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Diversidad de espacio
Existe un
creciente interes en el uso de la diversidad de espacio para aumentar la
confiabilidad de los sistemas de telecomunicaciones por microondas. Se denomina diversidad de espacio a la radiorrecepcion mediante dos o mas
antenas que generalmente se colocan en una misma torre, en ambos extremos
En los
sistemas de radiotransmision por microondas,
los trayectos de propagation entre puntos fijos —evxcepto cuando quedan
ubicados en zonas sumamente favorables— estan sujetos a sufrir desvanecimiento
o fluctuaciones de intensidad de las senales.
Estos fenomenos, que perjudican la reception de las senales, se deben a
las alteraciones que se producen en las caracteristicas de propagacion del
propio trayecto o del medio de transmision. En consecuencia, deben tomarse
medidas adecuadas para reducir al minimo aceptable los efectos de dichos
fenomenos con el fin de obtener la confiabilidad necesaria del sistema.
En los
sistemas de microondas que emplean
trayectos de linea visual entre puntos fijos, el efecto de
desvanecimiento de las senales se puede mantener al minimo empleando metodos de
protection por diversidad,
ya sea de frecuencia o de espacio (vease la figura 1). Para la diversidad de frecuencia la misma
informacion se transmite simul-taneamente
por dos frecuencias distintas; en la recepcion, el receptor minimiza los
efectos
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Figura 1. La diversidad de frecuencia y la de espacio se emplean con el mismo
fin de proteger la recepcion de las senales
en los sistemas de comunicacion. Sin embargo, estos metodos difieren en
cuanto a la disposction de los equipos y antenas.
En
comparacion con la diversidad de espacio, la de frecuencia resulta mas economica, ya que se emplea una disposicion mas sencilla de equipos; ademas se obtienen ciertas ventajas de operation
y mantenimiento. Sin embargo, debido al
constante desarrollo y ampliation de los medios de telecomunicaciones,
en muchos paises se ha producido una seria
congestion del espectro de
frecuencias disponibles. Debido a esta congestion muchos gobiernos han impuesto restricciones a la asignacion
de nuevas frecuencias. En los Estados Unidos, por ejemplo, el empleo de diversidad de frecuencia actualmente esta limitado por la Comision
Federal de Comunicaciones a un solo canal de protection para uso en la banda de
4 GHz y otro para la de 6 GHz en cada
sistema. La utilizacion de diversidad de frecuencia no se autoriza a menos que la compania o empresa de telecomunicaciones que solicita el permiso
tenga como minimo tres canales en servicio
activo. Se hace una exception cuando la empresa comprueba que
necesitara tres canales para servicio dentro de un periodo de tres anos. En vista de lo expuesto, la alternativa mas
conveniente es la diversidad de espacio,
pero muchos ingenieros de comunicaciones tienen dudas de sus ventajas,
lo que se debe en parte a la falta de practica con este metodo y a los
conceptos erroneos que existian. Afortunadamente hay muchos casos de exito
completo en la utilizacion de diversidad de espacio. Por ejemplo, como en los
Estados Unidos no se permite la diversidad de frecuencia en las bandas de servicio industrial o comercial, en estos servicios se ha venido utilizando la diversidad de espacio
desde hace mas de diez anos para obtener el
grado de confiabilidad necesario de los sistemas. En la actualidad se
encuentran en servicio cientos de trayectos de radiotransmision por microondas protegidos con diversidad de espacio, la
mayoria en la banda industrial de 6575 a 6875 MHz.
La decision inicial para emplear diversidad de espacio en sistemas industriales se tomo con ciertas reservas, debido a la escasa informacion disponible,
pero todas las dudas se disiparon una vez
que entraron en funcionamiento los primeros sistemas. Se han obtenido resultados sobresalientes con antenas colocadas con separacion vertical
en una misma torre, lograndose un alto grado de protection contra el desvanecimiento.
