Radioenlaces

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Cálculo de radioenlaces

El diseño de un radioenlace implica toda una serie de cálculos que pueden resultar sencillos o tremendamente complicados, dependiendo de las características del sistema y del tipo de problema al que nos enfrentemos.

Resulta claramente inviable realizar la planificación de una red WiMAX en entorno urbano sin la ayuda de un simulador software, que incorpore modelos de propagación precisos e información detallada sobre el entorno: edificios, vegetación, etc. Sin embargo, el diseño de un enlace punto a punto de corto alcance entre antenas que disponen de visión directa puede llevarse a cabo sobre el papel sin mayores problemas.

Para estos últimos casos, las calculadoras de radioenlaces resultan de gran utilidad, existiendo una oferta muy variada que se encuentra accesible vía web y que nos facilita el cálculo sistemático de parámetros y variables muy típicas: alcance, balance de potencias, margen frente a desvanecimientos, etc. En este artículo presentaremos algunas de estas herramientas.


Wireless Calculators

En esta página web, la empresa Terabeam Wireless ofrece toda una serie de herramientas para la estimación del margen frente a desvanecimientos de un radioenlace, el cálculo de las pérdidas de espacio libre, el despejamiento, el radio de la primera zona de Fresnel, o el apuntamiento de la antena de una estación base para conseguir una determinada zona de cobertura.

http://www.terabeam.com/support/calculations/index.php

Interactive Wireless Network Design Analysis Utilities

También se recomienda visitar esta página web con multitud de scripts CGI para el cálculo del balance de potencias, margen frente a desvanecimientos, pérdidas por obstrucción/difracción, zonas de cobertura, apuntamientos de antena, modelos de propagación (Hata/COST-231, Longley-Rice), parámetros de diseño de reflectores parabólicos, así como muchas otras calculadoras de RF y microondas.

http://www.qsl.net/n9zia/wireless/page09.html

RF ToolboxRF Toolbox

Aquellos que dispongan de un iPhone pueden optar también por esta aplicación que resulta de gran utilidad para las labores prácticas de diseño de un radioenlace, pues además de realizar los cálculos básicos de niveles de potencia y apuntamiento de antenas, también incorpora herramientas GPS para situar los extremos del radioenlace y realizar cálculos.

A diferencia de las anteriores, se trata de una aplicación de pago que puede instalarse por $7,99.

http://wirelesslanprofessionals.com/rf- ... phone-app/
AirLink

Se trata de una aplicación web de la empresa Ubiquiti Networks para el cálculo de radioenlaces punto a punto. Aunque está configurada para seleccionar únicamente los equipos de la propia compañía, lo que le resta flexibilidad, resulta útil por incorporar un plug-in con la cartografía de Google Earth, lo que permite identificar posibles obstáculos y tener en cuenta la orografía del terreno.

http://www.ubnt.com/airlink/



RF Terrain Profiles

Desde el Android Market puede descargarse una aplicación muy útil para la representación de perfiles de radioenlaces, análisis del despejamiento y orientación rápida de las antenas de los emplazamientos en acimut y elevación. Dispone de una base de datos de emplazamientos y también es posible importar o exportar ficheros KML de Google Earth.

La aplicación ha sido desarrollada en el grupo de investigación SiCoMo de la Universidad Politécnica de Cartagena y la comercializa la empresa Radiatio.

https://market.android.com/details?id=com.versi

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Pérdidas en obstáculos
Es evidente la necesidad de visión directa (Line Of Sight, LOS) en sistemas inalámbricos que operan a frecuencias altas, pues de lo contrario se producen pérdidas que pueden llegar a ser importantes. Para modelar las pérdidas que se producen por la obstrucción del enlace radioeléctrico (Non Line Of Sight, NLOS) se utiliza el concepto de las llamadas zonas de Fresnel.

Las zonas de Fresnel son unos elipsoides concéntricos que rodean al rayo directo de un enlace radioeléctrico y que quedan definidos a partir de las posiciones de las antenas transmisora y receptora. Tienen la propiedad de que una onda que partiendo de la antena transmisora, se reflejara sobre la superficie del elipsoide y después incidiera sobre la antena receptora, habría recorrido una distancia superior a la recorrida por el rayo directo en múltiplos de media longitud de onda. Es decir, la onda reflejada se recibiría con un retardo respecto al rayo directo equivalente a un desfase múltiplo de 180º. Precisamente este valor del múltiplo determina el n-ésimo elipsoide de Fresnel.

De este modo, la primera zona de Fresnel (n = 1) se caracteriza por el volumen interior al elipsoide con diferencia de distancias igual a una semilongitud de onda o diferencia de fases de 180º. Luego posibles reflexiones cerca del borde de la primera zona de Fresnel pueden causar atenuación, ya que la onda reflejada llegaría a la antena receptora en oposición de fase. Por lo tanto, durante la fase de planificación del radioenlace debe asegurarse que la primera zona de Fresnel se encuentre libre de obstáculos, bien aumentando la altura de los mástiles de las antenas o bien situándolos en otra posición del edificio. Evidentemente, una obstrucción completa de la zona de Fresnel produciría pérdidas todavía mayores.

Figura 1: Perfil de un radioenlace.

