Tesis Reconectadores Centrosur

UNIVERSIDAD DE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO E STUDIO Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES PARA RECONECTADORES RECONECTADORES DE LA CENTRO SUR “

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Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Eléctrico. Autores: Luis Iván Sánchez Loor Pedro Adrián Torres Bermeo Director: Ing. Juan Andrade Rodas Tutores: Ing. Emilio Landázuri. Ing. Vinicio Méndez Ing. Tito Torres

Cuenca, Julio 2009

Las ideas expresadas en la presente tesis, son responsabilidad de los autores.

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Iván Sánchez Loor

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Adrián Torres Bermeo

Certifico que bajo mi dirección, la tesis fue realizada por los señores: Luis Iván Sánchez Loor. Pedro Adrián Torres Bermeo.

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Ing. Juan Andrade Rodas DIRECTOR

Agradecimientos A la Universidad de Cuenca por brindarnos los conocimientos necesarios durante todos estos años, los mismos que nos permitirán servir de una manera ética y profesional a la sociedad.

A la Facultad de Ingeniería por que dentro de sus aulas se plasmaron cada día los objetivos y metas propuestas.

A la Empresa Eléctrica regional Centrosur, y en su nombre al Ingeniero Emilio Landázuri, por confiar en nuestras capacidades y conocimientos y brindarnos todas las facilidades para el normal desempeño de este trabajo de investigación.

A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería quienes incondicionalmente siempre nos brindaron sus conocimientos y experiencias complementando nuestra formación académica

De manera especial al Ingeniero Juan Andrade Rodas quién a más de transmitirnos sus conocimientos como docentes y luego como directores de esta tesis, siempre nos brindó su amistad y apoyo.

A todos nuestros compañeros y amigos por convertirse en un pilar fundamental de nuestra formación

Universidad de Cuenca

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Eléctrica

ÍNDICE GENERAL RESUMEN................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN. ...................................................................................................... 2

CAPÍTULO 1.............................................................................................................. 4 1.1 TELEMETRÍA AUTOMÁTICA. .......................................................................... 4 1.1.1 Funcionalidades del Sistema de Telemetría............................................... 4 1.2 RECONECTADORES AUTOMÁTICOS............................................................. 5 1.2.1 Reconectadores Electrónicos OVR........................................................... 5 1.2.1.1 Gabinete de Control OVR- Características. ....................................... 6 1.3 PCD (DISPOSITIVO DE CONTROL DE POTENCIA) DE LOS RECONECTADORES................................................................................................. 7 1.3.1 Comunicación y Control del PCD. ............................................................ 8 1.3.2 Puerto Serial Frontal RS-232. .................................................................... 8 1.3.3 Módulos. .................................................................................................... 9 1.3.4 Descripción de los Puertos de Comunicaciones. ..................................... 11 1.3.4.1 Puerto de Comunicaciones RS-232. ................................................. 11 1.3.4.2 Puerto de Comunicaciones RS-485. ................................................. 11 1.3.4.3 Puerto de Fibra Óptica. ..................................................................... 11 1.3.5 Descripción de los Módulos de Comunicación. ...................................... 11 1.3.5.1 Descripción del Módulo de Comunicaciones Tipo 2a. .................... 12 1.3.5.2 Descripción del Módulo CPU. ......................................................... 13 1.4 UNIDADES TERMINALES REMOTAS (RTU). .............................................. 13 1.4.1 Estructura de una RTU ............................................................................ 14 1.4.2 RTU Elitel – 4000.................................................................................... 14 1.4.2.1 Alcance y Soporte. ........................................................................... 15 1.4.2.2 Secuencia y Exploración de IED’s. .................................................. 16 1.4.2.3 Tratamiento de datos. ....................................................................... 18

CAPÍTULO 2............................................................................................................ 19 2.1 MODELO OSI. .................................................................................................... 19 2.2 PROTOCOLO DNP3.0 ........................................................................................ 20 2.2.1 DNP3 Serial. ....................................................................................... 21 2.2.2 DNP3 LAN / WAN. ............................................................................ 21 2.2.3 DNP3 en los sistemas SCADA. ........................................................... 22 2.2.4 Arquitectura DNP3............................................................................... 22 2.3 ESPECIFICACIONES DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN DNP. ...... 23 2.3.1 Características del protocolo DNP 3.0..................................................... 23 2.3.2 Respuestas no solicitadas. ........................................................................ 24 2.3.3 Bases de datos de estaciones maestras y remotas. ................................... 25 2.3.4 Capas del protocolo DNP3. ..................................................................... 26 2.3.4.1 Capa Física. ...................................................................................... 27 2.3.4.2 Capa de Enlace de Datos. ................................................................. 27 2.3.4.3 Capa de Pseudo Transporte. ............................................................. 27 2.3.4.4 Capa de aplicación. ........................................................................... 28 2.3.5 Implementación protocolo DNP 3.0 para el PCD de ABB...................... 29 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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2.3.5.1 Formato de tramas. ........................................................................... 30 2.3.5.2 Direccionamiento. ............................................................................ 34 2.3.5.3 Verificación CRC. ............................................................................ 34 2.3.5.4 Datos estáticos y eventos. ................................................................. 34 2.4 PRUEBAS FUNCIONALES DEL PROTOCOLO DNP 3.0. ............................. 34 2.4.1 Modo Monitor RS232. ............................................................................. 35 2.4.2 DNP3.0 sobre TCP/IP. ............................................................................ 36

CAPÍTULO 3............................................................................................................ 40 3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN. ........................... 40 3.1.1 Redes LAN. ............................................................................................. 40 3.1.1.1 Estándares LAN. .............................................................................. 41 3.1.1.2 Ethernet. ........................................................................................... 41 3.1.2 Redes WAN. ............................................................................................ 43 3.1.2.1 Topología de Redes WAN................................................................ 44 3.1.3 Tipos de Redes WAN. ............................................................................. 47 3.2 ESTRUCTURA DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. ............................. 47 3.2.1 Estructura de la Red Alámbrica. .............................................................. 47 3.2.2 Estructura de la Red Inalámbrica. ............................................................ 50 3.3 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA RED WAN. .............................. 57 3.4 COBERTURA Y CRECIMIENTOS PREVISTOS DE LA RED WAN............. 59 3.5 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE ACCESO Y GESTIÓN DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. .................................................................................... 61

CAPÍTULO 4........................................................................................................... 63 TECNOLOGÍAS GSM/GPRS/EDGE. ...................................................................... 63 4.1 ESTRUCTURA DE LA RED GSM. ................................................................... 63 4.1.1 Reparto del espectro disponible. .............................................................. 64 4.1.2 Arquitectura de red. ................................................................................. 65 4.1.2.1 Elementos de una red GSM. ............................................................. 65 4.2 ESTRUCTURA DE LA RED GPRS. .................................................................. 67 4.2.1 Tecnología GPRS. ................................................................................... 67 4.2.2 Transmisión por paquetes. ....................................................................... 68 4.2.3 Transmisión en paralelo. .......................................................................... 68 4.2.4 Velocidad de transferencia....................................................................... 69 4.2.5 Principales aplicaciones en GPRS: .......................................................... 69 4.2.6 Arquitectura de una red GPRS................................................................. 69 4.2.6.1 Modificación de elementos de red GSM. ......................................... 70 4.2.7 Enrutamiento de paquetes de datos.......................................................... 72 4.2.8 SMS (SHORT MESSAGE SERVICE). .................................................. 73 4.2.8.1 Generalidades. .................................................................................. 73 4.2.8.2 Ventajas del Servicio de Mensajería Corta. ..................................... 73 4.3 ANÁLISIS DE COBERTURA DE LAS REDES DE TELEFONÍA MÓVIL. ... 74 4.3.1 Servicio de la Operadora CONECEL (Porta). ......................................... 74 4.3.2 Servicio de la Operadora Movistar. ......................................................... 75 4.3.3 Cobertura GPRS para los Reconectadores............................................... 76 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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CAPÍTULO 5........................................................................................................ 78 TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS DE COMUNICACIÓN PARA LOS RECONECTADORES........................................................................................... 78 5.1 TECNOLOGÍA PLC. ........................................................................................... 78 5.1.1 Redes de Distribución de Energía............................................................ 78 5.1.2 Arquitectura de red BPL. ......................................................................... 79 5.1.3 BPL de media tensión. ............................................................................. 84 5.1.4 Problemas de BPL. .................................................................................. 85 5.1.5 Impacto de disturbios y limitación de tasas de datos. .............................. 85 5.1.6 Técnicas de Modulación para Sistemas BPL........................................... 86 5.1.6.1 Modulación OFDM. ......................................................................... 87 5.1.6.1.1 OFDM Esquema Multiportadora de Alta Velocidad................... 87 5.1.6.1.2 Esquemas de Modulación y Demodulación para OFDM. ............ 88 5.2 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA.............................. 89 5.2.2 Aspectos Generales de WLAN (Wireless LAN). .................................... 89 5.2.3 802.16 ...................................................................................................... 91 5.2.3.1 802.16d ............................................................................................. 91

CAPÍTULO 6............................................................................................................ 92 6.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LOS EQUIPOS RECONECTADORES. ..... 92 6.2 ESTRUCTURA GENERAL DE DISEÑO. ......................................................... 92 6.3 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA GPRS. ........................................ 94 6.3.1 Requerimientos técnicos del sistema. ...................................................... 94 6.3.1.1 Análisis del tráfico producido por el sistema durante la transmisión de datos. 94 6.3.1.1.1 Cálculo del volumen de datos capturados. ................................... 94 6.3.1.1.2 Cálculo de la cantidad de datos enviados por el PCD del reconectador. .................................................................................................. 95 6.3.1.1.3 Cálculo de la velocidad de transmisión. ....................................... 97 6.3.2 Selección y Características de los equipos GPRS. .................................. 97 6.3.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 101 6.3.4 Selección de reconectadores para tecnología GPRS.............................. 101 6.3.5 Diseño del sistema GPRS para el reconectador La Paz. ........................ 102 6.3.5.1 Características de la zona de servicio. ............................................ 102 6.3.5.2 Esquema de conexión. .................................................................... 102 6.3.5.3 Número de equipos GPRS en la red. .............................................. 103 6.4 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA BPL. ........................................ 103 6.4.1 Requerimientos del diseño con tecnología BPL. ................................... 103 6.4.2 Selección y características de los equipos BPL. .................................... 104 6.4.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 106 6.4.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 106 6.4.5 Diseño del sistema BPL para el reconectador Garaicoa. ....................... 107 6.4.5.1 Características de la zona de servicio. ............................................ 107 6.4.5.2 Esquema de conexión. .................................................................... 108 6.4.5.3 Número de equipos BPL en la red.................................................. 109 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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6.4.5.4 Ubicación de equipos en la red....................................................... 110 6.5 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA DE FIBRA ÓPTICA. .............. 111 6.5.1 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 111 6.5.2 Esquema de conexión. ........................................................................... 112 6.6 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA INALÁMBRICA. ................... 113 6.6.1 Requerimientos del diseño con tecnología inalámbrica W-MAN. ........ 113 6.6.2 Selección y características de los equipos. ............................................ 114 6.6.2.1 Equipos Alvarion Breeze Access VL. ............................................ 114 6.6.2.1.1 Especificaciones Técnicas. ......................................................... 114 6.6.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 119 6.6.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 120 6.6.5 Esquema de conexión. ........................................................................... 121 6.6.6 Diseño de enlaces................................................................................... 122 6.6.6.1 Determinación de los Parámetros de Desempeño de los Radioenlaces. ................................................................................................... 122 6.6.6.2 Enlace estación Señor Pungo – reconectador La Dolorosa. ............ 124 6.6.6.3 Diseño de enlaces considerando Perfiles Topográficos. ................ 126 6.6.7 Número de equipos necesarios para el enlace y ubicación. ................... 130 6.6.8 Configuración de equipos. ..................................................................... 131

CAPÍTULO 7.......................................................................................................... 132 7.1 ANALISIS DE COSTOS. .................................................................................. 132 7.1.1 Análisis de costos con tecnología GPRS. .............................................. 132 7.1.1.1 Costos por el servicio GPRS. ......................................................... 132 7.1.1.2 Costos por el uso mensual de la red GSM/GPRS. ......................... 133 7.1.1.2.1 Cálculo total por el uso de la red GPRS. .................................... 135 7.1.1.3 Costo de implementación. .............................................................. 136 7.1.2 Análisis de costos con tecnología BPL. ................................................. 137 7.1.2.1 Costo de equipos y partes. .............................................................. 137 7.1.3 Análisis de costos con tecnología de fibra óptica. ................................. 138 7.1.3.1 Costos referenciales de equipos y partes. ....................................... 138 7.1.4 Análisis de costos con tecnología inalámbrica W-MAN. ...................... 139 7.1.4.1 Primera alternativa ............................................................................... 139 7.1.4.1.1 Costo de equipos y partes. .......................................................... 139 7.1.4.2 Segunda alternativa. ............................................................................. 140 7.1.4.2.1 Costo de equipos y partes. ............................................................. 140 7.1.4.2.2 Costo por el uso de la infraestructura existente. ........................... 140 7.1.5 Evaluación de costos para el diseño final. ............................................. 141 7.1.5.1 Comparación entre tecnología inalámbrica y GPRS.......................... 141 7.1.5.1.1 Comparación entre GPRS y WMAN (Primera alternativa). ...... 141 7.1.5.1.2 Comparación entre GPRS y W-MAN (Segunda alternativa). .... 142 7.2 DISEÑO FINAL PARA LOS RECONECTADORES. ..................................... 142 7.2.1 Diseño final para los Reconectadores (Primera alternativa). ..................... 143 7.2.1.1 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS........................... 143 7.2.1.2 Reconectadores enlazados con tecnología inalámbrica W/MAN. . 143 7.2.1.3 Esquema de conexión para los reconectadores .............................. 144 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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7.3 RECOMENDACIONES PARA LOS FUTUROS RECONECTADORES. ..... 145 7.3.1 Cobertura Estación Señor Pungo. .......................................................... 146 7.3.2 Cobertura estación Guaguazhumi. ......................................................... 147 7.3.3 Cobertura estación Altarurco. ................................................................ 148 7.3.4 Cobertura estación Buerán. .................................................................... 149 7.3.5 Cobertura estación Villaflor................................................................... 150 7.3.6 Cobertura estación Simbala. .................................................................. 151 7.3.7 Cobertura estación Loma Paica. ............................................................ 152 7.3.8 Cobertura estación Guallil. .................................................................... 153

CAPÍTULO 8.......................................................................................................... 155 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 155 8.1 CONCLUSIONES ............................................................................................. 155 8.2 RECOMENDACIONES. ................................................................................... 156 Referencias. .............................................................................................................. 159 Anexos 1 .................................................................................................................. 162 Reconectadores que no tienen enlace con las estaciones de la red WAN ................ 163 Anexo 2.................................................................................................................... 168 Recomendaciones para la Estación Guaguazhumi................................................... 169 Recomendaciones para la Estación Ñuñurco ........................................................... 172

Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1 Figura 1. 2 Reconectador Trifásico OVR. ................................................................... 6 Figura 1. 3 Gabinete de Control. .................................................................................. 6 Figura 1. 4 Almacenamiento de datos y perfil de carga. ............................................. 7 Figura 1. 5 HMI del Panel Frontal para Unidades ANSI. ........................................... 8 Figura 1. 6 Parte Posterior Típica de Panel. ................................................................ 9 Figura 1. 7 Modulo de comunicaciones Tipo 2a. ...................................................... 13 Figura 1. 8 Estructura de Red RTU Elitel 4000. ....................................................... 15 Figura 1. 9 Estados y transiciones de un IED. .......................................................... 16

CAPÍTULO 2 Figura 2. 1 Capas del modelo de referencia OSI. ..................................................... 19 Figura 2. 2 Modelo de referencia híbrido.................................................................. 20 Figura 2. 3 DNP3 en los sistemas SCADA. .............................................................. 22 Figura 2. 4 Arquitecturas DNP3................................................................................ 23 Figura 2. 5 Relación entre maestro y esclavo. .......................................................... 25 Figura 2. 6 Capas DNP3. .......................................................................................... 26 Figura 2. 7 Comparación entre las arquitecturas de protocolos DNP3 y OSI........... 29 Figura 2. 8 Trama DNP3. .......................................................................................... 32 Figura 2. 9 Formato de tramas de la capa de enlace de datos. .................................. 32 Figura 2. 10 Diagrama de conexiones modo monitor. .............................................. 35 Figura 2. 11 Pantalla de resultados de la prueba modo monitor en el software ASE2000. ................................................................................................................... 36 Figura 2. 12 Diagrama de conexiones modo maestro directo. .................................. 37 Figura 2. 13 Interface DB25 hembra RS485. ............................................................ 38 Figura 2. 14 Diagrama de conexiones modo maestro a través de la red LAN.......... 38 Figura 2. 15 Pantalla de resultados de la prueba sobre la red LAN de la Centrosur. 39

CAPÍTULO 3 Figura 3. 1 Conexión Host-Hub Ethernet. ................................................................ 42 Figura 3. 2 Conexión Host-Hub Ethernet. ................................................................ 43 Figura 3. 3 Backbone de Gigabit Ethernet. ............................................................... 43 Figura 3. 4 Topología en anillo. ................................................................................ 44 Figura 3. 5 Topología en estrella. ............................................................................. 45 Figura 3. 6 Topología tipo malla . .............................................................................. 45 Figura 3. 7 Topología tipo bus. ................................................................................. 46 Figura 3. 8 Topología de árbol. ................................................................................. 46 Figura 3. 9 Esquema lógico de la red de F.O. 10 GB Ethernet IP/MPLS. ................ 49 Figura 3. 10 Patch cords de F.O. E2000. .................................................................. 50 Figura 3. 11 Router Cisco 7604. ............................................................................... 50 Figura 3. 12 Esquema inalámbrico de la Red WAN. ................................................ 53 Figura 3. 13 Distribución de los equipos en el rack de las estaciones. ..................... 55 Figura 3. 14 Distribución de los equipos en el Rack en agencias. ............................ 57 Figura 3. 15 Diagrama de Frecuencias Backbone SRAL Centro Sur. ...................... 58 Figura 3. 16 Diagrama de Antenas de Última Milla en Estaciones. ......................... 58 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Figura 3. 17 Figura 3. 18 Figura 3. 19 Figura 3. 20



