F U N DA M E N T O S D E L A T E C N O L O G Í A I N A L Á M B R I CA: FAC T O R E S QU E A F E C TA N L A T R A N S M I S I Ó N

F U N DA M E N T O S D E L A

T E C N O L O G Í A I N A L Á M B R I C A :

FAC T O R E S Q U E A F E C TA N L A

T R A N S M I S I Ó N

PROFESORA MARIA ELENA VILLAPOL

Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ciencias

Escuela de Computación

Redes Móviles e Inalámbricas

FACTOR E S Q UE AF ECTAN L A TR A NSMI SI ÓN L OS

Los factores más importantes que afectan la transmisión LOS son los siguientes:

 Atenuación y distorsión de atenuación  Pérdida en el espacio libre (Free space loss)  Ruido

 Absorción atmosférica  Multi trayecto (Multipath)  Refracción

 Ruido Termal  Desvanecimiento

ATENUACIÓN

La fuerza de la señal decrece con la distancia. La atenuación introduce los siguientes factores a tomar en cuenta para la ingeniería de los medios de transmisión:

 La señal recibida debe tener la suficiente fuerza para ser interpretada correctamente por el receptor.

 La señal debe mantener un nivel más alto que el ruido para ser recibido sin error.  Si la atenuación es más alta a altas frecuencias causa distorsión.

PÉRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE

Para algunos tipos de comunicación inalámbrica la señal se dispersa con la distancia. Si se asume que no hay ninguna otra fuente que afecte la señal, la misma se atenúa con la distancia ya que se dispersa en un área grande. La misma es expresada en la siguiente fórmula para antenas ideales:

2 2 2 2

₍

₄

₎

)

4

(

c

fd

d

P

P

_



_





Eq. 1

Pt = potencia de la señal de la antena transmisora Pr = potencia de la señal de la antena receptora  = longitud de la onda portadora

d = distancia de propagación entre las antenas c = velocidad de la luz (3 * 108 m/s)

d y  tienen las mismas unidades

Lo anterior puede ser expresado en dB como se muestra a continuación:

dB

d

d

P

P

L

20

log

20

log

21

,

98

)

4

(

log

20

log

10

_





























Para otras antenas se debe tener en cuenta la ganancia de la antena, quedando la ecuación expresada de la siguiente manera:

t r t r t r r t

A

A

f

cd

A

A

d

G

G

d

P

P

₍

₎

₍

₎

)

4

(













Gt = ganancia de la antena que transmite Gr = ganancia de la antena que recibe At = área efectiva de la antena que transmite Ar = área efectiva de la antena que recibe

Lo anterior puede ser expresado en dB como se muestra a continuación:

dB A A d f P P L _{r t} r t

dB10log10 20log10 20log10 10log10( )169,54 Eq. 4

En la práctica se usan las Ecuaciones 5 y 6. En este caso se puede observar una relación que resulta útil cuando se están haciendo cálculos de presupuesto de un enlace. Un aumento de 6 dB

en la ganancia de una antena resulta en un aumento del EIRP necesario para doblar el rango o distancia de la antena. Una reducción de 6 dB resulta en una reducción del EIRP equivalente a la mitad del rango.

La Tabla 1 muestra la relación de la pérdida en el espacio libre para ciertas distancias entre el transmisor y el receptor a 2.4 GHz.

Distancia (metros)

Pérdida (en dB)

100

80,23

200

86,25

500

94,21

1 000

100,23

2 000

106,25

5 000

114,21

Tabla 1: Relación entre pérdida en el espacio libre y distancia entre transmisor y receptor

RUIDO

Los siguientes tipos de ruido pueden afectar la transmisión de las señales:

 Ruido termal: Debido a la agitación de los electrones. Está presente en todos los dispositivos y medios de transmisión. No puede ser eliminado. El ruido termal presente en un ancho de banda B Hz es:



N



kTB

 k = constante de Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/K  T = temperatura, en grados kelvins (temperatura absoluta)  En decibelios

 N10logk10logT10logB228,6dBW 10logT10logb

 Ruido de inter modulación: ocurre cuando diferentes frecuencias comparten el mismo medio. La interferencia es causada por la señal resultante que tiene una frecuencia igual a la suma o diferencia de la frecuencia original.

 Crosstalk: acoplamiento del camino de las señales no deseable.

 Ruido impulsivo: pulsos irregulares de corta duración y relativa alta amplitud. Causado por disturbios electromagnéticos o equipos con fallas.

