Link Planning for Wireless LAN (WLAN)

Esta página puede ser útil para predecir el funcionamiento de (futuros) enlaces de radio WLAN.  

Estudio de viabilidad de un Enlace (Link power budget)

El "Estudio de viabilidad de un enlace" son los cálculos relativos a todos los elementos que intervienen en una transmisión. 

Un radio-enlace está formado por tres elementos básicos: 

• Energía efectiva emitida: energía emitida [dBm] {menos} pérdidas (cables y conectores) [dB] {mas} ganancia de la antena [dBi]
• Pérdidas en la propagación [dB]: Pérdidas en el espacio abierto [dB].
• Sensibilidad efectiva de recepción: ganancia de la antena[dBi] - pérdidas en los cables [dB] - sensibilidad del receptor [dBm]

Para conseguir un buen funcionamiento de una WLAN la potencia de emisión +  pérdidas de propagación + sensibilidad de recepción debe ser mayor que 0. El sobrante nos indicará el margen de funcionamiento que tiene el sistema.  Un buen radio-enlace debería tener de 6 a 10 dB de margen.

Nota: Como las características de emisión y recepción no siempre son iguales en los dos extremos, el “Estudio de viabilidad de Enlace” debe realizarse en ambas direcciones.

Esta página puede utilizarse para llevar a cabo todos los cálculos necesarios para hacerse una idea del “Estudio de viabilidad del enlace”  que se está investigando. En otras palabras: usando este documento podremos predecir si un proyecto de radio-enlace será posible o no.

Por favor,  téngase en cuenta que: Estos cálculos son teóricos, y, por lo tanto representan el máximo rendimiento posible del sistema. En el mundo real existen interferencias (otras redes WLAN, bluethoot, microondas). Además, las pérdidas atmosféricas (humedad ambiente, dispersión, refracción), antenas mal orientadas, reflexiones, etc…  pueden afectar al rendimiento del enlace.

Cálculo del Estudio previo de potencias

Algunos comentarios sobre la optimización de la potencia del enlace dentro de los límites legales. 

• Para lograr enlaces de largo alcance “legales” debemos esforzarnos en alcanzar los 20 dBi EiRP (el límite legal europeo).

• Si vas a usar una antena de alta ganancia (>5dBi), (distancias > 1km), DEBES REDUCIR la potencia de emisión para mantenerte dentro de la potencia permitida legalmente. Esto debe realizarse sin afectar a la sensibilidad del equipo, por lo que SOLO deberá realizarse dentro del equipo WLAN, por tanto inmediatamente ANTES del computador emisión/recepción de RF. Necesitarás un equipo WLAN capaz de reducir su potencia internamente.

• Ten en cuenta que, de un fabricante a otro,  la sensibilidad de los equipos varía mucho más que la potencia. La sensibilidad puede variar 10 dB mientras que la potencia está limitada por ley, intenta encontrar el receptor disponible que tenga mayor sensibilidad. No es la potencia la que hace el trabajo en enlaces “legales” si no la sensibilidad del receptor.

• Ejemplo 1: El Rango legal de un equipo Wlan estándar de 15 dBm con 3 dB de pérdida en el cable y una antena de 8 dBi es aproximadamente 1 km. 
• Ejemplo 2: Los equipos Breeezecom pueden reducir su potencia hasta 4mW (6dBm), lo que corresponde, teóricamente, a un enlace fiable de 2.7Km con un margen de 10db. 
• Ejemplo 3: Con una parabólica de 24 dB la potencia debe reducirse a -4 dBm  (si, tan solo 0,4 mW) para estar dentro del límite legal de 20 dBm. Sin embargo, el máximo alcance para un enlace fiable será 8,5 km, gracias al gran incremento de ganancia en la antena del receptor. Si, es verdad!.

• La potencia del BreezeNET DS.11 puede fijarse a -4, -2, 4, 6, 12 o 14 dBm. (información de Kees, PA3HAN). Por lo tanto, el BreezeNET DS.11, es ideal para experimentar con enlaces de largo alcance “legales”. En el caso de que tengas conocimiento de otro equipo WLAN que tenga la característica de fijar la potencia hasta límites realmente bajos,  por favor,  mandame un correo a ‘pa0hoo en qsl.net’.