El tipo de diversidad de espacio que se ha estado utilizando en los sistemas de
microondas entre puntos fijos de linea
visual en realidad debenria llamarse diversidad
de altura, ya que invariablemente se usa una separation vertical de antenas. Por lo general se
considera que la separacion horizontal debe
ser mucho mayor que la vertical para obtener un grado equivalente de
protection. Si bien no existen pruebas directas al respecto, tampoco se han realizado pruebas positivas para determinar la
eficacia relativa de la separation
horizontal.
De acuerdo
con articulos publicados recientemente, se estima que la diversidad de espacio vertical es por lo menos tan provechosa como la de frecuencia y en algunos casos suministra
mayor protection. Los laboratories del Bell Telephone System han efectuado experimentos que demuestran un mejor
rendimiento de la diversidad de espacio que la de frecuencia, sobre todo en la banda de 6 GHz y otras mas elevadas.
En la banda de 4 GHz la diferencia no es muy marcada, pero aun asi la diversidad de espacio resulta mas
favorable. En general se estima que esta diversidad es eficaz en todas las bandas de microondas, hasta en las frecuencias bajas de la gama de 2 G Hz.
Segun los
articulos publicados de ex-perimentos llevados a cabo en el Japon, la
diversidad de espacio todavia tiene un mayor grade de protection que el
indicado en los informes de los laboratories
Bell.
Separacion
de antenas
En la
transmision por 6 GHz se puede obtener una excelente protection por diversidad
con una separacion de antenas en el orden de 9 a 12 m. Anteriormente existian
opiniones con-tradictorias respecto a la manera correcta de calcular la
separacion. Los ingenieros que preferian la diversidad de espacio desarrollaron
teorias para calcular la "separacion optima". Estas teorias se
basaban en la suposicion de que el unico factor importante que contribuia al
desvanecimiento selectivo de las senales por efecto de trayectos multiples,
era una sola reflexion discreta desde un punto del trayecto, punto que se
determinaba con calculos de los parametros del trayecto. Otros ingenieros
opinaban que la mayoria de los trayectos de
transmision por microondas quedaban sujetos a numerosos factores atmosfericos y geograficos causantes
de desvanecimiento, por lo cual consideraban que no habia forma de calcular la separacion optima.
En la
actualidad la mayoria de los ingenieros e
investigadores concuerdan en que la separacion entre antenas no es un
factor critico y no necesita calcularse.
por lo menos en los trayectos convencionales sobre tierra (sin pasar
por mar u otra superficie acuatica). Se ha determinado que el efecto de la
diversidad tiende a mejorar a medida que
aumenta la separacion entre antenas, pero para este objeto tambien puede
ser necesario aumentar la altura de las torres, lo que influiria en el costo
del sistema. Una separacion de 9 a 12 m resulta adecuada para transmision en la banda de 6 GHz.
Durante
muchos anos se estimo empiricamente que con una separacion de 12 m en un
sistema de 6 GHz con un margen de ganancia de 40 dB para contrarrestar el desvanecimiento, se podia
obtener una mejora de por lo menos 100 a 1 en el efecto de la diversidad o en
la confiabilidad del sistema. En base a la
experiencia lograda hasta ahora, se ha comprobado que este calculo
empirico era sumamente moderado. De acuerdo con los datos teoricos y
experimentales suministrados por los laboratorios del Bell System, en realidad
se obtiene una mejora en el orden de 250 a 1 en la transmision por 6 GHz con
un margen de 40 dB contra el desvanecimiento. Segun datos publicados por firmas
japonesas, se ha obtenido una mejora todavia mas elevada: ;en el orden de 5 000
a 1! Por lo tanto, los metodos de calculo del Bell System se pueden emplear en la confianza de que los resultados estaran de acuerdo con la realidad.
