DISEÑO Y ESTUDIO DE VIABILIDAD DE RADIOENLACES Nestor Eduardo Polania Vargas, Universidad Surcolombiana Neiva, Colombia
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Abstract– En este documento se encuentra plasmado una forma de diseñar un radioenlace a partir del software RADIO MOBILE el cual nos brinda un análisis completo de saber cómo enlazar diferentes puntos conociendo su ubicación, en la cual podemos observar el espacio geográfico en el cual se realizara el enlace de comunicación, se debe tener en cuenta que en un territorio con muchas fallas geográficas se deben realizar diferentes sistemas de repetidores para un óptimo funcionamiento del sistema.
I. INTRODUCCION La gran importancia predecir mediante simulaciones el comportamiento de sistemas de transmisión y diferentes radioenlaces, para esto, se encuentran un gran número de herramientas bastante poderosas como lo es el software como Radio Mobile mediante el uso de mapas SRTM (Space Shuttler Radar Terrain Mapping Mission) con información de las elevación a nivel global, permite realizar cálculos y obtener todos los datos necesarios para modelar un radioenlace funcional, y nos permite apreciar así mismo, como sería posible realizar diferentes tipos de transmisiones que podrían ser llevadas más tarde a la aplicación en la vida real. RadioMobile utiliza para la evaluación de los enlaces, el perfil geográfico de las zonas de trabajo. La obtención de estos mapas puede realizarse directamente desde una opción del software que permite descargarlos de Internet. Hay tres tipos de mapas disponibles: los SRTM, los GTOPO30 y los DTED. Al igual que el modelo de propagación en el que se basa, permite trabajar con frecuencias entre los 20MHz y 40GHz y longitudes de trayecto de entre 1 y 2000 Km.
III. MARCO TEÓRICO Se denomina radio enlace a cualquier interconexión entre los terminales de telecomunicaciones efectuados por ondas electromagnéticas. Si los terminales son fijos, el servicio se lo denomina como tal y si algún terminal es móvil, se lo denomina dentro de los servicios de esas características. Se puede definir al radio enlace del servicio fijo, como sistemas de comunicaciones entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan una capacidad de información, con características de calidad y disponibilidad determinadas. Típicamente estos enlaces se explotan entre los 800 MHz y 42 GHz. Los radio enlaces, establecen un concepto de comunicación del tipo dúplex, de donde se deben transmitir dos portadoras moduladas: una para la Transmisión y otra para la recepción. Al par de frecuencia asignada para la transmisión y recepción de las señales, se lo denomina radio canal. Los enlaces se hacen básicamente entre puntos visibles, es decir, puntos altos de la topografía. Cualquiera que sea la magnitud del sistema de microondas, para un correcto funcionamiento es necesario que los recorridos entre enlaces tengan una altura libre adecuada para la propagación en toda época del año, tomando en cuenta las variaciones de las condiciones atmosféricas de la región. Para poder calcular las alturas libres debe conocerse la topografía del terreno, así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedan existir en el trayecto.
A. Conceptos de Diseño Los radio enlaces de microondas se realizan sólo si existe una vista del receptor (LOS, Line Of Sight), proveen conectividad de una manera sencilla y práctica entre dos o más sitios. La línea de visión (LOS) implica que la antena en un extremo del radio enlace debe poder "ver" la antena del otro extremo. El diseño de un radio enlace de microondas LOS involucra cuatro pasos básicos:
1. Elección del sitio de instalación 2. Relevamiento del perfil del terreno y cálculo de la altura del mástil para la antena 3. Cálculo completo del radio enlace, estudio de la trayectoria del mismo y los efectos a los que se encuentra expuesto. 4. Prueba posterior a la instalación del radio enlace, y su posterior puesta en servicio con tráfico real.