• Una reflexión interesante para aquellos que quieran realizar experimentos con enlaces de largo alcance “legales”:
  

  Una solución alternativa podría ser usar la antena secundaría (solo recepción) que traen muchos equipos. Esta antena (solo recepción) se utiliza para la recepción en modo diversity. A pesar de que dicha antena ha sido diseñada solo para recibir, normalmente tienen -20 dB de caída durante la transmisión. Esto significa que, si emitimos con una potencia de +15 dBm en la antena primaria, tenemos -5 dBm en la antena secundaria. Y ese es exactamente el nivel necesario para realizar el enlace legal de 8,5km del ejemplo 3. Básicamente, puedes conectar una antena de 24 dBi a la antena receptora para realizar un enlace de largo alcance legal. Una ventaja extra es que puedes usar la antena primaria (envío/recepción) para conectar a un equipo WLAN local. Interesante reflexión ¿no crees?.
  

• Échale un vistazo a http://seattlewireless.net/index.cgi/HardwareComparison y busca el equipo con la mejor sensibilidad y posibilidades de ajuste de potencia.

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Potencia

La potencia se expresa en watios o miliwatios. La potencia puede expresarse en una escala logarítmica relativa a 1 mW, en dBm.  ('deci-Belio relativo a un milliwatio) . En este caso, la salida se compara con un miliwatio.

(1 dBm= 10*log10(P/ 0.001))
(P en Watts) 

• Normalmente, los equipos WLAN tienen una potencia de salida de 15 dBm (sobre los 30 mW) 
• Algunos equipos, tienen una potencia de salida de 100mW. Nota: esto es una desventaja si quieres hacer un enlace de larga distancia sin salirte de los límites legales. Lee: Optimización de potencias de un enlace dentro de los límites legales

Convertidor de Watios (W) a decibelios "milliwatio" (dBm)  o  viceversa :

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Pérdidas en un cable coaxial a 2.45 GHz

Aquí tienes algunos de valores de las pérdidas en los cables coaxiales mas comunes:

• RG 58 (muy común, utilizado para Ethernet): 1 dB por metro.
• RG 213 (el "gordo negro", muy común): 0.6 dB por metro.
• RG 174 (delgado, uno de los utilizados para hacer los pigtaisl): 2 dB por metro.
• Aircom : 0.21 dB/m.
• Aircell : 0.38 dB/m.
• LMR-400: 0.22 dB/m
• IEEE 802.3 (coaxial amarillo grueso para Ethernet) 0.3 dB/m

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Antena

• La ganancia de la antenas se da normalmente en decibelios sobre la antena isotrópica [dBi]. Es decir, la ganancia en potencia comparada con un antena isotrópica (antena ideal que emite por igual en todas direcciones).

• La ganacia de algunas antenas viene expresada en [dBd], que expresa su ganancia comparada con la de una antena dipolo. En este caso debemos añadir 2.14 para obtener la ganancia correspondiente en [dBi].

Cuanta más ganancia tiene una antena mas directiva será (la energía se dirige en una dirección específica) , y al mismo tiempo menos señales cercanas (ruido) se recibirán, con lo que se mejora la relación señal ruido. 

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Pérdidas en los conectores

• Las perdidas en los conectores dependen de la calidad del conector usado. A 2,45 GHz las pérdidas pueden variar entre 0,1 y 0,5 dB. Evita pérdidas extra usando conectores de calidad cuando sea posible. Pueden utilizarse los conectores N y SMA, pero los BNC solo cuando sean de una calidad extraordinaria.

• Los Pigtails  pueden tener pérdidas muy grandes. Nuestro pigtail de 30 cm tiene una pérdida de 1,5 dB, evita utilizarlos, utiliza conversores en su lugar.

• Antes de calcular el “estudio de viabilidad del enlace” suma las pérdidas de los conectores a las pérdidas del cable.

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Potencia radiada

La potencia radiada (potencia enviada por la antena en dirección de su máxima ganancia) puede calcularse facilmente (en dBm).

Potencia radiada [dBm]= Potencia del transmisor [dBm] – Pérdidas del cable[dB] + Ganancia de la antena [dBi]

• El limite legal para la potencia radiada (EiRP) para redes WLAN en Europa (excepto Francia) es 100mW (= +20 dBm).
  En Francia el límite es 7 dBm (5 mW).

