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Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación
Tema 8: RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO 04 de marzo de 2008
Juan José Murillo Fuentes
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8.1
Bibliografía Bibliografía básica: • Estas transparencias están basadas en el capítulo 5 del libro “Transmisión por radio” del prof. Hernándo Rábanos, ed. Ramón Areces 2003. Bibliografía adicional: • “Radio system design for Telecommunications”, Roger L. Freeman. Wiley scd ed.
© Copyright 2005. Si utiliza este material para generar algún otro cítelo como J.J. Murillo-Fuentes. “Radioenlaces terrenales del servicio fijo. Transparencias de la asignatura radiación y radiocomunicación.“ Universidad de Sevilla. 2005
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8.2
Tema 8: RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO
Introducción 8.1 Estructura general de un radioenlace 8.2 Planes de frecuencias: bandas y asignación de frecuencias 8.3 Diagramas de bloques de equipos 8.4 Dispositivos de microondas y antenas 8.5 Parámetros básicos de un radioenlace 8.6 Anchura de banda 8.7 Datos de propagación necesarios para el cálculo del enlace 8.8 Desvanecimiento multitrayecto 8.9 Diversidad 8.10 Calidad y disponibilidad 8.11 Trayecto Digital Ficticio de Referencia para radioenlaces digitales 8.12 Calidad de radioenlaces digitales 8.13 Interferencias 8.14 Protección de los radioenlaces Repaso Radio Digital Ejemplos y Equipos
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8.3
Radiación y Radiocomunicación Tema 8. RADIOENLACES TERRENALES DEL SERVICIO FIJO Introducción 8.I Estructura general de un radioenlace: equipos, planes de frecuencias, antenas, parámetros básicos, ... 8.II Cálculo del enlace: Desvanecimiento multitrayecto y Diversidad 8.III Calidad y disponibilidad Trayecto Digital Ficticio de Referencia para radioenlaces digitales Calidad de radioenlaces digitales 8.IV Interferencias 8.V Protección de los radioenlaces
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8.4
8.0 Introducción Radioenlace: a cualquier interconexión entre terminales de telecomunicación efectuada por ondas radioeléctricas. • Terminales
Fijos: radioenlaces del servicio fijo Móvil: sistemas o servicios móviles
• Situación de terminales
Todos en la tierra: radioenlaces terrenales Uno o más repetidores en satélite: radioenlace espacial o por satélite
Radioenlaces terrenales del servicio fijo: sistemas de radiocomunicaciones entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan una capacidad de transmisión de información con unas características de disponibilidad y calidad determinadas.
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8.5
8.0 Introducción Frecuencias: 2-50 GHz : enlaces de microondas. Sistemas modulados, con multiplexación. Radiocanal: pareja de portadoras ida y retorno. Se asocia a la idea de circuito de telecomunicación dúplex a 4 hilos. Clasificación atendiendo a la modulación de esta portadora • Radioenlaces analógicos,
Modulación: FM Señal moduladora: Múltiplex telefónico (hasta 2700 canales telefónicos), una Señal de Video (0 a 5 Mhz), una señal radiofónica FM
• Radioenlaces digitales,
Modulación: B-PSK, 4-PSK, D-PSK, OQPSK, MQAM,... Señal moduladora 9 video, audio, datos,un múltiplex digital 64 Kbits/s ITU-T (antiguo CCITT), o múltiplex de orden superior PDH y SDH, 9 Capacidad: baja hasta 2Mb/s, media hasta 8, alta si ≥ 34 Mbits/sg.
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8.6
8.0 Introducción Propagación troposférica • Repetidores • Vano: sección del enlace radioeléctrico entre un terminal y un repetidor, o entre dos repetidores.
Si f 10GHz, la atenuación por lluvia limita la distancia: límite≈30 Km Económicamente, interesan vanos de la mayor longitud posible Pero, hay que tener en cuenta desvanecimiento es proporcional a d (Rec ITU 530) El problema: ¿Longitud óptima del vano?
Existen radioenlaces con propagación por dispersión troposférica: “radioenloaces transhorizonte” • Allí donde los repetidores tengan una difícil colocación • Alcance de 200 Km • Problemas: elevadas potencias, grandes desvanecimientos: terminales caros. • Alternativa: radioenlaces por satélite.
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8.7
8.0 Introducción Antenas muy directivas (relación delante-atrás) permiten • Reutilización del mismo par de frecuencias en cada vano
Limitación de recursos espectrales: • Planes estrictos de canalización: aumenta distorsión, ISI,...
Solución: codificación, igualación.
Ventajas e inconvenientes de un radioenlace • Ventajas (no hay que poner el medio)
Inversión reducida
Instalación rápida y sencilla
Conservación más económica y de actuación rápida
Se superan bien las irregularidades del terreno
• Inconvenientes (acceso a emplazamientos elevados)
Necesidad de visibilidad directa
Acceso adecuado a repetidor, energía, ...
La segregación de canales no es tan flexible
Linealidad en repetidores
Anchos de banda reducidos comparado con fib. óptica
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8.8
8.1 Estructura general de un radioenlace ¿Qué partes tiene un radioenlace? ¿Qué nomenclatura se utiliza para ellas? ¿Cuándo fallan? ¿Qué mecanismos se contemplan para hacer frente a fallos?
