Transmisión por microondas

La transmisión por microondas es la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de frecuencias de microondas de 300 MHz a 300 GHz (longitud de onda de 1 m - 1 mm) del espectro electromagnético . Las señales de microondas normalmente están limitadas a la línea de visión , por lo que la transmisión a larga distancia utilizando estas señales requiere una serie de repetidores que formen una red de retransmisión de microondas . Es posible utilizar señales de microondas en comunicaciones más allá del horizonte utilizando dispersión troposférica , pero estos sistemas son caros y generalmente se utilizan solo en funciones especializadas.

Aunque en 1931 se demostró un enlace experimental de telecomunicaciones por microondas de 64 kilómetros de longitud a través del Canal de la Mancha , el desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial proporcionó la tecnología para la explotación práctica de la comunicación por microondas. Durante la guerra, el ejército británico introdujo el equipo inalámbrico n.º 10, que utilizaba relés de microondas para multiplexar ocho canales telefónicos a largas distancias. Un enlace a través del Canal de la Mancha permitió al general Bernard Montgomery permanecer en contacto continuo con el cuartel general de su grupo en Londres.

En la era de la posguerra, el desarrollo de la tecnología de microondas fue rápido, lo que llevó a la construcción de varios sistemas de retransmisión de microondas transcontinentales en América del Norte y Europa. Además de transportar miles de llamadas telefónicas a la vez, estas redes también se utilizaron para enviar señales de televisión para su difusión a través del país y, más tarde, datos informáticos. Los satélites de comunicaciones se apoderaron del mercado de la transmisión televisiva durante los años 70 y 80, y la introducción de sistemas de fibra óptica de larga distancia en los años 80 y, especialmente, en los 90, provocó el rápido deterioro de las redes de retransmisión, la mayoría de las cuales están abandonadas.

En los últimos años, se ha producido un aumento explosivo del uso del espectro de microondas por parte de nuevas tecnologías de telecomunicaciones , como las redes inalámbricas y los satélites de transmisión directa que transmiten televisión y radio directamente a los hogares de los consumidores. Los enlaces de mayor alcance visual vuelven a ser populares para las conexiones entre torres de telefonía móvil, aunque por lo general no están organizados en largas cadenas de retransmisión.

Las microondas se utilizan ampliamente para las comunicaciones punto a punto porque su pequeña longitud de onda permite que las antenas de tamaño conveniente las dirijan en haces estrechos, que pueden apuntar directamente a la antena receptora. Este uso de haces directos muy enfocados permite que los transmisores de microondas en la misma área utilicen las mismas frecuencias, sin interferir entre sí como lo harían las ondas de radio de frecuencia más baja. Esta reutilización de frecuencias conserva el escaso ancho de banda del espectro radioeléctrico. Otra ventaja es que la alta frecuencia de las microondas le da a la banda de microondas una capacidad muy grande para transportar información; la banda de microondas tiene un ancho de banda 30 veces mayor que el de todo el resto del espectro radioeléctrico por debajo de ella. Una desventaja es que las microondas están limitadas a la propagación en línea de visión ; no pueden pasar alrededor de colinas o montañas como lo hacen las ondas de radio de frecuencia más baja.

La transmisión de radio por microondas se utiliza habitualmente en sistemas de comunicación punto a punto en la superficie de la Tierra, en comunicaciones por satélite y en comunicaciones por radio en el espacio profundo . Otras partes de la banda de radio de microondas se utilizan para radares , sistemas de radionavegación , sistemas de sensores y radioastronomía .

La banda de frecuencias inmediatamente superior del espectro radioeléctrico , entre 30 GHz y 300 GHz, se denomina " ondas milimétricas ", ya que sus longitudes de onda van de 10 mm a 1 mm. Las ondas de radio en la banda de ondas milimétricas están muy atenuadas por los gases de la atmósfera , lo que limita su distancia de transmisión práctica a unos pocos kilómetros, insuficiente para la comunicación a larga distancia. Las tecnologías electrónicas necesarias en la banda de ondas milimétricas también se encuentran en un estado de desarrollo más temprano que las de la banda de microondas.

Transmisión inalámbrica de información

• Telecomunicaciones unidireccionales y bidireccionales mediante satélites de comunicaciones
• Enlaces de retransmisión de microondas terrestres en redes de telecomunicaciones, incluidas las portadoras troncales o de retorno en redes celulares

Más recientemente, se han utilizado microondas para la transmisión inalámbrica de energía .

