Lecture 14 radioenlaces terrenales servicio fijo p5

Eo 0421 - RADIOCOMUNICACIONES

Conferencia 14: Radioenlaces terrenales del servicio fijo

Instructor: Israel M. Zamora, MBA, MSTMProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y

Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniería

I Sem 2015

Objetivos

Aplicar los métodos de evaluación de la calidad de un radioenlace con relación a su indisponibilidad y fidelidad según los objetivos establecidos por UIT.

2I. Zamora Unidad III: Radioenlaces terrenales del servicio fijo

Contenido

• Umbral y Margen Bruto de Desvanecimiento• Indisponibilidad de un radioenlace• Evaluación de la indisponibilidad de radioenlace

• Evaluación para los Equipos• Evaluación para la Propagación• Evaluación conjunta: Equipos y Propagación

• Evaluación de la calidad de error (fidelidad)• Método de la signatura• Método del Margen Neto de Desvanecimiento


Umbral y Margen Bruto de Desvanecimiento


Umbral (Sensibilidad) y Margen Bruto de Desvanecimiento Es el nivel mínimo necesario para cumplir con una determinada BER (Bit Error Rate). Se requiere un nivel mínimo de eb/no

Normalmente se obtiene de gráficas, o se puede computar con simulación o fórmulas.

Relación de la eb/n0 mínima respecto a la potencia portadora:

bs

r

s

brb

RfkT

p

fkT

Tp

n

e

000

bsb

r RfkTn

epth 0

0min,

En decibelios: HzdBmbpsRdBFdBN

EdBmTh bs

b /174)(log10)()( 10

min0

Los umbrales (sensibilidades) en la práctica son mayores que el teórico porque no se dan condiciones de recepción ideales. Se obtiene de los fabricantes, o sumamos 5 a 8 dB al teórico.

En realidad se recibe una potencia de portadora C, de forma que el Margen Bruto de Desvanecimiento es:

)()()( 33 dBmThdBmCdBM Significa BER 10-3 , asociado a la definición de SES empleada en los objetivos de las Recomendaciones de la ITU-R.

rPC



Umbral (Sensibilidad) y Margen Bruto de Desvanecimiento (continuación) Recordemos que es la diferencia entre las potencias recibidas y la sensibilidad o umbral. Puede definirse para distintas tasa de bits en errores.

333 10-

r BER(dBm) Th(dBm)P(dB)M 6

66 10-r BER(dBm) Th(dBm)P(dB)M

Tenemos de la conferencia 11, la tabla de la derecha. De allí vemos que para una BER de 10-3 y esquema de modulación 4PSK, el valor (Eb/N0 ) es de 6.8 (dB). Entonces:

Ejemplo 1Para un radioenlace digital a 34Mbps, realizado con equipos con figura de ruido de 7 dB y modulación 4PSK, el fabricante especifica una sensibilidad o umbral práctico de -80dBm para una BER de 10-3. Determinemos la sensibilidad teórica:

1741034log1078.6 6103 Th

) ( 88.843 teóricoumbraldBmTh



Nuevamente, de la conferencia 11, tenemos la tabla de la derecha. De allí vemos que para una BER de 10-3 y esquema de modulación, 64QAM, el valor (Eb/N0 ) es de 14.7 (dB) . Entonces:

Ejemplo 2En un radioenlace de 140Mbps, con modulación 64QAM y ecualización, con figura de ruido de 5dB, el fabricante especifica un umbral práctico igual a -73dBm para una BER de 10-3 . Determine la sensibilidad o umbral teórico en este caso.

