TEMA 2: Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica Profesora María Elena Villapol mvillap@ciens.ucv.ve

Conceptos Básicos Radio Frequency (RF) o Tecnología Inalámbrica: Incluye la generación, manejo, transmisión y recepción de ondas de radio. Y su uso para transmitir información. “Cualquier cosa relacionado a señales electromagnéticas”. Las señales electromagnéticas o señales RF se caracterizan por: Frecuencia. Amplitud.

Conceptos Básicos Señal sinusoidal Es una forma de onda que se representa mediante una serie de ondas seno o coseno. Amplitud pico (A) Máxima fuerza de la señal Frecuencia (f) Tasa de cambio de la señal Hertz (Hz) o ciclos por segundo Período = tiempo de una repetición (T) T = 1/f Fase () Posición relativa en el tiempo Por ejemplo, se puede escribir como S(t) = A sen (2ft + )

Conceptos Básicos

Conceptos Básicos Análisis Espectral Dominio del tiempo y de la frecuencia

Conceptos Básicos Bandas de frecuencias: especifican un determinado rango de frecuencias. Algunas bandas de uso frecuente son: HF High Frequency 3 MHz - 30 MHz VHF Very High Frequency 30 MHz - 300 MHz UHF Ultra High Frequency 300 MHz - 3 GHz SHF Super High Frequency 3 GHz - 30 GHz EHF Extra High Frequency 30 GHz - 300 GHz

Conceptos Básicos Rango Microonda: L banda 1GHz - 2 GHz S banda 2GHz - 4GHz C banda 4GHz - 8GHz X banda 8GHz - 12GHz Ku banda 12GHz - 18GHz K banda 18GHz - 27GHz Ka banda 27GHz - 40GHz Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) (ver ITU-T S5.138 S5.150) – bandas no licenciadas: “900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Americas only) “2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz ”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz

Conceptos Básicos Ancho de banda Usualmente usado para expresar la cantidad de información transportada en cierto tiempo. Una definición más especifica: Ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa. Se expresa como la diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor frecuencia. Por ejemplo: Transmisión de voz tiene aprox. 3kHz. Radio FM tiene 200 kHz. TV tiene 6 MHz.

Conceptos Básicos La velocidad de transmisión en bit/s es proporcional al ancho de banda disponible. El factor de proporcionalidad depende de la eficiencia del método de modulación empleado.

Conceptos Básicos Cantidad de Información. Si el número de niveles o estados de una señal es M, la cantidad de información asociada es I= log2 M Velocidad de Información. Si cada impulso de señal posee M estados o niveles,y se transmite en un tiempo Tb, la velocidad de información es Vi= I/Tb = log2 M/Tb Velocidad de Modulación. Es la cantidad de estados o niveles que se transmiten en un segundo. Si la duración del estado es Tb, la velocidad de modulación es Vb = 1/Tb baudios Vi = Vb log2 M bits/s (bps)

Conceptos Básicos Capacidad del Canal: Cantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo, expresada en bps C = B log 2(1 + S/N) A menudos e confunde con el ancho de banda y la velocidad de transmisión.

Conceptos Básicos Longitud de onda: Distancia ocupada por un ciclo. Distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos consecutivos. Asumiendo que la velocidad de la señal es v  = vT  = v/f Un caso particular es cuando v=c = 3*108 m/s (velocidad de la luz en el espacio libre)

Conceptos Básicos La potencia de una señal es medida en Watts (W). El decibelio (dB) es una expresión logarítmica que mide el radio entre la potencia, voltaje o corriente de dos señales. PdB = 10 Log10 (P2/P1) P1 potencia señal 1 P2 potencia señal 2 Cuando la cantidad en decibelios es positiva entonces hablamos de ganancia. Caso contrario es un pérdida.

