Presupuesto de enlace

Contabilización de ganancias y pérdidas de señales en las comunicaciones.

Un presupuesto de enlace es una contabilidad de todas las ganancias y pérdidas de potencia que experimenta una señal de comunicación en un sistema de telecomunicaciones ; desde un transmisor, a través de un medio de comunicación como ondas de radio , cable , guía de ondas o fibra óptica , hasta el receptor. Es una ecuación que da la potencia recibida de la potencia del transmisor, después de la atenuación de la señal transmitida debido a la propagación, así como las ganancias de la antena y las pérdidas de la línea de alimentación y otras, y la amplificación de la señal en el receptor o en cualquier repetidor por el que pase. . Un balance de enlace es una ayuda de diseño, calculada durante el diseño de un sistema de comunicación para determinar la potencia recibida, para garantizar que la información se reciba de manera inteligible con una relación señal-ruido adecuada . Las ganancias de canal que varían aleatoriamente, como el desvanecimiento, se tienen en cuenta añadiendo un margen dependiendo de la gravedad prevista de sus efectos. La cantidad de margen requerido se puede reducir mediante el uso de técnicas de mitigación como la diversidad de antenas o múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO).

Una ecuación de presupuesto de enlace simple se ve así:

Potencia recibida (dBm) = potencia transmitida (dBm) + ganancias (dB) − pérdidas (dB)

Los niveles de potencia se expresan en ( dBm ). Las ganancias y pérdidas de potencia se expresan en decibeles (dB), que es una medida logarítmica , por lo que sumar decibelios equivale a multiplicar las relaciones de potencia reales.

En sistemas de radio

Para un sistema de radio con línea de vista , la principal fuente de pérdida es la disminución de la potencia de la señal a medida que se propaga sobre un área creciente mientras se propaga, proporcional al cuadrado de la distancia (dispersión geométrica).

• Las antenas transmisoras pueden ser Omnidireccionales, Direccionales o Sectoriales, dependiendo de la forma en que se oriente la potencia de la antena. Una antena omnidireccional distribuirá la energía por igual en todas las direcciones de un avión, por lo que el patrón de radiación tiene la forma de una esfera apretada entre dos superficies planas paralelas. Se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones, por ejemplo en puntos de acceso WiFi. Las antenas direccionales concentran la energía en una dirección específica, llamada mira de perforación, y se utilizan ampliamente en aplicaciones punto a punto, como puentes inalámbricos y comunicaciones por satélite. Las antenas sectoriales concentran la potencia en una región más amplia, que normalmente abarca 45º, 60º, 90º o 120º. Se implementan habitualmente en torres de telefonía móvil.

Simplificaciones necesarias

La pérdida en el espacio libre se calcula fácilmente utilizando la ecuación de transmisión de Friis, que establece que la pérdida es proporcional al cuadrado de la distancia y al cuadrado de la frecuencia. Además, en la mayoría de los enlaces de radio se producen pérdidas, incluida la atenuación atmosférica por gases, lluvia, niebla y nubes. Desvanecimiento por variaciones del canal, pérdidas por trayectos múltiples y desalineación de antena. En enlaces sin línea de visión, las pérdidas por difracción y reflexión son las más importantes ya que la ruta directa no está disponible.

Línea de transmisión y pérdida de polarización.

En situaciones prácticas (telecomunicaciones en el espacio profundo, DXing de señal débil, etc.) también se deben tener en cuenta otras fuentes de pérdida de señal.

• Las antenas transmisoras y receptoras pueden estar parcialmente contrapoladas.
• El cableado entre las radios y las antenas puede introducir pérdidas adicionales significativas.
• Pérdidas en la zona de Fresnel debido a una línea de visión parcialmente obstruida.
• El desplazamiento Doppler indujo pérdidas de potencia de señal en el receptor.

final del juego

Si la potencia recibida estimada es suficientemente grande (normalmente en relación con la sensibilidad del receptor ), lo que puede depender del protocolo de comunicaciones utilizado, el enlace será útil para enviar datos. La cantidad en la que la potencia recibida excede la sensibilidad del receptor se denomina margen del enlace .

Ecuación

Una ecuación de presupuesto de enlace que incluya todos estos efectos, expresada de forma logarítmica, podría verse así:

${\displaystyle P_{\text{RX}}=P_{\text{TX}}+G_{\text{TX}}-L_{\text{TX}}-L_{\text{FS}}-L_{M}+G_{\text{RX}}-L_{\text{RX}}\,}$

dónde:

${\displaystyle P_{\text{RX}}}$, potencia recibida (dBm)

${\displaystyle P_{\text{TX}}}$, potencia de salida del transmisor (dBm)

${\displaystyle G_{\text{TX}}}$, ganancia de la antena del transmisor (dBi)

${\displaystyle L_{\text{TX}}}$, pérdidas del transmisor (coaxial, conectores...) (dB)

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$, pérdida de trayectoria , generalmente pérdida de espacio libre (dB)

${\displaystyle L_{\text{M}}}$, pérdidas diversas ( margen de desvanecimiento , pérdida de cuerpo, desajuste de polarización, otras pérdidas,...) (dB)

${\displaystyle G_{\text{RX}}}$, ganancia de la antena del receptor (dBi)

${\displaystyle L_{\text{RX}}}$, pérdidas del receptor (coaxial, conectores, ...) (dB)

La pérdida debida a la propagación entre las antenas transmisora ​​y receptora, a menudo llamada pérdida de trayectoria, se puede escribir en forma adimensional normalizando la distancia a la longitud de onda:

${\displaystyle L_{\text{FS}}{\text{(dB)}}=20\log _{10}\left(4\pi {{\text{distance}} \over {\text{wavelength}}}\right)}$(donde la distancia y la longitud de onda están en las mismas unidades)

Cuando se sustituye en la ecuación de balance de enlace anterior, el resultado es la forma logarítmica de la ecuación de transmisión de Friis .