Anillo de Fibra Óptica Cuenca. ............................................................ 59 Red de Fibra Óptica Centrosur. ............................................................ 60 Cobertura tecnología inalámbrica en área de concesión....................... 60 Red de Gestión de la Centrosur. ........................................................... 61

CAPÍTULO 4 Figura 4. 1 Figura 4. 2 Figura 4. 3 Figura 4. 4 Figura 4. 5 Figura 4. 6

Evolución de la tecnología GSM. ........................................................... 63 Arquitectura de una red GSM. ................................................................ 65 Arquitectura de red GPRS (elementos). ................................................. 70 Esquemas de enrutamiento de paquetes de datos. .................................. 72 Cobertura GSM/GPRS de la operadora CONECEL (Porta). ................. 75 Cobertura GSM/GPRS de la operadora Movistar. ................................. 76

CAPÍTULO 5 Figura 5. 1 Estructura de una red de distribución eléctrica. ...................................... 79 Figura 5. 2 Arquitectura de red BPL. ........................................................................ 80 Figura 5. 3 Acoplador capacitivo. ............................................................................. 81 Figura 5. 4 Conexión CPE-Red eléctrica. ................................................................. 82 Figura 5. 5 Función del repetidor BPL...................................................................... 82 Figura 5. 6 Conexión Indirecta Home Gateway........................................................ 84 Figura 5. 7 Medio de trasmisión compartido en redes de acceso BPL. .................... 86 Figura 5. 8 Ortogonalidad de Subportadoras. ........................................................... 88 Figura 5. 9 Configuración WLAN de celda única. ................................................... 90 Figura 5. 10 Configuración WLAN de celdas múltiples. ......................................... 90

CAPÍTULO 6 Figura 6. 1 Esquema general del sistema de comunicaciones. ................................. 93 Figura 6. 2 Router Mobile 3G LSP-260C. ................................................................ 99 Figura 6. 3 Conversor de interface UDS 1100. ....................................................... 100 Figura 6. 5 Gateway de acceso CXP-MVA-GNR. ................................................. 104 Figura 6. 6 Acoplador de media tensión Arteche Overcap-S.................................. 105 Figura 6. 7 Enlace Reconectador Garaicoa – S/E3. ................................................. 109 Figura 6. 8 Diagrama unifilar del enlace. ................................................................ 110 Figura 6. 9 Esquema referencial de conexión para reconectador El Descanso. ...... 113 Figura 6. 10 Unidades de Acceso AU. .................................................................... 116 Figura 6. 11 Esquema de conexión de los equipos AU’s. ....................................... 117 Figura 6. 12 Unidades Suscriptoras SU’s. .............................................................. 118 Figura 6. 13 Esquema de conexión de los equipos SU’s. ....................................... 119 Figura 6. 14 Ubicación Geográfica de los 15 reconectadores y las estaciones repetidoras de la red WAN de la Centrosur. ............................................................ 120 Figura 6. 15 Arquitectura de enlace con equipos Alvarion tecnología de espectro ensanchado. .............................................................................................................. 122 Figura 6. 16 Parámetros de desempeño de los radioenlaces. .................................. 123 Figura 6. 17 Reconectadores a interconectar con Señor Pungo. ............................. 127 Figura 6. 18 Perfil topográfico Señor Pungo-La Dolorosa. .................................... 127 Figura 6. 19 Perfil topográfico Señor Pungo-Challuabamba. ................................. 128 Figura 6. 20 Reconectadores a interconectar con Guaguazhumi. ........................... 129 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Figura 6. 21 Reconectadores a interconectar con Altarurco. .................................. 129 Figura 6. 22 Perfil topográfico Altarurco-Cañar. .................................................... 130

CAPÍTULO 7 Figura 7. 1 Figura 7. 2 Figura 7. 3 Figura 7. 4 Figura 7. 5 Figura 7. 6 Figura 7. 7 Figura 7. 8 Figura 7. 9

Esquema de conexión para los reconectadores de la Centrosur. .......... 144 Cobertura Estación Señor Pungo. ......................................................... 147 Cobertura Estación Guaguazhumi. ....................................................... 148 Cobertura Estación Altarurco. .............................................................. 149 Cobertura Estación Buerán. .................................................................. 150 Cobertura Estación Villaflor. ................................................................ 151 Cobertura Estación Simbala. ................................................................ 152 Cobertura Estación Loma Paica............................................................ 153 Cobertura Estación Guallil. .................................................................. 154

ANEXO 1 Figura A1. 1 Figura A1. 2 Figura A1. 3 Figura A1. 4 Figura A1. 5 Figura A1. 6 Figura A1. 7 Figura A1. 8 Figura A1. 9

Perfil Topográfico Señor Pungo-Garaicoa. ....................................... 163 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso. ............................... 164 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Valle. ...................................... 164 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Garaicoa. ................................... 165 Perfil Topográfico Altarurco – Reconectador Suscal. ....................... 165 Perfil Topográfico Simbala – Cumbe. ............................................... 166 Perfil Topográfico Simbala – Reconectador Lentag.......................... 166 Perfil Topográfico Villaflor – Paute. ................................................. 167 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso. ............................... 167

ANEXO 2 Figura A2. 1 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 120 grados dirección S/E1. ......................................................................................................... 169 Figura A2. 2 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador La Dolorosa. ..... 170 Figura A2. 3 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Valle. .............. 170 Figura A2. 4 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 60 grados dirección SE 12. ....................................................................................................... 171 Figura A2. 5 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Descanso. ..... 172 Figura A2. 6 Cobertura de Ñuñurco con antena sectorial de 120 grados dirección SE 12.............................................................................................................................. 173 Figura A2. 7 Perfil Topográfico Ñuñurco – Reconectador Guachapala. ................ 173


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ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO 1 Tabla 1. 1 Resumen de especificaciones. ..................................................................... 5 Tabla 1. 2 Ajustes de comunicaciones. ..................................................................... 10 Tabla 1. 3 Descripción de clavijas. ........................................................................... 11 Tabla 1. 4 Características de los módulos de comunicaciones. ................................ 12

CAPÍTULO 2 Tabla 2. 1 Diferencias entre DNP y otros protocolos. NP y otros Diferencias entre DNP............................................................................................................................ 24 Tabla 2. 2 Parámetros de configuración del DNP 3.0. .............................................. 30 Tabla 2. 3 Estructura de formato de tramas DNP. .................................................... 31 Tabla 2. 4 Detalle de los campos de las tramas de enlace de datos. ......................... 33

CAPÍTULO 3 Tabla 3. 1 Tabla 3. 2 Tabla 3. 3 Tabla 3. 4 Tabla 3. 5

Características de las redes WAN. ........................................................... 47 Nodos activos y de paso del anillo de F.O. .............................................. 48 Enlaces inalámbricos de estaciones. ........................................................ 51 Enlaces inalámbricos de agencias. ........................................................... 52 Utilización actual de la red inalámbrica. .................................................. 62

CAPÍTULO 4 Tabla 4. 1 Velocidades de transferencia según la tecnología usada. ........................ 69 Tabla 4. 2 Funciones de los nodos GPRS. ................................................................ 71 Tabla 4. 3 Cobertura GPRS para los Reconectadores. .............................................. 77

CAPÍTULO 5 Tabla 5. 1 Desempeño de sistemas de modulación BPL. ......................................... 87 Tabla 5. 2 Características de OFDM. ........................................................................ 89

CAPÍTULO 6 Tabla 6. 1 Ubicación de los Reconectadores. ........................................................... 92 Tabla 6. 2 Parámetros requeridos por la estación central de procesamiento. ........... 96 Tabla 6. 3 Equipos necesarios para el diseño.......................................................... 103 Tabla 6. 4 Distancias de enlace y número de repetidores requeridos. .................... 107 Tabla 6. 5 Características del alimentador 0323. .................................................... 108 Tabla 6. 6 Equipos requeridos para el diseño. ........................................................ 109 Tabla 6. 7 Ubicación de equipos en poste. .............................................................. 111 Tabla 6. 8 Distancias de enlace hacia un punto de acceso a la red WAN. .............. 112 Tabla 6. 9 Frecuencias soportadas Alvarion. .......................................................... 115 Tabla 6. 10 Especificaciones Técnicas.................................................................... 115 Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Tabla 6. 11 Clases de antenas tipo sectorial. ........................................................... 117 Tabla 6. 12 Ubicación de las Estaciones. ................................................................ 120 Tabla 6. 13 Distancias entre Reconectadores y Estaciones. .................................. 121 Tabla 6. 14 Parámetros teóricos calculados para el desempeño de los radioenlaces. .................................................................................................................................. 126 Tabla 6. 15 Enlaces finales utilizando la tecnología inalámbrica existente. ........... 130 Tabla 6. 16 Equipos necesarios para el enlace. ....................................................... 131 Tabla 6. 17 Ubicación de equipos en poste. ............................................................ 131 Tabla 6. 18 Parámetros de configuración AU Señor Pungo. .................................. 131 Tabla 6. 19 Parámetros de configuración SU’s....................................................... 131

CAPÍTULO 7 Tabla 7. 1 Costo de instalación del servicio. ........................................................... 132 Tabla 7. 2 Costo fijo mensual del servicio. ............................................................. 133 Tabla 7. 3 Costo variable mensual del servicio....................................................... 133 Tabla 7. 4 Costo mensual del servicio GPRS. ........................................................ 136 Tabla 7. 5 Costo mensual del servicio GPRS. ........................................................ 136 Tabla 7. 6 Costo de implementación del sistema GPRS. ........................................ 137 Tabla 7. 7 Costo de implementación del sistema BPL............................................ 137 Tabla 7. 8 Costo referencial del sistema. ................................................................ 138 Tabla 7. 9 Costo de implementación del sistema W/MAN..................................... 139 Tabla 7. 10 Costo de implementación del sistema W/LAN. ................................... 140 Tabla 7. 11 Costo por el uso de la red existente para W/MAN. ............................. 140 Tabla 7. 12 Resumen de Costos. ............................................................................. 141 Tabla 7. 13 Resumen de Costos de operación mensual. ......................................... 142 Tabla 7. 14 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS. ............................... 143 Tabla 7. 15 Reconectadores enlazados con tecnología W/MAN. ........................... 144


x




RESUMEN. Una de las necesidades de la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. es la provisión de un sistema de comunicaciones, que permita la transmisión de datos en tiempo real, para integrar los equipos de protección reconectadores situados de manera distribuida en el área de concesión hacia el sistema SCADA. El presente proyecto está dedicado al diseño de una red de comunicaciones de datos que aproveche al máximo la infraestructura existente de la red de comunicaciones de la empresa. El diseño final obtenido está conformado por dos tecnologías, GPRS y tecnología inalámbrica WMAN, las mismas que se encargarán de transmitir datos desde los equipos reconectadores ubicados en las redes eléctricas de media tensión, hacia una estación central de procesamiento de información ubicada en el edificio matriz de la Centrosur. Con este estudio se analizaron diversas tecnologías de comunicación, entre ellas: BPL, Fibra óptica, GPRS y tecnología inalámbrica WMAN. Una vez abordadas las mismas, se realizó un estudio técnico económico para los quince reconectadores propuestos. De este estudio se obtuvo dos alternativas las cuales deben ser evaluadas por la Centrosur. La primera alternativa consta de un sistema de comunicación híbrido de tecnología inalámbrica WMAN y tecnología GPRS, mientras que la segunda opción consta de un diseño únicamente con tecnología GPRS. El primer diseño del sistema de comunicaciones consistió en reconectadores usando tecnología inalámbrica WMAN hacia la red Centrosur, y a través de ésta hacia la estación de procesamiento RTU. realizó con equipos de la marca Alvarion, que son equipos que ya utilizados por la empresa.

enlazar tres WAN de la El diseño se están siendo

Por otro lado los doce reconectadores restantes se comunicaran mediante un router GPRS hacia la red de comunicaciones ofrecida por la operadora móvil Conecel (PORTA). Mediante un canal dedicado existente de 128 Kbps, se transmite la información de los reconectadores hacia la estación central de procesamiento.


1




INTRODUCCIÓN. En el presente proyecto se realiza el diseño de un sistema de comunicaciones que permita integrar los equipos reconectadores ubicados en puntos estratégicos sobre la red de distribución de energía de la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. hacia una estación central de procesamiento ubicada en el edificio matriz de la empresa. Todo esto con el propósito de obtener información en tiempo real sobre las características operacionales de la red eléctrica para mejorar el rendimiento, y la calidad de servicio a los usuarios. Para conseguir este objetivo se ha estructurado este proyecto en diferentes capítulos que se indican a continuación: En el CAPITULO I, se aborda una breve introducción a los sistemas de telecontrol y se estudia las principales características de los dispositivos de control de los reconectadores específicamente sus módulos de comunicación y puertos. Se exponen además las principales características de Unidad Terminal Remota ELITEL4000. En el CAPITULO II, se realiza el estudio del protocolo de comunicaciones DNP3 que es el lenguaje en el que se comunican los dispositivos de comunicación de los reconectadores (PCD’s) con la Unidad Terminal Remota (RTU). Adicionalmente se

hacen pruebas funcionales del protocolo para poder determinar la existencia de comunicación entre estos equipos. En el CAPITULO III, se analiza cómo está constituida la red WAN de la Centrosur, de manera especial la ubicación de las estaciones repetidoras, el alcance y cobertura de sus antenas, así como también las subestaciones que forman parte del anillo de fibra óptica, ya que éstos son puntos referenciales para el acceso e integración de los equipos de comunicación de los reconectadores. El CAPITULO IV expone los elementos principales de una red GSM/GPRS, para conocer de forma general esta tecnología, debido a que se ha considerado sus servicios para realizar la comunicación con los reconectadores que técnica o económicamente aprovechen sus prestaciones. El CAPITULO V está dedicado al estudio de varias tecnologías de comunicación que también se puedan utilizar para la telemetría. Estas son específicamente: BPL, Fibra Óptica, y tecnología inalámbrica WMAN, este análisis proporcionará las bases para los diseños que se presentarán en el siguiente capítulo. En el CAPITULO VI se realiza el diseño de la red de comunicaciones utilizando cada una de las tecnologías estudiadas, para estos se indican las coordenadas y la ubicación geográfica de los dispositivos existentes, empleando el Sistema de Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

2




Información Geográfica (G.I.S.) de la Centrosur. Para desarrollar los diseños se hace un estudio de la zona de ubicación de los reconectadores, se seleccionan los equipos, y se realiza un esquema de conexión, con esto se obtiene el número de equipos necesarios. Para la tecnología inalámbrica se utiliza el software Radio Mobile 9.9.4 para el cálculo de radioenlaces de larga distancia para determinar que reconectadores pueden ser comunicados con dicha tecnología. En el CAPITULO VII se hace un análisis de costos para cada una de las tecnologías, tomando en cuenta los rubros por implementación, operación y mantenimiento, para poder determinar las que sean más económicas y que permitan proceder al diseño final del sistema de comunicaciones. Además se indican las recomendaciones para una futura ampliación de nuevos reconectadores, es decir se indican zonas geográficas donde se podría utilizar determinadas tecnologías. En el CAPITULO VIII se presentan las conclusiones obtenidas, y se dan algunas recomendaciones para la implementación del sistema de comunicaciones.


3




CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE LOS DISPOSITIVOS DE TELEMETRÍA. 1.1

TELEMETRÍA AUTOMÁTICA.

La telemetría es una tecnología que permite la medición remota de magnitudes físicas. Utiliza un sistema de interpretación y trasmisión para enviar las señales hacia el operador del sistema, permitiendo de esta manera conocer la información exacta sobre el evento que sucede en el lugar de origen de la señal. Los equipos de telemetría obtienen la información mediante sensores (transductores) que transforman las magnitudes físicas a medir en señales eléctricas equivalentes. Dichas señales son enviadas al punto de observación generalmente mediante señales eléctricas para su análisis. El sistema de telemetría se puede utilizar para la transmisión de datos utilizando medios no guiados como: radiofrecuencia, microondas, sistemas celulares, sistemas satelitales y medios guiados como: líneas telefónicas, cable coaxial o fibra óptica. (Teletrol 2009)

1.1.1 Funcionalidades del Sistema de Telemetría. Monitoreo y control de variables a distancia. Consulta de niveles de seguridad. Programación remota de parámetros. Envío de señales de alarma al sistema central. Personalización e integración con los sistemas de gestión propios de una empresa. Permite un eficiente y efectivo monitoreo y control de un sistema de mediciones. Detección rápida de errores en el sistema. Mejor utilización de recursos del sistema. Desarrollo de base de datos y obtención de información para asistencia futura de simulaciones y diseños de otros sistemas complementarios. Prestación de servicios distintos al eléctrico como por ejemplo; servicios de telecomunicaciones. (Ttnetcom 2009)     



  



Dentro de los equipos de protección de redes eléctricas que han evolucionado en el sistema de telecontrol y telegestión están los reconectadores electrónicos.


4


1.2



RECONECTADORES AUTOMÁTICOS.

El reconectador es un interruptor con reconexión automática, instalado preferentemente en líneas de distribución. Es un dispositivo de protección capaz de detectar una sobrecorriente, interrumpirla y reconectar automáticamente para reenergizar la línea. Está dotado de un control que le permite realizar varias reconexiones sucesivas, pudiendo además, variar el intervalo y la secuencia de estas reconexiones. De esta manera, si la falla es de carácter permanente el reconectador abre en forma definitiva después de cierto número programado de operaciones, de modo que aísla la sección fallada de la parte principal del sistema. La tarea principal de un reconectador entonces es discriminar entre una falla temporal y una de carácter permanente. Los tiempos de apertura pueden determinarse de curvas características tiempocorriente, las cuales proporciona el fabricante. El reconectador interrumpirá las corrientes de falla de modo efectivo únicamente si se usa dentro de sus valores nominales especificados. (Tipán 2009)

1.2.1 Reconectadores Electrónicos OVR. La Centrosur está implementando reconectadores electrónicos trifásicos OVR, 15 KV - 38 KV, (Figura 1.1). El reconectador OVR de ABB (Asea Brown Boveri) cumple con las demandas de reconexión y ofrece capacidades como localización de fallas, monitoreo de control, calidad de servicio, comunicaciones, disparo monofásico y control de lazo. (Reconectador OVR & Control PCD 2006) La Tabla 1.1 muestra las principales especificaciones de los reconectadores OVR. Características

Valores nominales del reconectador OVR

Tensión nominal operación Máxima tensión de diseño Máxima corriente continua Máxima corriente de interrupción BIL Máximo tiempo de interrupción Máximo tiempo de cierre Precisión: Precisión:

Unidades

2.4 - 14.4 15,5

24.9 27

34.5 38

KV KV

630/800/1000

630/800/1000 630/800/1250 A

12,5

12,5

16

KA

110/125

125

170

KV

0.040

0.040

0.040

seg.

