Contidos:
El trimestre pasado analizamos antenas y sus parámetros de radiación. Su característica más importante es la ganancia o directividad, un valor en dBi que indica su capacidad para convertir electricidad en ondas electromagnéticas (y viceversa) en relación a la antena isotrópica ideal.
En la realidad, la antena va trabaja en equipo, está acompañada de un transceptor una línea de transmisión, y por último va la antena. Para saber la potencia (W o dBm) una antena transmisora entrega al aire tenemos dos parámeros.
A “PIRE,” Potencia Isotrópica Radiada Equivalente ou EIRP (Equivalent isotropically radiated Power) é a potencia que unha antena isotrópica tería que radiar para poder alcanzar a mesma densidade de potencia observada na dirección de máxima ganancia da antena.
A potencia sae inicialmente do transmisor de radio como sinais eléctricas. Despois pasa por unha liña de transmisión que lle vai producir unhas perdas e por último, a antena realiza a transducción de sinais eléctricas a OEM.
$$PIRE\ [dBm]=P_{Tx}[dBm]-L_{LT}[dB]+G_{antena}[dBi]$$É o estándar que utiliza a IEEE para medir a potencia (en W, dBm, dBW…) que se radia ó espazo libre. Collemos a potencia do radio transmisor, quitámoslle as perdas na liña de transmisión, latiguillos etc, e lle sumamos a ganancia da antena. É un dos conceptos máis importante de radicomunicacións:
A PIRE nos permite comparar combinacións de antenas e transmisores diferentes:
$$PIRE = PRA + 2.15dB$$A “PRA” (potencia radiada aparente) é outra maneira de expresar a PIRE. É o mesmo que a PIRE tomando como referencia a potencia que tería que radiar un dipolo en lugar dunha isotrópica:
Exemplos:
¿Que é mellor, moita potencia con pouca antena, ou pouca potencia con moita antena? Sobre o papel é idéntico, pero transmitir moita potencia eléctrica implica interferencias provocadas pola túa propia electrónica. En xeral, e dentro dun orde, é mellor non levar o transmisor ó límite e compensar cunha antena de máis ganancia.
Comunicación PaP/PtP (punto a punto / point-to-point) que utiliza medios non guiados (aire, vacío) e permite unha conectividade estable entre os dous extremos, chamados “nodos”. Dous tipos:
Un caso típico de radioenlace LOS é a Wi-Fi estándar de 5GHz (máis habitual que a de 2.4 GHz), que se utiliza en operadores de internet rural.
A partir de UHF (microondas), a propagación das OEM é en liña de vista (prácticamente liña recta, salvo por unha pouca difracción). Esta pode chegar a 10-15 km en zonas chás, pero podes lograr moito máis usando torres, ou apoiándote na xeografía (vales).
O cálculo da viabilidade dun radioenlace permite saber se a comunicación é posible en base á frecuencia, vano (distancia), e equipación escollida.
LEMBRA: Transceptor = transmisor + receptor (Tx + Rx)
Nun radioenlace temos dous nodos. A comunicación pode ser simplex (unidireccional: un nodo transmite e outro recibe) ou ben duplex (bidireccional, ambos nodos transmiten e reciben). En caso de duplex (habitual), hai que calcular a viabilidade en ambos sentidos. A menos que os transceptores sexan idénticos (antenas e liñas son recíprocas mismo efecto en ambos sentidos ,Tx/Rx). Neste exemplo só imos calcular o sentido “A → B”:
Partimos da potencia transmitida polo Tx “A”. Esa potencia sofre unhas atenuacións (pigtail e resto de liñas de transmisión). A ganancia da antena aumenta o nivel do sinal e o convirte en ondas electromagnéticas (neste punto temos a PIRE). Despois, no vano do enlace temos as perdas de propagación propias do espazo libre, que dependen da distancia e frecuencia (e tamén da temperatura, humidade do aire e outros factores). Na estación “B”, a antena receptora convirte as OEM en electricidade, aumentando o sinal por efecto da súa ganancia. Despois temos outra vez atenuacións por perdas de inserción nos pigtails e cableado, e o sinal chega finalmente ó Rx “B”. Á potencia recibida na estación “B” se lle chama RSSI (Received Signal Strength Indicator).
$$RSSI=P_{Tx}-(img)L_{pigtail\ Tx} + G_{ANT\ Tx} - L_{fs}+ G_{ANT\ Rx} -L_{pigtail\ Rx} $$
Entón, cando é viable o radioenlace? Cando a potencia recibida (RSSI) é maior que o umbral de recepción ou sensibilidade (mínima potencia que o receptor é capaz de procesar):
$$RSSI\ (dBm)>Sensibilidade\ (dBm)$$
Un dispositivo máis sensible terá un valor de sensibilidade en dBm máis baixo, e será máis caro.
