Troposcatter: radioenlaces más allá del Horizonte (Parte I)

Troposcatter: radioenlaces más allá del Horizonte (Parte I)

— Lamento que le haya tocado a Usted el diseño de ese endemoniado enlace — dijo el coronel Volkov , responsable del proyecto —. ¿Cuáles son sus conclusiones?

El proyecto consistía en el despliegue de un enlace LOS de 50 km en la región más desolada de Siberia. La mayoría de los ingenieros rezaban para no tener que lidiar con radioenlaces tan largos. No obstante, el ingeniero Andreev estaba entusiasmado con la oportunidad de salir de la rutina.

— Bueno, no hay muchas opciones — dijo Andrev mostrándole el resultado de la simulación—. Usando las antenas adecuadas, la mínima modulación y toda la potencia de transmisión, podríamos ser capaces de desplegarlo. Al menos en teoría. Pero aún está el problema de la obstrucción del horizonte…

— ¿Y qué se le ocurre, ingeniero? — preguntó Volkov preocupado.

— Montemos un troposcatter, señor.


Los radioenlaces de línea de visión (LOS, Line-of-sight) son bastante conocidos en el mundo de las comunicaciones. De hecho, la mayoría de los proveedores de telecomunicaciones los utilizan como un componente esencial en sus redes de transmisión.

Los enlaces LOS modernos pueden cubrir hasta 40 km de distancia. Más allá de eso, están limitados por su propia naturaleza: debe existir visión directa entre las dos antenas. Ésta es la razón principal por la cuál las antenas se suelen instalar en grandes torres o en terrenos elevados.

Sin embargo, hay un obstáculo que a largas distancias resulta difícil de superar, y que es una consecuencia natural de la curvatura de la Tierra: el horizonte.

horizonte es un límite de visión provocado por la curvatura terrestre

OH-LOS, más allá del horizonte

Dejando de lado los satélites y la fibra submarina, la mejor forma de superar largas distancias (de 40 a 400 km) son los sistemas de comunicación transhorizonte (OH, over-the-horizon). Esta propagación es posible gracias a dos fenómenos:

a) la difracción a lo largo de la curvatura terrestre, y

b) la dispersión troposférica (scattering).

Sistema LOS vs OHLOS (Troposcatter). Imagen US Army.Sistema LOS vs OHLOS (Troposcatter). Imagen US Army.

En los sistemas OH, la transmisión troposférica suele ser el modo de transmisión dominante para largas distancias. Sin embargo, presentan unas particularidades que lo hacen diferentes de un enlace LOS corriente. Debido a las pérdidas de la dispersión, se requieren transmisores de alta potencia y receptores muy sensibles (las características técnicas se analizarán en el capítulo II).

Los primeros sistemas “troposcatter” fueron desplegados en el año 1953, en las partes más remotas de Canadá y Alaska para la defensa aérea. Desde entonces, los sistemas de dispersión troposférica se han utilizado en todo el mundo para diversas aplicaciones, tanto militares como civiles.

En este mapa interactivo se pueden observar la mayoría de las redes tropo que existen o han existido desde los años 50. Muchos de ellos han sido reemplazados en la actualidad por sistemas de comunicación satelitales:

redes troposcatter en Europa

Ventajas y desventajas del troposcatter

A pesar de su antigüedad, las comunicaciones troposféricas aún presentan algunas características que vale la pena destacar:

– Presentan una latencia muy baja, del orden de microsegundos. En contraste, una comunicación satélite presenta latencias del orden de cientos de milisegundos.

– Pueden ser instalados en menos de una hora.

– Los sistemas modernos ofrecen una capacidad de hasta 54 Mbps en la banda-X entre puntos separados más de 100 km.