0.060

0.060

0.060

seg.

Tensión: ± 1% (con entrada de TP) Corriente: ± 1%

Tabla 1. 1 Resumen de especificaciones.


5




Figura 1. 1 Reconectador Trifásico OVR.

1.2.1.1

Gabinete de Control OVR- Características.

El PCD (Dispositivo de Control de Potencia) está contenido en una caja de metal adecuada para montaje sobrepuesto en poste (Figura 1.2) y posee las siguientes características:

Figura 1. 2 Gabinete de Control.  

   





Opera a 85-265VAC o 125VDC. Hasta 48-horas de respaldo de alimentación cuando se pierde la fuente de potencia. Batería a ser cambiada cada 3 – 5 años. Batería permite varias operaciones durante la perdida de AC (12A-h). Salida auxiliar regulada de DC (12VDC o 24VDC) @ 10WATTS. Si la AC es desconectada y el voltaje de la batería cae a 40V entonces la salida auxiliar de DC es desconectada. Operación asistida por condensador cuando la batería se descarga y para proveer soporte cuando la operación se hace con AC y batería muerta. Prueba automática de la batería que puede ser diaria o semanal y reportado a través de DNP.


6


1.3



PCD (DISPOSITIVO DE CONTROL DE POTENCIA) DE LOS RECONECTADORES.

El Dispositivo de Control de Potencia (PCD) es una unidad de control, basada en microprocesadores, que está equipado con los protocolos de comunicación abiertos DNP 3.01, Modbus® RTU, Modbus®ASCII e IEC60870-5-101. El PCD tiene la capacidad de colectar datos para permitir el análisis de carga, planificación y actualización del sistema eléctrico. Almacena los últimos 1024 eventos ocurridos, operaciones manuales y automáticas, cambios de programación etc. Almacena las últimas 128 fallas. Registra las corrientes en el momento de la falla así como los voltajes, la hora a la que ocurre la falla, el elemento que ocasionó el disparo, el tiempo de aclaración de la falla y de operación de la protección, la distancia a la falla y la resistencia estimada de falla. (PCD Aparato de Control de Potencia 2007) La Figura 1.3 muestra la forma como se almacenan los datos en el registro.

Figura 1. 3 Almacenamiento de datos y perfil de carga.

El PCD tiene las siguientes características principales: • HMI ( Interfaz local humano-máquina) (Figura 1.4).

1

El protocolo DNP 3.0 se analizará en el siguiente capítulo.


7


• Puerto



posterior aislado doble RS-232 y RS-485 (activo únicamente uno a la

vez). • Comunicaciones opcionales de fibra óptica para comunicaciones libres de

ruido.

Figura 1. 4 HMI del Panel Frontal para Unidades ANSI.

1.3.1 Comunicación y Control del PCD. El Control PCD tiene comunicación vía: Línea telefónica usando un Modem Radio No licenciado de 900Mhz Licenciado de 220 MHz & 450 MHz Ethernet – 900MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz, 802.11b Comunicación vía Satélite Celular Interfaz de Fibra Óptica   

1.3.2 Puerto Serial Frontal RS-232. El puerto serial RS-232 en la HMI del panel frontal sirve para conectar una PC al PCD. Este puerto se usa con el software de configuración AFSuite basado en Windows, utilizado para programar, controlar y descargar datos del PCD.


8




El cable de comunicaciones debe tener un conector macho DB-9 en el extremo del PCD y un conector hembra DB-9 en el extremo de la PC. Este puerto está fijado a 9600 baud y se le asigna la dirección 0.

1.3.3 Módulos. En la parte posterior, el PCD usa una caja de seis ranuras para tarjetas (Figura 1.5):  

   

Ranura A: PS (Fuente de Poder) o UPS (Fuente de Poder Ininterrumpible). Ranura B: Control de Reconectador VR, DIO (Modulo de Entradas y Salidas Digitales) Tipo 2 o DIO Tipo 1. Ranura C: DIO Tipo 1. Ranura D: CPU (Unidad de Control Y Proceso) Tipo 2. Ranura E: COM (Módulo de Comunicaciones) Tipo 3, Tipo 4 o Tipo 5. Ranura F: PT/CT (Módulo de Tensión y Corriente) Tipo 5, Tipo 6, Tipo 7, Tipo 8, Tipo 9 o Tipo A.

Figura 1. 5 Parte Posterior Típica de Panel.

Adicionalmente, el PCD tiene una ruta separada de comunicaciones al procesador en el panel posterior, que está completamente aislada del puerto del panel frontal, que se usa típicamente para conexión a SCADA (Sistema de Control y Adquisición de Datos), y se debe ajustar a los protocolos DNP o Modbus. El PCD tiene una característica denominada “Protocol Autodetect” que permite que el control se

comunique usando el protocolo DNP 3.0, mientras monitorea la comunicación para comandos Modbus. Si se detecta un pedido Modbus (desde AFSuite, WinPCD, u Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

9




otra fuente Modbus) el control reconocerá y responderá a la consulta en Modbus. Después de la respuesta, los contactos del puerto retornan al protocolo DNP, la comunicación DNP debe cesar durante la comunicación. La Tabla 1.2 muestra los ajustes básicos de comunicaciones para el PCD. (PCD Aparato de Control de Potencia 2007) ABREVIATURA HMI

DESCRIPCIÓN Dirección de la unidad (por defecto es 0001) Este ajuste es la dirección de comunicaciones de datos del PCD. Este valor es un valor decimal en el rango de 1 a 65.535. El valor hexadecimal

Unit Address

correspondiente se muestra en corchetes [0001 – FFFF]. Esta dirección aplica únicamente al puerto del Panel Posterior. El puerto del Panel Frontal, usado para comunicaciones locales, tiene una dirección fija 000. Configuración de panel frontal (por defecto es 9600, N, 8,1) Se especifican dos valores para comunicaciones digitales a través del puerto

FP Baud

de datos del panel frontal. La tasa en baud: 600, 1200, 2400, 4800, 9600

FP Frame

(por defecto), y el patrón de bloque: NONE (ninguno)-8-1 (por defecto), NONE 8-2. Estos deben coincidir con los ajustes de comunicaciones de la computadora (u otro aparato digital) comunicándose con el PCD. Configuración de panel posterior (por defecto es 9600, N, 8,1) Se especifican dos valores para comunicaciones digitales a través del puerto

RP Baud

de datos del panel posterior. La tasa en baud: 600, 1200, 2400, 4800, 9600 o

RP Frame

19200; y el patrón de bloque: NONE 8-1 (por defecto), EVEN 8-1, ODD 81, NONE 8-2. Estos deben coincidir con los ajustes de comunicaciones de la computadora (u otro aparato digital) comunicándose con el PCD. Protocolo de panel posterior (por defecto es Modbus ® ASCII) Este ajuste especifica que protocolo de comunicaciones usar para comunicaciones de datos a través del puerto posterior de datos que se está

RP Protocol

comunicando con la computadora conectada al PCD. Las alternativas disponibles son: ASCII Modbus (por defecto), RTU Modbus y DNP 3.0 IEC870

RTS/CTS

Delay

(disponible

únicamente a través del puerto CPU cuando no está presente el módulo COM

RTS/CTS hardware handshaking (inicio de comunicaciones de hardware) Cuando está activado, el usuario puede ajustar un valor de 0-3000 ms para pre retardo CTS Tx, 0-3000 ms para pre retardo CTS y 0-3000 ms para post retardo Tx. Parámetros puerto posterior 1 – 25 Este ajuste afecta las comunicaciones de datos usando el protocolo DNP3.0.

Parameter 1 – 25

El PCD tiene un modo especial que permite la interpretación de comandos Modbus mientras está ajustado en protocolo DNP. Parámetros puerto posterior Modo 1 – 8 .Este ajuste afecta las

Mode Par 1-8:

comunicaciones de datos usando el protocolo DNP 3.0.

Tabla 1. 2 Ajustes de comunicaciones. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

10




1.3.4 Descripción de los Puertos de Comunicaciones. 1.3.4.1

Puerto de Comunicaciones RS-232.

Está disponible en todos los módulos de comunicaciones. Consiste de un conector de 9 clavijas D-shell (Tabla 1.3) y proporciona comunicaciones punto a punto. El estándar RS-232 soporta un operador y receptor sobre una distancia de 50 pies (15,2 m). Sin embargo, el RS-232 soportará también un modem externo o un radio transmisor remoto desde la subestación, incrementando la distancia de comunicación a aproximadamente 3,5 millas (5,6 km) en terreno favorable. Clavija

Señal

Descripción

Entrada/Salida

1

DCD

Detector de Portadora

E

2

RXD

Recibe datos

E

3

TXD

Transmite datos

S

4

DTR

Terminal de datos listos

S

5

GND

Puesta a tierra de señal

-

6

DSR

Equipo de datos listos

E

7

RTS

Listo para enviar

S

8

CTS

Despejar para enviar

E

9

RI

Indicador

E

Tabla 1. 3 Descripción de clavijas.

1.3.4.2

Puerto de Comunicaciones RS-485.

Está disponible en todos los módulos de comunicaciones excepto en el módulo CPU. El RS-485 es más adecuado para aplicaciones en subestaciones en una red en anillo, donde se pueden conectar un máximo de 32 aparatos a una distancia máxima con cable de comunicaciones de 4000 pies (1219 m).

1.3.4.3

Puerto de Fibra Óptica.

Está disponible en los módulos Com 2a y Com 4. Estos puertos tienen conectores tipo ST (Straight Tip), que soportan una variedad de tamaños de fibras. Se recomienda la fibra mono modo que soporta hasta 15 kilómetros.

1.3.5 Descripción de los Módulos de Comunicación. La unidad se conecta al SCADA a través del puerto posterior, mediante uno de los siguientes métodos: Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

11




1. Módulo COM2a. Este módulo tiene un puerto aislado RS-232, un aislado RS-485 y un puerto de fibra óptica. 2. Módulo COM3. Esta conexión tiene un puerto aislado RS-232 y un aislado RS-485. Tiene característica puente de RS-232 a Fibra 3. Módulo COM4. Este módulo tiene un puerto aislado RS-232, un aislado RS485 y un puerto de fibra óptica. 4. Módulo COM5. Este módulo se usa únicamente para la Loop Control Option (Opción de Control de Lazo). El módulo tiene 3 puertos, dos aislados RS232 y un aislado RS-485. Uno de los puertos RS-232 no está disponible para comunicaciones. Se usa, para propósitos de diagnóstico y actualización de firmware en la tarjeta COM5. 5. Módulo CPU. Este módulo tiene un puerto no aislado RS-232 que sirve para actualizaciones de firmware en el procesador principal. Los PCDs adquiridos por la Centrosur, cuentan con el módulo de comunicación COM Tipo 2a y el módulo CPU, que se analizarán en detalle más adelante. La Tabla 1.4 resume las características de hardware de cada módulo. Características Puerto RS-232 (9 clavijas) Puerto RS-485 Puerto de Fibra (conectores ST)

CPU (direct)

COM 2a

COM 3

COM 4

COM 5

Y

Y

Y

Y

Y

N

Y

Y

Y

Y

N

Y

N

Y

N

N

N

Y

Y

N

N

N

Y

Y

N

Y

N

N

N

N

N

Y

Y

Y

Y

Característica puente de RS-232 a RS-485 Software de inicio de comunicación RTS/CTS ajustable usando puentes en la tarjeta Inicio de comunicación RTS/CTS controlado por hardware con temporizadores ajustables Puertos aislados

Tabla 1. 4 Características de los módulos de comunicaciones.

1.3.5.1

Descripción del Módulo de Comunicaciones Tipo 2a.

Este módulo tiene tres puertos de comunicaciones, RS-232, RS-485, y un puerto de fibra óptica (Figura 1.6). Todos los puertos en este módulo son aislados ópticamente. Todas las comunicaciones al Com2a deben ser radiales. Es importante notar que el módulo Com 2a comunica únicamente un puerto a la vez. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

12




Figura 1. 6 Modulo de comunicaciones Tipo 2a.

1.3.5.2

Descripción del Módulo CPU.

El puerto RS-232 en la CPU está activo únicamente cuando no existe instalado un módulo de comunicaciones. Este puerto se usa para actualizaciones de firmware. Si se proporciona otros medios de aislamiento se puede usar para comunicaciones externas a SCADA o para programar el control. Este puerto además tiene líneas reales RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) desde el procesador que proporcionan handshaking (inicio de comunicación) de hardware, que controla el flujo de datos cuando se enlaza con receptores/transmisores de radio. Cuando se recibe una consulta desde el máster (equipo principal), el PCD responderá con la característica RTS/CTS delay timer (temporizador de retardo) activada, el PCD enviará primero su línea RTS, y esperará hasta que la línea CTS esté en alto (high) desde el máster. Si la línea CTS nunca va a alta, al final del CTS Tx delay, él procederá a enviar la respuesta indiferente del estado CTS. Si existe programado un ajuste Post Tx Delay, el PCD mantendrá en alto la línea RTS durante ese tiempo después de la transmisión de la respuesta. Esta característica es útil para ciertos tipos de comunicaciones por radio.

1.4

UNIDADES TERMINALES REMOTAS (RTU).

Una RTU es un dispositivo programable convertidor de lógica, que puede leer el estado de las variables digitales y medir las variables analógicas de un sistema para enviarlos hasta un centro de control como comandos digitales o puntos de ajuste analógicos. Las RTUs entonces, son dispositivos que se conectan físicamente a los equipos ejecutores de los procesos de un sistema para recopilar sus datos digitales de estado como: abierto/cerrado desde una válvula o un interruptor, o para leer sus medidas analógicas como presión, flujo, voltaje, corriente, etc. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

13




Una RTU también, posee entradas y salidas ampliables y puede ser configurada tanto en forma local como remota, a través del sistema SCADA. Este dispositivo es un proveedor de inteligencia en las instalaciones remotas, el cual permite realizar una comunicación (adquisición, control y transferencia de datos) desde los instrumentos de campo, hacia el centro principal de control y viceversa. Basado en la información que se intercambia, un operador puede tomar alguna acción de control sobre el proceso. En la actualidad, el avance de la tecnología y el desarrollo de nuevo software ha reducido considerablemente las prestaciones que inicialmente ofrecían las RTU como elementos fundamentales de un sistema SCADA, es así que, ahora mismo se puede afirmar que una RTU se ha limitado a ser un dispositivo conversor y concentrador de datos. (Tipán 2009)

1.4.1 Estructura de una RTU Las partes principales que se pueden citar de una RTU son:       

CPU y memoria volátil (RAM), Memoria no volátil para almacenar información de configuración, Puertos de comunicación serial, Modem de comunicación, Protección contra fluctuaciones de voltaje, Interfaces de entrada/salida, Reloj de tiempo real.

Anteriormente, el cerebro para que un SCADA tenga la capacidad de controlar todo un sistema en tiempo real y proveer señales de alarma eran las unidades terminales remotas RTU, sin embargo; los nuevos requerimientos en cuanto a confiabilidad y monitoreo de otros parámetros, así como, la necesidad de ahorro de espacio físico, han logrado que las RTU estén siendo paulatinamente desplazadas por los PLC (Controlador Lógico Programable) y los dispositivos denominados IEDs (Dispositivos electrónicos Inteligentes).

1.4.2 RTU Elitel – 4000. Para el presente proyecto la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. ha puesto a disposición una Unidad Terminal Remota ELITEL-4000 (Sistema Operativo CENTROSUR 01/12/05), que se describe a continuación. Se trata de un Sistema de Control Distribuido de líneas eléctricas basado en una red de unidades DPU2000R (Distribution Protection Unit). La estructura de la red se Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

14




indica en la Figura 1.7. (Manual del usuario de la Unidad Terminal Remota Elitel 4000 s.f.)

Figura 1. 7 Estructura de Red RTU Elitel 4000. Los DPU’s siguen un comportamiento maestro -esclavo,

tanto a nivel de enlace de datos como de aplicación, y no realizan el envío de respuestas no solicitadas 2.

1.4.2.1 Alcance y Soporte. El protocolo DNP-3 en los equipos ELITEL-4000, permite integrar a la red equipos SEL-351, Multilín SR760 y ABB DPU 2000R, o equipos completamente compatibles a estos. La RTU 4000 soporta como máximo: 64 IED’s.

8 líneas de comunicación para el protocolo DNP3. 8 IED’s por línea.

En la misma línea de comunicación no pueden coexistir equipos de distinto fabricante, debido a la incompatibilidad de protocolos. Los tiempos de respuesta del sistema pueden empeorar cuando más equipos se integren a una misma línea de comunicaciones. La respuesta temporal en las líneas con equipos SEL o Multilín es peor que la conseguida en la actualidad con equipos DPU 2000R, debido a que al utilizar el protocolo de una forma más general aumentará el tráfico de mensajes. (Perfil DNP 3.0 de la Unidad Terminal Remonta Elitel 4000 s.f.) 2

Las respuestas no solicitadas se analizan en el capítulo 2.


15




1.4.2.2 Secuencia y Exploración de IED’s. Los posibles estados y sus transiciones en los que se puede encontrar un IED se reflejan en el siguiente diagrama (Figura 1.8):

Figura 1. 8 Estados y transiciones de un IED.

