Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

IE – 0502 Proyecto Eléctrico

Transmisión de Internet por medio de microondas

Por Jorge Elesbaan Blanco Rojas

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Junio del 2007

Transmisión de Internet por medio de microondas Por: Jorge Elesbaan Blanco Rojas

Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

_________________________________ Ing. Jhonny Cascante Ramírez Profesor Guía

_________________________________ Ing. Guillermo Rivero Lector

_________________________________ Ing. Max Ruiz Lector

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Dedicatoria A Dios por permitirme haber llegado hasta aquí. A mis padres y hermanos por su apoyo y entendimiento incondicional a lo largo de éste período y a mi novia por haber sido siempre un pilar en mi vida. A todos, gracias por ser fuentes de inspiración y de voluntad para seguir adelante.

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Reconocimientos Agradezco al Profesor Johnny Cascante por su apoyo y sus consejos a lo largo del desarrollo de éste trabajo, así como a todos aquellos profesores y personas involucradas en mi educación en éste período universitario.

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Índice de Contenidos Dedicatoria ........................................................................................................................i Reconocimientos...............................................................................................................ii Índice de Contenidos.......................................................................................................iii Índice de Figuras ............................................................................................................vii Índice de Tablas ............................................................................................................viii Nomenclatura .................................................................................................................. ix Resumen .......................................................................................................................... xi CAPÍTULO # 1: Introducción ......................................................................................... 1 1.1 Justificación............................................................................................................. 1 1.2 Objetivos ................................................................................................................. 3 1.2.1 Objetivo general................................................................................................ 3 1.2.2 Objetivos específicos ........................................................................................ 3 1.3 Metodología ............................................................................................................ 3 CAPÍTULO # 2: Aspectos teóricos asociados a la transmisión por medio de microondas ....................................................................................................................... 5 2.1 Onda electromagnética............................................................................................. 5 2.1.1 Proceso de propagación..................................................................................... 5 2.1.2 Ecuación de ondas............................................................................................. 6 2.2 Radiación electromagnética ..................................................................................... 6 2.2.1 Dualidad onda-corpúsculo................................................................................. 7 2.3 Espectro electromagnético ....................................................................................... 8 2.4 Particularidades de la radiación electromagnética y el espectro electromagnético... 11 2.4.1 Interacción entre radiación electromagnética y conductores ............................ 11 2.4.2 Estudios mediante análisis del espectro electromagnético................................ 11 2.4.3 Radiación no ionizante y radiación ionizante................................................... 11 2.4.4 Penetración de la radiación electromagnética .................................................. 12 2.4.5 Refracción....................................................................................................... 12 2.5 Dispersión ............................................................................................................. 13 2.6 Microondas............................................................................................................ 14 2.6.1 Generación...................................................................................................... 15 2.6.2 Usos................................................................................................................ 15 2.6.3 Bandas de frecuencia de microondas ............................................................... 16 2.7 Telecomunicaciones............................................................................................... 19 2.7.1 Historia ........................................................................................................... 19 2.7.2 Consideraciones de diseño de un sistema de telecomunicación........................ 21 2.7.3 Comunicación punto a punto........................................................................... 22 2.7.4 Comunicación punto a multipunto................................................................... 22 2.7.5 Comunicación multipunto ............................................................................... 22 2.8 Inalámbrico............................................................................................................ 22 2.8.1 Aspectos tecnológicos..................................................................................... 23

