Todo usuario de radio que trabaja en campo termina, tarde o temprano, parado en un punto donde el portátil que funcionaba bien doscientos pies atrás no produce más que ruido, y las explicaciones habituales que se dan en la escena resultan equivocadas de maneras interesantes. Este artículo cubre la física que realmente necesita un lector de bomberos, EMS, policía o despacho: qué significan frecuencia y longitud de onda en términos prácticos, por qué VHF y UHF fallan de manera distinta en el monte y dentro de edificios, qué le compra en realidad un repetidor, por qué usted puede escuchar al despacho cuando el despacho no puede escucharlo a usted, cuánto vale la diferencia de potencia entre un portátil y un móvil, y cómo leer un mapa de cobertura sin dejarse engañar por él.

Frecuencia, longitud de onda y por qué las antenas tienen el largo que tienen

Una onda de radio es una perturbación electromagnética que viaja a la velocidad de la luz, y la frecuencia cuenta cuántos ciclos completos de esa perturbación pasan por un punto fijo cada segundo. Un millón de ciclos por segundo es un megahercio, de modo que un canal de seguridad pública en 155 MHz está ciclando 155 millones de veces por segundo. La longitud de onda es la distancia física que recorre la onda durante uno de esos ciclos, la cual se obtiene dividiendo aproximadamente 300 entre la frecuencia en megahercios para llegar a metros. A 155 MHz eso da aproximadamente 1.9 metros, poco más de seis pies, y a 460 MHz es cerca de 0.65 metros, alrededor de dos pies.

Ese número no es un dato curioso, porque las antenas se cortan a fracciones de una longitud de onda. Una antena de cuarto de onda para 155 MHz mide alrededor de diecinueve pulgadas de largo, razón por la cual los portátiles VHF llevan un látigo largo y flexible y los móviles VHF cargan una varilla de acero alta sobre la tapa del baúl. Un cuarto de onda a 460 MHz mide cerca de seis pulgadas y media, y a 800 MHz es menos de cuatro pulgadas, lo cual explica cómo un portátil de 700/800 MHz se las arregla con una antena corta que de todos modos funciona razonablemente bien. Cuando alguien le pone una antena corta a un portátil VHF porque es más fácil de cargar, ha sacrificado señal en ambas direcciones para lograrlo, y ese sacrificio suele ser la razón completa por la que cierto radio siempre suena mal.

Lo segundo que le dice la longitud de onda es con qué va a interactuar la onda. La energía tiende a pasar a través de, o alrededor de, aberturas y obstáculos de una manera que depende de cómo se comparan esos objetos en tamaño con la longitud de onda, de modo que una onda de seis pies y una onda de cuatro pulgadas tratan de manera muy distinta la misma puerta, el mismo marco de ventana, la misma cerca de malla y el mismo bosque de pinos. Esa sola idea explica la mayor parte de lo que sigue, y es la razón por la que el debate sobre qué banda es mejor no tiene una respuesta universal.

Monte y paneles de drywall: donde VHF y UHF se separan

En terreno abierto, boscoso y montañoso, VHF alrededor de 150 MHz por lo general supera a UHF, y hay dos mecanismos detrás de eso. La atenuación a través de la vegetación aumenta con la frecuencia, de modo que las mismas cien yardas de dosel verde y húmedo le quitan un bocado mayor a una señal de 460 MHz que a una de 155 MHz, lo cual es la razón práctica por la que el trabajo forestal y de incendios en zonas silvestres en Estados Unidos se ha mantenido fuertemente en VHF. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunication Union, ITU) publica una recomendación sobre atenuación en vegetación que modela esto, y le sugiero remitirse a la recomendación vigente en lugar de repetir aquí una regla de decibelios por metro, porque las cifras dependen de la frecuencia, la profundidad del follaje, si las hojas están húmedas y si el trayecto atraviesa el dosel o va a lo largo de él.

