estudiar fibra
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Prof. Oscar Somarriba, 2010
Unidad II: MEDIOS DE TRANSMISION
• Medios de Transmisión Guiados
– Par trenzado
– Multipares
– Cable Coaxial (Coax)
– Fibra óptica
• Medios de Transmisión No Guiados (Inalámbricos)
– Microondas
– Satélite
– Radio
– Ondas infrarrojas y milimétricas
– Transmisión por ondas de luz
– FOS (“Free Space Optics”)
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OBJETIVOS DE LA UNIDAD II
Completando esta unidad, el Estudiante será
capaz de:
• Describir los principales medios de transmisión basados
en cables y sus características principales.
• Describir los principales medios de transmisión
inalámbricos y sus características principales.
• Estimar el ancho de banda y las tasa de datos
aprovechables en aplicaciones de telecomunicaciones
que involucre los medios de comunicación bajo estudio.
• Seleccionar adecuadamente el medio de transmisión de
acuerdo a la aplicación.
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SISTEMAS DE COMUNICACION
• Tal como ya hemos estudiado un sistemas o
red de telecomunicación se compone de tres
parte básicas: transmisor, canal, y receptor.
• En realidad, el término canal es una manera
de modelar o simplificar la descripción un
medio de transmisión usado para “enlazar” el
transmisor con el receptor.
• En esta unidad se describen los diferentes
tipos de medios de comunicación más
utilizados para transportar información.
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CLASIFICACION DE LOS MEDIOS DE
TRANSMISION
• Una manera de clasificar los medios de
comunicación puede ser la siguiente:
– Medios Alambrados (Medios Guiados): son
aquellos en donde la señal de información está
“confinada” al medio de transmisión tal como
sucede en los cables y guías de ondas.
– Medios Inalámbricos (Medios No-Guiados): son
aquellos en donde la señal de información NO
está “confinada” al medio de transmisión tal como
sucede en comunicación por rayo.
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ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
100m
(3MHz)
1000m
(300KHz)10m
(30MHz)
1m
(300MHz)
10cm
(3GHz)
1cm
(30GHz)
1mm
(300GHz)
1um
(3THz)
1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1012 1014 1015
RA
DIO
A
M
RA
DIO
O
ND
A C
OR
TA
RA
DIO
MO
BIL
RA
DIO
F
M
VH
F T
V
RA
DIO
M
OB
IL
UH
F T
V
MICROONDAS
FIB
RA
OP
TIC
A
LU
Z V
ISIB
LE
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ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Fuente: Goleniewski., 2006
Telecom Y ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Fuente: Goleniewski., 2006
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Tabla 2.1. Características de medios de tranmisión tradicionales. ___________________________________________________________________________
TIPO ANCHO VELOCIDAD TIPICA
DE DE DE TASA
MEDIO BANDA Tx DE DATOS DE ERROR
___________________________________________________________________________
Par trenzado aplicaciones
analógicas de voz 1 MHz 2 [email protected] km Pobre a regular (105)
Cable coaxial 1 GHz 10 Mbps Buena (107 a 10
9 )
Microondas 100 GHz 30 Mbps Buena (109 )
Satélite 100 GHz 30 Mpbs Buena (109 )
Fibra óptica 75 THz 06 Tbps Excelente (1011
a 1013
)
___________________________________________________________________________
Característica de los medios de Tx
Fuente: Goliniiewski, 2006
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MEDIOS GUIADOS
Entre los medios guiados vamos a considerar tenemos:
– Cables Trenzados
– Cables Multipares
– Cable Coaxial
– Fibra óptica
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Par Trenzado
• Dos alambres de cobre aislados arreglados en un
patrón en espiral o forma de trenza.
• Soporte Principal de Sistema Telefónico.
• Número de pares en el cable:
– Cientos, para Larga Distancia.
– 4 Pares en comunicaciones de Datos.
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Par Trenzado (Cont.)
Fuente: Stallings., 2006
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Característica de Transmisión del TP
Fuente: Stallings., 2006
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Pares trenzados apantallados y sin apantallar
Fuente: Stallings., 2006
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Par Trenzado (TP): Atenuaciones
• En 1991, la Asociación Americana de
Industrias Electrónicas (EIA) publicó la
norma EIA-568, como estándar del
cableado de telecomunicaciones en
edificios comerciales, que especifica:
• uso de cable UTP para redes de voz.
• Uso de STP en edificios para
aplicaciones de redes de datos.
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Categorías de UTP (1995)
Fuente: Stallings., 2006
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Par Trenzado: tasa de tx
• la modificación EIA-568-A (1995). En esta norma se reconocen
cuatro categorías de cableado UTP:
– Categoría 2. Cable UTP& hardware asociado para transmitir
hasta 4 MHz
– Categoría 3. Cables UTP y hardware asociado para transmitir
hasta 16 MHz.
– Categoría 4. Cables UTP y hardware asociado para transmitir
hasta 20 MHz.
– Categoría 5. Cables UTP y hardware asociado para transmitir
hasta 100 MHz. Categoría 5e cable TP para transmitir a 350
MHz.
– Categoría 6 (EIA-568-B). Cables UTP y hardware asociado para
transmitir hasta 1000 MHz
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Par Trenzado: tasa de tx
• Category 6 Cat 6, specified under ANSI/TIA/EIA-568-B.2-1, operates over a
bandwidth of up to 400MHz and supports up to 1Gbps over a range of 330 feet
(100 m). It is a cable standard for Gigabit Ethernet and other network protocols
that is backward compatible with the Cat 5/5e and Cat 3 cable standards. Cat 6
features more stringent specifications for crosstalk and system noise. Cat 6 is
suitable for 10BASE-T/100BASE-TX and 1000BASE-T (Gigabit Ethernet)
connections.
• Category 7 Cat 7 is specified in the frequency range of 1MHz to 600MHz.
ISO/IEC11801:2002 Category 7/Class F is a cable standard for Ultra Fast Ethernet
and other interconnect technologies that can be made backward compatible with
traditional Cat 5 and Cat 6 Ethernet cable. Cat 7, which is based on four twisted
copper pairs, features even more stringent specifications for crosstalk and system
noise than Cat 6. To achieve this, shielding has been added for individual wire
pairs and the cable as a whole.
The predominant cable categories in use today are Cat 3 (due to widespread
deployment in support of 10Mbps Ethernet although it is no longer being deployed)
and Cat 5e. Cat 4 and Cat 5 are largely defunct.
Fuente: Goleniewski., 2006
Par Trenzado (UTP & STP)
Speed and throughput: 100/1000 Mbps
Relative cost: Least costly
Media and connector size: Small
Maximum cable length: 100 m
RJ-45
Connector
Color-Coded
Plastic Insulation
Par Trenzado
Outer Jacket
STP only:
Shielded Insulation
to Reduce EMI
Fuente: Cisco Systems Inc.,
1999
Par Trenzado (UTP )
Conector RJ-45
Par Trenzado: Atenuaciones y crosstalk
Fuente: Stallings., 2000Crosstalk = diafonía
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ATENUACION
Atenuación = salida - entrada dB
Potencia de entrada, dBm Potencia de salida, dBm
HEY HEY
Fuente: Ortronix., 1999
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DIAFONIA DE EXTREMO CERCANO
NEXT
Una parte de la señal que se envía al otro extremo
se acopla a los otros pares. Este “ruido” que aparece
en los otros pares es llamado diafonía de extremo cercano
HEY HEY
HEY
Fuente: Ortronix., 1999
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CABLE MULTIPAR TRENZADO
Fuente: Stallings , 2000
• Cada cable de este tipo está compuesto por un serie
de pares de cables trenzados. Los pares se trenzan
para reducir la interferencia entre pares adyacentes.
El número de pares por cable son 4, 25, 50, 100, 200
y 300. Cuando el número de pares es superior a 4 se
habla de cables multipar.
• Si el cable es auto soportado se debe incluir otro
cable de acero integrado en al cubierta; esto se hace
para permitir la suspensión de los cables a los
postes.
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Código de Colores
Fuente: Stallings , 2000
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CABLES MULTIPARES
• Los cables multipares son soportes físicos
compuestos por un número variable de pares
trenzados, que permiten propagar señales inteligentes
y se utilizan preferentemente para la transmisión de
frecuencia de fonía en las comunicaciones.
• Estos contiene desde 6 pares, hasta un número
variable del orden de los miles de pares, y que
dependen de las normas de construcción que se
utilicen.
• En las redes telefónicas urbanas, es muy frecuente el
uso de cables telefónicos multipares, confeccionados
sobre la base de cables trenzados.
CABLE MULTIPARES DE 300 PARES
Binder 5
W-S
101-125
Binder 6
R-BI
126-150 Binder 7
R-O
151-175
Binder 8
R-G
176-200
Binder 9
R-Br
201-225
Binder 10
R-S
226-250
Binder 11
Bk-Br
251-275
Binder 12
Br-O
276-300
Binder 3
W-G
51-75
Binder 2
W-O
26-50
Binder 1
W-Bl
1-25
Binder 4
W-Br
76-100
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Cable Coaxial ( coax)
• Patentizado en 1936.
• Consiste de dos conductores, consta de un alambre
de cobre en su parte central, el núcleo, el cual se
encuentra rodeado de un material aislante.
• Este material aislante está rodeado por un conductor
cilíndrico que como malla de tejido trenzado
• El conductor externo está cubierto por una capa de
plástico protector.
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Cable Coaxial ( cont.)
Fuente: Stallings, 2000
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Cable Coaxial ( coax)
• Hay dos tipos de cable coaxial que se utilizan con
frecuencia:
– Cable de 50 ohmios, que se utilizan en la
transmisión digital
– Cable de 75 ohmios para transmisiones
analógicas.
• El coax tiene una buena combinación de gran ancho
de banda y una excelente inmunidad al ruido.
• El ancho de banda depende de la longitud del cable; para
cables de 1 km, por ejemplo, se obtienen velocidades de datos
de hasta de 10 Mbps.
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Característica de transmisión
Fuente: Stallings, 2000
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Ejemplos de cables coax
• RG-6 : cable de acometida para TV por cable,
75.
• RG-8 : Para redes LAN Ethernet cable ancho, 50
.
• RG-11: Para redes de TV por cable (trunk), 75.
• RG-58: Para redes LAN Ethernet (primera
generación)cable delgado, 50 .
Cable Coaxial
Speed and throughput: 10/100 Mbps
Relative cost: More than UTP, but still low
Media and connector size: Medium
Maximum cable length: 200/500 m
OuterJacketBraided Copper Shielding
Plastic Insulation
Copper Conductor
BNC Connector
Fuente: Cisco Systems Inc.,
1999
FIBRA OPTICA
Medios Guiados
OPTICAL FIBER
Communication system with light as the carrier and fiber as communication medium
Propagation of light in atmosphere impractical: water vapor, oxygen, particles.
Optical fiber is used, glass or plastic, to contain and guide light waves
CapacityMicrowave at 10 GHz with 10% utilization ratio: 1
GHz BW
Light at 100 Tera Hz (1014 ) with 10% utilization ratio: 100 THz (10,000GHz)
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FIBRA OPTICA
• Historia
• Beneficios de la Fibra óptica
• Definición y uso
• Detalles Constructivos
• Fibras y Cables ópticos
• Sistemas opto eléctricos
• Características del transmisor y receptor
• Ejemplos
History
• 1880 Alexander G. Bell, Photo phone, transmit sound waves over beam of light
• 1930: TV image through uncoated fiber cables.
