Efectos del Canal y Propagación en Comunicaciones Móviles: Ruido, Desvanecimientos e Interferencias

Efectos Indeseados del Canal de Comunicación

Existen diversos fenómenos que degradan la señal transmitida a través del canal inalámbrico:

• Ruido: Señales aleatorias no deseadas.
• Interferencias: Señales provenientes de otras fuentes de transmisión.
• Distorsión: Alteración de la forma de onda de la señal.
• Desvanecimientos (Fading): Fluctuaciones en la potencia de la señal recibida.
• Efecto Doppler: Cambio en la frecuencia debido al movimiento relativo.
• Atenuación: Pérdida de potencia de la señal con la distancia.

Los sistemas de transmisión (Tx) y recepción (Rx) implementan técnicas para intentar compensar estos efectos.

Propagación en Entorno Móvil

La propagación de las ondas de radio en entornos móviles es compleja y se caracteriza por diferentes tipos de desvanecimientos:

• Desvanecimientos rápidos: Causados por la recepción de múltiples réplicas de la señal (ecos) que llegan al receptor por diferentes caminos (multitrayecto).
• Desvanecimientos lentos: Provocados por la obstrucción de la señal debido a obstáculos grandes como edificios o colinas (efecto sombra o shadowing).
• Desvanecimientos muy lentos: Relacionados principalmente con la distancia entre transmisor y receptor, incluyendo las pérdidas de propagación en el espacio libre y otras pérdidas a gran escala.

Desvanecimientos Lentos (Efecto Sombra)

Se modelan estadísticamente para predecir la distribución de las variaciones lentas de la potencia de la señal recibida alrededor de un valor medio esperado para una distancia dada. Comúnmente se usan distribuciones:

• Log-normal: Cuando la potencia se mide en unidades naturales (vatios, milivatios).
• Gaussiana (Normal): Cuando la potencia se mide en unidades logarítmicas (dB, dBm).

Los parámetros clave de estos modelos son la media y la desviación típica (shadowing spread).

Desvanecimientos Rápidos (Multitrayecto y Doppler)

La señal transmitida (Tx) por la estación base llega al terminal móvil como una superposición de múltiples ecos. Estos ecos son réplicas de la señal original que han sido atenuadas, desfasadas y retrasadas en el tiempo al viajar por diferentes caminos.

El multitrayecto provoca una distorsión lineal de la señal, haciendo que esta se expanda en el tiempo (dispersión temporal). Además, el movimiento del terminal móvil y/o de los objetos en el entorno causa variaciones rápidas en la amplitud y fase de la señal recibida debido al efecto Doppler (dispersión frecuencial).

El canal multitrayecto se comporta como un filtro lineal variante en el tiempo. La señal recibida se puede calcular mediante la convolución de la señal transmitida con la respuesta impulsional del canal.

Se distinguen tipos de ecos según su retardo relativo:

• Ecos próximos: Llegan al receptor casi simultáneamente (dentro de un intervalo de tiempo muy corto). Su efecto combinado se modela a menudo como una variable aleatoria compleja (Rayleigh, Rician).
• Ecos lejanos: Llegan con retardos significativos, causando distorsión lineal apreciable. La respuesta impulsional al cuadrado del canal puede tratarse como una función de densidad de probabilidad de los retardos (Power Delay Profile). Su desviación típica proporciona una medida de la dispersión de retardo (RMS delay spread, Ds).

Ancho de Banda de Coherencia y Selectividad en Frecuencia

El Ancho de Banda de Coherencia (Bc) es un parámetro fundamental del canal que indica el rango de frecuencias sobre el cual el canal se comporta de forma similar. Está inversamente relacionado con la dispersión de retardo (Ds).

La relación entre el ancho de banda de la señal (B) y el ancho de banda de coherencia (Bc) determina si el canal es selectivo en frecuencia:

• Si B << Bc (o equivalentemente, Ds << Ts, donde Ts es la duración del símbolo): El canal se considera de desvanecimiento plano (flat fading). Todas las componentes frecuenciales de la señal experimentan una atenuación y un desfase similares. La Interferencia Intersimbólica (ISI) es mínima o despreciable.
• Si B ≥ Bc (o equivalentemente, Ds ≥ Ts): El canal se considera selectivo en frecuencia (frequency selective fading). Diferentes componentes frecuenciales de la señal experimentan atenuaciones y desfases distintos. Esto provoca una distorsión significativa de la señal y genera ISI que afecta a toda la duración del símbolo.

Ruido en Sistemas de Comunicación

El ruido es una señal aleatoria no deseada que se superpone a la señal útil, degradando su calidad y dificultando su recepción.

