Tecnología utilizada en los sistemas LMDS

Prof. Dr. Francisco Ramos Pascual

(Artículo publicado en la revista GIGATRONIC nº 1)

La introducción de nuevos servicios multimedia en el entorno residencial o empresarial, tales como vídeo bajo demanda, videoconferencia, etc., requiere de una gran cantidad de ancho de banda que debe ser soportada por las redes de acceso. El principal candidato para permitir estos servicios es sin lugar a dudas la fibra óptica. No obstante, en cualquiera de sus variantes: FTTC (fiber to the curb), FTTB (fiber to the building) o incluso FTTH (fiber to the home), la operadora se encuentra con un alto factor de riesgo: debe realizar un gran desembolso económico para montar su infraestructura de red. Además, dado el actual nivel de competencia que existe en la red de acceso del usuario, lo que cualquier operadora desea es comenzar a dar servicio lo más rápidamente posible. De esta forma, surgen los sistemas LMDS (Local Multipoint Distribution Service). Básicamente, LMDS es una tecnología para comunicaciones inalámbricas de banda ancha . En comparación con las tecnologías basadas en cable, los sistemas LMDS se pueden instalar muy rápidamente, al tiempo que la naturaleza modular de su arquitectura permite una ampliación progresiva en función de las necesidades y del aumento de la cuota de mercado. Además, la tecnología digital empleada y los anchos de banda disponibles permiten comunicaciones de alta velocidad, comparables a las alcanzables por medio de la fibra óptica.

Estructura celular

La principal diferencia de los sistemas LMDS con respecto al resto de tecnologías de acceso vía radio es su margen de frecuencias de trabajo. En este caso, LMDS opera a frecuencias milimétricas en torno a los 28 GHz (banda Ka). Dada la congestión espectral que existe a frecuencias bajas, esta es la única forma de conseguir anchos de banda elevados. En particular, anchos de banda de unos 2 GHz son típicos en estos sistemas. En la tabla I se resumen las bandas de trabajo de LMDS. En algunas zonas de Europa, como por ejemplo el Reino Unido, se utiliza la banda de 40 GHz y el sistema recibe la denominación de MVDS (Multipoint Video Distribution System). En general, dependiendo del país se tienen asignaciones distintas, aunque todas ellas cercanas a los 28 GHz.

TABLA I. Frecuencias del sistema LMDS.

Bloque A: 1150 MHz
27,500 - 28,350 GHz
29,100 - 29,250 GHz
31,075 - 31,225 GHz
Bloque B: 150 MHz
31,000 - 31,075 GHz
31,225 - 31,300 GHz

Ahora bien, las elevadas frecuencias utilizadas en estos sistemas limitan enormemente la cobertura como consecuencia de la atenuación introducida en el trayecto de propagación radio. Esto les confiere una estructura celular, de tal forma que existen estaciones base distribuidas por toda la zona que se desea cubrir. Los radios de las celdas oscilan entre los 2 y los 7 km, dependiendo de la potencia de los transmisores, y en el interior de éstas se agrupan un determinado número de usuarios. Por ejemplo, para una disponibilidad de servicio del 99,9 % se pueden alcanzar distancias de hasta 14 km. Los usuarios situados a 14 km de la estación base no recibirán servicio en una media de 8 horas por año, mientras que los usuarios más cercanos tendrán una disponibilidad mejor. Si la disponibilidad aumenta al 99,99 %, el alcance se reduce a 5 km (valor típico), mientras que para el 99,999 % se tendría una distancia máxima de tan solo 2,5 km. A diferencia del resto de sistemas de comunicaciones celulares como DECT o GSM, en este caso se trata de equipos fijos, donde las antenas se sitúan normalmente en la azotea de los edificios.

Adicionalmente al problema de la atenuación, existe el problema de las reflexiones. A estas frecuencias, las ondas de radio se reflejan en obstáculos tales como edificios, árboles, etc., por lo que la difracción es nula y se necesita visión directa entre las antenas transmisora y receptora (line of sight). Este hecho provoca la aparición de zonas de sombra que no pueden ser cubiertas. Dado que son sistemas fijos, la situación de los equipos de usuario es perfectamente conocida y este problema es menor que en el caso de los sistemas de telefonía móvil. No obstante, hay que intentar reducir las zonas de sombra al máximo dado que perdemos potenciales usuarios. De este modo, lo que se suele realizar es un cierto solapamiento entre celdas, o bien utilizar transmisores secundarios (repetidores), reflectores o amplificadores dependiendo de la situación. Por último, las moléculas de agua introducen una atenuación adicional a estas frecuencias, por lo que en condiciones de lluvia es necesario aumentar considerablemente la potencia de transmisión para cubrir una determinada zona. Otros agentes meteorológicos como el hielo y la nieve no afectan significativamente a las señales.