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2.9 Red inalámbrica..................................................................................................... 23 2.10 Red por microondas ............................................................................................. 27 2.11 Wi-Fi ................................................................................................................... 27 2.11.1 Historia .......................................................................................................... 28 2.11.2 Normalización............................................................................................... 29 2.11.3 Seguridad...................................................................................................... 29 2.12 WiMAX............................................................................................................... 30 2.12.1 WiMAX fijo ................................................................................................. 31 2.12.2 WiMAX móvil.............................................................................................. 32 2.12.3 WiMAX Forum............................................................................................. 33 2.12.4 Estándares WiMAX ...................................................................................... 33 2.12.5 La mejor solución es una combinación de Wi-Fi y WiMAX.......................... 34 CAPÍTULO # 3: Funcionamiento de Internet por medio de microondas.................... 36 3.1 Descripción del funcionamiento de Internet por microondas .................................. 36 3.1.1 Etapas del servicio de comunicación ............................................................... 36 3.2 Diagrama de bloques de un enlace de microondas que transmite Internet ............... 38 3.3 Equipo para ubicación en interiores (All Indoor).................................................... 40 3.4 La unidad divisora (RF externos) ........................................................................... 40 3.5 Equipo de exteriores .............................................................................................. 41 3.6 El multiplexor primario.......................................................................................... 43 3.6.1 Muestreo......................................................................................................... 43 3.6.2 Cuantización ................................................................................................... 44 3.6.3 Compansión: ................................................................................................... 45 3.6.4 Codificación.................................................................................................... 46 3.7 Multiplexación de tiempo ...................................................................................... 47 3.8 Muldem (Multiplexing Secundario y Servicio)....................................................... 48 3.9 Multiplexación y demultiplexación ........................................................................ 48 3.10 Canales de cabecera ............................................................................................. 48 3.11 Canales de datos y supervisión............................................................................. 49 3.12 Engineering order wire......................................................................................... 49 3.13 Corrección de error en adelanto (Forward Error Correction FEC) ........................ 50 3.14 Módem ................................................................................................................ 51 3.15 Moduladores........................................................................................................ 51 3.15.1 Tipos de modulación ..................................................................................... 51 3.15.2 FSK (Frequency-Shift Keying)...................................................................... 52 3.15.3 QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura) ........................................... 53 3.16 Demoduladores.................................................................................................... 55 3.16.1 Tipos de demoduladores................................................................................ 55 3.16.2 Ecualización adaptiva.................................................................................... 55 3.17 Diagrama de bloques básico de un módem........................................................... 56 3.18 Transmisor........................................................................................................... 56 3.19 Receptores ........................................................................................................... 57 3.20 Diagrama de bloques de un transceiver básico...................................................... 57

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3.21 Ramificación ....................................................................................................... 58 3.21.1 Duplexer ....................................................................................................... 58 3.21.2 Ramificación hot-standby.............................................................................. 59 3.21.3 Ramificación de diversidad de frecuencias .................................................... 60 3.21.4 Ramificación en diversidad de espacio .......................................................... 61 3.21.5 Ramificación de diversidad híbrida ............................................................... 62 CAPÍTULO # 4: Pasos para la creación de una red por medio de enlaces de microondas ..................................................................................................................... 64 4.1 Planeamiento de un enlace de microondas para transmitir datos............................. 64 4.1.1 Diagrama de la topología: ............................................................................... 65 4.1.2 Ubicación geográfica de los puntos terminales del enlace................................ 66 4.1.3 Latitud, longitud y elevación de los sitios seleccionados.................................. 66 4.1.4 Azimut y distancia entre los puntos ................................................................. 66 4.1.5 Gráfico de relieve............................................................................................ 68 4.1.6 Distancia efectiva por curvatura de la Tierra y Zona de Fresnel....................... 68 4.1.7 Opciones de antenas........................................................................................ 71 4.2 Viabilidad del enlace ............................................................................................. 73 4.2.1 Planteamiento del problema ............................................................................ 74 4.3 Cálculo de los parámetros del enlace...................................................................... 75 4.3.1 Pérdida en la trayectoria de espacio libre (Lp) ................................................. 75 4.3.2 Pérdidas por lluvia .......................................................................................... 75 4.3.3 Pérdidas por vegetación .................................................................................. 78 4.3.4 Ganancia de las antenas................................................................................... 79 4.3.5 Margen de Desvanecimiento (Fm)................................................................... 80 4.3.6 Potencia de ruido a la entrada del receptor se define por:................................. 81 4.3.7 Umbral del Receptor, o Sensibilidad del Receptor........................................... 81 4.3.8 Potencia del transmisor ................................................................................... 82 4.3.9 Altura de las torres .......................................................................................... 82 4.4 Caso de estudio: Diseño del enlace “Cerro de Alajuela – Oficinas de la Uruca de la CNFL” ......................................................................................................................... 84 4.4.1 Descripción del enlace .................................................................................... 84 4.4.2 Diagrama de la topología: ............................................................................... 85 4.4.3 Ubicación geográfica de los puntos terminales del enlace................................ 86 4.4.4 Latitud, longitud y elevación de los sitios seleccionados.................................. 87 4.4.5 Azimut y distancia entre los puntos ................................................................. 87 4.4.6 Gráfico de relieve............................................................................................ 89 4.4.7 Distancia efectiva por curvatura de la Tierra y Zona de Fresnel....................... 90 4.4.8 Opciones de antenas y equipo ......................................................................... 92 4.4.9 Cálculo de los parámetros del enlace ............................................................... 93 4.4.10 Pérdida en la trayectoria de espacio libre (Lp) ............................................... 93 4.4.11 Pérdidas por lluvia ........................................................................................ 93 4.4.12 Pérdidas por vegetación................................................................................. 94 4.4.13 Ganancia de las antenas................................................................................. 94