Cada uno de los estados, subestados y transiciones asociadas, se desarrollan a continuación.

a. Inactiva. Definición del estado.- en este estado el IED está excluido del proceso de exploración. Adquisición de datos.- el IED no es interrogado en este estado. Transiciones posibles.- deberá existir una orden sobre una señal reservada para ello, para pasar un IED a INACTIVO, y lo contrario para activarlo, pasando al estado de FALLO. Se puede llegar al estado de INACTIVO a partir de cualquiera de los restantes. b. Recuperación. Definición del estado.- en este estado se realiza una integridad de los datos, tomando todos los datos por medida. Adquisición de datos.- en este estado todos los datos necesarios se pedirán por medida. La petición de los datos se engloba mensajes de: - Petición de las entradas digitales. - Petición de las entradas analógicas. - Petición de los contadores. Además el IED se sincroniza con el ELITEL mediante la transmisión del correspondiente mensaje.


16




Transiciones posibles.- se pasará a este estado desde el estado NORMAL en todos los cambios de minuto, con el fin de realizar la integridad de los datos. También al abandonar un estado de FALLO. Una vez se haya realizado la integridad de los datos se pasará al estado NORMAL, pudiendo pasar al estado de FALLO si se diese alguno. Se pasará al estado de INACTIVA si se recibe la orden correspondiente.

c. Normal. Definición del estado.- este es el estado estable de los IED’s, en el que estarán la mayor parte del tiempo. Por ello, se debe intentar tomar el mayor número de datos por cambios. Adquisición de datos.- las señales digitales se adquirirán como cambios con etiqueta de tiempo. Las entradas analógicas y los contadores se pedirán, sin etiqueta de tiempo, de igual forma que durante la recuperación, de una forma menos intensiva que las señales digitales. Transiciones posibles.- al estado NORMAL se llega siempre desde el estado de RECUPERACIÓN, tanto después de un proceso de integridad de datos como en el proceso de integridad de datos como en el proceso de arranque del sistema. Desde el estado NORMAL se pasará al estado de RECUPERACIÓN cuando se deba realizar una integridad de datos o al estado de FALLO, en caso de que haya sido detectado algún tipo de fallo. Se pasará al estado de INACTIVA siempre que se reciba la orden correspondiente. d. Fallo. Definición del estado.- se pasará a este estado cuando haya ocurrido algún fallo que no se haya podido recuperar con los reintentos. Adquisición de datos.- en este estado no se toma ningún dato, sino que se consulta el estado de la línea con el fin de saber cuándo se puede comenzar un nuevo intercambio de datos con el IED. Esto se traduce en un mensaje del NE de “Reset of Remote Link”.

Transiciones posibles.- se pasará a este estado desde el estado de INACTIVA debido a la orden correspondiente. Desde el estado de RECUPERACIÓN o NORMAL siempre que se haya dado un error no recuperable. Cuando se reciba una respuesta satisfactoria del IED al mensaje de consulta de línea se la pasará al estado de RECUPERACIÓN. El criterio que se ha seguido para distribuir la petición de datos en los distintos mensajes minimiza la carga de tráfico e intenta aprovechar al máximo las facilidades ofrecidas por el protocolo. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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1.4.2.3 Tratamiento de datos. Los distintos tipos de señales que se tratan, y su número máximo son los siguientes: Entradas analógicas (EA): 16 señales por IED. Entradas digitales (ED): 32 señales por IED. Contadores: 6 contadores por IED. Salidas digitales: 4 salidas por IED. Para poder mantener la información en la base de datos del ELITEL, se definen módulos lógicos de entradas analógicas donde se mantienen tanto las entradas analógicas, como los contadores y módulos lógicos de entradas digitales donde se mantienen entradas y salidas digitales. Se necesitan por IED:  

3 módulos de ED: 16 entradas digitales + 4 salidas digitales. 2 módulos de EA: 16 entradas analógicas + 6 contadores.

Además se fijan los canales paramétricos necesarios para poder mantener el estado del fallo de cada IED (un canal por IED). Estos se incorporan a un modulo lógico de entradas digitales. El protocolo DNP3 ofrece varias alternativas para acceder a la información del IED. El criterio seguido debe compactar los mensajes lo más posible en cada caso, y generar el menor tráfico posible.


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CAPÍTULO 2 ESTUDIO DEL PROTOCOLO DNP. 2.1 MODELO OSI. El modelo de referencia OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) lanzado en 1984 fue el modelo de red descriptivo creado por ISO (Organización Internacional de Estandarización); como un marco de referencia para la definición de arquitecturas de interconexión de sistemas de comunicaciones. Es un modelo que muestra cómo puede estructurarse una "pila" de protocolos de comunicaciones. El modelo en sí mismo no puede ser considerado una arquitectura, ya que no especifica el protocolo que debe ser usado en cada capa, sino que suele hablarse de modelo de referencia. Este modelo está dividido en siete capas, que se muestran en la Figura 2.1. (STALLINGS 2004 )

Figura 2. 1 Capas del modelo de referencia OSI.

Tres conceptos son básicos para el modelo: 1. Servicios 2. Interfaces 3. Protocolos La contribución más grande del modelo OSI es que hace explícita la distinción entre estos tres conceptos. La definición de servicio indica qué hace cada capa, no la Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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forma en que la entidad superior tiene acceso a ella, o cómo funciona dicha capa. Define el aspecto semántico de la capa. La interfaz de una capa indica a los procesos que están sobre ella cómo accederla. Especifica cuáles son los parámetros y qué resultados se esperan. Incluso, no dice nada sobre cómo funciona internamente la capa. Por último, una capa es quien debe decidir que protocolos debe utilizar. Puede usar cualesquier protocolo que desee, en tanto consiga que se haga el trabajo (es decir, proporcione los servicios ofrecidos). A pesar que OSI establece una diferenciación entre las especificaciones y la implementación ni el modelo ni sus protocolos son perfectos, y se les han hecho varias críticas que se resumen a continuación: 1. 2. 3. 4.

Aparición inoportuna Mala tecnología Malas implementaciones Malas políticas

A pesar de sus problemas, el modelo OSI (excepto las capas de sesión y presentación) ha probado ser excepcionalmente útil en la exposición de redes de computadoras. En contraste sus protocolos no han sido muy populares. Como alternativa se presenta un modelo OSI modificado denominado modelo híbrido (Figura 2.2). (TANENBAUM 2003 )

Figura 2. 2 Modelo de referencia híbrido.

2.2 PROTOCOLO DNP3.0 El protocolo DNP (Distributed Network Protocol) fue desarrollado en 1990 por Westronic Inc., como un sistema abierto (no propietario), basado en estándares de interoperabilidad IEC 870-5. Es ampliamente utilizado en aplicaciones de telecontrol en sistemas eléctricos, donde las estampas y sincronizaciones de tiempo, como el hecho de que un esclavo transmita información sin ser solicitada, son Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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fundamentales al momento de analizar fallas y sincronizar el accionamiento de todos los dispositivos. Por esta razón, los equipos que se utilizan en estas aplicaciones, como relés de protección, reconectadores, etc., en general, incluyen este protocolo como estándar. El protocolo DNP3.0 (DNP versión 3.0) está basado en un modelo que incluye tres de las capas del modelo OSI (sin embargo, DNP agrega una cuarta capa de pseudotransporte que permite la segmentación del mensaje), denominado EPA (Enhanced Performance Architecture, Arquitectura de Rendimiento Mejorado): capa de aplicación, capa de enlace de datos y capa física. DNP 3.0 es muy eficiente por ser un protocolo de capas, ya que asegura una alta integridad de datos. Es adecuado para aplicaciones en el ambiente SCADA completo: RTU-IED, Maestro – Remoto, puntopunto y aplicaciones de red. DNP3 es un protocolo que proporciona multiplexación, fragmentación de datos, comprobación de errores, control de enlace, establecimiento de prioridades, y servicios de direccionamiento de capa 2 para datos de usuario. Utiliza especialmente el control de redundancia cíclica (CRC) impregnado dentro de los paquetes de datos, para hacer frente a los ambientes muy ruidosos en los que se desenvuelve de forma habitual. Originalmente, el protocolo fue utilizado para comunicación serial, la versión actual soporta aplicaciones modernas que pueden llevar mensajes DNP3 sobre TCP/IP. ( DNP n.d .)

2.2.1 DNP3 Serial. DNP3 serie se utiliza como un protocolo de transmisión entre los sistemas de control y dispositivos remotos. Tiene capacidades generalmente en el contexto de las aplicaciones SCADA. Los mensajes son transmitidos habitualmente a través de conexiones en serie.

2.2.2 DNP3 LAN / WAN. DNP3 sobre LAN/WAN se destina para las conexiones a través de protocolos de Internet. Tanto TCP/IP y UDP/IP pueden ser utilizados como capa de transporte. Las tramas de la capa de enlace, están incorporadas en los paquetes TCP/IP. Este enfoque ha permitido a DNP3 aprovechar la tecnología de Internet, además la captura económica de datos y el amplio control entre dispositivos remotos. DNP3 sobre LAN / WAN tiene los mismos mensajes y el mismo formato que las tramas DNP3 , hecho que se demostrará más adelante en las pruebas del protocolo.


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2.2.3 DNP3 en los sistemas SCADA . DNP3 desempeña un papel importante en los sistemas SCADA. Se utiliza de manera general para las comunicaciones entre un equipo principal y las RTU’s o IED’s (Figura 2.3). Centro de Control de Estación Maestra SCADA

Enlaces Comunes

Subestación Remota

Dispositivos Electrónicos Inteligentes

1200 bps + (debajo de 300 bps en la instalación actual)

Actuador Unidad Terminal Remota (RTU) Radio Microonda Spread Spectrum

HMI/SCADA Master

Acumulador

Par trenzado Fibra óptica Dial up Línea dedicada

Puntos de Control Externo

Controlador Lógico Programable (PLC)

Figura 2. 3 DNP3 en los sistemas SCADA.

2.2.4 Arquitectura DNP3. La Figura 2.3 muestra las diferentes arquitecturas de sistema comúnmente utilizadas hoy en día. La Figura 2.3 (a) muestra un simple sistema punto a punto que cuenta con un maestro y una estación remota. La conexión física entre los dos es usualmente una línea dedicada o una línea telefónica dial up. La Figura 2.3 (b) se conoce como diseño multi-drop. Un maestro se comunica con la estación remota de múltiples dispositivos. Las comunicaciones son típicamente entre el maestro y la estación remota una a la vez. El maestro pide los datos a la primera estación remota, y luego se interroga a la siguiente estación para obtener datos, y continuamente interroga a las estaciones remotas una a una, haciendo un barrido ordenado (preseteado). El medio de comunicación puede ser una línea dial up multidropped, cable de fibra óptica o radioeléctrico. Cada una de las estaciones remotas puede escuchar los mensajes del maestro y sólo pueden responder a los mensajes dirigidos a sí mismo. En algunos sistemas multi-drop, las comunicaciones son punto a punto. Una estación puede operar como maestro para recolectar/reenviar la información o comandos desde/hacia una estación remota cualquiera. La Figura 2.3 (c) muestra un sistema jerárquico, donde el dispositivo central es una estación remota respecto al maestro de la izquierda y es un maestro con respecto a la Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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estación remota de la derecha. Este dispositivo generalmente se denomina submaestro. En las Figuras 2.4 (d, e), en ambas líneas se muestran las aplicaciones del concentrador de datos y conversores de protocolo. Un dispositivo puede recopilar datos de múltiples estaciones remotas en la parte derecha de la figura y almacenar estos datos en su base de datos donde puede recuperarse por una estación maestra en el lado izquierdo de la figura. DNP3 Master

(a)

DNP3 Outstation

Uno a Uno

(b)

DNP3 Master

DNP3 Outstation

DNP3 Outstation

DNP3 Outstation

Multi-drop

(c)

DNP3 Master

DNP3 Outstation

Master

DNP3 Outstation

Jerarquía

(d)

DNP3 Master

DNP3

XYZ

Outstation

Master

XYZ Outstation

XYZ Outstation

Concentrador de datos

(e)

XYZ Master

XYZ

DNP3

Outstation

Master

DNP3 Outstation

DNP3 Outstation

Concentrador de datos

Figura 2. 4 Arquitecturas DNP3.

2.3 ESPECIFICACIONES DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN DNP. 2.3.1 Características del protocolo DNP 3.0 

 





Pueden existir más de 65000 dispositivos con direcciones diferentes en un mismo enlace, debido a que usa dos bytes de direccionamiento. Permite mensajes en “Broadcast” (difusión). Confirmaciones al nivel de la capa de enlace y/o capa de aplicación garantizando así alta integridad en la información. Solicitudes y respuestas con múltiples tipos de datos en un solo mensaje, y permite objetos definidos por el usuario incluyendo la transferencia de archivos. Segmentación de los mensajes en múltiples tramas para garantizar una excelente detección de errores y recuperación de tramas con errores.


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Puede incluir solo datos que hayan cambiado en el mensaje de respuesta (Reporte por excepción). Asigna prioridades a un grupo de datos (clases), y los solicita periódicamente basándose en las mismas. Los dispositivos esclavos pueden enviar respuestas sin solicitud (Respuestas no Solicitadas). Soporta sincronización temporal con un formato de tiempo estándar. ( DNP n.d.) 







La Tabla 2.1 muestra la comparación del protocolo DNP con otros protocolos de comunicación. (Emb 2008 ) PROTOCOLOS CARACTERÍSTICAS Modelo OSI de 3 capas Usuarios Diseñado para ambientes empresariales Grupo de usuarios y comité técnico Control de revisión en documentación final Documentación definida de test del protocolo Programas independientes de verificación del protocolo Migración a arquitecturas avanzadas Sincronización de tiempo y estampa de tiempo Maestros múltiples y operación igual a igual (peer-to-peer) Esclavos no solicitados que no necesitan ser encuestados Segmentación de mensajes Transferencia de archivos seguro Mensajes generales (difusión) Objetos de datos definidos por usuario

DNP

IEC 60870-5-101



Modbus RTU x 1000 x x x



x

x



x

x



x x



x

x



x

x



x x x x

x



>500  



Limitados

  



100 

x 



 

x

Tabla 2. 1 Diferencias entre DNP y otros protocolos.NP

2.3.2 Respuestas no solicitadas. Este es un modo de funcionamiento que transmite una respuesta desde un esclavo de forma espontánea sin haber recibido una petición específica de los datos. No todas las estaciones tienen esta capacidad. Este modo es útil cuando el sistema tiene muchos esclavos y el maestro requiere la notificación tan pronto como sea posible después que se produce un cambio, mientras que haciendo un polling la respuesta tarda más en ser enviada. Por lo general se usa esta característica para que los Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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dispositivos esclavos reporten los eventos ya sean las alarmas, secuencia de eventos y/o cambios en las mediciones sin necesidad de preguntar por ellos. El criterio para que un dispositivo esclavo reporte respuestas no solicitadas se basa en dos parámetros, configurables en todo dispositivo que se comunique mediante DNP 3.0 y que soporte esta propiedad: •Hold

count: este parámetro configura un número determinado de eventos o cambios que tienen que ocurrir para que el dispositivo tome la decisión de enviar una respuesta no solicitada reportando dichos eventos. •Hold time: este parámetro configura el tiempo máximo que debe pasar hasta

que el dispositivo envíe una respuesta no solicitada. Con este parámetro se evita el caso en que ocurran eventos en el dispositivo, pero que no superen en número al Hold count, entonces el dispositivo espera el Hold time para enviar los eventos que tiene almacenado.

2.3.3 Bases de datos de estaciones maestras y remotas. La Figura 2.5 muestra la relación entre la estación maestra y una estación remota y da una visión sencilla de las bases de datos y software de los procesos involucrados.

Figura 2. 5 Relación entre maestro y esclavo.

Una serie de bloques en la parte superior de la estación remota representan los datos almacenados en su base de datos y en los dispositivos de salida. Los diversos tipos de datos son conceptualmente organizados como matrices. Un conjunto de valores binarios de entrada representa los estados físicos o estados lógicos booleanos de los Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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dispositivos. Las entradas analógicas representan las cantidades de entrada que la estación remota ha medido o calculado. Un arreglo de contadores representa los valores contabilizados. Las salidas de control representan; el encendido o apagado físico o lógico, es decir una apertura o cierre. Los bloques de datos se etiquetan de 0 a N - 1, donde N es el número de bloques para el respectivo tipo de datos. En terminología DNP3, los números de bloques se llaman puntos índices. La unidad maestra también tiene una base de datos similar a la remota. El maestro utiliza los valores en su base de datos para visualizar los estados del sistema, el control de circuito cerrado, alarma de notificación, facturación y más. Uno de los objetivos del maestro es mantener su base de datos actualizada. Se realiza mediante el envío de una petición a una estación remota solicitando que devuelva el valor de la base de datos de la estación remota, proceso denominado selección (polling). La estación remota responde a la petición del maestro para la transmisión del contenido de su base de datos. Las flechas de la parte inferior de la figura 2.4 muestran la dirección de las peticiones (hacia la estación remota) y la dirección de las respuestas (hacia el maestro).

2.3.4 Capas del protocolo DNP3. Los enlaces de comunicación entre los dispositivos a menudo no son adecuados, son susceptibles a ruido y la distorsión de la señal. El software DNP3 es capaz de proporcionar datos fiables en la transmisión. La Figura 2.6 muestra las capas DNP3. ENTRADAS BINARIAS

8 7 6 5 4 3 2 1 0

ENTRADAS BINARIAS

MAESTRO

8 7 6 5 4 3 2 1 0

ANÁLOGO

4 3 2 1 0

CONTADORES

3 2 1 0

ESTACIÓN REMOTA SALIDAS DE CONTROL ANÁLOGO

4 3 2 1 0

CONTADORES

3 2 1 0

6 5 4 3 2 1 0

SALIDAS ANALÓGICAS

4 3 2 1 0

CÓDIGO DE USUARIO DNP3

CÓDIGO DE USUARIO DNP3 CAPA DE APLICACIÓN

CAPA DE APLICACIÓN

CAPA DE PSEUDO TRANSPORTE

CAPA DE PSEUDO TRANSPORTE

CAPA DE ENLACE

CAPA DE ENLACE

MEDIO FISICO

PETICIONES RESPUESTAS

Figura 2. 6 Capas DNP3. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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2.3.4.1 Capa Física. La capa física se refiere principalmente a los medios físicos sobre los cuales se está comunicando el protocolo. Por ejemplo, maneja el estado del medio (libre u ocupado), y la sincronización a través del medio (inicio y parada). Comúnmente, DNP se especifica sobre una capa física serial simple tal como RS-232 o RS-485 usando medios físicos tales como fibra, radio-eléctrico o satélite. La capa física sirve para el enlace de datos como bits seriales asíncronos, además soporta datos de 8 bits, 1 bit de inicio, 1 bit de parada, bits de no paridad, niveles de voltaje y señales de control. El modem usado para la comunicación utilizando PSTN (Public Switched Telephone Network) o líneas privadas conforman la definición DCE (Equipo de Comunicación de Datos) para el estándar V.24. La capa física debería proveer cinco servicios básicos:     

Enviar. Recibir. Conectar (cuando se usa la comunicación para PSTN). Desconectar (cuando se usa la comunicación para PSTN). Estado (por ejemplo indicación de disponibilidad de medios).

