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

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).

Como 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):

¿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:

Cada 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:

Supongamos 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:

Observamos 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:

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.