Tecnología de enlace de microondas

 

Introducción al microondas

 

Ejemplo de instalación de un enlace de microondas sin cables

El microondas es una tecnología de comunicación inalámbrica con línea de visión que utiliza haces de ondas de radio de alta frecuencia para proporcionar conexiones inalámbricas de alta velocidad que pueden enviar y recibir información de voz, video y datos.

Los enlaces de microondas se utilizan ampliamente para las comunicaciones de punto a punto porque su pequeña longitud de onda permite que las antenas de tamaño conveniente los dirijan en haces estrechos, que pueden apuntar directamente a la antena receptora. Esto permite que los equipos de microondas cercanos utilicen las mismas frecuencias sin interferir entre sí, como lo hacen las ondas de radio de baja frecuencia. Otra ventaja es que la alta frecuencia de las microondas le da a la banda de microondas una gran capacidad de transporte de información; la banda de microondas tiene un ancho de banda 30 veces mayor que el resto del espectro de radio por debajo de ella.

La transmisión de radio por microondas se usa comúnmente 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 parte más alta del espectro radio electromagnético con frecuencias que están por encima de 30 GHz y por debajo de 100 GHz, se denominan "ondas milimétricas" porque sus longitudes de onda se miden convenientemente en milímetros, y sus longitudes de onda oscilan entre 10 mm y 3.0 mm. Las ondas de radio en esta banda suelen estar fuertemente atenuadas por la atmósfera terrestre y las partículas contenidas en ella, especialmente durante el clima húmedo. Además, en una amplia banda de frecuencias alrededor de 60 GHz, las ondas de radio son fuertemente atenuadas por el oxígeno molecular en la atmósfera. Las tecnologías electrónicas necesarias en la banda de ondas milimétricas también son mucho más complejas y más difíciles de fabricar que las de la banda de microondas, por lo que el costo de las radios de ondas milimétricas es generalmente más alto.

Historia de la comunicación por microondas
James Clerk Maxwell, utilizando sus famosas "ecuaciones de Maxwell", predijo la existencia de ondas electromagnéticas invisibles, de las cuales las microondas son parte, en 1865. En 1888, Heinrich Hertz se convirtió en el primero en demostrar la existencia de tales ondas al construir un aparato que microondas producidas y detectadas en la región de frecuencia ultra alta. Hertz reconoció que los resultados de su experimento validaron la predicción de Maxwell, pero no vio ninguna aplicación práctica para estas ondas invisibles. El trabajo posterior de otros llevó a la invención de las comunicaciones inalámbricas, basadas en microondas. Los colaboradores de este trabajo incluyeron a Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson (más tarde Lord Kelvin), Oliver Heaviside, Lord Rayleigh y Oliver Lodge.

Enlace de microondas sobre el Canal de la Mancha, 1931

En 1931, un consorcio estadounidense-francés demostró un enlace de retransmisión de microondas experimental a través del Canal de la Mancha utilizando platos de 10 pies (3 m), uno de los primeros sistemas de comunicación por microondas. Los datos de telefonía, telégrafo y facsímil se transmitieron a través de haces de 1.7 GHz a 40 millas entre Dover, Reino Unido y Calais, Francia. Sin embargo, no pudo competir con tarifas de cable submarinas baratas y nunca se construyó un sistema comercial planificado.

Durante la década de 1950, el sistema AT&T Long Lines de enlaces de retransmisión de microondas creció para transportar la mayor parte del tráfico telefónico de larga distancia de los Estados Unidos, así como las señales de las redes de televisión intercontinentales. El prototipo se llamó TDX y se probó con una conexión entre la ciudad de Nueva York y Murray Hill, la ubicación de Bell Laboratories en 1946. El sistema TDX se instaló entre Nueva York y Boston en 1947.

Enlaces de microondas comerciales modernos
Torre de comunicación por microondas sin cables

Torre de comunicación por microondas

Un enlace de microondas es un sistema de comunicaciones que utiliza un haz de ondas de radio en el rango de frecuencia de microondas para transmitir video, audio o datos entre dos ubicaciones, que pueden estar desde unos pocos pies o metros hasta varias millas o kilómetros de distancia. Aquí se pueden ver ejemplos de enlaces comerciales de microondas de CableFree. Los enlaces de microondas modernos pueden transportar hasta 400 Mbps en un canal de 56 MHz utilizando técnicas de modulación 256QAM y compresión de encabezado IP. Las distancias de funcionamiento de los enlaces de microondas están determinadas por el tamaño de la antena (ganancia), la banda de frecuencia y la capacidad del enlace. La disponibilidad de una línea de visión clara es crucial para los enlaces de microondas para los que se debe permitir la curvatura de la Tierra.

