Teoría de Radio y calculo de enlace para Wireless LAN (WLAN)


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: Watts:

(dBm= 10*log10(P/ 1mW))


Pérdida en un cable coaxil en 2.45 GHz

Aquí hay algunos valores de pérdida para cables coaxiales comunes:

Elegir tipo de cable:

Longitud (metros): Pérdida en dB (valor negativo !):


Antena


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]


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) :

Pérdida en dB (valor negativo !): kilómetros:

(Fórmula Friis)

  • Para otra frecuencia la perdida de espacio libre es 32.6 + 20.log(F [Mhz]) + 20.log(D [km])

  • Sensitividad 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 la performance. Por lo que hemos usado mejor un receptor con un valor de threshold bajo, aquí hay algunos valores típicos de sensitividad de receptor:

    (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:

    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.


    Calculo de Enlace ( Link Budget )

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

    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 performances. Por lo tanto es necesario tomar un suficiente margen de seguridad (5-6 dB o más en distancias grandes).

    Transmisor Energía output del transmisor : dBm
      Pérdida de cable (valor negativo!) : dB
      Ganancia de antena : dBi
    Propagación Pérdida de espacio libre (valor negativo!) : dB
    Recepción Ganancia de antena : dBi
      Pérdida de cable (valor negativo!) : dB
      Sensitividad del receptor (generalmente valor negativo) : dBm
    Total Margen restante: dB
    Comentarios  
    Límite legal  

     


    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". (la explicación está realmente simplificada !).

    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 %).

    Distancia "D" entre transmisor y receptor [metros] :

    Distancia "d" entre transmisor y obstáculo [metros] :

    Radio "R" de zona prohibida en esta distancia [metros] :

    (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.

     

    Altura "h" entre tope de antena y tope de obstáculo [metros] :

    Distancia "D1" entre transmisor y obstáculo [metros] :

    Distancia "D2" entre receptor y obstáculo [metros] :

    Pérdida de energía en 2.45 Ghz [dB] :

     


    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 o tapones abridores de broma ;-)

    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:

    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 (300'000'000 m/s):

    Diferencia de tiempo [s] = Longitud de diferencia entre ruta directa y ruta reflejada [m] / 300'000'000

    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 line of sight. 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 una computación 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


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