Cuando es necesaria la instalación de un sistema de radio punto a punto en la banda de microondas (normalmente a partir de 2 Ghz hasta unos 40 Ghz aproximadamente), es necesario tener en cuenta una serie de consideraciones tanto técnicas como económicas.

Dado que la instalación de una red cableada de fibra óptica suele ser mucho más fiable que una red de radioenlaces de microondas, entre otras cosas por la inmunidad a las interferencias de la fibra óptica, frente a los múltiples problemas que presentan los radioenlaces (atenuación por fenómenos atmosféricos, interferencias, trayectos múltiples, fadding selectivo, etc.), actualmente solo se realizan instalaciones de radioenlaces en casos en los que sea difícil y muy costosa la realización de una obra civil de canalizaciones, con los plazos de tiempo que conllevan este tipo de obras (permisos administrativos, autorizaciones de múltiples organismos y empresas de servicios, cortes de tráfico rodado, etc.).

Los radioenlaces de microondas suelen tener distancias de cobertura cortas, de varios kilómetros a lo sumo, puesto que mayoritariamente están pensados para unir la red de estaciones base de telefonía móvil a la MSC o a otra estación base concentradora.

Aunque la transmisión de datos utiliza el protocolo IP de manera mayoritaria en móviles, ordenadores, etc., es posible encontrar radioenlaces de microondas PDH o plesiosíncronos para transmitir datos IP: fabricantes como Cisco Systems, desarrollaron hace años tarjetas de conexión para que un router IP de nivel 3 pueda transmitir su información encapsulada utilizando redes PDH tipo E1 o E3 (E1 significa enlace PDH a 2 Mbit/s y E3 significa enlace PDH a 34 Mbit/s), con tramas no estructurada.

Cuando los radioenlaces se utilizaban en infraestructuras telefónicas como redes alternativas a los cables coaxiales, solían consistir estos radioenlaces en un conjunto de hasta 8 radiocanales que iban entre, por ejemplo, Madrid y Cáceres y consistían en 7 radiocanales que cursaban un tráfico digital PDH de 140 Mbit/s y un octavo canal que era el canal de reserva, de tal manera que si se "caía" por una tasa de error elevada (BER de 10^-3) un radiocanal que no fuera el de reserva, el canal de reserva trataba de restablecer el tráfico, conmutando en Madrid y Cáceres el tráfico hacia ese 8^o radiocanal. Si funcionaba correctamente, el tráfico se seguía cursando por dicho radiocanal y se transmitía una señal de alarma para que los técnicos buscaran la avería y sustituyeran los módulos defectuosos para restablecer el servicio.

La instalación de un radioenlace de microondas suelen formar parte de las estaciones base de móviles, sobre todo pensando en los sistemas de telefonía móvil 3G y 4G, desplegados por las compañías de telefonía y que requieren tiempos de actuación bastante más cortos y menos costosos, por la infraestructura a utilizar, consistente casi siempre en:

• Una caseta prefabricada, de dimensiones estandarizadas y preparada para soportar bastidores de 19 pulgadas situada en lo alto de los edificios elegidos al efecto y que soporten el peso de toda la estructura.
• Un sistema de alimentación a 220 V_ac y 48 V_dc para alimentar los equipos que se instalen en el interior de la caseta prefabricada.
• Unos sistemas de radio con sus correspondientes sistemas radiantes para dar cobertura a los móviles que estén operativos en un radio de cobertura variable (de 200 a 600 mts. desde la estación base según la planificación radio que se haya realizado).
• Un sistema de comunicación punto a punto entre la estación base instalada en la caseta y la Central de Conmutación de Móviles (MSC) o la RNC de la que dependa, que puede ser una línea dedicada de fibra óptica (leased line en inglés) o un radioenlace de microondas para unir esta caseta con aquella en la que se encuentre la RNC o la línea que lleve a la MSC. Esta línea dedicada se encarga de cursar todas las comunicaciones móviles que se establezcan entre la BTS y los móviles que a ella se conecten hacia la MSC.

La apariencia que tienen todas las casetas de Estaciones Base es similar, debido a que son un número reducido de fabricantes de éstas, deben de instalarse en sitios complejos (en lo alto de bloques de viviendas) y deben de poder ser soportadas por el forjado del edificio, con lo que deben de ser livianas.

