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UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFacultad de Ciencias

Postgrado en Ciencias de la ComputaciónLecturas de Docencia

Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la

Transmisión

Profesora Agregado Maria Elena Villapol

Octubre del 2006.

Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica: Factores que Afectan la Transmisión

1. Factores que afectan la transmisión LOS

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

1.1. 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.

1.2. 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:

Eq 1.1

Pt = potencia de la señal de la antena transmisoraPr = potencia de la señal de la antena receptora = longitud de la onda portadorad = distancia de propagación entre las antenasc = 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:

Eq

1.2

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Para otras antenas se debe tener en cuenta la ganancia de la

antena, quedando la ecuación expresada de la siguiente manera:

Eq 1.3

Gt = ganancia de la antena que transmiteGr = ganancia de la antena que recibeAt = área efectiva de la antena que transmiteAr = área efectiva de la antena que recibe

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

Eq 1.4

En la práctica se usan las Ecuaciones 1.1 y 12. 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 distancia entre el transmisor y el receptor a 2.4 GHz.

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

1.3. Ruido

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

Ruido termal: Debido a la agitación de los electrones. Esta 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:

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k = constante de Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/KT = temperatura, en grados kelvins (temperatura absoluta)

En decibelios

Otros ruidos:

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.

1.4. Absorción

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

Ilustración 1: Ejemplo de absorción.

1.5. 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 de la señal deseado y otras se inclinarán en el medio en otra dirección (ver Ilustración 2).

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Ilustración 2: Ejemplo de refracción de una señal. Podemos observar que la refracción puede convertirse un gran

problema en los enlaces a grandes distancias debido a los cambios en las condiciones atmosféricas, que pueden ocasionar cambios, no deseados, en la dirección de la señal.

1.6. 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 este último 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.

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Ilustración 3: Ejemplo de difracción.

1.7. Reflexión

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

Ilustración 4: Ejemplo de reflexión.

1.8. 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. Algunos ejemplos de objetos que pueden causar scattering son postes de luz, señales de tránsito.

Ilustración 5: Ejemplo de Scattering.

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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 las partículas de polvo pesadas.

La Ilustración 6 ilustra el efecto de la difracción, scattering y reflexión.

1.9. 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.

posteR

S

DR

posteR

S

DR

Ilustración 6: Ejemplo de difracción, reflexión y scattering.

Muchos factores pueden causar el desvanecimiento, entre ellos:

a.- Propagación de multi-trayectob.- Velocidad del usuario móvilc.- Velocidad de los objetos alrededor del radio del canal.

1.10. 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. En la telefonía móvil hay muchos obstáculos. En otros casos como satélites y microondas las antenas pueden ser localizadas donde no existan muchos obstáculos cercanos.

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

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Tiempo

Tiempo

Señales recibidas

Resultados combinados

Tiempo

Tiempo

Señales recibidas

Resultados combinados

Ilustración 7: Ejemplo de Propagación de Multi-Trayecto.

o 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 estas llegan al mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 8).

Ilustración 8: Ejemplo de decaimiento de la amplitud de la señal.

o 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 este 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.

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Ilustración 9: Ejemplo de corrupción. o 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). o 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 estas llegan al mismo tiempo que la misma (ver Ilustración 11). Sin embargo, hay que notar que bajo ninguna

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condición la señal resultante que llega al receptor es más fuerte que la señal transmitida en el lado del transmisor. Lo que si 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.

1.11. Mecanismos para Compensar los Efectos de los Factores que Afectan una Señal

A continuación se describe algunos mecanismos para compensar los efectos producidos por los factores que afectan las señales descritos anteriormente.

Corrección de Errores Hacia delante: Las técnicas de detección y corrección de errores se estudiaran posteriormente

Ecualización: Usado en contra de interferencia ínter símbolos. Algunos métodos comprenden juntar la energía de símbolos dispersos en su intervalo original.

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.

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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).

1.12. Diversidad de Antenas

Desde que esta 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 (verIlustración 13). A continuación se enumeran los tipos de diversidad:

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

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

o 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.

o Diversidad de fase: ajusta la fase de la antena a la fase de la señal para mantener la calidad de la señal.

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

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Ilustración 13: Ejemplo de diversidad de antenas.

2. Alcance de un Sistema de Radiocomunicación

En esta sección se presentaran varios ejemplos para calcular el alcance de un sistema de radiocomunicación en base a los conceptos y formulas 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.

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Por ejemplo:

• Potencia de transmisión +25dBm• Pérdida en los cables -1dB• 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 -2.5dB• Pérdida en el Diplexer de RX -2 dB• Pérdida en Cable -1 dB

---------------• Nivel de Señal Recibida = -68.5dBm

2.1. 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 podemos 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.

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Ilustración 16: 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 mas el margen de desvanecimiento calculado anteriormente (ver Ilustración15), 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.

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