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Agenda. Introducción Qué son las antenas? ¿Qué es el medio de propagación ? ¿ Qué es una onda de radio? ¿ Que es el dbi Decibel isotropito ? Factores que afectan la propagación Comportamiento de las ondas de radio. Introducción.
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Agenda • Introducción • Qué son las antenas? • ¿Qué es el medio de propagación? • ¿Qué es una onda de radio? ¿Que es el dbi Decibel isotropito? • Factores que afectan la propagación Comportamiento de las ondas de radio.
Introducción • En general, de lo primero que se habla en un enlace es de la potencia que se necesita para realizar la conexión. Sin embargo vamos a ver que uno de los factores primordiales en un enlace es la etapa pasiva, la que irradia y emite la señal al medio ambiente. • Antes de comenzar con los cálculos de antenas voy a explicar algunos conceptos muy • importantes al momento de elaborar un proyecto o calcular un enlace, estos son conceptos teóricos muy importantes y básicos que debemos tener en cuenta cada vez que tengamos que realizar una instalación.
¿Que son las antenas? • Las antenas son un componente muy importante en una comunicación inalámbrica. La antena es un dispositivo que emite y recepciona una señal de RF (Radio frecuencia) que viaja por un conductor y lo transforma en una onda electromagnética en el espacio abierto. Las antenas no generan potencia, solo pueden direccionarla. La unidad en que se expresa la ganancia es en dBi. Las antenas deben cumplir con la propiedad de reciprocidad. La misma antena debe tener la propiedad de transmitir como de recibir. Son elementos pasivos a diferencia de los equipos que producen una potencia y se denominan elementos activos. • Diagrama Polar
¿Qué es el medio de propagación? • El medio ambiente, el espacio, el aire son todas definiciones del medio de propagación. Las señales de radio viajan por el medio en forma de ondas electromagnéticas. Al medio de propagación se lo llama espectro electromagnético. • Las ondas electromagnéticas abarcan un rango de frecuencias muy extenso y estas son • determinan por la longitud de onda y frecuencia de los ciclos de cada señal. • Para WI-FI nos vamos a concentrar en las Bandas ISM que son las asignadas para el uso de la comunicación inalámbrica.
La Banda ISM ISM significa Industrial, Científica y Médica. Estas fueron asignadas por la FCC – Federal CommunicationsComission) con bandas de frecuencias de 902-928Mhz, 2,4MHz-2,484 y 5150-5850MHz. Estas bandas fueron designadas para uso comercial y sin licencia por ejemplo hornos de microondas, teléfonos inalámbricos, etc. Las frecuencias mas importantes para nosotros ya que son las establecidas en los estándares IEEE 802.11 para la transmisión de información inalámbrica están en los rangos de 2400-2484MHz utilizada en los estándares IEEE 802.11b y 802.11g y 5150-5850Mhz correspondiente al estándar IEEE 802.11a
¿Que es una onda de radio? Una onda de radio es una oscilación que se propaga en el espacio. Ejemplo: cuando una persona habla las cuerdas vocales crean oscilaciones, estas producen una compresión y descompresión del aire y viajando a la velocidad del sonido y propagándose en el espacio. Lo mismo pasa en el agua. Una onda tiene una cierta velocidad, frecuencia y Longitud de onda. Velocidad = Frecuencia * Longitud de onda
¿Que es una onda de radio? Longitud de onda: Es la distancia medida desde un punto en una onda hasta la parte equivalente de la siguiente, por ejemplo desde la cima de un pico hasta el otro. Frecuencia: Es la cantidad de ondas enteras que pasan por un punto fijo en un segundo. Velocidad, se mide en Metros/segundos, la frecuencia en ciclos por segundos o Hz y la longitudde onda en metros.
¿Que es una onda de radio? Por ejemplo: Si tiramos una piedra en el agua y la onda viaja a un metro por segundo y oscila 5veces por segundo, tenemos que cada onda tiene 20cm.1 metro/segundo= 5 ciclos/segundos * lambda L=1/5 metros --- L=0,2 metros --- 20cm • Para una frecuencia de 2,4Ghz es de 12,5 cm y para 5,8GHz es de 5,1cm. Lasondastambiéntienenunapropiedaddenominadaamplitudqueesladistanciadesdeel mediodelaonda hastasupico.
¿Que es el dbi Decibel isotropito? La ganancia de una antena no es una unidad de medida fija, es una relación con un modelo ideal contra el real. Las dos referencias más comunes son la antena Isotropica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda. La antena isotropica irradia en todasdireccionescon la misma intensidad. La unidad de medida es el dBi.