►Indice
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8.9
8.1 Estructura general de un enlace reflector
Rp1
!! Rp2 TA
Vano 1
M T V R X Supervisión
f1 f2
Terminal A
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TB
Vano 3
Vano 2
R-T
R-T
T-R
T-R
Supervisión
Supervisión
M V T X Supervisión R
Terminal B 8.10
8.1 Equipos y elementos de reserva Estaciones terminales y estaciones repetidoras intermedias con sus equipos transceptores • Transceptores (TRX): equipos transmisores-receptores en el mismo bastidor, compartiendo el mismo sistema radiante. Las estaciones intermedias pueden ser • Estaciones nodales: se baja a banda base y se pueden extraer-introducir canales (“drop-in”). Rp1
TA
Sección de conmutación: Control, protección y supervisión
Nodo1
• Repetidores activos: se amplifica en FI y se reenvía • Repetidores pasivos: la señal se reenvía, en otra dirección, tal como ha llegado. Son reflectores (espejos), back to back,...
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8.11
8.1 Equipos y elementos de reserva: Back-to-back Típico en sistemas de señalización ferroviarios
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r GSM
Radioenlace Copyright ©murillo 2007
Copyright ©murillo 2007
Secto
8.12
8.1 Equipos y elementos de reserva Sistema de comunicaciones “en serie”: un corte en un vano inutiliza el sistema completo. • Y se exige una elevada disponibilidad:
Redundancia 9 elementos de reserva: equipos (averías) y canales 9 técnicas de diversidad (desvanecimientos) Sistemas de supervisión
Elementos de reserva • Equipos de “protección” o “reserva activa” (stand-by) • Sistemas “M+N”: M canales activos y N de reserva
Muy usuales sistemas 2+1 y 3+1. Conmutación 9 Por separado en cada sentido 9 automática (sistemas de supervisión) o manual (mantenimiento). 9 En FI (ciclo conmutación más breve) o en BB
• Utilizados por: degradación señal referencia, ruido elevado, BER alta.
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8.13
8.1 Equipos y elementos de reserva Sistemas de supervisión • Canales de servicio: canales reservados para la comunicación entre personal de mantenimiento • Telecontrol: obtener la máxima información sobre el posible estado del radioenlace en un momento determinado (estación no atendida ⇒ central) • Telemando: envío de información a las estaciones no atendidas en permanencia (estación no atendida ⇐ central) • Señales de control del sistema de conmutación
►Indice
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8.14
8.2 Planes de frecuencias: Bandas y asignación ¿Cómo asignar las distintas frecuencias de portadora en cada vano del enlace para cada radiocanal? •¿Deben de tener alguna separación? •¿Qué papel juegan las antenas? •¿Y la polarización?
¿Qué es el plan de frecuencias? ¿Está regulado?
►Indice
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8.15
8.2 Planes de frecuencias: portadoras El plan de frecuencias fija, entre otras cosas, las frecuencias de las portadoras (Tx-Rx) del radiocanal. Hay que tener en cuenta Frecuencias • Pt-Pr ≈ 60 a 90 dB suficientemente separadas • Pueden existir acoplos • La directividad de las antenas en repetidores. Plan a 2 frecuencias: una para cada sentido de la transmisión del vano. H H V V H H f1 f2 f1 f2
f1 delante
f2 atrás
• Hay posibilidad de interferencia hacia atrás y hacia adelante • Se cambia la polarización en cada vano
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8.16
8.2 Bandas de frecuencias En el Reglamento de Radiocomunicaciones (2001, ITU-R) se asignan al servicio fijo las bandas: 2,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,15,18,23,27,31,38,55 GHz http://www.itu.int/ITU-R/publications/publication.asp?product=rr2001&lang=s
(previo pago) y http://www.mityc.es/NR/rdonlyres/E322047D-8EBB-4A46-891F6AE592606CC3/0/notasrr.pdf Atendiendo a este Reglamento, el Cuadro Nacional de Asignación de Frecuencias (CNAF) elaborado por la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información (SETSI) -Antigua Secretaría General de Comunicaciones (SGC)- recoge los distintos usos de las bandas, y entre ellos los de los radioenlaces del servicio fijo. http://www.mityc.es/Telecomunicaciones/Secciones/Espectro/cnaf/ (Ultimo: 2005)
Hoy día existe saturación por debajo de 10 GHz, y se han asignado nuevas bandas, por encima de los 17 GHz, hasta llegar a los 50 GHz
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8.17
Ejemplo 1: Radioenlace del Servicio Fijo
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8.18
Ejemplo 1: Radioenlace del Servicio Fijo CNAF 2005:
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8.19
Ejemplo 1: Radioenlace del Servicio Fijo
Figura 10
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8.20
Ejemplo 2: CNAF, UN-85: ¿Qué son estas frecuencias?