ABSORCIÓN

Ocurre cuando una señal choca con un objeto y es absorbida en el material del mismo, de forma tal que no pasa a través de él (ver Ilustración 1). La absorción puede ser producida por el vapor de agua.

Ilustración 1: Ejemplo de absorción

REFRACCIÓN

Es la inclinación de las ondas de radio cuando pasan a través de un medio de diferente densidad. La velocidad de las ondas electromagnéticas es una función de la densidad del medio. Cuando las ondas pasan a través de esta medio serán reflejadas alejándose del camino deseado de la señal y otras se inclinarán en el medio en otra dirección (ver Ilustración 2).

Señal RF

Señal reflejada

Señal refractada Ilustración 2: Ejemplo de refracción de una señal

Podemos observar que la refracción puede convertirse en un gran problema en los enlaces a grandes distancias, debido a los cambios en las condiciones atmosféricas, que a su vez pueden ocasionar cambios, no deseados, en la dirección de la señal.

Señal RF absorbida Señal RF incidente

DIFRACCIÓN

Ocurre cuando la señal de radio entre el transmisor y el receptor es obstruida por una superficie que tiene irregularidades puntiagudas o una superficie desigual (ver Ilustración 3). Aunque a veces el término de difracción es confundido con el de refracción, hay que tener en cuenta que refracción describe la inclinación de la señal a través del medio. Mientras que difracción se refiere a la inclinación de la onda alrededor de un obstáculo Por ejemplo, considere una máquina generando humo de cigarrillo. El humo seguirá una dirección recta hasta que tropieza un obstáculo. Si se introduce un bloque de madera en el humo ocasionará que el humo riza alrededor de las esquinas del bloque, produciendo una degradación en la velocidad del humo en ese punto y un cambio de su dirección.

Antena

Dirección original del frente de la onda

Dirección original del frente de la onda

Vista aérea de la propagacion RF

Nueva dirección del frente de la onda

Nueva dirección del frente de la onda Edificación

Sombra RF

Ilustración 3: Ejemplo de difracción

REFLEXIÓN

Ocurre cuando la señal encuentra una superficie que es larga comparada con la longitud de onda de la señal (ver Ilustración 4). La reflexión ocurre de la superficie de la tierra, edificios, paredes, entre otros.

Señal RF

Señal reflejada

Ilustración 4: Ejemplo de reflexión

SCATTERING

Ocurre cuando la señal tropieza un cuerpo cuyo tamaño es menor que la longitud de onda de la señal y el volumen de obstáculos por unidad de volumen es larga (ver Ilustración 5). Algunos ejemplos de objetos que pueden causar scattering son postes de luz, señales de tránsito.

Señal RF Scattering

Ilustración 5: Ejemplo de Scattering

Producto del scatterring la señal principal se puede destruir cuando, por ejemplo, choca con una superficie quebrada y es reflejada en muchas direcciones. Esto puede ocurrir cuando una onda RF es reflejada al chocar con rocas, arena. Por otro lado la señal puede ser reflejada en una pequeña escala producto del choque de la onda RF con partículas tales como, partículas de polvo pesadas. La Ilustración 6 ilustra el efecto de la difracción, scattering y reflexión.

Ilustración 6: Ejemplo de difracción, reflexión y scattering poste R S D R poste R S D R

DESVANECIMIENTO (FADING)

Es usado para describir las fluctuaciones rápidas en las amplitudes, fases o retardos de una señal de radio en un período corto de tiempo o distancia de viaje. El desvanecimiento es causado por la interferencia entre dos o más versiones de la señal transmitida que llega al receptor en tiempos ligeramente diferentes. La señal recibida denominada onda multi-trayecto puede entonces variar significativamente en sus características.

Muchos factores pueden causar el desvanecimiento, entre ellos:

 Propagación de multi-trayecto  Velocidad del usuario móvil

 Velocidad de los objetos alrededor del radio del canal.  Multi-trayecto

Los obstáculos reflejan las señales causando que múltiples copias con diferentes retardos sean recibidas. Dependiendo de las diferencias en las longitudes de las ondas directas y reflejadas, la señal compuesta puede ser más larga o más pequeña que la señal directa. Por ejemplo, en la Ilustración 7 se puede ver que la señal recibida por el usuario móvil puede consistir de un número de ondas con aleatorias características de onda que pueden combinarse vectorialmente en la antena del receptor causando distorsión o pérdida.

