Suministro, Montaje y mantenimiento de redes inalámbricas punto a punto, multipunto a punto para telefonía celular, trafico de datos corporativos, voz e internet inalámbrico

8/4/2019 Suministro, Montaje y mantenimiento de redes inalmbricas punto a punto, multipunto a punto para telefona celular, trafico de datos corporativos, voz e inter

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Diseo de radioenlaces

Hoy en da los sistemas inalmbricos nos rodean por todas partes. A los yahabituales sistemas de telefona mvil, se unen las redes de datosinalmbricas, la televisin digital terrestre o los radioenlaces punto a punto.Para el correcto funcionamiento de estos sistemas resulta crucial un diseo

adecuado delinterfazradioelctrico.El diseo de

radioenlaceses unadisciplina queinvolucra todauna serie decuestionestales como laeleccin de labanda defrecuencias, el

tipo deantenas y losequipos de

radiocomunicacin, el clculo del balance de potencias, la estimacin de losniveles de ruido e interferencia o el conocimiento de las distintas modalidadesy fenmenos de propagacin radioelctrica, entre otras. Debido a su granvariedad, en este artculo haremos mencin solamente a algunas de estascuestiones.

Planificacin inicial del radioenlace y eleccin de los

emplazamientos

Adems de la eleccin de los equipos de radio y de sus parmetros defuncionamiento, los factores ms importantes que determinan lasprestaciones de un sistema fijo de acceso inalmbrico son la buena situacinde las antenas, la correcta planificacin del enlace radioelctrico y laeleccin de un canal libre de interferencias. Slo con una buena planificacindel enlace entre antenas puede conseguirse evitar las interferencias y losdesvanecimientos de la seal, alcanzando una alta disponibilidad en elsistema.

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La planificacin del enlace radioelctrico de un sistema deradiocomunicaciones comienza con el clculo del alcance. Para ello sedeben conocer la banda de frecuencias, las caractersticas climticas de lazona y las especificaciones tcnicas de los equipos de radio: potencia deltransmisor, ganancia de las antenas, sensibilidad del receptor, tasa deerror, disponibilidad, etc. Este clculo del alcance del sistema constituyeuna primera estimacin terica que deber verificarse tras la instalacin delos equipos. La utilizacin de aplicaciones informticas de simulacin concartografas digitales del terreno y de los edificios constituye una potenteherramienta de ayuda en la planificacin. Valindose de las mismas es posibledeterminar las mejores localizaciones para instalar las antenas y estimar su

alcance o cobertura, as como los posibles niveles de interferencia queprovienen de otros emplazamientos vecinos, especialmente en el caso desistemas celulares o de acceso radio punto a multipunto. Posteriormente, lasvisitas a los posibles emplazamientos permite determinar su aptitud paraalbergar los equipos de radiocomunicaciones.

Las frecuencias utilizadas habitualmente por los radioenlaces fijos exceden de10 GHz. Por lo tanto, estos sistemas se incluyen dentro de la categora desistemas terrenales con visin directa (LOS, Line-Of-Sight). La caractersticade visibilidad directa o LOS proviene de la dificultad de las seales de radio

de alta frecuencia para propagarse bordeando esquinas o para difractarse entorno a obstculos. Es decir, debe existir un camino directo sin obstculospara la propagacin de la seal radio entre las antenas transmisora yreceptora. Si desde el emplazamiento de una de las antenas puede verse la

otra, entonces se dice que existevisin directa. Normalmente,suelen visitarse los posiblesemplazamientos y comprobarse laexistencia de visin directa comofase previa a la instalacin de losequipos de comunicaciones. En el

caso de enlaces de corto alcance,la visin directa puede limitarsesimplemente a una cuestin dequ altura deben tener las torreso mstiles donde se siten lasantenas. Sin embargo, es evidente

que ello no constituye la solucin ms sencilla o econmica. En cambio,resulta ms prctico la bsqueda de zonas geogrficas prominentes con buenavisibilidad o edificios altos, lugares ideales para la instalacin de estacionesbase que deben concentrar el trfico de mltiples enlaces punto a punto.