2.3.4.2 Capa de Enlace de Datos. La capa de enlace de datos DNP 3.0 está diseñada para una operación orientada a conexión y conexiones síncronas o asíncronas de bits seriales de la capa física (como RS232, RS-485 y transceptores de fibra óptica). Para ello proporciona detección de errores y detección de duplicación de tramas. La duplicación de tramas puede presentarse cuando el tiempo de espera por una confirmación tanto en el maestro como en el esclavo sobrepasa el límite establecido. La capa de enlace envía y recibe paquetes, que en terminología DNP3 se llaman tramas. A veces es necesaria la transmisión de más de una trama para transportar toda la información de un dispositivo a otro.

2.3.4.3 Capa de Pseudo Transporte. Esta pseudo capa tiene la misión de dividir la longitud de los mensajes de la capa de aplicación en pequeños paquetes para transmitirlos por la capa de enlace, y cuando los recibe, reensambla las tramas dentro de los mensajes en la capa de aplicación. En DNP3 la capa de transporte se ha incorporado a la capa de aplicación. La capa de transporte requiere de un único octeto general para realizar su tarea. Por lo tanto, Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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desde la capa de enlace se pueden manejar sólo 250 octetos de datos, y uno de esos se utiliza para la función de transporte, cada trama de la capa de enlace puede almacenar hasta 249 octetos de la capa de aplicación.

2.3.4.4 Capa de aplicación. La capa de aplicación realiza operaciones de funcionamiento como: recuperación de valores actuales (funciones de lectura), asignación de nuevos valores (funciones de escritura) si los objetos representan puntos de control, provisión y energización de los puntos de salida (selección, operación o funciones de operación directa) si se usan contadores, valores actuales almacenados (funciones almacenadas) y encerado de los contadores. Todos los objetos de datos son asignados como clases. El protocolo DNP define 4 clases: clase 0 para datos fijos, clase 1 para eventos producidos por cambio de datos, clase 2 para datos almacenados y clase 3 para eventos producidos por operaciones guardadas. Solo el dato fijo está siempre disponible y puede ser solicitado usando la función de lectura. La capa de usuario puede solicitar a la capa de aplicación por el reporte de eventos clase 1, 2 o 3 o cualquier combinación de ellos. Los mensajes de la capa de aplicación se dividen en fragmentos, el tamaño del fragmento máximo está determinado por el tamaño del buffer del dispositivo receptor. El rango normal es 2048 a 4096 bytes. Un mensaje que es más grande que un fragmento requiere de múltiples fragmentos. Fragmentar los mensajes es una función de la capa de aplicación. En la figura 2.7 se puede ver una comparación entre las arquitecturas del protocolo OSI y DNP3 indicando la posible correspondencia en términos de funcionalidad entre ambas.


28




Figura 2. 7 Comparación entre las arquitecturas de protocolos DNP3 y OSI.

2.3.5 Implementación protocolo DNP 3.0 para el PCD de ABB. A través de la interface del panel frontal PCD se pueden cambiar varios parámetros de operación. Los parámetros que directa o indirectamente configuran la operación de DNP 3.0 se listan en la Tabla 2.2. Los parámetros se almacenan en una memoria no volátil es decir se mantienen cuando el PCD está apagado . (Perfil DNP 3.0 de los equipos reconectadores PCD2000 de ABB 2006 )


29



ETIQUETA Dirección de unidad Baudios RP

DESCRIPCIÓN Dirección de Red

Tramas RP Protocolo RP

Paridad, Bits de Datos, Bits de Parada Selección de Protocolo

Parámetro 1

Retardo entre caracteres

Parámetro 2

Tiempo de confirmación enlace de datos Recuperación de enlace datos Retardo de transmisión Grupo de máscara búsqueda clase 0 Grupo de máscara búsqueda clase 0 Grupo de máscara búsqueda clase 0 Grupo de mascara búsqueda clase 0 Tamaño de fragmento de capa de aplicación

Parámetro 3 Parámetro 4 Parámetro 5 Parámetro 6 Parámetro 7 Parámetro 8 Parámetro 9 Parámetro 10 Parámetro 11 Parámetro 12 Parámetro 13 Parámetro 14 Parámetro 15 Parámetro 16 Parámetro 17 Parámetro 18 Parámetro 19 Parámetro 20 Parámetro 21 Parámetro 22 Parámetro 23 Parámetro 24 Parámetro 25


RANGO 0-65535(decimal) 0-FFFF(hex) 300,1200,2400,4800, 9600,19200 N,8,1 E,8,1 O,8,1 N,8,2 E,7,1 O,7,1 N,7,2 ASCII (Modbus) RTU (Modbus),DNP3.0

UNIDADES Dirección

POR DEFECTO 1

Baud

9600

Paridad,bits,bits

N,8,1

1-255

10 milisegundos

de

1-255

de

0-255

100 milisegundos Recuperaciones

Tasa serial de Baudios

de de de de

ASCII

0-255 0-255 (grupos de búsqueda 0-7) 0-255 (grupos de búsqueda 8-15) 0-255 (grupos de búsqueda 16-23) 0-255 (grupos de búsqueda 24-31)

Milisegundos Máscara de bit

1-8

Tramas

1-255

Segundos

0-255

Segundos

0 255 todos los grupos habilitados 255 todos los grupos habilitados 255 todos los grupos habilitados 255 todos los grupos habilitados 8 (2048 bytes) 0 (1 trama) Mayor a 8 (8 tramas) 5 0 1 seg 15

0-255

Dirección

3

0-255

Eventos

10

0-255

Eventos

25

0-255

Eventos

50

0-255 (0= nunca)

Minutos

30

Máscara de bit Máscara de bit Máscara de bit

la

Tiempo de confirmación de la capa de aplicación Retardo de notificación de respuestas no solicitadas Dirección de destino Número mínimo de eventos clase 1 para respuestas no solicitadas Número mínimo de eventos clase 2 para respuestas no solicitadas Número mínimo de eventos clase 3 para respuestas no solicitadas Intervalo de tiempo de escritura Confirmación de enlace de datos Intervalo no solicitado fuera de línea Respaldo Respaldo Variación por defecto para objetos 2 Variación por defecto para objetos 30 Variación por defecto para objetos 32 Característica automática de protocolo Reintentos máximos no solicitados

50(500 milisegundos), 0 deshabilitado no se usa 30 (3 segundos), 0 (100 milisegundos) 2

0 (nunca) 1 (solo multitrama) 2 (siempre) 1-255

0 (nunca) Mayor a 2 (siempre) Minutos

15

1o2

2

1-4

2

1-4

2

Deshabilitado habilitado

Deshabilitado

0-255

3 [255-indefinido]

Tabla 2. 2 Parámetros de configuración del DNP 3.0.

2.3.5.1 Formato de tramas. La estructura completa de las tramas DNP (Tabla 2.3), contiene la descripción de los bytes de cada trama en cada una de las capas. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

30


Byte

Formato de trama de la Capa de Enlace

Formato de trama de la Capa de Transporte

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


Descripción Petición Caracter de inicio Caracter de inicio Longitud del campo Byte de control Dirección destino Dirección destino Dirección fuente Dirección fuente CRC CRC

Respuesta Caracter de inicio Caracter de inicio Longitud del campo Byte de control Dirección destino Dirección destino Dirección fuente Dirección fuente CRC CRC

Cabecera de transporte de campo

Cabecera de transporte de campo

11

Formato de trama de la Capa de Aplicación


12

Cabecera de solicitud de aplicación

13

Object data

14

Object data

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data CRC CRC Object data Object data Object data

Control de aplicación de campo Código de función de aplicación

Cabecera de respuesta de aplicación

Control de aplicación de campo Código de función de aplicación Indicación interna Indicación interna

Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data Object data CRC CRC Object data Object data Object data

Tabla 2. 3 Estructura de formato de tramas DNP.

Una trama DNP3 (Figura 2.8) consta de una cabecera y de una sección de datos. La cabecera especifica el tamaño de la trama, contiene información de control de enlace de datos e identifica la dirección de la fuente y el destino del dispositivo. La sección de datos comúnmente se llama de carga útil y contiene los datos transmitidos a partir de las capas superiores.


31




Figura 2. 8 Trama DNP3.

La cabecera contiene: dos octetos de sincronización que ayudan al receptor a determinar cuando comienza la trama, la longitud especifica el número de octetos en el resto de la trama, sin incluir los octetos de verificación CRC. El octeto de control de enlace se utiliza para el envío y recepción de capas de enlace para coordinar sus actividades. El formato de tramas de la capa de enlace de datos que se envía a través de la capa física se muestra en la Figura 2.9, y en la Tabla 2.4 se explica los campos de la trama.

Figura 2. 9 Formato de tramas de la capa de enlace de datos.


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CAMPO


SUBCAMPO

INICIO LONGITUD

DIRECCIÓN (DIR)

BIT PRIMARIO (PRM)

CONTROL

BIT CONTADOR DE TRAMA (FCB) BIT DE VALIDACIÓN DEL CONTADOR (FCV) BIT RES BIT DE CONTROL DE FLUJO DE DATO (DFC) CÓDIGO DE FUNCIÓN

DESTINO FUENTE CRC DATOS DE USUARIO


DESCRIPCIÓN 2 octetos de arranque de la cabecera (header). 1 octeto contador de datos de usuario en la cabecera y cuerpo. Esto incluye los campos de control, destino y fuente en la cabecera. Los campos CRC no están incluidos en el contador. El mínimo valor de longitud es 5, lo cual indica que solo la cabecera está presente, y el máximo valor es 255. El campo de control contiene la dirección de la trama, el tipo de trama y la información de control de flujo. El bit de dirección indica la dirección física de la trama con relación a la estación maestra designada. El valor 1 indica una trama desde la estación maestra designada; valor 0 indica una trama desde otra que no sea la estación maestra. Indica la dirección de la trama con relación a la estación inicial. Valor 1 indica la trama desde la estación inicial, valor 0 indica una trama desde la estación que responde. Es usado para suprimir las pérdidas y duplicación de las tramas en la estación secundaria. Habilita el bit FCB. El valor 1 significa que el FCB es válido y debe ser chequeado nuevamente su estado. El estado del bit FCB de la última trama enviada con el bit FCV activo. El valor 0 indica que el estado del FCB debería ser ignorado. Restringido siempre a 0. Es usado para prevenir el sobreflujo de los buffers en la estación secundaria. La estación secundaria retorna estos bits puestos en 1, si el siguiente envío de los datos de usuario a esta estación secundaria causa sobreflujo de los buffers de enlace de datos. El código de función indica los tipos de trama. 2 octetos para dirección destino. El primer octeto es el LSB y el segundo octeto es el MSB. 2 octetos para dirección fuente. El primer octeto es el LSB y el segundo octeto es el MSB. 2 octetos para chequear la redundancia cíclica. Cada bloque a continuación de la cabecera tiene 16 octetos de datos definidos por el usuario, excepto el último bloque que contiene de 1 a 16 octetos según la necesidad.

Tabla 2. 4 Detalle de los campos de las tramas de enlace de datos.


33




2.3.5.2 Direccionamiento. La dirección de destino define el dispositivo DNP3 que debe procesar los datos, y la dirección de la fuente que identifica que dispositivo envía el mensaje. Cada dispositivo DNP3 debe tener una dirección única dentro del sistema.

2.3.5.3 Verificación CRC. Los datos de carga útil en las tramas de enlace contienen un par de octetos de datos CRC cada 16 octetos. Esto proporciona un alto grado de fiabilidad en la detección de errores en la comunicación. El número máximo de octetos de los datos de carga útil es de 250, sin incluir los octetos CRC (la longitud máxima de la trama de la capa de enlace es 292 octetos si todos los CRC y los octetos de cabecera se cuentan).

2.3.5.4 Datos estáticos y eventos. La capa de aplicación trabaja conjuntamente con las capas de transporte y enlace para que las comunicaciones sean fiables. En DNP3, el término estático se utiliza con los datos y se refiere al valor actual. Así la entrada binaria de datos se refiere al estado actual encendido o apagado de un dispositivo bi-estado. Los datos de entrada analógicos contienen el valor de una entrada analógica en el instante de su transmisión. Una posibilidad que permite DNP3 es solicitar todos o algunos de los datos estáticos en un dispositivo remoto. Los eventos DNP3 están relacionados con acontecimientos importantes que suceden. Ejemplos de ello son cambios de estado, valores que exceden algún umbral, variaciones de datos instantáneos, datos transitorios y los nuevos datos de información disponible.

2.4 PRUEBAS FUNCIONALES DEL PROTOCOLO DNP 3.0. Las pruebas realizadas se basan en la manipulación, uso y control de las unidades PCD en forma remota utilizando el protocolo DNP 3.0 a través del software ASE2000, mediante el monitoreo serial y sobre una red LAN. Las pruebas se enfocan en el establecimiento y configuración de un sistema de telemetría controlado por la RTU ELITEL-4000. ASE2000 (Applied Systems Engineering) es un paquete de software/hardware que permite hacer pruebas, de monitoreo y comunicaciones de redes en un ambiente de adquisición de datos, entre una estación primaria (Master) y una estación secundaria Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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(Slave). ( ASE2000 Communication Test Set Software and Protocol License Agreement 2007 )

2.4.1 Modo Monitor RS232. En la figura 2.10 se muestra un diagrama de la conexión del modo monitor, en esta prueba de laboratorio se intercambian datos entre la estación principal RTU (Master) y la estación secundaria (Slave; IED control PCD del reconectador) por medio de sus puertos seriales RS485. La PC que realiza el monitoreo se conecta en paralelo vía puerto RS232 con las líneas de comunicación entre los equipos que realizan la transmisión de datos.

Figura 2. 10 Diagrama de conexiones modo monitor.

Una vez realizada esta conexión se debe configurar el software ASE2000 en modo de monitoreo. Además es necesario configurar las direcciones tanto de la estación maestra como del esclavo, en este caso son direcciones 255 y 001 respectivamente. En la figura 2.11 se muestra los resultados obtenidos de esta prueba. La RTU ha hecho una solicitud de entradas analógicas, y la respuesta del reconectador se pueden ver en la ventana del software. De esta manera se ha comprobado el funcionamiento del PCD como esclavo y la correcta operación de la RTU (Master) en el proceso de intercambio de datos con este IED usando el protocolo DNP3.0 serial en la comunicación.


35




Figura 2. 11 Pantalla de resultados de la prueba modo monitor en el software ASE2000.

2.4.2 DNP3.0 sobre TCP/IP. Esta prueba es indispensable ya que tecnologías como GPRS (General Packet Radio Service) cuentan con una red TCP/IP, es decir los reconectadores necesitan direcciones IP (Internet Protocol); para esto se debe comprobar el funcionamiento de estos equipos sobre el protocolo DNP3.0 LAN/WAN. La Centrosur proporcionó el equipo LANTRONIX UDS 1100 que es el dispositivo conversor de interfaz RS232/RS485/Ethernet necesario para realizar esta prueba. 

Configuración del conversor Serial/Ethernet.

La configuración de este dispositivo se la realiza a través de un administrador Web, ésta se almacena en la memoria no volátil de la PC. Se puede cambiar la configuración en cualquier momento, la unidad realiza un restablecimiento después de los cambios y guarda la misma. Esta aplicación permite configurar un equipo de forma remota accediendo a su puerto de consola a través del convertidor LANTRONIX, quien actúa de nexo entre la comunicación serial hacia el equipo remoto y la conexión Ethernet del computador que emulará un terminal de datos para permitir la configuración. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

36


-

-

-



Para configurar la dirección IP del dispositivo se interconecta el equipo LANTRONIX con la tarjeta de red LAN de la PC, mediante un cable cruzado. Se inserta el CD que viene con el equipo, de esta manera se levantará el AutoRun. Para ver el administrador Web UDS1100 se debe hacer click en el botón Go de la ventana de instalación del dispositivo o accediendo desde el navegador web. Se debe ingresar la dirección IP que se asignará a este dispositivo. Para la configuración de este dispositivo se asignó la dirección IP: 192.168.00.11. Esta dirección deberá ser la misma que se configure en el software ASE2000 como host, también el software deberá tener una dirección IP que será el destino de los datos enviados por el PCD, esta dirección deberá ser configurada también en el conversor UDS 1100 como host.

( LANTRONIX, UDS1100 User Guide 2007 ) El diagrama de conexión en modo maestro de forma directa se muestra en la Figura 2.12, en medio de la comunicación entre el maestro y esclavo (PCD) se ha colocado el conversor de interfaz, el cual conecta el PCD a través del puerto serial RS485 de un extremo, mientras que del otro lado a través del puerto RJ45 (10/100) Ethernet a la PC3, donde el software instalado ASE2000 actúa en modo maestro.

Figura 2. 12 Diagrama de conexiones modo maestro directo.

En el conector DB25 RS-485 hembra del conversor, se utilizan los pines 7, 14 y 15 para la comunicación (Figura 2.13). El puerto serial está calibrado por defecto en 9600 baud, 8 bits, sin paridad y 1 bit de parada.

3

Debido a que la RTU ELITEL 4000 no funciona con redes IP, para estas pruebas se utilizará el software ASE2000 instalado en una PC. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

37




Figura 2. 13 Interface DB25 hembra RS485.