Tipos de Ruido

• Ruido externo: Es captado por la antena receptora junto con la señal deseada. Puede ser:
  • Natural: Ruido atmosférico (descargas eléctricas), ruido galáctico (radiación cósmica).
  • Artificial (Man-made): Ruido industrial, interferencias de otros equipos electrónicos, motores.
• Ruido interno: Es generado por los propios componentes electrónicos del receptor (resistencias, transistores). Se caracteriza mediante:
  • Factor de Ruido (F): Relación entre la relación señal/ruido a la entrada y a la salida del dispositivo.
  • Temperatura Equivalente de Ruido (Te): Temperatura teórica de una resistencia que generaría la misma potencia de ruido que el dispositivo.
  El tipo más común de ruido interno es el ruido térmico (o ruido de Johnson-Nyquist), inherente a cualquier conductor a una temperatura superior al cero absoluto. También puede existir ruido impulsivo.

Sensibilidad del Receptor

La sensibilidad de un receptor es la mínima potencia de señal a su entrada que se requiere para lograr un determinado nivel de calidad en la recepción (por ejemplo, una relación señal/ruido mínima o una tasa de error de bit máxima aceptable).

Interferencias en Comunicaciones Móviles

Las interferencias son señales no deseadas provenientes de otros transmisores que operan en el mismo entorno geográfico o espectral, perturbando la recepción de la señal útil.

Consideremos una señal deseada centrada en una frecuencia útil (fu) con un ancho de banda (B) y una señal interferente centrada en f1 con ancho de banda B1, ambas presentes a la entrada del receptor sintonizado en fu.

Relación Señal a Interferencia (CIR)

La Relación Señal a Interferencia (CIR, Carrier-to-Interference Ratio) es una métrica fundamental que compara la potencia de la señal deseada con la potencia de la señal interferente. Existe un umbral mínimo de CIR necesario para que el receptor pueda demodular la señal correctamente con una calidad aceptable.

Al evaluar la CIR efectiva en el receptor, es crucial considerar el efecto del filtrado en la etapa de RF y FI (Frecuencia Intermedia), que puede atenuar la señal interferente si su frecuencia es distinta a la de la señal deseada.

Tipos de Interferencia

Interferencia Cocanal

Ocurre cuando un transmisor interferente opera en el mismo canal de radiofrecuencia que la señal deseada. Es decir, utiliza la misma frecuencia portadora nominal y el mismo ancho de banda. Este tipo de interferencia es común en sistemas celulares debido a la reutilización de frecuencias y es gestionada mediante la planificación celular y técnicas de control de potencia.

Interferencia de Canal Adyacente

Se produce cuando un emisor interferente transmite en un canal de frecuencia adyacente al canal deseado. La interferencia puede llegar al receptor por dos mecanismos principales:

1. Filtrado imperfecto del receptor: La selectividad del filtro de entrada del receptor no es infinita, permitiendo que parte de la energía del canal adyacente"se cuel" en la banda de interés.
2. Emisiones fuera de banda del transmisor interferente: El transmisor interferente no limita perfectamente su potencia a su canal asignado, sino que radia cierta potencia en las bandas laterales (out-of-band emissions). Esta potencia puede caer dentro del canal deseado del receptor. Este efecto se cuantifica a menudo mediante el ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) o el ACPR (Adjacent Channel Power Ratio).

Interferencia por Emisiones Espurias del Transmisor

Es causada por el comportamiento no lineal de los componentes del transmisor interferente (especialmente los amplificadores de potencia). Esta no linealidad genera señales no deseadas a frecuencias distintas de la portadora y sus bandas laterales, conocidas como emisiones espurias (armónicos, productos de intermodulación generados en el transmisor). Si una de estas emisiones espurias coincide con la frecuencia del canal deseado (fu), causa interferencia.

Interferencia por Productos de Intermodulación en el Receptor

Se genera debido al comportamiento no lineal de los componentes en la etapa de entrada (cabezal de RF) del propio receptor útil. Si a la entrada del receptor llegan simultáneamente dos o más señales fuertes (sean deseadas o interferentes) a frecuencias f1, f2, etc., la no linealidad del receptor puede generar nuevos componentes de frecuencia del tipo mf1 ± nf2 (donde m y n son enteros), llamados productos de intermodulación. Si uno de estos productos (típicamente los de tercer orden, como 2f1 - f2 o 2f2 - f1) cae dentro de la banda del canal deseado (fu), provoca interferencia.

Papel del Diagrama de Radiación de Antenas

El diagrama de radiación de las antenas (tanto de transmisión como de recepción) describe cómo radian o reciben potencia en función de la dirección. Esta característica direccional es crucial para mitigar interferencias.

Las antenas directivas concentran la potencia en una dirección deseada (lóbulo principal) y atenúan las señales provenientes de otras direcciones (lóbulos secundarios, nulos). Esto permite:

• Maximizar la recepción de la señal deseada.
• Reducir la potencia recibida de señales interferentes que llegan desde direcciones diferentes a la de la señal útil.
• Reducir la interferencia causada a otros sistemas al transmitir potencia principalmente en la dirección deseada.

Un parámetro relevante es la discriminación angular, que es la relación (normalmente en dB) entre la ganancia de la antena en la dirección de apuntamiento principal y la ganancia en otra dirección específica (por ejemplo, la dirección de llegada de una señal interferente).