TEMA 2: Fundamentos de la Tecnología Inal á mbrica

1. TEMA 2:Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica Profesora María Elena Villapol mvillap@ciens.ucv.ve

2. Introducción a la Tecnología Inalámbrica • Inalámbrico • describe la transmisión y recepción de señales que son transportadas por ondas electromagnéticas. • Señales de Radio Frecuencia (Radio Frequency RF) • Señales de corriente alterna (AC) de frecuencia altas compuestas de energía electromagnética. • Las radio frecuencias cubren una parte significante del espectro de radiación electromagnética • Desde los 9 kHz hasta los miles de gigahertz

3. Pp Pna Gaa Pcb Pcb Pca Gab Pca Pnb Gs Introducción a la Tecnología Inalámbrica: Ejemplo de Transmisión Inalámbrica Señales electromagnéticas Señales eléctricas

4. Introducción a la Tecnología Inalámbrica • Espectro de radiación electromagnética • Es el rango completo de longitudes de onda de la radiación electromagnética, comenzando por las ondas que tienen la mayor longitud de onda y extendiéndose a través de la luz visible hasta los rayos gamma cortos.

5. Introducción a la Tecnología Inalámbrica: Usos de la tecnología inalámbrica • Inalámbrico fijo: son dispositivos provistos con facilidades de comunicación inalámbricas que se encuentran fijos en casas, oficinas entre otras. • Inalámbrico Móvil: dispositivos con capacidades de comunicación inalámbricas que pueden portarse de un lugar a otro mientras mantienen una conexión vía el enlace inalámbricos tales como los teléfonos celulares, PDAs, laptops.

6. Introducción a la Tecnología Inalámbrica: Usos de la tecnología inalámbrica • Dispositivos que operan con RF. • Dispositivos Infrarrojo

7. Propiedades de las Señales RF • Amplitud • Frecuencia • Fase

8. Amplitud • Se puede medir el cambio en la energía causada por el paso de una onda RF. • Este cambio es conocido como amplitud. • Señales con mayores amplitudes tienen, con mayor probabilidad, mayor fuerza. • La potencia de la señal la cual mide la fuerza de la misma es medida en Watts mientras que la amplitud es medida en voltios.

9. Amplitud • Para tener una idea intuitiva de cómo las ondas RF se propagan imagine que deja caer una roca en un charco con aguas tranquilas y mira las ondas fluyendo desde el punto donde cayo la roca.

10. Frecuencia • La frecuencia (f) es la tasa de cambio de la señal, generalmente, medida en Hertz (Hz) o ciclos por segundo. • Note que una señal que no cambia no puede transportar ninguna información.

11. Período y Longitud de Onda • El período (T) de una señal es definido como el tiempo de una repetición de una señal y es el inverso de la frecuencia, T = 1/f. • La longitud de onda () se define como la distancia ocupada por un ciclo o la distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos consecutivos. • Asumiendo que la velocidad de la señal es v: •  = vT •  = v/f • Un caso particular es cuando v= c= 3*108 m/s (velocidad de la luz en el espacio libre). • Por ejemplo, una señal 802.11 con una frecuencia de 2.4 GHz tiene una longitud de onda de: •  = 300000000 m/s / 2400000000 Hz = 0,125 m = 12,5 cm

12. Fase • La fase () de una señal es la posición relativa de una señal en el tiempo. • Es el método de expresar la relación entre las amplitudes de dos señales RF que tiene la misma frecuencia. • La fase es medida en grados. • Si dos señales están alineadas alcanzando sus picos al mismo tiempo, se dice que ellas tienen cero grados de fase. • Si las señales están alineadas de forma tal que una alcanza su pico al mismo tiempo que la otra su menor valor de amplitud, se dice que ellas tienen 180 grados de fase.

