Los 10 mandamientos en el mundo wireless

En toda actividad práctica existen reglas de oro que no se pueden eludir, alterar y mucho menos cambiar. La realidad que nos entrega la construcción de un sistema inalámbrico de enlace de datos es una sola y hay algunos mandamientos esenciales que no pueden dejarse de lado. Pequeños detalles que pueden transformarse en gigantes obstáculos serían capaces de arruinar una comunicación inalámbrica si no son atendidos con el criterio, la lógica y la teoría que este artículo te acerca. Si has intentado las mil y una formas de controlar tu robot a distancia sin éxito o si has fracasado hasta el cansancio tratando de mejorar tu conexión Wi-Fi, este artículo puede ayudarte a comprender donde estás fallando y cómo resolverlo. El futuro de la transmisión de datos es inalámbrico y necesitas aprender estos diez mandamientos sagrados para transmitir y recibir datos a la mayor distancia posible.

1 – La unidad de potencia

La potencia en radiofrecuencia (RF) se mide por lo general en Watts (W) o miliwatts (mW) aunque en muchas aplicaciones, también se encuentran referencias a esta magnitud expresada en decibelios o decibeles (dB). La relación que existe entre ambas formas de mesurar el nivel de señal de RF sostiene que 1mW = 0dBm. Los dBm expresan la potencia absoluta mediante una relación logarítmica, siempre respecto a un valor de referencia que es 1mW (miliWatt). En el siguiente cuadro podemos ver la fórmula de cálculo para obtener el valor expresado en dBm de una potencia igual a P, referida a un valor determinado de 1mW. Los ejemplos mostrados en la tabla de la derecha son muy comunes de aplicarse al momento de, por ejemplo, sumar antenas y determinar la cantidad de señal que incrementará el sistema. Es decir, duplicar la cantidad de señal recibida, equivale a un incremento de 3dB respecto a si tuviéramos una sola antena. Si en lugar de dos, colocamos cuatro antenas, la ganancia aumenta a 6dB, es decir, 3dB más.

Como las antenas pueden sumarse en un número progresivo en base 2 (2, 4, 8, 16, etc.) pasaríamos en el siguiente caso a una instalación de 8 antenas. De cuatro pasamos a ocho, por lo tanto, al duplicar cantidad incrementamos 3dB. Esto significa que 4 antenas tendrán una ganancia de 6dB, mientras que 8 antenas sumarán una ganancia de 9dB. O sea, 3dB más que 4 antenas. Estos valores expresados en dB para una antena son características que ofrecen ganancia de señal a un sistema, tanto para transmisión como para recepción. Teniendo en cuenta lo expresado, un transmisor que emite con 1 Watt de potencia y una antena de cuatro elementos irradiantes, equivaldrá a un transmisor de 4 Watts transmitiendo con una antena simple (un solo elemento). Existen otros casos en los que no se utiliza la unidad dB para cuantificar ganancia sino pérdidas. En estos casos se utiliza el término atenuación que también se expresa en decibeles. Por lo tanto una correcta instalación de antena con mínimos factores de atenuación es fundamental para una conexión inalámbrica eficiente y segura.

2 – Relación entre la frecuencia utilizada y la propagación

La mayoría de las aplicaciones industriales, domésticas, científicas y de orden investigativo, suelen trabajar con sistemas de radio que operan en bandas denominadas “libres”. Es decir, las organizaciones gubernamentales o privadas que administran el uso racional del espectro radioeléctrico de cada país asignan determinadas porciones o bandas de frecuencias donde no es necesario solicitar autorización, ni abonar cánones o impuestos para trabajar de forma libre dentro de sus límites. Estas bandas son conocidas también como ISM (Industrial, Scientific and Medical) y los valores más populares (de UHF hacia arriba) son:

* 2.4Ghz. para casi todo el mundo en la actualidad
* 915Mhz. para América (Norte y Centro y Sur)
* 868Mhz. para Europa
* 5Ghz es una banda que poco a poco comienza a popularizarse por todo el mundo.