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4.4.14 Margen de Desvanecimiento (Fm)................................................................. 94 4.4.15 Umbral del Receptor, o Sensibilidad del Receptor......................................... 95 4.4.16 Potencia del transmisor ................................................................................. 95 4.4.17 Altura de las torres ........................................................................................ 95 4.4.18 Viabilidad del enlace..................................................................................... 96 CAPÍTULO # 5: Problemas asociados al funcionamiento de los enlaces de Internet por medio de microondas ............................................................................................... 98 5.1 Selección de la frecuencia de operación ................................................................. 98 5.2 No disponibilidad de línea vista ............................................................................. 98 5.3 Desvanecimiento de la señal .................................................................................. 99 5.3.1 Curvatura de la Tierra ..................................................................................... 99 5.3.2 Distancia entre las antenas ............................................................................ 100 5.3.3 Condiciones climáticas de la región .............................................................. 100 5.3.4 Superficie sobre la cual se da el enlace .......................................................... 100 5.3.5 Tipo de vegetación........................................................................................ 101 5.4 Peligro de radiación electromagnética .................................................................. 101 CAPÍTULO # 6: Conclusiones y Recomendaciones.................................................... 102 6.1 Conclusiones ....................................................................................................... 102 6.2 Recomendaciones ................................................................................................ 105 Bibliografía ................................................................................................................... 106 Anexos........................................................................................................................... 108 A.1 Radio ficticio de la Tierra.................................................................................... 108 A.2 Margen de desvanecimiento FM ......................................................................... 111 A.3 Reflexiones del terreno ....................................................................................... 113 A.3.1 Rayo reflejado.............................................................................................. 113 A.3.2 Efecto del factor K ....................................................................................... 113 A.3.3 Soluciones.................................................................................................... 114 A.3.4 Efecto del suelo: reflexión en la Tierra ......................................................... 115 A.3.5 Ejemplo de reflexión en el suelo................................................................... 117

