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¿En qué consiste el Rain Fade y cómo afecta al diseño de enlaces de microondas?

va a llover

Un poco de lluvia nunca viene mal. Pero cuando hablamos de enlaces de microondas puede convertirse en un verdadero problema… La atenuación por lluvia o Rain Fade (RF) consiste en la absorción de parte de la señal debido a hidrometeoros como lluvia, nieve, granizo o niebla. También se considera parte de este fenómeno la degradación sufrida por la interferencia electromagnética en un frente tormentoso. En este artículo vamos a tratar de entender cómo predecirlo, así como a modelar su influencia a la hora de diseñar enlaces radio de alta disponibilidad.

Dependencia con la frecuencia y la polarización

El Rain Fade se puede obviar por debajo de los 5 GHz y se va haciendo más significativo conforme incrementamos la frecuencia. A partir de 10 GHz es más que conveniente tenerla en cuenta, ya que la atenuación empieza a ser superior a los 5 dB/km. Existe una recomendación (UIT-R  P.838) que permite modelar su influencia mediante un parámetro llamado atenuación específica (dB/km) que se obtiene a partir de la intensidad de lluvia (mm/h).

modelo de prediccion de lluvia rain fade marginComo vemos en la gráfica, la atenuación específica aumenta drásticamente entre 10 GHz y 100 GHz, en proporción a la intensidad de la lluvia.

Además de una dependencia con la frecuencia, existe una dependencia con el tipo de polarización, siendo más acusada para la polarización Horizontal que para la Vertical (debido a la forma «achatada» que adquieren las gotas de lluvia durante la caída):

130425_dual_pol_illustration

¿Cómo saber cuánto llueve en cada zona?

Existen varios modelos estadísticos para predecir cuánta lluvia va a caer al cabo del año. Normalmente, la mayoría de los microwave planner prefieren el modelo ITU-R P.837, que proporciona una serie de valores medios para cada zona hidrometeorológica:

Global ITU Rain Fade Map for Microwave Link Availability PlanningCada una de estas zonas se identifica con una letra (a España, por ejemplo, le corresponde las zonas K y H), y se le asocia una intensidad de lluvia media. A la postre sólo son valores estadísticos, pero resultan muy útiles para tratar de ofrecer una alta disponibilidad de nuestro radioenlace. Por ejemplo, si en la zona K llueve más de 42 mm/h durante menos del 0,01% del tiempo, para garantizar la disponibilidad del 99,99% será necesario realizar nuestros cálculos teniendo en cuenta dicha intensidad de lluvia.

Los valores de disponibilidad típicos son «tres nueves» (99,9%), «cuatro nueves» (99,99%) y el de mayor disponibilidad: «cinco nueves» (99,999%)

¿Cómo tener en cuenta la lluvia en un diseño real?

Las herramientas de simulación que utilizan los ingenieros de radioenlaces tienen en cuenta este fenómeno. Veamos un ejemplo práctico:

line_sightSupongamos que deseamos predecir la disponibilidad anual que tendrá un enlace de 7 km en relación a la atenuación por lluvia. El primer paso consistiría en averiguar qué zonas hidrometeorológicas vamos a atravesar. En base a las coordenadas de las estaciones A y B, obtendríamos una distribución del Rain Rate por nuestro programa de simulación:

zonas lluvia ITUObservamos que en nuestro ejemplo, el enlace va a atravesar dos zonas: a lo largo del 58.57% del enlace, la intensidad de lluvia será de 32 mm/h durante el 0.01% del tiempo; a lo largo del 41.43% restante obtendremos 30mm/h durante el 0.01% del tiempo. En general tomamos el peor caso posible para garantizar el mejor resultado.

Ojo con la polarización

Como os hemos contado antes, la lluvia afecta más a la polarización Horizontal que a la Vertical, con lo cual es importante diseñar el enlace teniendo en cuenta que nuestro peor valor de lluvia lo obtendremos para dicha polarización. Esto significa que si queremos diseñar un enlace en Horizontal o con polarización dual (Vertical y Horizontal a la vez), debemos realizar el cálculo de Rain Fade en dicha configuración.

Por último, sólo quedaría calcular la disponibilidad para nuestro valor de lluvia, que en la práctica se traduce a pulsar un botón que realiza «automágicamente» todas las operaciones matemáticas por nosotros:

rain_unavailability

Hemos obtenido un «cuatro nueves«, lo cual es un valor bastante bueno: significa que nuestro enlace va a estar disponible durante el 99.99% del tiempo…

¿Qué hacer si el valor de Rain Unavailability es demasiado alto?