El relevo de radio por microondas es una tecnología ampliamente utilizada en los años 1950 y 1960 para transmitir información, como llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión entre dos puntos terrestres en un haz estrecho de microondas. En el relevo de radio por microondas, un transmisor de microondas y una antena direccional transmiten un haz estrecho de microondas que transporta muchos canales de información en una trayectoria de línea de visión a otra estación de relevo donde es recibida por una antena direccional y un receptor, formando una conexión de radio fija entre los dos puntos. El enlace era a menudo bidireccional, utilizando un transmisor y un receptor en cada extremo para transmitir datos en ambas direcciones. El requisito de una línea de visión limita la separación entre estaciones al horizonte visual, alrededor de 30 a 50 millas (48 a 80 km). Para distancias más largas, la estación receptora podría funcionar como un relevo, retransmitiendo la información recibida a otra estación a lo largo de su recorrido. Se utilizaron cadenas de estaciones de relevo de microondas para transmitir señales de telecomunicaciones a distancias transcontinentales. Las estaciones de relevo de microondas a menudo se ubicaban en edificios altos y cimas de montañas, con sus antenas en torres para obtener el máximo alcance.

A partir de la década de 1950, las redes de enlaces de retransmisión de microondas, como el sistema AT&T Long Lines en los EE. UU., transmitían llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión entre ciudades. ^[1] El primer sistema, denominado TDX y construido por AT&T, conectó Nueva York y Boston en 1947 con una serie de ocho estaciones de retransmisión de radio. ^[1] A lo largo de la década de 1950, desplegaron una red de una versión ligeramente mejorada en todo Estados Unidos, conocida como TD2 . Estos incluían largos enlaces en cadena que atravesaban cadenas montañosas y se extendían por continentes. El lanzamiento de satélites de comunicación en la década de 1970 proporcionó una alternativa más económica. Gran parte del tráfico transcontinental ahora se transporta por satélites y fibras ópticas , pero la retransmisión de microondas sigue siendo importante para distancias más cortas.

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Debido a que en la transmisión por microondas las ondas viajan en haces estrechos confinados a una trayectoria de línea de visión de una antena a la otra, no interfieren con otros equipos de microondas, por lo que los enlaces de microondas cercanos pueden usar las mismas frecuencias. Por lo tanto, las antenas deben ser altamente direccionales (alta ganancia ) y se instalan en ubicaciones elevadas, como grandes torres de radio, para poder evitar las obstrucciones más cercanas al suelo y transmitir a largas distancias. Los tipos típicos de antena utilizados en las instalaciones de enlaces de retransmisión por radio son las antenas parabólicas , las de lente dieléctrica y las de reflector de bocina , que tienen un diámetro de hasta 4 m (13 pies). Las antenas altamente directivas permiten un uso económico del espectro de frecuencias disponible, a pesar de las largas distancias de transmisión.

Debido a las altas frecuencias utilizadas, se requiere una trayectoria de línea de visión entre las estaciones. Además, para evitar la atenuación del haz, un área alrededor del haz llamada la primera zona de Fresnel debe estar libre de obstáculos. Los obstáculos en el campo de señal causan una atenuación no deseada . Los picos o crestas de montañas altas suelen ser posiciones ideales para las antenas.

Además del uso de repetidores convencionales con radios consecutivos que transmiten en diferentes frecuencias, las obstrucciones en las trayectorias de microondas también se pueden solucionar utilizando repetidores pasivos o repetidores en la misma frecuencia.

Los obstáculos, la curvatura de la Tierra, la geografía de la zona y los problemas de recepción derivados del uso de terrenos cercanos (por ejemplo, en la industria o la silvicultura) son cuestiones importantes que se deben tener en cuenta al planificar enlaces de radio. En el proceso de planificación, es esencial que se elaboren "perfiles de trayectoria", que proporcionan información sobre el terreno y las zonas de Fresnel que afectan a la trayectoria de transmisión. También se debe tener en cuenta la presencia de una superficie de agua, como un lago o un río, a lo largo de la trayectoria, ya que puede reflejar el haz, y el haz directo y el reflejado pueden interferir entre sí en la antena receptora, lo que provoca desvanecimientos por trayectos múltiples . Los desvanecimientos por trayectos múltiples suelen ser profundos solo en un punto pequeño y en una banda de frecuencia estrecha, por lo que se pueden aplicar esquemas de diversidad espacial y/o de frecuencia para mitigar estos efectos.