B. Estructura de un radio enlace Un radio enlace está constituido por estaciones terminales y repetidoras intermedias, con equipos transceptores, antenas y elementos de supervisión y reserva. Además de las estaciones repetidoras, existen las estaciones nodales donde se demodula la señal y de la baja a banda base y en ocasiones se extraen o se insertan canales. Al tramo terminal estación nodal se lo denomina sección de conmutación y es una entidad de control, protección y supervisión. En cuanto a los repetidores se los puede clasificar en activos o pasivos. - Activos: En ellos se recibe la señal en la frecuencia de portadora y se la baja a una frecuencia intermedia (FI) para amplificarla y retransmitirla en la frecuencia de salida. No hay demodulación y son transceptores. - Pasivos: Se comportan como espejos que reflejan la señal y se los puede dividir en pasivos convencionales, que son una pantalla reflectora y los pasivos back-back, que están constituidos por dos antenas espalda a espalda. Se los utiliza en ciertos casos para salvar obstáculos aislados y de corta distancia. Además de la elección de los equipos de radio y de sus parámetros de funcionamiento, los factores más importantes que determinan las prestaciones de un sistema fijo de acceso inalámbrico son la buena situación de las antenas, la correcta planificación del enlace radioeléctrico y la elección de un canal libre de interferencias. Sólo con una buena planificación del enlace entre antenas puede conseguirse evitar las interferencias y los desvanecimientos de la señal, alcanzando una alta disponibilidad en el sistema. La planificación del enlace radioeléctrico de un sistema de radiocomunicaciones comienza con el cálculo del alcance. Para ello se deben conocer la banda de frecuencias, las características climáticas de la zona y las especificaciones técnicas de los equipos de radio: potencia del transmisor,
ganancia de las antenas, sensibilidad del receptor, tasa de error, disponibilidad, etc. Este cálculo del alcance del sistema constituye una primera estimación teórica que deberá verificarse tras la instalación de los equipos. La utilización de aplicaciones informáticas de simulación con cartografías digitales del terreno y de los edificios constituye una potente herramienta de ayuda en la planificación. Valiéndose de las mismas es posible determinar las mejores localizaciones para instalar las antenas y estimar su alcance o cobertura, así como los posibles niveles de interferencia que provienen de otros emplazamientos vecinos, especialmente en el caso de sistemas celulares o de acceso radio punto a multipunto. Posteriormente, las visitas a los posibles emplazamientos permiten determinar su aptitud para albergar los equipos de radiocomunicaciones. Otro tipo de factores que también deben tenerse en cuenta son los atmosféricos y meteorológicos. En los radioenlaces troposféricos se producen atenuaciones de la señal durante su propagación, causadas por la absorción y dispersión en hidrometeoros como la lluvia, la nieve, el granizo o la niebla. Estos efectos son especialmente importantes en el caso de sistemas que trabajan a frecuencias milimétricas. Aunque la atenuación causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 5 GHz, ésta debe incluirse en los cálculos de diseño a frecuencias superiores donde su importancia aumenta rápidamente. La atenuación específica debida a la lluvia puede calcularse a partir de la Recomendación UIT-R 838. Dicha atenuación es ligeramente superior para polarización horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento experimentado durante la caída. Para la predicción de la atenuación producida por la lluvia se necesita información sobre las estadísticas de intensidad de precipitación. En la Recomendación UIT-R PN.837-1 se proporcionan valores de intensidad de lluvia excedidos durante determinados porcentajes de tiempo y para distintas zonas hidro-meteorológicas mundiales. Para Colombia se tiene una intensidad de precipitación, descrita en ésta recomendación, de 5mm/h con un porcentaje de tiempo del 1%. De ésta forma se puede estimar una atenuación y dispersión relacionada con precipitaciones. Como se ha visto, el diseño de un radioenlace involucra una gran variedad de cuestiones a tener en cuenta: emplazamiento, selección de equipos, cálculo del balance de potencias, identificación de obstáculos y posibles interferencias, fenómenos de atenuación y desvanecimiento de las señales, etc. Si bien actualmente la existencia de herramientas informáticas de simulación facilita enormemente la tarea, es importante conocer de primera mano todos los aspectos que pueden influir en el funcionamiento del radioenlace. De este modo, durante la fase final de verificación e instalación de los equipos será posible identificar las posibles causas de un mal funcionamiento y arbitrar los mecanismos adecuados para solucionarlo.
