SIMULACIÓN DE RADIOENLACES UTILIZANDO RADIOMOBILE Sebastián Ceballos Roldán, estudiante de Ing. Electrónica
[email protected] Universidad Tecnológica Metropolitana Ingeniería Electrónica Laboratorio de Transmisores y Antenas, profesor Vicente Montesinos
1.- INTRODUCCIÓN
E
n el presente informe se describe el desarrollo mediante RadioMobile de los radioenlaces propuestos en el laboratorio de Transmisores y Antenas. Entre los modelos propuestos se encuentran:
mediante el método de Vander Pol-Bremmer modificado [1].
Un enlace WIFI entre Los Olmos y Talagante. Un enlace WIMAX entre San Enrique y Chimbarongo. Un enlace problemático triple bajo las norma WIFI entre Navidad, Rapel y La Boca.
Figura 1: Modelo de reflexión terrestre de 2 rayos
Un enlace entre Tongoy y Los Vilos en banda de frecuencias VHF. 2.- ¿QUÉ ES RADIOMOBILE? Radio Mobile es una herramienta de software que permite simular radioenlaces. Provee de un gran rango de frecuencias (20MHz a 20GHz). Usa un modelo topográfico digital que entrega la elevación del terreno y en base a ello pude calcular enlaces virtuales aplicando el modelo de radiación de Longley-Rice o ITM, considerando parámetros como la ganancia, pérdidas en el espacio, zonas de Fresnel, altura de las antenas, entre otros [2]. El modelo de Longley-Rice (ITM)
El modelo de ITM (o modelo de terreno irregular) se aplica a sistemas punto a punto, con un rango de frecuencias entre las bandas VHF y EHF, desde los 40 MHz hasta los 100 GHz. La pérdida media de propagación se obtiene de la geometría en torno al enlace y de las características refractivas de la atmósfera. La potencia de la señal dentro del horizonte (LOS) se determina mediante el modelo de reflexión terrestre de 2 rayos (figura 1). Las pérdidas por difracción por obstáculos aislados son calculados por el modelo “filo de cuchillo” de Fresnel-Kirchoff. Además para largas distancias, el modelo considera la dispersión en la tropósfera. Para las pérdidas de difracción en el campo lejano a distancias del doble del horizonte son predichas
El modelo ITM trabaja en dos modos: Uno de predicción punto a punto y otro de predicción de área dependiendo del perfil del terreno que se esté utilizando. El modelo de predicción punto a punto es más eficiente pero implica que los datos topográficos sean lo más exactos posibles [2]. SRTM
Son las siglas de Shuttle Radar Topography Mission y es un proyecto de la NASA que proporciona información topográfica digital. Esta cartografía contiene muestras de datos de alturas obtenidas por radar. Para Latinoamérica, las imágenes tienen una resolución de 3 segundos de arco correspondiendo a unos 90 metros [2].
3.- SIMULACIONES REALIZADAS Se realizaron 3 tipos de simulaciones para distintas bandas de frecuencias bajo las especificaciones WIFI (802.11g), y WIMAX (802.16), para la mayoría de los casos. Además un caso (entre Tongoy y los Vilos) para la banda de televisión VHF (entre los 144 y 145 [MHz]). Las coordenadas se obtuvieron del software GoogleEarth en la mayoría de los casos. Enlace entre Los Olmos y Talagante
En enlace se realizó a una distancia de 5.2 [km] a la frecuencia de 2.4 GHz (WIFI), con una potencia de
1
transmisión de 20 [dBm] (100 [mW]), antenas helicoidales (como las que se realizó en la experiencia anterior, pero que en su defecto se utilizaron antenas Yagi de ganancia 12 [dBi]). Además el umbral del receptor de -90 [dBm]. Las coordenadas son:
Localidad
Latitud (S)
Longitud (O)
Los Olmos
33º 39’ 58.62’’ 33º 39’ 58.32’’
70º 51’ 59,25’’ 70º 55’ 21,58’’
Talagante
Figura 3: Zonas de Fresnel para el radioenlace, que demuestran que no es posible
Claramente el enlace no es posible (peor Fresnel de -104.7), si aumentamos la altura de las antenas, el enlace es posible. Si la antena de Los Olmos tiene 60 [m] de altura y la antena de Talagante tiene 350 [m] de altura, se obtiene el peor Fresnel de 0.7. Lo que se aprecia a continuación:
Tabla 1: Coordenadas de Los Olmos y Talagante.