13. Conceptos Básicos Análisis Espectral Dominio del tiempo y de la frecuencia

15. Bandas de Frecuencias • Especifican un determinado rango de frecuencias.

16. Bandas de Frecuencia • Rango Microonda: • L banda 1GHz - 2 GHz • S banda 2GHz - 4GHz • C banda 4GHz - 8GHz • X banda 8GHz - 12GHz • Ku banda 12GHz - 18GHz • K banda 18GHz - 27GHz • Ka banda 27GHz - 40GHz • Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) (ver ITU-T S5.138 S5.150) – bandas no licenciadas: • “900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Americas only) • “2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz • ”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz

17. Bandas de Frecuencia

19. Ancho de banda • Ancho de banda • Usualmente usado para expresar la cantidad de información transportada en cierto tiempo. • Una definición más especifica: • Ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa. • Se expresa como la diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor frecuencia. • Por ejemplo: • Transmisión de voz tiene aprox. 3kHz. • Radio FM tiene 200 kHz. • TV tiene 6 MHz.

20. Unidades de Medida: Watts • El Watt (vatio) es la unidad básica de la potencia y se define como un amperio (A) de la corriente en un voltio (V). • Se puede observar que se requiere relativamente poca potencia para formar un enlace RF de gran distancia. • Por ejemplo, CONATEL permite solamente 1 W de potencia radiada en dispositivos para redes inalámbricas de uso libre en la frecuencia 2400 – 2483,5 MHz y 5725 – 5825 MHz. • Es también común el uso de los mili vatios (mili Watts). • Un mili vatio es 1/1000 W y es abreviado como mW. • Por ejemplo, la mayoría de dispositivos 802.11 usan niveles de potencia entre 1 y 1000 mW. Clientes PCMCIA comúnmente usan niveles de potencia de 15 a 30 mW

21. Unidades de Medida: Decibelios • El decibelio es diseñado para expresar diferencias entre dos medidas. • Por ejemplo, un decibelio es una manera de decir “esta señal es tal y tal fracción de esta otra”. • El decibelio (dB) es una expresión logarítmica que mide el radio entre la potencia, voltaje o corriente de dos señales. • La diferencia entre una medida como el decibelio y el mW son: • Un decibelio siempre mide la fuerza relativa entre dos señales, mientras que un MW mide la potencia absoluta. • El mW es una medida lineal, mientras que el decibelio es una medida logarítmica.

22. Unidades de Medida: Decibelios • La fórmula general para calcular el decibelio entre dos señales es: • PdB = 10 Log10 (P2/P1) • P1: potencia señal 1 • P2: potencia señal 2 • Cuando la cantidad en decibelios es positiva entonces hablamos de ganancia. • En caso contrario hablamos de pérdida.

23. Unidades de Medida: Decibelios

24. Unidades de Medida: Decibelios • Una señal es transmitida a 100 mW. Viaja a través de un cable coaxial que tiene una pérdida de 3 dB. Cual es la fuerza resultante de la señal, en mW? • Observando la Tabla anterior se tiene que una pérdida de 3dB (es decir – 3dB) equivale a una reducción de la potencia de una señal a la mitad, por lo tanto, es suficiente con dividir 100 mW entre dos como es muestra a continuación: • 100 mW / 2 = 50 mW

25. Unidades de Medida: Decibelios • Una señal es transmitida a 30 mW, después de la cual pasa a través de un amplificador que le suma 10 dB de ganancia. Cual es la potencia resultante de la señal, en mW? ?

26. Unidades de Medida: Decibelios • Una señal es transmitida a 100 mW. Después de pasar a través de un cable coaxial, la fuerza de la señal se mide con una potencia de 10 mW. Cual es la pérdida del cable en dB? ?