Ahora bien, las antenas no siempre se encuentran en edificios altos, y lo que



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ocurre ms a menudo, ambos extremos del enlace es difcil que se encuentrensimultneamente en lugares favorables.

Figura 1: Los mapas y fotografas resultan clave para la eleccin de losemplazamientos de las antenas de un radioenlace, la identificacin de posibles

obstculos y el correcto apuntamiento de las antenas.

Para comprobar la existencia de visin directa entre las antenas, debenvisitarse los emplazamientos donde se tiene previsto instalarlas y realizar unaserie de comprobaciones y tareas que se detallan a continuacin:

Determinacin de las coordenadas exactas de los extremos delradioenlace (latitud, longitud y altura sobre el terreno) ayudndose de un

receptor GPS o smartphone.



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Determinacin de la orientacin del enlace e indicacin sobre un mapade la zona. Esto ayudar a la localizacin de posibles obstculos y elementos

significativos sobre el mapa. En el caso de enlaces de corto y medio alcance se puede comprobar laexistencia de visin directa con ayuda de unos prismticos. La localizacinvisual del otro extremo del enlace puede realizarse con ayuda de unabrjula o valindose de alguna marca o elemento significativo del mapa. Sedebe tener cuidado con los campos magnticos generados por los motoresde las salas de mquinas de los ascensores de la azotea y que pueden falsearla lectura de la brjula. Si no se consiguiera identificar visualmente el otroedificio donde se va a situar la antena, puede servir de ayuda una segundapersona situada en dicho edificio y que emita algn tipo de destello de luz,con un espejo por ejemplo, en el caso de un da soleado.

En el caso de falta de visin directa debido a algn tipo de obstculo,resulta necesario determinar la altura del mstil para evitar la obstruccin.El procedimiento que suele emplearse es similar al anterior, solo que ahorapuede utilizarse por ejemplo un globo de helio de color llamativo y sujetopor una cuerda. Una persona situada en el extremo opuesto va elevando elglobo hasta que resulte visible a travs de los prismticos.

Una vez asegurada la visin directa, conviene comprobar que laprimera zona de Fresnel se encuentra libre de obstculos. En este casoconviene prever que el entorno resulta cambiante con el tiempo y con la

poca del ao: construccin de nuevos edificios, rboles que crecen, nieveque se acumula en los tejados en invierno, trfico areo, etc.Adicionalmente, se debe asegurar que no existe ningn obstculo cerca dela posicin de ambas antenas. En especial, superficies metlicas u otrasantenas transmisoras dirigidas hacia la nuestra. Resulta interesantedocumentar todas las comprobaciones por medio de fotografas que puedanayudar posteriormente.

Lamentablemente, en el caso de radioenlaces de ms de unos 8 km resultadifcil realizar este tipo de comprobaciones visualmente, por lo que se debeacudir a otros mtodos. La solucin consiste en conseguir mapas con perfilesde la zona o utilizar aplicaciones informticas con mapas digitales delterreno. En este caso, las coordenadas exactas de los extremos del enlace

resultan de vital importancia.



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Figura 2: Las herramientas de simulacin que incluyen cartografas digitales del

terreno resultan de gran ayuda para la planificacin de un radioenlace.

Un factor importante de degradacin en sistemas que operan a altasfrecuencias lo constituye la vegetacin existente en las inmediaciones delradioenlace. En ciertas ocasiones, el radioenlace puede verseaccidentalmente obstruido por rboles o incluso azoteas de edificios enentornos urbanos. En estos casos, el campo electromagntico presente en laantena receptora puede modelarse como la suma de la onda directa

proveniente del transmisor, y multitud de pequeas ondas dispersadas por losedificios adyacentes y por las hojas de los rboles cercanos. Dado que lasfases de estas ondas son aleatorias, las seales resultantes pueden estimarsede forma estadstica. El resultado final de sumar todas las contribucionessuele modelarse mediante una distribucin de Nakagami-Rice.

