La propagación de radio es el comportamiento de las ondas de radio a medida que viajan o se propagan de un punto a otro en el vacío o en varias partes de la atmósfera . [1] : 26‑1 Como una forma de radiación electromagnética , como las ondas de luz, las ondas de radio se ven afectadas por los fenómenos de reflexión , refracción , difracción , absorción , polarización y dispersión . [2] Comprender los efectos de las condiciones variables en la propagación de radio tiene muchas aplicaciones prácticas, desde la elección de frecuencias para las comunicaciones de radioaficionados , las emisoras internacionales de onda corta , hasta el diseño de sistemas confiables de telefonía móvil , la radionavegación y el funcionamiento de sistemas de radar .
En los sistemas prácticos de transmisión por radio se utilizan varios tipos diferentes de propagación. La propagación por línea de visión se refiere a ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora hasta la antena receptora. La transmisión por línea de visión se utiliza para la transmisión de radio a media distancia, como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , redes inalámbricas , radio FM , transmisión de televisión , radar y comunicación por satélite (como la televisión por satélite ). La transmisión por línea de visión en la superficie de la Tierra está limitada a la distancia hasta el horizonte visual, que depende de la altura de las antenas transmisoras y receptoras. Es el único método de propagación posible en frecuencias de microondas y superiores. [a]
En las frecuencias más bajas de las bandas MF , LF y VLF , la difracción permite que las ondas de radio se desvíen sobre colinas y otros obstáculos y viajen más allá del horizonte, siguiendo el contorno de la Tierra. Estas se denominan ondas de superficie o propagación de ondas terrestres . Las estaciones de radiodifusión AM y de radioaficionados utilizan ondas terrestres para cubrir sus áreas de escucha. A medida que la frecuencia se hace más baja, la atenuación con la distancia disminuye, por lo que las ondas terrestres de frecuencia muy baja (VLF) a frecuencia extremadamente baja (ELF) se pueden utilizar para comunicarse en todo el mundo. Las ondas VLF a ELF pueden penetrar distancias significativas a través del agua y la tierra, y estas frecuencias se utilizan para la comunicación minera y la comunicación militar con submarinos sumergidos .
En las frecuencias de onda media y onda corta ( bandas MF y HF ), las ondas de radio pueden refractarse desde la ionosfera , una capa de partículas cargadas ( iones ) en lo alto de la atmósfera. Esto significa que las ondas de radio medias y cortas transmitidas en ángulo hacia el cielo pueden refractarse de regreso a la Tierra a grandes distancias más allá del horizonte, incluso distancias transcontinentales. Esto se llama propagación de ondas ionosféricas . La utilizan los operadores de radioaficionados para comunicarse con operadores en países distantes y las estaciones de transmisión de onda corta para transmitir a nivel internacional. [b]
Además, existen varios mecanismos de propagación de radio menos comunes, como la dispersión troposférica (troposcatter), la conducción troposférica (ducting) en frecuencias VHF y la onda ionosférica de incidencia casi vertical (NVIS), que se utilizan cuando se desean comunicaciones HF dentro de unos pocos cientos de millas.
A diferentes frecuencias, las ondas de radio viajan a través de la atmósfera mediante diferentes mecanismos o modos: [3]
En el espacio libre , todas las ondas electromagnéticas (radio, luz, rayos X, etc.) obedecen la ley del cuadrado inverso que establece que la densidad de potencia de una onda electromagnética es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia desde una fuente puntual [1] : 26‑19 o:
A distancias de comunicación típicas desde un transmisor, la antena transmisora puede ser utilizada normalmente como una fuente puntual. Duplicar la distancia entre un receptor y un transmisor significa que la densidad de potencia de la onda radiada en esa nueva ubicación se reduce a una cuarta parte de su valor anterior.
La densidad de potencia por unidad de superficie es proporcional al producto de las intensidades de los campos eléctrico y magnético. Por lo tanto, al duplicar la distancia de propagación desde el transmisor, cada una de estas intensidades de campo recibidas en un trayecto en espacio libre se reduce a la mitad.
Las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz . La atmósfera terrestre es lo suficientemente delgada como para que las ondas de radio en la atmósfera viajen a una velocidad muy cercana a la de la luz, pero las variaciones en la densidad y la temperatura pueden causar una ligera refracción (curvatura) de las ondas a lo largo de la distancia.