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Índice de Figuras Figura # 2.1: Espectro electromagnético. [11]................................................................... 10 Figura # 2.2: Ejemplo de dispersión de la luz visible en un prisma. [11] ........................... 14 Figura # 2.3: Redes de datos inalámbricos. [10]................................................................ 24 Figura # 3.1: Elementos básicos del enlace para microondas. [14] .................................... 36 Figura # 3.2: Diagrama del funcionamiento de Internet por microondas. [14] ................... 37 Figura # 3.3: Diagrama de bloques de un enlace de microondas. [16] ............................... 38 Figura # 3.4: Diagrama de bloques de un transmisor de microondas. [17]......................... 39 Figura # 3.5: Diagrama de bloques de un receptor de microondas. [17] ............................ 39 Figura # 3.6: Típica configuración de equipo interno. [17]................................................ 40 Figura # 3.7: Configuración de unidad de división externa. [17] ....................................... 41 Figura # 3.8: Ejemplo de equipo externo. [17] .................................................................. 42 Figura # 3.9: Proceso de muestreo. [17]............................................................................ 44 Figura # 3.10: Curva de cuantización de la Ley A. [17] .................................................... 45 Figura # 3.11: Codificación binaria de ocho bits. [17]....................................................... 46 Figura # 3.12: Cabecera complementaria de radio. [17] .................................................... 49 Figura # 3.13: Curva típica del FEC mostrando mejora en el sistema. [17] ....................... 51 Figura # 3.14: Modulación PSK. [17] ............................................................................... 53 Figura # 3.15: Diagrama de constelación QAM. [17]........................................................ 54 Figura # 3.16: Diagrama de constelación 16QAM. [17].................................................... 54 Figura # 3.17: Diagrama de bloque de un módem de un radio. [17] .................................. 57 Figura # 3.18: Diagrama de bloques del transceiver de un radio. [17] ............................... 58 Figura # 3.19: Configuración 1 + 0 (Con duplexor en ramificación). [17] ......................... 60 Figura # 3.20: Diagrama de bloques de ramificación HSB. [17]........................................ 60 Figura # 3.21: Diagrama de bloques de la ramificación FD. [17] ...................................... 61 Figura # 3.22: Diagrama de bloques de ramificación SD. [17] .......................................... 62 Figura # 3.23: Diagrama de bloques de diversidad de híbridos con tres antenas. [17]........ 63 Figura # 3.24: Diagrama de bloques de diversidad de espacio con cuatro receptores. [17]. 63 Figura # 4.1: Ejemplo de diagrama de una topología. ....................................................... 65 Figura # 4.2: Curvatura de la Tierra y Zona de Fresnel. [20]............................................. 69 Figura # 4.3: Antena de grilla. [17]................................................................................... 72 Figura # 4.4: Antena de plato sólido. [17]......................................................................... 72 Figura # 4.5: Antena de plano focal. [17].......................................................................... 73 Figura # 4.6: Diagrama de bloques del enlace de microondas. [16]................................... 74 Figura # 4.7: Reflector parabólico. [16] ............................................................................ 79 Figura # 4.8: Altura de las antenas para librar el radio de curvatura de la Tierra. [16] ....... 82 Figura # 4.9: Diagrama de la topología Oficinas Uruca – Cerro Alajuela. ......................... 85 Figura # 4.10: Mapa de la ubicación del enlace a nivel nacional. [19] ............................... 86 Figura # 4.11: Mapa de la ubicación del enlace a nivel regional. [19] ............................... 86 Figura # 4.12: Perfil del terreno sin obstrucciones. ........................................................... 90 Figura # 4.13: Perfil del terreno con obstrucciones y Zona de Fresnel............................... 92

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Figura # A.1: Curvatura del rayo y factor K.................................................................... 110 Figura # A.2: Efecto de la reflexión en el terreno............................................................ 114 Figura # A.4: Ejemplo de radio enlace............................................................................ 117