En la figura 1 se representa el perfil de un radioenlace en el cual se ha añadido el contorno de la primera zona de Fresnel para detectar posibles obstáculos. Durante la fase de planificación y de visita a los emplazamientos donde se tiene previsto instalar las antenas, resulta conveniente llevarse unos prismáticos para identificar si existe una cierta distancia libre de obstáculos alrededor del hipotético enlace que une las antenas transmisora y receptora. Esta distancia depende de la longitud del radioenlace y de la frecuencia utilizada, y suele igualarse al radio máximo de la primera zona de Fresnel (en mitad del radioenlace). El radio de la primera zona de Fresnel, R1, en un punto cualquiera de un radioenlace puede calcularse a partir de la siguiente expresión:

Radio de la primera zona de Fresnel

donde d1 y d2 son las distancias a las antenas transmisora y receptora, y λ es la longitud de onda de la señal. Por ejemplo, para una frecuencia de 26 GHz se obtiene un radio máximo de la primera zona de Fresnel de 3,4 metros para un radioenlace de 4 km. A mayor frecuencia, las zonas de Fresnel son cada vez más estrechas.

Figura 2: Pérdidas por difracción.


Para estimar las pérdidas introducidas por obstáculos cercanos al enlace radioeléctrico suelen emplearse gráficas como la mostrada en la figura 2, obtenida de la Recomendación UIT-R P.526. En este caso se representan las pérdidas introducidas por un obstáculo no reflexivo (“filo de cuchillo“). En las abscisas de la gráfica se indica el despejamiento del rayo directo respecto al obstáculo (figura 3) en términos del radio de la primera zona de Fresnel en dicho punto. Despejamientos negativos (h < 0) representan el caso en el que hay obstrucción del radioenlace. Como es lógico, en este caso puede verse en la figura 2 que las pérdidas aumentan rápidamente. Por otro lado, se observa que la atenuación desaparece cuando el despejamiento es igual al 60% del radio de la primera zona de Fresnel, criterio que suele utilizarse en la práctica para el diseño del radioenlace.


Figura 3: Cálculo del despejamiento en radioenlaces con y sin visión directa.

Procedimientos de cálculo alternativos pueden encontrarse en la Recomendación UIT-R P.530, donde se proporciona información para estimar las pérdidas por difracción empleando datos empíricos. En este caso, una fórmula que suele utilizarse para calcular la atenuación en obstáculos, A(dB), es la siguiente:

A(dB) = −20 h/R1 + 10.

Por último, conviene tener en cuenta que a la hora de estimar las pérdidas por difracción es necesario corregir la altura de los obstáculos empleando el parámetro de refracción troposférica, k, con el fin de considerar la curvatura terrestre, así como la curvatura del haz electromagnético en su propagación a través de la atmósfera.
Referencias

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Radioenlace de reserva para situaciones críticas

La compañía de alimentación Sturm Foods desarrolla su actividad en Manawa, Wisconsin, donde dispone de un campus con múltiples edificios que albergan al personal administrativo y técnico de la empresa, así como las instalaciones de producción. El departamento de IT se encarga de asegurar que la red de comunicaciones corporativa esté disponible las 24 horas del día durante los siete días de la semana (24/7), pues sirve de soporte para el funcionamiento de diversas aplicaciones críticas en los procesos de la compañía.



Recientemente, dicho departamento recibió el aviso de las autoridades de Manawa que informaban del proyecto de construcción de una nueva carretera que cruzaría a través de las instalaciones de la compañía. Dado que las obras de construcción se desarrollarían muy cerca de las canalizaciones de fibra óptica de la red corporativa, un posible corte de la fibra provocado por los trabajos de las excavadoras tendría una gran repercusión en los sistemas de producción, haciéndoles perder una gran cantidad de dinero.

Sturm FoodsEn concreto, el punto más crítico de la red es un enlace de datos de alta capacidad y baja latencia entre dos edificios de la compañía. Después de estudiar posibles alternativas, y en base a los requisitos de este enlace que debe conectar dos routers Gigabit Ethernet, se optó finalmente por la instalación de un radioenlace de reserva de alta capacidad a frecuencias milimétricas.

La empresa encargada de suministrar los equipos fue LightPointe, que en su catálogo cuenta con los equipos AireBeamTM 1250-24 Gigabit Ethernet para la instalación de radioenlaces punto a punto full-duplex de alta capacidad (1,25 Gbit/s) y alta disponibilidad en la banda de 70 GHz, donde disponen de licencia a nivel nacional. El coste de dicha licencia es de tan solo unos cientos de dólares por enlace y por un periodo de 10 años, por lo que se trata de una solución viable económicamente.

Los edificios a enlazar se encuentran a una distancia de algo menos de 2 km, por lo que los equipos de radio podrían funcionar correctamente de acuerdo con las especificaciones del fabricante, teniendo en cuenta que Wisconsin se encuentra situado en la zona climática K. Sin embargo, cuando la empresa Fiber in Air, encargada de la instalación, realizó un análisis de la zona para determinar las mejores ubicaciones de las antenas en ambos edificios, determinó que no era posible obtener visión directa (LoS).

Esquema de instalación del radioenlace con repetidor.

A frecuencias tan elevadas como 70 GHz, un radioenlace NLOS no puede funcionar. Por ello, se estudiaron posibles lugares en los que instalar un equipo repetidor. Afortunadamente, se observó que la torre de agua de Manawa situada en una colina era el punto ideal para instalar el repetidor. Tras obtener los correspondientes permisos para la instalación del equipo repetidor en lo alto de dicha torre, se apuntaron las antenas de los equipos de radio situados en los extremos del radioenlace con dicho repetidor.