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8.21
5
Ejemplo 2: CNAF, UN-85: ¿Qué son estas frecuencias? CNAF 2002: NOTAS UN - 85 Banda de frecuencias 2400 a 2483,5 MHz. Estas frecuencias podrán ser utilizadas en redes de área local para la interconexión sin hilos entre ordenadores y/o terminales y dispositivos periféricos para aplicaciones en interior de edificios. La potencia total será inferior a 100 mW (PIRE). Otras condiciones de uso han de ser conforme a la Recomendación CEPT/ERC 70-03 Anexo 3. Esta utilización se considera de uso común. Esta banda de frecuencias también podrá utilizarse para aplicaciones generales de baja potencia en recintos cerrados y exteriores de corto alcance. La potencia radiada máxima será inferior a 100 mW. Esta utilización se considera de uso común. En ambos casos, las características radioeléctricas de estos equipos se ajustarán a las especificaciones ETSI ETS 300 328, ETS 300 440 o bien al estándar específico, si es el caso y en base a lo anterior deberá realizarse la correspondiente evaluación de la conformidad. Se puede consultar el del 2005 en http://www.mityc.es/NR/rdonlyres/585CE878E35E-43B6-B161-C43AEFE16410/0/notas_UN_junio2005.pdf
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8.22
8.2 Bandas de frecuencias: enlace digital Las bandas por debajo de 10 GHz están saturadas, Banda 18 23 27 31 38
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Gama de Separación de Recomendación Frecuencias Canales UIT-R Serie F (GHz) (MHz) 17.7-19.7 220-110-55-27.5 595 80-40-20-10-6 21.2-23-6 112 a 3.5 637 24.25-27.5 112 a 3.5 748 27.5-29.5 112-56-28 31.0-31.3 25-50 746 36.0-40.5 3.5-2.5 749 112 a 3.5
8.23
8.2 Planes de frecuencias: Bandas y asignación ¿Qué más cosas fija el plan de frecuencias aparte de las bandas? • El plan de frecuencias recoge para cada banda,
Su frecuencia central
Su anchura
Número de radiocanales
Las portadoras asociadas a cada canal
Separación entre frecuencias adyacentes y entre las frecuencias extremas y los bordes
Polarizaciones de cada portadora
Tipo y calidad de radioenlace
HVHVHVHVHV
Objetivos? • Optimizar la utilización del espectro • Minimizar interferencias • Otros: facilitar interconexión en circuitos internacionales, intercalado de radiocanales adicionales, transmisiones mixtas analógicas-digital
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8.24
8.2 Planes de frecuencias: enlace digital Ejemplo de plan para radioenlace digital: Rec 636 (14 GHz) • Separaciones posibles entre canales 14 ó 28 MHz: 32 ó 16 radiocanales 950MHz
23MHz
17MHz 1 2 3 14.400GHz
16
1’ 2’ 3’
70MHz
16’ 15.350GHz
28MHz
• Pequeña capacidad:
1 2 3 4
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1’2’ 3’ 4’
8.25
8.2 Planes de frecuencias: enlace digital Las frecuencias de portadora se suelen calcular a partir de un conjunto de expresiones, función de una frecuencia de referencia fr = 11 701 MHz
Estas expresiones, para el caso 28 MHz-16 radiocanales son fn= fr + 2 688 + 28n fn’= fr + 3 626 -28·(16 - n)
►Indice
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8.26
8.3 Diagrama de bloques de equipos 8.4 Dispositivos de microondas y antenas ¿Qué interfaces tiene un equipo? ¿De qué elementos consta?¿Qué arquitectura tienen? ¿Qué es un transceptor? ¿Qué es un front-end o cabecera? ¿Por dónde pasa una señal desde su modulación hasta su demodulación? ¿Qué elementos comparten los radiocanales? ¿Qué diferencia hay entre un repetidor y un nodo?¿Qué arquitectura tienen? ¿Cuáles son los dispositivos que forman parte de un radioenlace del SF? • ¿Líneas de alimentación? • ¿Antenas? ►Indice
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8.27
8.3 Diagrama de bloques de equipos Elementos: VF, BB, RF, FI, MUX, M y D, Tx, B (branching), C, F(feeder), DX, f1 y f2
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8.28
8.3 Diagrama de bloques de equipos Transceptor: Tx-Rx en el mismo bastidor Front-end: cabezal o cabecera LTT
Mod
Amp
Up-Conv
Filtro
U Eb/No C/N T. Señal
GR
PT
Banda Base T. Señal
Lb
GT
Amp FI
Dem
S/N Pe
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PR D-Conv
LNA
CAG
FI
R
LTR Filtro
Cabecera Fn
8.29
8.3 Diagrama de bloques de equipos Diagrama de bloques de un repetidor
DX
DX RF
D/C
U/C
FI
Diagrama de bloques de un nodo • Para regeneración señal (BB) • Para “drop-in” BB
PA
BB DX
DX RF
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D/C
FI
Dem
MX
Mod
U/C
PA
8.30
8.4 Dispositivos de microondas y antenas Circuitos de acoplo y alimentadores • De acoplo
Circuladores, Filtros, Polarizadores, Duplexores
• Alimentadores
Líneas coaxiales: 9 hasta 3 GHz, flexibles y fáciles de instalar 9 Conductor interno-dieléctrico-conductor exterior: 50 ohm
Tipo
Atenuación (dB/m) 1 GHz 3 GHz 7/8’’ 0.039 0.072 15/8’’ 0.021 0.039 Guiaondas: modo fundamental, f >3GHz Tipo Banda de Frecuencias (GHz) R 40 3.2-50 R 58 4.6-7.15 R 70 5.4-8.5
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Atenuación (dB/m) 0.024 0.041 0.055
8.31
8.4 Antenas Antenas reflectores de bocina o paraboloides, • Para f> 2Ghz, D 30 km » despejamiento= 0,6R1 3. hT y hR son los valores máximos obtenidos en 1. y 3.