El otro mecanismo es la difracción, que es el curvado de la energía alrededor de un borde, como una línea de cresta o la esquina de un edificio. Las ondas más largas se curvan alrededor de obstáculos con mayor eficacia que las más cortas, de modo que una señal VHF con frecuencia llena el espacio detrás de una cresta donde una señal UHF proveniente del mismo sitio no lo hace. Por eso una agencia con un solo sitio en la cima de una montaña y muchas hondonadas detrás con frecuencia encuentra que VHF es una mejor opción que una banda más alta, aunque el sitio UHF pueda verse mejor en un mapa plano.

Dentro de los edificios, el orden por lo general se invierte. Una estructura comercial moderna está llena de aberturas del tamaño de pies y pulgadas, incluyendo puertas, marcos de ventanas, vestíbulos de ascensores, puertas de escaleras y huecos en muros divisorios, y las ondas más cortas de UHF y 700/800 MHz atraviesan y rodean esas aberturas y rebotan hacia espacios interiores con más facilidad que una onda VHF de seis pies. El concreto reforzado con varillas muy juntas, el entramado de montantes metálicos, el aislamiento con lámina de aluminio y los recubrimientos de baja emisividad en las ventanas se comportan todos como blindajes parciales en cualquiera de estas frecuencias, de modo que ninguna banda tiene pase libre en un sótano o en el núcleo de una escalera. Los artículos separados en este sitio sobre comunicaciones en incendios de edificios de gran altura y sobre sistemas dentro de edificios tratan qué hacer al respecto; el punto aquí es que la banda que lo salvó en el bosque la semana pasada no es la banda que lo salva hoy en el estacionamiento cubierto.

Altura, el horizonte de radio y qué le hace el terreno a una señal

En VHF y bandas superiores, el modo dominante de propagación es aproximadamente línea de vista, con algo de curvado y algo de relleno alrededor de los bordes. Debido a que la tierra se curva, existe una distancia más allá de la cual dos antenas simplemente no pueden verse entre sí, y una aproximación común ubica ese horizonte de radio (radio horizon), en millas, en aproximadamente 1.4 veces la raíz cuadrada de la altura de la antena en pies, usando la convención de tierra de cuatro tercios (four-thirds earth model), que da cuenta de la manera en que la atmósfera normal refracta las señales levemente hacia abajo. Una antena a cien pies de altura tiene un horizonte de radio de alrededor de catorce millas, y usted suma las distancias de horizonte de ambos extremos para obtener el largo del trayecto. Esta aproximación asume una tierra lisa sin nada en el medio, así que es un techo y no una predicción.

La consecuencia operativa es que la altura le gana a la potencia casi siempre. Subir la antena de un repetidor de cincuenta pies a doscientos pies cambia la geometría de cada trayecto en el condado, mientras que triplicar la potencia del transmisor cambia la aritmética en menos de cinco decibelios y no hace absolutamente nada respecto a una colina que está físicamente bloqueando el trayecto. Esto también explica por qué un portátil sostenido a la altura del cinturón y el mismo portátil sostenido a la altura de la cabeza pueden dar resultados notablemente distintos en puntos marginales, ya que la separación sobre el suelo cercano, los vehículos y la vegetación cambia con esos pocos pies.

Tener línea de vista clara en un mapa no es lo mismo que tener un trayecto limpio en la práctica, porque la energía viaja a través de una región alrededor de la línea de vista en lugar de a lo largo de una cuerda matemática, y los obstáculos que se meten en esa región le quitan señal aunque usted literalmente pueda ver la torre. Los ingenieros trabajan esto con la separación de la zona de Fresnel (Fresnel zone clearance), y la versión práctica para el resto de nosotros es que una línea de árboles, un techo o una cresta que se acerca a la línea de vista está lo bastante cerca como para hacer daño. El otro lado del terreno es la reflexión: las señales rebotan en edificios, agua, suelo húmedo y estructuras metálicas, y las copias reflejadas llegan levemente desfasadas respecto a la señal directa y pueden cancelarla parcialmente, produciendo pequeños bolsillos muertos que miden una fracción de una longitud de onda de ancho y que desaparecen al caminar unos pocos pies.