• Few years later image through a single glass fiber
• 1951: Flexible fiberscope: Medical applications
• 1956:The term “fiber optics” used for the first time
• 1958: Paper on Laser & Maser
History Cont’d
• 1960: Laser invented
• 1967: New Communications medium: cladded fiber
• 1960s: Extremely lossy fiber: more than 1000 dB /km
• 1970, Corning Glass Work NY, Fiber with loss of less than 2 dB/km
• 70s & 80s : High quality sources and detectors
• Late 80s : Loss as low as 0.16 dB/km
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Beneficios
Fuente: Stallings, 2000
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DEFINICIÓN Y USO
• La fibra óptica es un fino conductor de hilo o plástico,
que permite transportar la luz (generalmente esta luz
es infrarroja y, por lo tanto, no es visible por el ojo
humano). Dicha luz, modulada convenientemente,
permite transmitir señales inteligentes entre dos
puntos.
• Una de las características es que este tipo de medio
de transmisión presenta una baja atenuación (con
respecto al par trenzado y coax) por km, cuando se
transmite por las llamadas ventanas de transmisión;
que están ubicadas en torno a los valores siguientes
de longitud de onda: 850 nm, 1300 nm, y 1550 nm.
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DEFINICION Y USO (Cont.)
Aplicaciones:
• Troncales de largas distancia
• Troncales metropolitanas
• Troncales regionales
• Lazos locales de abonados
• Redes de área locales
• Redes de TV por cable.
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DETALLES CONSTRUCTIVOS
• ¿Qué es la fibra óptica (FO)?
– Medio Delgado Flexible, capaz de conducir un rayo de Luz.
– Hecho de varios tipos de vidrio o plásticos. Sus dimensiones
varían de 5 a 100 m.
• Estructura
– Núcleo (“core”)
– Corteza (“clad”)
– Cubierta (“jacket”)
• Un mismo cable puede llevar cientos de guías de
onda de luz (FO).
Fibra y Cable ópticos
Outer JacketKevlar Reinforcing
Material
Plastic
Shield Glass Fiber
and Cladding
Monomodo: One stream of laser-generated light (100 km)
Multimodo: Multiple streams of LED-generated light (2 km)
Speed and throughput: 100+ Mbps
Average cost per node: Most expensive
Media and connector size: Small
Maximum cable length: Up to 2 km
Multimode
Connector
Fuente: Cisco Systems Inc.,
1999
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Fibra óptica
Prof. Oscar Somarriba, 2010
FIBRA OPTICA: CARACTERISTICAS
Ventajas: Menor tamaño y peso
Capacidad: Mucho mayor ancho de banda (10
Gbps)
Menor atenuación
Aislamiento electromagnético (no hay diafonía ni
interferencia), ya que es no metálica.
Mayor espaciamiento de los repetidores.
Flexibilidad y Confiabilidad
Seguridad: Es difícil espiar sobre estos
sistemas(“tapping is difficult”)
Economía: pocos repetidores.
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CARACTERISTICAS de Transmisión de la FO
Fuente: Stallings, 2000
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FIBRA OPTICA:CARACTERISTICAS
DESVENTAJAS:
Dificultad de la realización física de empalmes
y conexiones
Falta de definiciones de estándares para
implementación de redes y niveles de señales
Al ser un elemento no conductor, se necesita
enlaces extras para comunicaciones eléctricas.
Difícil de energizar dispositivos remotos.
Alta inversión inicial del sistema
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FIBRA OPTICA
Principio de operación:
• Velocidad de la Luz varía en el medio
de propagación.
• El factor por el cual la luz cambia su
velocidad de acuerdo al medio es el
INDICE DE REFRACCION (n) :
c = n•v
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FIBRA OPTICA
Principio de operación:
• Al pasar la luz de un medio a otro,
existe una relación en los índices de
refracción de los dos medios:
Velocidad de la Luz en medio 1 * n1
=
Velocidad de la Luz en medio 2 * n2
v1*n1 = v2 * n2
Prof. Oscar Somarriba, 2010
FIBRA OPTICA
Principio de operación:
• La Ley de Reflexión establece:
• “El plano de incidencia contiene al rayo
incidente y al reflejado, siendo el ángulo
de incidencia igual al de reflexión”
v1*n1 = v2 * n2
Prof. Oscar Somarriba, 2010
FIBRA OPTICA
Al cambiar la luz de medio sucede:
• Reflexión Externa
– Luz arqueada hacia la normal, n1 < n2
• Reflexión Interna
– Luz arqueada alejándose de la normal, n1>
n2
• Reflexión total Interna– Cuando el ángulo de refracción es 90, la luz se
refleja totalmente al medio 1, ángulo de
incidencia es crítico.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Optica Geométrica
Reflexión Externa
Reflexión Interna
Reflexión Total
Interna
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Ley de Snell
Sen 1/ Sen 2 = n2/n1
c = sen-1 (n2/n1) lo que se obtiene cuando
2 = 90 °
c = Angulo crítico
Para que la luz se propague debe ser inyectada con
Ángulo mayor al crítico.
Ing. Oscar Somarriba, 2010
Las fibra ópticas típicas para aplicaciones de
telecomunic aciones tienen un núcleo de vidrio
con n1=1.5 y este esta rodeado con un
revestimiento con n2= 1.485
Sen 1//sen(90°- c )= n2/n1
Angulo de entrada (Aire-Núcleo)
Sen 1 = n2 (1-sen2 c)½
n1 es el aire;
interfaz aire-núcleo
Para que se
propague,
en la interfaz núcleo-
corteza, inc =ref >c
Apertura Numérica (NA) y Reflectancia
NA es una medida del máximo ángulo de
aceptancia en la entrada para los rayos que
pueden ser reflejados dentro de la fibra
Habilidad de la fibra para guiar Luz. 1 es ángulo de aceptancia
NA=sen 1 (máximo)= ( n12- n2
2 ) 1/2
Ing. Oscar Somarriba, 2010
Sen 1//sen(90- c )= n2/n1
Cono de Aceptancia (Aire-Núcleo)
Sen 1 = n2 (1-sen2 c)½
n1 es el aire;
interfaz aire-núcleo
Para que se
propague,
en la interfaz núcleo-
corteza, inc =ref >c
Acceptance Cone & Numerical Aperture
n2 cladding
n2 cladding
n1 core
Acceptance
Cone
Acceptance angle, c, is the maximum angle in which
external light rays may strike the air/Fiber interface
and still propagate down the Fiber with <10 dB loss.
2
2
2
1
1sin nnC Numerical aperture:
NA = sin c = (n12 - n2
2) 1/2
C
Ing. Oscar Somarriba, 2010
A medida que la luz pasa de un medio de un índice de
refracción a otro una pequeña parte es regresada al
medio original. La cantidad de luz reflejada es llamada
reflexión de Fresnel. La cual es definida por:
= ( (n2- n1 )/ (n2+ n1 ))2
Las pérdidas de luz se calculan en decibel como sigue:
dB = 10 Log10(1-)
Reflexión de Fresnel (Reflectitividad)
Light Sources
• Light-Emitting Diodes (LED)
– made from material such as AlGaAs or GaAsP
– light is emitted when electrons and holes
recombine
– either surface emitting or edge emitting
• Injection Laser Diodes (ILD)
– similar in construction as LED except ends are
highly polished to reflect photons back & forth
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Sistema optoelectrónico
Codec
Codec
Fuente
de luz
Detector
de luz
Conector
de Fibra (ST, SC, LC) Fibra óptica
Empalme
Optical Fiber Link
Input
Signal
Coder or
Converter
Light
Source
Source-to-Fiber
Interface
Fiber-to-light
Interface
Light
DetectorAmplifier/Shaper
Decoder
Output
Fiber-optic Cable
Transmitter
Receiver
Optical components
• Light source: LED or ILD (Injection Laser Diode):
– amount of light emitted is proportional to the drive current
• Source –to-fiber-coupler (similar to a lens):
• A mechanical interface to couple the light emitted by the source into the optical fiber
• Light detector: PIN (p-type-intrinsic-n-type)
or APD (avalanche photo diode) both convert light energy into current
Fiber Types
• Plastic core and cladding
• Glass core with plastic cladding PCS (Plastic-Clad Silicon)
• Glass core and glass cladding SCS: Silica-clad silica
• Under research: non silicate: Zinc-chloride: – 1000 time as efficient as glass
Plastic Fiber
• used for short run
• Higher attenuation, but easy to install
• Better withstand stress
• Less expensive
• 60% less weight
Types Of Optical Fiber
Single-mode step-index Fiber
Multimode step-index Fiber
Multimode graded-index Fiber
n1 core
n2 cladding
no air
n2 cladding
n1 core
Variable
n
no air
Light
ray
Index porfile
Single-mode step-index Fiber
Advantages:
• Minimum dispersion: all rays take same path, same
time to travel down the cable. A pulse can be
reproduced at the receiver very accurately.
• Less attenuation, can run over longer distance without
repeaters.
• Larger bandwidth and higher information rate
Disadvantages:
• Difficult to couple light in and out of the tiny core
• Highly directive light source (laser) is required.
• Interfacing modules are more expensive
Multi Mode
• Multimode step-index Fibers:
– inexpensive; easy to couple light into Fiber
– result in higher signal distortion; lower TX rate
• Multimode graded-index Fiber:
– intermediate between the other two types of
Fibers
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Modos de Propagación
1. MultimodalLa forma de propagación por serie de reflexiones
totales internas es llamada multimodal, refiriéndose a
la variedad de ángulos en que habrá reflexión.
2. MonomodoCuando el radio de fibra se reduce, en pocos ángulos habrá
reflexión. Reduciendo el radio del núcleo en un orden de magnitud
de una longitud de onda, sólo un ángulo o modo puede pasar: el
rayo axial. Este tipo de propagación presenta características de
desempeños superiores al modo multimodal, ya que se evita el
esparcimiento en el tiempo de los elementos de señal. En la
propagación monomodo el número V de la fibra es menor que
2.045.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Modos de Propagación
3. Transmisión multimodal de índice gradual.
Este tipo de transmisión posee características
intermedias con respectos a los otros dos modos. El
índice de refracción variable tiene el efecto de enfocar
los rayos más eficientemente que el modo multimodal
ordinario, conocido como modo multimodal de índice
en escalón
Número V
Indicador de cuantos modos puede propagar
la fibra
V = 2 * pi * NA * a /
Modos de transmisión en las onda óptica
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Características
Fuente: Stallings., 1999
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Dispersión
• Es el esparcimiento de la luz a medida
que se propaga en la fibra. Esto afecta
el ancho de banda de la fibra.
• Existen dos categorías:
• 1. Dispersión Modal
• Los rayos axiales y meridionales viajan
a diferente velocidad, lo cual introduce
retardos de tiempo.