Enlace de microondas sin cables FOR2 a 400 Mbps

Las emisoras de televisión suelen utilizar enlaces de microondas para transmitir programas a través de un país, por ejemplo, o desde una transmisión externa a un estudio. Las unidades móviles se pueden montar en la cámara, lo que permite a las cámaras la libertad de moverse sin arrastrar cables. Estos se ven a menudo en las líneas de banda de los campos deportivos en los sistemas Steadicam.

Planificación de enlaces de microondas
● Los enlaces de microondas sin cables deben planificarse teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
● Distancia requerida (km / millas) y capacidad (Mbps)
● Objetivo de disponibilidad deseado (%) para el vínculo
● Disponibilidad de Clear Line of Sight (LOS) entre los nodos finales
● Torres o mástiles si es necesario para lograr una LOS clara
● Bandas de frecuencia permitidas específicas de la región / país
● Restricciones ambientales, incluida la atenuación por lluvia
● Costo de las licencias para las bandas de frecuencia requeridas
 
 

Bandas de frecuencia de microondas

Las señales de microondas a menudo se dividen en tres categorías:

frecuencia ultra alta (UHF) (0.3-3 GHz);
frecuencia súper alta (SHF) (3-30 GHz); y
frecuencia extremadamente alta (EHF) (30-300 GHz).
Además, las bandas de frecuencia de microondas se designan con letras específicas. Las designaciones de la Radio Society of Great Britain se dan a continuación.
Bandas de frecuencia de microondas
Designación Rango de frecuencia
● Banda L de 1 a 2 GHz
● Banda S de 2 a 4 GHz
● Banda C de 4 a 8 GHz
● Banda X de 8 a 12 GHz
● Banda Ku de 12 a 18 GHz
● Banda K de 18 a 26.5 GHz
Banda Ka de 26.5 a 40 GHz
● Banda Q de 30 a 50 GHz
● Banda U de 40 a 60 GHz
● Banda V de 50 a 75 GHz
● Banda E de 60 a 90 GHz
● Banda W de 75 a 110 GHz
● Banda F de 90 a 140 GHz
● Banda D de 110 a 170 GHz

El término "banda P" se utiliza a veces para frecuencias ultra altas por debajo de la banda L. Para otras definiciones, consulte Designaciones de letras de bandas de microondas

Las frecuencias de microondas más bajas se utilizan para enlaces más largos y regiones con mayor desvanecimiento por lluvia. Por el contrario, las frecuencias más altas se utilizan para enlaces más cortos y regiones con menor desvanecimiento por lluvia.

La lluvia se desvanece en los enlaces de microondas

Enlace de microondas Desvanecimiento por lluvia El desvanecimiento por lluvia se refiere principalmente a la absorción de una señal de radiofrecuencia (RF) de microondas por la lluvia atmosférica, nieve o hielo, y pérdidas que son especialmente frecuentes en frecuencias superiores a 11 GHz. También se refiere a la degradación de una señal causada por la interferencia electromagnética del borde de ataque de un frente de tormenta. El desvanecimiento por lluvia puede ser causado por la precipitación en la ubicación del enlace ascendente o descendente. Sin embargo, no es necesario que esté lloviendo en un lugar para que se vea afectado por el desvanecimiento de la lluvia, ya que la señal puede pasar a través de la precipitación a muchas millas de distancia, especialmente si la antena parabólica tiene un ángulo de visión bajo. Del 5 al 20 por ciento del desvanecimiento por lluvia o la atenuación de la señal del satélite también pueden ser causadas por lluvia, nieve o hielo en el reflector de la antena del enlace ascendente o descendente, el radomo o la bocina de alimentación. El desvanecimiento por lluvia no se limita a los enlaces ascendentes o descendentes de los satélites, sino que también puede afectar los enlaces de microondas terrestres punto a punto (los de la superficie de la tierra).

Las posibles formas de superar los efectos del desvanecimiento por lluvia son la diversidad del sitio, el control de potencia del enlace ascendente, la codificación de velocidad variable, las antenas receptoras más grandes (es decir, una ganancia más alta) que el tamaño requerido para las condiciones climáticas normales y los revestimientos hidrófobos.