Repetidores en lo alto de la torre de Manawa.

Dado que los dos vanos eran de una distancia inferior (600 m y 1 km aprox.), se pudo escoger antenas de inferior tamaño (30 cm) por lo que se instalaron finalmente equipos AireBeamTM 1250-12. Tras conectar los equipos a la fibra, los routers de cada extremo se configuraron para ejecutar el protocolo de enrutamiento redundante OPSF (Open Shortest Path First).

En menos de una semana desde el comienzo de la instalación de los equipos, el sistema estaba en funcionamiento con parámetros de prestaciones incluso mejores que para el enlace de fibra previo. Las pruebas demostraron una latencia inferior para el enlace inalámbrico, y en caso de fallo el sistema conmutaba de forma prácticamente instantánea, con pérdidas inferiores a un paquete.

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Protección frente a rayos y sobretensiones

Las corrientes conducidas provocadas por el impacto directo de rayos en instalaciones de telecomunicaciones, especialmente sobre antenas, estaciones base o torres de comunicaciones, pueden causar fallos catastróficos en los equipos de radiofrecuencia. A su vez, las corrientes inducidas por la caída de rayos en las proximidades también pueden resultar muy perjudiciales, al igual que sobretensiones transitorias debidas a conmutaciones de la compañía eléctrica, maquinaria de gran potencia o descargas electrostáticas.



Los equipos de telecomunicaciones son muy susceptibles a transitorios de tensión en sus cables coaxiales, ya que son elementos de constitución electrónica de gran sensibilidad compuestos en gran parte por componentes semiconductores. Por otro lado, las antenas son elementos muy expuestos a la recepción de sobretensiones de origen atmosférico, debido a que son elementos que se ubican en las partes más elevadas de edificios o sobre torres de comunicaciones.

Es evidente pues la importancia que tiene proteger los equipos de comunicaciones frente a este tipo de sobretensiones. Algunos fabricantes incluyen esta protección en sus equipos, pero en otros casos debemos instalar este tipo de protecciones personalmente.

Las sobretensiones pueden ser conducidas, por impacto directo de un rayo sobre la antena, o inducidas por la caída de rayos en las proximidades que se propagan sobre el terreno, llegando a crear campos de miles de amperios. Las mayores sobretensiones se producen por la descarga directa de rayos sobre el sistema de protección del edificio o instalación, así como los conductores de potencia secundarios. En tales casos, aunque la corriente transitoria que fluye a través de los protectores instalados es similar en magnitud a las sobretensiones inducidas, las corrientes por descarga directa de rayos transfieren considerablemente más carga y energía específica que las inducidas. Por ello los dispositivos protectores de sobretensiones se ven sometidos a un mayor estrés eléctrico y mecánico que puede provocar su fallo.

Instalación protegida frente a rayos y sobretensiones.

Las corrientes conducidas provocadas por rayos directos suelen representarse con una forma de onda conocida como 10/350 μs y que se detalla en las normas IEC 61643-1 e IEEE C62.41.2. Existe un consenso internacional en que esta forma de onda modela aceptablemente bien la corriente de pico conducida y la transferencia de carga y energía durante el impacto directo de un rayo. Por este motivo, los dispositivos protectores se testean con esta forma de onda. Por otro lado, las corrientes inducidas se representan con una forma de onda del tipo 8/20 μs, tal y como se indica en las anteriores normas. Por último, los picos de tensión producidos por conmutaciones de equipos eléctronicos o maquinaria interferente también deben ser tenidos en cuenta, pues si bien son menores en intensidad, su mayor frecuencia puede provocar daños a largo plazo sobre la circuitería de estado sólido.

Curvas de corrientes directas e inducidas.

Un protector de sobretensiones funciona como una válvula que bajo niveles de tensión normales se encuentra cerrada. Cuando detecta un nivel de voltaje peligroso, entonces se activa y reduce dicha tensión permitiendo el flujo de corriente a tierra, gracias a la menor resistencia. Los protectores de sobretensión pueden ser de tres tipos. Los de tipo 1 tienen capacidad para derivar a tierra corrientes altas en curva 10/350 μs, siendo necesarios para proteger descargas directas de rayos. Evidentemente, éstos se instalan por encima de los protectores de tipo 2 y 3, que tienen capacidad para derivar a tierra corrientes altas y medias, respectivamente, en curva 8/20 μs.

Existen diferentes tecnologías para la fabricación de protectores de sobretensiones, entre las que se encuentran: tiristores de estado sólido, tubos de gas, diodos de avalancha y varistores de óxido metálico. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un protector de sobretensiones típico utilizado en equipos de radiofrecuencia. Para el buen funcionamiento de estos protectores es imprescindible una correcta instalación de la toma de tierra, ya que deben derivar intensidades de corriente que pueden llegar a ser elevadas.

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Protector de sobretensiones hasta 6 GHz.

Comprobación de visión directa



Instalación de CPE

Como paso previo a la instalación de un radioenlace a frecuencias de microondas o de ondas milimétricas resulta imprescindible la comprobación de la existencia de visión directa (Line Of Sight, LOS) entre las antenas. Para ello, deben visitarse los emplazamientos donde se tiene previsto instalar las antenas y realizar una serie de comprobaciones y tareas que se detallan a continuación:

1. Determinación de las coordenadas exactas de los extremos del radioenlace (latitud, longitud y altura sobre el terreno) ayudándose de un receptor GPS.

