Diseño de radioenlaces terrestres fijos punto a punto

Diseño de radioenlaces terrestres fijos punto a punto Francesc Pérez Fdez.

Objetivo: diseñar y evaluar la viabilidad de un radioenlace unidireccional terrestre digital entre dos puntos de la troposfera. El parámetro que determina en una comunicación digital la calidad del enlace es el BER (Bit Error Ratio) y se obtiene a la salida del demodulador en el receptor. La BERestá estrechamente relacionada con la modulación utilizada y la SNR que el demodulador recibe en su entrada , que a su vez está relacionada con la cantidad de potencia emitida (Ptx) y la potencia de ruido del canal (Pn).

Durante el ejercicio se calcularán las condiciones física y medioambientales del radioenlace así como la potencia mínima en transmisión (Ptx) que garantiza una BER máxima igual a 10^-3., dadas unas condiciones de inicio.

MODULADOR4QAM

fp

AMPLIFICADORBPF

Gamptx, BW

ANTENA Tx,Gtx

vtx

Ptx

ANTENA RxGrx

AMPLIFICADORBPF

Gamprx BW

DEMODULADOR4QAM

fp

vrx

BERSNR

PrxPn

CANAL

Transmisor Receptor

Z1 Z2Z1 Z2S(t)

VTX VRX


Características de los componentes: Antenas, Tx y Rx:

Fijas. Orientadas, no hay pérdidas por desapuntamiento. Adaptadas, no hay pérdidas por desadaptación (Z1=Z2). Consideraremos que todos los

componentes están adaptados. Polarización circular a derechas, no hay pérdidas por desajuste de polarización. Se consideran ideales, es decir, no atenúan la señal, lo que implica que las ganancias de las

antenas son iguales a sus. La antena emisora radia toda la potencia Ptx que recibe y la receptora entregdirectividadesa al amplificador toda la que capta.

Las ganancias de las antenas Tx y Rx es Gtx=Grx=36 dB.

Amplificadores, Tx y Rx: Filtros paso banda ideales centrados en la frecuencia fp y con un ancho de banda, BW (hz),

igual al ancho de banda de la señal portadora s(t). El ancho de banda de dicha señal depende de la modulación utilizada en la comunicación y de la tasa de transferencia [vtx=vrx (bps)] a la que se desee realizar el radioenlace.

Las ganancias de las filtros Tx y Rx son Gamptx=100 dB y Gamprx=20dB respectivamente.

Modulador: Modula la señal de información en amplitud, utilizando 4 símbolos, y centrándola en fp. La velocidad de símbolo (baudios: símbolos por segundo) es VTX(baudios)=VRX=vtx(bps)/2.

Al utilizar 4 símbolos, los bits se agrupan de dos en dos. La velocidad de símbolos representa el ancho de banda (hz) que ocupa la señal portadora.

El valor de la frecuencia portadora es de 3Ghz (microondas).

Demodulador: Desmodula la señal portadora: decide el valor del símbolo recibido y expulsa el grupo de bits

asociado a una tasa de bits vrx=2·VRX(baudios). Convierte la señal en banda base con un ancho de banda (hz) de vrx.

Los componentes del receptor no añaden ruido térmico, ruido interno. Sólo tendremos en cuenta el ruido recibido a través de la antena, ruido externo Pn.


Características de los componentes: Canal:

El medio de propagación de la señal portadora EOM es el aire NO se considera el efecto MULTIPATH, el entorno del radioenlace es abierto y sin objetos

móviles. Existe un único obstáculo entre las dos antenas que puede obstaculizar el radioenlace

(difracción). No tendremos en cuenta las interferencias de EMI ni RFI. El ruido del canal es gaussiano y blanco.

No se tendrán en cuenta los efectos de los gases e hidrometeoros de la atmósfera, pues son despreciables a 3Ghz.


Escenario: la figura muestra la orografía del radioenlace de un único vano. El transmisor está ubicado en Villafarmés y el receptor en Ondrás. Se observa un obstáculo entre las dos poblaciones, el Pico de las Viudas.

Antes de evaluar de calidad del servicio prestado, BER, es necesario evaluar en términos de potencia la viabilidad del enlace. Es necesario verificar que la trayectoria del haz es limpia y no es entorpecida por obstáculos que provoquen la pérdida innecesaria de potencia.

No trabajaremos con el modelo Real. Lo adaptaremos para simplificar los cálculos. Consideraremos que la Tierra es plana y no curva, ya que una distancia de 15km es demasiado pequeña como para tener en cuenta la curvatura de la Tierra. En el modelo Real el rayo describe una curvatura debido a la

variación de refractividad atmosférica, cosa que puede complicar él procedimiento para la obtención de los datos que queremos. Es mejor reducir el escenario a uno donde el haz describe una trayectoria recta. Para poder trabajar con este nuevo modelo equivalente, modelo de Tierra Ficticia, hay que modificar la altura de los obstáculos entre las dos antenas.


MODELO TIERRA FICTICIA

La nueva altura de los obstáculos intermedios es igual a la que tienen en el modelo Real más un incremento denominado flecha (f), que depende de un parámetro Req (radio equivalente de la Tierra).

El radio equivalente de la Tierra depende del radio real (6400km) y una constante denominada factor-k cuyo valor depende de las condiciones atmosféricas. En una atmosfera estándar, la ITU, ha tabulado dicho valor en 4/3.