Los efectos de la estratificación atmosférica hacen que la trayectoria de radio se doble hacia abajo en una situación típica, por lo que es posible una distancia importante a medida que la curvatura equivalente de la Tierra aumenta de 6.370 km (3.960 mi) a aproximadamente 8.500 km (5.300 mi) (un efecto de radio equivalente de 4/3). Los eventos raros de perfil de temperatura, humedad y presión versus altura pueden producir grandes desviaciones y distorsión de la propagación y afectar la calidad de la transmisión. La lluvia y la nieve de alta intensidad que hacen que la lluvia se desvanezca también deben considerarse como un factor de deterioro, especialmente en frecuencias superiores a 10 GHz. Todos los factores perjudiciales mencionados en esta sección, conocidos colectivamente como pérdida de trayectoria , hacen que sea necesario calcular márgenes de potencia adecuados, para mantener el enlace operativo durante un alto porcentaje de tiempo, como el estándar 99,99% o 99,999% utilizado en los servicios de "clase portadora" de la mayoría de los operadores de telecomunicaciones.

El relé de radio de microondas más largo conocido cruza el Mar Rojo con un salto de 360 ​​km (220 mi) entre Jebel Erba (2170 m (7120 pies) snm, 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583, -36.8401806 , Sudán) y Jebel Dakka (2572 m (8438 pies) snm, 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806, -40.2916111). / 21.0935806; 40.2916111 , Arabia Saudita). El enlace fue construido en 1979 por Telettra para transmitir 300 canales telefónicos y una señal de TV, en la banda de frecuencia de 2 GHz. (La distancia de salto es la distancia entre dos estaciones de microondas). ^{[2] [ ¿ fuente poco confiable? ]}

Las consideraciones anteriores representan problemas típicos que caracterizan los enlaces de radio terrestres que utilizan microondas para las llamadas redes troncales: longitudes de salto de unas pocas decenas de kilómetros (típicamente de 10 a 60 km (6,2 a 37,3 mi)) se utilizaron en gran medida hasta la década de 1990. Las bandas de frecuencia por debajo de 10 GHz, y sobre todo, la información a transmitir, eran un flujo que contenía un bloque de capacidad fija. El objetivo era proporcionar la disponibilidad solicitada para todo el bloque ( jerarquía digital plesiócrona , PDH, o jerarquía digital síncrona , SDH). El desvanecimiento y/o el trayecto múltiple que afectaban al enlace durante un corto período de tiempo durante el día tenían que ser contrarrestados por la arquitectura de diversidad. Durante la década de 1990, los enlaces de radio de microondas comenzaron a usarse ampliamente para enlaces urbanos en la red celular . Los requisitos en cuanto a la distancia de enlace cambiaron a saltos más cortos (menos de 10 km (6,2 mi), típicamente de 3 a 5 km (1,9 a 3,1 mi)), y la frecuencia aumentó a bandas entre 11 y 43 GHz y más recientemente, hasta 86 GHz (banda E). Además, la planificación de enlaces se ocupa más de las lluvias intensas y menos de los trayectos múltiples, por lo que los esquemas de diversidad se volvieron menos utilizados. Otro gran cambio que ocurrió durante la última década fue una evolución hacia la transmisión de radio por paquetes . Por lo tanto, se han adoptado nuevas contramedidas, como la modulación adaptativa .

La potencia emitida está regulada para sistemas celulares y de microondas. Estas transmisiones de microondas utilizan una potencia emitida típicamente de 0,03 a 0,30 W, radiada por una antena parabólica en un haz estrecho que diverge unos pocos grados (1 a 3-4). La disposición de los canales de microondas está regulada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones ( UIT-R ) y las regulaciones locales ( ETSI , FCC ). En la última década, el espectro dedicado para cada banda de microondas se ha vuelto extremadamente concurrido, lo que motiva el uso de técnicas para aumentar la capacidad de transmisión, como la reutilización de frecuencias, la multiplexación por división de polarización , XPIC y MIMO .

La historia de la comunicación por radioenlace comenzó en 1898 con la publicación de Johann Mattausch en la revista austriaca Zeitschrift für Elektrotechnik. ^{[3] [4]} Pero su propuesta era primitiva y no era adecuada para su uso práctico. Los primeros experimentos con estaciones repetidoras de radio para retransmitir señales de radio fueron realizados en 1899 por Emile Guarini-Foresio. ^[3] Sin embargo, las ondas de radio de baja y media frecuencia utilizadas durante los primeros 40 años de la radio demostraron ser capaces de viajar largas distancias mediante la propagación de ondas terrestres y ondas ionosféricas . ^{[ cita requerida ]}