O umbral de recepción vai estar sempre por riba do chan de ruido $RSSI(dBm)>Chan\ de\ ruido\ (dBm)$, a menos que traballemos usando técnicas de espectro ensanchado.
O marxe de esvaecemento (fade margin) é a potencia que pode perder o sinal sen chegar a cortar o radioenlace:
$$Fade\ margin\ (dB)= RSSI(dBm)-Sensibilidade(dBm)$$
Vimos que no camiño que percorren os sinais no radioenlace, a maior parte da distancia a pasan no aire, é dicir, no espazo libre. De feito, a maior parte das perdas se producen nesta zona. A atenuación que sofre unha OEM de frecuencia “f” nunha distancia “d” no espazo libre se pode calcular coa fórmula:
$$L_{fs}(dB)=32.44+20\cdot log(d(km))+20\cdot log (f(MHz))$$
Un dispositivo non ten unha única velocidade de transmisión, senón que ten moitas posibles, cada unha delas cunha sensibilidade e potencia de transmisión diferentes.
Así, cando un enlace empeza a fallar (porque te moves lonxe, ou porque empeoran as condicións meteorolóxicas) os nodos detectan tramas erróneas frecuentes negocian unha baixada de niveis de modulación (p.ex, de 64-QAM a 16-QAM), que implica unha sensibilidade mellor e por tanto unha mellor viabilidade do enlace.
En Wi-Fi, falamos dos índices MCS. Taboa completa (802.11n, ac). No pantallazo da miña rede Wi-Fi estaba a utilizar Wi-Fi 5 (ac) con 80 MHz de ancho de banda e MCS 6.
Vemos na táboa que para un único stream (SISO) e GI=800ns, isto implica unha modulación 16-QAM con FEC 2/3 e velocidade de transferencia de 263.3 Mbps, tal e como se puido ver no pantallazo anterior.
Parámetros que non veñen a conto:
- GI (Guard interval): Tempo que se espera entre símbolo e símbolo para evitar o efecto das interferencias multitraxecto (que o símbolo “n” chegue antes que o símbolo “n+1”).
- FEC (Forward Error Correction): Número de bits únicos sobre o total (únicos + redundancia cíclica CRC). Canta máis redundancia, mellor corrección de erros, pero menor aproveitamento do ancho de banda.
Se empezo a poñer distancia entre o PC (estación cliente) e o punto de acceso, tras un breve periodo de intercambio de tramas erróneas, baixará o MCS a 5, 4, 3… o que sexa necesario para manter un marxe de esvaecemento sen tirar a conexión por acumulación de tramas erróneas.
Sinto aguar a festa, pero non se pode radiar á potencia que queiras. O CNAF é a nosa Lei de referencia. Botemos unha ollada ás bandas libres ISM que usa o sistema Wi-Fi e á PIRE (EIRP) permitida:
.svg.png)
2400-2483,5 MHz, Ch 1-13, interiores/exteriores: 100mW máximo con densidade de 10 mW/MHz. Isto é: PIRE máxima 100mW (20dBm).
Ch.14 só se utiliza en Xapón.
En 2.4 GHz, os canais Wi-Fi van de un en un, pero se separan só 5MHz. En 5 GHz, os canais de 20 MHz van de catro en catro, pero solapan 20 MHz, o cal é preferible.
Ainda que a frecuencia máxima legal se duplica ó aumentar o ancho de banda, a real se reduce á metade.
Visto en https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2017-12318. “UN-85 RLANs y datos en 2400 a 2483,5 MHz” e“UN-128 RLANs en 5 GHz”. Máis info en Uso de las Bandas Libres de 5470-5725 MHz y 5725-5875 MHz en España
Tamén che poden interesar as bandas libres de 433 MHz (12 dBm con ciclo de traballo ≤10%) e de 868 MHz (16 dBm con ciclo de traballo ≤1%), usadas no sistema LoRa, entre outros moitos.
A comunicación non se produce só no vano, senón que segue distintos camiños. A partires da banda UHF hai que ter en conta que a comunicación tamén se produce na área circundante, formando un elipsoide.
A partir de UHF os sinais perden capacidade de penetración e gañan reflexión.
Así, ao receptor lle poden chegar diferentes réplicas dun mesmo sinal transmitido por diferentes camiños por efecto das reflexións producidas nos obstáculos que se atopan no espazo entre transmisor e receptor. Isto pode dar lugar a interferencias construtivas ou destrutivas.