Dispersión Modal: es función de la fibra
p
p
• Modos de igual
• Trayectorias diferentes de propagación
T1 > T2 entonces 1(delay) > 2
• Diferencias de retardo para los diversos modos en la
fibra.
T1
T2
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Dispersión
• 2. Dispersión Monocromática
Se manifiesta en dos maneras:
• 2.1 Dispersión de Material
Aunque el pulso transmitido es centrado en
alguna frecuencia fo, existen componentes
de esta fuente luminosa que tienen diferentes
frecuencias, las longitudes de onda más
corta serán retrasadas más que las
longitudes de onda mayores.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Dispersión (Cont.)
• 2.2 Dispersión en la Guía de Onda
• Es debida al hecho que la distribución de la
luz del modo fundamental en el núcleo y la
corteza depende de la longitud de onda.
Entre mayor es la longitud de onda más se
esparcirá la señal en la corteza. Si se
incrementa la luz en la corteza provocará
que el modo fundamental se propague más
rápido. Esto creará un retardo.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Dispersión Material: es función de la fibra y
de la fuente
1, v1
• Modos con igual trayectoria de propagación
• Diferentes longitudes de onda
v1 > v2 entonces 1(delay) > 2
• Diferencias de retardo para los diversos modos del tx.
2, v2
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Ancho de Banda
• El ancho de banda en la fibra es el
rango de frecuencias que pueden ser
transmitidas con distorsión mínima.
• Aproximadamente el ancho de banda =
0.187/(z * tw * t)
• Donde:
– Z Longitud de la fibra en Kilómetros
– Tw La anchura espectral de la fuente en nanómetros
– t Total Dispersión a la longitud de onda de operación
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Ancho de Banda
• Existe una diferencia entre el ancho de
banda de una señal eléctrica y el ancho de
banda de una señal óptica. El ancho de
banda eléctrico se define como la frecuencia
en la cual la relación Vo/Vi cae a 0.707,
mientras que el ancho de banda óptico se
define como la frecuencia a la cual la relación
Potencia salida/Potencia entrada cae a la mitad.
• BW eléctrico = 0.707 BW óptico
Losses In Optical Fiber Cables
• The predominant losses in optic Fibers are:– absorption losses due to impurities in the
Fiber material
– material or Rayleigh scattering losses due to microscopic irregularities in the Fiber
– chromatic or wavelength dispersion because of the use of a non-monochromatic source
– radiation losses caused by bends and kinks in the Fiber
– modal dispersion or pulse spreading due to rays taking different paths down the Fiber
– coupling losses caused by misalignment & imperfect surface finishes
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Atenuación
• La atenuación brinda las pérdidas de
luz a lo largo de la fibra.
• Se clasifica en :
• 1. Dispersión (Scattering)• Pérdidas debida a imperfecciones en la fibra de
vidrio al ser construida en el proceso de
calentamiento. Las pérdidas son inversamente
proporcionales a la longitud de onda.
Absorption Losses In Optic Fiber
Loss
(dB
/km
)
1
00.7 0.8
Wavelength (m)0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
2
3
4
5
6
Peaks caused
by OH- ionsInfrared
absorption
Rayleigh scattering
& ultraviolet
absorption
Fiber Alignment Impairments
Axial displacement Gap displacement
Angular displacement Imperfect surface finish
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Atenuación (Cont.)
• 2 Absorción (“Absorption”)• Depende de las propiedades del material de la fibra y
se debe a resonancias atómicas y electrónicas en la
estructura de la fibra. Se divide en tres grupos:
2. 1 Absorción ultravioleta• Causada por la ionización de los electrones de
valencia de en el material de la fibra.(aproximadamente 0.1 dB por km)
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Atenuación (Cont.)
2.2 Absorción Infrarrojo
• Causada por la absorción de fotones
por átomos del material de vidrio, más
tarde esta energía se convierte en
vibraciones. (aproximadamente 0.5 dB
por km)
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Atenuación
• 2.3 Resonancia Iónica.
• Debida a diminutas cantidades de
moléculas de agua en el momento de la
fabricación de la fibra.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Atenuación (Cont.)
3 Pérdidas por arqueo de Fibra
– Ocurre en la instalación de la fibra. Puede
ser causada por pequeñas fracturas de la
corteza las cuales pueden ocurrir a lo largo
del diámetro o la longitud de la fibra
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Características del Transmisor y receptor
• Transmisores ópticos (LEDs y
LASERs).
• Receptores ópticos (Fotodiodos,
Fototransistores).
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Transmisión de FO
Fuente: Goleniewski., 2006
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Transmisores
• Las características de los Transmisores
– Pequeñas superficie de emisión y
capacidad de acople con el núcleo.
– Emitir luz en el cono de aceptancia.
– Emitir correcta longitud de onda.
– Rápida respuesta de tiempo.
– Luz intensa.
– Económico y Seguro.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Transmisores (Cont)
• Dos diferentes tipos de fuentes de luz
son usadas en sistemas de fibras
ópticas:
• LED (Diodos luminescentes)
– Opera a 50 Mbps.
– Bajo costo.
– Larga vida.
– Estabilidad operacional.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Transmisores (Cont)
2 Diodos LASER y LED.
– Opera a 0.85, 1.3 y 1.5 m
– Generan luz coherente.
– Generan 10 dB más potencia que un LED.
ILD versus LED
• Advantages:– more focussed radiation pattern; smaller Fiber
– much higher radiant power; longer span
– faster ON, OFF time; higher bit rates possible
– monochromatic light; reduces dispersion
• Disadvantages:– much more expensive
– higher temperature; shorter lifespan
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Detectores
• Características:
– Sensitivo a débil haces de luz.
– Operar en longitudes de onda cerca de IR (850,
1300, 1550 nm).
– Operar velozmente transformación de fotones en
electrones.
– Tamaño compatible con la fibra.
– Bajo costo.
– Insensible al ambiente.
Prof. Oscar Somarriba,
2010
Detectores (Cont.)
• Dos dispositivos de estado sólido han
sido usados extensivamente: el diodo
PIN y el detector (Fotodiodo de
avalancha) APD.
Light Detectors
• PIN Diodes– photons are absorbed in the intrinsic layer
– sufficient energy is added to generate carriers in the depletion layer for current to flow through the device
• Avalanche Photodiodes (APD)– photogenerated electrons are accelerated by
relatively large reverse voltage and collide with other atoms to produce more free electrons
– avalanche multiplication effect makes APD more sensitive but also more noisy than PIN diodes
Pérdidas por acoplamiento equipo-fibra
• Pérdida NA= - 20 log (NAr/(NAs)
cuando NAr >Nas
• Pérdida NA= - 20 log (NAf)
cuando pequeño diámetro del LED en comparación con diámetro grande de la FO.
• Cuando Af < As entonces existe otra pérdidapor desacople de áreas
pérdidas desacople = -20 log (Df/Ds)
donde Df= Diámetro de la FO y Ds= Diámetro de dispositivo.
Bandwidth & Power Budget
• The maximum data rate R (Mbps) for a cable of given distance D (km) with a dispersion d (s/km) is:
R = 1/(5dD)• Power or loss margin, Lm (dB) is:
Lm = Pr - Ps = Pt - M - Lsf - (DxLf) - Lc - Lfd –Lr-Ps 0
where Pr = received power (dBm), Ps = receiver sensitivity(dBm), Pt = Tx power (dBm), M = contingency loss allowance (dB), Lsf = source-to-Fiber loss (dB), Lf = Fiber loss (dB/km), Lc = total connector/splice losses (dB), Lfd = Fiber-to-detector loss (dB).
Ing. Oscar Somarriba,
2010
Cálculo de un enlace óptico
• Un enlace de comunicación de fibra óptica sin
repetidores tiene 10 km de largo. Un LED
produce 8 mW en 0.82 m, tiene un área de
emisión con un diámetro de 80 m, y está
acoplado a un cable de fibra óptica con un
diámetro de 80 m. Se asume que NA= apertura
numérica del diodo = 1. Se usa un tipo de fibra
“step-index” de longitud de 1 km con NA = 0.3, el
diámetro del núcleo es 50 m, n =1.5. Los
conectores tienen pérdida individuales de 2 dB.
El Rx usa conectores con un diámetro de 100 m
y NA = 0.5. Determine la potencia detectada.
Ing. Oscar Somarriba,
2010
Cálculo de un enlace óptico (Cont)
• Solución:– Pérdidas en transmisor-fibra Pf = Ps(Naf)²x(Df/Dled)²
entonces Lt = -20log (0.3 x 50 m/ 80 m) = 14.5 dB. De
esta manera la potencia en el conector es -5.5 dBm (+9
dBm-14.5 dB). El “air gap” es despreciable. (Pt(dbm)=10 log
8 mW/ 1 mW = + 9 dBm).
– Lc (Pérdidas en los conectores)y Lf (pérdidas en la fibra).
Entonces, con 10 pedazos de fibra se tendrán 11 conectores
lo que produce Lc = 22 dB. Lf = 10 x 2 dB/km = 20 dB.
– Lr (Pérdidas de Fresnel) =10log{1-[(1.5-1)/(1.5+1)]²}= 0.18
dB.
• L (dB) = Pérdidas Totales = 14.5 +22+20+0.180 =56.68 dB. Por
lo tanto, la Potencia detectada es Pd (dBm)=+9 dBm- 56.68 dB
= -47.7 dBm cerca de 17 nW.
Wavelength-Division Multiplexing
WDM sends information through a single optical Fiber using lights
of different wavelengths simultaneously.
Laser
Optical sources
1
2
n
n-1
3
1
2
n
n-1
3
Laser
Optical detectors
Optical
amplifier
Multiplexer Demultiplexer
On WDM and D-WDM
• WDM is generally accomplished at 1550 nm.
• Each successive wavelength is spaced > 1.6
nm or 200 GHz for WDM.
• ITU adopted a spacing of 0.8 nm or 100 GHz
separation at 1550 nm for dense-wave-
division multiplexing (D-WDM).
• WD couplers at the demultiplexer separate
the optic signals according to their
wavelength.
Ing. Oscar Somarriba, 2010
Medios No Guiados
• Microondas
• Satélite
• Radio
• Ondas Infrarrojas y milimétricas
• Transmisión por ondas de luz
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Medios No Guiados
Transmisión Inalámbrica
Fuente: Stallings, 2000
NOTA: Nosotros
en el curso de
redes de
comunicaciones,
usamos como
microondas el
rango de 2 GHz
hasta 60 GHz
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Microondas
• Frecuencias comunes de transmisión son de 2 a 66
GHz
• Entre más alta la frecuencia en uso mayor el ancho
de banda potencial y por lo tanto más alta la
potencial velocidad de los datos.
• En el caso de no tener obstrucciones la máxima
distancia entre las antenas es:
D = 7.14*sqrt(Kh)
donde d es la distancia entre las antenas (km), K=3/4
y h la altura de las antenas.
Sqrt = Raiz cuadrada
Prof. Oscar Somarriba, 2010
El espectro o banda de frecuencia de la señal
producida por la antena transmisora es más importante
que el medio.
Entre más alta la frecuencia central de una señal, más
grande el ancho de banda potencial y de allí las
velocidad de los datos.