III. SISTEMA DE RADIOENLACE A. Radio enlace punto a punto Piedecuesta-Socorro Para poder realizar el radioenlace adecuado se utilizó el programa Google Earth para ubicar las poblaciones que se van a enlazar, en este caso Piedecuesta y Socorro ubicados en el departamento de Santander. Al ubicar estas dos poblaciones se puede observar la distancia en línea recta con lo cual se realizaran los respectivos cálculos de la transmisión. A partir de esta ubicación se debe elegir una zona, la cual abarque las dos poblaciones a enlazar el cual lo llamaremos CENTRO como se observa a continuación
Fig2. Tabla de especificacion Antena- hyperlink wireless 32dB 5.1 a 5.8GHz Modelo HG5158DP-32D
Cable coaxial RG-8
Fig. 3 Perdidas en dB/m según el tipo de cable
Fig 1. Vista satelital de Piedecuesta-Socorro
Altura de la torre: 45m Frecuencia central de operación 5800MHz
Al ubicar estos dos puntos con marcadores, los cuales nos permiten ver las coordenadas de estas dos poblaciones. Ingresando las coordenadas en RADIO MOBILE de estas dos poblaciones se ubicaron geográficamente en la región seleccionada a trabajar. Para la comunicación en estas dos poblaciones se utilizó un sistema al cual se denominó ANTENA HYPERLINK, en cual se utilizaron las siguientes características de componentes:
Antena- hyperlink wireless 32dB 5.1 a 5.8GHz Modelo HG5158DP-32D
Fig.4 Parámetros del enlace
De lo anterior, se obtuvo un sistema con las siguientes características:
Fig.5 Caracteristicas de sistema ANTENA HYPERLINK
De lo anterior se puede apreciar, por ser esta un región con muchas fallas geográficas no es posible realizar un enlace directo ya que no hay línea de vista, por lo cual se deben instalar los sistemas necesarios para obtener un enlace óptimo. Fig.7 Direccionamiento y Patrón de radiación de las antenas
Fig.6 Línea de vista entre Piedecuesta y Socorro
Fig.8 Vista Radio link entre Piedecuesta-Socorro
Al no ser un sistema viable se debe utilizar un sistema alterno el cual garantice la comunicación entre estas dos poblaciones con el fin de obtener un enlace viable, para esto situó en las coordenadas 6°56’21,4’’ N, 73°18’1,1’’ W ya que esta presenta un elevación máxima entre estos dos puntos la cual es 2332m
𝐿𝑏1 = 137.38 𝑑𝐵
Para la segunda etapa (repetidora-Socorro) se realiza el mismo procedimiento anterior: -
Distancia entre repetidora y Socorro: 48,255 Km
𝐿𝑏2 [𝑑𝐵] = 32.5 + 20. log(48.255) + 20. log(5800) 𝐿𝑏2 = 141.44 𝑑𝐵 La pérdida total será la suma las pérdidas anteriores:
𝐿𝑏 = 𝐿𝑏1 + 𝐿𝑏2 = 278.82 𝑑𝐵
ALCANCE ÓPTICO DEL RADIOENLACE:
Como para éste caso se usó antenas y torres de transmisión y recepción de la misma altura ℎ 𝑇𝑥 = ℎ𝑅𝑥 = 45𝑚 entonces el alcance óptico es: Fig.9 Enlace entre Piedecuesta-Socorro con repetidora
El software arrojo los datos de distancia entre las antenas con los cuales se realizan los siguientes cálculos como perdidas en el espacio libre, alcance óptico, atenuación por onda reflejada, punto de reflexión de la onda y atenuación por precipitación
PÉRDIDAS EN EL ESPACIO LIBRE PIEDECUESTA-SOCORRO:
𝑟0 = 3.57(√45 + √45) = 50.31𝐾𝑚 Lo anterior quiere decir que las torres y las antenas deben quedar a 45m de altura para que el alcance óptico para la segunda etapa sea el adecuado, ya que están a 48,255 Km. Cabe aclarar que en los cálculos realizados anteriormente se desprecia la curvatura de la tierra.
Donde d= distancia entre antenas (Km) y central del enlace (MHz).
f= frecuencia
Entonces para calcular las pérdidas en la primera etapa (Piedecuesta-repetidora) se tiene que: -
ATENUACIÓN POR ONDA REFLEJADA:
A continuación se calcula la atenuación por onda reflejada con base en la expresión anterior.
Distancia entre Piedecuesta y repetidora: 30,25 Km 𝜆𝑟 =
𝐿𝑏1 [𝑑𝐵] = 32.5 + 20. log(30.25) + 20. log(5800)
𝑐 3 ∗ 108 = = 0.052𝑚 𝑓 5.8 ∗ 109
2𝜋(45)(45) )| = 20. log(1.88) 0.052 = 5.48 𝑑𝐵
𝐹 = 20. 𝑙𝑜𝑔 |2 ∗ 𝑠𝑒𝑛 (
Se pudo obtener un enlace viable entre las dos poblaciones utilizando una repetidora intermedia con sistemas PIEDECUESTA-REPETIDORA y REPETIDORASOCORRO los cuales se presentan acontinucacion: -
SISTEMA PIEDECUESTA-REPETIDORA
PUNTO DE REFLEXIÓN DE LA ONDA
Para la primera etapa o tramo entre la población de Piedecuesta y la repetidora se tiene que:
Dónde: Ψ = Ángulo de incidencia ht = Altura de la antena transmisora hr = Altura de la antena receptora d = Distancia entre las mismas 45 + 45 Ψ = arctan ( ) = arctan(0.00298) 30250 = 0.17 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠(º)
Fig.10 Sistema de enlace PIEDECUESTA-REPETIDORA
De igual forma se obtiene para la segunda etapa y el punto de reflexión de la onda será: 45 + 45 Ψ = arctan ( ) = 0.11 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠(º) 48225
.