Índice de Tablas Tabla # 2.1: Espectro electromagnético, y rangos que lo componen. [11] ........................... 9 Tabla # 2.2: Clasificación de las ondas en telecomunicaciones. [11]................................. 10 Tabla # 2.3: Bandas de frecuencia de microondas dada por la IEEE. [2] ........................... 17 Tabla # 2.4: Bandas de frecuencia de microondas dada por la IEEE, para usos militares. [2] ......................................................................................................................................... 18 Tabla # 2.5: Ventajas y desventajas de distintos tipos de comunicación inalámbricas. [10]24 Tabla # 2.6: Estándares derivados del IEEE 802.11. [11].................................................. 26 Tabla # 2.7: Comparación entre Wi-Fi y WiMAX. [11].................................................... 35 Tabla # 4.1: Relieve del terreno. [20]................................................................................ 68 Tabla # 4.2: Correcciones por efecto de la Zona de Fresnel. [20] ...................................... 70 Tabla # 4.3: Ganancias de trayecto por tipo de antena. [20] .............................................. 71 Tabla # 4.4: Tasas de lluvia para zonas con registro en Costa Rica # 1.............................. 76 Tabla # 4.5: Tasas de lluvia para zonas con registro en Costa Rica # 2.............................. 77 Tabla # 4.6: Tasas de lluvia para zonas con registro en Costa Rica # 3.............................. 77 Tabla # 4.7: Relieve del terreno. ....................................................................................... 89 Tabla # 4.8: Relieve del terreno. ....................................................................................... 91 Tabla # 4.9: Ganancias de trayecto con diferentes combinaciones de antenas. [20] ........... 92 Tabla # A.1: Valores de potencia umbral ........................................................................ 112

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Nomenclatura AGC

Control de Ganancia Automático.

ARPANET

Advanced Research Projects Agency Network (Agencia de investigación de proyectos de redes).

ASK

Amplitud-Shift Keying (Modulación por salto en frecuencia).

CCITT

Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico

CNFL

Compañía Nacional de Fuerza y Luz.

DS-1

Señal digital nivel 1.

DSL

Digital subscriber line (Línea digital del suscriptor).

E1

2048 bps.

E3

34368 bps.

ETSI

European Telecommunications Standards Institute (Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones).

FD

Diversidad de frecuencias.

FDD

Duplicación por división de frecuencia.

FET

Field Efect Transistor (Transistor de efecto de campo).

FSK

Frequency-Shift Keying (Modulación por salto de frecuencia).

GPS

Global Positioning System. (Sistema de posicionamiento global)

IEEE

Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

IF

Frecuencia Intermedia.

IP

Internet Protocol (Protocolo de Internet),

IR

Infra Red (Infrarrojo).

IrDA

Infrared Data Association (Asociación de datos infrarrojos).

LAN

Local Area Network (Red de área local)

LOS

Line Of Sigth (Línea vista).

MAC

Media Access Control address (Dirección de control de acceso al medio).

MAN

Metropolitan Area Network (Red de área metropolitana).

Mbps

Mega bits por segundo.

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OFDM

Octagonal Frequency Division Multiplexing (Multiplexación octagonal por división de frecuencias).

OSI

International Organization for Standarization (Organización Internacional para la Estandarización).

PCM

Pulse Code Modulation (Modulación de código de pulsos).

PCS

Personal Communications Service (Servicio de comunicaciones personal).

PDA

Personal Digital Assistant (Ayudante personal digital).

PLL

Phase-Locked Loops (Lazos de seguimiento de fase).

QAM

Quadrature Amplitude Modulation (Modulación de amplitud en cuadratura).

QoS

Quality of Service (Calidad de servicio).

RF

Radio Frecuencia.

Rx

Recepción.

SD

Sapce Diversity (Diversidad de espacio).

SDH

Synchronous Digital Hierarchy (Jerarquía digital sincrónica).

STM-1

Synchronous Transport Module (Módulo de Transporte Sincrónica).

T1

1544 bps.

TAE

Ecualización adaptiva transversal.

TDD

Duplicación por división de tiempo.

Tx

Transmisión.

URI

Unión Radiotelegráfica Internacional

UIT

Unión Internacional de Telecomunicaciones.

VCO

Oscilador controlado de voltaje

WAN

Wide Area Network (Red de área amplia).

WECA

Wireless Ethernet Compability Aliance (Alianza de Compatibilidad Ethernet Inalámbrica).

WEP

Wired Equivalent Privacy (Privacidad equivalente a cableado).

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network (Red inálambrica de área metropolitana).