VISIBILIDAD

En el modelo de Tierra Ficticia calculamos si hay Line of Sight (LOS) o visibilidad directa.

Hay visibilidad directa ya que la altura del rayo sobre el pico (464m) es superior a este (454.39m).


CLARIDAD

Que el enlace tenga visibilidad no implica que sea viable aún. Hay que garantizar además, que el obstáculo deje libre al menos un 60% del primer radio de Fresnel del haz, que es donde viaja casi la mitad de la potencia de la onda. Si cumple este requisito podemos considerar el obstáculo despreciable.

El gráfico muestra la atenuación que sufre la potencia de la onda debido a la proximidad de un único obstáculo. R1 es el primer radio de Fresnel y h la distancia que separa el haz del obstáculo

h/R1

Ate

nu

ació

n (

dB

)

0,6


CLARIDAD

No hay claridad; se podría continuar con el análisis del enlace, pero la atenuación provocada por el obstáculo debería ser mitigada aumentando la potencia en transmisión, es decir aumentando el valor de Gamptx, cosa que hace que el enlace sea poco eficiente desde un punto de vista de balance de potencias.

Existen posible soluciones: poner un repetidor en el obstáculo y analizar el ejercicio como si fueran dos radioenlaces independientes o elevar la altura de alguna de las antenas.

3·10^90.1m

0.1 19.36m


SOLUCIÓN CLARIDAD

En nuestro caso, optaremos por la segunda solución, elevaremos la antena de recepción. Como mínimo la antena de recepción debe estar a 360m del suelo para que haya claridad y de esta forma el obstáculo sea inocuo. De ahora en adelante la antena en recepción estará a 400m del suelo.

225.0376)1(15000

2)1(

150005000

2502

hdhrayo

hdhrayoh

mh

mhdhrayo

mdhrayo

mRh

3602

4662·25.0376)1(

46639.45461.11)1(

61.1136,19·6.01*6.0


BER (Bit Error Ratio)

Queremos garantizar una calidad en el enlace de BER=10^-3. En el caso del demodulador 4QAM para garantizar esta tasa máxima de error de bit debe tener un SNR a la entrada de 6.5dB

SNR (dB)6.5

10^-3


RUIDO EXTERNO

La potencia de rudio externo es el área azul, dentro del ancho de banda del radiocanal, debajo de la línea de densidad espectral de ruido media estimada para el mismo. Podemos considerar el ruido espectralmente constante para todas las frecuencias porque es gaussiano y blanco. En nuestro caso consideraremos una potencia media de ruido a la entrada del demodulador de Pn=20µW.

POTENCIA RECIBIDA MÍNIMA (Prx): para garantizar la SNR mínima requerida, 6.5 dB, debemos recibir una cantidad mínima de potencia de la señal portadora cuyo valor es Prx=19.51dBµW.

dffPn )(

ρ(f)

f

BW BW

wdBwPndBSNRwdBPnwdBx

wdBPnwdBxwPn

wxdBSNR

51.195.6))((·log10)()()(Pr

)()(Pr))(

)(Pr(·log10)(

10

10


POTENCIA TRANSMITIDA MÍNIMA (Ptx): para garantizar la Prx mínima de 19.51dBµW debemos emitir una cantidad de potencia, Ptx, mínima desde el emisor. La ecuación de Friis relaciona ambaspotencias teniendo en cuenta que el medio es ideal y no produce alteraciones en la señal salvo la atenuación derivada de las pérdidas de propagación en el espacio libre, que por otro lado es inevitable. La Ptx mínima calculada es de 36W aproximadamente.

En nuestro radioenlace solo existen pérdidas debido a la propagación en el espacio libre. La ecuación de Friis establece la relación entre Ptx y Prx. Conocemos todos los valores de la ecuación excepto la distancia, r, recorrida por el rayo directo.

398110;33.891010)(Pr

35604426)

26.20000·4

1.0·(3981·3981

33.89

)4·(·

)(Pr)(

10

36

10

51.19

10

)(Pr

22

GrxGtxwx

rGrxGtx

wxwPtx

WdBx

Antena Tx502m Antena Rx

400mTierra20km

Antena Tx –Antena Rx=102m

Tierra20km

mr 26,2000020000102 22


En la realidad el canal no es ideal y varios factores atenúan aún más la potencia de la señal emitida mientras viaja. La difracción se considera despreciable al haber garantizado la claridad del vano. La longitud de onda de 1 cm es demasiado grande como para que los gases e hidrometeoros de la atmosfera supongan un problema para la señal, por lo tanto también se considerarán despreciables.

EFECTO DE LA REFLEXIÓN DE LA TIERRA: el rayo reflejado es obstruido por el obstáculo. También se considera despreciable. En el dibujo la trayectoria seguida por el rayo reflejado es de color azul.

kmdd

13.11

502

20000

400502

Antena Tx =502m

Tierra20km

Punto de reflexión

Antena Rx =400md

Antena Tx502m Antena

Rx400mTierra

20km

Imagen

Punto de reflexión


EFECTO DE LA REFLEXIÓN DE LA TIERRA:

Si tuviera que tener en cuenta los efectos producidos por los factores mencionados debería modificar la ecuación de Friis añadiendo un parámetro de atenuación por cada factor implicado.

mh

h

276613011130

502

d=11.13km

Antena Tx =502m

d=5km

h_haz_reflejado

AhidroAgasesAdifrAreflr

GrxGtxPtxx

···

)4·(··

Pr

2

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