Transcript factores que afectan la tranmsision inalambrica

Tema 2:
Factores que Afectan la
Transmisión
Profesora Maria Elena Villapol
[email protected]
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:
Pt 4d  4fd 


2
Pr

c2
2
2
• 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:
LdB  10log10
 (4  df )
Pt
 20log10 
Pr
c


4
  20log10 f  20log10 d  20log10
K
c

si d está en metros y f en Hz se tiene
LdB  10log10
 (4  df )
Pt
 20log10 
Pr
c


  20log10 f  20log10 d  147,55

Si d está en kilómetros y f en MHz entonces:
LdB
 (4  df )
Pt
 10log10
 20log10 
Pr
c


  20log10 f  20log10 d  32,45

Pérdida en el Espacio Libre
Pérdida en el Espacio Libre
•Para otras antenas se tiene la siguiente ecuación:
Pt (4 ) 2 d 2 (d ) 2
(cd ) 2


 2
2
Pr
Gr Gt 
Ar At
f Ar At
•Gt =
 Gr =
At =
Ar =
ganancia de la antena que transmite.
ganancia de la antena que recibe.
área efectiva de la antena que transmite.
área efectiva de la antena que recibe.
Pérdida en el Espacio Libre
•La fórmula anterior en decibelios es:
LdB  10 log10
Pt
 20 log10 f  20 log10 d  10 log10 ( Ar At )  169,54dB
Pr
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:
N  kTB
– k = constante de Boltzmann = 1.3803 X 10-23 J/K
– T = temperatura, en kelvins (temperatura absoluta)
• En decibelios-wats
N  10log k  10logT  10log B  228,6dBW  10logT  10logb
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
R
poste
S
D
R
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
Señales recibidas
Tiempo
Resultados combinados
Tiempo
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:
N D1D2
Rn  M
f D1  D2
• 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
Pp
Pna
Gaa
Pcb
Pca
Gab
Pca
Pnb
Gs
Pcb
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
Pérdida en los cables
Pérdida en el Diplexer de TX
Pérdida en el Cable de TX
Ganancia de la antena TX
Pérdida en el espacio libre (FSL)
Ganancia de la antena RX
Pérdida en el Cable RX de
Pérdida en el Diplexer de RX
Pérdida en Cable
• Nivel de Señal Recibida =
+25dBm
-1dB
-2 dB
-2.5 dB
+21 dBi
-124.5 dB
+21 dBi
-2.5dB
-2 dB
-1 dB
---------------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
Ganancia
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