27. Unidades de Medida: dBm • En algunas circunstancias puede ser conveniente usar los decibelios para medir un nivel de potencia absoluto. • La forma de hacer esto es normalizando el decibel. • El nivel de potencia de una señal relativa a una potencia de referencia. • El dBm donde el nivel de potencia de una señal se mide con respecto a 1 mW: • PdBm = 10 log10 (PmWATTS/1mW) • 1mW = 0,001 Watts

28. Unidades de Medida: dBm

29. Unidades de Medida: dBm • Un cierto AP transmite con una potencia de 100 mW. Cuantos dBm es esto? • 100 mW dBm = 10 log 100mW / 1 mW = 10 * 2 = 20 dBm

30. Unidades de Medida: dBm • Un cierto cliente PCMCIA transmite con una potencia de 30 mW. Cuantos dBm es esto? ?

31. Antenas • Dispositivo usado para transformar una señal RF, viajando sobre un conductor, en una onda electromagnética en el espacio libre. • Reciprocidad: se refiere al hecho que una antena conserva sus mismas características sin importar que este trasmitiendo o recibiendo.

32. Antenas • Ancho de banda: • Rango de frecuencias sobre el cual la antena puede operar. • Directividad (Directivity): • Habilidad de una antena de enfocar la energía en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor de una dirección particular cuando esta recibiendo.

33. Antenas • Patrón de radiación: • Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio. • Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.

34. Antenas

36. Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional

37. Antenas: Ancho del Haz • Ancho del Haz (beamwidth): • Conocido también como mitad de la potencia del ancho del rayo. • El ángulo que subtienden los dos puntos sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la potencia pico del mismo se reduce en 3 dB. • Se busca la intensidad de la radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de la intensidad pico.

38. Antenas: Ancho del Haz • Existen dos vectores que deben ser considerados: • Vertical: es medido en grados y es perpendicular a la superficie terrestre • Horizontal: es medido en grados y es paralelo a la superficie terrestre.

39. Antenas: Ancho del Haz

40. Antenas: Front-back ratio • Es el radio de la máxima directividad de una antena a su directividad en la dirección hacia atrás.

41. Antenas: Polarización • Una onda de radio esta compuesta por dos planos, uno eléctrico y uno magnético • Estos son perpendiculares entre ellos. • La suma de los campos se llama campo electromagnético. • El plano que es paralelo al elemento de la antena ( el metal de la antena que emite la radiación) se denomina E-plane y el perpendicular a dicho elemento es el H-plane.

42. Antenas: Polarización • Polarización: dirección del campo eléctrico emitido por una antena. • Puede ser: • Vertical • Horizontal • Elíptica • Circular

43. Antenas: Polarización Vertical CAMPO ELECTRICO CAMPO MAGNETICO

44. Antenas: Polarización Horizontal CAMPO ELECTRICO CAMPO MAGNETICO

45. Antenas: Polarización • Para lograr una potencia máxima de transferencia es ideal que la polarización de las antenas en ambos extremos de la comunicación sea la misma. • Cuando las antenas no tienen la misma polarización, habrá una reducción en la potencia de transferencia entre las dos antenas. • Esto conllevará a una reducción en el rendimiento y eficiencia del sistema completo.

46. Antenas: Polarización- Ejemplo Luz visible brillando a través de dos agujeros en dos piezas de cartón

47. Tipos de Antenas • Antena isotrópica (ideal) • Radia potencia en todas las direcciones por igual. • Produce un campo electromagnético útil en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de eficiencia. • El sol es un ejemplo de un objeto que se acerca mucho a los que es un radiador isotrópico. • La energía medida a cualquier distancia del mismo es la misma sin importar donde uno la mida.

48. Tipos de Antenas • Antenas dipolo • Antena “Half-wave dipole” (o antena Hertz). • Antena “Quarter-wave vertical” (o antena Marconi).

49. Antena Half-Wave Dipole • La antena más corta que puede ser usada para radiar señales en el espacio libre. • Está formada por un conductor eléctrico recto. • Este mide ½ la longitud de onda. • Es una de las antenas más simples.

50. Antena Quarter-Wave Dipole • Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida. • También conocida como antena Marconi. • Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para poder tener las características de una antena half wave dipolo.