La pérdida de trayectoria , o atenuación de trayectoria , es la reducción en la densidad de potencia ( atenuación ) de una onda electromagnética a medida que se propaga a través del espacio. [1] La pérdida de trayectoria es un componente importante en el análisis y diseño del presupuesto de enlace de un sistema de telecomunicaciones.
Este término se utiliza comúnmente en comunicaciones inalámbricas y propagación de señales . La pérdida de trayectoria puede deberse a muchos efectos, como pérdida en el espacio libre , refracción , difracción , reflexión , pérdida de acoplamiento entre apertura y medio y absorción . La pérdida de trayectoria también se ve influenciada por los contornos del terreno, el entorno (urbano o rural, vegetación y follaje), el medio de propagación (aire seco o húmedo), la distancia entre el transmisor y el receptor, y la altura y ubicación de las antenas.
Las pérdidas de trayectoria normalmente incluyen pérdidas de propagación causadas por la expansión natural del frente de ondas de radio en el espacio libre (que generalmente toma la forma de una esfera cada vez mayor), pérdidas de absorción (a veces llamadas pérdidas de penetración), cuando la señal pasa a través de medios no transparentes a las ondas electromagnéticas , pérdidas por difracción cuando parte del frente de ondas de radio está obstruido por un obstáculo opaco y pérdidas causadas por otros fenómenos.
La señal radiada por un transmisor también puede viajar por muchos y diferentes caminos hasta un receptor simultáneamente; este efecto se llama multitrayecto . Las ondas multitrayecto se combinan en la antena del receptor, lo que da como resultado una señal recibida que puede variar ampliamente, dependiendo de la distribución de la intensidad y el tiempo de propagación relativo de las ondas y el ancho de banda de la señal transmitida. La potencia total de las ondas interferentes en un escenario de desvanecimiento de Rayleigh varía rápidamente en función del espacio (lo que se conoce como desvanecimiento a pequeña escala ). El desvanecimiento a pequeña escala se refiere a los cambios rápidos en la amplitud de la señal de radio en un corto período de tiempo o distancia de viaje.
En el estudio de las comunicaciones inalámbricas, la pérdida de trayectoria se puede representar mediante el exponente de pérdida de trayectoria, cuyo valor normalmente está en el rango de 2 a 4 (donde 2 es para propagación en espacio libre , 4 es para entornos relativamente con pérdidas y para el caso de reflexión especular completa desde la superficie de la tierra, el llamado modelo de tierra plana). En algunos entornos, como edificios, estadios y otros entornos interiores, el exponente de pérdida de trayectoria puede alcanzar valores en el rango de 4 a 6. Por otro lado, un túnel puede actuar como una guía de ondas , lo que resulta en un exponente de pérdida de trayectoria menor que 2.
La pérdida de trayectoria se expresa generalmente en dB . En su forma más simple, la pérdida de trayectoria se puede calcular utilizando la fórmula
donde es la pérdida de trayectoria en decibeles, es el exponente de pérdida de trayectoria, es la distancia entre el transmisor y el receptor, generalmente medida en metros, y es una constante que da cuenta de las pérdidas del sistema.
Los ingenieros de radio y antenas utilizan la siguiente fórmula simplificada (derivada de la fórmula de transmisión de Friis ) para la pérdida de trayectoria de la señal entre los puntos de alimentación de dos antenas isótropas en el espacio libre:
Pérdida de trayectoria en dB :
donde es la pérdida de trayectoria en decibeles, es la longitud de onda y es la distancia entre el transmisor y el receptor en las mismas unidades que la longitud de onda. Nótese que la densidad de potencia en el espacio no depende de ; La variable existe en la fórmula para tener en cuenta el área de captura efectiva de la antena receptora isotrópica. [2]
El cálculo de la pérdida de trayectoria se suele denominar predicción . La predicción exacta solo es posible para casos más simples, como la propagación en el espacio libre mencionada anteriormente o el modelo de la Tierra plana . Para los casos prácticos, la pérdida de trayectoria se calcula utilizando una variedad de aproximaciones.