En general, la gran variedad de edificios, tipos de terreno y vegetacin aconsiderar en una determinada zona susceptible de instalar un sistema deradiocomunicaciones, hace que sea extremadamente difcil proporcionarreglas de diseo generales para estimar la cobertura. La utilizacin deherramientas informticas de trazado de rayos y de modelado de obstculos apartir de informacin preliminar sobre la zona reduce la complejidad dediseo del sistema. Sin embargo, la realizacin de mediciones experimentaleses indispensable para validar los modelos y proporcionar confianza a losresultados de las predicciones.

Atenuacin causada por gases atmosfricos e hidrometeoros

Otro tipo de factores que tambin deben tenerse en cuenta son losatmosfricos y meteorolgicos. En los radioenlaces troposfricos se producen

atenuaciones de la seal durante su propagacin, causadas por la absorcin ydispersin en hidrometeoros como la lluvia, la nieve, el granizo o la niebla.



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Estos efectos son especialmente importantes en el caso de sistemas quetrabajan a frecuencias milimtricas. Aunque la atenuacin causada por la

lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 5 GHz, sta debeincluirse en los clculos de diseo a frecuencias superiores donde suimportancia aumenta rpidamente. La atenuacin especfica debida a la lluviapuede calcularse a partir de la Recomendacin UIT-R 838. Dicha atenuacin esligeramente superior para polarizacin horizontal que para vertical. Esto sedebe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por elrozamiento experimentado durante la cada. Para la prediccin de laatenuacin producida por la lluvia se necesita informacin sobre lasestadsticas de intensidad de precipitacin. En la Rec. UIT-R PN.837-1 seproporcionan valores de intensidad de lluvia excedidos durante determinadosporcentajes de tiempo y para distintas zonas hidrometeorolgicas mundiales.

En el caso de Espaa, estas son las llamadas zonas H y K. Por ejemplo, Madridse encuentra en la zona H, mientras que Valencia se encuentra en la zona K.La Rec. UIT-R P.530-7 establece el procedimiento para calcular la atenuacinproducida por la lluvia a largo plazo.

Los clculos de la atenuacin por lluvia en un radioenlace se utilizan pararealizar el diseo de cobertura o alcance del sistema de radiocomunicacionesdado un cierto valor de disponibilidad o calidad de servicio. Por ejemplo,supongamos un radioenlace funcionando a una frecuencia de 40 GHz conpolarizacin vertical. Las prdidas de propagacin del sistema sern, en una

primera aproximacin, las prdidas en espacio libre, las prdidas porabsorcin atmosfrica y las prdidas por lluvia. Suponiendo una potenciatransmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12 dB, unaganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del receptor de -75 dBm, se tiene un valor mximo para las prdidas de propagacin de 140dB. A partir de este requisito se puede calcular el alcance o cobertura denuestro sistema. En este caso, para una disponibilidad del 99,99%, se obtieneuna cobertura de 1,4 km.

Figura 3: La disponibilidad de un radioenlace se ve afectada por las estadsticas de

lluvia de la zona hidrometeorolgica (ejemplo para un enlace a 40 GHz en la zona K).



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La atenuacin por niebla est gobernada por las mismas ecuaciones que en el

caso de la lluvia. La principal diferencia es que la niebla puede modelarsecomo un conjunto de gotas de agua muy pequeas en suspensin (con radiosvariables entre 0,01 y 0,05 mm). Para frecuencias por debajo de 300 GHz laatenuacin producida por la niebla es linealmente proporcional al contenidototal de agua por unidad de volumen para cada frecuencia. Una concentracinde 0,032 g/m3 corresponde a un nivel de niebla que permite visibilidad a unos700 m. Por otro lado, una concentracin de 0,32 g/m3 permite visibilidad aalgo ms de 100 m. El nivel mximo de contenido de agua se sita en torno a1 g/m3, con densidades considerablemente menores para la mayor parte delas nieblas. Para una frecuencia de 100 GHz, la atenuacin en el caso deniebla densa es de tan solo 1 dB/km. Por lo tanto, en el diseo de

radioenlaces con suficiente margen de seal para evitar la atenuacin porlluvia, la niebla no constituir un factor de limitacin.

