RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO SubEn este capítulo se tratará de las comunicaciones por ondas radioeléctricas entre dos terminales, tanto a nivel analógico como digitales. Se han añadido los calificativos de terrenales y servicio fijo con el fin de distinguir de los radioenlaces móviles (que serán estudiados en el capítulo de sistemas móviles) y de los radioenlaces por satélite.
ÍNDICE (I) Introducción Planes de frecuencias Diagramas de bloques de equipos: antenas repetidores circuitos Parámetros básicos de radioenlaces: analógicos y digitales Anchura de banda Parámetros de propagación Desvanecimientos Diversidad Calidad de un radioenlace Circuitos de referencia (CFR, TDFR) Radioenlaces analógicos Radioenlaces digitales
ÍNDICE (II) Criterio de disponibilidad Radioenlaces analógicos Radioenlaces digitales Interferencia de RF en radioenlaces Protección de radiocanales Enlaces transhorizonte
INTRODUCCIÓN (I) Definición: sistemas de radiocomunicaciones entre puntos fijos que proporcionan una capacidad de transmisión de información con calidad y disponibilidad dadas. Funcionan en condiciones de visibilidad directa por lo que requieren: Estaciones repetidoras Estaciones nodales bajan a banda base pudiendo haber extracción-inserción de señal. La entidad terminal que hace de estación nodal se denomina sección de conmutación Vano: el enlace radioeléctrico entre dos estaciones. Situación de compromiso entre el número de vanos (mínimo) y la longitud de los mismos que tiene un límite debido al desvanecimiento de la señal. Radiocanal: el conjunto de dos portadoras, una para cada sentido de transmisión. Constituye un sistema dúplex a 4 hilos equivalentes. Repetidores deben tener visión óptica en vanos adyacentes: Activos: amplifican la señal sin demodularla. Pasivos: sólo cambian la dirección de propagación.
INTRODUCCIÓN (II) Se explotan en las bandas de frecuencias altas con las siguientes ventajas: Potencia recibida proporcional al cuadrado de la frecuencia. Ruido, disminuye al aumentar la frecuencia. A mayor frecuencia, mayor anchura de banda y mayor directividad. Desventajas: Mayor inestabilidad, mayor desvanecimiento y equipos más caros. Radioenlaces son sistemas en serie por lo que requieren gran disponibilidad Utilización de técnicas de redundancia (equipos) y diversidad (desvanecimiento) Establecimiento de sistemas de control para aplicación automática Tipos de radioenlaces según el tipo de señal múltiplex transmitida Analógicos:múltiplex de 12 a 2700 canales telefónicos, múltiplex de vídeo y audio Digitales: múltiplex digital de alguna de las jerarquías normalizadas Radioenlaces transhorizonte: monovano, grandes distancias y por dispersión troposférica. Aplicación: comunicación costa-isla. Radioenlaces por satélite: dos vanos, repetidor-convertidor de frec. (transponder)
PLANES DE FRECUENCIAS (I) PROBLEMÁTICA En un repetidor hay al menos dos frecuencias suf. separadas (Gp:) Diferencia entre los niveles de señal TX y RX. (Gp:) Evitar acoplo entre ambos sentidos de transmisión. (Gp:) Directividad insuficiente de las antenas
PLANES DE ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS
PLANES DE FRECUENCIAS (II) (Gp:) Term1 (Gp:) Term2 (Gp:) Repet 1 (Gp:) Repet 2 (Gp:) f2 (Gp:) f4 (Gp:) f1 (Gp:) f3 (Gp:) f1 (Gp:) f3
(Gp:) Term1 (Gp:) Term2 (Gp:) Repet 1 (Gp:) Repet 2 (Gp:) f2 (Gp:) f1 (Gp:) f1 (Gp:) f2 (Gp:) f1 (Gp:) f2
PLAN A 4 FRECUENCIAS Por cada radiocanal se necesitan 4 frecuencias. Suele utilizarse en frecuencias bajas cuando la directividad es baja PLAN A 2 FRECUENCIAS Por cada radiocanal se necesitan 2 frecuencias. Las frecuencias y de recepción son iguales en cada estación. Problemas: Interferencia cocanal: a) Por radiación hacia atrás de A y captación en B b) Por radiación directa de C y captación por el lóbulo posterior de B A B C