2. Determinación de la orientación del enlace e indicación sobre un mapa de la zona. Esto ayudará a la localización de posibles obstáculos y elementos significativos sobre el mapa.



Mapa del radioenlace

3. En el caso de enlaces de corto y medio alcance se puede comprobar la existencia de visión directa con ayuda de unos prismáticos. La localización visual del otro extremo del radioenlace puede realizarse con ayuda de una brújula o valiéndose de alguna marca o elemento significativo del mapa. Se debe tener cuidado con los campos magnéticos generados por los motores de las salas de máquinas de los ascensores en la azotea y que pueden falsear la lectura de la brújula. Si no se consigue identificar visualmente el otro edificio donde se situará la antena puede servir de ayuda una segunda persona situada en dicho edificio y que emita algún tipo de destellos de luz, con un espejo por ejemplo, en el caso de un día soleado.

4. En el caso de falta de visión directa (Non Line Of Sight, NLOS) debido a algún tipo de obstáculo, resulta necesario determinar la altura del mástil para evitar la obstrucción. El procedimiento que suele realizarse es similar al anterior, solo que ahora puede utilizarse por ejemplo un globo de helio de color llamativo y sujeto por una cuerda. Una persona situada en el extremo opuesto va elevando el globo hasta que resulte visible a través de los prismáticos.

5. Una vez asegurada la visión directa, conviene comprobar que la primera zona de Fresnel se encuentra libre de obstáculos. En este caso conviene prever que el entorno resulta cambiante con el tiempo y con la época del año: construcción de nuevos edificios, árboles que crecen, nieve que se acumula en los tejados en invierno, tráfico aéreo, etc. Adicionalmente, se debe asegurar que no existe ningún obstáculo cerca de la posición de ambas antenas. En especial, superficies metálicas u otras antenas transmisoras dirigidas cerca de nuestra antena. Resulta interesante documentar todas las comprobaciones anteriores por medio de fotografías que puedan ayudar posteriormente de vuelta a la oficina.

Fotografía panorámica desde un extremo del radioenlace

Lamentablemente, en el caso de radioenlaces de más de unos 8 km resulta difícil realizar este tipo de comprobaciones visualmente, por lo que se debe acudir a otros métodos. La solución consiste en conseguir mapas con perfiles de la zona o utilizar aplicaciones informáticas con mapas digitales del terreno. En este caso, las coordenadas exactas de los extremos del enlace resultan de vital importancia.

En el caso de sistemas punto a multipunto, el procedimiento es todavía más complejo, pues la posición exacta de las antenas de los usuarios no suele estar todavía determinada, y la comprobación de visión directa debe ser mucho más general. Conviene colocar la antena de la estación base en un lugar con buena visibilidad y realizar una inspección visual de los alrededores en busca de posibles obstáculos o edificios altos que puedan enmascarar a potenciales usuarios. Algunas cuestiones a tener en cuenta en este caso serían:

- ¿Nos encontramos en una zona geográfica cóncava (valle) o convexa (colina)?

- Comprobar la visión directa de clientes con demandas de tráfico importantes: edificios empresariales y de oficinas.

- Comprobar si la mayor parte de las azoteas de los edificios de los alrededores son visibles desde el emplazamiento de la estación base.

- Identificar posibles obstáculos cercanos a la posición de la antena de la estación base donde pueden producirse reflexiones.

- Buscar otras estaciones base visibles y que puedan causar algún tipo de interferencias o ser interferidas por la nueva estación base.

Sistema punto a multipunto

Dada la naturaleza de estos sistemas, se debe comprobar la existencia de visión directa junto con la claridad de la primera zona de Fresnel (libre de obstáculos) para cada enlace individual. Sin embargo, esto no resulta posible hasta que no se conoce de forma exacta la posición de la antena de usuario, es decir, una vez que el cliente ha contratado el servicio. Por ello, tal y como se ha comentado, se realiza una estimación general durante la fase de instalación de la estación base y posteriormente se comprueba cada enlace individualmente una vez se dan de alta los clientes.

Para ahorrar tiempo y dinero, la comprobación se realiza únicamente desde el emplazamiento del cliente. Aquí se localiza la estación base visible más cercana y se apunta la antena de usuario hacia la misma. El apuntamiento de la antena de usuario es una labor crucial debido a la gran directividad (ancho de haz muy estrecho) de la misma. La antena se coloca normalmente sobre un soporte que permite su movilidad tanto en acimut como en elevación. La potencia recibida puede monitorizarse para detectar un máximo de señal que confirme su buen apuntamiento. En el caso de no existir visión directa u obstáculos puede emplearse un mástil de cierta altura sobre la azotea.

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Antenas para radiodifusión

Los sistemas de radiodifusión necesitan abarcar una amplia zona de cobertura, lo que se consigue empleando transmisores de alta potencia junto con unos sistemas radiantes adaptados a ello. En su gran mayoría, los elementos de radiación se componen de diversas antenas básicas que se agrupan en configuraciones en array para conformar un determinado diagrama de radiación, generalmente de tipo omnidireccional, y se colocan en torres de comunicaciones o mástiles elevados para conseguir buena visibilidad y grandes alcances.



