CWNA Capítulo 3.

Radio Frecuencia, Mediciones y Matemáticas.

Muchos componentes contribuyen a la transmisión correcta y recepción de una señal de RF. La siguiente imagen muestra los componentes básicos.

Transmisor.

El transmisor es el componente inicial en la creación de la señal inalámbrica. Cuando el transmisor recibe los datos, comienza generando una señal de corriente alterna (CA). Esta señal determina la frecuencia de la transmisión.

Por ejemplo, para un 802. 11b (HR-DSSS) o transmisión (ERP) de 802.11g (2,4 GHz de señal), la señal de AC oscila alrededor de 2.4 billones de veces por segundo, mientras que para un 802. 11a (OFDM) (una señal de 5 GHz), la CA señal lates oscila alrededor de 5 billones de veces por en segundo. Esta oscilación determina la frecuencia de la onda de radio.

El transmisor toma los datos y modifica la señal de AC usando una técnica de modulación para codificar los datos, esta señal modulada AC ahora es una señal carrier. Además de generar una señal a una frecuencia specifica, el transmisor es responsable de determinar la amplitud de la transmisión original, o lo que es más comúnmente conocido como el nivel de potencia.

Antena.

Una antena ofrece dos funciones en un sistema de comunicación. Cuando se conecta al transmisor, recoge la señal de AC que recibe del transmisor y dirige o irradia las ondas de RF en un patron especifico el cual depende del tipo de antena.

Cuando se conecta al receptor, la antena recolecta las ondas de RF que recibe a través del aire y las dirige hacia el receptor el cual es encargado de convertir dichas señales en bytes y bits.

La transmisión de una señal de RF de una antena es generalmente comparada o referenciada a un radiador isotrópico. Un radiador isotrópico es una fuente puntual que irradia la señal igualmente en todas direcciones.

Hay dos formas de aumentar la potencia de una antena.

  • La primera es generar más potencia en el transmisor.
  • La segunda consiste en enfocar la señal en un punto especifico.

Receptor.

El receptor es el componente final en la transmisión inalámbrica. El receptor toma la señal carrier que recibe de la antena y traduce las señales moduladas en 1s y 0s.

Radiador Intencional.

La FCC en su código de regulaciones en la sección 15 define a un radiador intencional cómo “un dispositivo que genera intencionalmente y emite energía de radiofrecuencia. Básicamente, es algo que está diseñado específicamente para generar RF, a diferencia de algo que genera RF como un subproducto de su función principal, tales como un motor que por cierto genera ruido de RF. Organismos reguladores como la FCC limitan la cantidad de energía que puede ser generada por un IR.

Los componentes que conforman el IR incluyen el transmisor, todos los cables y conectores y cualquier otro equipo (conexión a tierra, pararrayos, amplificadores, atenuadores y así sucesivamente) entre el transmisor y la antena, sin incluir a está ultima.

La medición de energía o potencia del IR es medida en milliwatts o en dBm.

Potencia Isótropica radiada equivalente. (EIRP/ PIRE)

EIRP es la máxima señal que puede ser transmitida por una antena

Unidades de Comparación y Unidad de Poder.

Las unidades de potencia se utilizan para medir la amplitud de la transmisión y la amplitud recibida. En otras palabras las unidades de potencia tanto de transmisión cómo de recepción son unidades de potencia absoluta.

Las unidades de comparación son utilizadas principalmente para medir cuanta ganancia o perdida existe al incluir elementos cómo cables o antenas en el proceso de transmisión. Las unidades de comparación también son utilizadas para medir la diferencia en potencia en un punto A hacia un punto B. En otros palabras las unidades de comparación son unidades para medir el cambio de poder de una señal.

Unidades de Poder. (Absoluto).

  • Watt (W)
  • Milliwatt (mW)
  • Decibeles relativos a un Milliwatt (dBm)

Unidad de Comparación.

  • Decibel (dB)
  • Decibel relativo a un radiador isotrópico. (dBi)
  • Decibel relativo a una antena dipolo. (dBd)

Milliwatt (mW).

Para ponerlo simple, un milliwatt es 1/1.000 de un watt. El motivo por el cual debemos de conocer esta unidad de poder es por que la mayoría de los equipos inalámbricos transmite en un rango de entre 1 mW a 100 mW.

Decibel (dB).

Lo primero que debemos de saber es que un decibel es una unidad de comparación lo cual quiere decir que representa la diferencia entre dos valores. En las redes inalámbricas los decibeles son usados para comparar el poder de dos transmisores o mas comúnmente para comparar la diferencia o perdida entre el nivel de potencia de transmisión de una antena y la señal recibida de otra antena.

Para entender mejor, veamos un ejemplo.