Otra propiedad de las señales transmitidas por antenas
es la directividad.
Medios No Guiados
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Medios No Guiados
• Introducción
• Microondas
• Satélite
• Radio
• Ondas Infrarrojas y milimétricas
• Transmisión por ondas de luz
• Free Space Optics
Introducción: Antenas
•La antena es un transductor electromagnético.
•La antena puede tener dos requerimientos: Tener una ganancia alta
Dirección de iluminación
Tener Un apuntalamiento fácil
• Tipos de antenas: Antena omni-direccional
Antenas direccionales
Antenas Sectoriales
Parámetros de una antena
• Ganancia:
– La “gain” de una antena es la razón de la
potencia (ó recibida) por ángulo sólido
unitario radiada por la antena en una
dirección dada, a la potencia (ó recibida) por
ángulo sólido unitario radiada por una antena
isotrópica alimentada por la misma potencia
total.
– Máxima ganancia es la dirección de máxima
radiación y tiene un valor dado por :
efectivamax AG2
4
Parámetros de una antena (continuación)
• Patrón de radiación:
– El patrón de radiación de una antena indica las
variaciones de la ganancia con la dirección.
• Ancho de haz de media potencia
– Es conveniente caracterizar el ancho del
patrón de radiación por medio de un ángulo
entre la dirección en la cual cae a la mitad de
su valor máximo. Este ángulo es llamado
Ancho de haz de 3dB.
PATRÓN DE RADIACIÓN DE UNA ANTENA
Lóbulos Secundarios
Lóbulo Principal
Dirección de
máxima
ganancia
CONTENIDO DE MICROONDAS
• Fundamentos de Transmisión en
Microondas
– Descripción del Enlace
– Factores que afectan el Enlace
– Hojas de Cálculos de Enlace
Tomado de:
FACTORES QUE DETERIORAN LAS
COMUNICACIONES (REVISION)
• Distorsión de Amplitud contra frecuencia
• Distorsión por retardo de envolvente
• Ruido (incluyendo Ruido impulsivo)
• Corrimientos instantáneos de Fase (Phase Jitter)
• Distorsión de armónicos
• Cortes de portadora (Drop Outs)
• Ganancias repentinas en la portadora (Gain Hits)
• Corrimientos repentinos de fase (Phase Hits)
JERARQUIAS DE MULTIPLEXACION DIGITAL
NIVELAMERICA
DELNORTE
JAPON EUROPA
PRIMERO1,544 Mbps
(24 Ch.)1,544 Mbps
(24 Ch.)2,048 Mbps
(30 Ch.)
SEGUNDO6,312 Mbps
(96 Ch.)6,312 Mbps
(96 Ch.)8,448 Mbps
(120 Ch.)
TERCERO44,736 Mbps
(672 Ch.)32,064 Mbps
(480 Ch.)34,368 Mbps
(480 Ch.)
CUARTO274,178 Mbps
(4032 Ch.)97,728 Mbps(1440 Ch.)
139,268 Mbps(1920 Ch.)
QUINTO
400,352 Mbps(5760 Ch.)
526,148 Mbps(7680 Ch.)
PROCESO DE MUESTREO Y CODIFICACION
T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6- 3
- 2
- 1
0
1
2
3
4
5
6
T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6
1 0 1 0 0 0 1 1
488 nseg.3.9 microseg..
Ts
SISTEMA MULTIPLEX PRIMARIO DE 30 CANALES
(CEPT) RECOMENDADO POR EL CCITT
Actualmente, el CCITT (ahora ITU-T) recomienda el
uso de un sistema de 32 intervalos de tiempo, en el
que dos (2) intervalos están reservados para la
sincronización y la señalización, y los 30 restantes
son asignados a canales telefónicos discretos.
Cada uno de los canales telefónicos es muestreado a
su vez por un impulso de 4 microsegundos de
duración a razón de 8000 veces por segundo,
codificándose y combinándose luego las muestras
en multiplexaje por distribución en el tiempo (TDM).
ESTRUCTURA DE TRAMA
0 1 1
5
1
6
1
7
3
1
CANALES 1-15
SLOTSCANALES 16-30
SLOTS
125 MICROSEGUNDOS
SLOT DE SYNCH. SLOT DE SIG.
MICROONDAS
Parámetros de Calidad
de un Enlace
Se evalúan en un enlace:
• BER: Tasa de Error de Bit
• EFS: Segundos Libres de Error
• ES : Segundos con errores
• SES: Segundos Severamente Errados
• DM : Minutos degradados
• US : Tiempo no disponible.
Intervalo de Evaluación: 1 segundo.
RECOMENDACIÓN G.821
Segundos con Error, ESUn intervalo de un segundo que contiene uno o más
errores, o una anomalía o defecto.
Segundos Severamente Errados, SESUn intervalo de un segundo que tiene una tasa de error
de bit peor que 1x10-3 o un defecto.
El conteo de los ES y SES sólo debe efectuarse
durante el tiempo disponible.
Minutos Degradados, DMUn minuto con tasa de errores peor que 1x10-6, sin
contar los SES.
DEFINICIONES
Segundos con Error, ESMenos del 8 % de los intervalos de 1 segundo tendrán
por lo menos un error.
Segundos Severamente Errados, SESMenos del 0,2 % de los intervalos de 1 segundo tendrán
una tasa de error peor que 1x10 -3.
Minutos Degradados, DMMenos del 10% de los intervalos de 1 minuto tendrán
una tasa de errores peor que 1x10-6 (sin incluir SES).
OBJETIVOS DE CALIDAD
El tiempo no disponible comienza con el primer SES
durante un periodo de mínimo 10 SES consecutivos.
Estos se consideran tiempo no disponible. El periodo
de tiempo no disponible termina cuando hay una
secuencia de al menos 10 segundos no SES. El tiempo
disponible se cuenta a partir del primero de estos
segundos no SES.
TIEMPO DISPONIBLE Y NO DISPONIBLE
RECORDEMOS QUE...
• La calidad asegurada de un enlace reduce
costos y problemas en la instalación de
nuevos servicios
• Es importante realizar pruebas exhaustivas de
aceptación para garantizar el cumplimiento de las
especificaciones del proyecto, que los equipos no se
han deteriorado en el transporte y obtener datos
iniciales de referencia para que futuras búsquedas
de falla sean más efectivas.
MICROONDAS
Planeación de
Redes en
Microondas
PARAMETROS DE LOS ENLACES DE
COMUNICACIONES
• Conocer el tipo de Servicio
• Conocer la Banda de Frecuencias de
Operación con la que trabajaran los
enlaces.
• Asegurar la no interferencia a otros
sistemas, previamente operativos.
• Conocer la ubicación de los sitios en que
será instalada la Red.
PARAMETROS A CONSIDERAR
• Cantidad de información y usuarios
potenciales a los cuales la Red prestara
servicio.
• Banda de Frecuencia a solicitar. Si ya
cuenta con frecuencias aprobadas,
considerar la reutilización de las mismas.
• Disponibilidad requerida de los enlaces que
conforman la Red.
• Margen de Desvanecimiento. Margen de
seguridad que se da a la Red para
garantizar operatividad.
SELECCIÓN DE SITIOS DE TERMINAL
• Factores Determinantes
– Geografía
– Geología
– Interferencias Posibles
– Condiciones ambientales
– Logística
• Disponibilidad de servicios públicos
• Disponibilidad de vías de acceso y derecho
a paso.
DISPOSICION DE EMPLAZAMIENTO
• Tener en cuenta posibles aumento de
enlaces en el terminal bajo revisión
• Tener en cuenta posibles cambios de los
elementos de los enlaces, como es el caso
de diámetros de Antena mayores.
• Utilizar al máximo el terreno disponible
• Reducir al mínimo los costos. Por ejemplo,
buscar facilidades para la instalación de
servicios públicos
ESTUDIOS DE SITIO
• Establecer las Coordenadas Geográficas y altura sobre el
nivel del mar del sitio seleccionado.
• Establecer las condiciones ambientales promedio, con lo
cual se estima la necesidad de protecciones adicionales
para lo equipos y elementos que componen el Terminal.
• Observar la existencia de estaciones de
Telecomunicaciones cercanas, y de ser posible establecer
las condiciones en que se encuentran operando.
• Verificar disponibilidad de servicios públicos.
• Determinar facilidades de acceso al lugar.
DESCRIPCION DE LOS TRAYECTOS
• Adquirir Mapas Topográficos para elaborar
el perfil del Trayecto. Escala recomendada
1:50000, con curvas de nivel de 30 mts.
• Elaborar los perfiles de trayecto,
estableciendo de manera preliminar
posibles fenómenos geográficos y
ambientales que afecten los enlaces.
• Establecer la existencia de línea de vista, si
se lograra de manera visual seria mejor.
FENOMENOS FISICOS QUE AFECTAN LAS
MICROONDAS
• Reflexión.
• Refracción.
Al incidir una onda electromagnética sobre una
superficie que separa dos medios de propagación
distintos, una parte de la onda sufre una refracción
y la restante cambia de sentido volviendo al medio
de donde procede.
• Difracción.
La difracción es un fenómeno que permite que las
ondas radioeléctricas bordeen los obstáculos.
FENOMENOS FISICOS (cont.)
- DIFRACCION
- REFLEXION
LINEA DE VISTA EN MICROONDAS
• Para frecuencias iguales o superiores a 23 GHz,
se habla normalmente de línea de vista óptica, por
cuanto teóricamente son enlaces para distancias
cortas y es posible, siempre y cuando las
condiciones se cumplan en cuanto a la existencia
de línea de vista, que desde un Terminal se
observe visualmente al otro, ayudados por
Binoculares o instrumentos similares.
• Para frecuencias inferiores a 23 GHz, la línea de
vista se establece elaborando el perfil del trayecto,
o ayudados por elementos externos.
CRITERIOS PARA ESTABLECER LAS ZONAS
DE FRESNEL
• Curvatura de la Tierra para simular determinado
valor de Refractividad de la Atmósfera. Denominado
como K
K = 4/3 F = 1
K = 1 F = 0.3
K = 2/3 F = 0.3
• F es la porción de la Primera Zona de FRESNEL
aplicada con cada Criterio. Este parámetro se da en
metros.
F = 17.3 ((d1*d2)/(f*D))1/2
D es dado en Kilómetros y f en GHz.
ZONAS DE FRESNELL
2
3
1
CALCULO DE ALTURA DE LAS ANTENAS
h = (d1*d2)/(12.75K) Para cualquier valor de
K
h = 0 Para K = Infinito
h = (d1*d2)/17 Para K = 4/3
h = (d1*d2)/8.5 Para K = 2/3
MICROONDAS
Análisis
de
Interferencias
INTERFERENCIA
Se define como la fuerza electromotriz que al
introducirse en los circuitos de
Telecomunicaciones, produce
perturbaciones en la recepción de las
señales.
TIPOS DE INTERFERENCIA
• La producida por Armónicos de la
frecuencia fundamental.
• Estática, la producida por fenómenos
ambientales.
• Heterodina, originada por recepción
simultánea de frecuencias poco diferentes.
• Imagen, debida a receptores
superheterodinos poco selectivos.