• Si salen cero: 10-15 m
Despejamiento respecto a entorno inmediato Seguridad y protección de la instalación
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8.43
8.7 Datos de propagación necesarios para el cálculo de radioenlaces 2.- Pérdidas Adicionales • Atenuación por gases y vapores (f > 10 GHz) • Difracción por factor k, se calcula para ke
3.-Atenuación por lluvia (f > 6,7,10 GHz) → p% de tiempo, indisponibilidad 4.- Despolarización
8.8 Desvanecimiento multitrayecto 5.- Se produce por reflexión en el suelo o por reflexión en la atmósfera (debido a cambios en el índice refracción) • Aumenta con frecuencia y distancia
Efecto de la selectividad
P (F ) = K ⋅ d 3.2 ⋅ (1 + εp )−0.97 ⋅ 10[ 0.032 f −0.00085hL −F /10 ](%) Método 1 de la recomendación ITU-R 530
• RE Digitales:
ISI → BER ↑ , despreciable vb 20 Mbps 9 diversidad+igualación+codificación 9 No mejora a potencia ↑ Recuperación de portadora: error de fase = giro en la constelación Temporización: no en la máxima abertura del diagrama de ojo
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8.44
Efecto ISI en Diagrama de Ojo Eye-Pattern Diagram
Eye-Pattern Diagram
2 2.5 1.5
2 1.5
1
1 0.5 amplitude
amplitude
0.5 0
0 -0.5
-0.5
-1 -1 -1.5 -2
-1.5
-2.5 -2 4
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6
8 10 time (second)
12
0 x 10
-6
0.2
0.4 0.6 time (second)
0.8
1 x 10
-5
8.45
8.8 Desvanecimiento multitrayecto por reflexión en suelo 6.- Ya se vió en tema 7. Soluciones: • Diversidad, • Inclinación de las antenas (RR en mínimo diagrama radiación), • Desplazamiento del punto de reflexión, Alturas antenas • Apantallamiento RR • Sistemas antireflectantes: se ponen en fase (con φ) los RD y se calcula s para cancelar la suma de RR. RD
θ
δ=
2π
λ
⋅ s ⋅ senθ = π
H Rx
s RR
φ
DF
θ
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8.46
8.9 Solución: Diversidad Diversidad: enviar información por caminos radioeléctricos diferentes • Espacial, • de frecuencia, • de ángulo, • de polarización, • de ruta Según el tipo de procesado de Señal de los distintos caminos: • Conmutación • Combinación Interesa correlación pequeña entre distintas señales a procesar Ventajas: • Reduce el % de tiempo de desvanecimiento • Aumenta la fiabilidad (redundancia) • Mejora la S/N o la BER
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8.47
8.9 Diversidad Espacial Características • Poco probable un doble desvanecimiento • Una sola frecuencia • Redundancia sólo en Recepción: Fiabilidad en Rx. • Se aconseja una distancia vertical de
Δh =
λd 4h
RX
f1 TX
≥ 150λ
Δh
Procesador
f1 RX h: altura del transmisor
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8.48
8.9 Diversidad Espacial
En sistemas digitales las antenas pueden ir más juntas
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8.49
8.9 Diversidad de Frecuencia El periodo de desvanecimiento difiere para frecuencias separadas entre 2-5%. En la práctica (escasez de frecuencias) se separan un 1-2% • Cuando una se desvanece la otra frecuencia no. Redundancia Tx y Rx: Aumenta fiabilidad Inconveniente: usar otro radiocanal (espectro es bien escaso y caro)
TX1
RX1
Rama1
f1 BR
BR
Procesador
f2 TX2
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RX2
Rama2
8.50
8.9 Diversidad Espacial – Frecuencia (Montaje Mixto) Cuando la separación de frecuencia no sea suficiente RX1 BR
f1,f2
Tx1
RX2 Δh
BR Tx2
Rama1
Rama2 Procesador
f1,f2
RX1 BR
Rama3 Rama4
RX2
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8.51
8.9 Diversidad: otros
Div. frecuencial
Div. espacial
Div. espacial
Diversidad cuádruple: casos muy complicados, como largas distancias en mar. f3 f1 TX1 F1 RX1 F3 f3 f1 RX2 F3 TX2 f4 f2 F2 RX3 F4 f4 f2 RX4 F4
TX1 F3 RX1 F1 RX2 F1 TX2 F4 RX3 F2 RX4 F2
Diversidad de trayecto: lluvia. (circunstancias excepcionales) Diversidad de ángulo: se juega con haces de antenas
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8.52
http://www.gaips.upv.es/PWire.htm
Récord máxima distancia para radioenlace: 100 mW, 11Mbps, 2.5GHz ¿Es casualidad que sea sobre mar...?