Los métodos estadísticos (también llamados estocásticos o empíricos ) se basan en pérdidas medidas y promediadas a lo largo de clases típicas de enlaces de radio. Entre los métodos más utilizados se encuentran Okumura–Hata , el modelo COST Hata , WCYLee, etc. Estos también se conocen como modelos de propagación de ondas de radio y se utilizan típicamente en el diseño de redes celulares y redes móviles terrestres públicas (PLMN). Para las comunicaciones inalámbricas en la banda de frecuencia de muy alta frecuencia (VHF) y ultra alta frecuencia (UHF) (las bandas utilizadas por walkie-talkies, policía, taxis y teléfonos celulares), uno de los métodos más utilizados es el de Okumura–Hata refinado por el proyecto COST 231. Otros modelos bien conocidos son los de Walfisch–Ikegami, WCY Lee y Erceg . Para la radiodifusión de FM y TV, la pérdida de trayectoria se predice más comúnmente utilizando el modelo de la UIT como se describe en la recomendación P.1546 (sucesora de P.370).
También se utilizan métodos deterministas basados en las leyes físicas de propagación de ondas; el trazado de rayos es uno de ellos. Se espera que estos métodos produzcan predicciones más precisas y confiables de la pérdida de trayectoria que los métodos empíricos; sin embargo, son significativamente más costosos en esfuerzo computacional y dependen de la descripción detallada y precisa de todos los objetos en el espacio de propagación, como edificios, techos, ventanas, puertas y paredes. Por estas razones, se utilizan predominantemente para trayectorias de propagación cortas. Entre los métodos más utilizados en el diseño de equipos de radio como antenas y alimentadores se encuentra el método de dominio temporal de diferencias finitas .
La pérdida de trayectoria en otras bandas de frecuencia ( onda media (MW), onda corta (SW o HF), microondas (SHF)) se predice con métodos similares, aunque los algoritmos y fórmulas concretos pueden ser muy diferentes de los de VHF/UHF. La predicción fiable de la pérdida de trayectoria en la banda SW/HF es particularmente difícil, y su precisión es comparable a las predicciones meteorológicas. [ cita requerida ]
Aproximaciones sencillas para calcular la pérdida de trayectoria en distancias significativamente más cortas que la distancia al horizonte de radio :
En redes celulares, como UMTS y GSM , que operan en la banda UHF, el valor de la pérdida de trayectoria en áreas edificadas puede alcanzar 110–140 dB para el primer kilómetro del enlace entre la estación transceptora base (BTS) y el móvil . La pérdida de trayectoria para los primeros diez kilómetros puede ser de 150–190 dB ( Nota : Estos valores son muy aproximados y se dan aquí solo como una ilustración del rango en el que pueden estar eventualmente los números utilizados para expresar los valores de pérdida de trayectoria ; estas no son cifras definitivas ni vinculantes; la pérdida de trayectoria puede ser muy diferente para la misma distancia a lo largo de dos trayectorias diferentes y puede ser diferente incluso a lo largo de la misma trayectoria si se mide en momentos diferentes).
En el entorno de ondas de radio para servicios móviles, la antena móvil está cerca del suelo. Los modelos de propagación por línea de visión (LOS) están muy modificados. La trayectoria de la señal desde la antena de la BTS, normalmente elevada por encima de los tejados, se refracta hacia el entorno físico local (colinas, árboles, casas) y la señal LOS rara vez llega a la antena. El entorno producirá varias desviaciones de la señal directa sobre la antena, donde normalmente se añadirán vectorialmente entre 2 y 5 componentes de la señal desviada.
Estos procesos de refracción y deflexión provocan una pérdida de intensidad de la señal, que cambia cuando la antena móvil se mueve (desvanecimiento Rayleigh), provocando variaciones instantáneas de hasta 20 dB. Por ello, la red está diseñada para proporcionar un exceso de intensidad de señal en comparación con la LOS de 8-25 dB según la naturaleza del entorno físico, y otros 10 dB para superar el desvanecimiento debido al movimiento.
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