Así pues, se observa que los sistemas LMDS tienen que pagar un precio elevado por el hecho de operar a frecuencias tan elevadas. No obstante, todos estos problemas se resuelven creando una estructura celular con celdas de radio variable en función de la potencia de la estación base o densidad de usuarios, y convenientemente solapadas para evitar al máximo las zonas de sombra. Las antenas, situadas en lugares elevados, consiguen una mayor cobertura. De este modo, un sistema LMDS consiste en un conjunto de estaciones base interconectadas entre sí y que cubren celdas de diferente tamaño y con distintas densidades de usuarios.

Para la alimentación de las señales hacia las estaciones base existen multitud de posibilidades. Por una parte, la estación base puede encontrarse en el propio centro de producción. Por otra parte, la señal se puede distribuir hasta la estación base empleando un enlace punto a punto por medio de cable (fibra óptica o coaxial, HFC) o radio (a frecuencias inferiores: UHF, VHF, microondas). Finalmente, la estación base puede actuar como repetidor de otra estación base para cubrir una determinada zona de sombra.

Sistemas punto a multipunto

Las comunicaciones en los sistemas LMDS se realizan en forma de radiodifusión desde la estación base hacia los usuarios, en lo que se conoce como punto a multipunto. Al mismo tiempo, dado que la comunicación es bidireccional, los usuarios también pueden establecer enlaces punto a punto con dicha estación base. Para el enlace descendente (estación base -> usuario) suele emplearse TDMA como técnica de acceso. Por otra parte, para el enlace ascendente (usuario -> estación base) se utilizan combinaciones de acceso múltiple TDMA y FDMA.

Para la transmisión de los datos se suele emplear la modulación de fase QPSK, en contraposición de las modulaciones de amplitud QAM empleadas para el cable, ya que es más resistente ante interferencias. El ancho de banda ocupado por una conexión a 2 Mbit/s empleando esta técnica de modulación es de tan sólo 1,4 MHz.

Antenas LMDS

Las antenas utilizadas en los sistemas LMDS difieren bastante dependiendo de que nos encontremos en la estación base o en el emplazamiento de usuario. En el caso de este último, se emplean antenas directivas para conseguir la máxima ganancia. Una bocina cónica con un diámetro de apertura de unos 15 ó 20 cm suele ser una antena de usuario típica. Para reducir la longitud de la antena sin introducir un excesivo error de fase se utiliza una lente colocada en la apertura de la bocina (figura 1). En el caso de la estación base, debido a la transmisión punto a multipunto, se emplean o bien antenas omnidireccionales que cubren completamente la celda, o bien un conjunto de antenas sectoriales con anchos de haz que pueden variar entre los 30 y los 180 grados. Las antenas sectoriales, además de poseer una mayor ganancia, permiten reutilizar las frecuencias del sistema. De este modo, se obtiene una multiplicación de la capacidad del sistema en términos del número de abonados a los que se les puede dar servicio. Además, empleando polarizaciones distintas entre sectores adyacentes, se consigue optimizar el aislamiento entre los mismos. Las polarizaciones utilizadas en estos sistemas son lineales: horizontal (H) y vertical (V). Suponiendo que se utilizan cuatro antenas sectoriales de 90 grados para cubrir cada celda y polarizaciones ortogonales, obtendríamos un esquema de planificación como el mostrado en la figura 2. Nótese que también es posible diseñar celdas con cobertura cuadrada modificando convenientemente el diagrama de radiación de las antenas (de hecho, esta configuración sería la deseable). Por último, los anchos de banda de las antenas oscilan entre 1 y 2 GHz.

Fig. 1. Seción longitudinal de una bocina cónica compensada con lente.

Fig. 2. Planificación celular LMDS típica.

Equipamiento de la estación base

Pueden considerarse al menos dos tipos de arquitectura distintos para implementar los equipos transmisores, las cuales han sido utilizadas en los equipos comerciales existentes. Por una parte, una estructura monocanal de subida en frecuencia, amplificación y transmisión con canales de ancho de banda estrecho, reducida potencia y que se combinan antes de ser radiados. O alternativamente, también se puede utilizar una estructura de banda ancha donde se suban en frecuencia y se amplifiquen simultáneamente todos los canales. Como ventajas de la estructura monocanal se tienen una mayor linealidad (los amplificadores se emplean más eficientemente) y una mayor eficiencia espectral dado que se puede combinar con el uso de antenas sectorizadas. Sin embargo, el transmisor es excesivamente modular y existe redundancia de equipos. Por otro lado, en el caso multicanal se puede entregar un mayor ancho de banda a la antena, aunque a costa de una limitación de potencia como consecuencia de la intermodulación introducida por el amplificador de potencia. En la figura 3 se representa la función de transferencia de potencia típica de un amplificador de 15 dB de ganancia, donde se observa el comportamiento no lineal para potencias altas. Para caracterizar la no linealidad del amplificador se define el punto de compresión a 1 dB como aquel en el cual la potencia de salida cae 1 dB con respecto a la situación ideal. En este caso, se obtiene un punto de compresión a 1 dB de +16 dBm para la potencia de entrada. Normalmente, no suele emplearse completamente la banda de 27,5 a 29,5 GHz para controlar la emisión de espúreas y limitar el rizado en la ganancia del amplificador.