La línea de visión se refiere a las ondas de radio que viajan directamente en una línea desde la antena transmisora hasta la antena receptora, a menudo también llamada onda directa. No necesariamente requiere una trayectoria de visibilidad despejada; a frecuencias más bajas, las ondas de radio pueden pasar a través de edificios, follaje y otras obstrucciones. Este es el modo de propagación más común en VHF y superiores, y el único modo posible en frecuencias de microondas y superiores. En la superficie de la Tierra, la propagación de la línea de visión está limitada por el horizonte visual a aproximadamente 40 millas (64 km). Este es el método utilizado por los teléfonos celulares , [c] teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , redes inalámbricas , enlaces de retransmisión de radio de microondas punto a punto , transmisión de FM y televisión y radar . La comunicación por satélite utiliza trayectorias de línea de visión más largas; por ejemplo , las antenas parabólicas domésticas reciben señales de satélites de comunicación a 22.000 millas (35.000 km) sobre la Tierra, y las estaciones terrestres pueden comunicarse con naves espaciales a miles de millones de millas de la Tierra.
Los efectos de reflexión del plano de tierra son un factor importante en la propagación de la línea de visión de VHF. La interferencia entre la línea de visión del haz directo y el haz reflejado en el suelo a menudo conduce a una ley de cuarta potencia inversa ( 1 ⁄ distancia 4 ) efectiva para la radiación limitada en el plano de tierra. [ cita requerida ]
Las ondas de radio polarizadas verticalmente de frecuencia más baja (entre 30 y 3.000 kHz) pueden viajar como ondas superficiales siguiendo el contorno de la Tierra; esto se denomina propagación de ondas terrestres .
En este modo, la onda de radio se propaga al interactuar con la superficie conductora de la Tierra. La onda se "adhiere" a la superficie y, por lo tanto, sigue la curvatura de la Tierra, por lo que las ondas terrestres pueden viajar sobre las montañas y más allá del horizonte. Las ondas terrestres se propagan en polarización vertical , por lo que se requieren antenas verticales ( monopolos ). Dado que el suelo no es un conductor eléctrico perfecto, las ondas terrestres se atenúan a medida que siguen la superficie de la Tierra. La atenuación es proporcional a la frecuencia, por lo que las ondas terrestres son el principal modo de propagación a frecuencias más bajas, en las bandas MF , LF y VLF . Las ondas terrestres son utilizadas por estaciones de radiodifusión en las bandas MF y LF, y para señales horarias y sistemas de radionavegación .
En frecuencias aún más bajas, en las bandas VLF a ELF , un mecanismo de guía de ondas Tierra-ionosfera permite una transmisión de alcance aún mayor. Estas frecuencias se utilizan para comunicaciones militares seguras . También pueden penetrar a una profundidad significativa en el agua marina, por lo que se utilizan para la comunicación militar unidireccional con submarinos sumergidos.
Las primeras comunicaciones por radio de larga distancia ( telegrafía inalámbrica ) antes de mediados de la década de 1920 utilizaban frecuencias bajas en las bandas de ondas largas y dependían exclusivamente de la propagación por ondas terrestres. Las frecuencias superiores a 3 MHz se consideraban inútiles y se otorgaban a los aficionados ( radioaficionados ). El descubrimiento alrededor de 1920 del mecanismo de reflexión ionosférica o de onda ionosférica hizo que las frecuencias de onda media y onda corta fueran útiles para las comunicaciones de larga distancia y se asignaron a usuarios comerciales y militares. [9]
La propagación de radio sin línea de visión (NLOS) ocurre fuera de la línea de visión (LOS) típica entre el transmisor y el receptor, como en las reflexiones terrestres . Las condiciones cercanas a la línea de visión (también NLOS) se refieren a la obstrucción parcial por un objeto físico presente en la zona de Fresnel más interna .
Los obstáculos que suelen provocar la propagación sin visibilidad directa incluyen edificios, árboles, colinas, montañas y, en algunos casos, líneas eléctricas de alta tensión . Algunas de estas obstrucciones reflejan determinadas frecuencias de radio, mientras que otras simplemente absorben o distorsionan las señales; pero, en cualquier caso, limitan el uso de muchos tipos de transmisiones de radio, especialmente cuando el presupuesto de energía es bajo.
Los niveles bajos de potencia en un receptor reducen la posibilidad de recibir una transmisión correctamente. Los niveles bajos pueden deberse al menos a tres razones básicas: nivel de transmisión bajo, por ejemplo, niveles de potencia de Wi-Fi ; transmisor lejano, como 3G a más de 5 millas (8,0 km) de distancia o TV a más de 31 millas (50 km) de distancia; y obstrucción entre el transmisor y el receptor, que no deja un camino libre.
La falta de visibilidad directa reduce la potencia recibida efectiva. La proximidad a la línea de visión generalmente se puede solucionar con mejores antenas, pero la falta de visibilidad directa generalmente requiere caminos alternativos o métodos de propagación por trayectos múltiples.
