Transmisión por microondas

Antenas reflectoras de bocina de banda C en el techo de un centro de conmutación telefónica en Seattle, Washington, parte de los EE.UU. AT&T Long Lines red de retransmisión de microondas

Docenas de antenas de microondas en la Heinrich-Hertz-Turm en Hamburgo, Alemania

El radioenlace por microondas es una tecnología muy utilizada en los años 50 y 60 para transmitir información, como llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión, entre dos puntos terrestres mediante un estrecho haz de microondas. En la retransmisión de radio por microondas, un transmisor de microondas y una antena direccional transmiten un estrecho haz de microondas que transporta muchos canales de información en una ruta de visión directa a otra estación de retransmisión, donde es recibida por una antena direccional y un receptor, formando una conexión de radio fija entre los dos puntos. El enlace suele ser bidireccional, utilizando un transmisor y un receptor en cada extremo para transmitir datos en ambas direcciones. El requisito de una línea de visión limita la separación entre las estaciones al horizonte visual, de unas 30 a 50 millas (48 a 80 km). Para distancias más largas, la estación receptora puede funcionar como relé, retransmitiendo la información recibida a otra estación a lo largo de su recorrido. Se utilizaron cadenas de estaciones repetidoras de microondas para transmitir señales de telecomunicación a distancias transcontinentales. Las estaciones retransmisoras de microondas solían estar situadas en edificios altos y en las cimas de las montañas, con sus antenas en torres para obtener el máximo alcance.

A partir de los años 50, las redes de enlaces retransmisores de microondas, como el sistema AT&T Long Lines en Estados Unidos, transportaban llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión entre ciudades. El primer sistema, denominado TD-2 y construido por AT&T, conectó Nueva York y Boston en 1947 con una serie de ocho estaciones repetidoras de radio. Estas incluían largas series de enlaces en cadena que atravesaban cadenas montañosas y abarcaban continentes. El lanzamiento de los satélites de comunicaciones en la década de 1970 permitió abaratar gran parte del tráfico transcontinental, que ahora se transporta por satélites y fibras ópticas, pero la retransmisión por microondas sigue siendo importante para distancias más cortas.

PlanningEdit

Torre de comunicaciones en la montaña Frazier, en el sur de California, con antenas retransmisoras de microondas

Debido a que las ondas de radio viajan en haces estrechos confinados en una trayectoria de línea de visión de una antena a otra, no interfieren con otros equipos de microondas, por lo que los enlaces de microondas cercanos pueden utilizar las mismas frecuencias. Las antenas deben ser altamente direccionales (alta ganancia); estas antenas se instalan en lugares elevados, como grandes torres de radio, para poder transmitir a través de largas distancias. Los tipos típicos de antena utilizados en las instalaciones de enlaces radioeléctricos son las antenas parabólicas, las lentes dieléctricas y las antenas con reflector de bocina, que tienen un diámetro de hasta 4 metros. Las antenas altamente directivas permiten un uso económico del espectro de frecuencias disponible, a pesar de las largas distancias de transmisión.

Nodo de radioenlace militar danés

Debido a las altas frecuencias utilizadas, se requiere una trayectoria de línea de visión entre las estaciones. Además, para evitar la atenuación del haz, un área alrededor del mismo, llamada primera zona de Fresnel, debe estar libre de obstáculos. Los obstáculos en el campo de la señal provocan una atenuación no deseada. Las posiciones en los picos o crestas de las montañas altas suelen ser ideales.

El camión de producción utilizado para las transmisiones remotas de los informativos de televisión tiene una antena parabólica de microondas en un mástil telescópico retráctil para transmitir vídeo en directo al estudio.