Diversidad en enlaces de microondas
 

Ejemplo de un enlace de microondas sin protección 1 + 0

En enlaces de microondas terrestres, un esquema de diversidad se refiere a un método para mejorar la confiabilidad de una señal de mensaje utilizando dos o más canales de comunicación con diferentes características. La diversidad juega un papel importante en la lucha contra el desvanecimiento y la interferencia cocanal y evitando ráfagas de errores. Se basa en el hecho de que los canales individuales experimentan diferentes niveles de desvanecimiento e interferencia. Se pueden transmitir y / o recibir y combinar múltiples versiones de la misma señal en el receptor. Alternativamente, se puede agregar un código de corrección de errores de envío redundante y diferentes partes del mensaje transmitidas a través de diferentes canales. Las técnicas de diversidad pueden explotar la propagación por trayectos múltiples, lo que da como resultado una ganancia de diversidad, a menudo medida en indecibeles.

Las siguientes clases de esquemas de diversidad son típicos en enlaces de microondas terrestres:
● Desprotegido: Los enlaces de microondas donde no hay diversidad o protección se clasifican como Desprotegidos y también como 1 + 0. Hay un conjunto de equipo instalado y no hay diversidad ni respaldo
● Hot Standby: dos conjuntos de equipos de microondas (ODU o radios activas) se instalan generalmente conectados a la misma antena, sintonizados en el mismo canal de frecuencia. Uno está "apagado" o en modo de espera, generalmente con el receptor activo pero el transmisor silenciado. Si la unidad activa falla, se apaga y la unidad de reserva se activa. Hot Standby se abrevia como HSB y se usa a menudo en configuraciones 1 + 1 (una activa, una en espera).
● Diversidad de frecuencia: la señal se transmite utilizando varios canales de frecuencia o se distribuye en un amplio espectro que se ve afectado por el desvanecimiento selectivo de frecuencia. Los enlaces de radio de microondas a menudo utilizan varios canales de radio activos más un canal de protección para uso automático por cualquier canal atenuado. Esto se conoce como protección N + 1
● Diversidad espacial: la señal se transmite a través de varias rutas de propagación diferentes. En el caso de la transmisión por cable, esto se puede lograr transmitiendo a través de varios cables. En el caso de la transmisión inalámbrica, se puede lograr mediante la diversidad de antenas utilizando múltiples antenas transmisoras (diversidad de transmisión) y / o múltiples antenas receptoras (diversidad de recepción).
● Diversidad de polarización: se transmiten y reciben múltiples versiones de una señal a través de antenas con diferente polarización. Se aplica una técnica de combinación de diversidad en el lado del receptor.

Conmutación por error resistente a diversas rutas

En sistemas terrestres de microondas de punto a punto que van desde 11 GHz a 80 GHz, se puede instalar un enlace de respaldo paralelo junto con una conexión de mayor ancho de banda propensa a la atenuación por lluvia. En esta disposición, se puede calcular que un enlace primario, como un puente de microondas dúplex completo de 80 GHz y 1 Gbit / s, tenga una tasa de disponibilidad del 99.9% durante el período de un año. La tasa de disponibilidad calculada del 99.9% significa que el enlace puede estar inactivo por un total acumulativo de diez o más horas por año a medida que los picos de tormentas de lluvia pasan sobre el área. Se puede instalar un enlace secundario de menor ancho de banda, como un puente de 5.8 Mbit / s basado en 100 GHz, paralelo al enlace principal, con enrutadores en ambos extremos que controlan la conmutación por error automática al puente de 100 Mbit / s cuando el enlace principal de 1 Gbit / s está inactivo debido a la lluvia se desvanecen. Con esta disposición, se pueden instalar enlaces punto a punto de alta frecuencia (23GHz +) en ubicaciones de servicio a muchos kilómetros más lejos de lo que podría ser servido con un solo enlace que requiere un 99.99% de tiempo de actividad en el transcurso de un año.

Codificación y modulación automática (ACM)
 

Codificación y modulación adaptables a microondas (ACM)

La adaptación de enlace, o codificación y modulación adaptables (ACM), es un término utilizado en las comunicaciones inalámbricas para indicar la coincidencia de la modulación, la codificación y otros parámetros de la señal y el protocolo con las condiciones del enlace de radio (p. Ej., La pérdida de ruta, la interferencia debida a señales procedentes de otros transmisores, la sensibilidad del receptor, el margen de potencia disponible del transmisor, etc.). Por ejemplo, EDGE utiliza un algoritmo de adaptación de velocidad que adapta el esquema de modulación y codificación (MCS) de acuerdo con la calidad del canal de radio y, por lo tanto, la velocidad de bits y la robustez de la transmisión de datos. El proceso de adaptación del enlace es dinámico y los parámetros de la señal y el protocolo cambian a medida que cambian las condiciones del enlace de radio.