INTERFERENCIAS ANALIZADAS EN LA
PLANEACION DE ENLACES
• Interferencia producidas por frecuencias del
mismo Canal ( Co-canal).
• Interferencias producidas por frecuencias del
canal inmediatamente anterior o posterior a
la frecuencia de emisión (Primer Canal
Adyacente).
• Interferencias producidas por frecuencias de
dos canales por encima o por debajo de la
frecuencia de emisión ( Segundo Canal
Adyacente).
Lo anterior hace referencia a los planes de Canalización establecidos por
los Organismos reguladores de estas clases de servicios.
MICROONDAS
Cálculos Básicos
de
Enlace
PARAMETROS FIJOS
• Distancia.
• Clima.
• Temperatura anual promedio.
• Frecuencia.
• Configuración del terreno.
PARAMETROS VARIABLES
El termino variable se aplica debido a que el
Ingeniero tiene control sobre las siguientes
variables:
• Margen de Desvanecimiento.
– Potencia de salida del transmisor.
– Ganancia de las Antenas.
– Perdidas en las líneas de transmisión.
• Nivel de Umbral del receptor.
• Nivel de Saturación del receptor.
FORMULAS USADAS
• Nivel de Recepción (RSL)
RSL = Pwr - LLLineaA + GantenaA - FSL + GantenaB - LLLineaB
Pwr = Potencia de salida del transmisor en dBm.
LLLineaA= Perdidas en la Línea de transmisión A en dB.
LLLineaB= Perdidas en la Línea de transmisión B en dB.
GAntenaA= Ganancia de Antena A en dBi.
GantenaB= Ganancia de Antena B en dBi.
FSL = Perdidas de espacio libre entre antenas en dB.
FORMULAS USADAS (CONT.)
PWL
GBGA FSL
LLBLLA
RSL = PWL - LLA + GA - FSL + GB - LLB
FORMULAS USADAS (Continuación)
Línea = (dB/100mts.)*Longitud de Línea. (dB)
GAntena = 20*Log10(Diam. Ant.) + 20*log10(fGhz) + 17.8
(dB)
FSL = 20*Log10 (DKm) + 20*Log10 (fGhz) + 92.4 (dB)
FM = RSL - Thr (dB)
FM = Margen de Desvanecimiento
Thr = Nivel Umbral de receptor, dado por fabricante.
EQUIPOS
Microondas terrestres
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Microondas
• El tipo más común de antena de microondas
es la parabólica.• Las frecuencias de microondas cubren un rango de 2 a 60 GHz.
A estas frecuencias, patrones de radiación altamente direccionales son
bastante convenientes para transmisiones punto a punto.
• Un tamaño típico es alrededor de 10 pies dediámetro.
• La antena está fijada rígidamente y enfoca unrayo concentrado de energía para logrartransmisión en línea de vista con la antenareceptora.
•
Prof. Oscar Somarriba, 2010
MICROONDAS
• Definición y uso
• Clasificación de las microondas
• Microondas Analógicas y Digitales
• Relación entre el método de modulación
empleado y ancho de banda
• Características de las antenas de microondas
Prof. Oscar Somarriba, 2010
DEFINICIÓN Y USO
• Los sistemas de comunicaciones por microondas son
aquellos que utilizan un haz radioeléctrico, como si
fuera un rayo de luz, entre dos estaciones terrestres,
una transmisora y otra receptora.
• Ambas deben estar en una misma visual o en su
defecto deben utilizar estaciones repetidoras
intermedias.
• La curvatura de la tierra o la topografía del lugar
limita el alcance del haz directo. No obstante,
empleando repetidores a distancia adecuadas, se
llega a obtener circuitos de varios cientos de
kilómetros.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
CLASIFICACION DE LAS MICROONDAS
• De acuerdo al tipo de señal que transportan,
a los sistemas de microondas, se les puede
clasificar en:
– Microondas analógicas
– Microondas digitales
Prof. Oscar Somarriba, 2010
MICROONDAS ANALÓGICAS
• Estas fueron los primeros tipos de enlaces
para transmitir canales telefónicos y de TV.
Se usa ampliamente FDM.
• Actualmente su usan poco, en Nicaragua se
tiene algunos enlaces en zonas rurales.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
MICROONDAS DIGITALES
• Con el advenimiento de la transmisión de datos surgió la
necesidad de adecuar las microondas a la transmisión de
señales digitales.
• Para ello se utilizaron métodos de modulación, adecuados para
señales que sólo tienen dos estados posibles (cero y uno).
• Los métodos de modulación para señales digitales son los
siguientes: 2 PSK, 4 PSK, 8 PSK, 16 QAM, 64 QAM, entre
otras.
• En las microondas digitales se produce regeneración de la
señal digital para evitar que se propaguen o adiciones ruido y/o
distorsiones.
Ganancia de la antena y
patrón de radiación
• Ganancia máxima es:
donde D = diámetro de la antena (m), etc.
• Ancho del haz:
Dirección de máxima radiación
DGmax
D
-3 dB
-3 dB
-3dB
grados 70 3dB-D
hazdelAncho
Prof. Oscar Somarriba, 2010
EJERCICIO
• Calcule la ganancia máxima y el ancho
de haz de una antena de 1 m de
diámetro, a 6 GHz y 12 GHz, y de otra
antena de 4 m de diámetro, también a 6
GHz y 12 GHz.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Microondas
USOS:
• Sistemas terrestre de microondas en
servicios de larga distancia, como una
alternativa al cable coaxial para
transmitir TV y voz.
• Enlaces punto a punto entre edificios.
Esto puede ser usado para circuitos
cerrados de TV o para enlace de datos
de redes locales.
Tabla 3.5. Desempeño de las microondas digitales.
___________________________________________________________
Banda (GHz) Ancho de Banda (MHz) Veloc. de datos (Mbps)
___________________________________________________________
2 7 12
6 30 90
11 40 90
18 220 274
___________________________________________________________
Pérdidas de Espacio libre = 10*log(4**d/)2
Comparación de Atenuaciones
Fuente: Stallings., 1999
d= distancia entre dos puntos = longitud de onda
CONFIGURACION DE EQUIPO DE MICROONDAS
NO-PROTEGIDA
IDU
PROTEGIDA
IDU
IDUODU
ODU
Un solo espacio de bastidor (1U) en la IDU (2xE1, 4xE1, 8xE1 y
1xE3+ E1)
CONEXIONES DE PBXs usando MICROONDAS
Fuente: Goleniewski., 2006
CONEXIONES DE LANs usando MICROONDAS
Fuente: Goleniewski., 2006
Microwave Link Design
What is Microwave Communication
A communication system that utilizes the
radio frequency band spanning 2 to 60 GHz.
As per IEEE, electromagnetic waves between
30 and 300 GHz are called millimeter waves
(MMW) instead of microwaves as their
wavelengths are about 1 to 10mm.
Microwave Link Design
What is Microwave
Communication
Small capacity systems generally employ the
frequencies less than 3 GHz while medium
and large capacity systems utilize
frequencies ranging from 3 to 15 GHz.
Frequencies > 15 GHz are essentially used
for short-haul transmission.
Microwave Link Design
` Advantages of Microwave Radio
• Less affected by natural calamities
• Less prone to accidental damage
• Links across mountains and rivers are more
economically feasible
• Single point installation and maintenance
• Single point security
• They are quickly deployed
Microwave Link Design
Line-of-Sight Considerations
• Microwave radio communication requires a
clear line-of-sight (LOS) condition
• Under normal atmospheric conditions, the
radio horizon is around 30 percent beyond
the optical horizon
• Radio LOS takes into account the concept of
Fresnel ellipsoids and their clearance criteria
Microwave Link Design
Line-of-Sight Considerations
• Fresnel Zone - Areas of constructive and destructive interference created when electromagnetic wave propagation in free space is reflected (multipath) or diffracted as the wave intersects obstacles. Fresnel zones are specified employing ordinal numbers that correspond to the number of half wavelength multiples that represent the difference in radio wave propagation path from the direct path
• The Fresnel Zone must be clear of all obstructions.
Microwave Link Design
Radius of the first Fresnel Zone
R=17.32(x(d-x)/fd)1/2
where d = distance between antennas (in Km)
R= first Fresnel zone radius in meters
f= frequency in GHz
x
y
d=x+yR
Microwave Link Design
Line-of-Sight Considerations
• Typically the first Fresnel zone (N=1) is used to determine obstruction loss
• The direct path between the transmitter and the receiver needs a clearance above ground of at least 60% of the radius of the first Fresnel zone to achieve free space propagation conditions
• Earth-radius factor K compensates the refraction in the atmosphere
• Clearance is described as any criterion to ensure sufficient antenna heights so that, in the worst case of refraction (for which k is minimum) the receiver antenna is not placed in the diffraction region
Microwave Link Design
Effective Earth’s Radius = K * True Earth’s Radius
True Earth’s radius= 6371 Km
K=4/3=1.33, standard atmosphere with normally
refracted path (this value should be used whenever
local value is not provided)
Variations of the ray curvature as a function
of k
True Earth’s curvature
= 6,371 Km
K=1K=0.5
K=0.33
Microwave Link Design
Line-of-Sight Considerations
Clearance criteria to be satisfied under
normal propagation conditions
- Clearance of 60% or greater at the
minimum K suggested for the certain path
- Clearance of 100% or greater at K=4/3
- In case of space diversity, the antenna can
have a 60% clearance at K=4/3 plus
allowance for tree growth, buildings (usually
3 meter)
Microwave Link Design
Microwave Link Design
Microwave Link Design is a methodical,
systematic and sometimes lengthy
process that includes
• Loss/attenuation Calculations
• Fading and fade margins calculations
• Frequency planning and interference
calculations
• Quality and availability calculations
Micrwave Link Design 173
Microwave Link Design Process
The whole process is iterative and may go through
many redesign phases before the required quality and
availability are achieved
Frequency
Planning
Link Budget
Quality
and
Availability
Calculations
Fading
Predictions
Interference
analysis
Propagation losses
Branching
losses
Other Losses
Rain
attenuation
Diffraction-
refraction
losses
Multipath
propagation
Micrwave Link Design 174
Loss / Attenuation Calculations
The loss/attenuation calculations are
composed of three main contributions
– Propagation losses
(Due to Earth’s atmosphere and terrain)
– Branching losses
(comes from the hardware used to deliver the
transmitter/receiver output to/from the
antenna)
Micrwave Link Design 175
Loss / Attenuation Calculations
– Miscellaneous (other) losses
(unpredictable and sporadic in character like
fog, moving objects crossing the path, poor
equipment installation and less than perfect
antenna alignment etc)
This contribution is not calculated but is
considered in the planning process as an
additional loss
Microwave Link Design
Propagation Losses
• Free-space loss - when the transmitter and receiver have a clear, unobstructed line-of-sight
Lfsl=92.45+20log(f)+20log(d) [dB] where f = frequency (GHz)
d = LOS range between antennas (km)
• Vegetation attenuation (provision should be taken for 5 years of vegetation growth) L=0.2f 0.3R0.6(dB) f=frequency (MHz) R=depth of vegetation in meter’s (for R<400m)
Micrwave Link Design 177
Propagation Losses
• Obstacle Loss –also called Diffraction Loss or Diffraction
Attenuation. One method of calculation is based on knife
edge approximation.