Antes de realizar la solicitud de datos por parte de la estación maestra cabe indicar que el PCD está configurado con el protocolo DNP3.0 serial, mientras que en el software ASE2000 se configurará con el protocolo DNP3.0 LAN/WAN. La segunda opción para esta prueba (Figura 2.14) es la conexión de los equipos a través de la red LAN de la Centrosur, ya que de esta forma se realiza una simulación real del funcionamiento dentro de una red TCP/IP. La configuración tanto del software ASE2000 como la del dispositivo UDS, son exactamente iguales a la prueba anterior, las conexiones físicas del PCD a través del conversor de interface se efectuaron hasta un puerto de red LAN ubicado en el laboratorio de protecciones de la Centrosur, mientras que la conexión de la PC que actúa como maestro se lo hizo en primera instancia con un puerto dentro del mismo laboratorio, luego para confirmar los resultados se optó por conectar la PC en un puerto ubicado en un escenario distinto al primero.

Figura 2. 14 Diagrama de conexiones modo maestro a través de la red LAN.

En la figura 2.15 se muestra los resultados de las pruebas que se realizaron mediante el software ASE2000, en donde el maestro hace una petición de restablecimiento de enlace, a lo que el PCD responde mediante un reconocimiento de enlace de datos, comprobando así que el protocolo DNP3.0 serial puede comunicarse sobre una red TCP/IP con solo disponer de un dispositivo entre la red y el PCD.


38




Figura 2. 15 Pantalla de resultados de la prueba sobre la red LAN de la Centrosur.


39




CAPÍTULO 3 ESTUDIO DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. 3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN. Las redes de comunicación son un conjunto de recursos, públicos y/o privados que se interconectan entre sí para satisfacer las necesidades de sus usuarios. En función de la propiedad de los recursos de la red, se distinguen entre redes públicas y redes privadas. Las redes públicas son aquellas que pertenecen a un operador público de telecomunicaciones. Mientras que las redes privadas dan servicio a determinadas empresas siendo éstas las que soportan los costos de implementación y mantenimiento de la red. Además, hay una tercera posibilidad la cuál es construir una red privada alquilando los recursos públicos de un operador, la cuál es conocida como una red privada virtual (VPN). En el ámbito de la cobertura que abarquen, se distinguen redes de área local LAN (Local Area Network), redes de área metropolitana MAN (Metropolitan Area Network) o redes de área extensa WAN (Wide Area Network).

3.1.1 Redes LAN. Una Red de Área Local (LAN), se puede definir como una red de comunicaciones de datos que abarca un área físicamente limitada (generalmente menor que 2 o 3 Km.), provee comunicación con gran ancho de banda en un medio económico (generalmente cable coaxial o par trenzado), da una capacidad de conmutación con una velocidad binaria alta y una tasa de errores reducida. Las redes LAN poseen las siguientes características principales:    

Interconexión de dispositivos Velocidades de transmisión elevadas (1 Mbits hasta 10 Gbits ) Infraestructura de red privada Fácil instalación y flexibilidad en la ubicación de equipos y terminales

Para una red LAN existen diversas configuraciones como: 

LAN conmutadas.- las redes más populares de este tipo son las redes LAN Ethernet, las cuales constan de un único conmutador, o alternativamente implementadas mediante un conjunto de conmutadores interconectados entre sí. Otro ejemplo son las redes LAN ATM (Asynchronous Transfer Mode),


40





las cuales utilizan la tecnología de red ATM en un entorno local. Finalmente están las redes LAN con canal de fibra (Fiber Channel). El concepto básico de una LAN alámbrica es el área geográfica en la cual se distribuye el cableado, al analizar de esta manera debemos considerar las limitaciones del cable, las repetidoras y la tarjeta de interfaz con la red; ya que una red LAN básica debe satisfacer estas especificaciones físicas. La red LAN alámbrica incluye elementos de interconexión como bridges, routers y gateways, llamados también dispositivos intermedios, que permiten conectar la red formando una entidad integrada. -




Routers (enrutadores) y bridges (puentes): son equipos especiales que permiten conectar dos o más redes. El bridge es el equipo más elemental y sólo permite conectar varias redes de un mismo tipo. El router es un elemento más inteligente y posibilita la interconexión de diferentes tipos de redes de ordenadores.

LAN inalámbricas.- Este tipo de redes son muy habituales, principalmente en entornos de oficinas, ya que éstas proporcionan ventajas evidentes en términos de movilidad, facilidad de instalación y configuración.

(PAREDES y MARTÍNEZ 2008)

3.1.1.1 Estándares LAN. Aunque tienen características propias en la capa física, es la subcapa MAC (Control de Acceso al Medio) la que diferencia los tipos de redes LAN existentes, encontrándose sistemas cuyo acceso al medio se basa en colisiones, otros se basan en reserva mediante el paso de un testigo. Los estándares desarrollados son responsabilidad del organismo de normalización IEEE, creándose de esta manera las normas IEEE 802, dentro de las cuales se destacan: 802.1.- Arquitectura general LAN y capas superiores. 802.2.- LLC. 802.3.- LAN Ethernet. 802.4.- LAN en bus con paso de testigo (Token Bus). 802.5.- LAN en anillo con paso de testigo (Token Ring). 802.6.- MAN DQDB. 802.11.- LAN Inalámbricas. 802.14.- LAN de cable, cable modem.        

3.1.1.2 Ethernet. Es una familia de estándares IEEE 802.3, que en su red local presenta una topología lógica y topología física en bus. Estas redes locales tienen alta difusión en el ámbito comercial, científico y educativo. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

41




IEEE 802.3, es la norma básica que opera a 10 Mbps. Para el acceso se utiliza la técnica de acceso al medio denominada Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD). Para la transmisión de datos el nodo comprueba si el canal esta libre. De ser positiva la respuesta se iniciará la comunicación entre nodos siempre verificando el estado del canal, en caso de existir una colisión se enviará una señal de prueba (JAM) cuya función es la de informar al resto de nodos de la red que existió una colisión en el canal, luego de esto, los nodos correrán el algoritmo de BACKOFF que genera tiempos aleatorios y al término de estos, el nodo podrá transmitir, reduciendo de esta manera la probabilidad de colisiones. (Kioskea s.f.) 

Una evolución de Ethernet se la denomina Fast Ehernet que opera a una velocidad de 100 Mbps, su topología es la misma (bus) y usa el mismo formato de trama, garantizando de esta manera compatibilidad entre las dos tecnologías. La tarjeta de comunicación llamada NIC es de tipo dual (10/100 Mbps). El hub o concentrador es el elemento básico de la red Ethernet. Su funcionamiento se basa en el ingreso de una señal por el puerto y que se propaga al resto de puertos (Figura 3.1).

PC-PT PC1 PC-PT PC0

PC-PT PC2

Hub-PT Hub0

Figura 3. 1 Conexión Host-Hub Ethernet.

Existen hubs que soportan funciones de control y supervisión, como división de la red en segmentos o capacidad de gestión remota. 

Gigabit Ethernet 802.3z, posee una velocidad de transmisión de 1 Gbps, los medios de comunicación empleados por esta tecnología son cable coaxial y fibra óptica, puede operar en half duplex y full duplex. Este tipo de redes se aplican a conexiones que demandan gran ancho de banda y exige de la red prestaciones elevadas. Figura 3.2.


42




SWITCH MULTICAPA

1 Gbps

HOST A

HOST B

Figura 3. 2 Conexión Host-Hub Ethernet. 

10 Gigabit Ethernet 802.3ae, es la última versión de Ethernet, la cual es una alternativa para reducir los costos de ancho de banda. La conmutación es mucho más rápida ya que emplea conmutadores mucho más rápidos que los routers. Este tipo de redes se aplican en redes MAN y WAN en un Backbone de fibra óptica (Figura 3.3). BUSSINESS 1 Switch Multicapa 2

BUSSINESS 2

Switch Multicapa 3

Switch Multicapa 4

Switch Multicapa 5

Fibra Monomodo

Fibra Multimodo

Hasta 40 Km

Switch Multicapa 1

Fibra Multimodo

Switch Multicapa 6

Figura 3. 3 Backbone de Gigabit Ethernet.

3.1.2 Redes WAN. Las redes WAN (Wide Area Network) son redes de área extendida o de largo alcance. Una red WAN es la conexión de dos o más redes LAN que están interconectadas a través de bridges, routers y switches, pueden clasificarse en dos grandes grupos:

1. Redes de conmutación de circuitos .- este tipo de red garantiza que una vez establecida la comunicación entres dos computadoras su capacidad no disminuirá Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

43




debido a actividades adicionales de otros dispositivos de la red. Necesita el establecimiento de la comunicación, la transmisión de datos y la finalización de la comunicación. Su desventaja es el elevado costo de implementación e independientemente de que se transmita o no, el costo siempre será el mismo.

2. Redes de conmutación de paquetes .- en este tipo de red los recursos serán compartidos por varios usuarios. Los datos de diferentes usuarios se agrupan en paquetes y son transmitidos a través de la red, estos usuarios pagarán solamente por el número de paquetes que envíen a través de la red. La desventaja de este tipo de redes es la congestión que se produce al transmitir los datos de varios usuarios, debido a que el enlace entre usuarios no es dedicado existe un retardo en la transmisión, de acuerdo a las condiciones de la red. La conmutación de paquetes es óptima para la transmisión de datos a ráfagas (burst) y su costo dependerá del uso que se le dé a la red. (Textos Cientificos s.f.) 3.1.2.1 Topología de Redes WAN. Los tipos de redes WAN existentes son:

a) Punto a Punto Esta topología cada nodo se conecta a otro a través de circuitos dedicados. Dichos canales están siempre disponibles para la comunicación entre los dos puntos. Esta configuración es solo funcional para pequeñas WANs ya que todos los nodos deben participar en el tráfico, es decir que si aumenta la cantidad de nodos aumenta la cantidad de tráfico y esto con el consiguiente encarecimiento de la red. b) Anillo En la topología de anillo (Figura 3.4) cada nodo es conectado a otros dos más formando un patrón de anillo. Esta topología tiene dos ventajas: por un lado si existe algún problema en las conexiones en un cable, la información le sigue llegando al nodo usando otro recorrido y si algún nodo está muy ocupado el tráfico se puede derivar hacia otros nodos. Extender este tipo de redes es más caro que extender una red punto-a-punto ya que se necesita al menos un enlace más.

Figura 3. 4 Topología en anillo. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

44




c) Estrella En esta configuración un nodo actúa como punto central de conexión para todos los demás, permitiendo así que en caso de que exista un fallo en alguno de los cables los demás nodos no pierdan conexión con el nodo central (Figura 3.5). La principal desventaja de esta topología es que algún problema que exista en el nodo central se convierte en un desastre total para la red ya que se pierde la conexión de todos los nodos.

Figura 3. 5 Topología en estrella.

d) Malla En esta topología la esencia es buscar la interconexión de los nodos de tal manera que si uno falla los demás puedan redireccionar los datos rápida y fácilmente (Figura 3.6). Esta topología es la que más tolerancia tiene a los fallos porque es la que provee más caminos por donde puedan viajar los datos que van de un punto a otro. La principal desventaja de las redes tipo malla es su costo, es por esto que se ha creado una alternativa que es la red de malla parcial en la cual los nodos más críticos (por los que pasa más trafico) se interconectan entre ellos y los demás nodos se interconectan a través de otra topología (estrella, anillo).

Figura 3. 6 Topología tipo malla.

e) Topología de bus También conocida como topología lineal de bus, es un diseño simple que utiliza un solo cable al cual todas las estaciones se conectan (Figura 3.7). La Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

45




topología usa un medio de transmisión de amplia cobertura (broadcast medium), ya que todas las estaciones pueden recibir las transmisiones emitidas por cualquier estación. Como es bastante simple la configuración, se puede implementar de manera barata. El problema inherente de este esquema es que si el cable se daña en cualquier punto, ninguna estación podrá transmitir. Aunque Ethernet puede tener varias configuraciones de cables, si se utiliza un cable de bus, esta topología representa una red de Ethernet.

Figura 3. 7 Topología tipo bus.

f) Topología de árbol Esta topología es un ejemplo generalizado del esquema de bus (Figura 3.8). El árbol tiene su primer nodo en la raíz, y se expande para afuera utilizando ramas, en donde se encuentran conectadas las demás terminales. Esta topología permite que la red se expanda, y al mismo tiempo asegura que nada más existe una "ruta de datos" (data path) entre 2 terminales cualesquiera.

Figura 3. 8 Topología de árbol.

Un aspecto crítico de una red WAN es la disponibilidad de conexión, encontrando redes que soportan comunicación bajo demanda, donde la conexión se establece cuando es necesario y solicitado por el sistema que efectúa la llamada y redes de comunicación permanente, en las que su conexión permanece activa; en la Tabla 3.1 se detallan estas características.


46



COMUNICACIÓN BAJO DEMANDA 



Conexión disponible durante el

COMUNICACIÓN PERMANENTE 

Canal

de

comunicación

periodo de tiempo preciso.

permanente, sin limitación de

Al finalizar la transmisión de

tiempo ni utilización.

datos se anula la conexión. 


Se debe establecer la llamada,



Intercambio de información en cualquier momento.

mantenerla y anularla.

Tabla 3. 1 Características de las redes WAN.

3.1.2.2 Tipos de Redes WAN. Entre las redes de datos más comunes se tienen: Ethernet, WLAN, X.25, Frame Relay, ATM, Redes IP; cada una de estas redes tienen características propias dependiendo de la tecnología o del servicio que prestan. Existen redes de líneas dedicadas (punto a punto), que manejan una transmisión de datos transparente. Una de las ventajas de estas redes es que el enlace entre puntos finales siempre está activo, garantizando de esta manera una transmisión continua de datos, ofreciendo velocidad desde uno pocos Kbps hasta varios Mbps.

3.2 ESTRUCTURA DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. En la actualidad la red WAN IP de la CENTROSUR se utiliza en aplicaciones como: transmisión de voz, datos, video, VoIP entre agencias, puntos de recaudo, y aplicaciones para clientes corporativos para servicios de banda ancha. La WAN cuenta con una infraestructura híbrida compuesta por una red alámbrica e inalámbrica, constituida principalmente por los siguientes elementos: red troncal (backbone), red de accesos y red de distribución.

3.2.1 Estructura de la Red Alámbrica. La red alámbrica está concentrada en la ciudad de Cuenca, constituida por un anillo metropolitano de fibra óptica de 24 hilos tipo OPGW (Optical Power Ground Wire), cable óptico Figura “8” del tipo Loose Tube y fibra subterránea. Además tiene una extensión radial hacia la S/E 18 (Cañar) con cable óptico de 12 hilos. OPGW es un sistema de cable compuesto tierra-óptico, para instalación en líneas eléctricas de alta tensión utilizada en la Centrosur como cable de guarda, y por las plataformas tecnológicas para la prestación del servicio de telecomunicaciones. El cable óptico Figura “8” se utiliza para instalaciones aéreas con vanos cortos ( hasta

de 150 metros), existen en el mercado cables de 6, 12, 24 y 36 fibras con características tales como resistencia a la corrosión, baja fricción de instalación. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

47




Dentro de esta red se tienen definidas las siguientes plataformas: Fibra óptica (tecnología GPON, Gigabit Pasive Optical Network) para el sector corporativo industrial y residencial para los servicios de Internet, transmisión de datos y televisión. Fibra óptica para transmisión de datos corporativos. (Diseño de la Red WAN para la Empresa Regional Centro Sur CA. y provisión, instalación y puesta en servicio de la red en su primera etapa 2004) El anillo está conformado por cinco nodos activos y siete nodos de paso que están ubicados estratégicamente en las subestaciones (Tabla 3.2). La conexión entre los nodos de telecomunicaciones utiliza tecnología Ethernet IP/MPLS de 10 Gbps. NODO

TIPO

UBICACIÓN

Principal 0

Activo

Edificio de la Centrosur

1

Activo

S/E 1 (Rafael María Arízaga y Luis Cordero)

2

Activo

S/E 2 (Benigno Malo y Calle Larga)

3

Activo

S/E 5 (El Arenal)

4

Activo

S/E 4 (Parque Industrial)

s/n4

De paso

S/E 3 (Max Uhle y Pumapungo)

s/n

De paso

S/E 6 (El Verdillo)

s/n

De paso

S/E 7 (Ricaurte)

s/n

De paso

S/E Cuenca (Rayoloma)

s/n

De paso

S/E 12 (El Descanso)

s/n

De paso

S/E 9 (Huablincay)

s/n

De paso

S/E 18 (Cañar)

Tabla 3. 2 Nodos activos y de paso del anillo de F.O.

El esquema lógico de la red de fibra óptica de la Centrosur (Figura 3.9 5) presenta una configuración en anillo, donde cada nodo se conecta entre sí a través de fibra óptica OPGW, y a través de fibra subterránea para última milla. Cada nodo constituye un sistema Distribuidor de Fibra Óptica (ODF) conformado básicamente por un rack ó bastidor que contiene principalmente equipos como; routers Cisco IP/MPLS 7604, relés de protección, cajas de empalme tipo: F.O. OPGW – F.O. subterránea, F.O. OPGW – F.O. OPGW, F.O. subterránea 24 hilos – F.O. subterránea 12 hilos, conversores de medios para multiplexación que trabajan en las ventanas de 1310 y 1550 nm, bandejas de fibra óptica a las que se conectan los pigtails (cables de fibra óptica) que provienen de las cajas de empalme tipo F.O. OPGW - subterránea, y para la conexión entre las bandejas se utilizan patch cords de F.O. (cordones de fibra óptica) E2000-ST ó FC/PC (Figura 3.10 6). 4

s/n: sin numeración Fuente: DITEL (Centrosur) 6 Fuente: E2000 FIBER OPTIC 5


48




Figura 3. 9 Esquema lógico de la red de F.O. 10 GB Ethernet IP/MPLS. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

49




Figura 3. 10 Patch cords de F.O. E2000.

El router Cisco 76047 (Figura 3.11) posee las siguientes características principales: - Maneja las siguientes interfaces: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, y 10 Gigabit Ethernet, en la red de la Centrosur se utiliza la interfaz 10 Gigabit Ethernet. - Ofrece alto rendimiento con los protocolos IP/MPLS (Multiprotocol Label Switching).

Figura 3. 11 Router Cisco 7604.