A diferencia de los radioenlaces punto a punto, en donde normalmente se emplean reflectores parabólicos en ambos extremos, en este caso los elementos radiantes se construyen fundamentalmente a partir de antenas de tipo dipolo en diversas configuraciones. Es por ello por lo que resulta habitual expresar la ganancia del conjunto en términos de la ganancia de un dipolo en λ/2.

De este modo, la ganancia de las antenas o elementos radiantes utilizados en sistemas de radiodifusión se expresa en dBd de acuerdo con la siguiente expresión:

G(dBd) = G(dBi) − 2,15 dB,

donde dBi hace referencia a la ganancia real (respecto a la isotrópica), dBd hace referencia a la ganancia respecto al dipolo y 2,15 dB es la ganancia de un dipolo en λ/2.

Antena colineal para TV UHF

A continuación presentaremos algunos ejemplos de antenas típicas utilizadas en sistemas de radiodifusión, como pueden ser las emisiones de TDT (televisión digital terrestre) o de radio FM, comentando algunas de sus características fundamentales.

Antenas colineales

Se caracterizan por un diagrama de radiación omnidireccional (360º), por lo que constituyen una opción muy adecuada para sistemas de radiodifusión. Son fáciles de montar, tienen bajo coste y ocupan poco espacio, aunque como desventaja poseen baja ganancia (en torno a 3-8 dBd en UHF para longitudes de 1 a 4 metros). Su ancho de banda no es muy grande, pero suelen cubrir fácilmente cuatro canales de TV UHF consecutivos. Las potencias de entrada están limitadas a unos 250 W.
Dipolos en V

Dipolos en V con reflector

Poseen polarización circular y son utilizados normalmente para radiodifusión FM (88-108 MHz). Su ancho de banda, no obstante, está limitado a unos 5 MHz. Pueden emplearse con potencias elevadas, por encima de 5 kW. Para configurar el diagrama deseado se suelen colocar en configuraciones en array, donde además pueden instalarse reflectores para mejorar la ganancia en una determinada dirección. Dado que operan a frecuencias bajas, los reflectores pueden construirse mediante rejillas que además reducen la carga del viento.
Paneles

Se trata de una antena utilizada habitualmente para la radiodifusión de señales de TV, tanto VHF como UHF, colocándose en configuraciones en array. Se caracterizan por tener ganancias superiores a los 10 dBd y su polarización puede ser horizontal o vertical. Admiten potencias elevadas de unos 2,5 kW. Su construcción se basa en un plano metálico sobre el que se disponen diversos dipolos que conforman finalmente el diagrama de radiación deseado. Todo ello se oculta en el interior de un radomo de protección, fabricado en fibra de vidrio, y que es lo que se observa desde el exterior. Su diagrama de radiación no es omnidireccional, aunque colocando varios de ellos en torno a un mástil se puede obtener un diagrama de radiación relativamente omnidireccional (por ejemplo, agrupando cuatro paneles de 90º de ancho de haz).

Array de paneles para TV UHF
Dipolos de alta potencia

Dipolo de alta potencia para radio digital (DAB)

Ya se ha comentado que el dipolo es una antena elemental utilizada en sistemas de radiodifusión, en gran parte gracias a su diagrama de radiación omnidireccional. Normalmente, agrupando varios de éstos en configuraciones en array conseguimos el diagrama de radiación deseado, a la vez que reducimos la potencia de alimentación de cada uno de los dipolos individuales. Para aquellos casos en donde se necesiten potencias más elevadas, la solución pasa por aumentar la sección cruzada o superficie de los elementos conductores, pudiendo alimentarse con potencias de hasta 5 kW. Como antena elemental, su ganancia es de tan solo 0 dBd, pero puede aumentarse teóricamente a 3 o 6 dBd apilando 2 o 4 dipolos, respectivamente, en una configuración en array. Esta antena constituye una opción aconsejable para emisiones de radio digital DAB (Digital Audio Broadcasting). De hecho, empleando elementos sintonizados pueden obtenerse anchos de banda de 50 MHz.



Array de dipolos de alta potencia

Antenas Yagi
Aunque utilizadas habitualmente como antenas receptoras, las antenas Yagi son también una opción muy válida para radiodifusión. En tal caso, se escogen con diagramas de radiación de gran ancho de haz y se colocan en configuraciones en array para configurar la zona de cobertura. Sus ganancias son más elevadas, pudiendo llegar a los 15 dBd o superiores, especialmente si se utilizan reflectores. Su ganancia depende fundamentalmente del número de elementos (dipolos). Se emplean habitualmente con polarización vertical u horizontal, aunque también existe la posibilidad de emplear configuraciones de Yagis cruzadas con el fin de conseguir polarización circular, en este último caso con aplicación en emisiones de radio FM.
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Antena Yagi con reflectorYagis cruzadas con polarización circular

[Jason2000]

Mejora de un sistema de control del tráfico

Situado al noroeste de Detroit, el condado de Oakland es el segundo más poblado del estado de Michigan y creciendo. Con una mezcla de zonas rurales y suburbanas, la RCOC (Road Commission for Oakland County) ha sufrido serias dificultades para manejar este aumento de la población, dadas las limitaciones presupuestarias para la construcción de nuevas carreteras o la mejora de las existentes. Como consecuencia de ello, la congestión del tráfico se ha convertido en un problema habitual.