En algunos casos, es conveniente considerar la pérdida debida a la distancia y la longitud de onda por separado, pero en ese caso, es importante realizar un seguimiento de qué unidades se utilizan, ya que cada elección implica una compensación constante diferente. A continuación se proporcionan algunos ejemplos.

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ 32,45 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (km)] ^[1]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ −27,55 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (m)]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ 36,6 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (millas)]

Estas formas alternativas se pueden derivar sustituyendo la longitud de onda por la relación de velocidad de propagación ( c , aproximadamente3 × 10 ⁸  m/s ) dividido por la frecuencia, e insertando los factores de conversión adecuados entre km o millas y metros, y entre MHz y (1/s).

Radio sin línea de visión

Debido a las obstrucciones de los edificios, como paredes y techos, las pérdidas de propagación en interiores pueden ser significativamente mayores. Esto ocurre debido a una combinación de atenuación por paredes y techos y bloqueo debido a equipos, muebles e incluso personas.

• Por ejemplo, una pared de vigas de madera de " 2 por 4 " con paneles de yeso en ambos lados produce una pérdida de aproximadamente 6 dB por pared a 2,4 GHz. ^[2]
• Los edificios más antiguos pueden tener pérdidas internas incluso mayores que los edificios nuevos debido a problemas de materiales y línea de visión.

La experiencia ha demostrado que la propagación en la línea de visión se mantiene sólo durante aproximadamente los primeros 3 metros. Más allá de los 3 metros, las pérdidas de propagación en interiores pueden aumentar hasta 30 dB por 30 metros en entornos de oficinas densos. Ésta es una buena regla general, ya que es conservadora (en la mayoría de los casos, exagera la pérdida de trayectoria). ^{[ cita necesaria ]} Las pérdidas de propagación reales pueden variar significativamente según la construcción y el diseño del edificio.

La atenuación de la señal depende en gran medida de la frecuencia de la señal.

En guías de ondas y cables.

Los medios guiados como el cable eléctrico coaxial y de par trenzado, la guía de ondas de radiofrecuencia y la fibra óptica tienen pérdidas exponenciales con la distancia.

La pérdida de trayectoria estará en términos de dB por unidad de distancia.

Esto significa que siempre hay una distancia de cruce más allá de la cual la pérdida en un medio guiado excederá la de una trayectoria de línea de visión de la misma longitud.

Las comunicaciones de larga distancia por fibra óptica sólo se volvieron prácticas con el desarrollo de fibras de vidrio ultratransparentes. Una pérdida de trayectoria típica para la fibra monomodo es de 0,2 dB/km, ^[3] mucho menor que la de cualquier otro medio guiado.

Comunicaciones Tierra-Luna-Tierra

Los presupuestos de enlace son importantes en las comunicaciones Tierra-Luna-Tierra . Como el albedo de la Luna es muy bajo (máximo 12% pero generalmente más cerca del 7%), y la pérdida de trayectoria a lo largo de la distancia de retorno de 770.000 kilómetros es extrema (alrededor de 250 a 310 dB dependiendo de la banda VHF-UHF utilizada, el formato de modulación y Se deben utilizar antenas de alta potencia (más de 100 vatios) y de alta ganancia (más de 20 dB ) . 

• En la práctica, esto limita el uso de esta técnica al espectro en VHF y superiores.
• La Luna debe estar sobre el horizonte para que sean posibles las comunicaciones EME.

programa viajero

Las naves espaciales del programa Voyager tienen la pérdida de trayectoria más alta conocida (308  dB en 2002 ^{[4] : ​​26} ) y los presupuestos de enlace más bajos de cualquier circuito de telecomunicaciones. Deep Space Network ha podido mantener el enlace a una tasa de bits superior a la esperada mediante una serie de mejoras, como el aumento del tamaño de la antena de 64  m a 70  m para una  ganancia de 1,2 dB y la actualización a componentes electrónicos de bajo ruido para una ganancia de 0,5 dB.  Ganancia de dB en 2000-2001. Durante el sobrevuelo de Neptuno , además de la antena de 70 m, se utilizaron dos antenas de 34 m y veintisiete antenas de 25 m para aumentar la ganancia en 5,6  dB, proporcionando un margen de enlace adicional que se utilizará para un aumento de 4 veces en tasa de bits. ^{[4] : 35}

Ver también

• Ecuación de transmisión de Friis
• Ganancia de antena a temperatura de ruido
• Radiador isotrópico
• Patrón de radiación
• Propagación multitrayecto
• planificación de radiofrecuencia

Referencias

1. "Copia archivada". people.deas.harvard.edu . Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2005 . Consultado el 12 de enero de 2022 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
2. "Tutorial sobre análisis básico del presupuesto de enlaces" (PDF) . sss-mag.com . Consultado el 4 de junio de 2023 .
3. "Copia archivada" (PDF) . www.corningcablesystems.com . Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2007 . Consultado el 12 de enero de 2022 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
4. JPL Sistemas de navegación y comunicaciones en el espacio profundo (marzo de 2002). "Telecomunicaciones Voyager" (PDF) . descanso.jpl.nasa.gov . Consultado el 4 de agosto de 2017 .

enlaces externos

• Calculadora de presupuesto de enlace para LAN inalámbrica
• Calculadora de presupuesto de enlace punto a punto
• Calculadora/planificadora de presupuesto MUOS Link
• Ejemplos de presupuestos de enlaces LTE, GSM y UMTS
• Calculadora de presupuesto de enlaces de Python para satélites
• Presupuesto de enlace de satélites pequeños (con ejemplos de Python)