Simplex y repetidor: qué le está dando realmente la torre

Simplex significa que los dos radios se hablan directamente entre sí en una sola frecuencia, turnándose, sin nada en el medio. La operación por repetidor significa que todos los radios transmiten en una frecuencia hacia un receptor en un sitio fijo, y ese sitio retransmite en el mismo instante en una segunda frecuencia que todos escuchan, razón por la cual un canal de repetidor usa un par de frecuencias con un desplazamiento fijo entre ellas. La mayoría de los portátiles también tienen un ajuste de directo (talkaround) en los canales de repetidor, que ubica al radio en la frecuencia de salida del repetidor para uso simplex, y esa suele ser la manera más rápida de mantener a dos unidades en contacto cuando el repetidor ha dejado de funcionar.

El repetidor no está haciendo magia, y lo que en realidad le está vendiendo es altura y un buen sistema de antena. Dos portátiles a nivel del suelo intentan cubrir un trayecto entre dos antenas ineficientes a cinco pies sobre la tierra, mientras que esos mismos dos portátiles a través de un repetidor están, cada uno, cubriendo un trayecto mucho mejor hacia una antena a doscientos pies de altura con una línea de transmisión de baja pérdida y un receptor sensible. Por eso un par de portátiles que alcanzan quince millas a través de un repetidor puede alcanzar solo media milla entre sí en simplex sobre el mismo terreno, y por eso una cifra de alcance simplex obtenida en una demostración en un estacionamiento no le dice casi nada sobre el alcance simplex dentro de un edificio.

Lo otro que le da el repetidor es un punto común que todos pueden escuchar, razón por la cual un canal de repetidor mantiene a todo un condado en la misma conversación mientras que un canal simplex solo conecta a los radios lo bastante cerca como para escucharse entre sí. Eso es una ventaja para la coordinación y una desventaja en el escenario de un incendio, donde se quiere que el canal táctico esté confinado al incidente, y este sitio ya tiene artículos separados que argumentan a favor del simplex en el escenario de incendio y que cubren la planificación de relevos para el bombero en el sótano. Lo que importa para la propagación es saber qué modo está usando el canal frente a usted, porque una unidad que cree estar en un repetidor cuando en realidad está en directo ha recortado silenciosamente su propio alcance en un orden de magnitud, y no lo va a descubrir hasta que alguien necesite ayuda.

Entrada y salida de voz: las dos mitades del enlace no son iguales

La queja más común que he recibido de las unidades en campo es alguna versión de escuchar al despacho perfectamente mientras el despacho no puede escucharlos a ellos, y no hay nada misterioso en eso. El enlace de bajada del repetidor hacia su portátil, llamado en el oficio salida (talk-out), comienza con un transmisor operando decenas o cientos de vatios de potencia radiada efectiva hacia una antena de alta ganancia a doscientos pies de altura. El enlace de subida de su portátil de vuelta al sitio, que es entrada (talk-in), comienza con unos pocos vatios desde una antena de goma sostenida contra su chaqueta. Las dos direcciones de la misma conversación no son ni remotamente simétricas, y el lado de entrada siempre falla primero.

Los sistemas bien diseñados atacan ese desequilibrio desde el lado de recepción, porque no se puede hacer al portátil mucho más fuerte. Los receptores de sitio reciben preamplificadores montados en torre y línea de transmisión de baja pérdida, y los sistemas de área amplia agregan sitios receptores satélite (satellite receiver sites), a veces llamados receptores de votación o comparadores (voting or comparator receivers), que son ubicaciones exclusivamente de recepción esparcidas por el área de cobertura que escuchan al mismo portátil y le pasan la mejor copia a un comparador que la selecciona para retransmisión. Si su agencia tiene problemas persistentes de entrada de voz en un área conocida y su sistema no tiene receptores satélite, esa es una conversación de diseño que debe tener con el administrador de su sistema de radio y con quien tenga el contrato de mantenimiento, y es una conversación distinta de agregar potencia de transmisión en el sitio principal, lo cual solo mejoraría la mitad buena del trayecto.