ATENUACION POR PRECIPITACION
Puede calcularse a partir de la recomendación UIT-R838 donde se especifica la atenuación como 𝛶 = 𝑘𝑅𝑎 (dB/Km) Donde k y a son unas constantes que dependen de la frecuencia y de la polarización electromagnética. Para 5.8GHz se seleccionó un k=0.00155 y a=1.265 R=5mm/h 𝛶 = 0.0119(dB/Km)
Fig.11 Vista Radio link sistema de enlace PIEDECUESTAREPETIDORA
-
SISTEMA REPETIDORA-SOCORRO
Fig.14 Viabilidad de enlace Piedecuesta-Socorro
Fig.12 Sistema de enlace REPETIDORA-SOCORRO
Fig.15 Viabilidad de enlace PIEDECUESTA-REPETIDORA
Fig.13 Vista Radio link sistema de enlace REPETIDORASOCORRO
Exportando los datos obtenidos a GOOGLE EARTH, en cada uno de los casos se observa la viabilidad de los sistemas de comunicación directo y utilizando repetidora intermedia entre las poblaciones de Piedecuesta y Socorro
Fig.16 Viabilidad de enlace REPETIDORA-SOCORRO
B. Radio enlace desde Bucaramanga punto a punto y broadcast Wi-Fi para centros educativos en municipios de PIEDECUESTA y SOCORRO.
Realizado el enlace de enlace punto a punto de las poblaciones de Piedecuesta-Socorro se ubica el enlace de Bucaramanga a Piedecuesta
Lo anterior quiere decir que las torres y las antenas deben quedar a 10m de altura para que el alcance óptico para la segunda etapa sea el adecuado, ya que están a 13,45 Km. Cabe aclarar que en los cálculos realizados anteriormente se desprecia la curvatura de la tierra.
PÉRDIDAS EN EL ESPACIO LIBRE PIEDECUESTA-SOCORRO:
Entonces para calcular las pérdidas en la etapa (BucaramangaRepetidora2) se tiene que: -
ATENUACIÓN POR ONDA REFLEJADA:
Distancia entre Bucaramanga y Repetidora 2: 11,72 Km
A continuación se calcula la atenuación por onda reflejada con base en la expresión anterior. 𝜆𝑟 =
𝑐 3 ∗ 108 = = 0.052𝑚 𝑓 5.8 ∗ 109 2𝜋(10)(10) )| = 20. log(0,93) 0.052 = −0,63 𝑑𝐵
𝐹 = 20. 𝑙𝑜𝑔 |2 ∗ 𝑠𝑒𝑛 ( 𝐿𝑏1 [𝑑𝐵] = 32.5 + 20. log(11.72) + 20. log(5800) 𝐿𝑏1 = 129.15 𝑑𝐵 -
Distancia entre Repetidora2 y Piedecuesta: 13,45 Km
PUNTO DE REFLEXIÓN DE LA ONDA
Para la primera etapa o tramo entre la población de Bucaramanga y Repetidora 2 se tiene que:
𝐿𝑏2 [𝑑𝐵] = 32.5 + 20. log(13,45) + 20. log(5800) 𝐿𝑏2 = 130,31 𝑑𝐵 La pérdida total será la suma las pérdidas anteriores:
𝐿𝑏 = 𝐿𝑏1 + 𝐿𝑏2 = 259,46 𝑑𝐵
Dónde: Ψ = Ángulo de incidencia ht = Altura de la antena transmisora hr = Altura de la antena receptora
ALCANCE ÓPTICO DEL RADIOENLACE:
d = Distancia entre las mismas 10 + 10 Ψ = arctan ( ) = 0.098 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠(º) 11720
Como para éste caso se usó antenas y torres de transmisión y recepción de la misma altura ℎ 𝑇𝑥 = ℎ𝑅𝑥 = 10𝑚 entonces el alcance óptico es: 𝑟0 = 3.57(√10 + √10) = 23,72𝐾𝑚
Para la segunda etapa o tramo entre la población de Repetidora 2 a Piedecuesta se tiene que: 10 + 10 Ψ = arctan ( ) = 0.085 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠(º) 13450
En la imagen se muestra el sistema enlazado desde Bucaramanga hasta Socorro, de anterior se requiere establecer un enlace de broadcast WiFi en las poblaciones de Piedecuesta y Socorro de modo que estas cuenten con cobertura para los centro educativos de cada uno de los municipios.