En la
actualidad existen metodos para calcular los periodos de interruption del servicio susceptibles de ocurrir en
un sistema de microondas, en dos condiciones: 1) como una funcion de los
factores de clima y propagacion por un trayecto sin diversidad y 2) como una
funcion de la mejora que se obtiene con la aplicacion de diversidad. Las
especificaciones de espaciamiento de antenas ahora son bastante moderadas. En
general se recomienda una separacion de 9 a 12 m en 6 GHz, de 14 a 15 m en 4
GHz y de 18 a 24 m en 2 GHz. Con estos
valores se obtiene suficiente efecto de diversidad para eliminar el
desvanecimiento de trayectos multiples. En la banda de 11 GHz se
obtiene una protection adecuada con una separation de 8 a 9m. En algunos casos muy aislados, cuando
en el trayecto puede predominar una reflexion acuatica o terrena intensa, puede
emplearse un valor mas moderado. En la experiencia se ha comprobado que aunque
se aplique una separacion reducida (por ejemplo 4,5 a 6 m), siempre se obtiene
un buen efecto de diversidad, por lo menos en la banda de 6 GHz. Se ha
observado que aun con una pequena separacion de 3 m se logra una notable
mejora.
Figura 2. Tres disposiciones de diversidad de frecuencia: a) Con la mayor separacion entre la antena inferior existente y la nueva antena superior en ambos extremos, en cuyo caso se obtiene una altura libre adecuada en todos los trayectos de propagacion; b) cuando se instala una nueva antena arriba y otra abajo de la antena existente en cada extremo, tres de los' cuatro trayectos resultan satisfactorios: c) cuando la nueva antena queda debajo de la antena existente en cada extremo, el unico trayecto bueno queda entre las antenas superiores.
Torres y
antenas
En la
figura 2 se ilustra un metodo ultramoderado de calcular la altura de las torres
para la diversidad de espacio, que consiste en tomar la altura para transmision
sin diversidad y aumentarla en la
proporcion necesaria para funcionamiento en diversidad. En realidad, esto significa aplicar el metodo de
calculo de altura libre del trayecto mas bajo para la antena inferior. Otro
metodo, todavia mas razonable y moderado, seria aumentar la altura de las
torres en proporcion a la mitad de la separacion de las antenas. Esto
equivaldria a aplicar el metodo de libre
del trayecto, partiendo de la antena superior en un extremo hasta la
inferior del otro. Sin embargo, comunmente se aplica el criterio basico de
altura libre al trayecto entre la antenas superiores y un criterio mas estricto
al trayecto desde la antena superior hasta la inferior. En la figura 2 se muestran tres disposiciones comunes de antenas que dan como resultado tres
diferentes alturas de torres. En todo caso es necesario asegurarse que no se
presentaran problemas de obstaculos cercanos a un extremo trayecto,
susceptibles de obstruir la linea visual
de la antena mas baja.
Desventajas
La diversidad de espacio tiene ciertas desventajas en comparacion con la
diversidad de
frecuencia. Una de las principales,
que se presenta por lo menos en los sistemas de telefonia es
la imposibilidad de efectuar pruebas entre ambos entremos del trayecto sin retirar el equipo del servicio. Otra desventaja obvia es el mayor costo del sistema
debido al mayor numero de antenas y guias de onda necesarias aparte de la consiguiente sobrecarga de las
torres. Ademas se requieren dispositivos de deteccion y conmutacion de
senales que aumentan la complejidad del
equipo.
La diversidad de espacio solo se puede introducir en base a
cada salto o sea radioenlace de un sistema. Ademas cada canal de
radiofrecuencia debe tener
su propia protection por diversidad. Este requisito no es muy importante en los sistemas industriales o comerciales
porque generalmente emplean un solo canal
de servicio por una ruta de mircroondas. En cambio dicho requisito rsulta
critico en los sistemas de
telecomunicaciones que generalmente funcionan con numerosos canales de radiofrecuencia.
En los
sistemas telefonicos con diversidad de espacio el "segundo canal" es
inseparable, por lo cual no se puede usar ocasionalmente para otros servicios,
como sucede a menudo con el canal de proteccion por diversidad de frecuencia.
Redundancia
Los sistemas con diversidad de frecuencia disponen de un canal de proteccion
completo de uno a otro extremo, que se puede colocar automaticamente en
servicio para reemplazar un canal averiado. Con la diversidad de frecuencia se dispone de equipo redundante
(doble) completo para proteger el servicio
en caso de avenrias de circuitos o desvanecimiento de las senales. En
los sistemas con uno o dos canales de proteccion para un numero determinado de
canales en servicio, no se necesita conmutacion en todos los enlaces, sino que se establece una seccion
de conmutacion compuesta de varios enlaces en tandem. Ninguna de estas disposiciones puede utilizarse con la diversidad de espacio.