En otra de mis páginas podéis ver como son estas casetas. Esta concretamente está en una zona industrial cerca de Madrid, pero sus medidas son similares a las instaladas en las azoteas de los bloques de vecinos.

Cálculos y consideraciones previas en el diseño de radioenlaces

Cuando se van a realizar los cálculos de un radioenlace punto a punto, se tienen en cuenta previamente una serie de factores que van a condicionar las características del mismo. Si nos fijamos en un radioenlace en la banda de 8 Ghz entre Madrid y Cáceres, podríamos tener la siguiente situación.

• Se tiene en cuenta el tipo de servicio que se quiere prestar (por ejemplo, un obsoleto radioenlace digital de alta capacidad PDH, de 140 Mbit/s), este tipo de servicio va a hacer que elijamos una banda de frecuencia de microondas concreta, por ejemplo 8 Ghz y una serie de radiocanales asignados por la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones.
• Vamos a tener que garantizar un grado de disponibilidad del servicio (conocido con las siglas SLA, porcentaje de tiempo que garantizamos que nuestros equipos funcionarán correctamente, por ejemplo el 99,5%), lo cual conlleva un coste económico para garantizar que si se produce una avería en un equipo, éste pueda ser sustituido en un período de tiempo muy corto: módulos de repuesto, sistemas de redundancia y fiabilidad de los equipos.
• Tenemos que garantizar un margen de protección de nivel de señal de nuestro radioenlace, lo que se conoce como margen de fadding: es decir, si recibimos un nivel de señal de nuestro radioenlace de -32 dBm normalmente y nuestro radioenlace deja de funcionar a -73 dBm, tenemos garantizado un margen de fadding o protección de 41 dB. El nivel de señal recibido normalmente lo establece la compañía telefónica que solicita el radioenlace y ha tenido en cuenta el margen de protección que quiere; éste depende de las bandas de frecuencia, de la potencia de emisión, de los estudios de desvanecimientos que previamente han realizado, etc.
• Debemos de conocer qué otras señales de radio pueden provocarnos interferencias en nuestro radioenlace punto a punto: aquí es donde resulta importante una buena planificación de radio y la colaboración con la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones, que al ser quien asigna las frecuencias de radio es quien mejor conocer las posibles interferencias que podemos tener, desaconsejándonos el uso de una u otra banda o radiocanal.
• Tenemos que conocer los emplazamientos de las diferentes estaciones repetidoras a instalar para conocer la orografía del terreno o de la zona urbana, así como la posibilidad de urbanización de un terreno llano y que de repente, empecemos a tener problemas de pérdida de señal porque se cruza una grúa o un montacargas en el camino de la señal de radio, como ocurre en más ocasiones de las que se desearía.

 Una vez realizados los cálculos, montados los equipos de microondas y ajustados correctamente, se suele dejar una etiqueta identificativa en la que se incluye: frecuencias de transmisión y de recepción, así como potencia de emisión y de recepción. Así, si se producen problemas en el equipo, basta leer estos valores para comprobarlos o simplemente, sustituir una ODU por otra que programaremos en el momento, como por ejemplo la que aparece en la fotografía:

 Cálculos de viabilidad y de potencia recibida

 Cuando se diseña un radioenlace, sea analógico o digital, hay que tener en cuenta una serie de factores o parámetros que, al tratarse de señales de radio, son comunes en ambos radioenlaces. Los programas de cálculo de cobertura, van a contemplar la potencia emitida, la posición de la antena emisora y su altura, los obstáculos que vamos a encontrar en el vano radioeléctrico, las zonas de Fresnell, el clearance del enlace y la altura de la antena receptora.

Cálculo de la potencia recibida

Para calcular la potencia recibida de una señal de radio, una vez que los programas de cálculo han determinado la viabilidad del mismo y que no hay problemas de corte de señal, hay que tener en cuenta un conjunto de parámetros que son fundamentalmente los siguientes:

• Nivel de potencia recibida P_rx.
• Atenuación del tramo (atenuación en el espacio libre) α_T.
• Ganancia total del trayecto G_T (debido a la ganancia de las antenas transmisora y receptora).
• Pérdidas totales del trayecto α_T.
• Pérdidas en el espacio libre entre antenas isotrópicas α_A.
• Pérdidas en alimentadores (feeders) α_F.
• Pérdidas en branching α_B.