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Pérdidas en el espacio abierto a 2.45 GHz
Son las pérdidas de potencia que sufre la onda al viajar en espacio abierto (sin obstáculos).

(Fórmula de Friis)

Lp(dB)= 92,45 + 20log10 F+20 LOG10d 
Lp= Path loss
F= frecuencia en GHz
dB= decibelios
d= Distancia en kilometros
Ejemplo:  Una distancia de 6 kilómetros da lugar a unas pérdidas por propagación de –116 dB.

El siguiente calculador puede utilizarse para cualquier frecuencia, por tanto también para la banda de los  5 GHz 802.11.

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Sensibilidad de recepción

El nivel de señal presente en el conector del receptor tiene un umbral (threshold) de potencia mínimo que la señal debe alcanzar para lograr una determinada tasa de transferencia (bitrate). Si la potencia de la señal es menor irá decreciendo el máximo bitrate o el rendimiento. Por lo tanto es mejor que usemos aparatos con  un valor de umbral bajo.
Algunos valores de sensibilidad típicos:

• Tarjetas PCMCIA Orinocco Silver/Gold: 11Mbps => -82 dBm ; 5.5Mbps => -87 dBm; 2Mbps=> -91 dBm; 1Mbps=> -94 dBm.
• Tarjetas CISCO Aironet 350: 11Mbps => -85 dBm ; 5.5 Mbps => -89 dBm; 2 Mbps => -91 dBm; 1 Mbps => -94 dBm.
• Cliente USB Edimax: 11Mbps => -81 dBm; 
• Router/AP Belkin: 11 Mbps => -78 dBm

(Estos valores los facilita el fabricante).

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Relación Señal Ruido (SNR)

La sensibilidad del receptor no es el único parámetro importante en un receptor, debemos tener en cuenta también la relación señal ruido. Es la mínima diferencia de potencia que debemos alcanzar entre la señal recibida y el ruido (ruido térmico, ruido industrial debido a los microondas, ruido debido a otra WLAN en la misma banda de frecuencias). Se define como:

Relación Señal/Ruido [dB] = 10 * Log10 (Potencia Señal [W] / Potencia ruido [W])

Si la señal es mas potente que el ruido, la relación señal/ruido (también llamada relación S/N) será positiva. Si la señal está enterrada en el ruido, la relación será negativa. Para poder trabajar en determinada tasa de transferencia de datos el sistema necesita una relación S/N mínima.

• Orinoco PCMCIA Silver/Gold: 11Mbps => 16 dB ; 5.5 Mbps => 11 dB ; 2 Mbps => 7 dB ; 1 Mbps => 4 dB.

Si el nivel de ruido es muy bajo el sistema estará limitado en mayor medida por la sensibilidad del receptor que por la relación S/N. Si el nivel de ruido es mayor, entonces será la relación S/N la que limitará el poder alcanzar una tasa de transferencia determinada. En condiciones normales, sin otra WLAN en la misma frecuencia y sin ruido industrial, el ruido estará cerca de los -100dBm. Por ejemplo, para alcanzar una tasa de 11 Mbps con una tarjeta Orinoco 802.11b necesitaremos que la potencia recibida sea 16 dB mayor que el ruido (relación S/N), entonces un nivel de -100 +16= -84 dBm, pero en realidad la sensibilidad mínima está en -82dBm… más alta que -84. Esto significa que, en este caso, la sensibilidad mínima del receptor es el factor que limita el sistema.

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Propagación: Elipsoide Fresnel

Una explicación breve y sencilla del papel que desempeña el elipsoide Fresnel en la propagación de la radiación es verlo como una “tubería” virtual por donde viaja la mayor parte de la energía entre el transmisor y el receptor. Con el objetivo de evitar pérdidas NO debería haber obstáculos dentro de esta zona (zona prohibida) ya que un obstáculo perturbaría “el flujo de energía”. (¡La explicación es muy simplificada!).

Por ejemplo, si la mitad de la “zona prohibida” está enmascarada por un obstáculo, (la antena se encuentra en el límite de visión directa) Habrá unas pérdidas de potencia en la señal de 6 dB (equivalente a una pérdida de potencia del 75%).

• Estos valores son sólo válidos para una frecuencia de 2.45 GHz ! 