WPA

Wi-Fi Protected Access (Acceso Protegido Wi-Fi).

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Resumen El presente trabajo de investigación se basa en un estudio de tecnología de las microondas aplicada específicamente en el campo de la transmisión de datos, propiamente en el caso de los enlaces de para proveer Internet. Inicialmente se parte de una descripción extensa de que son las microondas, así como sus características, su rango de operación dentro del área abarcada por las ondas electromagnéticas y su comportamiento. Posteriormente se pasa a desarrollar el funcionamiento de las microondas como medio de transmisión de datos, en el caso específico de su aplicación como enlace en redes de Internet. Una vez que se finaliza el proceso de descripción de las microondas y su funcionamiento, se propone una metodología para implementar una red de Internet por medio de enlaces de microondas para un área determinada, esto mediante un proceso de investigación llevado a cabo tanto de manera bibliográfico como de la forma en que los enlaces de microondas son realizados en la práctica. Finalmente se procede tanto a identificar como a brindar posibles soluciones a problemas y punto de falla comunes a la hora de llevarse a cabo la transmisión de datos en una red de Internet que cuente con enlaces de microondas. Al concluir el trabajo de investigación, se encontró que el uso de enlaces de microondas con el fin de brindar acceso a Internet es una solución muy práctica y fácil de efectuar, su implementación está siendo ampliamente utilizada debido a que brinda la posibilidad de llevar Internet a lugares en los que con fibra óptica o cableado de cobre no es posible. Su costo inicial es considerable, pero si se posee el derecho sobre la frecuencia, no se requiere pagar ningún tipo de mensualidad por el acceso a Internet por lo que a largo plazo es una excelente opción, si por el contrario, se arrenda el servicio, su costo es bajo si se toma en cuenta que no se incurre en gastos por equipos y el beneficio que brinda el tener acceso a Internet en una zona donde de otra forma no es posible. Al analizar ambos puntos de vista los enlaces de microondas para brindar Internet, son además excelentes soluciones desde el punto de vista económico.

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CAPÍTULO # 1: Introducción 1.1 Justificación Cuando la mayoría de la gente escucha el término microondas, inmediatamente piensa en un horno de microondas, lo cual es perfectamente natural y correcto, debido a que éstos últimos operan a una frecuencia de 2.45 GHz, la cual se encuentra dentro de la banda de las microondas. Pero dejando los hornos de lado, las microondas son el conjunto de ondas electromagnéticas encontradas en el espectro de frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz y son muy utilizadas en la actualidad como medio para la transmisión de información, especialmente en la radiodifusión debido a que dichas ondas son capaces de pasar fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda, además, éstas cuentan con un ancho de banda mayor que el resto de las longitudes de onda del espectro de radio ya que se ubican por encima de éstas, por lo que a su vez tienen frecuencias más altas. Debido a dichas características, las microondas han sido empleadas como un medio de comunicación inalámbrica. Las señales inalámbricas son ondas electromagnéticas que pueden viajar a través del vacío del espacio exterior o a través de un medio, como el aire. Por lo tanto, no se necesitan medios tradicionales como el cobre o la fibra óptica para transportar dichas señales, lo que hace de las comunicaciones inalámbricas una forma versátil de construir una red. Dichas transmisiones, pueden cubrir grandes distancias utilizando señales de alta frecuencia como las microondas, las cuales pueden alcanzar de 16 Km a 80 Km dependiendo de la potencia de transmisión, bajo un esquema de LOS (line-of-sight system o sistema línea vista). Los enlaces de microondas se dividen en dos grupos: los sistemas de microondas terrestres y los sistemas de microondas satelitales. Los primeros, en los cuales se basa el presente trabajo, se usan para realizar enlaces a lo largo de distancias cortas, en situaciones en las cuales existen barreras para los métodos convencionales alambrados, éstos requieren a su vez de línea vista en el enlace y presentan la opción de utilizar antenas como