En 1931, un consorcio anglo-francés encabezado por André C. Clavier demostró un enlace experimental de retransmisión de microondas a través del Canal de la Mancha utilizando antenas parabólicas de 3 m (10 pies). ^[5] Los datos de telefonía, telégrafo y fax se transmitieron a través de haces bidireccionales de 1,7 GHz a 64 km (40 millas) entre Dover (Reino Unido) y Calais (Francia). La potencia radiada, producida por un tubo Barkhausen-Kurz en miniatura ubicado en el foco de la antena, era de medio vatio. A un enlace de microondas militar de 1933 entre los aeropuertos de Saint Inglevert (Francia) y Lympne (Reino Unido), a una distancia de 56 km (35 millas), le siguió en 1935 un enlace de telecomunicaciones de 300 MHz, el primer sistema comercial de retransmisión de microondas. ^[6]

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial proporcionó gran parte de la tecnología de microondas que hizo posible los enlaces prácticos de comunicación por microondas, en particular el oscilador klistrón y las técnicas de diseño de antenas parabólicas. Aunque no es algo muy conocido, el ejército británico utilizó el equipo inalámbrico número 10 para esta función durante la Segunda Guerra Mundial. ^{[ cita requerida ]} La necesidad de un relé de radio no comenzó realmente hasta la década de 1940, cuando se explotaron las microondas , que viajaban por línea de visión y, por lo tanto, estaban limitadas a una distancia de propagación de aproximadamente 40 millas (64 km) por el horizonte visual. ^{[ cita requerida ]}

Después de la guerra, las compañías telefónicas utilizaron esta tecnología para construir grandes redes de retransmisión de radio por microondas para transportar llamadas telefónicas de larga distancia. Durante la década de 1950, una unidad de la compañía telefónica estadounidense, AT&T Long Lines , construyó un sistema transcontinental de enlaces de retransmisión de microondas en todo Estados Unidos que creció para transportar la mayor parte del tráfico telefónico de larga distancia de Estados Unidos , así como señales de la red de televisión . ^[7] La ​​principal motivación en 1946 para utilizar radio por microondas en lugar de cable fue que se podía instalar una gran capacidad rápidamente y a menor costo. ^{[ cita requerida ]} Se esperaba en ese momento que los costos operativos anuales de la radio por microondas fueran mayores que los del cable. Hubo dos razones principales por las que se tuvo que introducir repentinamente una gran capacidad: la demanda acumulada de servicio telefónico de larga distancia, debido a la pausa durante los años de guerra, y el nuevo medio de televisión, que necesitaba más ancho de banda que la radio. ^{[ cita requerida ]} El prototipo se llamó TDX y se probó con una conexión entre la ciudad de Nueva York y Murray Hill, la ubicación de los Laboratorios Bell en 1946. ^{[ cita requerida ]} El sistema TDX se instaló entre Nueva York y Boston en 1947. El TDX se actualizó al sistema TD2, que usaba [el tubo Morton, 416B y más tarde 416C, fabricado por Western Electric] en los transmisores, y luego al TD3 que usaba electrónica de estado sólido . ^{[ cita requerida ]}

Un hecho destacable durante la Guerra Fría fueron las conexiones por microondas con Berlín Occidental , que tuvieron que construirse y operarse debido a la gran distancia entre Alemania Occidental y Berlín, al límite de lo técnicamente factible. Además de la red telefónica, también se instalaron conexiones por microondas para la distribución de emisiones de radio y televisión. Esto incluía conexiones desde los estudios a los sistemas de transmisión distribuidos por todo el país, así como entre las estaciones de radio, por ejemplo para el intercambio de programas. ^{[ cita requerida ]}

Los sistemas de retransmisión de microondas militares continuaron utilizándose hasta la década de 1960, cuando muchos de estos sistemas fueron reemplazados por sistemas de satélites de comunicación o de dispersión troposférica . Cuando se formó el brazo militar de la OTAN , gran parte de este equipo existente se transfirió a los grupos de comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones típicos utilizados por la OTAN durante ese período de tiempo consistían en las tecnologías que se habían desarrollado para su uso por las entidades de los operadores telefónicos en los países anfitriones. Un ejemplo de los EE. UU. es el sistema de retransmisión de microondas RCA CW-20A de 1-2 GHz que utilizaba un cable UHF flexible en lugar de la guía de ondas rígida requerida por los sistemas de frecuencia más alta, lo que lo hacía ideal para aplicaciones tácticas. La instalación de retransmisión de microondas típica o camioneta portátil tenía dos sistemas de radio (más uno de respaldo) que conectaban dos sitios de línea de visión . Estas radios a menudo transportaban 24 canales telefónicos multiplexados por división de frecuencia en la portadora de microondas (es decir, Lenkurt 33C FDM). Cualquier canal podía designarse para transportar hasta 18 comunicaciones de teletipo en su lugar. También se utilizaban sistemas similares de Alemania y otras naciones miembro. ^{[ cita requerida ]}