Para esto se utiliza una Antena Omnidireccional WiFi 12dbi de 2.4GHz
Fig.18 Configuración Omnidireccional Wifi
Las redes que se utilizan poseen las mismas características de parámetros los cuales se modificaron de la siguiente manera:
Fig.17 Especificaciones Antena Omnidireccional WiFi 12dbi de 2.4GHz
Para realizar la cobertuta de los dos municipios se realizó la implementación de dos sistemas omnidireccionales los cuales nos garantizaran mayor servicio a las instituciones educativas. El primer sistema que se realiza es un Sistema Omnidireccional Wifi configurado de la siguiente manera: Fig.19 Configuración de parámetros de red
Al realizar un análisis de cobertura en los dos municipios se obtiene un cubrimiento amplio en las áreas aledañas con lo se puede cumplir el requisito de cobertura en los centros educativos. Se puede observar a través del radio polar de
cobertura, la intensidad de la señal WiFi de acuerdo a un punto central de cada una de las poblaciones.
Fig.20 Radio polar de cobertura de WiFi y Radioenlace punto a punto
IV. CONCLUSIONES
La utilización de un sistema directo entre los dos municipios no fue adecuado debido a que se encuentra en un sitio en el cual no brinda una línea de vista entre las dos antenas se debe realizar un análisis del terreno el cual nos brindara una opción viable para la comunicación entre dos puntos.
Se debe tener en cuenta el terreno en el cual se va a realizar el enlace debido a que en este caso se necesitaron sistemas alternos para poder enlazar los diferentes puntos, para esto se ubicaron repetidoras en los puntos más altos y adecuados de modo de convertir el enlace defectuoso en un enlace optimo y rentable.
Se tiene en cuenta las pérdidas que se obtienen en el sistema debido a la altura de la antena, ya que presenta perdidas aproximadas de 0,39 dB/m al utilizar un cable coaxial RG-8, también a las características de la antena que se planteó en la conexión entre Piedecuesta y Socorro, utilizando un sistema de antenas de aproximadamente 45 metros, debido al terreno quebrado que presenta durante la trayectoria de estas dos poblaciones.
En la implementación de un enlace se tienen en cuenta parámetros importantes como las perdidas en espacio libre en esta caso en cada trayecto de los enlaces desde la transmisora hasta el objetivo final en este aspecto se presentan perdidas con respecto a la distancia entre las antenas de modo que cada una de las antenas y repetidoras posean un alcance óptimo para realizar un enlace adecuado, para este sistema se tuvo en cuenta las pérdidas del sistema total dependiendo de la distancias entre las antenas. Por otra parte, la altura es conveniente para poder realizar un cálculo del alcance adecuado de transmisión.
Se utilizó un enlace desde Bucaramanga hasta Socorro con lo cual se requería hacer una cobertura de WiFi en los municipios de Piedecuesta y Socorro, para esto se realiza un enlace punto a punto con frecuencia de 5.8GHz entre Bucaramanga y Piedecuesta por medio de una repetidora ubicada en un punto adecuado de transmisión de modo que sea un enlace rentable y óptimo.
Se observó que la cobertura de WiFi en los municipios de es indicado para los centros educativos de Piedecuesta y Socorro por el cual existe un sistema viable entre Bucaramanga, Piedecuesta y Socorro.
RECONOCIMIENTOS Un reconocimiento a los monitores del área MIGUEL ANGEL SANCHEZ VANEGAS y GERMAN VARGAS OBANDO debido a las instrucciones brindadas durante la sesión de laboratorio; en la explicación detallada del software utilizado de manera práctica y sencilla
REFERENCIAS [1] RAMOS PASCUAL, Francisco. Diseño de Radioenlaces. Universidad de Valencia. [2] ALVAREZ, Roxana, MORAN,Douglas. Implementacionde sistemas de radiodifusión de audio y video en 470MHz para la FIC y 5.8GHz para CTI y tutorial del diseño de los radio enlaces implementados [3] MOROCHO, Marco LUDEÑA, Patricia, Planificación de radio enlaces con base en topografía digital.
