Presupuesto de enlaces

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Un presupuesto de enlace es una contabilidad de todas las ganancias y pérdidas de potencia que experimenta una señal de comunicación en un sistema de telecomunicaciones ; desde un transmisor, a través de un medio de comunicación como ondas de radio , cable , guía de ondas o fibra óptica , hasta el receptor. Es una ecuación que proporciona la potencia recibida desde el transmisor, después de la atenuación de la señal transmitida debido a la propagación, así como las ganancias de antena y la línea de alimentación y otras pérdidas, y la amplificación de la señal en el receptor o cualquier repetidor por el que pasa. Un presupuesto de enlace es una ayuda de diseño, calculada durante el diseño de un sistema de comunicación para determinar la potencia recibida, para asegurar que la información se reciba de manera inteligible con una relación señal-ruido adecuada . Las ganancias de canal que varían aleatoriamente, como el desvanecimiento, se tienen en cuenta agregando un margen dependiendo de la gravedad anticipada de sus efectos. La cantidad de margen requerida se puede reducir mediante el uso de técnicas de mitigación como la diversidad de antena o la entrada múltiple y la salida múltiple (MIMO).

Una ecuación simple de presupuesto de enlace se ve así:

Potencia recibida (dBm) = potencia transmitida (dBm) + ganancias (dB) − pérdidas (dB)

Los niveles de potencia se expresan en ( dBm ), las ganancias y pérdidas de potencia se expresan en decibeles (dB), que es una medida logarítmica , por lo que sumar decibeles equivale a multiplicar las relaciones de potencia reales.

En un sistema de radio con línea de visión , la principal fuente de pérdida es la disminución de la potencia de la señal a medida que se propaga sobre un área cada vez mayor, proporcional al cuadrado de la distancia (propagación geométrica).

• Las antenas de transmisión pueden ser omnidireccionales, direccionales o sectoriales, dependiendo de la forma en que se oriente la potencia de la antena. Una antena omnidireccional distribuirá la potencia de manera uniforme en todas las direcciones de un plano, por lo que el patrón de radiación tiene la forma de una esfera comprimida entre dos superficies planas paralelas. Se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones, por ejemplo, en puntos de acceso WiFi. Las antenas direccionales concentran la potencia en una dirección específica, llamada punto de mira, y se utilizan ampliamente en aplicaciones punto a punto, como puentes inalámbricos y comunicaciones por satélite. Las antenas sectoriales concentran la potencia en una región más amplia, que normalmente abarca 45º, 60º, 90º o 120º. Se despliegan rutinariamente en torres celulares.

La pérdida en el espacio libre se calcula fácilmente utilizando la ecuación de transmisión de Friis , que establece que la pérdida es proporcional al cuadrado de la distancia y al cuadrado de la frecuencia. Además, en la mayoría de los enlaces de radio se producen pérdidas, incluidas la atenuación atmosférica por gases, lluvia, niebla y nubes, el desvanecimiento debido a variaciones del canal, las pérdidas por trayectos múltiples y la desalineación de la antena. En los enlaces sin línea de visión, las pérdidas por difracción y reflexión son las más importantes, ya que no se dispone de la ruta directa.

En situaciones prácticas (telecomunicaciones en el espacio profundo, DXing de señales débiles, etc.) también deben tenerse en cuenta otras fuentes de pérdida de señal.

• Las antenas de transmisión y recepción pueden estar parcialmente polarizadas de forma cruzada.
• El cableado entre las radios y las antenas puede introducir una pérdida adicional significativa.
• Pérdidas en la zona de Fresnel debido a una trayectoria de línea de visión parcialmente obstruida.
• Pérdidas de potencia de señal inducidas por desplazamiento Doppler en el receptor.

Si la potencia recibida estimada es suficientemente grande (normalmente en relación con la sensibilidad del receptor ), lo que puede depender del protocolo de comunicaciones en uso, el enlace será útil para enviar datos. La cantidad en la que la potencia recibida excede la sensibilidad del receptor se denomina margen de enlace .

Una ecuación de presupuesto de enlace que incluya todos estos efectos, expresados ​​logarítmicamente, podría verse así:

${\displaystyle P_{\text{RX}}=P_{\text{TX}}+G_{\text{TX}}-L_{\text{TX}}-L_{\text{FS}}-L_{M}+G_{\text{RX}}-L_{\text{RX}}\,}$

dónde:

${\displaystyle P_{\text{RX}}}$, potencia recibida (dBm)

${\displaystyle P_{\text{TX}}}$, potencia de salida del transmisor (dBm)

${\displaystyle G_{\text{TX}}}$Ganancia de la antena del transmisor (dBi)

${\displaystyle L_{\text{TX}}}$, pérdidas del transmisor (coaxial, conectores...) (dB)

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$, pérdida de trayectoria , generalmente pérdida de espacio libre (dB)

${\displaystyle L_{\text{M}}}$, pérdidas diversas ( margen de desvanecimiento , pérdida de cuerpo, desajuste de polarización, otras pérdidas, ...) (dB)

${\displaystyle G_{\text{RX}}}$Ganancia de la antena del receptor (dBi)

${\displaystyle L_{\text{RX}}}$, pérdidas del receptor (coaxial, conectores, ...) (dB)

La pérdida debida a la propagación entre las antenas transmisoras y receptoras, a menudo denominada pérdida de trayectoria, se puede escribir en forma adimensional normalizando la distancia a la longitud de onda:

${\displaystyle L_{\text{FS}}{\text{(dB)}}=20\log _{10}\left(4\pi {{\text{distance}} \over {\text{wavelength}}}\right)}$(donde la distancia y la longitud de onda están en las mismas unidades)

Cuando se sustituye en la ecuación de presupuesto de enlace anterior, el resultado es la forma logarítmica de la ecuación de transmisión de Friis .