La gran ventaja de poder trabajar en frecuencias cada vez más altas es que el ancho del canal a utilizar aumenta. Esto significa tener la posibilidad de transmitir mayor caudal de datos o información dentro de un canal único. La desventaja de esto es que la distancia a enlazar y la capacidad de la señal para superar obstáculos (atravesar muros o paredes) decrece de manera notable al aumentar la frecuencia de transmisión. Por ejemplo, para una misma distancia de enlace, una señal de 2.4Ghz sufrirá una pérdida (o atenuación) de 8 a 9 dB en comparación a una misma potencia emitida en 900Mhz. Pero como todo tiene su pro y su contra en la vida, las frecuencias bajas requieren de antenas de mayor tamaño, mientras que a frecuencias mayores, se pueden colocar sistemas de antenas de mayor ganancia para suplir las pérdidas mencionadas con anterioridad.

3 – Emplear un receptor sensible

La sensibilidad en un receptor de radio viene dada por la capacidad que pueda tener de recuperar señales muy débiles, ubicadas casi al mismo nivel que el ruido de banda. Esto significa que cuanto mayor sea la cifra expresada en dBm (en valores negativos), más sensible será el receptor y mayor posibilidad de recuperar datos correctos y realizar un enlace exitoso tendremos. Por ejemplo, un receptor que se ofrece con una sensibilidad de -120dBm, será más sensible (escuchará más y mejor) que un receptor con una sensibilidad de -105dBm. Para graficarlo de otro modo, una señal de -70dBm equivale a 100pW (picoWatts) mientras que otra de -80dBm equivale a 10pW. Esto clarifica que a mayor valor negativo, mayor capacidad de escuchar señales muy débiles.

En la actualidad los receptores utilizan transistores de entrada con un nivel de figura de ruido tan bajo como sea posible. En el gráfico podemos ver con claridad como un transistor con alta figura de ruido (A), pierde la mayor parte de la información y sólo puede recuperar las señales fuertes. Mientras tanto, con un transistor de entrada de baja figura de ruido (B), hasta las señales más débiles son recuperadas, amplificadas y aprovechadas. En la práctica esto significa ganar o perder distancia en el enlace. Algunos suplen estos defectos reduciendo la velocidad de transmisión de datos o mejorando la calidad de las antenas de recepción, cuando en realidad lo que se debe mejorar es la etapa de entrada de la señal de RF en el receptor. Vale aclarar que la figura de ruido es generada por la agitación electrónica, dentro del semiconductor,  provocada por la temperatura ambiente.

4 – Aprender a determinar el origen de los ruidos

No todos los problemas de recepción se resuelven con mejorar los transistores de entrada en los receptores. Existen una variedad enorme (y siempre cambiante) de fuentes generadoras de ruido que serían capaces de ensordecer al receptor más apto. Veamos el problema de este modo: en un gran estadio absolutamente vacío, sin más personas que tú ubicado en un extremo del campo de juego y un interlocutor ubicado en otro extremo. Seguramente podrían intercambiar un diálogo tranquilo sin necesidad de levantar la voz. Imagina ahora el mismo escenario pero colmado de público rugiendo un aliento ensordecedor a su equipo favorito. El resultado será que las señales emitidas por ti y por tu interlocutor quedarán sumergidas en el ruido generado por la multitud. Algo similar ocurre con las señales de radio. La proliferación de emisoras de radio, de maquinas eléctricas, de equipos de comunicaciones de todo tipo, forma, banda y potencia, sumadas todas al ruido cósmico propio de la banda a utilizar, provocan un “ensordecimiento” del receptor que debe ser resuelto mediante el uso de mejores antenas, con mayor ganancia y más direccionales hacia la fuente de emisión, evitando recibir ruido desde otras fuentes.

