Tema 2: Factores que Afectan la Transmisión Profesora Maria Elena Villapol mvillap@ciens.ucv.ve

Factores que afectan la transmisión LOS La pérdida describe el decremento en la amplitud de una señal. Factores: Resistencia de los cables y conectores. Diferencias entre la impedancia en los cables y conectores. Pérdida en el espacio libre (Free space loss) Ruido Multi trayecto (Multipath) Reflexión Refracción Difracción Scattering Absorción

Atenuación La fuerza de la señal decrece con la distancia. Los factores de atenuación para los medios no guiados son: 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 (Free space loss) Es un tipo de atenuación. Con la distancia la señal se dispersa. Es expresada en la siguiente fórmula para antenas ideales: Pr = potencia de la señal de la antena receptora. Pt = potencia de la señal de la antena transmisora  = 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 (e.g., metros)

Pérdida en el Espacio Libre Pérdida en decibelios: si d está en metros y f en Hz se tiene Si d está en kilómetros y f en MHz entonces:

Pérdida en el Espacio Libre

Pérdida en el Espacio Libre Para otras antenas se tiene la siguiente ecuación: 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.

Pérdida en el Espacio Libre La fórmula anterior en decibelios es:

Pérdida en el Espacio Libre Tabla 1: Relación entre la pérdida en el espacio libre y la distancia entre transmisor y receptor [1]

Ruido Ruido termal Ruido de intermodulación Crosstalk Ruido de Impulso

Ruido Termal Debido a la agitación de los electrones. Está presente en todos los dispositivos y medios de transmisión. No puede ser eliminado. Particularmente significante en redes satelitales.

Ruido Termal El ruido termal presente en un ancho de banda B Hz es: k = constante de Boltzmann = 1.3803 X 10-23 J/K T = temperatura, en kelvins (temperatura absoluta) En decibelios-wats

Otros Ruidos Ruido Ínter modulación: ocurre cuando diferentes frecuencias comparten el mismo medio. La interferencia es causada por la señal resultante que tiene un frecuencia igual a la suma o diferencia de la frecuencia original. Crosstalk – no deseable acoplamiento de el camino de las señales. Ruido impulsivo – pulso irregulares Tienen corta duración y relativa alta amplitud. Causado por disturbios electromagnéticos o equipos con fallas.

Absorción La absorción ocurre cuando un objeto disminuye la intensidad de la radiación incidente. El vapor de agua y oxigeno contribuyen a la atenuación de las señales. A frecuencias menores a los 15 GHz la atenuación es menor. La lluvia y niebla causa atenuación. El agua absorbe rápidamente las ondas electromagnéticas, así como muchas otras substancias. La energía absorbida generalmente se transforma en calor.

Refracción La refracción es la inclinación de las ondas de radio cuando pasan a través de un medio de diferente densidad.

Difracción La 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 que producen un curvado aparente de las ondas.

Difracción Este ejemplo basado en el ejemplo del charco de agua. Considere que se coloca un ramita a través de la superficie del agua cerca del sitio donde la roca golpee el agua. Cuando las ondas choquen con la ramita serán bloqueadas en cierto grado, pero en una lato grado, las ondas se curvarán alrededor de la misma.

Difracción Las ondas se curvan alrededor de un objeto

Reflexión La reflexión ocurre cuando la señal encuentra una superficie que es larga comparado con la longitud de onda de la señal . La reflexión ocurre de la superficie de la tierra, edificios, paredes, entre otros.

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.

Scattering Producto del scattering 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. El scattering puede ser visto como muchas pequeñas reflexiones.

Scattering

Razón de Onda Estacionaria de Voltaje (Voltaje Standing Wave Ratio (VSWR)) El VSWR ocurre cuando hay una diferencia de impedancia (resistencia a un flujo de corriente medido en ohms) entre dispositivos en el sistema. VSWR es entonces causado por una señal RF reflejada en un punto donde hay discrepancias de impedancias en el camino de la señal. El VSWR causa la pérdida de retorna que es aquella definida como la pérdida de la energía a través de un sistema debido a que parte de la potencia se refleja hacia atrás hacia el transmisor.