El lado de recepción también sufre por el ruido. Todo receptor tiene un piso de ruido, compuesto por ruido térmico en la electrónica más cualquier interferencia que esté llegando del mundo exterior, y una señal tiene que llegar con cierto margen sobre ese piso para ser utilizable. El ruido de sitio proveniente de líneas de energía, aisladores con arqueo, balastros de alumbrado público fallando, equipo industrial, iluminación LED, inversores solares y fuentes de poder conmutadas baratas eleva ese piso y reduce la huella de entrada de voz de un sitio sin cambiar en nada la huella de salida. Un sitio que ha venido perdiendo alcance de entrada de manera constante durante unos años sin ningún cambio de equipo es buen candidato para una medición del piso de ruido antes que para otra ronda de culpar a los portátiles.

Portátil contra móvil: potencia, antena y el cuerpo de por medio

Un portátil típico de seguridad pública transmite en algún punto entre uno y seis vatios según la banda y el modelo, mientras que un móvil en la unidad de respuesta comúnmente está en el rango de veinticinco a ciento diez vatios. Pasar de cinco vatios a cincuenta vatios es un factor de diez en potencia, lo cual son diez decibelios, y diez decibelios valen menos alcance de lo que la mayoría asume. En espacio libre, donde la señal decae con el cuadrado de la distancia, diez decibelios triplicarían más o menos su alcance, pero los trayectos reales sobre terreno y a través de obstáculos decaen mucho más rápido que eso, y con los exponentes de pérdida de trayecto más altos usados en modelos de zonas construidas, esos mismos diez decibelios compran algo más cercano a setenta u ochenta por ciento más distancia. Esas son aproximaciones derivadas de modelos y no mediciones de su condado, y vale la pena conocerlas sobre todo para que nadie espere que un móvil funcione diez veces más lejos que un portátil.

La ventaja más grande que tiene el móvil no viene del amplificador de potencia sino de una antena apropiada de cuarto de onda o de ganancia montada sobre un plano de tierra metálico grande a ocho o diez pies de altura, alimentada con cable coaxial de verdad y conectada a nada que absorba energía. El portátil tiene una antena flexible corta y deliberadamente ineficiente, ningún plano de tierra que merezca ese nombre aparte del propio operador, y un cuerpo humano absorbiendo una porción significativa de lo que sea que irradie. Las cifras de pérdida por el cuerpo publicadas en varios textos y materiales de fabricantes varían bastante según la frecuencia y según dónde se sostenga el radio, así que no voy a imprimir un número como si estuviera zanjado, pero toda medición que he visto coincide en la dirección: un radio pegado contra el torso o usado en el cinturón bajo el equipo de protección rinde peor que ese mismo radio sostenido a la altura de la cabeza con la antena despejada.

El estado de la batería es el tercer factor silencioso. Un portátil cuya batería ya pasó su cantidad útil de ciclos seguirá recibiendo, seguirá encendiendo y seguirá pareciendo que funciona, mientras entrega menos de la potencia nominal en transmisión y lo hace solo por un tiempo corto, lo cual se manifiesta como un radio que funciona en la mañana y entra entrecortado en la tarde. Eso es una cuestión de programa de mantenimiento cubierta en el artículo sobre gestión de baterías de este sitio, y en términos de propagación el punto es simplemente que el extremo más débil de un enlace de subida ya débil de por sí es el que se degrada silenciosamente sin anunciarlo.

Cómo leer un mapa de cobertura con la dosis correcta de sospecha

Los mapas de cobertura en las propuestas de proveedores son predicciones calculadas, no mediciones, y salen de modelos de propagación con linaje largo. Dos que usted va a escuchar nombrar son el modelo de terreno irregular asociado a Longley y Rice, desarrollado en lo que hoy es el Institute for Telecommunication Sciences de la NTIA, y la familia empírica Okumura-Hata, derivada de mediciones hechas en Japón y ampliamente adaptada desde entonces. Cada uno toma datos de terreno, alturas de antena, niveles de potencia y obstáculos asumidos, y produce una probabilidad de que una señal de cierta calidad esté presente. La referencia de la industria para hacer esto de manera defendible en radio móvil terrestre es el boletín de la Telecommunications Industry Association generalmente citado como TSB-88, sobre desempeño de sistemas inalámbricos en situaciones limitadas por ruido e interferencia, y usted debería obtener la revisión vigente y la terminología exacta directamente de TIA en lugar de tomarla de la nota al pie de una propuesta.

