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 hacia varias partes de la atmósfera . [1] : 26‑1 Como forma de radiación electromagnética , al igual que 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 diferentes condiciones en la propagación de la radio tiene muchas aplicaciones prácticas, desde la elección de frecuencias para las comunicaciones de radioaficionados , 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 de radio se utilizan varios tipos diferentes de propagación. La propagación con línea de visión significa ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora a la antena receptora. La transmisión por línea de visión se utiliza para transmisiones de radio de media distancia, como teléfonos móviles , teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , redes inalámbricas , radio FM , transmisiones de televisión , radares y comunicaciones por satélite (como la televisión por satélite ). La transmisión con línea de visión en la superficie de la Tierra está limitada a la distancia al 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 frecuencias más bajas en las bandas MF , LF y VLF , la difracción permite que las ondas de radio se doblen sobre colinas y otros obstáculos y viajen más allá del horizonte, siguiendo el contorno de la Tierra. Éstas se denominan ondas superficiales o propagación de ondas terrestres . Las estaciones de radioaficionados y de transmisión AM utilizan ondas terrestres para cubrir sus áreas de escucha. A medida que la frecuencia disminuye, la atenuación con la distancia disminuye, por lo que se pueden utilizar ondas terrestres de frecuencia muy baja (VLF) a frecuencia extremadamente baja (ELF) 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 comunicaciones mineras y militares con submarinos sumergidos .
En las frecuencias de onda media y corta ( bandas MF y HF ), las ondas de radio pueden refractarse desde la ionosfera . [b] Esto significa que las ondas de radio medianas 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 celestes . Lo utilizan los radioaficionados para comunicarse con operadores en países lejanos y las estaciones de radiodifusión de onda corta para transmitir a nivel internacional. [C]
Además, existen varios mecanismos de propagación de radio menos comunes, como la dispersión troposférica (troposcatter), los conductos troposféricos (conductos) en frecuencias VHF y las ondas ionosféricas 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 inverso del cuadrado que establece que la densidad de potencia de una onda electromagnética es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia desde una fuente puntual. [1] : 26‑19 o:
A distancias de comunicación típicas desde un transmisor, la antena transmisora generalmente puede aproximarse mediante una fuente puntual. Duplicar la distancia de un receptor a 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 del campo eléctrico y magnético. Por lo tanto, duplicar la distancia del camino de propagación desde el transmisor reduce a la mitad cada una de estas intensidades de campo recibidas en un camino en el espacio libre.
Las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz . La atmósfera de la Tierra es lo suficientemente delgada como para que las ondas de radio en la atmósfera viajen muy cerca de la velocidad de la luz, pero las variaciones en la densidad y la temperatura pueden causar una ligera refracción (flexión) de las ondas a lo largo de las distancias.
La línea de visión se refiere a 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 un camino de visión despejado; en frecuencias más bajas, las ondas de radio pueden atravesar 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 unas 40 millas (64 km). Este es el método utilizado por los teléfonos móviles , [d] teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , redes inalámbricas , enlaces de retransmisión de radio por microondas punto a punto , radiodifusión de FM y televisión y radar . La comunicación por satélite utiliza rutas de línea de visión más largas; por ejemplo, las antenas parabólicas domésticas reciben señales de satélites de comunicaciones a 35.000 kilómetros (22.000 millas) 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 con línea de visión VHF. La interferencia entre la línea de visión del haz directo y el haz reflejado en el suelo a menudo conduce a una ley efectiva de cuarta potencia inversa ( 1 ⁄ distancia 4 ) para la radiación limitada en el plano de tierra. [ cita necesaria ]
Las ondas de radio polarizadas verticalmente de frecuencia más baja (entre 30 y 3000 kHz) pueden viajar como ondas superficiales siguiendo el contorno de la Tierra; esto se llama propagación de ondas terrestres .
En este modo, la onda de radio se propaga interactuando 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 montañas y más allá del horizonte. Las ondas terrestres se propagan con polarización vertical , por lo que se requieren antenas verticales ( monopolos ). Dado que la tierra 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 en 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, así como para señales horarias y sistemas de radionavegación .