Un Access Point transmite a 100 mW, una laptop recibe esta señal con un nivel de potencia de 10 mW, mientras que otra laptop recibe esta misma señal con una potencia de 1 mW.

La formula para calcular la diferencia de poder en dB es la siguiente:

Decibels = 10 × log10(P1/P2)

Donde:

P1= Potencia 1

P2= Potencia 2.

Ahora bien si queremos saber la diferencia de poder entre el Access Point y la laptop 2 lo hacemos de la siguiente manera.

10 × log10(100/1) = 20 db

dBi.

Anteriormente, se comparó una antena a un radiador isotrópico. Teóricamente, un radiador isotrópico puede irradiar una señal igual en todas las direcciones. Una antena no puede hacerlo debido a las limitaciones de la construcción. La ganancia o incremento de poder de una antena cuando está es comparada con un radiador isotropico se conoce cómo de dBi. Puesto que las antenas se miden en ganancia y no en poder, se puede concluir que dBi es una medida de comparación y no una medida de poder. dBi es simplemente una medida de ganancia de la antena. El valor de dBi es medido en el punto más fuerte, o el punto de enfoque, de la señal de una antena.

Porque una antena siempre puede concentrar su energía más en un sentido que otro, el valor de dBi de una antena es siempre es un valor positivo.

Comúnmente los Access Point utilizan una antena dipolo la cual es ominidireccional, normalmente recubierta y utilizadas para un uso muy general de cobertura. Una antena dipolo de 2.4 GHz tiene un valor dBi de 2.14.

dBd.

En la industria de las antenas se utilizan dos valores para describir la ganancia de una antena, la primera lo acabamos de revisar la cuales es dBi y la otra es dBd. Al igual que aprendimos en la sección anterior, dBd es el incremento en ganancia de una antena cuando es comparada con una señal de una antena dipolo. Por que una antena dipolo también se mide en ganancia y no en poder se puede concluir también que dBd es una unidad de comparación. Ahora bien que pasa cuando queremos comparar un par de antenas pero una de ellas esta representada mediando valores de dBi y la otra en valores dBd? La respuesta es muy sencilla, cómo vimos en la sección dBi, una antena dipolo tiene un valor de 2.14dBi, así que, si una antena dice que tiene un valor de 3dBd, es decir es mayor 3dB, lo único que debemos hacer es agregar el valor en dBi, es decir, que la antena que tiene descrito tu valor en unidades dBd tendrá un valor de 5.14dBi.

dBm.

dBm ofrece también una comparación, pero en lugar de comparar una señal con otra señal, se utiliza para comparar una señal a 1 mW de potencia. dBm significa decibelios relativos a un 1 mW. Lo que en realidad sucede es que equiparamos el valor dBm a 0 (cero) y con 1 mW de potencia.

Utilizando la fórmula dBm = 10 × log10(PmW), se puede determinar que 100 mW de potencia es igual a + 20 dBm.

Ahora bien es muy importante entender la diferencia entre la potencia de transmisión que cómo hemos dicho va de un rango de entre 1 mW a 100 mW a la potencia de recepción, debido a los diferentes fenómenos que ocurren en la transmisión de la señal y por el mismo FSPL todas las señales serán menor a 1 mW, es por ello que en los estudios inalámbricos siempre se observan valores negativos -dBm.

Ahora bien, dentro de las preguntas mas comunes en relación a estas unidades de comparación es.. ¿Qué unidad debemos de Utilizar? La respuesta es que podemos ocupar cualquiera de las dos, sin embargo, es más fácil entender que una señal puede decrementarse en -40dBm que en 1/10,000 watt.

Otro ejemplo de por qué es mas sencillo utilizar dBm se centra en la formula de FSPL. A continuación se muestra en un ejemplo, el cual consiste en dos calculos.

El primero calcula la perdida de poder de una señal de la banda de 2.4 GHz a una distancia de 100 metros.

FSPL = 32.4 + (20log10(2,400)) + (20log10(0.1)) = 80.00422 dB

La segunda ecuación calcula la perdida de poder de una señal igual en la banda de 2.4 GHz pero esta vez a una distancia de 200 metros.

FSPL = 32.4 + (20log10(2,400)) + (20log10(0.2)) = 86.02482 dB

Cómo se puede observar en este ejemplo, al doblar la distancia existe una perdida de 6dBm. No importa qué números se eligen, si se duplica la distancia, la pérdida siempre será de 6 dB. Esta regla también implica que si se aumenta la amplitude 6 dB, se duplicará la distancia útil

Matemáticas y Radio Frecuencia.