El cálculo de las pérdidas en el espacio libre, nos lo va a dar la siguiente fórmula matemática, que nos va a servir cuando estemos calculando las pérdidas del espacio libre para cualquier frecuencia de radio:

 

Atenuación espacio libre                  α_L= 20 * log (4*$\pi$*d/λ)                    

en donde:

la longitud de onda (en metros) o λ= C(velocidad de la luz en m/s)/F (frecuencia en hercios) y el conocido término "$\pi$" : 3,141592 

d es la distancia en metros entre las dos antenas. Si son por ejemplo, 15 Kms, escribiríamos 15.000 mts.

Como se puede observar en esta fórmula, cuanto mayor es la frecuencia utilizada, mayor es la atenuación  en el espacio libre. Eso sin tener en cuenta que, en torno a 20 Ghz se produce la resonancia del oxígeno y aumenta la atenuación (sobre todo en momentos de lluvia torrencial).

Otros parámetros de ganancias y pérdidas de los diferentes equipos que se utilizan en el radioenlace que nos los van a facilitar los fabricantes de las antenas, de los guiaondas y de los cables y conectores; tendremos también en cuenta el radio de curvatura de la tierra (según la distancia del enlace se fija este valor); podemos conocer así de una manera bastante aproximada, el nivel de señal que se debe de recibir en la antena.

Fabricantes de antenas y cables para equipos de radio en la banda de microondas, son por ejemplo, Andrew, RFS Kabelmetal, Tiltek, etc. Consultando las páginas de estos fabricantes de antenas, podemos tener especificaciones técnicas de cada una de las antenas, evitando cálculos innecesarios de ganancias, diagramas de radiación, etc.

Adicionalmente, hay parámetros que no se pueden calcular de forma explícita pero que, dada la experiencia de los departamentos de planificación de radio, se pueden suponer nos van a influir, y que obligan a realizar un replanteo de la instalación, sobre todo cuando las instalaciones están alejadas de zonas urbanas (es muy difícil que encima de un edificio nos crezca un árbol, aunque sí puede desplazarse una grúa de limpieza que corte el servicio durante minutos u horas).

Así, por ejemplo en una zona rural, con una superficie llana y sin vegetación durante todo el año, en época de lluvia nos pueden provocar que la señal de radio llegue por "trayectos múltiples" y se corte el enlace durante un período de tiempo concreto, si además se forma una laguna artificial durante varios días que no ha sido tenidao previamente en cuenta, nos puede provocar difracciones en la señal y pérdidas de nivel de recepción a determinadas horas.

En las zonas urbanas en las que se ha realizado la instalación de un radioenlace punto  a punto en la banda de 18 Ghz, una lluvia torrencial puede provocar pérdidas de señal muy importantes y cortarse el enlace durante ese período por el ya mencionado efecto de la resonancia del oxígeno del agua de lluvia; o la construcción de una torre o un edificio puede alterar la potencia recibida o un corte de señal, aparentemente aleatorio pero que se debe al giro de una torre de construcción delante de nuestro radioenlace.

Ejemplo de cálculo de nivel de señal básico en un radioenlace

Imaginemos que vamos a instalar un radioenlace digital de 140 Mbit/s fijo, por ejemplo el AFH270-6N de Alcatel Telspace, entre dos estaciones entre las que hay visión directa entre las torres y sus antenas (lo que se conoce como line of sight) están separadas 30 Kms, trabajando en la banda de 8 Ghz.

El enlace podría ser similar al del dibujo que figura a continuación:

Los datos de los que disponemos son los siguientes:

1. Hay una distancia de 30 Kms entre las antenas emisora y receptora con visión directa sin obstáculos.
2. La frecuencia de emisión del radioenlace es de 7,8 Ghz.
3. La potencia de emisión de los transmisores de microondas es de 30 dBm.
4. El umbral de recepción para el equipo en cuestión, es de -73 dBm para un BER = 10^-3.
5. Las antenas de 4 mts de diámetro, de Kabelmetal tienen una ganancia de 44 dB cada una.
6. El margen de fadding que queremos es de 40 dB, para compensar atenuación de la lluvia, formación de embudos y cualquier otro efecto atmosférico no deseado.