17410140log1057.14 6103 Th

) ( 84.723 teóricoumbraldBmTh

Indisponibilidad de un radioenlace


Umbral de indisponibilidad (U): Interrupción o funcionamiento degrado durante un tiempo > T0 sistema indisponible (Tind). Cuantifica la probabilidad de que el sistema se encuentre en condiciones de funcionamiento en un momento dado. La indisponibilidad total, para un tiempo de observación T (mayor de un año) es:

Para un sistema Duplex:

(%)T

TTTU 1001221

T1= tiempo de interrupción (T0 ) en sentido de ida.T2= tiempo de interrupción (T0 ) en sentido de retorno.T12= tiempo de interrupción en ambos sentidos simultáneamente.T= tiempo de observación.En el caso unidireccional: T2=T12=0

inddisind TTT (%)

T

TU 100

Disponibilidad del RE


Evaluación de la indisponibilidad

)(NU E)(VU p)(LU

:)(LU Indisponibilidad total de la ruta/trayecto de longitud L

Indisponibilidad del equipo secciones de conmutación:)(NU E N

:)(VU p Indisponibilidad de propagación vanosVEfecto de lluvia (f 7GHz)

Dependencia de la longitud de la ruta y equipos trayecto y circuitos de referencia (HRDP, CFR).

La indisponibilidad se desglosa en dos componentes:

Se calculan por separado en cada vano y se suman

Equipos Distintos equipos en vanos Equipos de reserva

Propagación Lluvia f >10 GHz provoca indisponibilidad t ≥ To, Desvanecimientos multitrayecto profundos son de corta duración t < To y afectan a

la fidelidad


Evaluación de la indisponibilidad de Equipos

La indisponibilidad de equipos es:

N

isiE UU

1

donde Usi es la indisponibilidad de la sección de conmutación i-ésima: isi UU 2

Para un radiocanal con 1 Tx, 1 Rx y n repetidoresU la indisponibilidad en cada sentido:

RPRxTx nUUUU Fiabilidad: complemento a uno de la indisponibilidad Tiene en cuenta el tiempo entre averías: t

una variable aleatoria exponencial negativa: de media , ( = MTBF, mean time between failures):

La probabilidad de que t supere un valor to:

Si se conectan en serie dos equipos:

/exp1

)( ttp

/exp)()( 000

tdttpttpt

12

11

1 MTBFMTBFMTBF


Evaluación de la indisponibilidad de Equipos

El otro parámetro necesario es el MTTR (Mean Time To Restore) Tiempo medio de reparación. Depende del diseño del equipo.

La indisponibilidad en un sentido de un equipo para un canal i, Ui sin protección es:

• Donde se tiene en cuenta el MTTR y

Con protección, se tienen que indisponer simultáneamente todos los canales M+N, a lo largo de los m vanos y en ambos sentidos:

• Si hay un solo canal de reserva (N=1):

100100(%) xx qMTTRMTBF

MTTRU i

MTBFMTTRq /

1

1

200(%)2

Ni mq

N

NM

MU

22

1200(%)2 mq

M

MU i

MTBFMTTR


Evaluación de la Indisponibilidad de Propagación

dBpAAM pp log043.0546.0

01.0 12.0

La indisponibilidad por propagación se limita a la lluvia• Para f >10GHz la atenuación por lluvia es importante para indisponibilidad

El tiempo en el que habrá indisponibilidad es en el que la atenuación por lluvia Ap excede el margen de enlace M• El margen está dado para una BER (10-3) → Umbral Th3

• Este % p del tiempo es:

3ThLGLPIREM trrb donde también:

dKmdGHzfL ab )(log20)(log205.92

001.0 /1 dd

dA

pU p

Para frecuencias >20 GHz la lluvia limita la distancia máxima• Esta distancia máxima se obtiene despejando la máxima indisponibilidad permitida.

ppUU E max

Mmax010 dA .


Evaluación de la Indisponibilidad: Equipos+Lluvia

%100xMTBF

MTTRU E

Consideraciones generales f > 10GHz, lluvia Se suman los porcentajes de indisponibilidad de cada vano Se comparan con objetivos, en Grado alto.