5 – Tener un margen de desvanecimiento aceptable y seguro

Este es uno de los tantos puntos cruciales para lograr obtener una instalación inalámbrica robusta y eficiente. Es decir, un enlace capaz de soportar las pérdidas de señal que pueden acarrear cambios climáticos severos. Esto es: lluvia o nieve y en caso de interferencias externas. El valor que se toma como norma es de 10dB de pérdida de señal y aún así seguir teniendo el enlace activo. Es muy importante tener prevista esta condición en la instalación ya que un enlace de datos que se construye a partir de una recepción en el límite de las posibilidades, se transforma en un vínculo muy frágil que deja de funcionar con apenas un poco de lluvia. Y luego de invertir dinero y tiempo en el trabajo, una perdida de enlace por cualquier tontería no prevista a tiempo será muy molesta e irritante.

Existen varias formas de realizar una atenuación de 10dB en la recepción de una señal para tener la seguridad de seguir manteniendo el enlace, simulando condiciones severas y extremas de origen externo a la instalación. Estos son algunos:

• Existen equipos transmisores que poseen la potencia de salida ajustable o programable. Bastará con reducir la emisión en 10dB y comprobar que en el receptor el enlace continúa siendo eficaz. Recuerda que 3dB, significaría reducir la potencia a la mitad mientras que 10dB equivalen a reducir la potencia 10 veces.

• En el mercado se consiguen fácilmente atenuadores calibrados para distintas bandas de frecuencias. Sería una buena inversión comprar uno que atenúe 10dB en las frecuencias de mayor utilización para así facilitar las tareas de ajuste. Si el enlace se pierde al colocar el atenuador, significa que debemos mejorar la instalación de antenas o incrementar la potencia de los transmisores hasta lograr un margen de desvanecimiento seguro y aceptable de 10dB.

• Cualquier instalador de sistemas inalámbricos de datos utiliza cable coaxil en grandes cantidades. Un cable RG-58 de 20 metros de largo puede significar una atenuación de 10dB en señales de 900Mhz., mientras que con 8 a 10 metros obtendremos 10dB de atenuación a 2.4Ghz. Si el sistema continúa funcionando de manera eficiente con estos cables ”extras”, estamos ante un enlace confiable y con un margen de desvanecimiento de al menos 10dB.

6 – Utilizar la lógica y la matemática junto a las especificaciones 

En un mundo ideal, podríamos establecer de acuerdo a la potencia de transmisión de un equipo y a la sensibilidad de un receptor la distancia máxima admisible para un enlace seguro. Sin embargo, existen muchos factores que intervienen y hacen que esto no sea así. Por lo tanto, siguiendo una lógica simple y aplicando sobre ella los valores nominales que entregan los fabricantes de los elementos empleados, podemos aproximarnos de manera casi total a los resultados obtenidos en nuestro mundo real.

Este cálculo lógico sería el siguiente: La potencia del transmisor (Tx) sumada a la ganancia de la antena de transmisión, descontando la atenuación que se produce en el cable que conecta el transmisor con la antena en la torre, descontando además el margen de desvanecimiento de 10dB del punto anterior, descontando las pérdidas que se producen en el camino del enlace (a través de la atmósfera) y sumando la ganancia del equipo receptor, debemos obtener un resultado “X”. Este resultado deberá ser siempre mayor a la sensibilidad del receptor. Es muy simple, es muy lógico. El receptor debe escuchar el resultado obtenido de todos los factores positivos y negativos que intervienen en la constitución del sistema inalámbrico. Todos los datos involucrados son provistos por los fabricantes de los elementos mencionados. Sólo deberás aplicar la lógica.

7 – Mantener un enlace óptico entre las antenas

Cuando colocamos las antenas de los sistemas a enlazar en un espacio abierto y libre de obstáculos entre ellas, la atenuación provocada por el medio (el aire) se incrementa con el cuadrado de la distancia a medida que se alejan las antenas entre sí. Por lo tanto, podemos decir que reducir la distancia entre antenas emisora y receptora a la mitad, disminuye la pérdida en 6dB. Dicho de otro modo, aumentar la distancia al doble, aumenta la pérdida de señal el 6dB. Estos valores se incrementan a 9dB cuando al menos una de las antenas se encuentra en el interior de alguna edificación. La atenuación provocada por las paredes y otros obstáculos incrementan notablemente las pérdidas.