PLANES DE DISPOSICIÓN DE CANALES DEL CCIR CARACTERÍSTICAS OBJETIVOS Número de radiocanales en la banda Separación entre radiocanales adyacentes Bandas de guarda Frecuencias portadoras Polarización Tipo y capacidad del radioenlace Frecuencia central de la banda Anchura de banda Anchura de banda de los radioenlaces
Facilitar la interconexión en RF de radioenlaces en circuitos internacionales Reducir las perturbaciones Facilitar la intercalación adicional Utilización de una banda para transmisiones mixtas
DIAGRAMA DE BLOQUES
ESTACIÓN TERMINAL (Gp:) MX (Gp:) TRAT. SEÑAL (Gp:) MOD. FI (Gp:) Convers. arriba (Gp:) HPA (Gp:) OL (Gp:) BR (Gp:) f1 f´1 (Gp:) MX (Gp:) TRAT. SEÑAL (Gp:) DEMO. FI (Gp:) Convers. abajo (Gp:) LNA (Gp:) OL (Gp:) transmisor (Gp:) receptor (Gp:) BB (Gp:) BB (Gp:) Bastidor multiplex (Gp:) VF (Gp:) BB (Gp:) RF (Gp:) Bastidor radio
ESTACIÓN REPETIDORA Lado de ida RF FI RF (Gp:) f’1 f1 (Gp:) f1 f’1 (Gp:) Convers. abajo (Gp:) FI (Gp:) OL (Gp:) LIM (Gp:) FILTRO LNA (Gp:) Convers. arriba (Gp:) OL (Gp:) FILTRO HPA
Lado de retorno
ESTACIÓN NODAL Constituida por dos estaciones terminales adosadas conectadas en banda base. La inserción-extracción de canal puede hacerse a nivel de canal o de alguna estructura múltiplex. (Gp:) Estación nodal (Gp:) f1 f’1 (Gp:) f1 f’1 (Gp:) Convers. abajo (Gp:) OL (Gp:) MUX (Gp:) FILTRO LNA (Gp:) Conv. arriba (Gp:) OL (Gp:) FILTRO HPA (Gp:) FI (Gp:) dem (Gp:) BB (Gp:) mod (Gp:) Extracción inserción múltiplex de señal
DISPOSITIVOS DE ACOPLAMIENTO Se utilizan como interfaz entre transmisores y receptores a antena. Filtros Circuladores Duplexores y polarizadores. Las configuraciones varían en función del número de radiocanales y polarizaciones Alimentadores Línea coaxial: válida hasta 3 GHz, flexibilidad y facilidad de instalación. Guía ondas en el modo fundamental: para frecuencias superiores a 3 GHz ya que la atenuación del coaxial es grande.
ANTENAS Antenas utilizadas : reflector parabólico, antenas Cassegrain, bocinas, reflectores pasivos y arrays de antenas. Parámetros a analizar: ganancia: función de la superficie geométrica, ganancia y frecuencia. Anchura de haz: Se requiere precisión en la orientación. Diagramas de radiación: Diagrama copolar: es el correspondiente a la excitación de la sonda excitadora. Diagrama contrapolar: correspondiente a la polarización ortogonal. Diagrama de envolvente: son diagramas obtenidos como envolvente de diagramas reales de una serie dada. Existen aproximaciones semiempíricas.
REPETIDORES PASIVOS Se utilizan cuando resulta necesario cambiar la dirección de un trayecto. Pueden ser reflectores parabólicos y reflectores planos. Situaciones: Reflectores en campo lejano Repetidor pasivo con dos antenas parabólicas. Repetidor pasivo con plano reflector (el ángulo no ha de ser muy obtuso) Repetidor pasivo con dos planos reflectores (en un punto o en dos) Reflectores en campo próximo: también se denomina montaje periscópico y pone la antena a una altura determinada. Cálculo de la atenuación en el trayecto con reflectores: Reflector parabólico: (1) Un reflector plano: (2) La anchura de haz disminuye al aumentar la superficie y no debe ser inferior a 1º. Montaje periscópico: (5.16)
DATOS DE PROPAGACIÓN Los radioenlaces se diseñan en condiciones de visibilidad directa. La consecución del despejamiento supone un cálculo de las alturas de antenas. Probabilidad despreciable de pérdida de visibilidad en condiciones anómalas. Pérdidas de difracción tolerables bajo propagación normal. Rec. 530 del CCIR Determinación de las alturas para un despejamiento de la primera zona Fresnel (R1). Variación estadística del gradiente del coíndice (?N) valor de ke excedido el 99.9% del tiempo:
Con el valor de ke se calculan los siguientes despejamientos: Clima templado: 0.0 R1 si sólo hay un obstáculo 0.3 R1 si hay varios obstáculos o con forma redondeada Clima tropical: 0.6 R1 para trayectos superiores a 30 km Se toman los máximos de los valores del punto 1 y 3 Tablas