Fig. 3. Curva de transferencia de potencia de un amplificador.
En lo que respecta al equipamiento receptor, éste se encarga de recoger las señales del enlace de subida de cada uno de los usuarios. Por lo tanto, para optimizar la potencia transmitida desde el emplazamiento de usuario, interesa minimizar la figura de ruido del equipo receptor. Con la tecnología MMIC (Monolythic Microwave Integrated Circuit) actual, es posible obtener amplificadores de bajo ruido (LNA, Low Noise Amplifier) con figuras de ruido de unos 5 dB, que se colocan inmediatamente a la salida de la antena.

Equipamiento de usuario

El equipamiento del emplazamiento de usuario se resume en el diagrama de bloques del transceptor LMDS de la figura 4. Los enlaces ascendente (uplink) y descendente (downlink) deben separarse por medio de un duplexor colocado a la salida de la antena. En este tipo de esquema es imprescindible evitar la interferencia del enlace ascendente sobre el descendente, ya que la diferencia de potencias es considerable y el aislamiento del duplexor no es perfecto. Por ello, los 2 GHz de ancho de banda se dividen y se toman bandas diferentes para cada uno de los sentidos.

Fig. 4. Diagrama de bloques de un transceptor LMDS.
Los bloques de procesado de FI se encargan de trabajar con las señales de frecuencia intermedia que serán posteriormente subidas en frecuencia a la banda Ka (upconversion) o que previamente fueron bajadas de dicha banda (downconversion). El elemento clave encargado de realizar estas conversiones de frecuencia es el mezclador de milimétricas. Las estructuras que suelen emplearse son las basadas en el mezclado armónico. De este modo, la frecuencia de oscilador local que alimenta al mezclador es un submúltiplo de la frecuencia de portadora, obteniéndose un ahorro económico importante. Así, suponiendo un mezclador de tercer armónico y una frecuencia de portadora de 27 GHz, sería necesario un oscilador a 9 GHz. Para obtener esta frecuencia que debe ser muy precisa se utilizan osciladores sintetizados enganchados a un reloj de Rubidio de referencia. Otras alternativas incluyen el uso de tonos piloto de RF transmitidos desde la estación base.

Finalmente, otros elementos serían filtros en banda Ka y amplificadores de milimétricas. En el caso de estos últimos, se utiliza un amplificador de alta potencia (HPA, High Power Amplifier) para alimentar la señal a la antena y un amplificador de bajo ruido para amplificar la señal proveniente de la antena, ambos realizados normalmente en tecnología monolítica de microondas.

Tecnología monolítica de microondas

La tecnología MMIC basada en semiconductores permite interconectar transistores, condensadores, resistencias y bobinas en un mismo chip junto con múltiples elementos de microondas, tales como líneas de transmisión. Las principales ventajas de los MMICs son un menor coste de producción una vez realizado el diseño, menores tamaños y pesos, así como número de conexiones, o excelentes prestaciones en circuitos con tolerancias estrictas. No obstante, algunos inconvenientes son los relativos a riesgo, costes asociados al diseño, falta de versatilidad debido a un único material como sustrato y una manipulación delicada que se añade al coste de producción.

La mayoría de dispositivos MMIC comercialmente disponibles son amplificadores. Esto hace buen uso de la tecnología MMIC debido a que un gran número de elementos se integran dentro del mismo chip. Por ejemplo, en el caso de amplificadores de alta potencia se requieren cuatro etapas de amplificación, cada una de ellas con un transistor, tres condensadores y líneas de transmisión para adaptación. De este modo, se obtienen potencias del orden de vatios. Los LNA, por su parte, presentan figuras de ruido de 4,5 dB para 38-42 GHz o de 2,7 dB para 26-30 GHz, con ganancias en torno a 20 dB y potencias de salida de +15 dBm para el punto de compresión a 1 dB. Por último, los actuales amplificadores de potencia MMIC proporcionan potencias de salida de +20 a +30 dBm en la banda de 26-30 GHz.

Al mismo tiempo, también están disponibles dispositivos MMIC no lineales tales como mezcladores y osciladores. Mezcladores con figuras de ruido de 5 dB a 38 GHz y con ganancias de conversión de -9 a +7 dB existen comercialmente. Algunos fabricantes adoptan soluciones híbridas, combinando LNAs y diodos mezcladores de altas prestaciones para disminuir el número de componentes.

Bibliografía

W. Honcharenko, J. P. Kruys, D. Y. Lee, N. J. Shah, "Broadband wireless access", IEEE Communications Magazine, pp. 20-26, 1997.
A. G. Caffaro, M. G. Caffaro, "INFORME: LMDS", Comunicaciones World, pp. 32-39, 1998.
Nortel Networks, "Local Multipoint Distribution System (LMDS) Tutorial", http://www.webproforum.com/nortel4/index.html.

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