Las antenas deben orientarse y elevarse desde el suelo de modo tal que puedan verse entre sí (expresión metafórica). Es decir, que se encuentren alineadas y libres de obstáculos que favorezcan las pérdidas de señal. Atravesar una arboleda frondosa puede provocar pérdidas muy importantes que deben ser resueltas con mayor altura de las instalaciones de antenas. Por otra parte, hay obstáculos en el recorrido de la señal que no son fijos, sino móviles. Un árbol que crece de una estación a otra, una edificación nueva que sube muchos pisos y se interpone en el camino de la señal, un camión con un contenedor encima, o cualquier otro objeto metálico que se interponga en el recorrido previsto en el inicio de la instalación puede arruinar de forma temporal o permanente un enlace que en sus orígenes pudo ser funcional y muy seguro.

8 – Antenas

Las antenas son el último eslabón en la cadena de transmisión y el primero en la del receptor. Por lo tanto, la optimización constructiva permitirá obtener ganancias significativas (a veces vitales) para garantizar un enlace óptimo. Las antenas direccionales son capaces de enfocar toda la potencia que llega a ellas para ser transmitida en una única dirección. Por el contrario, una antena omnidireccional emitirá en todos los sentidos (360º a su alrededor), perdiendo la concentración de señal que una antena direccional es capaz de ofrecer. Por supuesto que esto es válido tanto para transmisión como para recepción. Por lo tanto, una antena direccional de alta ganancia montada, respetando el punto anterior, a la máxima altura posible, nos brindará una ganancia de potencia que servirá para afianzar el vínculo del enlace.

9 – Pérdidas en el cable

La elección del cable y los conectores apropiados para lograr un enlace exitoso dependen de muchos factores y todos varían de un usuario a otro y de un escenario a otro. Esta situación algo difícil de equilibrar se basa en la propiedad de atenuación que poseen todos los cables coaxiles (o coaxiales) que se utilizan para enlazar los equipos (transmisores o receptores) con la antena, allí arriba en el extremo superior de la torre. Cables de bajas pérdidas y de mayor calidad son mucho más caros (a veces a precios prohibitivos) y un gasto semejante no se justifica. Por otro lado, las pérdidas se podrían resolver con mayor altura en las antenas, pero ello significa mayor longitud de cable y en consecuencia, mayor pérdida dentro del mismo. Un buen estudio preliminar de las distancias a cubrir, junto a la potencia del equipo transmisor, la ganancia de las antenas y la experiencia del instalador, ayudan a seleccionar la mejor relación costo/beneficio a la hora de comprar el cable que permita una comunicación segura y libre de gastos innecesarios.

10 – La  transferencia de datos en un medio inalámbrico

Antes de comenzar la instalación, asegúrate que los sistemas que quieres conectar a través de ondas de radio admitan una tasa de error y corrección de los mismos en la transmisión o recepción de los datos, superior a lo que podría ser mediante una conexión por cable. Es decir, el protocolo de comunicación de los datos a enlazar, debe ser capaz de sortear las deficiencias lógicas que posee un sistema inalámbrico. Las terminales de transmisión y recepción deben sincronizar su velocidad de proceso y adaptarse al límite que imponga el enlace de acuerdo a su frecuencia de trabajo y ancho de banda del canal (caudal de datos).

Teniendo en claro estos 10 mandamientos ineludibles, el enlace radial estará asegurado obteniendo un intercambio de datos eficiente y seguro. Por supuesto que si tienes alguna recomendación que agregar a las expuestas aquí, será muy bienvenida en beneficio de todos los que por una razón u otra necesitamos a menudo optimizar sistemas inalámbricos de datos.