Con la diversidad de espacio se puede o no introducir redundancia de equipos, lo que depende de la disposition del sistema. En los sistemas industriales
generalmente se emplean dos receptores completos en la seccion de recepcion de
ambos extremos de cada enlace de microondas; un receptor se conecta a la antena
mas alta y el otro a la mas baja. Ambos receptores captan la onda completa de
informacion y en ausencia de desvanecimiento
la atenuacion de la senial de un receptor no afecta la senial combinada de salida, ya que el equipo esta provisto de un conmutador o combinador
automatico
que permite dejar ambas senales de entrada en la linea o elegir la mejor
captada por un receptor cuando el otro
pierde su serial por desvanecimiento
o averias.
En la
figura 3 se ilustra un sistema de un canal
de radiofrecuencia simplex (de una via) para transmision desde A hasta B
por una sola frecuencia. En la practica, la mayoria de los sistemas son duplex
(de doble via), por lo cual se necesita el doble del equipo de la figura 3. En
esta forma se obtiene una redundancia completa, ya que para el funcionamiento normal solo se necesita un
transmisor y un receptor.
Para la
redundancia de equipo de transmision,
normalmente se instala un transmisor de reserva que se mantiene
encendido, listo para entrar a reemplazar el transmisor en servicio en caso necesario. Este transmisor de reserva se indica
con lineas de trazos en el punto A de la figura 3. Los transmisores son identicos y generalmente ambos se modulan
con la senial de entrada y generan una potencia de salida, pero normalmente
solo uno va conectado a la linea. La
transferencia en caso necesario se efectua instantaneamente mediante
dispositivos conmutadores de guia de onda.
En los
sistemas que funcionan en banda de base (por remodulacion), las salidas de la
banda de base se pueden combinar o elegir por conmutacion de tal manera que la transferencia se efectua
sin la menor perturbation por impulsos de ruido. Es conveniente igualar la
longitud electrica de los dos trayectos hasta dejarlos dentro de ±5
nanosegundos para tener la seguridad de que
la information llegara al combinador en sincronizacion exacta de fase y
de tiempo. Como en la transmision de datos
la diferencia de 5 nanosegundos representa una pequenisima parte de los
bits, hasta de alta velocidad, la transferencia
de receptores no producira alteraciones de informacion debido a desplazamiento. La igualacion de longitud
electrica de los trayectos es relativamente simple en la recepcion por banda de
base y solo necesita hacerse al tiempo de efectuar
el alineamiento inicial del sistema.
Figura 3. Sistema de
transmisidn simplex con proteccion por diversidad de espacio, donde solo se usa diversidad en el
extremo de recepcion.
Si los receptores
son de tipo heterodino.
con una salida
en la banda de 70 MHz en lugar
de la banda de base, la situation es
diferente. A menos que se empleen metodos especiales de sincronizacion, las salidas de 70 MHz de ambos
receptores no quedaran en fase y pueden
llegar hasta un desfasamiento completo. En
estos casos debe usarse conmutacion
selectiva en lugar de combinacion de senales. Se obtiene una transferencia casi exenta de impulsos
de ruido utilizando conmutadores de estado solido de velocidad ultraelevada. Con un sistema por diversidad de espacio
provisto de conmutacion en FI se obtiene una proteccion por redundancia de
equipo para las secciones FI y RF del receptor, pero se requiere proteccion adicional independiente para
cualquier equipo demodulador o de: banda
de base colocado a continuacion del conmutador.
Combinacion y conmutacion
La
conmutacion y combinacion en RF se ha empleado para
solucionar problemas de trayectos de sistemas en que la
proteccion por diversidad de frecuencia resulta inadecuada y se requiere
protection adicional con diversidad de espacio en un trayecto determinado.