Medio Ventajas Desventajas
Troposcatter Capacidad alta (hasta 54 Mbps), latencia baja, fiabilidad alta, soporta IP, no genera costes recurrentes. El equipo es mucho más caro que microondas y VSAT, pero mucho más bajo que la fibra óptica.
LOS Bajo coste, capacidad alta (ca. 4 Gbps), fiabilidad alta. Requiere línea de visión directa (LOS), limitado a 40 km.
Satélite Bajo coste del equipo, económico para baja capacidad (512 Kbps o menos). Latencia muy elevada, baja disponibilidad, costo mensual del transpondedor.
Fibra  Máxima capacidad entre todos los medios comparados. Costes más altos de instalación y mantenimiento. Cerca de 10 M de euros por 100 km de fibra.

Características de las comunicaciones troposféricas

La troposfera es la porción más baja de la atmósfera terrestre, con un espesor de 8-15 km por encima de la superficie. Contiene aproximadamente el 75% de la masa atmosférica y está constituida, en su 99%, por vapor de agua y aerosoles. La troposfera es la región donde se forman la mayoría de las nubes, se producen las precipitaciones y donde tienen lugar las corrientes de convección atmosféricas.

troposfera y tropopausa

Una parte de la señal de radio transmitida en la troposfera es reflejadas por dispersión de vuelta a la superficie. Dichas reflexiones ocurren a consecuencia de las irregularidades y variaciones en el índice de refracción de la troposfera. En la ilustración siguiente podemos ver un ejemplo de un canal de transmisión troposférico. La figura muestra el área donde la dispersión troposférica tiene lugar (scatter volume), que es visible por las antenas a ambos lados del enlace. Las pérdidas del canal de transmisión es el mismo en ambas direcciones, inlcuso aunque el el camino no sea simétrico:

transmission path microwave troposcatter

Hay que entender dos efectos de atenuación o desvanecimiento (fading) que sufren las señales transmitidas mediante troposcatter: long-term fading y short-term fading.

Long-term fading

El desvanecimiento a largo plazo está provocado por los cambios estacionales en las propiedades de la atmósfera. La cantidad de long-term fading experimentado entre el verano y el invierno lo determina el tipo de clima.

Short-term fading

El desvanecimiento a corto plazo en un troposcatter es el resultado de efectos multi-trayectoria (multipath), que es causado por los diferentes caminos o canales de transmisión que se abren a través de la troposfera. Cada camino introduce un retardo distinto, lo cual genera problemas de desvanecimiento en el nivel de la señal recibida.

La figura anterior ilustra la envolvente de una señal en un período de 6 meses, incluyendo el desvanecimiento tanto a corto (líneas rojas) como a largo plazo (líneas azules). En el ejemplo anterior, el valor medio de la señal sufre variaciones de 10 a 20 dB en el largo plazo, pero dependiendo de la región climática se podrían percibir diferencias de más de 50 dB en el nivel de la señal. En cuanto al short-term fading o desvanecimiento a corto plazo, se ha observado que puede llegar a exceder los 40 dB durante unos pocos milisegundos, de 10 a 15 dB durante uno o dos segundos, y menos de 1 dB durante 2 minutos o más.

Las pérdidas por desvanecimiento a largo plazo se vienen solucionado tradicionalmente mediante el uso de transmisores de alta potencia y antenas grandes, si bien en la actualidad ya se utilizan antenas más pequeñas. El desvanecimiento a corto plazo se suele mitigar utilizando técnicas de diversidad. Existen diferentes tipos de técnicas de diversidad (ángulo, frecuencia, antenas, etc), pero se describirán con detalle en la segunda parte de esta entrada.

En la segunda parte también se describirá la arquitectura de un sistema de comunicación por dispersión troposférica, las características de las antenas y de los equipos, así como una introducción a las técnicas de diversidad presentadas anteriormente. ¿Quieres que te avisemos?

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Angel
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Creció viendo McGyver y ya de niño tenía muy claro en qué quería convertirse: inventor. Supuso que estudiar Ingeniería de Telecomunicación sería un buen camino para ello. Emprendedor y aventurero, bajo los circuitos y transistores le late un corazón de escritor.

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1 Comment

  1. look01
    Julio 08, 03:19 Reply

    Que opinas con referencia a que este modelo de comunicacion es usado como excusa por los terraplanistas para decir que los satelites de cualquier tipo no existen

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