Los cálculos que habría que realizar son los siguientes:

Pérdidas del espacio libre

Aplicamos la fórmula de la atenuación del espacio libre a la frecuencia de 7,8 Ghz y a 30.000 mts (30 Kms):

Atenuación_espaciolibre= 20 * log(4*$\pi$*d/λ)=20*6.99= 139 dB de atenuación del espacio libre.

Atenuación de los cables de transmisión y conectores

Por el hecho de conectar cables coaxiales, conectores de cable y conectores de antena, vamos a tener unas pérdidas de señal adicionales. Si los cables y conectores son de mala calidad, las pérdidas de señal serán muy altas, y si no podemos aumentar la potencia de transmisión de los equipos de microondas (normalmente se transmiten entre 27,5 y 30 dBm de potencia a partir de 3 Ghz de frecuencia), deberíamos de aumentar el tamaño de las antenas; si ya hemos elegido antenas de 4 mts de diámetro, con su radomo correspondiente y sus cientos de kilos de peso, para aumentar su ganancia, las antenas deberían de ser más grandes y pesadas y las torres de sustentación aún mayores. Esto es inviable por el coste y se prefiere utilizar cables especiales y conectores de alta calidad, aunque tengan un recubrimiento de plata o platino si es necesario.

Un ejemplo de cable especial, que en realidad es un guiaondas elíptico, es el que aparece aquí.

Cálculo del nivel de señal recibido

El nivel de señal recibido en la antena remota, se obtendría de:

Pot_recb= Pot_emisión+Gan_antenaTX- At_espaciolibre+ Gan_antenaRx-Aten_{cables+conectores}

Suponiendo que los cables guiaondas y los conectores pierden 6 dB en cada estación, tendríamos:

Pot_rec= 30 dBm+44 dB-139 dB+44 dB- 12 dB= -33,8 dBm

 Con este nivel de señal recibido, nos faltan 0,8 dB para cumplir el margen de fadding que nos pide el cliente, en consecuencia, tendríamos que mejorar la calidad de la señal de dos formas posibles:

1. Aumentando la ganancia de las antenas de 4 mts (lo que es realmente difícil dadas las dimensiones de las antenas).
2. Disminuyendo las pérdidas de los cables, guiaondas y conectores de la instalación, sustituyendo alguno de estos elementos por otro de más calidad, apretando correctamente los conectores SMA, las juntas de guiaondas, etc.
   
3. Elevando las antenas a una altura mayor (si la torre lo permite) para mejorar el clearance del vano radioeléctrico.

Una vez que ya hemos realizado todos los cálculos del radioenlace de alta capacidad, se instalarían la/s antenas necesarias y se ajustarían los enlaces.

En el caso de instalarse antenas con diversidad de espacios, la antena situada en la parte inferior debería de disponer de un cable guiaondas o coaxial equivalente a la separación de las antenas aproximadamente.

De esta manera, las señales que se recibieran en las dos antenas, recorrerían la misma distancia al llegar a los receptores de radio; al sumar las señales recibidas, si están en fase, aumentaría la calidad de la señal recibida; por contra, si estuvieran desfasadas casi 180º, se llegarían a anular.

Si tuviéramos necesidad de añadir antena principal y antena de diversidad (para el caso de desvanecimientos por trayectos múltiples), tendriamos una torre de comunicaciones como ésta, que aún tiene, entre otras, las antenas RFS-Kabelmetal de 4 metros de diámetro, del radioenlace PDH Madrid-Valencia de 8 Ghz modelo AFH270-6N fabricado por Alcatel, las que están fotografiadas de frente:

Programas para el cálculo de niveles de señal en radioenlaces

Hay muchos programas que permiten calcular los niveles de recepción de un radioenlace digital, pero con una calidad aceptable para una operadora de telefonía no muchos.

Se deben de tener en cuenta los emplazamientos, orografía del terreno, interferencias de otros radiocanales adyacentes que puedan estar cerca, la climatología, ajustaba las zonas de Fresnell según se le hubieran ajustado, etc.