Las fuentes de propagación multi-trayecto son: Reflexión, Difracción y Scattering. Y sus se describen a continuación.

 Decaimiento de la amplitud de la señal.  Corrupción de la data.

 Anulación de la señal.

Ilustración 7: Ejemplo de Propagación de Multi-Trayecto

 Decaimiento de la Amplitud de la señal: es producto de las múltiples ondas reflejadas que están desfasadas con respecto a la señal principal, y cuyas amplitudes se suman a su señal principal cuando éstas llegan al mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 8).

Ilustración 8: Ejemplo de decaimiento de la amplitud de la señal Tiempo Tiempo Señales recibidas Resultados combinados Tiempo Tiempo Señales recibidas Resultados combinados

 Corrupción: es causado por el mismo fenómeno que el decaimiento de la amplitud de la señal pero en mayor magnitud. En tal sentido, cuando se suman las amplitudes de las señales desfasadas con la señal principal, la amplitud de la misma puede ser enormemente reducida en vez de un poco reducida como en el caso anterior. La consecuencia es que con la receptividad del receptor éste no puede descifrar la información transportada en la señal. Adicionalmente, la señal a ruido es usualmente baja, impidiendo que el receptor distinga entre el ruido y la información transportada por la señal (ver Ilustración 9). La corrupción requiere que la data sea enviada nuevamente.

Ilustración 9: Ejemplo de corrupción

 Nulling: cuando múltiples copias de una onda reflejada llegan fuera de fase al receptor y se suman con la señal principal de forma tal que la amplitud de la señal principal es cancelada (ver Ilustración 10). Cuando ocurre la cancelación (nulling) los componentes tales como le transmisor, receptor o los objetos reflexivos deben moverse ya que la retransmisión de la señal no resuelve el problema.

Ilustración 10: Ejemplo de cancelación (nulling)

 Aumento de la Amplitud de la señal: es producto de las múltiples ondas reflejadas que están en fase con respecto a la señal principal y cuyas amplitudes se suman a su señal principal cuando éstas llegan al mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 11). Sin embargo, hay que notar que bajo ninguna condición la señal resultante que llega al receptor es más fuerte que la señal transmitida en el lado del transmisor. Lo que sí puede suceder es que, producto de la suma de estas señales reflejadas en fase con la señal principal, la señal resultante sea más fuerte que aquella generada de no haberse producido multi-trayecto.

Ilustración 11: Ejemplo del aumento de la amplitud de la señal

MECANISMOS PARA COMPENSAR LOS EFECTOS DE LOS FACTORES QUE AFECTAN UNA SEÑAL

A continuación se describen algunos mecanismos para compensar los efectos producidos por los factores que afectan las señales descritas anteriormente:

 Corrección de Errores hacia delante: Describe técnicas donde el receptor, mediante información contenida en la transmisión recibida, puede corregir errores a nivel de bit en los datos recibidos. Lo cual difiere de las técnicas de corrección de errores hacia atrás, donde el receptor solicita la retransmisión de los datos al emisor si encuentra errores en los mismos, lo que sería poco práctico y efectivo en comunicaciones inalámbricas.

 Ecualización: Es utilizada para contrarrestar la interferencia inter-símbolo. La ecualización implica algún método para reunir la energía dispersada de cada símbolo, llevándola a su intervalo de tiempo original. La ecualización es un tópico muy amplio, e involucra complejos algoritmos de procesamiento de señales.

 Diversidad: Consiste en proporcionar múltiples canales lógicos entre el transmisor y el receptor y enviar la señal sobre cada canal. Algunos tipos de diversidad se explican a continuación:

 Diversidad Espacial o Diversidad de Antenas: Por ejemplo, consiste en colocar múltiples antenas para recibir mensajes. Luego, reconstruir la señal que con mayor probabilidad se transmitió.

 Diversidad en Frecuencia: Dispersar la señal sobre un ancho de banda grande o transportar la señal usando múltiples portadoras de frecuencia.

 Diversidad Temporal: Dispersar la data en el tiempo para que el ruido afecte unos pocos bits como se muestra en la Ilustración 12.

Ilustración 12: Ejemplo de diversidad temporal

 Macro Diversidad: Uso de varios enlaces entre el móvil y estaciones fijas (por ejemplo, el uso del Soft Handover).

DIVERSIDAD DE ANTENAS

Desde que ésta es una técnica común para combatir el efecto de los factores que perjudican la transmisión de una señal RF, nos extenderemos un poco más en su explicación.