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8.53
8.9 Diversidad con Trat. Señal Selección por conmutación: • Se elige la señal mejor.
Mayor intensidad
• Proceso de conmutación:
Microinterrupción (10-3 en 1sg → SESR, SES Ratio
Disponibilidad • ITU T G.827, ITU R F.557
Nota: Se toma 10-3 como degradación. El sistema empieza a degradarse antes, ej 10-6
A: Availability (disponibilidad o fiabilidad) MTBF: Mean time between failures MTTR: Mean time to restore
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8.64
8.12.1 Objetivos de indisponibilidad-fidelidad (5.15.1) Para diferenciar indisponibilidad de fidelidad, Rec ITU-T G.821, • El párametro básico es el SES y El ti e para mpo de • El To =10 s. fi d e i lidad ndispon ib (cal • Se pasa de disponible a indisponible si ida ilidad
d de
Hay 10 SES consecutivos
• Se pasa de indisponible a disponible si
n erro o cuent res) a
Hay 10 seg. sin SES
• Los ES en estado de disponibilidad cuentan como pérdida de fidelidad
10 s disponible
10-3)
• El período de indisponibilidad termina cuando durante 10 seg consecutivos
No hay SES → fidelidad
Objetivos de indisponibilidad, ITU-R F.695 → U < 0.3% (TDFR) repartidos proporcionalmente a la longitud del enlace • Si L es la longitud del enlace 0,3 ⋅ 280 U% = = 0,0336 % L < 280 km 2500 0,3 ⋅ L U% = % 280 km < L < 2500 km 2500
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8.66
8.12.2 Objetivos de fidelidad Criterios • Analógicos: S/N, ruido a una potencia de señal normalizada (dBm0,...) • Digitales: ESR, SESR: BER (Eb/No, interferencias, modulación, distorsión) Degradación: • Analógicos: gradual • Digitales: todo-nada Objetivos: (grado alto) Para cada sentido del TDFR (ITU-R F.594 y F.634): ESR 0.0032 (0.32%)
SESR 0.00054 (0.054%)
• También se reparten linealmente con la distancia, para cualquier mes L ⋅ 0.32% 2500 L ⋅ 0.054% SESR : 2500 L 0.0005 + ⋅ 0.00004 2500 ESR :
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L< 280km, 0.036% 280 < L < 2500
L< 280km, 0.006%
2500km ≤ L
8.67
8.12.2 Objetivos: Otras Recomendaciones ITU Las últimas recomendaciones (R F.1703, R F.1668) • Tienden a unificar los objetivos para las redes SDH
Para cualquier tasa
• Los parámetros ES y SES se definen (ITU T G.826) como
ES: segundos con algún “bloque” con algún bit erróneo SES: segundos con más del 30% de bloques con algún bit erróneo 9 La BER asociada a este objetivo no está clara (≈1.7 10-5)
• En disponibilidad se utilizan mismos parámetros, renombrados,
ITU R F.1703 9 AR, availability ratio: disponibilidad =A 9 MTTR 9 Mo, Mean time between Outage = MTBF+MTTR 9 OI, outage intensity = 1/Mo
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8.68
8.12.2 Objetivos: Resumen Recomendaciones ITU Circuitos de referencia T G.801 Disponibilidad (Availability): • Objetivos en redes de telecomunicaciones: T G.8272, • Objetivos en radioenlaces del servicio fijo: R F.557,695,696,6971; R F.17032 Fidelidad (Performance) • Objetivos en redes de telecomunicaciones: T G.8211; T G.8262, • Objetivos en radioenlaces del servicio fijo: R F.594,634,696,6971, R F.16682
1Para
canales con tasas inferiores a la primaria 2Para todas tasas
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8.69
8.12.3 Evaluación de la indisponibilidad (5.12) Indisponibilidad en sistema Duplex, con dos sentidos 1 y 2 U (%) =
T1 + T2 − T12 ⋅ 100 T
Indisponibilidad de un trayecto: equipos + propagación
U ( L) = U E ( L) + U p ( L) Se calculan por separado en cada vano y se suman •Equipos
Distintos equipos en vanos Equipos de reserva
•Propagación
Lluvia f>10GHz provoca indisponibilidad t ≥To, Desvanecimientos multitrayecto profundos son de corta duración t t o ) = exp ( −t o τ )
Si se conectan en serie dos equipos,
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(MTBF) -1 = (MTBF1 ) -1 + (MTBF2 ) -1
8.71
8.12.3 Evaluación de la Indisponibilidad de Equipos El otro parámetro necesario es el MTTR (Mean Time To Restore) • Depende del diseño del equipo La indisponibilidad en un sentido de un equipo para un canal i, Ui sin protección es MTTR U i (%) = ×100 ≈ {MTTR 10GHz la atenuación por lluvia es importante para indisponibilidad El tiempo en el que habrá indisponibilidad es en el que la atenuación por lluvia Ap excede el margen M • El margen está dado para una BER (10-3)→Umbral Th3 • Este % p del tiempo es
M = Ap = A0.01 ⋅ 0.12 ⋅ p − ( 0.546+ 0.043⋅log p ) dB donde M = PIRE − Lb + Gr − Ltr − Th 3 Lb = 92.5 + 20 log f (GHz ) + 20 log d (km) + γ a ⋅ d A0.01 = γ ⋅
Up = p
d 1 + d / do
Para frecuencias >20 GHz la lluvia limita la distancia máxima • Esta distancia máxima se obtiene despejando la máxima indisponibilidad permitida U max = U E + p ⇒ p ⎫ ⎬ A0.01 ⇒ d max M ⎭
[email protected] 8.73
8.12.3 Calidad de Radioenlaces: Evaluación de la Indisponibilidad, Equipos+Lluvia (5.15.3, 5.18.2)
Consideraciones generales • f > 10GHz, lluvia • Se suman los porcentajes de indisponibilidad de cada vano • Se comparan con objetivos, Grado alto, Fs es la figura de ruido • Proceso: del sistema a la entrada 1. UE=función de MTTR/MTBF x 100% del receptor 2. Th3=W(dB)+Fs(dB)+10log10Vb(bits/seg)-174, 3. M3 =C - Th =Pet-Ltt+Gt-Lb+Gr-Ltr-Th3 donde +2-5 dB ecua. Lb=92.5+20log10f(GHz)+20log10d(Km)+(γo+γw)d 4. Up=p(M(A0.01)) 9 Conocida la Atenuación excedida el 0.01% del tiempo A0.01, se puede calcular para otro porcentaje de tiempo p como M = A p = 0.12 ⋅ A0.01 ⋅ p −(0.546+0.043 log p )
(3.14.18)
9 Se iguala al Margen bruto y se resuelve (ec 2º logp) para obtener Up=p, el porcentaje de tiempo de indisponibilidad. 5. U=UE+Up
[email protected]