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repetidoras de la señal, ya que con la distancia la señal pierde potencia, éstos sistemas operan en un rango bajo de los GHz y trabajan en frecuencias que requieren licencia. Por otra parte, el segundo sistema se utiliza para realizar enlaces a través del mundo, éstos también requieren de una línea vista con el satélite, pero brindan la posibilidad de alcanzar áreas más remotas. Como desventaja, los enlaces satelitales provocan retardos en la señal debido a la distancia que debe recorrer la onda antes de llegar a su destino. En la actualidad muchas empresas que se dedican a ofrecer servicios de Internet, lo hacen a través de las microondas, logrando velocidades de transmisión y recepción de datos de 2048 Mbps (nivel estándar ETSI, E1), o múltiplos. La microondas son muy versátiles, de ahí que su uso ha sido ampliamente extendido, de ahí el caso de la televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial, donde se usan algunas de sus frecuencias más bajas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas. El presente trabajo de investigación se basa en el estudio de la transmisión de Internet por medio de microondas, debido al auge que dicha tecnología ha tenido en los últimos años. Es de suma importancia conocer las distintas tecnologías disponibles para brindar acceso a Internet, y los enlaces de microondas han surgido como una solución ante la imposibilidad de instalar fibra óptica o líneas de cobre. Los enlaces son utilizados a nivel WAN debido a que proporcionan un camino punto a punto para los datos, es decir, son utilizados como medio de transporte para zonas alejadas en las cuales no hay infraestructura disponible, éstos además representan una excelente solución a nivel económico por lo que su uso se ha popularizado. En nuestro país son ampliamente utilizados y es de suma importancia conocer su funcionamiento así como su uso con el fin de sacar el mayor provecho a sus cualidades y optimizar sus funciones.

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1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general



Estudiar la transmisión de Internet por medio de microondas y brindar soluciones de redes en áreas extensas en un ambiente libre de conexiones físicas.

1.2.2 Objetivos específicos



Describir el funcionamiento de la transmisión de Internet por medio de microondas.



Especificar los pasos necesarios para crear una red de Internet por medio de enlaces de microondas en un área determinada.



Identificar y brindar soluciones a los problemas de funcionamiento relacionados con la transmisión de Internet por microondas.

1.3 Metodología El trabajo se basa en una recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, ya sean libros de texto, recursos de Internet, revistas o artículos publicados, así como toda aquella información adquirida por medio de entrevistas a personas que se relacionan con el tema de los enlaces de microondas aplicados a las conexiones de Internet. Con los datos obtenidos a lo largo del período de recolección de información, se redacta un documento en el cual se exponen tanto puntos teóricos como prácticos de la composición y funcionamiento de los enlaces de microondas para proveer conexiones de Internet. Puntualizando los pasos a seguir, se tiene que se aplicará el siguiente procedimiento:

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1. Recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, como: 

Libros de texto.



Publicaciones.



Revistas.



Páginas Web.



Entrevistas.

2. Elaboración de un documento teórico que caracterice el funcionamiento de las microondas, así como su papel en los enlaces de Internet. 3. Planteamiento de los pasos a seguir para elaborar una red de Internet por medio de enlaces de microondas en un área determinada. 4. Redacción sobre el procedimiento a seguir para implementar una red de Internet por medio de enlaces de microondas. 5. Identificación de problemas asociados a los enlaces de Internet por microondas, una vez que se han identificado los pasos para implementar una red de éste tipo. 6. Redacción sobre los posibles problemas y puntos de falla asociados a una red de Internet con enlaces de microondas. 7. Elaboración de las redacciones y conclusiones a partir de la información recopilada. 8. Durante cada paso, se realizarán análisis propios del estudiante, a manera de aporte personal a la recopilación de información. 9. Se crearán tablas y figuras conforme se desarrolle el texto, con el fin de proporcionar información gráfica y concisa al lector. 10. Se dará un formato uniforme y acorde a todo el documento.

