punto a punto es el cálculo de ganancias y pérdidas desde el radio transmisor (fuente de la señal de radio), a través de cables, conectores y espacio libre hacia el receptor. Los elementos del presupuesto de enlace Los elementos pueden ser divididos en 3 partes principales: 1. El lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión. 2. Pérdidas en la propagación. 3. El lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva (effective receiving sensibility).

20 Un presupuesto de radio enlace completo es simplemente la suma de todos los aportes (en decibeles) en el camino de las tres partes principales. Potencia del transmisor [dbm] Pérdida en el cable TX [db] + ganancia de antena TX [dbi] Pérdidas en la trayectoria en el espacio libre [db] + ganancia de antena RX [dbi] Pérdidas en el cable del RX [db] = Margen Sensibilidad del receptor [dbm].

21 Elemento del presupuesto del radio enlace Potencia del transmisor [dbm] Pérdida en el cable TX [db] + ganancia de antena TX [dbi] Pérdidas en la trayectoria en el espacio libre [db] + ganancia de antena RX [dbi] Pérdidas en el cable del RX [db] = Margen Sensibilidad del receptor [dbm].

22 El lado de Transmisión Potencia de Transmisión (Tx) La potencia de transmisión es la potencia de salida del radio. El límite superior depende de las regulaciones vigentes en cada país, dependiendo de la frecuencia de operación y puede cambiar al variar el marco regulatorio

23 Pérdida en el cable Las pérdidas en la señal de radio se pueden producir en los cables que conectan el transmisor y el receptor a las antenas. Las pérdidas dependen del tipo de cable y la frecuencia de operación y normalmente se miden en db/m o db/pies. Independientemente de lo bueno que sea el cable, siempre tendrá pérdidas. Por eso, recuerde que el cable de la antena debe ser lo más corto posible. La pérdida típica en los cables está entre 0,1 db/m y 1 db/m Valores típicos de pérdida en los cables para 2,4GHz..

24 Pérdidas en los conectores Estime por lo menos 0,25 db de pérdida para cada conector en su cableado. Estos valores son para conectores bien hechos mientras que los conectores mal soldados DIY (Do It Yourself) pueden implicar pérdidas mayores. Vea la hoja de datos para las pérdidas en su rango de frecuencia y el tipo de conector que usará. Si se usan cables largos, la suma de las pérdidas en los conectores está incluida en una parte de la ecuación de Pérdidas en los cables. Pero para estar seguro, siempre considere un promedio de pérdidas de 0,3 a 0,5 db por conector como regla general. Además, Ios protectores contra descargas eléctricas que se usan entre las antenas y el radio deben ser presupuestados hasta con 1 db de pérdida, dependiendo del tipo. Revise los valores suministrados por el fabricante (los de buena calidad sólo introducen 0,2 db). Amplificadores Opcionalmente, se pueden usar amplificadores para compensar la pérdida en los cables o cuando no haya otra manera de cumplir con el presupuesto de potencia. En general, el uso de amplificadores debe ser la última opción. Una elección inteligente de las antenas y una alta sensibilidad del receptor son mejores que la fuerza bruta de amplificación.

25 Ganancia de antena Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación. La ganancia de una antena típica varía entre 2 dbi (antena integrada simple) y 8 dbi (omnidireccional estándar) hasta dbi (parabólica). Tenga en cuenta que hay muchos factores que disminuyen la ganancia real de una antena.

26 Pérdidas de propagación Las pérdidas de propagación están relacionadas con la atenuación que ocurre en la señal cuando esta sale de la antena de transmisión hasta que llega a la antena receptora. Pérdidas en el espacio libre free space loss-fls La mayor parte de la potencia de la señal de radio se perderá en el aire. Aún en el vacío, una onda de radio pierde energía (de acuerdo con los principios de Huygens) que se irradia en direcciones diferentes a la que puede capturar la antena receptora. Nótese que esto no tiene nada que ver con el aire, la niebla, la lluvia o cualquier otra cosa que puede adicionar pérdidas Si d se mide en metros, f en Hz y el enlace usa antenas isotrópicas, la fórmula es: FSL(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) 187.5