Un antiguo programa que permitía realizar una buena planificación de radio y que se usaba en el año 2000, era ICS Telecom; este programa realizaba todos los cálculos necesarios para determinar la altura de las antenas emisoras y receptoras, después de haber introducido los puntos exactos donde se iban a emplazar las antenas de los radioenlaces (ojo, elegimos el sitio donde se colocan, la altura la determinará el programa si resulta viable el radioenlace). Si no había errores en los planos digitalizados, los errores de nivel de señal recibido solían ser menores de 1 dB; si eran mayores había que revisar desde la altura de los mástiles utilizados, la altura de las ODU's instaladas, obstáculos, etc.

Actualmente hay otros programas más actualizados, que combinan la cartografía online de Google Earth y cartografía digitalizada de las zonas a planificar, como sería Xirio. A continuación añado un vídeo de youtube de presentación de esta herramienta de planificación radio:

Este programa realiza todos los cálculos de nivel de señal recibida partiendo de los requisitos de margen de fadding que fijáramos, grado de disponibilidad, altura máxima de las torres de las antenas, etc.

Como indiqué antes,es fundamental disponer de una buena cartografía digitalizada de los emplazamientos y de todo el trayecto radio, para conocer la altura de todos y cada uno de los edificios que había en el vano radioeléctrico y tenerlos en cuenta. 

Aunque es muy utilizada la cartografía de Google Earth como aproximación, no es precisa por no tener en cuenta la altura exacta de los edificios, lo cual sí se tiene en cuenta en las cartografías digitalizadas de pago de empresas de reconocida reputación por las compañías de telefonía móvil.

Después de ajustar algunos parámetros más, tal y como se indica en el documento borrador que se ha incluido en esta página, el programa iniciaba los cálculos para determinar la altura de las antenas y tras realizar durante horas los cálculos necesarios, nos indicaba si era viable el enlace, la altura de las antenas y los niveles de señal que se iban a recibir; una vez instalados los equipos, antenas y realizadas las mediciones, se comprobaba que las diferencias entre los cálculos del programa y el nivel recibido eran mínimos, en muchas ocasiones de menos de 1 dB, como indiqué antes.

Hay que tener en cuenta, que en zonas urbanas pueden surgir imprevistos en las comunicaciones por radioenlaces: casetas de radio o torres de antenas mal situadas,  personal de obras que pasa por delante de nuestro radioenlace sin saberlo, grúas que cruzan el vano radioeléctrico, inhibidores de frecuencia de las fuerzas y cuerpos de seguridad del estado, andamios móviles que se colocan delante de nuestra antena, árboles que crecen delante de las antenas, etc.

Todos estos factores no son previsibles y pueden echar al traste un radioenlace y obligar a un cambio completo del emplazamiento, sobre todo en entornos urbanos en crecimiento (construcción de nuevos edificios, grúas móviles, antenas, torres, etc.).

REPLANTEO DE LAS INSTALACIONES

Los imprevistos son muchos y muy variados y hay que valorarlos antes de instalar los equipos, si es que se conocen, claro está. 

El replanteo de las instalaciones, consistente  en la revisión de los emplazamientos donde se piensa instalar los equipos de telecomunicaciones y que se solía realizar en instalaciones costosas, evitaba que se produjeran este tipo de problemas: el técnico visitaba el/los emplazamiento/s, comprobaba la viabiliidad de la instalación y/o cambios a efectuar.

El técnico revisará que en la instalación estén disponibles todo lo que se necesita para instalar los equipos, incluido un cubículo donde instalarlo, por ejemplo o algo tan sencillo como que el rack de 19 pulgadas quepa por la puerta del emplazamiento.

También analizará si hay canalizaciones disponibles para el cableado o hueco para ello, disponibilidad de tomas de tierra, qué tipo de grapas se necesitan para instalar por ejemplo los cables de 7/8 de pulgada, etc.

Esta tarea previa de replanteo reduce a posteriori el tiempo necesario para la instalación de los equipos, al tener todo lo necesario para el montaje, ya preparado.

Ficheros adicionales

• Estación terminal de radioenlaces Madrid-Valencia
• Esquema del vano de un radioenlace
• ODU etiquetada completamente