Las redes de retransmisión por microondas de larga distancia se construyeron en muchos países hasta la década de 1980, cuando la tecnología perdió su cuota de operación fija ante tecnologías más nuevas, como el cable de fibra óptica y los satélites de comunicación , que ofrecen un menor coste por bit. ^{[ cita requerida ]}

Durante la Guerra Fría, las agencias de inteligencia estadounidenses, como la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), supuestamente pudieron interceptar el tráfico de microondas soviético utilizando satélites como Rhyolite/Aquacade . ^[8] Gran parte del haz de un enlace de microondas pasa por la antena receptora y se irradia hacia el horizonte, al espacio. ^{[ cita requerida ]} Al posicionar un satélite geoestacionario en la trayectoria del haz, se puede recibir el haz de microondas.

A principios de siglo, ^{los sistemas de retransmisión por radio de microondas se empezaron a utilizar cada vez más en aplicaciones de} radio portátil. La tecnología es especialmente adecuada para esta aplicación debido a sus menores costes operativos, una infraestructura más eficiente y la posibilidad de acceder directamente al hardware del operador de la radio portátil. ^{[ cita requerida ]}

Un enlace de microondas es un sistema de comunicaciones que utiliza un haz de ondas de radio en el rango de frecuencia de las microondas para transmitir video , audio o datos entre dos ubicaciones, que pueden estar separadas por una distancia de unos pocos pies o metros o de varias millas o kilómetros. Los enlaces de microondas son utilizados habitualmente por las emisoras de televisión para transmitir programas a lo largo de un país, por ejemplo, o desde una transmisión exterior a un estudio.

Las unidades móviles se pueden montar en cámaras, lo que permite que las cámaras tengan la libertad de moverse sin cables. Estas unidades se suelen ver en las líneas de banda de los campos deportivos con sistemas Steadicam .

• Involucrar tecnología de comunicación de línea de visión (LOS)
• Se ve muy afectado por las limitaciones ambientales, incluida la pérdida de humedad por lluvia.
• Tienen capacidades de penetración muy limitadas a través de obstáculos como colinas, edificios y árboles.
• Sensible a niveles altos de polen ^{[ cita requerida ]}
• Las señales pueden degradarse durante los eventos de protones solares ^[9]
• Los retrasos de propagación son menores que en las redes de fibra óptica porque la velocidad de la luz en el aire es más rápida que en el cable óptico ^[10].

• En las comunicaciones entre satélites y estaciones base
• Como portadores principales de sistemas celulares
• En comunicaciones interiores de corto alcance
• Conexión de centrales telefónicas remotas y regionales a centrales más grandes (principales) sin necesidad de líneas de cobre o fibra óptica
• Medición de la intensidad de la lluvia entre dos lugares
• Proporcionar una ventaja financiera a los operadores de alta frecuencia en una bolsa de valores mediante un conocimiento más rápido de los cambios de precios en una bolsa distante ^[10]

Los enlaces de retransmisión de microondas terrestres están limitados en distancia al horizonte visual, unas pocas decenas de millas o kilómetros dependiendo de la altura de la torre. La dispersión troposférica ("troposcatter" o "scatter") fue una tecnología desarrollada en la década de 1950 para permitir enlaces de comunicación por microondas más allá del horizonte, con un alcance de varios cientos de kilómetros. El transmisor irradia un haz de microondas al cielo, en un ángulo poco profundo sobre el horizonte hacia el receptor. A medida que el haz pasa a través de la troposfera, una pequeña fracción de la energía de microondas se dispersa de vuelta hacia el suelo por el vapor de agua y el polvo en el aire. Un receptor sensible más allá del horizonte recoge esta señal reflejada. La claridad de la señal obtenida por este método depende del clima y otros factores, y como resultado, existe un alto nivel de dificultad técnica en la creación de un enlace de retransmisión de radio confiable más allá del horizonte. Por lo tanto, los enlaces de dispersión troposférica solo se utilizan en circunstancias especiales en las que no se puede confiar en los satélites y otros canales de comunicación de larga distancia, como en las comunicaciones militares.

• Guía de diseño de transmisión por radio por microondas , Trevor Manning, Artech House, 1999

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