La diversidad de antenas consiste en colocar múltiples antenas, entradas y receptores para compensar las condiciones que causan el multi-trayecto (ver Ilustración 13).

A continuación se enumeran los tipos de diversidad:

 Diversidad de antena (no activa): es raramente usada y consiste en usar múltiples antenas en una simple entrada.

 Diversidad por Conmutación: consiste en colocar múltiples antenas en múltiples receptores, quienes se conmutarán basado en la fuerza de la señal recibida.

 Diversidad por Conmutación de Antena: se usan múltiples antenas en múltiples entradas pero un solo receptor. La señal es recibida a través de una antena a la vez.  Diversidad de fase: ajusta la fase de la antena a la fase de la señal para mantener la

calidad de la señal.

 Diversidad de transmisión: consiste en transmitir desde la última antena usada para recepción, porque la señal recibida tuvo la mejor calidad, comparado con las otras señales. Si el radio debe retransmitir una señal, alternará las antenas hasta que se realice una transmisión exitosa. Adicionalmente, una unidad puede transmitir o recibir pero no ambas.

Ilustración 13: Ejemplo de diversidad de antenas

ALCANCE DE UN SISTEMA DE RADIOCOMUNICACIÓN

En esta sección se presentarán varios ejemplos para calcular el alcance de un sistema de radiocomunicación con base en los conceptos y fórmulas ya vistas. Note que cuando se calcula el alcance de un sistema de este tipo hay que tomar en cuenta todos los elementos que están entre el equipo transmisor/receptor y la antena. Así, en la Ilustración 14 se tiene:

Ilustración 14: Sistema de radiocomunicación

• Gs: ganancia de salida.

• Pca: pérdida del cable del extremo transmisor.

• Pna: pérdida de los conectores del extremo transmisor. • Gaa: ganancia de la antena del extremo transmisor.

• Pp: pérdida en el espacio libre.

• Gab: ganancia de la antena del extremo receptor. • Pab: pérdida de los conectores del extremo receptor. • Pcb: pérdida del cable del extremo receptor.

Siendo la señal que llega al receptor:

S = Ga – Pna + Gaa – Pp + Gab – Pnb –Pcb.

Por ejemplo:

Potencia de transmisión + 25 dBm

Pérdida en los cables - 1 dB

Pérdida en el Diplexer de TX - 2 dB

Pérdida en el Cable de TX - 2.5 dB

Ganancia de la antena TX + 21 dBi

Pérdida en el espacio libre (FSL) - 124.5 dB

Ganancia de la antena RX + 21 dBi

Pérdida en el Cable RX de - 2.5 dB

Pérdida en el Diplexer de RX - 2 dB

Pérdida en Cable - 1 dB

Nivel de Señal Recibida = - 68.5 dBm

SENSIBILIDAD DEL RECEPTOR

Dependiendo de las características del equipo receptor, el nivel de señal puede o no ser suficiente. Esto es conocido como sensibilidad del receptor. En la Ilustración 15 se puede observar que el receptor tiene una sensibilidad de -82 dBm. Adicionalmente, existe un margen de desvanecimiento por encima del cual puede estar este valor de la sensibilidad. De allí que la señal recibida debe estar por encima de la sensibilidad del receptor más el margen de desvanecimiento (-82+10), es decir, -72 dBm.

Ilustración 15: Ejemplo de sensibilidad del receptor

En la Ilustración 16 se ha calculado el nivel de la señal recibida, -71,8 dBm. Como la misma es mayor que la sensibilidad del receptor más el margen de desvanecimiento calculado anteriormente (ver Ilustración 15), entonces la señal puede ser recibida. En caso contrario habría que cambiar la antena por una con mayor ganancia o tener cables con menos pérdidas.

BIBLIOG RA FIA

[1] Marco Zennaro, Carlo Fonda. Laboratory Handbook of the ICTP “School On Digital Radio Communications for Research and Training in Developing Countries”. Volume 1. Cables and Antennas. February 2004.

[2] Planet 3. Certified Wireless Network Administrator – CWNA. Mc Graw Hillza Osborne. Second Edition. 2003.

[3] Stallings W. Wireless Communications and Networks. Prentice Hall. 2005.

[4] Felix G. Propuesta para realizar el diseño de una WLAN IEEE 802.11 en el edificio de aulas de la Facultad de Ciencias de la UCV, Seminario, Escuela de Computación, Facultad de Ciencias, UCV, Tutora: Profesora Maria E Villapol, Marzo 2010.