333 ThLGLGLPThCM trrbtttet

dKmdGHzfL wob )(log20)(log205.92 1010

Proceso:

)/(174)(log10)()(/ min03 HzdBmbpsRdBFdBNETh bsb

Fs es la figura de ruido del sistema a la entrada del receptor

1. Se evalúa la indisponibilidad del equipo:

2. Se obtiene el umbral (sensibilidad) de recepción Th3 del fabricante, o se calcula como:

3. Se calcula el margen para desvanecimiento plano:

Suele agregarse +2 a 5 dB


Evaluación de la Indisponibilidad: Equipos+Lluvia

01.0AMpU p

(%)pE UUU

Conocida la Atenuación excedida el 0.01% del tiempo A0.01, se puede calcular para otro porcentaje de tiempo p como:

Se iguala al Margen bruto y se resuelve (ec 2º en log10 p) para obtener Up(%) = p(%), el porcentaje de tiempo de indisponibilidad:

dBpAAM pp log043.0546.0

01.03 12.0

5. La indisponibilidad del vano es:

4. Se calcula la atenuación por lluvia excedida el p% del tiempo:

201.0

3 log043.0log546.012.0

log ppA

M

x x2

Evaluación de la indisponibilidad de radioenlace


EjemploSe desea unir una estación base telefónica móvil con su controlador mediante un radioenlace digital monovano con las siguientes características:

Base Station Controller

al MSC

5 Km

Pt = 12 dBm

Gt = 40 dB

Ltt = 40 dB

R0.01 = 32mm/hkV = 2.778V = 0.9421

Th3 = -83dBm

Gr = 40 dB

Ltr = 0.5 dB

f = 38 GHzo = 0.036 dB/Kmw = 0.0847 dB/Km

Visión directa Despejamiento suficiente Polarización Vertical

MTTR = 5hMTBF = 50.000h

Determine la indisponibilidad del vano y verifique si cumple los objetivos de ITU-R.

Evaluación de la indisponibilidad de radioenlace


Solución:

%01.0%100000.50

5%100x

MTBF

MTTRU E

1. Indisponibilidad del equipo:

2. Pérdidas básicas de propagación y Margen de desvanecimiento

3. Atenuación por lluvia: Polarización vertical a 38GHz.

4. Igualando atenuación por lluvia con Margen M3:

dBLb 7.1385087.0036.0)5(log20)38(log205.92 1010

dBM 3.35)83(5.0407.138405.0123

9421.0 ,2778.0 VVk

dBA 4.365273.701.0

KmdBR / 7.273322778.0 9421.0 Kmed

A6.2135 32015.0

001.0

ddddcomo eff 0

dBp p 12.04.363.35 log043.0546.0

Evaluación de la indisponibilidad de radionelace


4. Igualando atenuación por lluvia con Margen M3:

2log043.0log546.0)12.0()4.36(

3.35log pp

Resolviendo esta ecuación de segundo grado, tenemos:

pUp %0108.0

5. Indisponibilidad Total es:

%0208.00108.001.0 TU

6. Verificamos si este valor cumple el objetivo de indisponibilidad de ITU-R para L 280Km

%0336.0%2500

2803.0

ITUTU

%0336.0%0208.0 ITUTT UU

Por tanto, el vano analizado, cumple con el objetivo de indisponibilidad de ITU.

Valor máximo de indisponibilidad:

Evaluación de la Calidad (Fidelidad) en un radioenlace digital


Capacidad Baja (34Mbps o menos) • Aplicamos el resultado de la conferencia 9 para pTP. • Se considera que F1=M3, para una BER=10-3

• Recordemos que en este caso pTS es despreciable.

Capacidad Media/Alta (Mas de 34 Mbps): 2 métodos

1. Método de la signatura o firma:• Se calcula el pTS y se suma al pTP

• La metodología es la misma desarrollada en la conferencia 9.

2. Método del margen neto de desvanecimiento: • Permite calcular pTT directamente

100

3

10M

TPTT Ppp

2

2

2)1(s

mbTS T

kpCp

5.1/22/2/ ,

TSTPpppTT

(%)10010 100

eM

TT Pp


Evaluación de la Calidad (Fidelidad) en un radioenlace digital

Margen Neto de Desvanecimiento, (valor teórico)El porcentaje de tiempo total pTT puede escribirse en función de un margen efectivo o “neto” de desvanecimiento denotado por Me, que es un valor teórico elegido de forma que pTT pueda expresarse mediante una ley similar a la del desvanecimiento plano.

oConsiste en calcular directamente el pTT de la misma forma que se calcula pTP.