Razón de Onda Estacionaria de Voltaje (Voltaje Standing Wave Ratio (VSWR))

Razón de Onda Estacionaria de Voltaje (Voltaje Standing Wave Ratio (VSWR)) El VSWR es un radio que expresa la relación entre dos números como por ejemplo 1,5:1. El segundo número es siempre 1 (no discrepancia entre impedancias). Mientras que el primer número varía. Mientras este sea mas pequeño es mejor menor la discrepancia de impedancias (es mejor).

Multitrayecto 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.

Multitrayecto : Ejemplos de Interferencia

Efectos del Multitrayecto: 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

Efectos del Multitrayecto: Decaimiento de la Amplitud de la señal

Efectos del Multitrayecto: 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. La corrupción requiere que la data sea enviada nuevamente.

Efectos del Multitrayecto: Corrupción

Efectos del Multitrayecto: 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. 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.

Efectos del Multitrayecto: Nulling

Efectos del Multitrayecto: 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. 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 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.

Efectos del Multitrayecto: Aumento de la Amplitud de la señal

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 deferentes. La señal recibida denominada onda multitrayecto puede entonces variar significativamente en sus características.

Factores que Influencian el Desvanecimiento Muchos factores pueden causar el desvanecimiento: Propagación de multitrayecto. Velocidad del usuario móvil. Velocidad de los objetos alrededor del radio del canal.

Desvanecimiento: Propagación de Multitrayecto Reflexión: ocurre cuando la señal encuentra una superficie que es larga comparado con la longitud de onda de la señal. Difracción: ocurre en los lados de un cuerpo impenetrable que es largo comparado con la longitud de onda de la onda de radio. Scattering: ocurre cuando la señal tropieza un cuerpo cuyo tamaño está en el orden o es menor que la longitud de onda de la señal.

Desvanecimiento: Propagación de Multitrayecto

Desvanecimiento: Efectos de la Propagación Multitrayecto Múltiples copias de una señal pueden llegar a diferentes fases. Las ondas de radio provenientes de diferentes direcciones llegan con diferentes retardos. Así, 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.

Desvanecimiento: Efectos de la Propagación Multitrayecto

Propagación de Radio Onda directa Onda terrestre Onda reflejada Reflexiones en la ionosfera Refracción en un obstáculo Efecto de la curvatura terrestre

Propagación de Radio

Mecanismos para Compensar los Errores Corrección de Errores hacia adelante: Basado en técnicas de detección y corrección de errores en el receptor. Se estudiaran posteriormente. Ecualización Usado en contra de interferencia ínter símbolos. Algunos métodos comprende juntar la energía de símbolos dispersos en su intervalo original.

Mecanismos para Compensar los Errores Diversidad - Consiste en proporcionar múltiples canales lógicos entre el transmisor y el receptor y enviar la señal sobre cada canal. Diversidad Espacial: Por ejemplo, colocar múltiples antenas para recibir mensajes. Reconstruir la señal que con mayor probabilidad se transmitió.

Mecanismos para Compensar los Errores Diversidad en Frecuencia: Dispersar la señal sobre un ancho de banda grande o Transportarla señal usando múltiples portadoras de frecuencia. Ver espectro disperso posteriormente. Diversidad Temporal: Dispersar la data en el tiempo para que el ruido afecte pocos bits.

Mecanismos para Compensar los Errores Diversidad temporal (ejemplo)

Mecanismos para Compensar los Errores Macro diversidad: Uso de varios enlaces entre el móvil y estaciones fijas. Soft handover.

Mecanismos para Compensar los Errores: Diversidad de Antenas La diversidad de antenas consiste en colocar múltiples antenas, entradas y receptores para compensar las condiciones que causan el multi-trayecto.

Mecanismos para Compensar los Errores: Diversidad de Antenas Diversidad de antena (no activa): es raramente usada y consiste en usar múltiples antenas en una simple entrada. Diversidad por Conmutación: consiste colocar múltiples antenas en múltiples receptores, quienes se conmutaran 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 de la antena última usada para recepción porque la señal recibida tuvo la mejor calidad comparado con las otras señales. Si el radio debe retransmitir una señal, alternara las antenas hasta que se realice una transmisión exitosa. Adicionalmente una unidad puede transmitir o recibir pero no ambas.