3.2.2 Estructura de la Red Inalámbrica. La red inalámbrica comprende una estructura que se distribuye desde el edificio matriz de la Centrosur (nodo cero) con tecnología de microondas hacia la estación principal ubicada en el cerro Señor Pungo y este se enlaza con las diferentes estaciones y puntos (Tablas 3.3 y 3.4). El esquema de la red inalámbrica se muestra en la Figura 3.12. (Diseño de la Red WAN para la Empresa Regional Centro Sur CA. y provisión, instalación y puesta en servicio de la red en su primera etapa 2004)

7

(Cisco 2007)


50

Universidad Universidad de Cuenca

ENLACE # E1



ENLACE / DIRECCIÓN A: Lomapaica/Simbala

BANDAS DE FRECUENCIA Y CAPACIDAD (E1) SRAL 8GHZ 1+0 4E1

Vertical

E2

Simbala/Señor Pungo

SRAL 7GHz 1+1 HSTBY 4E1

Horizontal

E3

EERCS/Señor Pungo


Vertical

E4

Buerán/Señor Pungo

SRAL 7GHz 1+0 4E1

Horizontal

E5

Buerán/Altarurco

SRAL 7GHz 1+0 4E1

Vertical

E6

Guallil / Señor Pungo

SRAL 8GHz 1+0 4E1

Vertical

E7

Patococha/Señor Pungo


Vertical

E8

Patococha/Cerro Bosco

SRAL 8GHz 1+0 4E1

Vertical

E9

Cutucu/Cerro Bosco

SRAL 8GHz 1+0 4E1

Horizontal

E10

Cutucu/S.L. de Upano

SRAL 8GHz 1+0 4E1

Vertical

E11

Kilamo/S.L. de Upano

SRAL 8GHz 1+0 4E1

Horizontal

POLARIZACIÓN

Tabla 3. 3 Enlaces inalámbricos de estaciones.


51


ENLACE GIRÓN-SIMBALA

GUALACEOVILLAFLOR PAUTE-VILLAFLOR

DISTANCIA (Km) 7,96

8,23

7,21


AZIMUT (°)

ALT. ANTENA (m)

67,04

5

FLAT PANEL

2115

SIMBALA

247,04

10

FLAT PANEL

3146

GUALACEO

339,14

5

FLAT PANEL

2431

VILLAFLOR

159,14

5

FLAT PANEL

3039

PAUTE

222,14

20,3

FLAT PANEL

2421

42,14

13,1

FLAT PANEL

2747

215,98

20,3

FLAT PANEL

2606

GUALLIL

35,98

13,1

FLAT PANEL

3276

SUSCAL

125,14

5

FLAT PANEL

2899

ALTARURCO

305,14

5

FLAT PANEL

3261

P.R. TAMBO

297,05

6

FLAT PANEL

3002

ALTARURCO

113,05

5

FLAT PANEL

3261

CAÑAR

323,46

5

FLAT PANEL

2930

ALTARURCO

143,46

5

FLAT PANEL

3048

LIMÓN

246

5

FLAT PANEL

1382

CERRO BOSCO

66

5

FLAT PANEL

2410

MÉNDEZ

137,66

10,7

FLAT PANEL

628

CUTUCÚ

317,66

20,6

FLAT PANEL

974

NABÓN

284,6

5

FLAT PANEL

2804

LOMAPAICA

104,6

5

FLAT PANEL

3433

P.R. MACAS

267,75

5

FLAT PANEL

1383

87,75

5

FLAT PANEL

1555

STA. ISABEL

103,76

5

FLAT PANEL

1470

LOMA PAICA

283,76

5

FLAT PANEL

3433

SUCÚA

132,9

5,8

FLAT PANEL

996

UPANO

312,9

5

FLAT PANEL

1162

BIBLIÁN

337,01

5

FLAT PANEL

2737

BUERÁN

157,01

5

FLAT PANEL

3809

BODEGA MACAS

316,6

20,7

FLAT PANEL

1383

KILAMO

136,6

19

FLAT PANEL

1555

MACAS

275,76

6

FLAT PANEL

1402

KILAMO

95,76

13,5

FLAT PANEL

1458

ESTACIÓN GIRÓN

VILLAFLOR

SISIG-GUALLIL

SUSCAL-ALTARURCO

TAMBO-ALTARURCO

CAÑAR-ALTARURCO

LIMÓN-CERRO BOSCO

MÉNDEZ-CUTUCÚ

NABÓN-LOMAPAICA

P.R. MACAS-KILAMO

4,1

8,25

8,05

10,82

9,67

10,65

8,77

3,29

SIGSIG

KILAMO

STA. ISABELLOMAPAICA SUCÚA-UPANO

BIBLIÁN-BUERÁN

BODEGA MACASKILAMO

MACAS-KILAMO

19,86

6,84

13,3

2,11

2,14


TIPO DE ANTENA

Tabla 3. 4 Enlaces inalámbricos de agencias.


52

ELEVACIÓN (m)




Figura 3. 12 Esquema inalámbrico de la Red WAN.


53




En la estación Señor Pungo se encuentran los siguientes equipos que están distribuidos en forma similar en todas las estaciones (Figura 3.13).

Switch MRV OSM 800: este equipo tiene funciones de ruteador y de switch, sirve como acceso al enlace de microondas. Conversor G703/10BT PATTOM: proporciona acceso rápido y sencillo a la conversión coaxial/par trenzado para instalaciones de alta densidad. DDF (Digital Distribution Frame): una trama de distribución digital de 75 ohmios es utilizada en terminaciones de conexión cruzada y de conexión entre cables coaxiales de 75 ohmios, para supervisar equipos equipos de transmisión digital. Una trama de distribución digital es el interfaz de un un extremo de cable coaxial, conectado en redes de transporte de larga distancia o en redes de acceso cercanos a los abonados. abonados. En redes fijas, está instalado un DDF DDF entre equipos de intercambio y transmisión; también puede servir como interfaz en redes móviles. SRAL: es un sistema de microondas para múltiples redes de alta velocidad, para interconexión de Estaciones Base GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) y UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), o integración del sistema DCN a través de Ethernet. EQUIPOS ALVARION: BreezeACCESS VL es la plataforma de banda ancha inalámbrica multipunto OFDM OFDM operando en frecuencias excentas de licencia y que permite servicios WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) y de VoIP en las bandas de 5GHz. Consta de una estación base AU (Acces Unit) y unidades de abonados de clientes SU (Suscriber Unit). En la estación base están instaladas Unidades de acceso AU, cada AU incluye una unidad interna (IDU, Indoor Unit) y una unidad externa (ODU, Outdoor Unit), en el Rack de comunicaciones de las estaciones se encuentran los AUs.


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Figura 3. 13 Distribución de los equipos en el rack de las estaciones.

Los equipos que se encuentran en los racks de comunicación de las Agencias están distribuidos de una forma similar en cada una de ellas con pequeñas variaciones, a continuación se detallan los existentes en la Agencia Biblián (Figura 3.14)8:

8

Fuente: Diagrama de equipos PDH Backbone y Spread Spectrum de la Centrosur. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Switch OS 200/400 : es un router IP / MPLS (Internet Protocol / Multi Protocol Label Switching) de alto rendimiento para: portadoras, proveedores de servicios de Internet (ISP’s) y proveedores de servicios de datos, diseñado

como un sistema inteligente entre el acceso y las redes. Los sistemas sirven como proveedores que se conectan a todos los enrutadores IP, MPLS L2 y los abonados a los servicios y forman parte del backbone Internet Ethernet IP. En su chasis se acogen una gran variedad de módulos; 4 y 8 puertos de 10/100 de 100Base-FX, un puerto Gigabit Ethernet y un módulo Gigabit redundante. Interfaces ópticos multimodo y monomodo están disponibles para potencia óptica variable.

Patch panel: son utilizados en algún punto de una red donde todos los cables de red terminan. Son paneles donde se ubican los puertos de una red. Todas las líneas de entrada y salida de los equipos (ordenadores, servidores, impresoras, etc.) tienen su conexión a uno de estos paneles. Los patch panels permiten hacer cambios de forma rápida y sencilla conectando y desconectando los cables de parcheo. Esta manipulación de los cables se hace habitualmente en la parte frontal, mientras que la parte de atrás del panel tiene los cables más permanentes y que van directamente a los equipos centrales (switches, routers, concentradores, etc.). SU (Suscriber Unit) Alvarion: en el rack de comunicaciones de las agencias están instaladas las unidades de abonado SU que les permiten la conexión con la estación base AU; consta de una unidad interna y una externa.


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Figura 3. 14 Distribución de los equipos en el Rack en agencias.

3.3 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA RED WAN. La capacidad del anillo de fibra óptica es de 40 Gbps por cada hilo, tomando en cuenta que éste está conformado por 24 hilos, la capacidad total es de 960 Gbps. Actualmente la Centrosur está utilizando únicamente dos de los hilos (uno de ellos es de redundancia) a 10 GB con una plataforma de software IP/MPLS (Internet Protocol / Multi Protocol Label Switching). Este anillo trabaja en la tercera ventana con una longitud de onda de 1550nm. El backbone inalámbrico de la red WAN de la Centrosur son enlaces en la banda de 8.2 – 8.5 GHz jerarquía PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), con capacidad instalada de 16384Mbps (8E1) y expandible a 32768Mbps (16E1), el equipamiento es Siemens SRAL, como se muestra en la Figura 3.15. Los accesos o última milla utilizan tecnología inalámbrica de Spread Spectrum FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) en la banda libre de 5800 MHz, para comunicarse con las agencias o puntos de recaudo, como se muestra en la Figura 3.16. La red en conjunto presenta retardos máximos de 16mseg en los puntos más alejados de la misma. (Campos y Tapia 2009) Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Figura 3. 15 Diagrama de Frecuencias Backbone SRAL Centro Sur.

Figura 3. 16 Diagrama de Antenas de Última Milla en Estaciones. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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3.4 COBERTURA Y CRECIMIENTOS PREVISTOS DE LA RED WAN. Mediante el anillo de fibra óptica (red alámbrica) que enlaza las principales subestaciones ubicadas en el cantón Cuenca, se tiene una amplia cobertura del mismo, como se observa en la Figura 3.17. Mediante un enlace radial la fibra se extiende hacia la S/E 12 El Descanso y hacia el norte por la S/E 9 Huablincay hasta llegar a la S/E 18 en Cañar (Figura 3.18). Desde el mes de Marzo de 2009 se tiene adjudicado el proceso de construcción de tendido de fibra desde la Subestación 12 hacia los cantones Paute y Gualaceo que estaría conformado con cable óptico de 24 hilos. Actualmente se está realizando el diseño de tendido de fibra hacia Macas. Éste partirá desde Paute hacia Méndez, Macas, además tendrá una derivación hacia San Juan Bosco pasando por Sucúa y Limón, para integrarse con el anillo de Transelectric en Gualaquiza. Para finales de 2009 se tiene previsto el tendido de fibra hacia Santa Isabel, Machala para interconexión con Transelectric. (Campos y Tapia 2009)

Figura 3. 17 Anillo de Fibra Óptica Cuenca.


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Figura 3. 18 Red de Fibra Óptica Centrosur.

A través de tecnología inalámbrica (microonda jerarquía PDH) se cubre las localidades de: Biblián, Suscal, Cañar, El Tambo, Paute, Gualaceo, Santa Isabel, Nabón, Girón, Sigsig, Limón, Méndez, Macas, Sucúa, como se muestra en la Figura 3.19.

Figura 3. 19 Cobertura tecnología inalámbrica en área de concesión. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Para requerimientos futuros, la red puede duplicar su capacidad de ancho de banda, en función de las necesidades de los clientes corporativos.

3.5 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE ACCESO Y GESTIÓN DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. Para acceder a la red alámbrica mediante cualquier tecnología, se debe tener una interfaz Ethernet, estándar IEEE802.3, Ethernet 10BaseT conector RJ45 que se conectará al router CISCO 7604 ubicado en cualquiera de los cinco nodos activos que conforman el anillo de fibra óptica. Se puede tener acceso a la red inalámbrica mediante un enlace a cualquiera de las estaciones base con cobertura de la red, este enlace puede ser con tecnolgía Spread Spectrum. Para el acceso a las estaciones base de la red WAN se cuenta con un switch MRV 800 en cada una de ellas La conectividad hacia los diferentes puntos terminales de red (estaciones, agencias, oficinas, puntos de recaudación y subestaciones) utiliza el estándar IEEE802.3, Ethernet 10BaseT conector RJ45. Para el acceso a agencias, oficinas, puntos de recaudación y subestaciones que no pertenecen al anillo de fibra se tiene un switch OS 200/OS 400 en cada una de ellas. La red de gestión de la Centrosur se detalla en la Figura 3.20.

Figura 3. 20 Red de Gestión de la Centrosur. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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La utilización actual de la red inalámbrica alcanza como máximo en ciertas estaciones repetidoras el 50% de su capacidad total, como se muestra en la Tabla 3.5; además se observa la disponibilidad de los equipos existentes para una futura ampliación. ESTACIONES

CAPACIDAD (E19)

EERCS

16

SR. PUNGO

UTILIZADO

E1 LIBRE

AMPLIACION

% DE UTILIZACION

7

9

0

43,75

16

7

9

0

43,75

GUALLIL

4

1

3

12

25

BUERAN

4

1

3

4

25

ALTARURCO

4

1

3

12

25

SIMBALA

4

2

2

4

50

LOMAPAICA

4

1

3

12

25

PATOCOCHA

8

2

6

0

25

CERRO BOSCO

4

2

2

4

50

CUTUCU

4

2

2

4

50

SAN LUIS UPANO

4

1

3

4

25

KILAMO

4

1

3

12

25

(E1)

Tabla 3. 5 Utilización actual de la red inalámbrica.

9

E1 = 2048 Mbps Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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CAPÍTULO 4 TECNOLOGÍAS GSM/GPRS. 4.1 ESTRUCTURA DE LA RED GSM. El sistema GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) es un sistema estándar, completamente definido, para la comunicación mediante terminales móviles que incorporan tecnología digital. GSM se considera, por su velocidad de transmisión y otras características, un estándar de segunda generación 2G, su extensión a 3G se denomina UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) y difiere en su mayor velocidad de transmisión, el uso de una arquitectura de red ligeramente distinta y sobre todo en el empleo de diferentes protocolos de radio W-CDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha). La figura 4.1 muestra un esquema de la evolución de esta tecnología y a continuación se da una breve descripción de cada una de estas etapas. (Mobilein 2001)

Figura 4. 1 Evolución de la tecnología GSM. 





GSM.- conocido como 2G digital de segunda generación, tiene una velocidad máxima de datos de 9.6 Kbps y está basado en la tecnología de conmutación de circuitos. HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). - es el primer paso hacia velocidades mayores que las que ofrece la red GSM, que usa conmutación de circuitos. HSCSD concentra hasta cuatro Timeslots GSM y permite velocidades de datos de hasta 64 Kbps. GPRS.- es la introducción de la tecnología de conmutación de paquetes a GSM, CDMA y TDMA (ANSI-136) de redes móviles, haciendo más fácil la integración con otros protocolos basados en paquetes como son IP o X.25. GPRS es el primer paso importante en el camino a 3G, por lo tanto GPRS también es conocido como


63








2.5G. Los anuncios de las velocidades de datos de GPRS varían desde hasta 115 Kbps hasta 117 Kbps. EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution). - es el segundo paso hacia 3G para redes GSM/GPRS. EDGE incrementa las tasas de datos de GSM a 384 Kbps, con paquetes de hasta 8 canales o 48 Kbps por canal. GSM y GPRS está basado en una técnica de modulación conocida como GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). EDGE está basado en un nuevo esquema de modulación que permite una tasa de bits más alta a través de la interface aire, esta modulación es llamada 8 PSK (Eight Phase Shift Keying). Esta modulación se usa también en UMTS. Las operadoras de la red necesitan incorporar algunos estados para hacer la transición a sistemas telefónicos móviles de tercera generación. 3G (móviles de tercera generación).- 3G a menudo se relaciona a IMT-2000, WCDMA y UMTS. IMT-2000 (International Mobile Telecomunications 2000) es la iniciativa de la ITU (International Telecomunications Union) para un servicio que ofrecerá acceso de radio a la infraestructura global de telecomunicaciones, a través de sistemas satelitales y terrestres, sirviendo a usuarios móviles en redes públicas y privadas. UMTS.- es la evolución directa de la red GSM/GPRS. Se define a UMTS como un sistema de comunicaciones móviles que puede ofrecer significativos beneficios al usuario incluyendo alta calidad de servicios multimedia inalámbricos. UMTS puede soportar tráfico IP y no IP en una variedad de modos incluyendo conmutación de paquetes, conmutación de circuitos y circuitos virtuales. UMTS ofrece tasas de datos de hasta 2 Mbps para terminales inalámbricos estáticos. Estas velocidades probablemente caen a un máximo de 384 Kbps para usuarios móviles pedestres y 144 Kbps para vehículos móviles. 

4.1.1 Reparto del espectro disponible. Cada conexión de voz o datos requiere un mínimo de ancho de banda para que pueda transmitirse correctamente. A cada operador en el mercado se le asigna cierto ancho de banda, en ciertas frecuencias delimitadas, que debe repartir para el envío y la recepción del tráfico a y desde los distintos usuarios. Por tanto, no puede emplearse una sola antena para recibir la señal de todos los usuarios a la vez, ya que el ancho de banda no sería suficiente; y además, deben separarse los rangos en que emiten unos y otros usuarios para evitar interferencias entre sus envíos. La solución es hacer un reparto del espectro o división del acceso al canal. Para esto se toma en cuenta lo siguiente: 

Empleo de celdas contiguas a distintas frecuencias para repartir mejor las frecuencias, SDMA (Acceso Múltiple por División del Espacio), y reutilización de frecuencias en celdas no contiguas.


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



División del tiempo en emisión y recepción mediante TDMA (Acceso Múltiple por División del Tiempo). El tiempo se divide en unidades básicas de 4,615 ms, y éstas a su vez en 8 time slots o ranuras de tiempo de 577 μs.