Para pTP tenemos: (%)10010 100

3

M

TP Pp

Se considera una estructura igual para pTT considerando que existe un margen Me:

Si lo que deseamos es calcular el margen neto, Me, hay que calcular antes pTS:

(%)10(%)10 100

100

3 eM

TS

M

TSTPTT PpPppp

Margen Neto de Desvanecimiento


Despejando el margen neto, Me, de la expresión anterior:

10

0103

3

10(%)

1log10M

TSe P

pMM

Siempre se cumple que M3 > Me . Si M3 Me M3. Si M3 entonces:

TS

eM p

PM

(%)loglim 0

103



EjemploSe considera un vano de radioenlace digital que tiene las siguientes características:

Se pide:• Evaluar la calidad (fidelidad) del

enlace• Calcular el margen neto de

desvanecimiento• Comprobar si se cumplen con los

objetivos de calidad establecidos por ITU-R.

• Velocidad de transmisión: 140Mbps• Esquema de modulación: 16QAM• Margen bruto para BER=10-3 es 30dB.• Desvanecimiento multitrayecto con

factor P0=0.27• Longitud del vano: 42Km.• Signatura dada por la figura mostrada.



Solución:

La solución del ejercicio pasa por determinar el valor de la signatura (k) a partir de la gráfica, ya que pTS depende de este valor.

sA TMHzWK

BA KKk

20/10 CBsB

TK

Para encontrar k, usamos la siguientes fórmulas donde BC y W lo obtenemos de la figurada dada para la signatura del receptor.

De la gráfica tenemos:

18

MHzMhzW 36182 dBBC 18

BC

W

segnseg 3103.63.6

2

2

32.4s

mTS T

kp



nsegsegMbpsR

M

RT

bss 57.2802857.0

140

16loglog1 22

Determinamos Ts como:

Hallamos la signatura con los datos anteriores:

20/183

220/

220/ 10

103.6

)02857.0(361010

CC BsBs

s

TW

TWTk

587.0k

072.0)27.0(2.0exp1 75.0

Ahora es necesario encontrar que es necesaria en la expresión para pTS:

También calculamos m:

(ns)...

m 558050

4270

31



Sustituyendo valores tenemos que pTS es:

%00696.0%10057.28

558.0587.0072.032.4

2

TSp

%027.0(%)1001027.0 10

30

TPp

Para pTP aplicamos la expresión:

Entonces, pTT por el método de la signatura nos da:

%041.0)00696.0()027.0(33.175.075.0 TTp

%03396.000696.00270 .ppp TSTPTT

O bien:

Ahora, pTT por el método del desvanecimiento neto es:

dBM e 291027

00696.01log1030 10

30

10

%0339.0(%)1001027.0 10

29

TTp



km L ESR(%) 280%036.0

km L .SESR(%) 280%0060

Error Second Rate (ESR): Tasa de segundos con errores

Severe Error Second Rate (SESR): Tasa de segundos con muchos errores

Para verificar si el enlace cumple con las condiciones de calidad (fidelidad) observamos que para L=42Km < 280Km, y las condiciones resultan ser:

Los valores de pTT deben ser siempre menores o iguales que las condiciones de arriba. En este caso, tenemos tres valores estimados, por lo que si tomamos la estimación correspondiente al peor caso (0.041%) el radioenlace no cumple con ESR. Si se considera la estimación mas optimista (0.0339%) el enlace cumple ESR.

No obstante, el radioenlace no satisface la condición para SESR.

• Lectura Obligatoria• Transmisión por Radio

• Capítulo 5Sección 5.18

• Lectura Recomendada

• Ninguna.


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