(El radio de la zona prohibida es 0.6 x Radio del primer elipsoide Fresnel).

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Propagación: Difracción

Cuando hay un obstáculo entre el emisor y el receptor parte de la energía pasa a través de este gracias al fenómeno de la difracción que se produce en el punto mas alto del obstáculo. Cuanto mayor sea la frecuencia de la transmisión mayores serán las pérdidas.

• Estos cálculos son válidos en el caso de que D1 and D2 sean bastante mayores que h.
• Esta pérdida debe añadirse a las pérdidas por propagación en el espacio abierto.
• La perdida en una transmisión es igual en la dirección opuesta. (al intercambiar transmisor por receptor y viceversa).
• Documentación: S. Saunders: Antenna and propagation for wireless communication systems.

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Propagación: Polarización

La polarización de la onda esta determinada por el tipo de antena y su orientación (elemento radiante) respecto a la tierra. Las antenas tipo yagi pueden usarse con polarización vertical u horizontal. Las antenas helicoidales emiten con polarización circular. La polarización circular puede girar en sentido horario o anti-horario. Deberá usarse siempre el mismo tipo de polarización en emisor y receptor. 

Un sistema de transmisión que use polarización circular es un buen método para atenuar los efectos de las reflexiones (principio usado en los GPS).

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Reflexiones y expansión del retardo

Las ondas de radio se reflejan en los obstáculos que encuentran. En el lado del receptor las ondas que provienen directamente del emisor (si existe visión directa) y las ondas que se reflejan en obstáculos son captadas al mismo tiempo, esto produce cancelaciones de energía a ciertas frecuencias y además un desfase temporal entre las componentes recibidas, lo que hace que la señal recibida se expanda en el dominio temporal. Las consecuencias sobre el sistema son perjudiciales y conducen a una disminución del rendimiento (errores de transmisión). Probablemente hayas visto este efecto en televisores con mala recepción (imágenes fantasma).

Con el objetivo de reducir los efectos de este fenómeno, el receptor tiene lo que se llama un ecualizador que contrarresta estos fallos de expansión del retardo. En todo caso, este sistema tiene capacidades limitadas y los fabricantes dan límites para alcanzar la menor tasa de errores para cada tasa de transferencia.

• Tarjeta Orinoco PCMCIA 802.11b, valores de expansión de retraso para cada tasa de transferencia o FER (Frame Error Rate)
  Menor del 1%: 11Mbps => 65 ns ; 5.5 Mbps => 225ns ; 2 Mbps => 400ns ; 1Mbps => 500 ns.
  
  

Vemos que para utilizar tasas de transferencia altas han de evitarse los rebotes largos. El retraso de una reflexión puede calcularse facilmente suponiendo que la onda de radio viaja a la velocidad de la luz (300.000.000 m/s).

Retraso [s] = Diferencia de longitud entre el camino directo y el camino que recorre la onda reflejada / 300.000.000

Entonces una diferencia de 50 nanosegundos corresponde a una diferencia entre los dos caminos de 15 metros. Con el objetivo de minimizar la cantidad de reflexión es mejor usar antenas direccionales, incluso en distancias cortas y teniendo línea de visión directa. Otra posibilidad es usar antenas de polarización circular (antenas helicoidales) que cancelan bastante bien las primeras reflexiones (Esto es debido a que las señales reflejadas circulan en la dirección opuesta; una onda circular que gira en sentido horario al reflejarse gira en sentido antihorario), luego el receptor no es sensible a esta señal reflejada. Las antena helicoidales podrían ser lo ideal. 

Las reflexiones también están presentes en el conjunto cable-conectores-antenas si no están bien adaptadas y diseñadas (mala impedancia, antena mal sintonizada > ondas estacionarias, mala SWR) y pueden ocasionar errores de transmisión, por lo tanto hay que intentar usar cables y conectores de calidad.

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References, documentation

• voortplanting van radiogolven door VE3JF (zendamateur): VHF/UHF/Microwave Radio Propagation: A Primer for Digital Experimenters
• S.R. Saunders: Antennas and propagation for wireless communication systems, Wiley 1999
• http://www.s3.kth.se/radio/COURSES/RKBASIC_2E1511_2001/lecture_3.pdf
• www.wirelessleiden.nl
• www.wirelessnederland.nl 

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