Los obstáculos, la curvatura de la Tierra, la geografía de la zona y los problemas de recepción derivados del uso de los terrenos cercanos (como en la industria y la silvicultura) son cuestiones importantes que hay que tener en cuenta al planificar los enlaces de radio. En el proceso de planificación, es fundamental elaborar «perfiles de trayectoria», que proporcionan información sobre el terreno y las zonas de Fresnel que afectan a la trayectoria de transmisión. También hay que tener en cuenta la presencia de una superficie de agua, como un lago o un río, a lo largo del trayecto, ya que puede reflejar el haz, y el haz directo y el reflejado pueden interferir en la antena receptora, provocando desvanecimientos por trayectos múltiples. Los desvanecimientos por trayectos múltiples suelen ser profundos sólo en un punto pequeño y en una banda de frecuencia estrecha, por lo que pueden aplicarse esquemas de diversidad de espacio y/o de frecuencia para mitigar estos efectos.

Los efectos de la estratificación atmosférica hacen que el trayecto radioeléctrico se curve hacia abajo en una situación típica, por lo que es posible una distancia mayor a medida que la curvatura equivalente de la tierra aumenta de 6370 km a unos 8500 km (un efecto de radio equivalente de 4/3). Los eventos raros de temperatura, humedad y perfil de presión frente a la altura, pueden producir grandes desviaciones y distorsión de la propagación y afectar a la calidad de la transmisión. La lluvia de alta intensidad y la nieve que hace que la lluvia se desvanezca también deben considerarse como un factor de deterioro, especialmente en las frecuencias superiores a 10 GHz. Todos los factores anteriores, conocidos en conjunto como pérdidas de trayecto, hacen necesario calcular márgenes de potencia adecuados, con el fin de mantener el enlace operativo durante un alto porcentaje de tiempo, como el estándar del 99,99% o 99,999% utilizado en los servicios de «clase portadora» de la mayoría de los operadores de telecomunicaciones.

El radioenlace de microondas más largo conocido hasta la fecha cruza el Mar Rojo con un salto de 360 km (200 mi) entre Jebel Erba (2170m s.n.m., 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N 36.8401806°E, Sudán) y Jebel Dakka (2572m s.n.m., 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E, Arabia Saudí). El enlace fue construido en 1979 por Telettra para transmitir 300 canales telefónicos y una señal de televisión, en la banda de frecuencia de 2 GHz. (La distancia de salto es la distancia entre dos estaciones de microondas).

Las consideraciones anteriores representan los problemas típicos que caracterizan a los radioenlaces terrestres que utilizan microondas para las denominadas redes troncales: hasta los años noventa se utilizaban mayoritariamente longitudes de salto de algunas decenas de kilómetros (normalmente de 10 a 60 km). Las bandas de frecuencias por debajo de 10 GHz y, sobre todo, la información a transmitir, eran un flujo que contenía un bloque de capacidad fijo. El objetivo era suministrar la disponibilidad solicitada para todo el bloque (jerarquía digital plesiócrona, PDH, o jerarquía digital síncrona, SDH). El desvanecimiento y/o la multitrayectoria que afectaban al enlace durante un corto periodo de tiempo durante el día tenían que ser contrarrestados por la arquitectura de diversidad. Durante la década de 1990, los radioenlaces de microondas empezaron a utilizarse de forma generalizada para los enlaces urbanos de las redes celulares. Los requisitos relativos a la distancia del enlace cambiaron a saltos más cortos (menos de 10 km, normalmente de 3 a 5 km), y la frecuencia aumentó a bandas entre 11 y 43 GHz y, más recientemente, hasta 86 GHz (banda E). Además, la planificación de los enlaces se ocupa más de las precipitaciones intensas y menos del multitrayecto, por lo que los esquemas de diversidad se utilizaron menos. Otro gran cambio que se produjo en la última década fue la evolución hacia la transmisión de paquetes de radio. Por lo tanto, se han adoptado nuevas contramedidas, como la modulación adaptativa.

La potencia emitida está regulada para los sistemas celulares y de microondas. Estas transmisiones de microondas utilizan una potencia emitida típicamente de 0,03 a 0,30 W, radiada por una antena parabólica en un estrecho haz divergente de unos pocos grados (1 a 3-4). La disposición de los canales de microondas está regulada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) y la normativa local (ETSI, FCC). En la última década el espectro dedicado a cada banda de microondas se ha saturado enormemente, lo que ha motivado el uso de técnicas para aumentar la capacidad de transmisión como la reutilización de frecuencias, la multiplexación por división de polarización, XPIC, MIMO.