Para combatir este aumento de la congestión del tráfico, la RCOC instaló sistemas para el control adaptativo de los semáforos en los principales cruces e intersecciones. Estos sistemas utilizan cámaras que monitorizan el flujo de vehículos y que envían dicha información hasta unos controladores situados junto a la calzada. Inicialmente, estos controladores transmitían los datos por línea telefónica hasta un ordenador central, encargado de ajustar la frecuencia de los semáforos de acuerdo con la intensidad del tráfico. A pesar de que el sistema funcionaba correctamente, los costes de mantenimiento eran muy elevados. En concreto, el alquiler de la conexión de cable para cada intersección representaba $1000 anuales, lo que había que multiplicar por los 650 puntos de cruce instalados.

Por ello, la RCOC decidió estudiar otras alternativas tecnológicas y se optó finalmente por realizar una prueba piloto basada en la conectividad inalámbrica de los controladores situados en los semáforos de cada intersección empleando la solución wi4 de Motorola. El programa piloto se extendió a más de 15 cruces de semáforo, cubriendo una extensión de carretera cercana a los 10 km. La solución wi4 de Motorola se compone de enlaces fijos ”backhaul” a 10 y 20 Mbit/s, así como conexiones punto a multipunto de alta velocidad en las modalidades LOS (Line of Sight) y NLOS (non Line of Sight).

Los controladores de estos sistemas de gestión del tráfico no suelen necesitar un gran ancho de banda, pero sí que se requieren latencias bajas (inferiores a 100 ms). Si el retardo entre el controlador de tráfico y el ordenador central es demasiado elevado, el sistema interpreta que se ha perdido la señal y reinicializa los semáforos a su estado por defecto. La tecnología wi4 proporciona latencias extremo a extremo en torno a 30 ms, por lo que cumple bien con las especificaciones.

Además de disponer de unas buenas prestaciones, el hecho de usar tecnología inalámbrica ha permitido la flexibilidad de poder instalar puntos de control del tráfico en zonas donde anteriormente no había sido posible, debido a dificultades geográficas o por el excesivo coste que suponía emplear otras tecnologías. A su vez, la disponibilidad de productos punto a punto y punto a multipunto en una variedad de bandas de frecuencia, proporciona el suficiente nivel de confianza para poder cubrir cualquier área de servicio.


Videocámara y conexiones inalámbricas

En resumen, el uso de tecnologías inalámbricas para el control del tráfico permite reducir considerablemente los costes de mantenimiento con respecto a otras tecnologías, además de proporcionar una buena calidad de servicio y una mayor flexibilidad en el despliegue. En la actualidad, las carreteras de Oakland son más seguras y eficientes, con una tasa de accidentes inferior a la mitad de la media del estado según la TIA (Traffic Improvement Association) y con un adecuado control en tiempo real del flujo de vehículos que a su vez ayuda a reducir las emisiones de CO2.

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Radioenlaces a 60 GHz



La banda de frecuencias milimétricas de 60 GHz posee unas características únicas que la hacen muy apropiada para su uso en radioenlaces punto a punto de alta capacidad. En este artículo comentaremos algunas de estas ventajas.


Equipo AireBeam Z60 (LightPointe)



A frecuencias tan elevadas los anchos de banda disponibles son mucho mayores, permitiendo la instalación de radioenlaces con capacidades de múltiples Gbit/s. A modo de ejemplo, la FCC (Federal Communications Commission) ha reservado 7 GHz del espectro (57-64 GHz) para sistemas inalámbricos exentos de licencia, lo cual puede compararse con los apenas 0,5 GHz que se tienen asignados en la banda de 2-6 GHz para aplicaciones WiFi o similares.

En el caso de España, en la nota UN-147 del CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias) se detalla la utilización de la banda de 60 GHz para sistemas de datos de banda ancha, tanto en exteriores como en interiores. Concretamente, aplicaciones de banda ancha y corto alcance para transmisión de datos a muy alta velocidad, conocidas como MGWS (Multiple Gigabit Wireless Systems), tanto en sus modalidades de servicio fijo punto a punto como extensión e infraestructura de redes de área local (FLANE), redes de área local (WLAN) con movilidad y redes personales locales (WPAN) en aplicaciones de interior, que podrán operar en la banda de frecuencias de 57-66 GHz coexistiendo con otras aplicaciones en parte de estas frecuencias. Algunas de estas aplicaciones tienen la consideración de uso común, y se limita su potencia máxima PIRE dependiendo del servicio (55 dBm para FLANE en exteriores y 40 dBm para WLAN/WPAN en interiores).

Las antenas empleadas en los radioenlaces en la banda de 60 GHz poseen anchos de haz muy estrechos, lo que permite colocar varias de ellas sobre un mismo mástil o tejado incluso aunque estén trabajando a la misma frecuencia. Esto facilita la instalación de múltiples sistemas en una misma localización, aislando los efectos de las interferencias con pequeñas separaciones entre antenas y empleando polarizaciones cruzadas. En cualquier caso, el apuntamiento de las antenas no resulta complicado, al tratarse de distancias cortas.

Comparativa entre anchos de haz de las antenas

Por otro lado, a 60 GHz la molécula de oxígeno tiene un pico de absorción que provoca pérdidas de propagación elevadas (en torno a 15 dB/km), a lo que se añaden los efectos de la lluvia. Esto limita considerablemente el alcance de este tipo de radioenlaces, por lo que se benefician de inmunidad frente a interferencias y mayor seguridad de las comunicaciones.