El número que convierte un mapa a color en un compromiso es el criterio de calidad de audio combinado con un porcentaje de confiabilidad sobre un área definida. El trabajo en radio móvil terrestre usa una escala de calidad de audio entregada (delivered audio quality, DAQ), donde el nivel normalmente especificado para seguridad pública es DAQ 3.4, que significa habla comprensible con muy poca necesidad de repetición, contra algo de ruido. Un mapa que promete noventa y cinco por ciento de confiabilidad en DAQ 3.4 sobre el área de servicio delimitada es un producto distinto de un mapa que promete noventa por ciento con una calidad de audio menor, y los dos se van a ver casi idénticos si usted solo está mirando el color verde. Pida el criterio y la cifra de confiabilidad por escrito, y pregunte si el porcentaje es confiabilidad de área sobre todo el polígono o confiabilidad en el borde de este, porque son cálculos distintos y difieren por un margen importante.

Después pregunte para qué radio se hizo el mapa. Una predicción calculada para un móvil con antena montada en el techo a cincuenta vatios va a cubrir mucho más terreno que una calculada para un portátil a la altura de la cabeza al aire libre, y una predicción para un portátil al aire libre va a cubrir mucho más que ese mismo portátil en el cinturón dentro de un edificio. Las predicciones de cobertura dentro de edificios se producen restando una pérdida de penetración de edificio asumida del resultado exterior, y esa suposición la elige quien diseña, así que la pregunta correcta es qué cifra de pérdida se usó y qué clase de construcción representa. Cuando el mapa está terminado, lo único que zanja la discusión es la medición, que es el tema del artículo separado sobre cómo encontrar sus zonas muertas, y cualquier proveedor que no esté dispuesto a que el sistema entregado se verifique en campo contra el mapa que le vendió le ha dicho algo sobre ese mapa.

Qué hacer parado en el hueco

La solución más rápida en un punto marginal es moverse, porque en UHF y bandas superiores los pequeños nulos de cancelación creados por señales reflejadas miden solo unas pocas pulgadas de ancho, y en VHF miden unos pocos pies, de modo que uno o dos pasos pueden cambiar una transmisión entrecortada en una legible. Después de eso, levante la antena y despéjela sosteniendo el radio a la altura de la cabeza con la antena vertical y alejada de su cuerpo, ya que un sistema polarizado verticalmente pierde señal cuando usted acuesta la antena horizontalmente y pierde más cuando la presiona contra su pecho. Moverse hacia una ventana, una puerta, un descanso de escalera con muro exterior, o salir de un sótano hacia el nivel de la calle, por lo general hace más que cualquier ajuste en el radio.

Si el radio de todos modos no logra transmitir, la siguiente herramienta es la unidad de respuesta. Un radio móvil en un camión o vehículo de mando cercano tiene la potencia, la antena y la altura que le faltan al portátil, así que retransmitir a través de un miembro que esté en el vehículo es una respuesta legítima y bien probada que necesita ser un hábito entrenado y no una improvisación. Los repetidores vehiculares extienden esa idea y traen sus propios problemas, que el artículo sobre repetidores móviles y portátiles de este sitio trata; el simple relevo por voz no cuesta nada y funciona hoy mismo.

La última pieza es el reporte, y es la que las agencias se saltan. Una zona muerta que nadie anota la vuelve a descubrir una unidad distinta cada año y nunca se arregla, mientras que un reporte que dé la ubicación física con la mayor precisión posible, la fecha y hora, el canal o talkgroup, el tipo de radio y si la falla fue de entrada, de salida o de ambas, le da al administrador de su sistema algo procesable. Reunidos durante unos meses, esos reportes son la evidencia que logra que se financie un sitio receptor, que se exija un amplificador dentro de un edificio con problemas, o que se cambie un plan de canales, y nada de eso ocurre solo porque alguien diga que los radios funcionan mal en el sector norte.