A primeira zona de Fresnel é un elipsoide de eixo maior a traxectoria da onda directa. O seu tamaño depende da distancia entre antenas e da frecuencia de traballo. Non debe ser invadido por obstáculos para evitar perdas por difracción.
$$rF_{1}(x)=17,3 \cdot \sqrt{\frac{x\cdot (D-x)}{f(GHz)\cdot D}}$$
(distancias en km, resultado “r” en metros)
Simplificación para o punto central do vano:
$$rF_{1}(x)= 8,657 \cdot \sqrt{\frac{D(km)}{f(GHz)}} $$
Habitualmente considérase admisible unha obstrución máxima de como moito o 60% do radio da primeira zona Fresnel. Se o enlace cubre moita distancia (>10km) a curvatura da terra empezará a invadir como un obstáculo máis.
En canto a interferencias por multitraxecto, as zonas impares son positivas e as pares son negativas (provocan interferencia destrutiva por desfases múltiplos de 180º). O desexable é deixar totalmente libre a primeira zona e obstruir a segunda.
Fórmula do radio da n-ésima zona Fresnel:
$$rF_{n}(x)= \sqrt{\frac{n\cdot \lambda \cdot d_1 \cdot d_2}{d_1+d_2}} $$
Calcula o alcance (km) dun radioenlace formado por dúas estacións coas mesmas características. Solución: 4,85km.
Estación A:
Estación B:
Calcula:
Pasos para comprobar que o vano está suficientemente despexado nun radioenlace Line of Sight (microondas):
Se no punto anterior non se logra liña de vista, é posible que teñamos que instalar mástiles ou torretas. Incluso no caso de Doe Bay Wi-Fi tiveron que usar árbores. Nese caso o uso de drons equipados con cámara pode axudar a estimar a altura necesaria.
Despois se pasaría a facer as comprobacións de zonas Fresnel. Habitualmente trataremos de que a primeira zona quede libre.
Por último quedaría elexir routers e antenas que aseguren o alcance, estudiar ocupación do espectro para atopar canais libres, polarizacións alternativas, filtrado de dirección MAC...
Esta páxina serve para estudiar o radioenlace tendo en conta os accidentes xeográficos naturais. O único requisito é coñecer o rango (km) dos equipos que vas a empregar.
Entra a ver a páxina de axuda: http://wisp.heywhatsthat.com/help.html Aquí tes o mínimo. Agora abre a versión gratuita http://wisp.heywhatsthat.com/?user=free5 nun navegador compatible (FF, Chrome). Ese enlace permite gardar os cambios nas cookies do teu navegador. Cambia as unidades a SI na pestaña "Settings" → marca "metric". Despois sigue os pasos do seguinte vídeo:
Con isto xa podes saber se o radioenlace empeza a ser viable. O seguinte sería coller os prismáticos pero iso xa é materia de outra práctica.
Con todo o anterior podes calcular o "Lfs " máximo e así estimar o alcance coa fórmula anterior para para poñer no apartado "towers".
Entrega un ficheiro de texto con pantallazos da web (viewsheds con relevo, profiles, coordenadas). Explica cada pantallazo.
O RSSI actual é de -76 dBm. Mira os parámetros do transceptor:
Agora continua respondendo:
https://danielrios.me/apuntes/1819-STFM/37/
O seguinte material é unha tradución libre do artigo “10 COMMANDMENTS OF WIRELESS COMMUNICATIONS”, que ten unha explicación en vídeo aquí.
Estes son os dez mandamentos das radiocomunicacións:
Vaia artistas que son en B&B Electronics. O segundo mandamento me lembra a cuestión de escoller unha banda de frecuencias adecuada para a transmisión, que é algo que hai que facer en base a estes parámetros:
| MENOR FRECUENCIA | MAIOR FRECUENCIA |
|---|---|
| Menor ancho de banda por canal. Pouca velocidade de transferencia posible (bitrate). | Maior ancho de banda por canal. Maior velocidade de transferencia posible (bitrate) |
| Esquemas de modulación con poucos niveis (QPSK, 8-PSK...). Non hai marxe a moita corrección de erros e por tanto, se require un SNR elevado. | Esquemas de modulación de moitos niveis (64-QAM, 256-QAM...). Algoritmos de corrección de erros efectivos. Permítese un SNR pequeno. |
| Antenas grandes. | Antenas pequenas. |
| Electrónica máis barata. | Electrónica máis cara (con máis resposta en frecuencia, inmunidade electromagnética, precisión ó reproducir sinais...) |
| Maior penetración debido á elevada λ. O sinal tarda en perder enerxía xa a atenuación no espazo libre e no cable é menor (dB/m). Permítense "trucos" para vencer a curvatura da terra: Propagación ionosférica (reflexión), conductos troposféricos. | Menor penetración debido á reducida λ. O sinal perde enerxía antes xa que ten máis perdas por atenuación no espazo libre e no cable. Propagación LoS unicamente (Line of Sight). |
| Redes formadas por poucos nodos moi distantes. Moito consumo eléctrico por nodo. | Redes formadas por moitos nodos pouco distantes. Pouco consumo eléctrico por nodo. |