Considerando una altura de las antenas de 6 metros, se aprecia el siguiente escenario:
Figura 4: Zonas de Fresnel aumentando considerablemente la altura de las antenas, ahora el enlace se realiza
En la realidad este enlace tampoco es posible debido a la gran altitud de las antenas, una solución posible es la de utilizar dos repetidores en la línea visual de ambas antenas.
Figura 2: Enlace WIFI entre Talagante y Los Olmos (la línea roja significa que el radioenlace es imposible) Figura 5: El radioenlace propuesto con dos repetidores
Con el siguiente diagrama que ejemplifica el enlace de radio con la línea de vista y las respectivas zonas de Fresnel:
Visualizando las Zonas de Fresnel:
2
Figura 6: Zonas de Fresnel con dos repetidores, ahora el enlace es posible
Como se aprecia en la figura anterior se observan las antenas repetidoras de 6 [m], lo que implicó favorablemente una disminución del tamaño de las antenas: para Talagante de 10[m] y Los Olmos de 11[m].
Enlace entre San Enrique y Chimbarongo
El enlace se realizó a una distancia de 6,64 [km] a la frecuencia de 3.6 GHz (WIMAX), con una potencia de transmisión de 20 [dBm] (100 [mW]), antenas omnidireccionales de ganancia 12 [dBi]. Lo que requirió el profesor, fue determinar las alturas óptimas de las antenas, para un peor Fresnel de 1. Nuevamente se considera el umbral del receptor de -90 [dBm]. Las coordenadas son:
Localidad
Latitud (S)
Longitud (O)
San Enrique Chimbarongo
34º 44’ 6,4’’ 34º 42’ 28,6’’
70º 58’ 39,6’’ 71º 2’ 32,8’’
Figura 8: Zonas de Fresnel para el enlace entre Chimbarongo y San Enrique
Una extensión del trabajo podría ser que a partir de la antena en San Enrique se distribuya la señal a tres puntos más (que podrían ser colegios, sucursales de una empresa, etc.), lo que se nuestra a continuación, además se presentan los enlaces entre San Enrique y las Escuelas 1, 2 y 3:
Tabla 2: Coordenadas de San Enrique y Chimbarongo
Figura 7: Enlace WIMAX entre Chimbarongo y San Enrique
El enlace óptimo (para un peor Fresnel de 1) (ver figuras 7 y 8) se obtiene con las alturas de las antenas mostradas en la tabla 3.
Localidad
Altura de la antena [m]
San Enrique Chimbarongo
13 12
Figura 9: Enlace WIMAX entre Chimbarongo, San Enrique y tres Nodos más.
Tabla 3: Alturas de las antenas para el enlace
3
Figura 12: Entre La Boca y Navidad
Figura 10: Zonas de Fresnel para el enlace entre San Enrique y las Escuelas 1, 2 y 3.
Con alturas mínimas para las antenas y los peores Fresnel, se presentan en la tabla 4:
Localidad
Escuela 1 Escuela2 Escuela 3
Altura de la antena [m]
Peor Fresnel
5 5 10
3.9 3.0 1.3
Tabla 4: Alturas de las antenas para el enlace y peor Fresnel entre san Enrique y las Escuelas 1, 2 y 3.
Enlace entre Navidad, Rapel y la Boca
El enlace se realizó a una frecuencia de 2.4 GHz (WIFI), con una potencia de transmisión de 20 [dBm] (100 [mW]), antenas omnidireccionales de ganancia 12 [dBi].
Figura 13: Entre Rapel y Navidad
Si utilizamos 2 repetidores, logramos un enlace eficiente, con las siguientes alturas de las antenas:
Localidad
Altura de la antena [m]
Navidad La Boca Rapel Repetidor 1 Repetidor 2
5 10 10 25 10
Tabla 6: Alturas de las antenas para el enlace con repetidores entre Navidad, Rapel y La Boca.
Las coordenadas son las siguientes:
Localidad
Latitud (S)
Longitud (O)
Navidad La Boca Rapel
33º 57’ 11,5’’ 33º 55’ 25,3’’ 33º 56’ 47,7’’
71º 49’ 51.1’’ 71º 50’ 45,3’’ 71º 44’ 18,1’’
Tabla 5: Coordenadas de Navidad, La Boca y Rapel Figura 14: Enlace con repetidores entre Rapel, Navidad y La Boca
Al ingresar estas coordenadas se aprecia lo complicada que es la zona para un enlace vía radio, a continuación se presenta la línea de vista entre los distintos enlaces, con alturas de 25 [m] para las antenas:
Figura 11: Entre la Boca y Rapel
Las distancias y los peores Fresnel de los enlaces, se resumen a continuación:
Enlace
Peor Fresnel
Distancia [km]
La Boca – Repetidor 2 Repetidor 2 – Navidad Repetidor 2 – Repetidor 1
3.5
1.02
2.6
2.57
1.4
4.68
4
Repetidor 1 – Rapel
1.2
4.88
Tabla 7: Peor Fresnel y distancia entre las antenas para el radioenlace con dos repetidores.