Cómo lograr una red NLOS eficaz se ha convertido en una de las principales preguntas de las redes informáticas modernas. Actualmente, el método más común para lidiar con las condiciones NLOS en las redes informáticas inalámbricas es simplemente eludir la condición NLOS y colocar relés en ubicaciones adicionales, enviando el contenido de la transmisión de radio alrededor de las obstrucciones. Algunos esquemas de transmisión NLOS más avanzados ahora utilizan la propagación de señales por trayectos múltiples , haciendo rebotar la señal de radio en otros objetos cercanos para llegar al receptor.
Sin línea de visión (NLOS) es un término que se utiliza a menudo en las comunicaciones por radio para describir un canal o enlace de radio donde no hay línea de visión visual (LOS) entre la antena transmisora y la antena receptora . En este contexto, LOS se toma
Hay muchas características eléctricas de los medios de transmisión que afectan la propagación de ondas de radio y, por lo tanto, la calidad de funcionamiento de un canal de radio, si es posible, en una ruta NLOS.
El acrónimo NLOS se ha vuelto más popular en el contexto de las redes de área local inalámbricas (WLAN) y las redes de área metropolitana inalámbricas como WiMAX, debido a que la capacidad de dichos enlaces para proporcionar un nivel razonable de cobertura NLOS mejora enormemente su comercialización y versatilidad en los entornos urbanos típicos donde se utilizan con más frecuencia. Sin embargo, NLOS contiene muchos otros subconjuntos de comunicaciones por radio.
La influencia de una obstrucción visual en un enlace NLOS puede ser desde insignificante hasta la supresión total. Un ejemplo podría aplicarse a una ruta LOS entre una antena de transmisión de televisión y una antena receptora montada en el techo. Si una nube pasara entre las antenas, el enlace podría en realidad convertirse en NLOS, pero la calidad del canal de radio podría verse prácticamente inafectada. Si, en cambio, se construyera un gran edificio en la ruta que lo convirtiera en NLOS, el canal podría ser imposible de recibir.
Más allá de la línea de visión (BLOS) es un término relacionado que se utiliza a menudo en el ámbito militar para describir las capacidades de comunicación por radio que vinculan al personal o los sistemas que se encuentran demasiado distantes o demasiado ocultos por el terreno para las comunicaciones LOS. Estas radios utilizan repetidores activos , propagación de ondas terrestres , enlaces de dispersión troposférica y propagación ionosférica para ampliar los rangos de comunicación de unos pocos kilómetros a unos miles de kilómetros.Las condiciones de propagación de HF se pueden simular utilizando modelos de propagación de radio , como el Programa de Análisis de Cobertura de Voice of America , y se pueden realizar mediciones en tiempo real utilizando transmisores chirp . Para los radioaficionados, el modo WSPR proporciona mapas con condiciones de propagación en tiempo real entre una red de transmisores y receptores. [10] Incluso sin balizas especiales, se pueden medir las condiciones de propagación en tiempo real: una red mundial de receptores decodifica señales de código morse en frecuencias de radioaficionado en tiempo real y proporciona funciones de búsqueda sofisticadas y mapas de propagación para cada estación recibida. [11]
La persona promedio puede notar los efectos de los cambios en la propagación de radio de varias maneras.
En la radiodifusión AM , los dramáticos cambios ionosféricos que ocurren durante la noche en la banda de onda media impulsan un sistema de licencias de transmisión único en los Estados Unidos, con niveles de potencia de salida del transmisor completamente diferentes y patrones de antena direccional para hacer frente a la propagación de ondas ionosféricas durante la noche. Muy pocas estaciones tienen permiso para funcionar sin modificaciones durante las horas de oscuridad, generalmente solo aquellas en canales despejados en América del Norte . [12] Muchas estaciones no tienen autorización para funcionar fuera del horario diurno.
Para la transmisión FM (y las pocas estaciones de TV de banda baja restantes ), el clima es la causa principal de los cambios en la propagación de VHF, junto con algunos cambios diurnos cuando el cielo está mayormente sin cobertura de nubes . [13] Estos cambios son más obvios durante las inversiones de temperatura, como en las horas de la noche y las primeras horas de la mañana cuando está despejado, lo que permite que el suelo y el aire cerca de él se enfríen más rápidamente. Esto no solo causa rocío , escarcha o niebla , sino que también causa un ligero "arrastre" en la parte inferior de las ondas de radio, doblando las señales hacia abajo de tal manera que puedan seguir la curvatura de la Tierra sobre el horizonte de radio normal. El resultado es que típicamente se escuchan varias estaciones de otro mercado de medios , generalmente uno vecino, pero a veces algunas de unos pocos cientos de kilómetros (millas) de distancia. Las tormentas de hielo también son el resultado de las inversiones, pero estas normalmente causan una propagación omnidireccional más dispersa, lo que resulta principalmente en interferencias, a menudo entre estaciones de radio meteorológicas . A finales de la primavera y principios del verano, una combinación de otros factores atmosféricos puede ocasionalmente causar saltos que conducen señales de alta potencia a lugares que se encuentran a más de 1000 km (600 millas) de distancia.