HistoriaEditar

Antenas del enlace experimental de microondas de 1,7 GHz de 1931 a través del Canal de la Mancha. La antena receptora (fondo, derecha) estaba situada detrás de la antena transmisora para evitar interferencias.

Estación de retransmisión de microondas portátil del US Army Signal Corps, 1945. Los sistemas de retransmisión por microondas se desarrollaron por primera vez en la Segunda Guerra Mundial para la comunicación militar segura.

La historia de la comunicación por retransmisión de radio comenzó en 1898 a partir de la publicación de Johann Mattausch en la revista austriaca Zeitschrift für Electrotechnik. Pero su propuesta era primitiva y no apta para el uso práctico. Los primeros experimentos con estaciones repetidoras de radio para retransmitir señales de radio fueron realizados en 1899 por Emile Guarini-Foresio. Sin embargo, las ondas de radio de baja y media frecuencia utilizadas durante los primeros 40 años de la radio demostraron ser capaces de recorrer largas distancias mediante la propagación de ondas terrestres y celestes. La necesidad de retransmitir por radio no comenzó realmente hasta la explotación de las microondas en la década de 1940, que viajaban por la línea de visión y, por tanto, estaban limitadas a una distancia de propagación de unas 40 millas (64 km) por el horizonte visual.

En 1931, un consorcio anglo-francés dirigido por André C. Clavier demostró un enlace experimental de microondas a través del Canal de la Mancha utilizando antenas parabólicas de 3 metros. La telefonía, el telégrafo y los datos de facsímil se transmitieron a través de los haces bidireccionales de 1,7 GHz a 40 millas (64 km) entre Dover (Reino Unido) y Calais (Francia). La potencia radiada, producida por un tubo Barkhausen-Kurz en miniatura situado en el foco de la antena parabólica, era de medio vatio. Inglevert (Francia) y Lympne (Reino Unido), una distancia de 56 km, fue seguido en 1935 por un enlace de telecomunicaciones de 300 MHz, el primer sistema comercial de retransmisión por microondas.

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial proporcionó gran parte de la tecnología de microondas que hizo posibles los enlaces prácticos de comunicación por microondas, en particular el oscilador klystron y las técnicas de diseño de antenas parabólicas. Aunque no es muy conocido, el ejército estadounidense utilizó las comunicaciones por microondas, tanto portátiles como fijas, en el teatro de operaciones europeo durante la Segunda Guerra Mundial.

Después de la guerra, las compañías telefónicas utilizaron esta tecnología para construir grandes redes de retransmisión de radio por microondas para realizar llamadas telefónicas de larga distancia. Durante la década de 1950, una unidad de la compañía telefónica estadounidense, AT&T Long Lines, construyó un sistema transcontinental de enlaces de retransmisión por microondas a través de Estados Unidos que llegó a transportar la mayor parte del tráfico telefónico de larga distancia estadounidense, así como las señales de la red de televisión. La principal motivación en 1946 para utilizar la radio de microondas en lugar del cable fue que se podía instalar una gran capacidad rápidamente y a menor coste. En aquella época se preveía que los costes anuales de explotación de la radio de microondas serían mayores que los del cable. Había dos razones principales por las que había que introducir una gran capacidad de forma repentina: El aumento de la demanda del servicio telefónico de larga distancia, debido al parón de los años de guerra, y el nuevo medio de la televisión, que necesitaba más ancho de banda que la radio. El prototipo se llamó TDX y se probó con una conexión entre la ciudad de Nueva York y Murray Hill, sede de los Laboratorios Bell en 1946. El sistema TDX se instaló entre Nueva York y Boston en 1947. El TDX se actualizó al sistema TD2, que utilizaba en los transmisores, y más tarde al TD3 que utilizaba electrónica de estado sólido.