Cuando de piensa en matemáticas y en radio frecuencia muy a menudo se piensa que es necesario realizar cálculos complicados para poder realizar conversiones de forma mental, la verdad es que es mucho más sencillo de lo que parece, las operaciones que necesitamos recordar son las siguientes:

Sumas y Restas con valores 3 y 10.

Multiplicación y División con valores 2 y 10.

No necesitamos más operaciones ni más cálculos complicados.

Regla de 10 y 3.

Antes de iniciar con la regla de 10 y 3 debemos entender que esta regla y estos métodos nos proporciona valores aproximados y no exactos, sin embargo, en un examen no se permite la utilización de calculadora, asi que este es un método que podemos utilizar.

  • Por cada 3 dB de Ganancia el poder absoluto de duplica.
  • Por cada 3 dB de Perdida el poder absoluto se divide por la mitad.
  • Por cada 10 dB de Ganancia se multiplica el valor del poder absoluto por un factor de 10.
  • Por cada 10 dB de Perdida se divide el valor de poder absoluto también basado en un facto de 10.

Veamos el siguiente ejemplo:

Un Access Pint esta transmitiendo a 100 mW y la antena tiene una ganancia de 3dBi. Así que de acuerdo a la regla de 10 y 3 el nivel de transmisión del AP será de 200 mW.

Inversamente, si un Access Point transmite a 100 mW pero está conectada a un cable que induce una perdida de 3dB el nivel de transmisión del AP sera de 50 mW.

Veamos un ejemplo con valores diferentes; Un AP esta transmitiendo a 40 mW de potencia y tiene conectada una antena con una ganancia de 10dBi, de acuerdo a la ley el nivel de transmisión sera de 400 mW.

Existen diferentes fuentes que nos proporcionan diferentes métodos de realizar este calculo basado en la regla 10/3. Un buen ejemplo es este par de videos:

Learn convert mW to dBm without calculator

Learn convert dBm to mW without calculator

Noise Floor.

El ruido de piso es básicamente el ruido que se encuentra en el ambiente es un canal especifico, todos los dispositivos que generan señales de RF con o sin intención tales cómo hornos de microondas, teléfonos inalámbricos, dispositivos bluetooth. Cualquier valor cercano a -100dBm es un valor adecuado de ruido.

Signal to Noise Ratio (SNR)

EL SNR es la diferencia en decibelios entre la señal recibida y el Noise Floor. Por ejemplo, si un radio recibe una señal de -85 dBm y el piso de ruido es de -100 dBm el valor de SNR sera de 15 dB. La transmisión de datos puede ser corrompida por un SNR muy bajo. Si la amplitud del piso de ruido es demasiada cercana a la amplitud de la señal recibida, es probable que se produzcan daños en los datos y retransmisiones en capa 2. Las retransmisiones afectará negativamente rendimiento y aumentara la latencia de la red. Un SNR de 25 dB o mayor, es considerado cómo de buena calidad y un SNR de 10 dB o inferior se considera una calidad de la señal muy pobre.

Received Signal Strength Indicator.

La sensibilidad de recepción se refiere al nivel de potencia que necesita una señal para ser exitosamente recibida por una radio receptor. Entre menor sea el nivel de potencia de la señal que el receptor necesite para procesar la señal, mejor será la sensibilidad de esté. Cómo analogía de este termine pensemos que estamos en una fiesta y existe el ruido de la música y de otras personas hablando. Cuando estamos platicando con nuestro primo que se encuentra a un lado de nosotros utilizamos un cierto volumen de voz para que él nos pueda escuchar. Ese Volumen de voz que estamos utilizando es lo que denominamos sensibilidad de recepción.

En las redes inalámbricas la sensibilidad de recepción usualmente se define o se utiliza cómo una característica de velocidad. Para dejarlo claro y no entrar en mayor detalles podemos decir que RSSI es el nivel de potencia o nivel de amplitud de una señal recibida.

Fade Margin.

El Fade Margin es el nivel de señal deseado por arriba del nivel requerido, una buena forma de explicar este termino es pensar en una zona de confort. Si el receptor tiene una sensibilidad de recepción limite de -80dBm una transmisión exitosa sucederá siempre y cuando la señal recibida sea mayor a los -80dBm. Si lo pensamos bien una señal recibida con un valor de -78dBm sería éxitosa, sin embargo debido a todos los fenómenos que afectan la transmisión de una señal inalámbrica siempre se piensa en tener un “Colchon” de señal. Por ejemplo, si estamos realizando un estudio inalámbrico y el requerimiento es que tengamos una señal de RSSI de -70 dBm, podemos realizar nuestro estudio configurando valores limites de recepción de -65dBm, esa diferencia de 5dBm, sería nuestra Fade Margin.

Si tienen alguna duda de este capítulo no duden en contactarme.

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