MÉTODO DEL CCIR DESPEJAMIENTO Y VALOR EXCEDIDO DE K
ANCHURA DE BANDA DE UNA TRANSMISIÓN POR RADIOENLACE Enlaces por telefonía Señal en banda base: múltiplex telefónico Ancho de banda: regla de Carson
depende: excursión de frecuencia y de la carga Enlaces por televisión Transmisión de vídeo Transmisión de vídeo más sonido: múltiplex MDF que se modula en frec. Ancho de banda depende de: Factor de modulación K (1 ó 0.6) Factor de especificación F (del filtrado) Vb: velocidad binaria R: factor de anchura de banda Expresión: RADIOENLACES ANALÓGICOS RADIOENLACES DIGITALES
DESVANECIMIENTOS Definición: variación temporal de la amplitud, fase y polarización de la señal recibida con relación al valor nominal debido al trayecto de propagación: multitrayecto, conductos, reflexión, difracción y dispersión. Profundidad de desvanecimiento: diferencia entre el valor nominal y el nivel recibido en condiciones de desvanecimiento. Duración de desvanecimiento: tiempo que media entre la pérdida y recuperación del nivel. Pueden desarrollarse contramedidas que mitiguen el efecto. Clasificación de los desvanecimientos:
DESVANECIMIENTO MULTITRAYECTO Se debe a la existencia de dos o más trayectos de propagación además del directo. Puede producirse por reflexiones en el suelo o en capas de la atmósfera. Es selectivo en frecuencia por lo que produce distorsión y atenuación. Modelo estadístico del campo resultante: Desvanecimiento por centelleo: gaussiana con m y ?, son lentos y poco profundos. Desvanecimiento multitrayecto: típico de desvanecimientos profundos y rápidos. Rice: existe una componente dominante (hay visión directa) Rayleigh: componentes con amplitudes similares (no hay visión directa) Factor de actividad del multitrayecto ? depende del período de observación y de las condiciones meteorológicas. En climas templados dura tres meses la actividad del multitrayecto. (Gp:) t (Gp:) ? (Gp:) 1-?
DESVANECIMIENTOS PROFUNDOS La probabilidad de rebasar un desvanecimiento profundo viene dada a partir de una ley Rayleigh por:
P0 es el factor de aparición de desvanecimiento y depende de la longitud del enlace, frecuencia, rugosidad del terreno y del clima Métodos de cálculo de la probabilidad de desvanecimiento difieren en el cálculo de P0 Mojoli: calcula el valor de P0 para el mes más desfavorable y a partir de ahí determina el factor de actividad. Método 1 de la Rec. UIT-R PN530: se utiliza para una planificación inicial del vano Determinación del factor geoclimático del trayecto para el mes más desfavorable Cálculo del ángulo de inclinación del trayecto Valor de la probabilidad p(F) en porcentaje. Método 2 de la Rec. UIT-R PN530: proporciona un diseño detallado para pequeños porcentajes de tiempo y requiere el conocimiento del perfil.
DESVANECIMIENTO POR REFLEXIÓN EN EL SUELO Se produce cuando el trayecto discurre sobre un terreno despejado y la longitud es pequeña. Trayectos sobre mar, lagos y zonas llanas y húmedas. Función de transferencia:
Se puede apreciar la dependencia con la frecuencia y el carácter lobular. La profundidad de desvanecimiento depende de la frecuencia, altura y factor k. Esto hace que el desvanecimiento sea selectivo. Su expresión es la base para los modelos FTM.
EJEMPLO Se supone un vano de un radioenlace sobre agua, con una longitud de 61.1 km y altura sobre el nivel del mar ht=122 m y hr=457 m en la frecuencia f=6.125 GHz. Considerando R=-1 determine la pro- fundidad de desvanecimiento así como su efecto para una comunicación con 20 Mhz para varios valores del factor k. PARÁMETROS A DETERMINAR PROBLEMA Distancia al punto de reflexión Ángulo de incidencia Factor de divergencia Retardo del rayo reflejado Frecuencia de máximo de desv. Máxima prof. desv. Conclusiones Influencia de k y de la frecuencia sobre el desvanecimiento Depende del valor de k y para anchuras de banda de 20 MHz el desvanecimiento será más o menos selectivo.