Este objeto se logra, por ejemplo, combinando en una T hibrida las senales RF de las dos antenas verticales
(principal y auxiliar) antes de pasarlas al receptor (vease la figura 4). Para
esta disposicion se necesita un control esmerado de la posicion relativa de las
dos antenas y una igualacion muy precisa de la longitud electrica de las dos
guias de onda que conectan las antenas a la T hibrida, debido a que para un
funcionamiento correcto ambas senales deben quedar dentro del mayor grado
posible de fase en la frecuencia de microondas.
Figura 4. Sistema con diversidad de espacio, sin equipo redundante, en que se usa una T hibrida para la combinacion de senales y un variador de fase para el control automatico de fase.
En la
transmision por 6 GHz, si hay una diferencia de longitud electrica de unos 2.5
cm entre los dos trayectos, las senales se recibiran con un defasaje de 180 y
pueden anularse totalmente. Por lo tanto, en estos casos general-mente se
inserta algun dispositivo automatico para detectar el grado de defasaje y
controlar un variador de fase colocado en una rama del receptor. En esta forma
se mantiene el alineamiento de fase de las
senales, aunque se produzcan considerables alteraciones de la longitud
electrica de los trayectos. Esta disposicion, esquematizada en la figura 4, es
sumamente costosa y compleja y hasta puede resultar contraproducente.
Figura 5. Tambien se puede obtener diversidad
de espacio sin redundancia de
equipo empleando un circulador de enclavamiento para la conmutacion de senale
de RF en el receptor.
En cambio en la figura 5 se muestra una disposition mas sencilla, pues se emplea
conmutacion de RF en lugar de combinacion para obtener proteccion con
diversidad de espacio en los trayectos
sujetos a desvanecimiento excesivo. En este arreglo, las guias de onda
de las dos antenas se unen a los respectivos orificios de entrada de un circulador de enclavamiento. El circulador
conecta una de las entradas al receptor y la otra a una terminacion de guia de onda. En condiciones normales de
funcionamiento, el receptor va conectado a la antena principal. Cuando se
pierde la recepcion por dicha antena, como
sucede cuando la tension del CAG baja
hasta un nivel predeterminado, un dispositivo logico cambia la posicion
del circulador y traspasa la antena
auxiliar al receptor. La conmutacion se hace sin medir la intensidad de
la senal, por lo que no hay certeza de que existira una senial satisfactoria en
la antena auxiliar. Por esta razon se insertan otros dispositivos logicos que
determinan la accion del receptor en ausencia
de senial. Este metodo de conmutacion presenta algunos problemas
tecnicos, pero se ha comprobado que mejora considerablemente la confiabilidad del sistema y al mismo tiempo reduce los periodos de interrupcion del servicio en algunas clases de trayectos de propagacion.
En muchas
clases de sistemas solo se utilizan antenas espaciadas en un extremo del trayecto. Esto sucede especialmente cuando se agrega diversidad de espacio a un sistema ya instalado,
cuyas torres no se proyectaron originalmente
para soportar la carga de antenas
adicionales. Este metodo tambien se usa cuando en uno de los extremes
del trayecto no se cuenta con suficiente altura para instalar una segunda
antena vertical, como sucede por ejemplo en
zonas urbanas con gran edificacion.
Para
obtener diversidad de espacio de tipo
convencional en un solo sentido, las
antenas espaciadas se disponen de manera que se combinen con los
receptores correspondientes, mientras que
para protection en el sentido opuesto las antenas deben relacionarse con los transmisores.
Conclusiones
La diversidad
de espacio, con una moderada separacion de antenas, puede impartir un alto
grado de proteccion de las senales contra
el desvanecimiento selectivo (de trayectos multiples). Sin embargo,
aparte de su mayor costo, la diversidad de espacio tiene ciertas desventajas de operacion y mantenimiento
en comparacion con la diversidad de
frecuencia; estos factores deben tomarse en cuenta y analizarse al considerar su utilizacion. La diversidad
de espacio se puede aplicar en una gran variedad de formas y muchas empresas de
telecomunicaciones han ideado metodos ingeniosos basandose en la experiencia de
los usuarios de sistemas industriales de
microondas. Es indudable que en el futuro se encontraran otras
aplicaciones provechosas.