Destacaron los enlaces de retransmisión de microondas a Berlín Occidental durante la Guerra Fría, que tuvieron que ser construidos y operados debido a la gran distancia entre Alemania Occidental y Berlín al límite de la viabilidad técnica. Además de la red telefónica, también los enlaces de retransmisión por microondas para la distribución de las emisiones de televisión y radio. Esto incluía conexiones desde los estudios a los sistemas de radiodifusión distribuidos por todo el país, así como entre las emisoras de radio, por ejemplo para el intercambio de programas.

Los sistemas militares de retransmisión por microondas siguieron utilizándose hasta los años 60, cuando muchos de estos sistemas fueron suplantados por sistemas de dispersión troposférica o de satélites de comunicación. Cuando se formó el brazo militar de la OTAN, gran parte de este equipo existente se transfirió a los grupos de comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones típicos utilizados por la OTAN durante ese periodo consistían en las tecnologías que habían sido desarrolladas para su uso por las entidades de telefonía de los países anfitriones. Un ejemplo de Estados Unidos es el sistema de retransmisión por microondas RCA CW-20A de 1-2 GHz, que utilizaba un cable flexible de UHF en lugar de la guía de ondas rígida que requieren los sistemas de mayor frecuencia, lo que lo hacía ideal para aplicaciones tácticas. La típica instalación de retransmisión de microondas o furgoneta portátil tenía dos sistemas de radio (más una copia de seguridad) que conectaban dos sitios en línea de visión. Estas radios suelen llevar 24 canales telefónicos multiplexados por división de frecuencia en la portadora de microondas (es decir, Lenkurt 33C FDM). Cualquier canal podía ser designado para transportar hasta 18 comunicaciones de teletipo en su lugar. También se utilizaron sistemas similares de Alemania y otros países miembros.

Las redes de retransmisión de microondas de larga distancia se construyeron en muchos países hasta la década de 1980, cuando la tecnología perdió su cuota de operación fija frente a tecnologías más nuevas, como el cable de fibra óptica y los satélites de comunicación, que ofrecen un menor coste por bit.

Espionaje por microondas

Durante la Guerra Fría, las agencias de inteligencia estadounidenses, como la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), fueron supuestamente capaces de interceptar el tráfico de microondas soviético utilizando satélites como el Rhyolite. Gran parte del haz de un enlace de microondas pasa por la antena receptora y se irradia hacia el horizonte, al espacio. Colocando un satélite geosincrónico en la trayectoria del haz, se puede recibir el haz de microondas.

En el cambio de siglo, los sistemas de retransmisión de radio por microondas se utilizan cada vez más en aplicaciones de radiocomunicaciones portátiles. La tecnología es particularmente adecuada para esta aplicación debido a los menores costos de operación, una infraestructura más eficiente, y la provisión de acceso de hardware directo al operador de radio portátil.

Enlace de microondasEditar

Un enlace de microondas es un sistema de comunicaciones que utiliza un haz de ondas de radio en el rango de frecuencias de microondas para transmitir vídeo, audio o datos entre dos lugares, que pueden ser de sólo unos pocos pies o metros a varias millas o kilómetros de distancia. Las emisoras de televisión suelen utilizar los enlaces de microondas para transmitir programas a través de un país, por ejemplo, o desde una emisión exterior a un estudio.

Las unidades móviles pueden estar montadas en cámaras, lo que permite que éstas se muevan libremente sin necesidad de cables. A menudo se ven en las líneas de banda de los campos deportivos con sistemas Steadicam.

Propiedades de los enlaces de microondasEditar

  • Involucran tecnología de comunicación de línea de vista (LOS)
  • Se ven muy afectados por las limitaciones ambientales, incluyendo el desvanecimiento por la lluvia
  • Tienen capacidades de penetración muy limitadas a través de obstáculos como colinas, edificios y árboles
  • Sensible a un alto nivel de polen
  • Las señales pueden degradarse durante los eventos de protones solares

Usos de los enlaces de microondasEditar

  • En comunicaciones entre satélites y estaciones base
  • Como portadoras troncales para sistemas celulares
  • En comunicaciones de cortode corto alcance en interiores
  • Enlazando centrales telefónicas remotas y regionales con centrales más grandes (principales) sin necesidad de líneas de cobre/fibra óptica
  • Medir la intensidad de la lluvia entre dos lugares

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