¿Que es el dbi Decibel isotrópico? Decibelio es la unidad relativa empleada para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia. dB= 10 LOG (Ps/Pe) Ps potencia de salida del dispositivo Pe potencia de entrada en el dispositivo Representación 3dimencional Irradiaciónidealisotrópica
Factores que afectan la propagación Absorción:Estefenómenosurgecuandounaonda atraviesaunmaterialel cualabsorbey hace disminuirlaseñal.Losdosmaterialesquemásafectanalascomunicacionesinalámbricasson elMetalyelAgua. Losdemásmaterialesdependendelacantidaddeaguaquecontenganpor ejemplolosárboles. Reflexión:Lasondasaligualquelaluzsonreflejadas.Losdosmaterialesquemásafectana lasondassonelmetalylosespejosdeagua.ElAngulodeentradayelángulodesalidade unaondareflejadaeselmismo.Paralafrecuenciade2.4Ghzunarejademetalconuna separaciónde1cmesigualqueunachapademetal.Enunaoficinanosencontramos conel fenómenollamadoefectomultitrayectoria(multipath). Difracción:Eselcomportamientodelasondas cuandoincidenenunobjetoydanlaimpresión dedoblarse.PrincipiodeHuygens yusadoporFresnel.Estosehacemasevidentecunado vemos lasondasqueproduceunapiedraenelagua.Laondasevadesplazandoporelagua hastaencontrarunobstáculo,veremosquedeinmediatodesdeeseobstáculosaleunanueva onda. Interferencia:Existen2clasesdeinterferencia laconstructivaque“amplificaosuma”yla destructivaque“disminuyeoanula”Sitenemosdosseñalessinusoidalesyestascoincidensus picosestassesumanperosiunpicocoincideconunvalleestas seanulan.
Teoría de Fresnel TeoríadeFresnel:Estaesmuyimportantealmomento decalcularunenlaceenexterior.La teoría deFresneldescribedistintasZonas,laquenosinteresaparahacercalculodeenlacees laprimerazona queeslainmediataanuestroenlace. Esta zonaesta comprendidaentreAyB,yunradiotantoparaarriba comohaciaabajo “r”que nodebehaberningúnobjeto. Como yahemosvistocunadounaondagolpeaaunobstáculo,estasedescomponeenvarias ondasyestoproducedistintasdistorsiones ofactoresquehacenquelacomunicaciónsevea afectada.Lasseñalespuedenserabsorbidas,crearmultitrayectorias, crearinterferenciayasí anularlasseñales. ElcálculodeFresneldelaprimerazona nosdalaalturaquedebeestarcolocadonuestro equipo por encimade cualquier obstáculo. Una de lasclaves másimportantesen esta tecnologíaesquelalíneavisualtienequeestartotalmentedespajada.
EnResumen: Comportamientodelasondasderadio: Cuantomáslargalalongituddeonda,maslejosllega Aniveles depotenciaiguales,lasondasconlongituddeondamaslargasviajanmaslejospor lotantolascomunicacionesen2,4Ghzsonmejoresquelasde 5,8Mhz. Cuanto mas larga lalongitud deonda, mejor viaja através yalrededor deobstáculos. Porejemplounaonda enel aguade5cm vapoderatravesar unpalitodemaderade5mm,pero sitenemosunbarcolaondasedetienecontraelobstáculo.Desestosurgeunarelaciónentre lalongituddeondayel obstáculoatraspasar. Cuantomascortalalongituddeonda,puedetransportarmásdatos. Cuantomásrápidasealaoscilaciónociclodelaonda,mayorcantidaddeinformación puede transportar.Cadaoscilaciónociclopuedeserusadoparaenviarunbit
Cálculos de Alcance Antes de explicar como calcular el alcance en una conexión wifi, algunos quizás se pregunten que es el alcance. Digamos que el alcance es la distancia física y lineal entre dos puntos que permiten una conexión inalámbrica posible. Pero también sabemos que la forma de la onda del espectro radioeléctrico de las señales wireless no son lineales sino que presentan diferentes tipos en función de las antenas usadas. Imaginemos un comunicación entre antenas direccionales, quizás su alcance sea de varios kilómetros, pero a lo mejor con un tercer punto y manteniendo los mismo equipos esta comunicación no es posible. Por lo tanto aunque el alcance de una antena depende también de factores como los obstáculos o las interferencias, lo que se suele hacer es realizar el calculo suponiendo unas condiciones ideales y, posteriormente, estimar unas perdidas adicionales por falta de condiciones ideales.
