estudiar fibra

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”)


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.


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.


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.


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


ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Fuente: Goleniewski., 2006

Telecom Y ESPECTRO ELECTROMAGNETICO



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


MEDIOS GUIADOS

Entre los medios guiados vamos a considerar tenemos:

– Cables Trenzados

– Cables Multipares

– Cable Coaxial

– Fibra óptica


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.


Par Trenzado (Cont.)

Fuente: Stallings., 2006


Característica de Transmisión del TP



Pares trenzados apantallados y sin apantallar



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.


Categorías de UTP (1995)



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.


hasta 20 MHz.


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


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.


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


ATENUACION

Atenuación = salida - entrada dB

Potencia de entrada, dBm Potencia de salida, dBm

HEY HEY

Fuente: Ortronix., 1999


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


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.


Código de Colores

Fuente: Stallings , 2000


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


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.


Cable Coaxial ( cont.)

Fuente: Stallings, 2000


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.


Característica de transmisión



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


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)


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


Beneficios



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.


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.


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


1999


Fibra óptica


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.


CARACTERISTICAS de Transmisión de la FO



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


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


FIBRA OPTICA


• 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


FIBRA OPTICA


• 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


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.


Optica Geométrica

Reflexión Externa

Reflexión Interna

Reflexión Total

Interna


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


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


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


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


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.


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


Características



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


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.


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.


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


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


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


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


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)


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)


Atenuación

• 2.3 Resonancia Iónica.

• Debida a diminutas cantidades de

moléculas de agua en el momento de la

fabricación de la fibra.


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


Características del Transmisor y receptor

• Transmisores ópticos (LEDs y

LASERs).

• Receptores ópticos (Fotodiodos,

Fototransistores).


Transmisión de FO



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.


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.


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


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.

http://www.iec.org/online/tutorials/dwdm/index.html


Medios No Guiados

• Microondas

• Satélite

• Radio

• Ondas Infrarrojas y milimétricas

• Transmisión por ondas de luz


Medios No Guiados

Transmisión Inalámbrica


NOTA: Nosotros

en el curso de

redes de

comunicaciones,

usamos como

microondas el

rango de 2 GHz

hasta 60 GHz


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


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


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


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.

•


MICROONDAS


• 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


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.


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


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.


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


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.


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


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


CONEXIONES DE LANs usando MICROONDAS


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.


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.


` 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


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



• 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.


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



• 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


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



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 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


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)


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


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)


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


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.


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)


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


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


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.


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


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


Signal strength versus

reflection coefficient

+10

0

-20

0.2 0.6 1.0

Amax

Amin

Signal

Strength

(dB)

Total reflection coefficient


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


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


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)


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


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


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


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



• Multipath fading

- Flat fading

- Frequency-selective fading

• Rain fading

• Refraction-diffraction fading (k-type fading)



• 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



• 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



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



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)



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



• 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



– 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.



• 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



– 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.


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).


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.



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


Improving the Microwave System

• Antireflective Systems

• Repeaters

– Active repeaters

– Passive repeaters


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


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.


• 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.


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


Comunicaciones por SATELITE

(Microondas por satéliite)



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


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.


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.


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).


• 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.



• 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.



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


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


VSATS = Very Small Aperture Terminals



• Distribución de televisión.

• Transmisión telefónica de larga distancia

• Redes privadas de negocios.

Usos de los Satélites


RADIO

• Introducción


• Naturaleza de las ondas de radio

• Propagación de las ondas de radio

• Propagación de onda de cielo


•

• 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


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


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.


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).


m Componentes de onda propagadas a cerca

de la superficie de la tierra

Onda terrestreOnda reflejada

Onda directa


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.


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


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.


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.


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


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


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


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


Very Narrow and Directional Beams


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


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




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.


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.

estudiar fibra

Documents