El objetivo de la modulación adaptativa es mejorar la eficiencia operativa de los enlaces de microondas aumentando la capacidad de la red sobre la infraestructura existente, al tiempo que se reduce la sensibilidad a las interferencias ambientales.
Modulación adaptativa significa variar dinámicamente la modulación sin errores para maximizar el rendimiento en condiciones de propagación momentáneas. En otras palabras, un sistema puede operar a su máximo rendimiento en condiciones de cielo despejado y disminuirlo
gradualmente bajo la lluvia se desvanecen. Por ejemplo, un enlace puede cambiar de 256QAM a QPSK para mantener el "enlace activo" sin perder la conexión. Antes del desarrollo de la codificación y modulación automáticas, los diseñadores de microondas tenían que diseñar para las condiciones del "peor de los casos" para evitar la interrupción del enlace. Los beneficios de utilizar ACM incluyen:
● Longitudes de enlace más largas (distancia)
● Uso de antenas más pequeñas (ahorra espacio en el mástil, también requerido a menudo en áreas residenciales)
● Mayor disponibilidad (confiabilidad del enlace)

Control automático de potencia de transmisión (ATPC)

Los enlaces de microondas sin cables cuentan con ATPC que aumenta automáticamente la potencia de transmisión durante condiciones de "atenuación", como lluvias intensas. ATPC se puede utilizar por separado para ACM o en conjunto para maximizar el tiempo de actividad, la estabilidad y la disponibilidad del enlace. Cuando las condiciones de “desvanecimiento” (lluvia) terminan, el sistema ATPC reduce nuevamente la potencia de transmisión. Esto reduce el estrés en los amplificadores de potencia de microondas, lo que reduce el consumo de energía, la generación de calor y aumenta la vida útil esperada (MTBF)

Usos de enlaces de microondas
Enlaces troncales y comunicación de "última milla" para operadores de redes celulares
Enlaces troncales para proveedores de servicios de Internet (ISP) e ISP inalámbricos (WISP)
Redes corporativas para sitios de edificio a edificio y campus
Telecomunicaciones, en la vinculación de centrales telefónicas remotas y regionales a centrales (principales) más grandes sin necesidad de líneas de cobre / fibra óptica.
Televisión abierta con estándares HD-SDI y SMPTE

Empresa

Debido a la escalabilidad y flexibilidad de la tecnología de microondas, los productos de microondas se pueden implementar en muchas aplicaciones empresariales, incluida la conectividad de edificio a edificio, recuperación de desastres, redundancia de red y conectividad temporal para aplicaciones como datos, voz y datos, servicios de video, imágenes médicas , CAD y servicios de ingeniería y bypass de operador de línea fija.

Backhaul de operador móvil
 

Backhaul de microondas en redes celulares

Los enlaces de microondas son una herramienta valiosa en el backhaul del operador móvil: la tecnología de microondas se puede implementar para proporcionar PDH 16xE1 / T1, STM-1 y STM-4 tradicionales, y conectividad de backhaul IP Gigabit Ethernet moderna y redes móviles Greenfield. El microondas es mucho más rápido de instalar y reduce el costo total de propiedad para los operadores de redes celulares en comparación con la implementación o el arrendamiento de redes de fibra óptica.

Redes de baja latencia
Las versiones sin cables de baja latencia de los enlaces de microondas utilizan la tecnología de enlace de microondas de baja latencia, con un retraso absolutamente mínimo entre los paquetes que se transmiten y reciben en el otro extremo, excepto el retraso de propagación de la línea de visión. La velocidad de propagación de microondas a través del aire es aproximadamente un 40% más alta que a través de la fibra óptica, lo que brinda a los clientes una reducción inmediata del 40% en la latencia en comparación con la fibra óptica. Además, las instalaciones de fibra óptica casi nunca están en línea recta, debido a las realidades del diseño del edificio, los conductos de las calles y el requisito de utilizar la infraestructura de telecomunicaciones existente, el tendido de fibra puede ser un 100% más largo que la ruta de la línea de visión directa entre dos puntos finales. Por lo tanto, los productos de microondas de baja latencia sin cables son populares en aplicaciones de baja latencia, como el comercio de alta frecuencia y otros usos.

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