Conceptos Básicos Incremento Factor Decremento 0 dB 1 x 1 dB 1.25 x

Decibelios dBm dBm usualmente usado en WLANs. PdBm = 10 log10 (PWATTS/1mW) 1mW = 0,001 Watts

Decibelios dBm dBm mW 0 dBm 1 mW 1 dBm 1.25 mW -1 dBm 0.8 mW 3 dBm 1000 m W(1 W) -30 dBm 0,001 mW 40 dBm 10,000 mW (10 W) -40 dBm 0,0001 mW

Antenas Dispositivo usado para transformar una señal RF, viajando sobre un conductor, en una onda electromagnética en el espacio libre. Reciprocidad: se refiere al hecho que una antena conserva sus mismas características sin importar que este trasmitiendo o recibiendo.

Antenas Ancho de banda: Rango de frecuencias sobre el cual la antena puede operar. Directividad (Directivity): Habilidad de una antena de enfocar la energía en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor de una dirección particular cuando esta recibiendo.

Antenas Patrón de radiación: Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio. Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.

Antenas

Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional

Antenas Ancho del Haz (beamwidth): Conocido también como mitad de la potencia del ancho del rayo. El ángulo que subtienden los dos puntos sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la potencia pico del mismo se reduce en 3 dB. Se busca la intensidad de la radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de la intensidad pico.

Antenas Polarización: dirección del campo eléctrico emitido por una antena. Puede ser: Vertical Horizontal Elíptica Circular

Antenas

Antenas

Tipos de Antenas Antena isotrópica (ideal) Radia potencia en todas las direcciones por igual. Produce un campo electromagnético útil en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de eficiencia

Tipos de Antenas Antenas dipolo Antena “Half-wave dipole” (o antena Hertz). Antena “Quarter-wave vertical” (o antena Marconi).

Antena Half-Wave Dipole La antena más corta que puede ser usada para radiar señales en el espacio libre. Está formada por un conductor eléctrico recto. Este mide ½ la longitud de onda. Es una de las antenas más simples.

Antena Quarter-Wave Dipole Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida. También conocida como antena Marconi. Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para poder tener las características de una antena half wave dipolo.

Antena Quarter-Wave Dipole La radiación esta compuesta por: Señal radiada por la antena. Reflexión de la tierra (llamada imagen espejo). Otro método de obtener imágenes reflejadas es a través del uso de planos a tierra.

Tipos de Antena Según la frecuencia y el tamaño: Los tipos de antena varían de acuerdo a las bandas de frecuencias donde se vayan a utilizar. El tamaño de la antena varía también de acuerdo a la longitud de onda en las diferentes frecuencias.

Antena Omni Direccional de 2.4 GHz. Tipos de Antena Directividad: Omnidireccionales: Radian el mismo patrón alrededor de la antena en un patrón completo de 360 grados. Tipo dipolo Plano a tierra Antena Omni Direccional de 2.4 GHz.

Tipos de Antena Sectorial: Direccionales Antena sectorial Radia primariamente en una área específica El rayo puede oscilar entre 180 grados o ser tan delgado como 60 grados. Direccionales El ancho del rayo es mas angosto que las anteriores. Tienen mayor ganancia y por lo tanto se usan en largas distancias. Yagi Biquad Horn Helicoidal Antena de panel Disco parabólico Antena sectorial Antena Direccional 2.4 GHz

Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA 1 Reflector Directores: 1 director = 8dBi 15 directores = 14 dBi

Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA

Tipos de Antena:Antena de Patch o Plana

Tipos de Antena:Antena Parabólica El reflector Parabólico enfoca la señal Puede ser sólido o grillado 25 cm -15dBi 1 m X 50 cm -24 dBi 1 m sol -27 dBi 2m sol -31 dBi 3m sol -37 dBi

Tipos de Antena: Reciclaje de un Reflector Parabólico Transceptor colocado en el foco de la parábola. Puede alcanzar unos 10 km. Es fácil de construir y de bajo costo. Se puede utilizar en el interior.

Tipos de Antena: Antena Parabólica con Reflectores Grillados

Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” Tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de ¼ λ (= 12 cm a 2,4 GHz). El diámetro debe ser tal que se pueda propagar el modo fundamental pero se atenúen los modos superiores. En 2,4 GHz esto significa que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm. La longitud no es crítica, idealmente > 2 λ.

Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el fondo del tubo. El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a ¼ λg. λg es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía.

Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc= 1,706 D. La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = 300.000 km/s. (1/ λ)2 = (1/ λc)2 + (1/ λg)2. De donde: λg = ( (1/ λ)2 - (1/ λc)2 ) -1/2 o también:

Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” Para la frecuencia de 2,42 GHz, λ = 124 mm, λ/4 = 31 mm

Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” Con una lata de D = 100 mm, λc = 170,6 mm λg = (1/(124)2 – 1/(170,6)2)-1/2 λg = 180,5 mm, λg/4 = 45 mm

Ganancia de una Antena Ganancia de la antena G = ganancia de la antena Ae = área efectiva f = frecuencia portadora c = velocidad de la luz (3 * 108 m/s)  = longitud de la onda portadora Ganancia de la antena Potencia de salida, en una dirección particular, comparada con aquel producido por una antena omnidireccional (isotrópica). Área efectiva Relacionada al tamaño y forma de una antena

Ganancia de una Antena dBi es usado para definir la ganancia de un sistema de antena relativo a una antena isotrópica.

Modos de Propagación La manera en que viaja una onda depende de la frecuencia de la misma. Hay tres forma básicas: Ondas de Tierra Ondas del Cielo Línea de Vista

Modos de Propagación: Ondas de Tierra Las señales siguen el contorno de la tierra. Pueden propagarse a grandes distancias. Se encuentra en ondas de hasta aprox 2 MHz. Eg AM radio.

Modos de Propagación: Ondas de Cielo Las señales son reflejadas desde la capa superior de la ionosfera de regreso a la tierra. La reflexión es causada por la refracción. Ondas con estas características están ubicadas en approx. 3 a 30 MHz. Eg radio amateur.

Modos de Propagación: Línea de Vista Línea de vista (line-of-sight LOS) Las antenas receptoras y transmisoras deben estar en la línea de vista. Comunicación por satélite – las señales por encima de 30 MHz no son reflejada por ionosfera. Comunicación terrestre – las antenas deben estar dentro de la línea de vista efectiva de cada una, porque las ondas son refractadas por la atmósfera.

Radio de la Línea de Vista Línea de vista óptica Línea de vista efectiva o de radio d = distancia entre las antenas y el horizonte (km) h = altura de la antena (m) K = factor de adaptación para tomar en cuenta refracción K = 4/3 (regla de dedo)

Radio de la Línea de Vista Máxima distancia entre las antenas para la propagación LOS: h1 = altura antena uno h2 = altura antena dos

Antenas: Conectores Conector N: Conector BNC: Conector TNC: Tipo rosca. Habitual en antenas de 2,4 GHz. Conector BNC: Tipo bayoneta. Bueno para bajas frecuencias. Conector TNC: Similar al anterior pero roscado. Utilizado en telefonía celular. Utilizado en muy altas frecuencias.

Antenas: Conectores Conector SMA: Conector MC Card: Roscado. Pequeño. Uso interior. Baja pérdida. Conector MC Card: Son conectores miniatura usados en microndas Usado, especialmente en las tarjetas PC Cards (PCMCIA) de fabricantes copmo: Apple, Avaya, Buffalo, Compaq, Dell, Enterasys, IBM yOrinoco. No tiene rosca Esta dotado de un pin central.

Antenas: Conectores Conector MMCX: Conector microminiatura. Usado por fabricantes como: Cisco, Microtik, Samsung y Zcom. No tiene rosca y esta dotado de un pin central. Ver http://www.hyperlinktech.com/web/connectors.php para una buena referencia de tipos de conectores y su utilización.

Antenas: Cables Usados para conectar una antena con el radio.

Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente en dB/ 100 ft y (dB/ 100 m)

Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente en dB/ 100 ft y (dB/ 100 m)

Antenas: Cables - PigTail Usado para conectar la antena (con un conector N) al equipo inalámbrico (con conector distinto).