27 Zona de Fresnel Se define una zona que hay que tener en cuenta además de tener visibilidad directa entre antenas. Realmente definió una serie de zonas. La zona 1 contribuye positivamente a la propagación de la onda, la segunda negativamente, la tercera positivamente, la cuarta negativamente, y así sucesivamente. Además, la primera zona concentra el 50% de la potencia de la señal procurar que llegue lo más integra posible al receptor. por lo que debemos

28 Con (D en Km, r en metros, f en Ghz) nos sale que si un fabricante nos dice que la distancia máxima de su dispositivo que trabaja por ejemplo a 2.4Ghz es de: 300 metros, implica que las antenas tienen que estar como mínimo a metros de altura respecto al suelo. 1.6 kilómetros, implica que las antenas tienen que estar por lo menos a.. metros de altura respecto al suelo. 8 kilómetros, implica que las antenas tienen que estar por lo menos a metros de altura respecto al suelo. 16 kilómetros, implica que las antenas tienen que estar por lo menos a.. metros de altura respecto al suelo.

29 Lado receptor Los cálculos son casi idénticos que los del lado transmisor. a) Ganancia de antena desde el receptor (Igual TX) b) Amplificadores desde el receptor (Igual TX) c) Sensibilidad del receptor d) Margen y Relación SNR Sensibilidad del receptor La sensibilidad de un receptor es un parámetro que merece especial atención ya que identifica el valor mínimo de potencia que necesita para poder decodificar/extraer bits lógicos y alcanzar una cierta tasa de bits. Cuanto mas baja sea la sensibilidad, mejor será la recepción del radio. Un valor típico es -82 dbm en un enlace de 11 Mbps y -94 dbm para uno de 1 Mbps.

30 Margen y Relación SNR No es suficiente que la señal que llega al receptor sea mayor que la sensibilidad del mismo, sino que además se requiere que haya cierto margen para garantizar el funcionamiento adecuado. La relación entre el ruido y la señal se mide por la tasa de señal a ruido (SNR en ingles). Un requerimiento típico de la SNR es 16 db para una conexión de 11 Mbps y 4 db para la velocidad más baja de 1 Mbps Relación señal a ruido [db] = 10*Log(Potencia de la señal [W] /Potencia del ruido [W]) Margen del sistema Corresponde a la diferencia entre el valor de la señal recibida y la sensibilidad del receptor.

31 EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) = PIRE (Potencia Irradiada Isotrópica Efectiva) La Potencia Irradiada Isotrópica Efectiva está regulada por la autoridad nacional. La misma especifica la potencia máxima legalmente permitida para ser enviada al espacio abierto en un área/país específico. La PIRE es el resultado de restar pérdidas de potencia en el cable y conectores y sumar la ganancia relativa de antena a la potencia del transmisor. D.S Nº MTC

32 ANTENAS La antena es el dispositivo físico que sirve de interfaz entre las ondas electromagnéticas guiadas por el cable o la guía-onda y el espacio libre o el aire. La antena debe transferir la máxima cantidad de energía desde el cable o guía-onda procedente del transmisor hacia la dirección donde se encontrará la estación receptora correspondiente Características de las Antenas Entre las principales características de las antenas podemos encontrar: 1. Ganancia de la antena 2. Diagrama de radiación o patrón de radiación 3. Ancho del haz 4. Impedancia de entrada 5. Polarización 6. Otras características, entre las cuales se encuentra el cociente entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo trasero o Front to back ratio, la Pérdida de retorno y el Ancho de banda

33 Ganancia de antena Para comprender la ideas de ganancia de las antenas primero debemos entender un concepto básico: Antena Isotrópica: Es la que irradia (o recibe) desde todas las direcciones con la misma intensidad. Aunque es físicamente irrealizable, el concepto de antena isotrópica se utiliza como modelo de comparación con las antenas reales La ganancia de antena es una manera de medir cuán directiva es una antena, en comparación con una antena isotropita. Entre más grande sea la ganancia de una antena, esta es más directiva y el haz de radio es mas angosto. La ganancia de una antena es el producto de la directividad (determinada exclusivamente por factores geométricos) y la eficiencia de la antena, que depende del material de la que está construída y de las imperfecciones de manufactura. La eficiencia de la antena se suele expresar con la letra griega eta y varía normalmente entre 40 y 60%.