Atenuación específica por gases atmosféricos

A estas frecuencias, y considerando una disponibilidad por lluvia del 99,99%, se pueden alcanzar distancias de unos 2 km con una tasa de bit de 1,25 Gbit/s. Si se desean alcances mayores, todavía es posible a costa de reducir la tasa de bit. Por ello, algunos fabricantes ofrecen equipos con tasa de bit adaptativa en combinación con técnicas de correcciones de errores FEC (Forward Error Correction), que actúan en condiciones de fuerte lluvia.

Por último, simplemente añadir que como alternativa también se dispone de las bandas de 70 y 80 GHz para la instalación de radioenlaces de alta capacidad, que se aprovechan de características similares para conseguir elevadas tasas de transmisión de datos gracias a su inmunidad frente a las interferencias y a una reducida congestión del espectro.

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Diagrama de radiación de una antena de estación base



Estación base WiMAXPara que los distintos usuarios de un sistema celular de banda ancha punto a multipunto reciban un nivel de señal comparable independientemente de su distancia a la estación base, es necesario conformar un cierto diagrama de radiación en el plano vertical. La forma que debe adquirir este diagrama es del tipo cosecante al cuadrado (csc2), tal y como se explicará en este artículo.



Considérese la geometría del enlace representada en la figura 1, donde se ha tomado una celda de 3 km de radio y dos usuarios situados en el borde de la celda y a una distancia de 100 m de la estación base. De acuerdo con las distancias indicadas, se obtienen unos ángulos de elevación para las antenas de los usuarios 1 y 2 de 16,7º y 0,6º respectivamente.


Figura 1: Perfil vertical de una celda de sistema punto a multipunto.


La potencia de señal recibida por cada uno de estos usuarios es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia recorrida por las ondas radioeléctricas, la cual a su vez puede obtenerse que es inversamente proporcional al seno del ángulo de elevación. Por lo tanto, la potencia recibida es directamente proporcional al cuadrado del seno (sen2) del ángulo de elevación. Es decir, para que ambos usuarios reciban la misma potencia es necesario colocar una antena en la estación base con un diagrama de radiación en el plano vertical del tipo csc2 (inverso del sen2). Así, normalizando la ganancia de la antena con respecto al usuario 2, el usuario 1 requiere una ganancia relativa de aproximadamente –29 dB. En la figura 2 se representa la ganancia normalizada en función del ángulo de elevación (curva azul).


Figura 2: Diseño de ganancia normalizada con y sin compensación de lluvia.


Ahora bien, todos estos cálculos previos tienen en cuenta tan solo las pérdidas de propagación en espacio libre, sin considerar ningún fenómeno adicional. En el caso de sistemas operando a frecuencias milimétricas, la lluvia es un importante factor de degradación. Bajo condiciones de fuerte lluvia (15 mm/h por ejemplo), la atenuación puede llegar a ser mayor de 3 dB/km para frecuencias cercanas a los 28 GHz. Así, la señal del usuario 2 sufre unas pérdidas adicionales de 9 dB, mientras que en el caso del usuario 1 tan sólo de 0,3 dB. Esta atenuación por lluvia limita el alcance y las prestaciones del sistema, especialmente para los usuarios que se encuentran más alejados.

Por lo tanto, para compensar los efectos provocados por condiciones atmosféricas adversas se tiene que, o bien sustituir los transceptores por equipos de mayor potencia y mejor sensibilidad, o bien modificar el diagrama de radiación de la antena para tener en cuenta la atenuación por lluvia. En el primer caso los costes son considerables, mientras que en el segundo caso resultan marginales.

El cambio necesario en el diagrama de radiación de la estación base para considerar los efectos de la atenuación por lluvia se muestra en la figura 2 (curva roja). Como puede observarse, la ganancia debe aumentar considerablemente para los usuarios más alejados (ángulos de elevación menores), mientras que debe mantenerse prácticamente igual para los usuarios más cercanos (ángulos de elevación mayores). Esto significa que la antena debe tener un diagrama de radiación con una caida inicial más abrupta que el diagrama convencional del tipo csc2.

En el ejemplo de la figura 2 se ha supuesto un margen de atenuación por lluvia de 10 dB. Las antenas comerciales suelen diseñarse para que su diagrama de radiación se encuentre entre las dos curvas de la figura 2.

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[Jason2000]

Cálculo de la atenuación por lluvia en un radioenlace


Durante la propagación, en los radioenlaces troposféricos y por satélite se producen atenuaciones de la señal debidas a la absorción y dispersión causadas por hidrometeoros como la lluvia, la nieve, el granizo o la niebla. Estos efectos son importantes en el caso de sistemas que operan a frecuencias milimétricas. En el presente artículo nos centraremos en estudiar con detalle el procedimiento de cálculo de la atenuación causada por la lluvia en un radioenlace y su influencia a la hora de realizar el diseño del sistema.

Atenuación específica debida a la lluvia

Aunque la atenuación causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 5 GHz, ésta debe incluirse en los cálculos de diseño a frecuencias superiores donde su importancia aumenta rápidamente. La atenuación específica debida a la lluvia puede calcularse a partir de la Recomendación UIT-R 838. La atenuación específica γ(dB/km) se obtiene a partir de la intensidad de lluvia R(mm/h) mediante la ley exponencial:

γ = kRα,

donde k y α son unas constantes que dependen de la frecuencia y de la polarización de la onda electromagnética.