En frecuencias aún más bajas, en las bandas VLF a ELF , un mecanismo de guía de ondas de la ionosfera de la Tierra 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 de mar, por lo que se utilizan para comunicaciones militares unidireccionales 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 onda larga y dependían exclusivamente de la propagación de ondas terrestres. Las frecuencias superiores a 3 MHz se consideraban inútiles y se entregaban a aficionados ( radioaficionados ). El descubrimiento alrededor de 1920 del mecanismo de reflexión ionosférica o onda ionosférica hizo que las frecuencias de onda media y onda corta fueran útiles para las comunicaciones a 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 los reflejos del suelo . Las condiciones de línea de visión cercana (también NLOS) se refieren a la obstrucción parcial por un objeto físico presente en la zona de Fresnel más interna .
Los obstáculos que comúnmente causan la propagación de NLOS incluyen edificios, árboles, colinas, montañas y, en algunos casos, líneas eléctricas de alto voltaje . Algunas de estas obstrucciones reflejan ciertas 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 de potencia más bajos en un receptor reducen las posibilidades de recibir una transmisión con éxito. 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, sin dejar un camino despejado.
NLOS reduce la potencia efectiva recibida. Por lo general, la línea de visión cercana se puede abordar utilizando mejores antenas, pero la línea de visión fuera de la línea de visión generalmente requiere rutas alternativas o métodos de propagación de trayectorias múltiples.
Cómo lograr una red NLOS eficaz se ha convertido en una de las principales cuestiones de las redes informáticas modernas. Actualmente, el método más común para lidiar con condiciones NLOS en 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 comunicaciones por radio para describir un canal de radio o enlace donde no hay línea de visión ( LOS) entre la antena transmisora y la antena receptora . En este contexto se toma LOS
Hay muchas características eléctricas de los medios de transmisión que afectan la propagación de las ondas de radio y, por lo tanto, la calidad de funcionamiento de un canal de radio, si es posible, a lo largo de una ruta NLOS.
El acrónimo NLOS se ha vuelto más popular en el contexto de las redes inalámbricas de área local (WLAN) y las redes inalámbricas de área metropolitana como WiMAX porque la capacidad de dichos enlaces para proporcionar un nivel razonable de cobertura NLOS mejora en gran medida su comercialización y versatilidad en el entorno urbano típico. entornos donde se utilizan con mayor 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 una 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 convertirse en NLOS, pero la calidad del canal de radio prácticamente no se vería afectada. Si, en cambio, se construyó un edificio grande en el camino que lo convierte en NLOS, es posible que sea imposible recibir el canal.
Más allá de la línea de visión (BLOS) es un término relacionado que se utiliza a menudo en el ejército para describir capacidades de comunicaciones por radio que vinculan al personal o sistemas demasiado distantes o demasiado oscurecidos por el terreno para las comunicaciones LOS. Estas radios utilizan repetidores activos , propagación por ondas terrestres , enlaces de dispersión troposférica y propagación ionosférica para ampliar los rangos de comunicación desde unos pocos kilómetros hasta unos pocos miles de kilómetros.Las condiciones de propagación de HF se pueden simular usando modelos de propagación de radio , como el Programa de Análisis de Cobertura de Voice of America , y se pueden realizar mediciones en tiempo real usando 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 en código morse en frecuencias de radioaficionados en tiempo real y proporciona sofisticadas funciones de búsqueda 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 esquema de licencia de transmisión único en los Estados Unidos, con niveles de potencia de salida del transmisor y patrones de antena direccionales completamente diferentes para hacer frente a la propagación de las ondas ionosféricas durante la noche. Muy pocas estaciones pueden funcionar sin modificaciones durante las horas de oscuridad, generalmente solo aquellas en canales claros en América del Norte . [12] Muchas estaciones no tienen autorización para funcionar fuera del horario de luz.