34 Diagrama de radiación El diagrama de radiación o patrón de radiación es una gráfica de la potencia de la señal trasmitida en función del ángulo espacial, en ellos podemos apreciar la ubicación de los lóbulos laterales y traseros, los puntos en los cuales no se irradia potencia (NULOS) y adicionalmente los puntos de media potencia.

35 Ancho del haz (beamwidth) El ancho del haz (beamwidth) es el ángulo subtendido por la radiación emitida entre los puntos en que la potencia disminuye a la mitad, (3 db) respecto a la radiación máxima Puntos de media potencia en un diagrama de radiación Usando el diagrama de radiación en la figura anterior, podemos determinar la cobertura espacial donde la antena ofrece buena cobertura. El ángulo entre los puntos de media potencia es conocido como ancho del haz

36 Impedancia de entrada Es el cociente entre el voltaje aplicado a los terminales de entrada y la corriente resultante. En general tiene una parte resistiva y una parte reactiva Para máxima transferencia de potencia la impedancia de la antena debe estar acoplada a la de la línea de transmisión que la alimenta. La calidad del acoplamiento se mide en términos de la relación de onda estacionaria, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Idealmente debería ser la unidad, cuando las impedancias son exactamente iguales. Cuando excede de 2 empieza a haber problemas, Si es mayor que 3 el transmisor sufre peligro y estamos desperdiciando mucha potencia.

37 Polarización de la antena La polarización de una antena corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena. Esta polarización puede ser: Vertical, Horizontal y Elíptica, Circular (Hacia la derecha o hacia la izquierda)

38 Otras características de las antenas Cociente entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo trasero El front to back ratio, o cociente entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo trasero. Generalmente es expresado en db. Es relevante cuando se utilizan repetidores para aumentar el alcance de un enlace, donde se quiere minimizar la potencia irradiada hacia atrás. Pérdida de retorno La pérdida de retorno es una forma de expresar la desadaptación de impedancias. Es una medida logarítmica expresada en db, que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia entregada por el transmisor.

39 Así mismo podemos definir a VSWR donde Pi es la potencia Incidente y Pr es la potencia reflejada El VSWR es definido como: Donde: Γ es llamado coeficiente de reflexión Vr es la amplitud de la onda reflejada Vi es la amplitud de la onda incidente A mayor VSWR, es peor la adaptación. El mínimo VSWR, el cual corresponde a una adaptación perfecta, es la unidad. En otras palabras, cuando no hay onda reflejada ( Γ =0) hay una adaptación perfecta y VSWR=1.

40 Ancho de banda El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en el cual la misma puede operar satisfaciendo ciertos criterio, por ejemplo la gama de frecuencias para la cual la antena va a tener una Razón de Onda Estacionaria (SWVR) menor que 2:1. El ancho de banda de una antena es definido como el rango de frecuencias a las cuales la antena tiene un buen desempeño, conforme a un estándar especificado. Donde: f H = frecuencia superior f L = frecuencia inferior f O = frecuencia central Ejemplo: Diseñar una antena dipolo de 0.5 λ, que trabaja con una frecuencia de 1.5 GHz con un BW= 100 Mhz.y Retun Loss (Perdidas) = 14.2 db. en f O

41 Tipos de antenas Una clasificación de las antenas puede basarse en: Frecuencia y tamaño. Directividad. Construcción física. Tipo de aplicación

42 Antena Microstrip Las antenas impresas o antenas de microstrip, se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre sustrato dieléctrico. La idea es que la estructura resuene y disipe energía en forma de radiación. Básicamente, la antena microstrip consiste en un parche radiador ubicado sobre un substrato dieléctrico y debajo de este dieléctrico se ubica un plano a tierra.

43 Las antenas microstrip se han vuelto populares en aplicaciones en dispositivos inalámbricos de pequeño tamaño, tales como teléfonos celulares, posicionadotes GPS, aplicaciones militares y comunicación satelital. Algunas de sus principales ventajas: - Son livianas y ocupan poco volumen - Tienen un perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies - Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie - Soporta tanto polarización lineal como polarización circular - Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MICs) - Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias -Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas Sus principales desventajas, comparadas con las antenas convencionales son las siguientes: - Son de pequeño ancho de banda - Baja eficiencia - Baja ganancia - Limitada potencia - Baja pureza de polarización - Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas.

44 FIN

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