Algunos valores de k y α para distintas frecuencias y polarizaciones lineales (horizontal y vertical) se muestran en la tabla I. En la Rec. UIT-R 838 se proporcionan un mayor número de valores. Para obtener valores a frecuencias intermedias se recomienda aplicar interpolación, utilizando una escala logarítmica para la frecuencia y para k, y una escala lineal para α. De la tabla se deduce que la atenuación es ligeramente superior para polarización horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la caída.
Tabla I: Coeficientes de regresión para estimar el valor de la atenuación específica.


En la figura 1 se representan curvas de atenuación específica por lluvia en función de la frecuencia y para distintos valores de precipitación. Como puede observarse, la atenuación específica crece rápidamente para frecuencias por encima de 10 GHz. Para una tasa de precipitación de R = 50 mm/h se obtienen valores de atenuación específica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a frecuencias milimétricas.

Figura 1: Atenuación específica para distintas intensidades de lluvia.


Conviene indicar por último que en todos los cálculos anteriores se considera propagación en trayectos horizontales y polarizaciones lineales. Si se tiene una inclinación de la polarización con respecto a la horizontal o un determinado ángulo de elevación en el trayecto, entonces los valores de k y α de la tabla deben modificarse por medio de unas fórmulas de corrección incluidas en la misma Recomendación.
Comportamiento estadístico de la lluvia

Para la predicción de la atenuación producida por la lluvia se necesita información sobre las estadísticas de la intensidad de precipitación. En la Rec. UIT-R PN.837 se proporcionan valores de R excedidos durante determinados porcentajes de tiempo y para distintas zonas hidrometeorológicas mundiales. Estos valores se resumen en la tabla II para las llamadas zonas H y K. Estas zonas son las que afectan en el caso de España, tal y como se puede observar en el mapa de zonas hidrometeorológicas de la figura 2. Así por ejemplo, Madrid se encuentra en la zona H, mientras que Valencia se encuentra en la zona K.


Figura 2: Mapa de zonas hidrometeorológicas.

Tabla II: Intensidad de lluvia excedida para las zonas hidrometeorológicas H y K.
Porcentaje de tiempo (%)


Como se mostrará posteriormente, los datos de la tabla II se utilizan para calcular la indisponibilidad por lluvia de un sistema de radiocomunicaciones. Por ejemplo, de la tabla II se deduce que para la zona K llueve más de 42 mm/h durante menos del 0,01% del tiempo. Por lo tanto, si queremos que nuestro sistema presente una disponibilidad del 99,99%, será necesario realizar el diseño del mismo teniendo en cuenta una intensidad de lluvia R = 42 mm/h a la hora de calcular las atenuaciones.
Cálculo de la atenuación por lluvia

La Rec. UIT-R P.530 establece el procedimiento para calcular la atenuación producida por la lluvia a largo plazo. Esta atenuación A(dB) se calcula como

A = γLeff,

donde γ(dB/km) es la atenuación específica para la frecuencia, polarización y tasa de precipitación (superada el 0,01% del tiempo) de interés, y Leff es la longitud efectiva del trayecto. Esta longitud efectiva del trayecto de lluvia se calcula a partir de la longitud del trayecto real por medio de unas fórmulas indicadas en dicha Recomendación. En la figura 3 se representa dicha longitud efectiva en función de la longitud real para las dos zonas de interés H y K.

Figura 3: Longitud efectiva de un trayecto lluvioso.


Luego la fórmula anterior proporcionará la atenuación por lluvia superada el 0,01%, es decir, para un diseño de disponibilidad del sistema del 99,99%. Si se desea calcular la atenuación excedida durante otro porcentaje de tiempo comprendido en la gama de 0,001% a 1%, entonces puede utilizarse la siguiente ley exponencial:

A(p%) = 0,12 A(0,01%) p −0,546 − 0,043 log10 p.

Finalmente, conviene indicar que el procedimiento de predicción indicado anteriormente se considera válido en todo el mundo, al menos para frecuencias de hasta 40 GHz y distancias de hasta 60 km.
Cálculo de cobertura de un sistema real

Los cálculos de la atenuación por lluvia en un radioenlace se utilizan para realizar el diseño de cobertura o alcance del sistema de radiocomunicaciones dado un cierto valor de disponibilidad o calidad de servicio. Por ejemplo, supongamos un radioenlace funcionando a una frecuencia de 40 GHz con polarización vertical. De la tabla I se obtienen unos coeficientes k = 0,310 y α = 0,929. Las pérdidas de propagación del sistema serán, en una primera aproximación, las pérdidas en espacio libre, las pérdidas por absorción atmosférica y las pérdidas por lluvia. Estas pérdidas totales se representan en la figura 4 en función de la distancia de propagación y para distintos valores de disponibilidad obtenidos a partir de los datos de la tabla II (supondremos que nos encontramos en la zona K).

Figura 4: Atenuación de propagación del sistema para distintas disponibilidades o calidades de servicio.


Suponiendo una potencia transmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12 dB, una ganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del receptor de −75 dBm, se tiene un valor máximo para las pérdidas de propagación de 140 dB. Luego fijando este requisito se puede deducir de la figura 4 el alcance o cobertura de nuestro sistema. En este caso, para una disponibilidad del 99,99% por ejemplo, se obtiene un alcance de 1,4 km. Este es un valor típico de cobertura para sistemas MVDS.
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