En algunos casos, es conveniente considerar la pérdida debida a la distancia y la longitud de onda por separado, pero en ese caso, es importante llevar un registro de las unidades que se están utilizando, ya que cada opción implica una desviación constante diferente. A continuación se ofrecen algunos ejemplos.

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ 32,45 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (km)] ^[1]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ −27,55 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (m)]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(dB) ≈ 36,6 dB + 20 log10[frecuencia (MHz)] + 20 log10[distancia (millas)]

Estas formas alternativas se pueden derivar sustituyendo la longitud de onda por la relación de la velocidad de propagación ( c , aproximadamente3 × 10 ⁸  m/s ) dividido por la frecuencia e insertando los factores de conversión adecuados entre km o millas y metros, y entre MHz y (1/s).

Debido a las obstrucciones de los edificios, como paredes y techos, las pérdidas de propagación en interiores pueden ser significativamente mayores. Esto se produce por una combinación de atenuación por paredes y techos y bloqueos debido a equipos, muebles e incluso personas.

• Por ejemplo, una pared de madera de " 2 por 4 " con paneles de yeso en ambos lados da como resultado una pérdida de aproximadamente 6 dB por pared a 2,4 GHz. ^[2]
• Los edificios más antiguos pueden tener pérdidas internas incluso mayores que los edificios nuevos debido a problemas de materiales y de línea de visión.

La experiencia ha demostrado que la propagación en línea de visión se mantiene solo durante los primeros 3 metros. Más allá de los 3 metros, las pérdidas de propagación en interiores pueden aumentar hasta 30 dB por cada 30 metros en entornos de oficinas densos. Esta es una buena regla general, ya que es conservadora (sobreestima la pérdida de trayectoria en la mayoría de los casos). ^{[ cita requerida ]} Las pérdidas de propagación reales pueden variar significativamente según la construcción y el diseño del edificio.

La atenuación de la señal depende en gran medida de la frecuencia de la señal.

Los medios guiados, como los cables eléctricos coaxiales y de par trenzado, las guías de ondas de radiofrecuencia y la fibra óptica, tienen pérdidas que son exponenciales con la distancia.

La pérdida de trayectoria se expresará en términos de dB por unidad de distancia.

Esto significa que siempre hay una distancia de cruce más allá de la cual la pérdida en un medio guiado superará la de una trayectoria de línea de visión de la misma longitud.

La comunicación a larga distancia por fibra óptica se volvió práctica recién con el desarrollo de fibras de vidrio ultratransparentes. La pérdida de trayectoria típica para la fibra monomodo es de 0,2 dB/km, ^[3] mucho menor que la de cualquier otro medio guiado.

Los presupuestos de enlace son importantes en las comunicaciones Tierra-Luna-Tierra . Como el albedo de la Luna es muy bajo (máximo 12% pero normalmente cerca del 7%) y la pérdida de trayectoria a lo largo de la distancia de retorno de 770.000 kilómetros es extrema (alrededor de 250 a 310 dB dependiendo de la banda VHF-UHF utilizada, el formato de modulación y los efectos de desplazamiento Doppler ), se deben utilizar antenas de alta potencia (más de 100 vatios) y alta ganancia (más de 20 dB).  

• En la práctica, esto limita el uso de esta técnica al espectro en VHF y superiores.
• La Luna debe estar por encima del horizonte para que las comunicaciones EME sean posibles.

La sonda espacial del programa Voyager tiene la mayor pérdida de trayectoria conocida (308  dB en 2002 ^{[4] : 26} ) y los presupuestos de enlace más bajos de cualquier circuito de telecomunicaciones. La Red del Espacio Profundo ha podido mantener el enlace a una tasa de bits más alta de lo esperado mediante una serie de mejoras, como aumentar el tamaño de la antena de 64  m a 70  m para una  ganancia de 1,2 dB y actualizar a electrónica de bajo ruido para una  ganancia de 0,5 dB en 2000-2001. Durante el sobrevuelo de Neptuno , además de la antena de 70 m, se utilizaron dos antenas de 34 m y veintisiete antenas de 25 m para aumentar la ganancia en 5,6  dB, lo que proporciona un margen de enlace adicional que se puede utilizar para un aumento de 4x en la tasa de bits. ^{[4] : 35}

• Ecuación de transmisión de Friis
• Ganancia de antena/temperatura de ruido
• Radiador isotrópico
• Patrón de radiación
• Propagación por trayectos múltiples
• Planificación de RF

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• Calculadora de presupuesto de enlace punto a punto
• Calculadora/planificadora de presupuesto MUOS Link
• Ejemplo de presupuestos de enlaces LTE, GSM y UMTS
• Calculadora de presupuesto de enlaces de Python para satélites
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