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IE-0502 Transmisión de Internet por medio de microondas

CAPÍTULO # 2: Aspectos teóricos asociados a la transmisión por medio de microondas A continuación se desarrollan algunos conceptos que se consideran importantes para la adecuada lectura del presente trabajo. Como punto de inicio, se parte con definir el ambiente en el cual es posible el desarrollo de las microondas como parte del espectro electromagnético. Posteriormente, se pasa a desarrollar la relación de las microondas con el área de las telecomunicaciones, específicamente como un medio de transmisión de información.

2.1 Onda electromagnética Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. El campo electromagnético variable en un medio se manifiesta siempre en forma de onda atenuada. El campo electromagnético puede propagarse por el espacio en un forma de onda autosostenida que no necesita de medio para propagarse (esta idea resultó extraña en su momento, y en su tiempo se supuso la existencia del éter que sostenía a estas ondas. 2.1.1 Proceso de propagación Un campo eléctrico que varía en el tiempo producirá una corriente de desplazamiento que, según la ley de Ampère-Maxwell, será fuente de un campo magnético. A su vez éste último, al ser variante, producirá un campo eléctrico, de acuerdo a la ley de Faraday. De este modo ambos campos se sostienen uno al otro. Este proceso de propagación fue teorizado por James Clerk Maxwell en 1865, y en 1885 Heinrich Rudolf Hertz detectó experimentalmente las ondas electromagnéticas.

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2.1.2 Ecuación de ondas En un medio isotrópico, homogéneo y constante; simbolizando la conductividad con σ, el campo eléctrico con

y el magnético con

:

(2.1)

(2.2) Las ecuaciones anteriores describen una onda con factores de atenuación dependientes de σ que se propaga a una velocidad:

(2.3) Cuando la onda se propaga en el vacío σ = 0 y la ecuación se reduce a la ecuación de ondas común:

(2.4)

(2.5)

2.2 Radiación electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable llamada éter que ocupaba el

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vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo. Maxwell puso juntas unas ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por eso no necesitan ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792 Km/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí). 2.2.1 Dualidad onda-corpúsculo

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

(2.6) donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda. Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

(2.7)

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A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).

2.3 Espectro electromagnético Se denomina espectro electromagnético al conjunto de ondas electromagnéticas o, más concretamente, a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda o la frecuencia de la radiación. En pocas palabras, el espectro electromagnético es el rango completo de longitudes de onda, éstas van desde las de menor longitud de onda, como son los rayos cósmicos, los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. En cualquier caso, cada una de las categorías son de ondas de variación de campo electromagnético. La tabla siguiente muestra el espectro electromagnético, con sus longitudes de onda, frecuencias y energías de fotón:

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Tabla # 2.1: Espectro electromagnético, y rangos que lo componen. [11] Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J) Rayos gamma

< 10 pm

>30.0 EHz

>19.9E-15 J

Rayos X

< 10 nm

>30.0 PHz

>19.9E-18 J

Ultravioleta Extremo

< 200 nm

>1.5 PHz

>993E-21 J

Ultravioleta Cercano

< 380 nm

>789 THz

>523E-21 J

Luz Visible

< 780 nm

>384 THz

>255E-21 J

Infrarrojo Cercano

< 2.5 µm

>120 THz

>79.5E-21 J

Infrarrojo Medio

< 50 µm

>6.00 THz

>3.98E-21 J

Infrarrojo Lejano/submilimétrico

< 1 mm

>300 GHz

>199E-24 J

Microondas

< 30 cm

>1.0 GHz

>1.99e-24 J

Ultra Alta Frecuencia Radio

300 MHz

>1.99e-25 J

Muy Alta Frecuencia Radio

30 MHz

>2.05e-26 J

Onda Corta Radio

1.7 MHz

>1.13e-27 J

Onda Media (AM) Radio

650 kHz

>4.31e-28 J

Onda Larga Radio

30 kHz

>1.98e-29 J

Muy Baja Frecuencia Radio

>10 km