8.74
8.12.3. Calidad de Radioenlaces: Indisponibilidad. Datos prácticos.
Equipos
Lluvia
http://www.ericsson.com/enterprise/library/brochures_datasheets/Minilink/minilink_1105066.pdf
[email protected]
8.75
8.12 Calidad de Radioenlaces: Ejemplo Evaluación de la Indisponibilidad En • Con visión directa • Despejamiento suficiente • Pol Vertical
Pt=12dBm Gt=40 dB Ltt=0.5
R0.01=32mm/h
Th3= -83dBm Gr=40 dB Ltr=0.5 f=38GHz γ o= 0.036dB/Km γ w= 0.087dB/Km 5 Km
MTTR=5h MTBF=50000h
¿Indiponibilidad Total, Ut?¿Cumple con objetivos?
[email protected]
8.76
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Evaluación de la Calidad (Fidelidad) • Se suman los porcentajes de indisponibilidad de cada vano:
Plano Selectivo
PTT = PTP + PTS
También se usa la expresión más restrictiva α /2 α / 2 2 /α
(
PTT = PTP
+ PTS
)
,α = 1.5
• Se distingue entre radioenlaces de Pequeña capacidad y Media/Alta. • Pequeña capacidad (< 34Mbps) → Sólo Desvanec. Plano PTT = PTP = Po ⋅ 10 −M 3 / 10 × 100 (%)
(3.18.11)
9 Pb de que el desvanecimiento sea mayor de F=M3, 9 Para un factor de aparición de desvanecimiento Po 9 Si existe diversidad y como la mejora por diversidad
I=
[email protected]
P( pb sin diversidad ) ⇒ Pd ,TP = PTP / I Pd ( pb con diversidad ) 8.77
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Evaluación de la Calidad (Fidelidad) Capacidad Media/Alta: 2 métodos • Método de la signatura, se calcula el PTS y se suma al PTP • Método del margen neto de desvanecimiento: permite calcular PTT directamente Método de la signatura • Signatura de un receptor Modelo de 2 rayos H ( w) = a[1 − be − j (ω −ωo )τ ]
9 B=-20log(1-b), máximo desvanecimiento 9 fo frecuencia de ranura o notch (distancia a frecuencia de portadora, Fig 3.65) La signatura de un Rx, para el par (BERo,τ) → B(fo )
B(dB) Desv. aumenta
10
BER>BERo
20 30 20 10
[email protected]
BER0 Fase No Mínima FNM τ 10-3 -30
-18
0
18
fo
140Mbps 16-QAM Anchura efectiva=1/Ts =2x18MHz=36MHz
18
[email protected]
8.79
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Evaluación de calidad mediante Signatura Recordemos: necesitamos calcular PTS, porcentaje de tiempo en el que hay desvanecimiento selectivo y PTT = PTP + PTS • El PTS es el porcentaje de tiempo en el que existe desvanecimiento selectivo y se puede expresar como η, pb de desvanecimiento multitrayecto
p s = η ⋅ p (o | η ) PTS (%) = ps × 100
p(o| η), probabilidad de desvanecimiento selectivo condicionada a desvanecimiento multitrayecto
• Para el cálculo de η se proporcionaron expresiones en el Tema 7. • La probabilidad p(o| η) se puede calcular a través de la signatura: p(o | η ) = C ⋅ Pb (1) ⋅ k ⋅ τ 2
Ts2
C: Factor Constante pb(1): Valor de la pb de b para b=1. Se toma de una tabla. k: Signatura Normalizada, constante que depende de la signatura 9 Existen valores típicos para distintos Rx, con y sin igualación 9 O se calcula < τ 2>: varianza del retardo del eco. Ts, periodo de símbolo
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8.80
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Evaluación de calidad mediante Signatura • El proceso queda
Factor de actividad multitrayecto η = 1 − exp(−0.2 ⋅ Po0.75 ) Se elige el valor de pb(1) Pb(b) Uniforme Exponencial Weibull Pb(1)
Se toma valor típico de k
1
2.16
Método de modulación 64 QAM 16 QAM 4PSK
4
k Teórica Con igualación 15.4 0.4 5.5 0.3 1 0.2
O se calcula a partir del ancho W(MHz) y alto BC(dB) de la signatura 0 dB Ts − BC / 20 k K K K W MHz T K = ⋅ , donde = ( ) ⋅ y = ⋅ 10 A B A s B BC τ
Ts y τ en μsg
W
Si se supone el retardo distribuido exponencialmente, del Tema 7 2
2
< τ >= 2τ m , τ m el valor medio del retardo τm Finalmente, se calcula
⎛ d(km ) ⎞⎟1.3 ns = 0.7 ⋅ ⎜⎜ ⎝ 50 ⎠⎟⎟
2 PTS = ps × 100 = η ⋅ C ⋅ Pb (1) ⋅ k ⋅ 2 ⋅ τ m / Ts2 × 100 ⇒ PTT = PTP + PTS
[email protected]
Mojoro: C·Pb·2 = 4.32, (C=1) 8.81
8.12.4 Signatura normalizada para algunas modulaciones La tabla con la signatura para algunas modulaciones es la siguiente: k Método de modulación
Teórica
Con igualación
64 QAM
15.4
0.4
16 QAM
5.5
0.3
8 PSK
7.0
4 PSK
1.0
0.2
Valores de signatura normalizada para BER = 10-3 • ¿Cuál es el efecto de la igualación (equalización)? • ¿Qué pasará con PTS al aumentar el régimen binario? 2 PTS = η ⋅ C ⋅ Pb (1) ⋅ k ⋅ 2 ⋅ τm /Ts2 × 100
• ¿Qué pasará con PTS al aumentar el número de niveles?