Having an obstacle free 60% of the Fresnel zone gives 0
dB loss
0 dB
20dB16dB6dB0 dB
First Fresnel Zone
Microwave Link Design
Propagation Losses
• Gas absorption– Primarily due to the water vapor and oxygen
in the atmosphere in the radio relay region.The absorption peaks are located around 23GHz for water molecules and 50 to 70 GHz for oxygen molecules.The specific attenuation (dB/Km)is strongly dependent on frequency, temperature and the absolute or relative humidity of the atmosphere.
Microwave Link Design
Gas attenuation versus frequency
T=30o
RH=50%
Frequency (GHz)
0 25 50
0.4
T=40oC
RH=80%
1.0
23GHzTotal specific
gas attenuation
(dB/Km)
Microwave Link Design
Propagation Losses
• Attenuation due to precipitation
– Rain attenuation is the main contributor in the frequency range used by commercial radio links
– Rain attenuation increases exponentially with rain intensity
– The percentage of time for which a given rain intensity is attained or exceeded is available for 15 different rain zones covering the entire earth’s surface
Microwave Link Design
Propagation Losses
– The specific attenuation of rain is dependent on many parameters such as the form and size of distribution of the raindrops, polarization, rain intensity and frequency
– Horizontal polarization gives more rain attenuation than vertical polarization
– Rain attenuation increases with frequency and becomes a major contributor in the frequency bands above 10 GHz
– The contribution due to rain attenuation is not included in the link budget and is used only in the calculation of rain fading
Micrwave Link Design 182
Ground Reflection
• Reflection on the Earth’s surface may give
rise to multipath propagation
• The direct ray at the receiver may interfered
with by the ground-reflected ray and the
reflection loss can be significant
• Since the refraction properties of the
atmosphere are constantly changing the
reflection loss varies.
Micrwave Link Design 183
Ground Reflection
• The loss due to reflection on the ground is dependent on the total reflection coefficient of the ground and the phase shift
• The highest value of signal strength is obtained for a phase angle of 0o and the lowest value is for a phase angle of 180o
• The reflection coefficient is dependent on the frequency, grazing angle (angle between the ray beam and the horizontal plane), polarization and ground properties
Micrwave Link Design 184
Ground Reflection
• The grazing angle of radio-relay paths is very small – usually less than 1o
• It is recommended to avoid ground reflection by shielding the path against the indirect ray
• The contribution resulting from reflection loss is not automatically included in the link budget. When reflection cannot be avoided, the fade margin may be adjusted by including this contribution as “additional loss” in the link budget
Micrwave Link Design 185
Signal strength versus
reflection coefficient
+10
0
-20
0.2 0.6 1.0
Amax
Amin
Signal
Strength
(dB)
Total reflection coefficient
Microwave Link Design
Link Budget
The link budget is a calculation involving the gain
and loss factors associated with the antennas,
transmitters, transmission lines and propagation
environment, to determine the maximum
distance at which a transmitter and receiver can
successfully operate
Micrwave Link Design 187
Link Budget
• Receiver sensitivity threshold is the signal level
at which the radio runs continuous errors at a
specified bit rate
• System gain depends on the modulation used
(2PSK, 4PSK, 8PSK, 16QAM, 32QAM,
64QAM,128QAM,256QAM) and on the design of
the radio
Micrwave Link Design 188
Link Budget
• The gains from the antenna at each end are
added to the system gain (larger antennas
provide a higher gain).
• The free space loss of the radio signal is
subtracted. The longer the link the higher the
loss
• These calculations give the fade margin
• In most cases since the same duplex radio
setup is applied to both stations the calculation
of the received signal level is independent of
direction
Microwave Link Design 189
Link Budget (Power budget AGAIN)
Receive Signal Level (RSL)
RSL = Pwr – LLctx + Gatx – LLcrx + Gatx – FSL
Link feasibility formula
RSL Rx (receiver sensitivity threshold)
Po = output power of the transmitter (dBm)
Lctx, Lcrx = Loss (cable,connectors, branching unit) between transmitter/receiver and antenna(dB)
Gatx = gain of transmitter/receiver antenna (dBi)
FSL = free space loss (dB)
Micrwave Link Design 190
Link Budget
• The fade margin is calculated with respect to
the receiver threshold level for a given bit-
error rate (BER).The radio can handle
anything that affects the radio signal within
the fade margin but if it is exceeded, then the
link could go down and therefore become
unavailable
Microwave Link Design
Link Budget
• The threshold level for BER=10-6 for
microwave equipment used to be about 3dB
higher than for BER=10-3. Consequently the
fade margin was 3 dB larger for BER=10-6
than BER=10-3. In new generation microwave
radios with power forward error correction
schemes this difference is 0.5 to 1.5 dB
Micrwave Link Design 192
Radio path link budget
Transmitter 1
Receiver 1
Splitter Splitter
Transmitter 2
Receiver 2
Output
Power (Tx)
Branching
Losses
waveguide
Pro
pag
atio
n
Loss
es
Ante
nna
Gai
n
Branching
LossesReceived
Power (Rx)
Receiver threshold Value
Fade Margin
Micrwave Link Design 193
Fading and Fade margins
Fading is defined as the variation of the
strength of a received radio carrier signal due
to atmospheric changes and/or ground and
water reflections in the propagation path.Four
fading types are considered while planning
links.They are all dependent on path length
and are estimated as the probability of
exceeding a given (calculated) fade margin
Micrwave Link Design 194
Fading and Fade margins
• Multipath fading
- Flat fading
- Frequency-selective fading
• Rain fading
• Refraction-diffraction fading (k-type fading)
Micrwave Link Design 195
Fading and Fade margins
• Multipath Fading is the dominant fading
mechanism for frequencies lower than
10GHz. A reflected wave causes a multipath,
i.e.when a reflected wave reaches the
receiver as the direct wave that travels in a
straight line from the transmitter
• If the two signals reach in phase then the
signal amplifies. This is called upfade
Micrwave Link Design 196
Fading and Fade margins
• Upfademax=10 log d – 0.03d (dB)
d is path length in Km
• If the two waves reach the receiver out of phase they weaken the overall signal. A location where a signal is canceled out by multipath is called null or downfade
• As a thumb rule, multipath fading, for radio links having bandwidths less than 40MHz and path lengths less than 30Km is described as flat instead of frequency selective
Microwave Link Design
Fading and Fade margins
Flat fading
• A fade where all frequencies in the channel are equally affected. There is barely noticeable variation of the amplitude of the signal across the channel bandwidth
• If necessary flat fade margin of a link can be improved by using larger antennas, a higher-power microwave transmitter, lower –loss feed line and splitting a longer path into two shorter hops
• On water paths at frequencies above 3 GHz, it is advantageous to choose vertical polarization
Micrwave Link Design 198
Fading and Fade margins
Frequency-selective fading
• There are amplitude and group delay distortions across the channel bandwidth
• It affects medium and high capacity radio links (>32 Mbps)
• The sensitivity of digital radio equipment to frequency-selective fading can be described by the signature curve of the equipment
• This curve can be used to calculate the Dispersive Fade Margin (DFM)
Micrwave Link Design 199
Fading and Fade margins
DFM = 17.6 – 10log[2(f)e-B/3.8/158.4] dB
f = signature width of the equipment
B = notch depth of the equipment
• Modern digital radios are very robust and immune to spectrum- distorting fade activity. Only a major error in path engineering (wrong antenna or misalignment) over the high-clearance path could cause dispersive fading problems
Micrwave Link Design 200
Fading and Fade margins
• Rain Fading
– Rain attenuates the signal caused by the
scattering and absorption of
electromagnetic waves by rain drops
– It is significant for long paths (>10Km)
– It starts increasing at about 10GHz and for
frequencies above 15 GHz, rain fading is the
dominant fading mechanism
– Rain outage increases dramatically with
frequency and then with path length
Micrwave Link Design 201
Fading and Fade margins
– Microwave path lengths must be reduced in areas where rain outages are severe
– The available rainfall data is usually in the form of a statistical description of the amount of rain that falls at a given measurement point over a period of time.The total annual rainfall in an area has little relation to the rain attenuation for the area
– Hence a margin is included to compensate for the effects of rain at a given level of availability. Increased fade margin (margins as high as 45 to 60dB) is of some help in rainfall attenuation fading.
Micrwave Link Design 202
Fading and Fade margins
• Reducing the Effects of Rain– Multipath fading is at its minimum during
periods of heavy rainfall with well aligned dishes, so entire path fade margin is available to combat the rain attenuation (wet-radomeloss effects are minimum with shrouded antennas)
– When permitted, crossband diversity is very effective
– Route diversity with paths separated by more than about 8 Km can be used successfully
Micrwave Link Design 203
Fading and Fade margins
– Radios with Automatic Transmitter Power
Control have been used in some highly
vulnerable links
– Vertical polarization is far less susceptible to
rainfall attenuation (40 to 60%) than are
horizontal polarization frequencies.
Micrwave Link Design 204
Fading and Fade Margins
Refraction – Diffraction Fading– Also known as K-type fading
– For low K values, the Earth’s surface becomes curved and
terrain irregularities, man-made structures and other objects
may intercept the Fresnel Zone.
– For high K values, the Earth’s surface gets close to a plane
surface and better LOS(lower antenna height) is obtained
– The probability of refraction-diffraction fading is therefore
indirectly connected to obstruction attenuation for a given
value of Earth –radius factor
– Since the Earth-radius factor is not constant, the probability
of refraction-diffraction fading is calculated based on
cumulative distributions of the Earth-radius factor
Problema de Microondas
• Determine la señal recibida de 40 milla (1km = 0.6214 mi)
de un Transmisor de 1 W operando 2.11 GHz. Ambos Rx y
Tx están a 164 ft de sus antenas de 3m de diámetro (la
eficiencia de la antena es 0.55). La pérdida totales de
alimentación del Tx a la antena & la antena al Rx debido a
“branching” (por ejemplo pérdidas en los circuladores, etc.)
se asumen en 3dB.
• Las pérdidas en el Tx & Rx debido al cable que conectan a
la antena se estiman usando 10 dB/100 m (328ft) para una
guía de onda o coaxial lleno de aire.
• El peor caso de confiabilidad de propagación es 99.99% (lo
cual indica un margen de “fading” FM=38 dB), eso es un
“outage” (corte del servicio) ocurrirá en menos del 0.01% del
tiempo en un año (52 minutos durante el año).
Micrwave Link Design 205
Solución del problema
• = c/f= 3 *108 m/s / 2.11 * 109= 0.142m
• Pr (dBm)=[ 10* log(1W/1mW) -3dB +
10 *log (0.55*(pi*3/0.142)2)
-{37- dB +20*log2110+20log 40 aquí la frec. es MHz y dist. en millas }
- 38 dB (FM) +34 dB – (10 dB/328 ft)* (2x 164 ft)
= [61 dBm PIRE] –[135.5 dB path loss]-14 dB
= - 88.5 dBm entonces la Pr en mW es 1.4 pW.
