Energía

La energía es expresada en Watts o en las unidades relativas a Decibel comparadas con milliwatts (dBm).

Conversión de Watts (W) a decibeles "milliwatts" (dBm) :

(dBm= 10*log10(P/ 0.001))

Pérdida en un cable coaxial en 2.45 GHz

Aquí hay algunos valores de pérdida para cables coaxiales comunes:

• RG 58: 0.83 dB por metro.
• RG 213: 0.41 dB por metro.
• RG 174: 1.44 dB por metro.
• LMR 195: 0.62 dB por metro.
• LMR 400: 0.22 dB por metro.
• LMR 600: 0.14 dB por metro

Antena

• La ganancia de antena está normalmente dada en decibelios isotrópicos [dBi]. Es la ganancia de energía en comparación con una antena isotrópica (antena que difunde energía en todas las direcciones con el mismo poder....la vista teórica en realidad no existe!).
• Algunas antenas tienen su ganancia expresada en [dBd], es la ganancia comparada con una antena dipolo. En este caso tienes que sumar 2.14 para obtener la ganancia correspondiente en [dBi].
• Cuanto más ganancia tenga la antena mayor es la directiva (energía enviada en una dirección preferida).
• Las antenas que vienen con kits WLAN generalmente no tienen mucha ganancia (2.14 dBi ).
• La ganancia de antena es la misma para recibir y transmitir.

Energía irradiada

La energía irradiada (energía enviada por la antena) puede ser fácilmente calculada (en dBm):

Energía irradiada [dBm] = Energía de transmisor [dBm] - pérdida de cable [dB] + ganancia de antena[dBi]

• El límite legal de energía irradiada (EiRP) para WLAN es generalmente puesto a 100mW (= +20dBm) pero depende de las regulaciones del país.

Pérdida de espacio libre en 2.45 GHz

Es la pérdida de energía de recorrido de onda en espacio libre (sin obstáculos).

Correspondencia entre pérdida de ganancia de espacio libre en dB y distancia en kilómetros (km) :

(Fórmula Friis)

• Estos valores sólo son válidos para una frecuencia de 2.45 GHz !

Sensibilidad de receptor

El receptor tiene un threshold mínimo de energía recibida (en el conector de la tarjeta) para el que la señal tiene que alcanzar un cierto bitrate. Si la energía de señal es más baja que el bitrate máximo alcanzable será decrementada o se decrementará el rendimiento. Por lo que hemos usado mejor un receptor con un valor de threshold bajo, aquí hay algunos valores típicos de sensitividad de receptor:

• Tarjetas Orinoco PCMCIA Silver/Gold : 11Mbps => -82 dBm ; 5.5Mbps => -87 dBm; 2Mbps=> -91 dBm; 1Mbps=> -94 dBm.
• Tarjetas CISCO Aironet 350: 11Mbps => -85 dBm ; 5.5 Mbps => -89 dBm; 2 Mbps => -91 dBm; 1 Mbps => -94 dBm.
• Tarjeta Proxim Symphony ISA (1.6 Mbps): 1.6 Mbps => -77 dBm ; 0.8 Mbps => -85 dBm.

(Estos son valores dados por el fabricante).

Signal to Noise Ratio (Proporción Señal a Ruido)

La sensitividad del receptor no es el único parámetro para el receptor, también tenemos que tener en cuenta la proporción de energía signal to noise. Es la diferencia de energía mínima a alcanzar entre la señal recibida deseada y el ruido (ruido termal, ruido industrial debido por ejemplo a hornos a microondas, ruido de interferencia debido a otra WLAN en la misma banda de frecuencia). Está definido como:

Proporción Señal/Ruido [dB] = 10 * Log10 (Poder de Señal [W] / Poder de ruido [W])

Si la señal es más poderosa que el ruido, la proporción señal/ruido (también llamada proporción S/N) será positiva. Si la señal está oculta en el ruido, la proporción será negativa. Para poder trabajar en una cierta proporción de datos el sistema necesita una mínima proporción S/N:

• Orinoco PCMCIA Silver/Gold: 11Mbps => 16 dB ; 5.5 Mbps => 11 dB ; 2 Mbps => 7 dB ; 1 Mbps => 4 dB.

Si el nivel de ruido es muy bajo entonces el sistema estará más limitado por la sensitividad del receptor que por la proporción S/N. Si el nivel de ruido es alto entonces será la proporción Señal/Ruido que contará para alcanzar una proporción de datos dada. Si el nivel de ruido es alto necesitaremos más energía recibida. En condiciones normales sin ninguna otra WLAN en la frecuencia y sin ruido industrial el nivel de ruido será de alrededor de -100dBm. Por ejemplo, para alcanzar una proporción de datos de 11 Mbps con una tarjeta Orinoco 802.11b podríamos necesitar una energía recibida de 16dB más alta (S/N ratio) por lo que un nivel de -100+16=-84 dBm pero en realidad la sensitividad mínima del receptor está en -82 dBm...más alto que -84. Significa que en este caso la sensitividad mínima del receptor es el factor limitante para el sistema.

Link budget (Presupuesto de link)

Link budget es el cálculo de toda la cadena de transmisión. Aquí hay un budget para pérdida de transmisión de espacio libre:

• Transmisión [dBm]: energía de transmisor [dBm] -pérdida de cable [dB]+ ganancia de antena [dBi]
• Propagación [dB]: pérdida de Espacio Libre [dB].
• Receptor [dBm]: ganancia de antena[dBi]- pérdida de cable [dB]- sensibilidad de receptor [dBm]
  
  La condición de funcionamiento del link es que el total : Total Transmisor + Total Propagación + Total Receptor debe ser mayor que 0 . El resto da el margen del sistema.