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8.82
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Evaluación de calidad mediante Margen Neto Margen Neto de Desvanecimiento, valor teórico • Permite calcular directamente el PTT • La idea es calcular el PTT de la misma forma que PTP
Si para PTP → F=M3, y
PTP = Po ⋅ 10 −M 3 / 10 × 100 (%)
M e ? : PTT = Po ⋅ 10 − M e / 10 × 100 (%)
• Para el cálculo de Me se iguala y sustituye el valor de PTT y se despeja PTT = PTP + PTS = Po (%) ⋅ 10 − M 3 / 10 + PTS = Po (%) ⋅ 10 − M e / 10
⎛ PTS M 3 / 10 ⎞ ⎜ ⎟⎟ M e = M 3 − 10 log10 ⎜1 + ⋅ 10 ⎝ Po (%) ⎠
Si M3 ↓ entonces Me≈ M3 Si M3 ↑ entonces lim M e = 10 log10 Po (%) PTS M 3 →∞ M3>Me
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domina PTS
Me(dB)
domina PTP
M3(dB)
8.83
8.12.4 Calidad en Radioenlaces Digitales: Ejemplo Evaluación de fidelidad (calidad)
Se considera un vano de radioenlace digital que tiene las siguientes características • Velocidad 140 Mbits/s • Modulación 16 QAM • Desvanecimiento multitrayecto con factor Po=0.27 • Margen bruto para BER = 10-3, de 30 dB. • Distancia d=40Km • Signatura (la dada anteriormente en Fig 5.36) Se pide • Evaluar la calidad del enlace • Calcular el margen neto de desvanecimiento • Compare con los objetivos dados por la ITU-R.
►Indice
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8.84
8.13 Interferencias
¿Qué son las interferencias? ¿Cómo se clasifican? ¿Cómo se miden? ¿Cómo repercuten en BER? ¿Cómo se controlan?
8.14 Protección ¿Qué esquemas existen para la protección ante fallos en equipos y desvanecimientos? ¿Cómo se clasifican?
►Indice
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8.85
8.13 Interferencias Interferencias: Concepto • Clasificación 1:
Intrasistema (reutilización de frecuencias) Intersistema
• Clasificación 2:
Cocanal Canal adyacente
• Clasificación 3: detallada
Dos grupos según si la interferencia se desvanece o no con la señal S
A D 8
[email protected]
4
5 3
2 1,7
6
8.86
8.13 Interferencias 1 2 4 7 8
Grupo A Cocanal, canales de polarización cruzada Radiación hacia atrás Rebasamiento (3 tramos) Canal adyacente copolarizado Radiación hacia atrás y rebasamiento
3 5
Grupo B Recepción delante/Detrás
D
Rebasamiento Opuesto (3 tramos) Reflexiones No deseadas Otros Sist Dig
A
Otros Sist Analog
S
Sistemas Satélite
6
S
A
5 3
D 1,7
2 8
f1
4
f2
[email protected]
6 f2
f1
f1 f2 8.87
8.13 Interferencias: relación C/I La interferencia se evalúa con la relación portadora/Interferencia C/I (dB) • Dados un Tx A, un Rx B y un Tx interferente C, hay que tener en cuenta
Los filtros LFC y LFB: interferencia de canal adyacente Las pérdidas adicionales en ganancias de antenas: AC(β) y AB(α)
• Se puede expresar la potencia interferente en Rx B como PIB = PTC − L FC − LTTC + GTC − AC ( β ) − Lb + G RB − AB (α ) − LTRB − L FB
α
A β
B
Lb
C
Se calcula la Lb como si no hubiera obstáculos, a menos que salga C/I elevada,...