Las señales que no son de radiodifusión también se ven afectadas. Las señales de telefonía móvil se encuentran en la banda UHF, que va desde los 700 a más de 2600 MHz, un rango que las hace aún más propensas a los cambios de propagación inducidos por el clima. En las zonas urbanas (y en cierta medida suburbanas ) con una alta densidad de población , esto se compensa en parte con el uso de celdas más pequeñas, que utilizan una potencia radiada efectiva menor y una inclinación del haz menor para reducir la interferencia y, por lo tanto, aumentar la reutilización de frecuencias y la capacidad de los usuarios. Sin embargo, dado que esto no sería muy rentable en áreas más rurales , estas celdas son más grandes y, por lo tanto, es más probable que causen interferencias a distancias más largas cuando las condiciones de propagación lo permiten.
Aunque esto es generalmente transparente para el usuario gracias a la forma en que las redes celulares manejan las transferencias de celda a celda , cuando se trata de señales transfronterizas , pueden ocurrir cargos inesperados por roaming internacional a pesar de no haber salido del país en absoluto. Esto ocurre a menudo entre el sur de San Diego y el norte de Tijuana en el extremo occidental de la frontera entre Estados Unidos y México , y entre el este de Detroit y el oeste de Windsor a lo largo de la frontera entre Estados Unidos y Canadá . Dado que las señales pueden viajar sin obstáculos sobre un cuerpo de agua mucho más grande que el río Detroit , y las temperaturas frías del agua también causan inversiones en el aire de la superficie, este "roaming marginal" a veces ocurre a través de los Grandes Lagos y entre islas en el Caribe . Las señales pueden saltar de la República Dominicana a la ladera de una montaña en Puerto Rico y viceversa, o entre los Estados Unidos y las Islas Vírgenes Británicas , entre otros. Si bien el roaming transfronterizo no deseado a menudo se elimina automáticamente por los sistemas de facturación de las compañías de telefonía móvil , el roaming entre islas generalmente no lo hace.
Un modelo de propagación de radio , también conocido como modelo de propagación de ondas de radio o modelo de propagación de radiofrecuencia , es una formulación matemática empírica para la caracterización de la propagación de ondas de radio en función de la frecuencia , la distancia y otras condiciones. Por lo general, se desarrolla un modelo único para predecir el comportamiento de la propagación de todos los enlaces similares bajo restricciones similares. Creados con el objetivo de formalizar la forma en que se propagan las ondas de radio de un lugar a otro, dichos modelos generalmente predicen la pérdida de trayectoria a lo largo de un enlace o el área de cobertura efectiva de un transmisor .
El inventor de la comunicación por radio, Guglielmo Marconi , antes de 1900 formuló la primera regla empírica cruda de propagación de radio: la distancia máxima de transmisión variaba según el cuadrado de la altura de la antena.
Como la pérdida de trayectoria encontrada a lo largo de cualquier enlace de radio sirve como el factor dominante para la caracterización de la propagación del enlace, los modelos de propagación de radio generalmente se centran en la realización de la pérdida de trayectoria con la tarea auxiliar de predecir el área de cobertura de un transmisor o modelar la distribución de señales en diferentes regiones.
Como cada enlace de telecomunicaciones debe enfrentarse a diferentes terrenos, trayectorias, obstáculos, condiciones atmosféricas y otros fenómenos, resulta imposible formular la pérdida exacta para todos los sistemas de telecomunicaciones en una única ecuación matemática. Como resultado, existen diferentes modelos para distintos tipos de enlaces de radio en diferentes condiciones. Los modelos se basan en el cálculo de la pérdida de trayectoria media para un enlace con una determinada probabilidad de que se produzcan las condiciones consideradas.
Los modelos de propagación de radio son de naturaleza empírica, lo que significa que se desarrollan a partir de grandes conjuntos de datos recopilados para un escenario específico. Para cualquier modelo, el conjunto de datos debe ser lo suficientemente grande como para brindar suficiente probabilidad (o suficiente alcance) para todo tipo de situaciones que pueden ocurrir en ese escenario específico. Como todos los modelos empíricos, los modelos de propagación de radio no indican el comportamiento exacto de un enlace, sino que predicen el comportamiento más probable que el enlace puede exhibir en las condiciones especificadas.
Se han desarrollado distintos modelos para satisfacer las necesidades de representar el comportamiento de propagación en distintas condiciones. Los tipos de modelos para la propagación por radio incluyen:
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