Para la transmisión de FM (y las pocas estaciones de televisión de banda baja que quedan ), 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 nubes . [13] Estos cambios son más obvios durante las inversiones de temperatura, como a altas horas de la noche y temprano en la mañana, cuando está despejado, lo que permite que el suelo y el aire cercano se enfríen más rápidamente. Esto no sólo provoca rocío , escarcha o niebla , sino que también provoca un ligero "arrastre" en la parte inferior de las ondas de radio, doblando las señales hacia abajo de modo que puedan seguir la curvatura de la Tierra sobre el horizonte de radio normal. El resultado suele ser que se escuchan varias estaciones desde otro mercado de medios , generalmente uno vecino, pero a veces desde unos cientos de kilómetros (millas) de distancia. Las tormentas de hielo también son el resultado de inversiones, pero éstas 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 provocar ocasionalmente saltos que canalicen señales de alta potencia a lugares a más de 1.000 km (600 millas) de distancia.
Las señales no transmitidas también se ven afectadas. Las señales de los teléfonos móviles se encuentran en la banda UHF, que va desde 700 a más de 2600 MHz, un rango que las hace aún más propensas a cambios de propagación inducidos por el clima. En áreas urbanas (y hasta cierto punto 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 y una inclinación del haz más bajas para reducir la interferencia y, por lo tanto, aumentar la reutilización de frecuencias y la capacidad de los usuarios. Sin embargo, como esto no sería muy rentable en zonas más rurales , estas células son más grandes y, por lo tanto, es más probable que causen interferencias en distancias más largas cuando las condiciones de propagación lo permitan.
Si bien esto generalmente es 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 una masa de agua mucho más grande que el río Detroit , y las temperaturas frías del agua también causan inversiones en el aire de la superficie, esta "itinerancia marginal" a veces ocurre a través de los Grandes Lagos y entre islas en el Caribe . Las señales pueden saltar desde República Dominicana hasta una ladera de montaña en Puerto Rico y viceversa, o entre Estados Unidos y las Islas Vírgenes Británicas , entre otros. Si bien los sistemas de facturación de las compañías de telefonía móvil suelen eliminar automáticamente el roaming transfronterizo no intencionado , el roaming entre islas normalmente no lo es.
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. Generalmente se desarrolla un modelo único para predecir el comportamiento de 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, estos modelos generalmente predicen la pérdida de ruta a lo largo de un enlace o el área de cobertura efectiva de un transmisor .
El inventor de las comunicaciones por radio, Guglielmo Marconi , antes de 1900 formuló la primera regla empírica cruda de propagación de radio: la distancia máxima de transmisión variaba como el cuadrado de la altura de la antena.
Como la pérdida de trayectoria encontrada a lo largo de cualquier enlace de radio sirve como 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.
Debido a que cada enlace de telecomunicaciones individual tiene que encontrar diferentes terrenos, trayectorias, obstrucciones, condiciones atmosféricas y otros fenómenos, es difícil formular la pérdida exacta para todos los sistemas de telecomunicaciones en una sola ecuación matemática. Como resultado, existen diferentes modelos para diferentes tipos de enlaces de radio en diferentes condiciones. Los modelos se basan en calcular la pérdida de trayectoria mediana para un enlace bajo una cierta probabilidad de que ocurran las condiciones consideradas.
Los modelos de propagación de radio son de naturaleza empírica, lo que significa que se desarrollan en base a grandes colecciones de datos recopilados para un escenario específico. Para cualquier modelo, la recopilación de datos debe ser lo suficientemente grande como para proporcionar suficiente probabilidad (o suficiente alcance) para todo tipo de situaciones que puedan ocurrir en ese escenario específico. Como todos los modelos empíricos, los modelos de propagación de radio no señalan el comportamiento exacto de un enlace, sino que predicen el comportamiento más probable que el enlace puede exhibir bajo las condiciones especificadas.
Se han desarrollado diferentes modelos para satisfacer las necesidades de realizar el comportamiento de propagación en diferentes condiciones. Los tipos de modelos para la propagación de radio incluyen:
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