Por otra parte, la atenuacin de las microondas al atravesar nieve en polvo esal menos un orden de magnitud inferior que para la lluvia considerando lamisma tasa de precipitacin. No obstante, la atenuacin para la nieve hmedaes comparable a la de la lluvia e incluso superior en la banda de frecuenciasmilimtricas. Medidas experimentales han demostrado valores de atenuacinen torno a 2 dB/km para 35 GHz y una tasa de precipitacin de 5 mm/h. Paranieve en polvo la atenuacin es dos ordenes de magnitud inferior. Debido a la

gran cantidad de variables involucradas, en particular el contenido de aguarelativo, resulta difcil especificar la atenuacin en funcin de la tasa deprecipitacin de una forma simple. En todo caso, se recomienda emplearradomos en zonas de fuertes nevadas para evitar la acumulacin de hielo ynieve en la superficie de las antenas, ya que pueden provocar niveles deatenuacin importantes.

Figura 4: La utilizacin de radomos

de proteccin evita la acumulacin

de hielo y nieve en las antenas.

Figura 5: Los gases y vapores atmosfricos

tambin introducen atenuacin en los

radioenlaces de alta frecuencia.



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Finalmente, los vapores de agua y de oxgeno no condensados poseen lneas

de absorcin en la banda de frecuencias de microondas y de ondasmilimtricas. Por ello existen frecuencias donde se produce una granatenuacin separadas por ventanas de transmisin donde la atenuacin esmucho menor. En el caso del vapor de agua, se producen fuertes lneas deabsorcin para longitudes de onda de 1,35 cm, 1,67 mm e inferiores. En elcaso del oxgeno, las longitudes de onda de los picos de absorcin son 0,5 y0,25 cm. La atenuacin debida al efecto conjunto de los vapores de agua yoxgeno es aditiva. En aquellas bandas donde los valores de atenuacinexceden los 10 dB/km el alcance de las comunicaciones se encuentraenormemente limitado. Pero escogiendo adecuadamente las frecuencias detrabajo es posible obtener niveles de atenuacin mucho menores: por

ejemplo, a 30 GHz la atenuacin es inferior a 0,1 dB/km. Para frecuencias porencima de 300 GHz, en cambio, la atenuacin mnima es todava elevada (6dB/km o ms) e impone una gran restriccin en el caso de enlaces terrestrescon visin directa. Sin embargo, determinadas aplicaciones especializadastales como comunicaciones secretas de corto alcance (entornos "indoor" a 60GHz) o enlaces entre satlites (no afecta la atenuacin atmosfrica) seaprovechan del uso de la banda de frecuencias milimtricas. Estas longitudesde onda cortas posibilitan el uso de antenas de alta ganancia muy compactasque compensan parte de las prdidas introducidas.

ResumenComo se ha visto, el diseo de un radioenlace involucra una gran variedad decuestiones a tener en cuenta: emplazamiento, seleccin de equipos, clculodel balance de potencias, identificacin de obstculos y posiblesinterferencias, fenmenos de atenuacin y desvanecimiento de las seales,etc. Si bien actualmente la existencia de herramientas informticas desimulacin facilita enormemente la tarea, es importante conocer de primeramano todos los aspectos que pueden influir en el funcionamiento delradioenlace. De este modo, durante la fase final de verificacin e instalacinde los equipos ser posible identificar las posibles causas de un malfuncionamiento y arbitrar los mecanismos adecuados para solucionarlo.


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