Advertencia: Estas reglas son teóricas. Representa el máximo alcanzable para un sistema. En realidad tendremos interferencias (otras redes WLAN, bluetooth), ruido industrial (hornos a microondas), pérdidas atmosféricas (humedad del aire, dispersión, refracción), antena mal orientada, reflexiones,... que afectarán pel rendimiento. Por lo tanto es necesario tomar un suficiente márgen de seguridad (5-6 dB o más en distancias grandes).

Propagación: elipsoide Fresnel

Una explicación rápida y simple del rol del elipsoide Fresnel en propagación de radio es ver la cosa como un "tubo" virtual donde la mayoría de la energía viaja entre un sitio transmisor y receptor. Por lo que para evitar pérdidas NO deberían haber obstáculos dentro de esta zona (región prohibida) porque un obstáculo alterará "el flujo de energía".

Por ejemplo, si la mitad de la zona prohibida está enmascarada (antena en el límite de line of sight), habrá una pérdida de energía de señal de 6 dB (pérdida de poder de 75 %).

• Estos valores sólo son válidos para una frecuencia de 2.45 GHz !.

(El radio de región prohibida aquí es 0.6 x Radio del primer elipsoide Fresnel)

Propagación: Difracción

Cuando un obstáculo está ubicado entre el transmisor y el receptor sigue pasando un poco de energía a través gracias al fenómeno de difracción en el borde superior del obstáculo. Cuanto más alta la frecuencia de la transmisión más alta será la pérdida.

• Estos cálculos son válidos en el caso de D1 y D2 más lejos que h.
• Esta pérdida es para agregar a la pérdida de propagación de espacio libre.
• La pérdida es la misma en una transmisión en la dirección opuesta (transmisor reemplazado por receptor y vice versa).
• Referencia: S. Saunders: Antenna and propagation for wireless communication systems.

Propagación: Polarización

La polarización de onda está dada por el tipo de tu antena y su orientación (elemento radiador) respectivamente al suelo . Por ejemplo una antena whip dará una onda polarizada vertical cuando esté verticalmente ( | ) y polarización horizontal cuando esté horizontal (--). Lo mismo para antenas Yagi ( |-|-|-| ). Las antenas helicoidales no producen polarización ni vertical ni horizontal sino polarización circular. La polarización circular puede girar a la derecha o a la izquierda...como tapones abridores normales.

Prácticamente en un sistema de transmisión de transmisor y receptor las antenas deberían tener la misma polarización para mejor performance. (Ya que la polarización cambia con difracciones y reflexión esta regla no siempre permanece). La polarización vertical es preferida para transmisión de larga extensión porque el efecto del suelo atenúa el poder de la señal en el caso de polarización horizontal en extensión larga.

Un sistema de transmisión con antenas de polarización circular es una buena forma para atenuar el efecto de reflexiones (principio usado para GPS).

Reflexiones y delay spread (distorsión de retardo)

Las ondas de radio se reflejan en los obstáculos que encuentran. En el lado del receptor agarramos al mismo tiempo la onda directa (si está en line of sight) y ondas reflejadas. Esto conduce a energía cancelada en ciertas frecuencias y también una diferencia de tiempo entre los diferentes componentes recibidos que hacen que la señal recibida se difunda en el dominio de tiempo. La consecuencia en el sistema es dañina y lleva a performances decrementadas (errores de transmisión). Para reducir este efecto el receptor tiene lo que llamamos un ecualizador que contrarresta estas faltas. De todas formas esto tiene una capacidad limitada y los manufacturadores dan el límite de delay spread para alcanzar un nivel de error mínimo en una cierta proporción de datos:

• Tarjeta Orinoco PCMCIA 802.11b, valores delay spread para una proporción de error de frame (FER) menor que 1%: 11Mbps => 65 ns ; 5.5 Mbps => 225ns ; 2 Mbps => 400ns ; 1Mbps => 500 ns.

Vemos que para un bit rate más alto mejor no tenemos que tener reflexiones largas. La diferencia de tiempo para una reflexión puede ser fácilmente calculada como viaje de onda de radio a la velocidad de la luz 300000000 m/s:

Diferencia de tiempo [s] = Longitud de diferencia entre ruta directa y ruta reflejada [m] / 300000000

Por lo que una diferencia de tiempo de 50 nanosegundos corresponde a una diferencia de longitud de ruta de 15 metros. Para minimizar la proporción de reflexión es mejor usar antenas directivas, estar en línea de visión. Otra posibilidad es usar tambien antenas de polarización de onda circular (antenas helicoidales) que cancelan bastante bien las primeras reflexiones.

Las reflexiones también existen en el conjunto de antenas de conectores de cable coaxial si éstas no están bien adaptadas y diseñadas (mala impedancia, antena mal sintonizada => ondas residentes, mal SWR) y tantos otros llevan a errores de transmisión.

Advertencia ! El valor de delay spread corresponde a un cálculo que involucra a la diferencia de nivel y tiempo de cada componente:
Delay spread [s] = suma de todos los componentes de { (ancho de componente) * (diferencia de tiempo de componente) }

Referencias, documentación

• Una excelente explicación de propagación de ondas de radio por VE3JF (radio amateur): VHF/UHF/Microwave Radio Propagation: A Primer for Digital Experimenters
• S.R. Saunders: Antennas and propagation for wireless communication systems, Wiley 1999

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