Micrwave Link Design 206
Micrwave Link Design 207
Improving the Microwave System
• Hardware Redundancy – Hot standby protection
– Multichannel and multiline protection
• Diversity Improvement– Space Diversity
– Angle Diversity
– Frequency Diversity
– Crossband Diversity
– Route Diversity
– Hybrid Diversity
– Media Diversity
Micrwave Link Design 208
Improving the Microwave System
• Antireflective Systems
• Repeaters
– Active repeaters
– Passive repeaters
Micrwave Link Design 209
Basic Recommendations
• Use higher frequency bands for shorter hops and lower frequency bands for longer hops
• Avoid lower frequency bands in urban areas
• Use star and hub configurations for smaller networks and ring configuration for larger networks
• In areas with heavy precipitation , if possible, use frequency bands below 10 GHz.
• Use protected systems (1+1) for all important and/or high-capacity links
• Leave enough spare capacity for future expansion of the system
Micrwave Link Design 210
Space Diversity• Space diversity is a very expensive way of
improving the performance of the microwave link and it should be used carefully and as a last resort
• The activities of microwave path planning and frequency planning preferably should be performed in parallel with line of sight activities and other network design activities for best efficiency.
• Use updated maps that are not more than a year old. The terrain itself can change drastically in a very short time period.Make sure everyone on the project is using the same maps, datums and coordinate systems.
Micrwave Link Design 211
• Perform detailed path surveys on ALL microwave
hops. Maps are used only for initial planning, as a
first approximation.
• Below 10 GHz , multipath outage increases
rapidly with path length.It also increases with
frequency , climatic factors and average annual
temperature.Multipath effect can be reduced with
higher fade margin. If the path has excessive path
outage the performance can be improved by
using one of the diversity methods.
Micrwave Link Design 212
Difficult Areas for Microwave Links
• In areas with lots of rain, use the lowest
frequency band allowed for the project.
• Microwave hops over or in the vicinity of the
large water surfaces and flat land areas can
cause severe multipath fading. Reflections may
be avoided by selecting sites that are shielded
from the reflected rays.
• Hot and humid coastal areas
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Comunicaciones por SATELITE
(Microondas por satéliite)
Fuente: Stallings, 2000
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Un satélite de comunicación es una estación
repetidora de microondas. Este es usado para
enlazar dos o más transmisores/receptores de
microondas en tierra, conocidos como estaciones
terrenas.
El satélite recibe transmisiones en una banda de
frecuencia (enlace ascendente), amplifica
(transmisión analógica) o repite (transmisión
digital) la señal, y transmite esta en otra frecuencia
(enlace descendente).
Comunicaciones por SATELITE
Prof. Oscar Somarriba, 2010
GENERALIDADES
Un sistema de comunicación por
Satélite está compuesto por :
• Un sistema de comunicación que
consta de: el Satélite, el Canal y, la
Estación Terrena.
• Un sistema de comunicación que
consta de: el Satélite, el Canal y el
Usuario.
RT
Encoder Modulador U/Converter HPA
E
ANTENA
B
LNAD/ConverterDemoduladorDecoder
LEYENDAE/T = ESTACION TERRENA
HPA = AMPLIFICADOR DE ALTA POTENCIA
LNA = AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO
U/CONVERTER = CONVERTIDOR ASCENDENTE
D/CONVERTER = CONVERTIDOR DESCENDENTE
EB = EQUIPO DE BANDA BASE
RT = RED TERRESTRE
Diagrama Funcional de una E/T Digital
ESTACION TERRENA
Receptor de rastreo
Servomecanismo
de la antena
Control de
apuntamiento
de la antena
Rastreo
D
I
P
L
E
X
O
R
MOTORES DE
MOVIMIENTO
Antena
Programa Planta de
Emergencia &
Baterías locales
Señales en
banda base
Amplificador
de bajo ruido
Receptor
Modulador Amplificador
de alto poder
Señales en
banda base
Demodulador Convertidor
Reductor
Convertidor
elevador
Sistema de
alimentación
de energía
Entrada de
datos de
apuntalamiento
Red
comercial
Transmisor
SATÉLITE
Diferentes tipos de Satélites:
• Satélite Tradicional
Funciona como un espejo o simple repetidor.
•Recibe señales
•Amplifica
•Cambia la frecuencia, Amplifica, y
retransmite.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
SATÉLITE (Continuación)
Diferentes tipos de Satélites
•Satélite Regenerrativo:
Ofrece la posibilidad de procesar las señales
en el espacio antes de retransmitirlas hacia la
tierra
•Demodula las señales
•Conmuta en banda base, de ser necesario
•Modula las señales
•Ejecuta las otras funciones del Satélite
convencional.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
SISTEMAS SATELITALES
Orbitas Satelitales:
• Satélites de baja órbita (LEO):
Distancia: 2000 Km
Período de rotación: 90 min- 2 hrs.
Retardo: 140-220 ms
Ejemplos: Globalstar (48 Satélites a 1400 Km), Iridium
(66 Satélites a 780 Km).
Prof. Oscar Somarriba, 2010
SISTEMAS SATELITALES
Fuente: Goleniewski., 2006
Prof. Oscar Somarriba, 2010
• Satélites de órbita intermedia (MEO):
Distancia: 10,000 - 14,000 km
Período de rotación: 6 hrs
Retardo: 220 ms
Ejemplos:
– Odyssey, 36 Satélites a 10,356 km.
– ICO-Global, 10 Satélites a 10,355 km.
SISTEMAS SATELITALES
Prof. Oscar Somarriba, 2010
• Satélites de órbita geoestacionaria
(GEO):
Distancia: 35,800 Km
Período de rotación: 24 hrs (En
sincronía con la tierra)
Retardo: 370 ms
Ejemplo: INTELSAT VII.
SISTEMAS SATELITALES
Prof. Oscar Somarriba, 2010
COMPARACIÓN DE LAS ÓRBITAS
Ventajas Desventajas
LEO Diversidad
Satélites mas baratos
Menor potencia
Menor retardo de la señal
Cantidad de satélites
Sistema de comunicación complejo
MEO Menos cantidad de satélites Requieren más potencia que los LEO
GEO Posición fija sobre la tierra
Pocos satélites
Satélites más grandes y caros
Mayor retardo
Arquitectura de un sistema de
comunicaciones por Satélite
Datos, Telefonía, TV
Segmento Espacial
Estación de
Control
Segmento Terrestre
Datos, Telefonía, TV
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Banda de Frecuencia Rango (GHz)
L 1- 2S 2- 4
C 4- 8
X 8- 12Ku 12- 18
K 18- 27
Ka 27- 40Milimeter 40- 300
Bandas de Frecuencias Utilizadas
Ejemplo: Niveles de potencia con valores
típicos Banda C
Señal de
salida 1 mW
Señal de
entrada
1 mW
Condiciones de cielo despejado
+60dB
+24 dB+ 106 dB +24 dB
nivel de megawatts
efectivos+50dB
HPA
+42dB
nivel de picowatts
+50 dB +40 dB
demoduladorLNA
Señal de
entrada
1 mW
Prof. Oscar Somarriba, 2010
VSATS = Very Small Aperture Terminals
Fuente: Goleniewski., 2006
Prof. Oscar Somarriba, 2010
• Distribución de televisión.
• Transmisión telefónica de larga distancia
• Redes privadas de negocios.
Usos de los Satélites
Prof. Oscar Somarriba, 2010
RADIO
• Introducción
• Definición y uso
• Naturaleza de las ondas de radio
• Propagación de las ondas de radio
• Propagación de onda de cielo
Prof. Oscar Somarriba, 2010
•
• Las frecuencias de Onda de Radio son señales en el rango
de 30 MHz a 1 GHz. Transmisión omnidireccional es usada,
por ejemplo en FM.
• Señales a estas frecuencias son convenientes para
aplicaciones de difusión (“broadcast") y transmisiones de
datos (Packet Radio).
• Televisión VHF y UHF
• Antenas Alineadas
• Interferencias producidas por multitrayectorias:
• Reflexiones
RADIO: INTRODUCCIÓN
Prof. Oscar Somarriba, 2010
DEFINICIÓN Y USO
• La radiocomunicación es la técnica que permite el
intercambio de información entre dos puntos
geográficos, mediante la TX y RX de ondas
electromagnéticas.
• Estas se propagan a la velocidad de la luz (c =
300,000.00 km/s) debido al fenómeno de radiación
electromagnética.
Longitud de
onda
300-3000 Hz
3-30 kHz
30-300 kHz
1000-100 km
100-10 km
10-1
km
Término
Frecuencia Extremadamente baja ELF
Muy baja frecuencia VLF
Rango de
frecuencia
Baja frecuencia LF
300-3000 kHz 1000-100 m Frecuencia Media MF
3-30 MHz 100-10 m Alta Frecuencia HF
30-300 MHz 10-1 m Muy Alta frecuencia VHF
300-3000 MHz 100-10 cm Frecuencia Ultra Alta UHF
3-30 GHz 10-1 cm Frecuencia Super Alta SHF
30-300 GHz 10-1 mmFrecuencia Extremadamente Alta EHF
Clasificación del espectro de radio
Prof. Oscar Somarriba, 2010
NATURALEZA DE LAS ONDAS DE RADIO
• Cuando se aplica una potencia de radiofrecuencia a
una
antena, los electrones contenidos en el metal de cual
son parte constituyente, comienzan
instantáneamente a oscilar.
• Estos electrones en movimiento, constituyen una
corriente eléctrica que produce la aparición de un
campo magnético concéntrico al conductor (antena)
y un campo electrostático cuyas líneas de fuerza son
perpendiculares a las líneas del campo magnético.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Propagación en espacio libre
• El modelo de propagación más simple,
es la propagación en el espacio libre, es
decir descartamos todos los obstáculos
entre el Tx y el Rx.
• Esta situación es común en sistema de
comunicación por satélite y en “deep
space communications”.
Cálculo de la densidad de potencia
utilizando un radiador isotrópico
rAe
Potencia total recibida :
24 r
APASP es
emm
Ps
Campo alrededor de una radiador isótropico
24 r
P
A
PS s
esfera
sm
Intensidad en la esfera W/m²
Ejemplo 2: Radiador
Isotrópico
Ae = 1mt²
Ps = 10 W
A B
¿Cuál es la potencia recibida e
intensidad de campo en B?