Las regiones visuales se aprecian en la figura 15, donde se aprecian los peores Fresnel (todos mayores que 1) y lo pequeñas (físicamente realizables) que resultan las antenas:
Figura 16: Antenas Robustas, para climas extremos. Potencia 500W, Ganancia 5.65dBi
Debido a la considerable distancia (casi 185 [km]) y a la existencia de muchos cerros en la línea directa (ver figura 17), el enlace sin repetidores resulta imposible.
Figura 17: Enlaces directo entre Tongoy y Los Vilos.
Figura 15: Enlaces (desde arriba hacia abajo) entre: La boca y Repetidor 2, Repetidor 2 y Navidad, Repetidor 2 y Repetidor 1, Repetidor 1 y Rapel.
Enlace entre Tongoy y Los Vilos
El enlace se realizó a una frecuencia de 144,5 MHz (VHF), con una potencia de transmisión de 57 [dBm] (500 [W]), antenas omnidireccionales de ganancia 5.65 [dBi] (parámetros de una antena comercial [3]).
Intuitivamente, de la figura podríamos empezar a ubicar en cada pico una torre, pero esto sería engorroso y se ocuparían por lo menos 5 repetidores. Pero del mapa (que no lo incluyo por lo extenso que es), se aprecian altitudes que resultan ventajosas para la instalación de torres, lo que en definitiva resultaron 3 repetidores, por lo tanto 5 enlaces. Cabe estacar que al ser un enlace VHF de mayor distancia se consideran los efectos de la Tropósfera [4].
Enlace
Peor Fresnel
Distancia [km]
Los Vilos – Repetidor 1 Repetidor 1 – Repetidor 2 Repetidor 2 – Repetidor 3 Repetidor 3 – Tongoy
0.6
89.3
2.6
22.8
1.4
104.2
1.2
35.2
Tabla 8: Peor Fresnel y distancia entre las antenas para el radioenlace con tres repetidores.
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con la utilización del software, ya que es simplemente una primera etapa de aproximación a un enlace, ya que para la realización del enlace es necesario medir en terreno. Por otra parte se demuestran lo factibles que pueden llegar a ser los enlaces inalámbricos en zonas apartadas de Chile. Es posible suministrar de Internet a zonas bastante alejadas mediante las normas WIFI y WIMAX. Además en la banda VHF, con la televisión digital será posible llegar a zonas alejadas con una señal de alta calidad. Aunque estos enlaces impliquen un mayor costo, el que se justifica ya que es una señal de TV.
6.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Marcelo R. Mazzaro, Tesis de Post-Grado “Modelización de canal RF para las frecuencias de 850 y 1900 MHz”. Instituto Tecnológico de Buenos Aires. 2005. Figura 18: Enlaces (desde arriba hacia abajo) entre: Los Vilos y Repetidor 1, Repetidor 1 y Repetidor 2, Repetidor 2 y Repetidor 3, Repetidor 3 y Tongoy.
Al ser un enlace en VHF las alturas de las Torres pueden ser de hasta 80 [m] [4]. Las alturas se resumen en la tabla 9:
Localidad
Altura de la Torre [m]
Los Vilos Repetidor 1 Repetidor 2 Repetidor 3 Tongoy
50 50
[2] Alberto Escudero Pascual, Tutorial RadioMobile “Iniciándose con el Radio Mobile” disponible en: www.wilac.net/tricalcar [3] Antenas VHF de altas prestaciones: www.msmcomunicaciones.com/index.htm [4] Hernan Selva, “Propagación en VHF”, página personal: www.lw8die.santoslugares.com/propagación.htm
50 50 35
Tabla 9: Alturas de las torres para el enlace con repetidores entre Tongoy y Los Vilos.
5.- CONCLUSIONES Después de desarrollar la experiencia se ha demostrado lo útil que es el software RadioMobile para simular radioenlaces, ofreciendo además soluciones alternativas que abaratarían los costos de tales enlaces. Aunque no basta sólo
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