Mecanismos para Compensar los Errores: Diversidad de Antenas

Zona de Fresnel Es un área que se puede ver como de forma helicoidal que se encuentra en la mitad entre el transmisor y el receptor. El área es mas angosta hacia las antenas y mas ancha en la mitad.

Zona de Fresnel Esta zona surge porque la energía de una onda RF no está concentrada en un rayo similar a un láser. Si un obstáculo obstruye está zona, la energía será bloqueada por el mismo haciendo que la mayor parte de la misma no llegue al receptor.

Zona de Fresnel Múltiples zonas de Fresnel se forman alrededor del el eje de LOS central. La primera zona de Fresnel suma a la amplitud de la señal principal porque está en fase, mientras que la segunda sustrae porque está fuera de fase. Las zonas se van alternado entre en fase y fuera de fase. Así sería una ventaja por ejemplo bloquear la segunda zona de Fresnel.

Zona de Fresnel La primera zona de Fresnel debe estar al menos 60% desbloqueada. Si más del 40 % de la zona está bloqueada se puede suponer una degradación severa en la fuerza de la señal

Zona de Fresnel El radio de la zona de Fresnel se puede calcular de la siguiente manera: Rn es el radio de la zona de Fresnel M es una constante de proporcionalita igual a: 17,3 si R es en metros y D1 Y D2 están en Km 72,1 si R esta en pies y D1 Y D2 están en millas f es la frecuencia en GHZ N es el número de la zona de Fresnel D1 es la distancia de la fuente a la obstrucción D2 es la distancia del destino a la obstrucción

Zona de Fresnel Un usuario esta en su cubículo a 50 pies del punto de acceso. Cual es el radio de la primera zona de Fresnel en el punto donde un gabinete está entre el laptop y el punto de acceso? El gabinete está a 4 pies del usuario: D1 = 46´ del AP D2 = 4´del adaptador inalámbrico del usuario Rn= 1,2 pies 60% del radio = 0,737 pies

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema Gs Pca Pna Gaa Gab Pp Pcb Pnb

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema 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.

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema 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

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema Dependiendo de las características del equipo receptor, el nivel de señal puede o no ser suficiente. Esto es conocido como sensibilidad del receptor.

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema

Presupuesto de un Enlace o Margen de Operatividad de un Sistema : Sensibilidad del Receptor Equipo DLINK Receiver Sensitivity* 54Mbps OFDM, 10% PER,-68dBm) 48Mbps OFDM, 10% PER,-68dBm) 36Mbps OFDM, 10% PER,-75dBm) 24Mbps OFDM, 10% PER,-79dBm) 18Mbps OFDM, 10% PER,-82dBm) 12Mbps OFDM, 10% PER,-84dBm) 11Mbps CCK, 8% PER,-82dBm) 9Mbps OFDM, 10% PER,-87dBm) 6Mbps OFDM, 10% PER,-88dBm) 5.5Mbps CCK, 8% PER,-85dBm) 2Mbps QPSK, 8% PER,-86dBm) 1Mbps BPSK, 8% PER,-89dBm)

Elección de una Antena: En Resumen Frecuencia Tipo de Antena Directividad Ganancia Polarización Conectores Cables

Ejemplo de un Enlace Inalámbrico The Swedish Space Corporation (SSC) announced 12 December 2002 that they have transmitted information via a broadband wireless link over a distance of 310km. They believe that this is the longest distance achieved using wireless connectivity. The link was made between a stratospheric balloon that was launched from Esrange near the town of Kiruna in northern Sweden and a base station located near Esrange. Onboard the balloon was a 2.4 meters antenna and radio supplied by Alvarion, with a 6 watts power amplifier, a camera and a server. Automatic tracking of the antenna using GPS technology was employed. The information between the balloon and the base station was transmitted over the 2.4GHz spectrum with a stable signal strength of -68 dBm. The round trip ping response at 300 km was 300-500 ms