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8.88
8.13 Interferencias: C/I y BER El efecto de la interferencia en la BER es un incremento para una Eb/No dada. BER
Eb/No
El estudio de la repercusión de las Interferencias en la BER es complicado. • Solución conservadora: Se modela la interferencia como ruido gaussiano que se suma en potencia con el ruido del sistema: Peb = 1 / 2 ⋅ erfc
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c 1 = 1 / 2 ⋅ erfc n i n+i + c c
8.89
8.13 Interferencias: C/I y BER
Sol. Conservadora
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Incremento moderado
8.90
8.14 Interferencias: control Control de interferencias • Requerir discriminación mínima lóbulo ant-pos de 65 dB
Se evita interferencias hacia delante y hacia atrás
• Filtros buenos (gran selectividad)
Se evita interferencias de canales adyacentes
• Separación espectral adecuada • Diferentes polarizaciones • Limitar potencia sistemas interferentes: satélites, radar
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8.91
8.14 Protección de los Radiocanales La protección consiste en introducir Redundancia ante Fallos y averías en equipos
Desvanecimientos profundos
Conmutación de protección
Diversidad
Equipos redundantes en Tx y Rx, Sistemas n+1
Equipos redundantes en Tx/Rx
Sistemas de supervisión y lógica de conmutación
Selección por conmutación o por combinación
Se clasifican en • Esquemas sin diversidad
Sin reserva Con reserva: Isofrecuencia con reserva activa
• Esquemas con diversidad
Sin reserva: Isofrecuencia con dos antenas (Diversidad Espacial) Con reserva: heterofrecuencia con una antena (Diversidad Frecuencial)
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8.92
8.14 Protección de los Radiocanales: Ejemplo de Sistema de supervisión y gestión
[email protected]
8.93
8.14 Protección: Esquemas sin diversidad Sin reserva: Sistema simple Con reserva: “Isofrecuencia con reserva activa” (HSB, Hot Standby) • Sistema 1+1 requiere 2 Tx y 2 Rx, así como un sistema de conmutación • Sólo un Tx está activo a la vez, los 2 Rx siempre activos
BB
Tx1
Rx1
f1 H
Tx2
f2
Rx2
C O M B
BB
Conmutador
[email protected]
8.94
8.14 Protección: Esquemas con diversidad
Sin reserva: “Isofrecuencia con dos antenas” • Diversidad de espacio • Selección por conmutación o combinación • 1 Tx y 2 Rx f Tx1
Tx2
Rx2
Rx1
1
f2
Rx2
Rx1
Con reserva: “Heterofrecuencia con una antena” • Diversidad de frecuencia Rx’1 Rx’2 • 2 Tx y 2 Rx
Rx2
Rx1
Tx’2
Tx’1
f1 f2
f’1 f’2
Tx1
[email protected]
Tx2
8.95
8.14 Protección: Esquemas con diversidad • Nota: los sistemas n+1 con una antena realizan una selección por conmutación:
El funcionamiento normal es el de isofrecuencia con una antena Si hay fallo en equipo: se corresponde con esquema isofrecuencia con reserva activa Si hay desvanecimiento en un canal: se puede hablar de diversidad de frecuencia (frecuencia del canal de reserva suficientemente separada)
Diversidad Mixta: “Heterofrecuencia con dos antenas” Rx2 • Diversidad Espacial y Frecuencial • 2Tx y 2 Rx Rx’ Rx’ 1
2
Rx1
f1, f’1, f2, f’2,
Tx1
[email protected]
Tx2
f2
f1
Tx’2
Tx’1
Rx2
Rx1
8.96
8.14 Protección: Conmutación Conmutación • Prioridad en la asignación de canales de reserva
Por naturaleza de tráfico (TV, telefonía) Tipo de fallo (avería sobre ruido)
• El canal de reserva se libera una vez reestablecido el canal indisponible • Según el vano que pase a indisponible y los equipos en extremos, se puede realizar en
BB-BB FI-FI Mixtos BB-FI
• Se lleva cabo cuando se superan determinados umbrales de calidad y siguiendo determinados protocolos que aseguren su correcta ejecución.
►Indice
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8.97
Ejemplos I: Red de comunicaciones en Noruega Fabricante NERA
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8.98
Ejemplo II: Nokia FlexiHopper, muy utilizado en BTS
[email protected]
8.99
Ejemplo II: Nokia FlexiHopper, muy utilizado en BTS
[email protected]
8.100
Ejemplo II: Nokia
[email protected]
8.101
Ejemplo II: Nokia, outdoor unit
[email protected]
8.102
Ejemplo II: Nokia, indoor unit
[email protected]
8.103
Ejemplo II: Nokia, Hot StandBy
Dos equipos
[email protected]
8.104
Ejemplo II: Nokia, resumen
►Indice
[email protected]
8.105
Apéndice pWp0: Abbreviation for picowatts, psophometrically weighted, measured at a zero-dBm transmission level point. transmission level point (TLP): In a telecommunications system, a test point, i.e., a point where a signal may be inserted or measured, and for which the nominal power of a test signal is specified. dBm0: Power in dBm referred to or measured at a zero transmission level point (0TLP). Note 1: A 0TLP is also called a point of zero relative transmission level (0 dBr0). Note 2: Some international documents use dBm0 to mean noise power in dBm0p (psophometrically weighted dBm0). In the United States, dBm0 is not so used.
[email protected]
8.106