213
262/108
)10(4
10
4mW
r
PS s
m
1000 km
)91,121(108 13 dBmdBWWASP emm
mmicroVZSEabs
EZ
EabsHabsEabsS orxeff
o
rx /172
)()(
2
1)()(
2
1
Propagation Modes
• Ground-wave propagation
• Sky-wave propagation
• Line-of-sight propagation
Ground Wave Propagation
Ground Wave Propagation
• Follows contour of the earth
• Can Propagate considerable distances
• Frequencies up to 2 MHz
• Example
– AM radio
Sky Wave Propagation
Sky Wave Propagation
• Signal reflected from ionized layer of atmosphere
back down to earth
• Signal can travel a number of hops, back and
forth between ionosphere and earth’s surface
• Reflection effect caused by refraction
• Examples
– Amateur radio
– CB radio
Line-of-Sight Propagation
Line-of-Sight Propagation
• Transmitting and receiving antennas must be within line of sight
– Satellite communication – signal above 30 MHz not reflected by ionosphere
– Ground communication – antennas within effectiveline of site due to refraction
• Refraction – bending of microwaves by the atmosphere
– Velocity of electromagnetic wave is a function of the density of the medium
– When wave changes medium, speed changes
– Wave bends at the boundary between mediums
Line-of-Sight Equations
• Optical line of sight
• Effective, or radio, line of sight
• d = distance between antenna and horizon (km)
• h = antenna height (m)
• K = adjustment factor to account for refraction,
rule of thumb K = 4/3
hd 57.3
hd 57.3
Line-of-Sight Equations
• Maximum distance between two antennas for
LOS propagation:
• h1 = height of antenna one
• h2 = height of antenna two
2157.3 hh
Propagación cerca del plano de tierra
• Cuando las antenas Tx y Rx están en la atmósfera
cerca de la tierra, el modelo de espacio libre es un
modelo muy crudo.
• Los campos están influenciados por la tierra y por los
obstáculos, así como de las propiedades del medio.
• En general, el campo tiene tres tipos de
componentes en el lado receptor:
– Onda Directa (en la línea de vista entre Tx y Rx).
– Onda reflejada en la tierra (Reflexiones en la
tierra)
– Onda de Tierra (conducidas en el borde eléctrico
entre el aire y la tierra).
Prof. Oscar Somarriba, 2010
m Componentes de onda propagadas a cerca
de la superficie de la tierra
Onda terrestreOnda reflejada
Onda directa
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Componentes de onda propagadas a cerca
de la superficie de la tierra- Cont.
• La onda directa y la onda reflejada en tierra se juntan
para conformar la onda atmosférica.
• La propagación de ondas de tierra, requiere una
investigación más detallada, incluyendo las
propiedades eléctricas de la tierra y las superficies
reflejantes.
• La onda de tierra existe cerca de la superficie de
“Gea” y es de importancia si la altura de la antena Tx
es pequeña comparada con la longitud de onda.
• Iniciemos nuestro estudio considerando la
interacción de los componentes de onda directa y
onda reflejada.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Modelo de geometría del plano terrestre
dD
dR
h1
h2
d
Precibida 4 ((Ps Ae (h1h2)2)/ ² d4
Para largas distancias:
Ps= Potencia Tx
Ae= área
efectiva de la
antena
=longitud de onda
h1 & h2= alturas
de las torres
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Difracción
• Para realizar un modelo mas detallado podemos
tomar en cuenta el fenómeno de difracción.
• Si la longitud de onda >> que el obstáculo, las ondas
pasan si afectarse.
• Difracción permite a las ondas de radio propagarse
alrededor de superficies curvas de la tierra y
propagarse más allá de los obstáculos.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Modelo de difracción filo de navaja
h
KC
A B
ING. OSCAR
SOMARRIBA
253
Modelo de difracción filo de navaja
(2)
21
21 )(2
dd
ddhv
El parámetro de difracción está dado
La diferencia de fase puede ser expresada como:
2
2v
ING. OSCAR
SOMARRIBA
254
Curva de pérdidas de difracción
Atenuación en dB
ING. OSCAR
SOMARRIBA
255
La estimación de las pérdidas por
difracción
Fórmulas de Fresnel:
2.4 v )log(2095.12
2.4 v0 27.111.902.6),,(
2
21v
vvhddLd
ING. OSCAR
SOMARRIBA
256
Propagación de Troposférica
• Cuando trabajamos con radio enlaces de
línea de vista largos tenemos que refinar
nuestros modelos, el impacto de las capas
inferiores de la atmósfera debe ser incluido.
• Dos mecanismos son importantes en este
contexto: refracción y el efecto de
atenuación.
• Las propiedades de refracción de la
troposfera son afectadas por la presión,
temperatura y humedad.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Se usan mucho para comunicaciones de corto alcance
y direccionales.
Por ejemplo:
Los controles remotos usados en TV, VCRs
(grabadoras de vídeo), DVD players y estéreos utilizan
la comunicación infrarroja. O se puerto considerar IRD.
Desventaja: estas ondas no pasan objetos sólidos.
Ondas Infrarrojo y Milimétricas
Prof. Oscar Somarriba, 2010
TRANSMISIÓN POR ONDAS DE LUZ
• Permite comunicación por medio de láseres (diodos).
• Se genera un rayo fino de luz coherente
unidireccional, usualmente infrarroja, que se modula
digitalmente en pulsos para transportar datos.
• Los fotodiodos receptores traducen los pulsos de
nuevo a bits. Debe existir enlace visual.
• Ofrece un ancho de banda muy alto y a un costo muy
bajo, pero en cambio las distancias entre los dos
láseres son muy inferiores y con una atenuación
atmosférica alta.
Free Space Optics (FSO)
Technology OverviewJohn Schuster
Chief Technology Officer
Terabeam Corporation
Presentation Overview
• Why Free Space Optics (FSO)?
• Challenges
• Transceiver Design
• Predicting Availability
• Eye Safety
• Applications & Network Integration
• The Future of FSO
Why Free Space Optics (FSO)?
The “Last Mile” Bottleneck Problem
Only about 5% of commercial
buildings are lit with fiber
Wide Area Networks between
major cities are extremely fast
• Fiber based
• >2.5 Gbps
Local Area Networks in
buildings are also fast
• >100Mbps
The connections in
between are typically
a lot slower
• 0.3-1.5 Mbps
Why Free Space Optics?
Why Not Just Bury More Fiber?
• Cost
• Rights of Way
• Permits
• Trenching
• Time
With FSO, especially through
the window, no permits, no
digging, no fees
Why Free Space Optics?
How Fiber Optic Cable Works
Light Source
Glass Fiber Strands
Detector
Network
Device
• Pulses of light communicate the data
• “ON” = 1
• “OFF = 0
• Capable of more than 40 Gbps
• >7 CDs a second
Light Source
Detector
Network
Device
Why Free Space Optics?
How FSO Works
1 Network traffic
converted into
pulses of
invisible light
representing
1’s and 0’s
2 Transmitter projects the
carefully aimed light
pulses into the air
5 Reverse direction data
transported the same way.
• Full duplex
3 A receiver at the other end of
the link collects the light using
lenses and/or mirrors
4 Received signal
converted back
into fiber or
copper and
connected to the
networkAnything that can be done in
fiber can be done with FSO
• Beams only a few meters in diameter at a kilometer
• Allows VERY close spacing of links without interference
• No side lobes
• Highly secure
• Efficient use of energy
• Ranges of 20m to more than 8km possible
Why Free Space Optics?
Very Narrow and Directional Beams
Why Free Space Optics?
Deployment Behind Windows
• Rapid installations without trenching and
permitting
• Direct connection to the end user
• Bypasses the building owner
– No roof rights
– No riser rights
Why Free Space Optics?
The FSO “Value Proposition”
• No interference
• Unlicensed
• Easy to install
• Through the window
(or from the rooftop)
• No trenching, no permits
• Fiber-like data rates
• Many deployment options
• Fungible equipment
Fundamental Concepts
Small Angles - Divergence & Spot Size
1 mrad
1 km
1 m
Small angle approximation:
Angle (in milliradians) * Range (km)= Spot Size (m)
Divergence Range Spot Diameter
0.5 mrad 1.0 km ~0.5 m (~20 in)
2.0 mrad 1.0 km ~2.0 m (~6.5 ft)
4.0 mrad (~ ¼ deg) 1.0 km ~4.0 m (~13.0 ft)
1° ≈ 17 mrad → 1 mrad ≈ 0.0573°
Fundamental Concepts
The Decibel - dB
• A logarithmic ratio between two values
• In the optical world of Power in mW,
dB=10*Log(power2/power1)
• 3 dB = ratio of 2/1
• 6 dB = ratio of 4/1
• 10 dB = ratio of 10/1
• 20 dB = ratio of 100/1
• 50 dB= ratio of 100,000/1
Gain/Loss Multiplier
+30 db
+20 db
+10 db
0 db
-10 db
-20 db
-30 db
1000
100
10
1
.1
.01
.001
Challenges
Environmental factors Sunlight
Building
Motion
Alignment
Window
AttenuationFog
Each of these factors can “attenuate” (reduce) the signal.
However, there are ways to mitigate each environmental factor.
Scintillation
RangeObstructions
Low Clouds
Challenges
Atmospheric Attenuation - FOG
• Absorption or scattering of optical signals
due to airborne particles
• Primarily FOG but can be rain, snow,
smoke, dust, etc.
• Can result in a complete outage
• FSO wavelengths and fog droplets are
close to equal in size
– (Mie Scattering)
• Typical FSO systems work 2-3X further
than the human eye can see
• High availability deployments require
short links that can operate in the fog
Challenges
Low Clouds, Rain, Snow and Dust
• Low Clouds
– Very similar to fog
– May accompany rain and snow
• Rain
– Drop sizes larger than fog and wavelength of light
– Extremely heavy rain (can’t see through it) can take a link down
– Water sheeting on windows
• Heavy Snow (“No Aplica en Nicaragua”)
– May cause ice build-up on windows
– Whiteout conditions
• Sand Storms
– Likely only in desert areas; rare in the urban core
• Beam spreading and wandering due to propagation through
air pockets of varying temperature, density, and index of
refraction.
• Almost mutually exclusive with fog attenuation.
• Results in increased error rate but not complete outage.
Challenges
Scintillation
• Uncoated glass attenuates 4% per surface due to reflection
• Tinted or insulated windows can have much greater attenuation
• Possible to trade high altitude rooftop weather losses vs. window
attenuation
Challenges
Window Attenuation
WAM
Challenges
Building Motion
Type Cause(s) Magnitude Frequency
Tip/tilt Thermal expansion
High Once per day
Sway Wind Medium Once every several seconds
Vibration Equipment (e.g., HVAC), door slamming, etc.
Low Many times per second
1. Automatic Pointing and Tracking
– Allows narrow divergence beams for greater link margin
– System is always optimally aligned for maximum link margin
– Additional cost and complexity
2. Large Divergence and Field of View
– Beam spread is larger than expected building motion
– Reduces link margin due to reduced energy density
– Low cost
Challenges
Compensating for Building Motion – Two Methods
0.2 – 1 mrad divergence
= 0.2 to 1 meter spread at 1 km
2 – 10 mrad divergence
=2 to 10 meter spread at 1 km
Challenges
Building Motion – Thermal Expansion
Results from Seattle Deployment:
• 15% of buildings move more than 4 mrad
• 5% of buildings move more than 6 mrad
• 1% of buildings move more than 10 mrad
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Resumen de la Unidad II
• En esta unidad hemos revisado los
principales medios de transmisión utilizados
en las telecomunicaciones modernas.
• Entre los medios de comunicación más
importante se tienen la fibra óptica, FSO,
Microondas y el satélite.
Prof. Oscar Somarriba, 2010
Lecturas recomendadas
• Goleniewski, L. Telecommunications Essentials. 2nd Edition.
Addison Wesley, 2006. Chapter s1 & 2.
• Stallings, W. Comunicaciones y Redes de Computadores, sexta
edición. Madrid. Prentice Hall, 2000. Capítulo 4.