Qué hacer en su agencia

• Pídale a su oficial de entrenamiento que agregue un bloque de quince minutos al próximo simulacro programado de la compañía, en el que cada miembro indique en qué banda opera el departamento, qué implica la longitud de onda para su antena, y si su canal principal es de repetidor o simplex, y luego demuestre un radio check desde dentro de un edificio en el distrito de respuesta.
• Pregúntele por escrito al administrador de su sistema de radio si su sistema tiene sitios receptores satélite, dónde están, y si las áreas de falla de entrada de voz conocidas tienen cobertura de receptor, y lleve la respuesta a la agenda de la reunión donde ya se trata el tema de comunicaciones.
• Inicie este mes un registro de una página de zonas muertas en cada estación, con columnas para ubicación, fecha y hora, canal, modelo de radio, y si la falla fue de entrada, de salida o de ambas, y designe a un oficial por estación que las recopile y las envíe mensualmente.
• Saque cualquier mapa de cobertura en el que su agencia confíe actualmente y obtenga respuestas por escrito de quien lo produjo sobre el criterio de calidad de audio, el porcentaje de confiabilidad y si es de área o de borde, la unidad de suscriptor modelada, y la pérdida de penetración de edificio asumida para la cobertura interior.
• Haga que el oficial de comunicaciones verifique que el directo o talkaround esté programado y claramente etiquetado en cada canal de repetidor del codeplug de la flota, y que los miembros puedan explicar qué hace antes de necesitarlo.
• Revise que cada antena móvil de la flota siga montada donde fue diseñada para montarse, que no esté rota o envuelta en una barra de luces, y que tenga una conexión de línea de transmisión que nadie haya aplastado en una puerta de compartimiento, e incluya esa revisión en el formulario de inspección trimestral de unidades ya existente.
• Pídale al encargado del programa de baterías la distribución de códigos de fecha de las baterías de portátiles emitidas y retire de servicio cualquiera que haya superado la vida útil declarada por el fabricante, porque una batería débil degrada la mitad más débil del enlace.

Puntos clave

• La longitud de onda en metros es aproximadamente 300 dividido entre la frecuencia en megahercios, lo cual explica por qué un portátil VHF necesita un látigo largo y uno de 800 MHz puede usar una antena corta, y por qué las dos bandas interactúan de manera tan distinta con árboles, puertas y materiales de construcción.
• VHF alrededor de 150 MHz generalmente rinde mejor en el monte y sobre crestas porque la atenuación por vegetación aumenta con la frecuencia y las ondas más largas se difractan alrededor de obstáculos con más eficacia, mientras que UHF y 700/800 MHz generalmente rinden mejor dentro de edificios porque las ondas más cortas atraviesan y rodean las aberturas que un edificio realmente tiene.
• La altura le gana a la potencia en casi todos los trayectos a estas frecuencias, ya que subir una antena cambia la geometría del trayecto mientras que agregar potencia de transmisor solo suma unos pocos decibelios a un trayecto que está físicamente bloqueado.
• Un repetidor le está vendiendo una antena alta, una buena línea de transmisión y un receptor sensible en un sitio fijo, de modo que dos portátiles que alcanzan muchas millas a través de un repetidor pueden alcanzar solo una fracción pequeña de esa distancia entre sí en simplex.
• La salida y la entrada de voz no son simétricas, porque el repetidor transmite muchísima más potencia desde una antena mucho mejor que su portátil, razón por la cual escuchar al despacho con claridad no prueba nada sobre si el despacho puede escucharlo a usted.
• Pasar de un portátil de cinco vatios a un móvil de cincuenta vatios son diez decibelios, lo cual sobre terreno real compra considerablemente menos que el doble de alcance, y la mayor parte de la ventaja real del móvil viene de su antena, su plano de tierra y su altura de montaje, más que de la potencia.
• Los mapas de cobertura son predicciones de modelo, y no significan nada hasta que usted conozca el criterio de calidad de audio, el porcentaje de confiabilidad y su base, la unidad de suscriptor asumida, y la pérdida de penetración de edificio restada para la predicción interior.
• Las zonas muertas reportadas con ubicación, hora, canal y dirección de la falla son lo que logra que se financie un sitio receptor o un sistema dentro de un edificio, mientras que las quejas generales sobre radios malos no logran nada.