Aunque cada caso tiene su solución particular, existen varias estrategias que nos permitirán obtener mejores valores frente a lluvia. En orden de preferencia (en general):

  1. Aumentar la potencia de transmisión de
    los equipos.
  2. Utilizar antenas de mayor diámetro.
  3. Utilizar receptores con mayor sensibilidad.
  4. Bajar de banda de frecuencia.
  5. Bajar el ancho de banda.
  6. Diseñar sólo en polarización vertical
  7. Reducir la modulación mínima y usar un esquema adaptativo. 32QAM -> QPSK con «Adaptive Modulation (AMC)»
  8. Activar la característica ATPC (Automatic Transmit Power Control), que regula automáticamente el nivel de potencia de transmisión en función del nivel recibido.

En general cualquier cosa que permita ajustar el Link Budget a la atenuación introducida por la lluvia. La lluvia en telecomunicaciones es un auténtico problema, pero como podéis ver tiene solución. Así que… ¡a mal tiempo, buena cara! Si os ha gustado el artículo, no dudéis en compartirlo y en dejarnos vuestros comentarios.

Angel H.

Tecnófilo irreparable y lector insaciable. Ingeniero de Telecomunicaciones y Product Manager. +10 años de experiencia en proyectos de Software, Cloud e Ingeniería de Redes. Me apasiona el DIY, la tecnología Blockchain y las Finanzas.

10 comentarios

  • Excelente artículo, preciso y lenguaje claro. Me interesa todo lo relacionado con Radioenlces: diseño, planeamiento, etc. Así como datos de diferentes fabricantes(tal y como aparece en este artículo:ericsson(mini link) y Huawei(RTN serie 900). En fin todo lo que tengas de radioenlaces me viene de maravillas y Gracias Muchas por tan formidable artículo.

    • Dime qué te interesa saber, Francisco. Cualquier tema que te interese puedo desarrollarlo si estoy capacitado para ello. Gracias por tus palabras!

  • Muy buen articulo, simple y conciso. he pasado casi 11 años en telefonia movil, lo conocia pero nadie me lo explico en su día tan claramente.

  • Felicitaciones Ángel, Gracias por tu aporte. Trabajo en el gremio de las telecomunicaciones, últimamente estoy en telefonía móvil y tiene que ver mucho con enlaces de microondas y mas en zonas rurales.

  • Hola Angel ,

    Muchas gracias por la informacion , queria hacerte una consulta adicional, en que casos se utiliza la polarización vertical y en que casos utilizar la polarización Horizontal. Muy aparte del tema de la lluvia que ya lo haz mencionado.

    Muchas Gracias de antemano por la respuesta.

  • Muy bien explicado, no se puede decir mas claro, la de veces que hemos tenido que modificar frecuencias de radio-enlaces a bandas mas bajas y por desgracia, mas ocupadas por falta de canalización…..pero vivimos en un pais montañoso y llenos de obstaculos y no queda mas remedio que ir tirando con esta tecnología…datos, a día de hoy la red de enlaces que Televisión española y mas tarde Retevision monto para el transporte de la TV y la Radiodifusión esta siendo desmontada poco a poco, y todo por que poco a poco van subiendo la fibra óptica a los centros emisores con la intención de ser alquilada a los distintos operadores, atrás quedan los enlaces en modo PDH y SDH…si…PDH, todavía funcionan algunos para el transporte sobre todo de radiodifusión de RNE, evidentemente hoy lo que esta en boga son los enlaces en IP…CERAGON, DRAGON, ERICSSON, NEC….ya llevo unos años con el tema…y también es cierto que cada día hay menos enlaces, la fibra va llegando a todas partes,,,por cierto, hace una semana estuve en Menorda y subi a Sa Esclusa…todavía están los reflectores de la estación Troposcatter que comunicaba con monte Limbara…de la 486L Medcom….gracias por todo amigo…

Angel H.

Tecnófilo irreparable y lector insaciable. Ingeniero de Telecomunicaciones y Product Manager. +10 años de experiencia en proyectos de Software, Cloud e Ingeniería de Redes. Me apasiona el DIY, la tecnología Blockchain y las Finanzas.

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