Cálculos de Alcance Perdida de propagación La perdida de propagación es la cantidad de señal necesaria para llegar de un extremo de la conexión wireless al otro. Es decir la cantidad de señal que se pierde al atravesar un espacio. Las señales electromagnéticas se propagan por el medio a la velocidad de la luz. Incluso tienen la capacidad y habilidad de poder traspasar paredes, techos puerta o cualquier obstáculo (teóricamente claro). Además gracias al fenómeno conocido como difracción pueden colarse por los pequeños agujeros gracias a un fenómeno conocido como difracción. En cualquier caso, unos obstáculos los pasa mas fácilmente que otros. El hacer un calculo teórico del alcance de una señal, considerando todos los posibles obstáculos, resulta algo complicado teniendo en cuenta la finalidad a la que se dedican estos cálculos, que es para nosotros mismos. Por lo tanto, lo mejor es llevar el calculo al espacio abierto sin obstáculos. Si necesitáis cálculos mas exactos podéis recurrir a la formula de perdida de propagación de Egli, pero no lo creo oportuno seguir hablando de ello. En un espacio sin obstáculos, la perdida de propagación, podéis calcularla con la siguiente formula: Pp = 20log10(d/1000) + 20log10(f*1000) + 32,4 Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en metros y f es la frecuencia en GHz. EL valor de la frecuencia depende del canal en el que se tenga configurado el equipo. La constante 32,4 suele venir erróneamente en muchas paginas de Internet, que han confundido el valor de 32 por 94, sin embargo hay sitios que si la ponen bien. Y en otros la definen como 32,45 que quizás si sea mas correcto.
Cálculos de Alcance También podemos resumirla como: Pp = 20log10(d) + 20log10(f) + 32,4 Pero en este caso, Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en kilómetros y f es la frecuencia en MHz. Para hacer cálculos aproximados para nuestras instalaciones podemos considerar la frecuencia de 2,4GHz (2400MHz). En esta caso la formula quedaría resumida en la siguiente: Pp = 20log10(d/1000) +100 Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en metros. O también: Pp = 20log10(d) +100 Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en kilómetros.
Perdidas y ganancias Perdidas y ganancias Además de las perdidas de propagación, en una instalación wireless existen distintos dispositivos que producen perdidas o aportan ganancia a la señal. El calculo teórico del alcance de un transmisión se basa en sumar los factores de la instalación que aportan ganancias y restar los que producen perdidas. Al final, obtendremos un nivel de señal. El que este nivel de señal sea suficiente para una buena recepción depende del equipo receptor. Pero recordar que hay que calcular el proceso inverso, es decir las comunicaciones wireless son siempre bidireccionales y los datos técnicos para cada equipo son diferentes si están emitiendo o recibiendo. Es decir un cliente (tarjeta wireless) puede trasmitir datos a un punto de acceso y este no recibirlos, y al contrario, puede ser que el punto de acceso puede trasmitir datos a un cliente (tarjeta wireless) y este si recibirlos. Por lo tanto hacer la doble comparación y el doble calculo ya que las ganancias de emisión y recepción pueden no ser las mismas. Las antenas y amplificadores wireless añaden ganancias. AL igual que las tarjetas y los puntos de acceso. Pero los conectores y los cables añaden perdidas. Hay fabricantes que especifican la pedida en dbi de sus pigtails y componentes pero la mayoría no. Y cuando lo hacen no se refieren a todo el conjunto sino solo al cable, así que en el caso de usar latiguillos haremos nosotros mismos el calculo de la perdida.
Por lo tanto cuando tengamos los datos técnicos de una tarjeta wireless, si incorpora conector externo, sea el que sea le tendremos que añadir una perdida de 0.5dB y lógicamente sumarle la ganancia de la antena que incorpore. Esto es debido a que el fabricante no considera todo el producto en su conjunto tal como lo vende sino solo la parte principal es decir (sin la antena). Si se desea tener en cuenta las condiciones ambientales, se puede estimar unas perdidas adicionales de 20dB. Por lo tanto tendremos que el nivel de señal (Sr) que recibe un equipo receptor enviada por un equipo transmisor seria: Sr = Gse - Pce - Pae + Gae - Pp + Gar - Pcr - Par - Pa
Sr = Gse - Pce - Pae + Gae - Pp + Gar - Pcr - Par - Pa Sr = Nivel de señal que le llega al equipo receptor. Siempre sera negativo (dB). Gse = Ganancia de salida del equipo transmisor. Es la potencia en dB con la que sale la señal de equipo transmisor. Gae Pce= Perdida cables equipo transmisor ( en el caso que usemos un pigtail y una antena externa) Pae= Pérdida conectores equipo transmisor. Si es una tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta perdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gse sin tener en cuenta la perdida en la inserción con la antena externa. también es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos. Pp= Perdida de propagación, que ya sabemos como calcular. Gar= Ganancia de la antena del equipo receptor. Pce= Perdida cables equipo receptor ( en el caso que usemos un pigtail y una antena externa) Par= Perdida conectores equipo receptor. Si es un tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta perdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gsr sin tener en cuenta la perdida en la inserción con la antena externa. También es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos. Pa= Perdidas adicionales debido a las condiciones ambientales. Dependiendo de las características del equipo receptor, este nivel de señal puede ser suficiente para una u otra velocidad de transmisión o para no hacer posible la comunicación.