DESVANECIMIENTO SELECTIVO La función de transferencia del medio de propagación varía con la frecuencia lo que produce distorsión de amplitud y fase en la señal. Estudio del desvanecimiento selectivo: Porcentaje de tiempo en que un desvanecimiento tiene carácter selectivo. Modelo de función de transferencia multicanal al menos para B/2 Estadísticas de los parámetros que intervienen en H(w) Modelo de la función de transferencia multitrayecto (FTM). Tiene en cuenta el rayo directo y múltiples rayos reflejados. Modelo de rayos, tiene en cuenta un rayo directo y N ecos
Modelo polinómico: desarrollo en serie de potencias de la función de transferencia.
MODELO DE TRES RAYOS SIMPLIFICADOS La FTM viene dada por: Puede ponerse como: Esta expresión se suele poner en función de la separación con la portadora
wo es la frecuencia a la cual se produce el mínimo de H(w), depende de ? y ? válido en el ancho de banda del canal (B) Profundidad de desvanecimiento:
Parámetro a: afecta por igual a todas las frecuencias, representa el desvanecimiento plano. b: diferencia máximo-mínimo, indica el desvanecimiento selectivo. Canal de fase mínima: ?>0, b0, b>1. El modelo depende de 4 parámetros (a, b, wo, ?) lo que supone un ajuste complicado con las mediciones efectuadas.
EFECTOS DEL DESVANECIMIENTO MULTITRAYECTO Radioenlaces analógicos: Ruido de intermodulación: importante en radioenlaces con gran capacidad y en aquellos en que se produce por reflexión en el suelo. Variación del nivel de la banda base Radioenlaces digitales Aumenta la interferencia entre símbolos debido a la dispersión de los impulsos. Es mayor a velocidades grandes. Efectos de la recuperación de portadora: se produce una rotación en la constelación. Efectos de la recuperación de la temporización: el muestreo no se realiza en el punto adecuado.
DIVERSIDAD Transmisión de la misma información por dos rutas radioeléctricas diferentes que se vean afectadas de forma independiente por el desvanecimiento. Clasificación: Según los parámetros del camino radioeléctrico: Diversidad de espacio Diversidad de frecuencia Diversidad de ángulo Diversidad de polarización Diversidad de ruta Según el tipo de tratamiento de la señal Diversidad de selección Diversidad de conmutación Ventajas: Reducción del porcentaje de tiempo de un desvanecimiento dado Aumento de la fiabilidad al existir cierta redundancia Mejora en la calidad en la relación S/N o BER.
DIVERSIDAD DE ESPACIO Habilitación de dos trayectos radioeléctricos Dos antenas receptoras Separación: unas decenas de longitud de onda Un único transmisor No es probable un desvanecimiento simultáneo Separación entre antenas
h1: altura antena transmisora Ventajas: Utiliza una sola frecuencia Inconveniente: En caso de avería del transmisor se rompe el enlace (Gp:) TX (Gp:) RX1 (Gp:) RX2 (Gp:) PROC (Gp:) f1 (Gp:) f1 (Gp:) ?h
DIVERSIDAD DE FRECUENCIA Requiere un transmisor adicional y una frecuencia más de forma que cuando un desvanecimiento afecta a una frecuencia, el otro se encuentra libre. Para conseguir buena decorrelación, la separación debe ser del orden del 3-5%. Inconveniente: escasa disponibilidad de espectro, permite usar una separación de 1-2% (Gp:) Señal de información (Gp:) Procesador (Gp:) TX1 (Gp:) TX1 (Gp:) BR (Gp:) RX1 (Gp:) RX1 (Gp:) BR (Gp:) f1 (Gp:) f2 (Gp:) ?f
OTROS TIPOS DE DIVERSIDAD Diversidad cuádruple Combina diversidad de espacio y frecuencia. Se necesitan dos antenas, dos transmisores y dos receptores. Diversidad de trayecto Sólo se justifica en enlaces donde las precipitaciones puedan destrozar el enlace. Se realiza la comunicación por dos caminos diferentes. Diversidad angular Utiliza antenas con dos o más haces separados por pequeños ángulos en el plano vertical.
TRATAMIENTO DE SEÑAL EN SISTEMAS CON DIVERSIDAD Mejora por diversidad: Factor de mejora en un sistema 1+1 con diversidad de frecuencia:
Tratamiento de señal: conjunto de operaciones realizadas con las señales por los receptores de un sistema de diversidad. Selección por conmutación: elige la señal mejor de las presentes de acuerdo con un criterio de intensidad sencillez y economía degradación por las discontinuidades asociadas a la conmutación conmutación en tiempo breve (