Separación de bandas para emisión y recepción y subdivisión en canales radioeléctricos, protocolo FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia). Variación pseudoaleatoria de la frecuencia portadora de envío de terminal a red, FHMA (Acceso Múltiple por Saltos de Frecuencia).

4.1.2 Arquitectura de red. 4.1.2.1 Elementos de una red GSM. Una red GSM consiste de los siguientes componentes de red (Figura 4.2):

Figura 4. 2 Arquitectura de una red GSM. 



MS (Estación Móvil).- se trata del equipo de usuario para acceder a los servicios proporcionados por la red. BTS (Estación Base Transceptor).- es el equipo que permite la comunicación a las MS. Consiste de una antena y la electrónica de red necesaria para comunicarse con un sistema central de control para que puedan encargarse de la gestión del interfaz radio, a cada antena se le reserva cierto rango de frecuencias, que se corresponde con un cierto número de canales radioeléctricos (cada uno de los rangos de frecuencia en que envía datos). El


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











conjunto de la antena con su electrónica y su enlace con el resto de la red se llama estación base BS (Base Station). El área geográfica a la que proporciona cobertura una estación base se llama celda o célula. Una estación base GSM puede alcanzar un radio de cobertura a su alrededor desde varios cientos de metros (en estaciones urbanas) hasta un máximo práctico de 35 Km (en zonas rurales), según su potencia y la orografía del entorno. BSC (Base Station Controller).- actúa de intermediario entre la red principal y las antenas, se encarga del reparto de frecuencias y el control de potencia que emiten tanto los terminales como BS. BSS (Subsistema de Estación Base).- es el conjunto de BTS’s + BSC. MSC (Centro de Conmutación Móvil).- se encarga de iniciar, terminar y enrutar las llamadas a través del BSC y BS hacia la MS. Es similar a una centralilla telefónica de red fija, aunque como los usuarios pueden moverse dentro de la red el MSC realiza actualizaciones en su base de datos interna. Cada MSC está conectado a los BSCs de su área de influencia, pero también a su VLR, y debe tener acceso a los HLRs de los distintos operadores. También se encarga de dar interconexión con las redes de telefonía de otros operadores. HLR (Home Location Register, Registros de Ubicación Base).- el registro HLR es una base de datos que almacena la posición del usuario dentro de la red, si está conectado o no y las características del abonado (servicios que puede y no puede usar, tipo de terminal, etcétera). Es de carácter más bien permanente; cada número de teléfono móvil está adscrito a un HLR determinado y único, que administra su operador móvil. Al hacer una llamada, el MSC pregunta al HLR correspondiente si el número llamado está disponible y dónde está (es decir, a qué BSC hay que pedir que le avise) y enruta la llamada o da un mensaje de error. VLR (Registros de Ubicación de Visitante).- es una base de datos más volátil para el área cubierta por un MSC, almacena los identificativos, permisos, tipos de abonado y localizaciones en la red de todos los usuarios activos en ese momento y en ese tramo de la red. Cuando una estación móvil entra en una zona de MSC, este centro notifica esa situación a su VLR asociado, el VLR se pone en contacto con el HLR de origen del usuario y verifica si puede o no hacer llamadas según su tipo de abono. La MS ejecuta un proceso de inscripción o registro y recibe una dirección de visitante que se traduce en un número de ruta, MSRN (Mobile Suscriber Roaming Number) que sirve para encaminar las llamadas destinadas a esa MS. Esta información permanece almacenada en el VLR mientras el terminal de usuario está encendido y se refresca periódicamente para evitar fraudes (por ejemplo, si un usuario de prepago se queda sin saldo y su VLR no lo sabe, podría permitirle realizar llamadas). El sistema GSM permite acuerdos entre operadores para compartir la red, de modo que los distintos VLRs y HLRs de los diferentes operadores deben estar interconectados entre sí. Para la


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comunicación entre diferentes operadores existen protocolos de red especiales, como SS7 o IS-41; los operadores deciden qué estándar escoger en sus acuerdos bilaterales de roaming (itinerancia) e interconexión. AuC (Centro de autentificación).- es una base de datos que guarda el IMSI (Identidad del Abonado Móvil Internacional) de cada cliente en la red y proporciona una clave de autentificación individual K que se envía bajo petición al HLR. EIR (Registro de Identificación de Equipo).- su función es evitar que se utilicen equipos móviles que no estén autorizados en la red, para la comprobación se usa su número de serie o IMEI (Identificación Internacional del Equipo Móvil). NSS (Subsistema de Conmutación de Red).- también llamado Core Network (Núcleo de Red), es el conjunto de MSC, HLR, VLR, AUC, y EIR. (Ayuso, y otros 1999) 





4.2 ESTRUCTURA DE LA RED GPRS. 4.2.1 Tecnología GPRS. La tecnología GPRS (General Packet Radio Service) o Servicio General de Paquetes vía Radio se basa en la evolución y optimización de la plataforma GSM, ofrece la transmisión de datos basados en la conmutación de paquetes, permitiendo mayores velocidades que con la conmutación de circuitos. La arquitectura de red GPRS utiliza los mismos nodos de red GSM como MSC/VLR, HLR y BSS. GPRS es una tecnología estandarizada por el ETSI (European Telecommunications Standard Institute) como parte de GSM Fase 2, usualmente se le conoce como 2.5 G para indicar que es una transición entre 2G y 3G. Una de las principales características de GPRS es que se establece una conexión física de enlace de subida solo cuando una estación móvil necesita enviar datos a la red, y un enlace de bajada solo cuando la red necesita enviar datos a la estación móvil. Esta conexión física es removida cuando se hayan enviado todos los datos, por lo tanto GPRS da mejor rendimiento a la conmutación de paquetes, ya que la conmutación de circuitos mantiene la conexión incluso cuando no se están transmitiendo datos, por lo que impide el acceso al canal a otros usuarios. La implementación de GPRS lleva capacidades IP a la red GSM y permite la conexión a una amplia gama de redes de información pública y privada utilizando protocolos de información estándar como TCP/IP. Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Internet Protocol) para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet. Con GPRS ya no es necesario el tener un canal dedicado para cada usuario ya que cada canal es compartido por varios usuarios. El acceso al canal utilizado en GPRS se basa en divisiones de frecuencia sobre un dúplex y TDMA. Durante la conexión, a cada Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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usuario se le asigna un par de canales de frecuencia, uno para subida y otro para bajada. Esto se combina con la multiplexación en el dominio del tiempo, permitiendo a varios usuarios compartir el mismo canal de frecuencia. Los paquetes tienen longitud constante, correspondiente a la ranura de tiempo del GSM. Se puede recibir voz y datos simultáneamente, la conexión se realiza en el mismo momento que el usuario lo solicita pudiendo ocupar varios canales cuando el flujo de información así lo exija. GPRS ofrece velocidades de datos mucho mayores que GSM y se pueden combinar con las tecnologías de 3G, tales como EDGE (Enhanced Data-Tarifas para Evolución GSM) para dar aún mayor velocidad de transmisión. El método de cobro típico para transferencias de datos usando GPRS es el pago por megabytes de transferencia, mientras que el pago de la comunicación mediante conmutación de circuitos se cobra por tiempo de conexión, independientemente de si el usuario utiliza toda la capacidad del canal o este se encuentra inactivo. (Seurre, Savelli y Pietri 2003)

4.2.2 Transmisión por paquetes. La comunicación móvil basada en voz, se establece mediante una llamada telefónica a un número de destino. Una vez establecida la conexión se inicia la comunicación y al finalizar ésta, la conexión se corta. La ventaja objetiva de GPRS es que ofrece una conexión permanente (es decir conectividad IP instantánea) entre el terminal móvil y la red, la conexión se establece en el momento de encender el terminal y permanece activa hasta que se apague el terminal (característica conocida como always on). Por otra parte, en lugar de conectarse con un número de teléfono la conexión GPRS de datos se establece con una dirección de Internet previamente establecida en la configuración del terminal, denominada dirección IP. La clave de GPRS se basa en el diferente tratamiento que la red hace de la voz y los datos, esto permite alcanzar mejores rendimientos que en GSM con la misma capacidad de red. La información es fraccionada en origen y transmitida en pequeños bloques, siendo reagrupada posteriormente en su destino. (UDEC s.f.)

4.2.3 Transmisión en paralelo. La capacidad de fraccionar la información para después recomponerla en el destino, da la posibilidad de que un mismo terminal pueda recibir en paralelo varios bloques de datos, lo cual equivale a una mayor velocidad potencial de transmisión. El tipo de terminal GPRS que se utilice definirá la capacidad de comunicación simultánea de datos, información que se mide en número de particiones (Time slots) Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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de recepción y de transmisión. Así por ejemplo, cuando un terminal GPRS se dice que tiene capacidad 4+1 significa que utiliza 4 time slots para recibir datos y 1 para transmitir.

4.2.4 Velocidad de transferencia. Dependiendo de la tecnología utilizada, la velocidad de transferencia varía sensiblemente. La tabla 4.1 muestra los datos de subida y bajada para cada tipo de tecnología. Tecnología

Descarga (kbit/s) 9.6

CSD

Subida (kbit/s) 9.6

HSCSD High Speed Circuit Switched Data 28.8

14.4

HSCSD High Speed Circuit Switched Data 43.2

14.4

GPRS

80.0

20.0 (Clase 8 &10 y CS-4)

GPRS

60.0

40.0 (Clase 10 y CS-4)

EGPRS (EDGE)

236.8

59.2 (Clase 8,10 y MCS-9)

EGPRS (EDGE)

177.6

118.4 (Clase 10 y MCS-9)

Tabla 4. 1 Velocidades de transferencia según la tecnología usada.

4.2.5 Principales aplicaciones en GPRS:         

Navegación por Internet. Transferencia de archivos. Servicio de mensajes multimedia (MMS). Mensajería instantánea. Aplicaciones Inalámbricas WAP. Servicios P2P (Peer to Peer) utilizando el protocolo IP. Servicio de mensajes cortos (SMS). Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB. Correo electrónico y la World Wide Web (WWW).

4.2.6 Arquitectura de una red GPRS. Es necesario incorporar dos nodos lógicos SGSN y GGSN (Figura 4.3) para gestionar las aplicaciones GPRS en las redes GSM y actualizar los existentes para proporcionar una ruta de encaminamiento para los paquetes de datos entre el equipo terminal y un nodo gateway.


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Figura 4. 3 Arquitectura de red GPRS (elementos).

4.2.6.1 Modificación de elementos de red GSM. Para la actualización de red requerida en GPRS se necesitan de los siguientes equipos: 1. Nuevos equipos terminales (TE) para acceder a los servicios GPRS. Estos nuevos terminales serán compatibles con el sistema GSM para la transmisión de llamadas de voz. 2. La estación base transceptora BTS requiere actualización del software. 3. Cada BSC requiere una actualización del software y la instalación de nuevo hardware PCU (Unidad de Control de Paquetes). El PCU proporciona una interfaz física y lógica al subsistema de estaciones base (BSS) para el tráfico de paquetes de datos, es decir dirige el tráfico de datos a la red GPRS. Cuando se origina tráfico ya sea de voz o de datos en el terminal del usuario, este es transportado por la interfaz aire hacia la BTS, y desde la BTS a la BSC de la misma manera que una llamada en GSM. Sin embargo, en la salida de la BSC el tráfico se separa; la voz se envía al centro de conmutación móvil (MSC) por estándar GSM, y los datos son enviados a un nuevo dispositivo denominado SGSN (Nodo de Soporte Servidor GPRS) a través de la PCU con una conexión Frame Relay. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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4. Nodos de soporte de GPRS en la red básica, el MSC no puede manejar el tráfico de paquetes. Por lo que se requiere de dos nuevos componentes, llamados nodos de soporte GPRS (GSNs), estos son, SGSN (Nodo Servidor de Soporte GPRS) y GGSN (Pasarela del Nodo de Soporte GPRS). 5. BG (Border Gateway).- es un nodo de la red móvil pública GPRS, principalmente requerido por razones de seguridad, proporciona la interfaz entre el backbone Inter-PLMN (Public Land Mobile Network) e Intra-PLMN (Public Land Mobile Network) de distintas operadoras, que son también nuevos elementos basados en el protocolo de internet. Puede ser utilizado para mantener acuerdos de roaming (itinerancia) entre diversas redes hacia el backbone inter-PLMN 6. CG (Charging Gateway).- su función principal es recoger los CDRs (Call Detailed Records) generados por los SGSNs y GGSNs, de manera que los consolida y pre-procesa antes de enviarlos al sistema de tarificación. (Cisco 2007) El SGSN ofrece encaminamiento de paquetes, incluyendo gestión de la movilidad, autentificación y cifrado entre todos los abonados GPRS que se encuentren en el área de servicio SGSN. Cualquier SGSN de la red puede prestar servicio a un abonado GPRS, dependiendo de donde éste se halle. El tráfico se dirige desde el SGSN al Controlador de la Estación Base (BSC) a través de un PCU con una conexión Frame Relay y al terminal móvil mediante la Estación Base Transceptora (BTS). El GGSN se utiliza para la interacción con la red de datos IP externa, como el Internet público, intranets de empresas y otros servicios móviles, gestionando la seguridad y la asignación dinámica de direcciones IP. Desde el punto de vista de las redes externas IP, el GGSN es un servidor que posee las direcciones IP de todos los abonados a los que presta servicio la red GPRS. El GGSN contiene información de rutas para encaminar las unidades de datos de protocolo PDU de las redes de datos externas hacia el SGSN que da servicio a la MS, recoge y almacena datos que son enviados al gateway de carga (CG). (Mobilein 2001) La Tabla 4.2 muestra las funciones de los nodos GPRS. (La tecnologia GPRS 2006) Funciones de los nodos GPRS SGSN GGSN Cifrado y autentificación Interface hacia las redes IP y X.25 Gestión de la movilidad Gestión de la movilidad Gestión lógica del enlace hacia el MS Asignación de los abonados al SGSN Datos de facturación Direccionamiento hacia las redes fijas Routing y transferencia de paquetes Gestión de la seguridad Conexión con el HLR, MSC y BSC Datos de facturación Tabla 4. 2 Funciones de los nodos GPRS. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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4.2.7 Enrutamiento de paquetes de datos. La Figura 4.4 muestra tres esquemas de enrutamiento de paquetes de datos que se mencionan a continuación: 





Mensajes originados en la MS línea 1, empieza en el móvil GPRS y termina en el Host. Mensaje iniciado por la red cuando el móvil está en una red local. Línea 2, comienza en el Host y termina en el móvil GPRS. Mensaje iniciado por la red cuando el móvil se cambia a otra red GPRS. Línea 3 punteada.

Figura 4. 4 Esquemas de enrutamiento de paquetes de datos.

Los operadores GPRS permiten roaming (itinerancia) a través de un backbone de red entre operadores. Se conectan con la red entre operadores a través de un BG (Border Gateway), el cual tiene protocolos de enrutamiento como el BGP (Border Gateway Protocol), las redes GPRS empaquetan todos los protocolos de red de datos dentro de un propio protocolo de empaquetamiento llamado GTP (Protocolo de Túnel GPRS). El GTP provee seguridad en el backbone de red y simplifica los mecanismos de enrutamiento y la entrega de datos sobre la red GPRS. (Cisco 2007)


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4.2.8 SMS (SHORT MESSAGE SERVICE). 4.2.8.1 Generalidades. El SMS punto a punto proporciona un mecanismo para transmitir mensajes “cortos”

hacia y desde los teléfonos inalámbricos. El servicio hace uso del Centro del Servicio Corto de Mensajes (SMSC) que actúa como un sistema de almacenamiento y envío (store and forward) para los mensajes cortos. La red inalámbrica provee el transporte de mensajes cortos entre los SMSCs y los teléfonos. Una característica que distingue al servicio es que un teléfono inalámbrico activo puede recibir o enviar un mensaje cortos en cualquier momento, independiente de si existe o no una señal de voz o si una llamada de datos está en marcha. SMS también garantiza la entrega del mensaje corto por la red. Se identifican faltas temporales, y el mensaje corto se almacena en la red hasta que el destino está disponible. (NARVAEZ ORTIZ 2009)

4.2.8.2 Ventajas del Servicio de Mensajería Corta . Las ventajas de SMS al proveedor de servicio son: 1. Una alternativa a los servicios alfa numéricos. 2. Permite el acceso inalámbrico de datos para los usuarios corporativos. 3. Provee servicios de valor agregado tales como e-mail, correo de voz, e integración de correo de fax, servicio recordatorio, etc. 4. Las ventajas de SMS a los suscriptores se centran alrededor de la conveniencia, flexibilidad, y la integración de los servicios de mensajería y acceso de datos. 5. Desde esta perspectiva, la ventaja es poder utilizar el teléfono como extensión del computador. El Short Message Service (SMS) es un servicio que permite a suscriptores GSM enviar un mensaje de texto simple. El bajo costo, la conveniencia que implica el envío silencioso e inequívoco de datos y la relativa rapidez del relevo de los SMS, se han traducido en una amplia aceptación de este servicio. SMS es un servicio del tipo “store and forward (almacenamiento y envío)”, lo cual

permite que si el equipo del destinatario se encuentra apagado, o fuera del área de cobertura, el mensaje sea almacenado en la red hasta que pueda ser retirado por el destinatario. Las posibilidades de comunicación mediante mensajes cortos “SMS" son muchas y

muy variadas, pero siempre limitadas por las características de estos mensajes, 160 caracteres, muy baja velocidad (en comparación con las líneas telefónicas Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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convencionales), duración limitada (24 ó 48 horas normalmente, si no se entregan antes son cancelados). No es un servicio garantizado (el mensaje suele llegar pero no hay garantía de ello, ni que de lleguen en el orden en que se han enviado) y posibilidad de comunicación sólo entre teléfonos celulares GSM entre los que haya "visibilidad" (que los operadores de los dos teléfonos, emisor y receptor, tengan convenio de intercambio de mensajes). Existen muchas especificaciones de formato de mensaje para los servicios prestados a través de SMS que les dotan de gran potencia y complejidad. Estos problemas no existen con GPRS puesto que es un sistema exclusivo para envío y recepción de paquetes de datos de gran tamaño. Dentro de los servicios que brinda la plataforma GSM, se encuentra el mencionado servicio de mensajería instantánea SMS sin embargo el presente proyecto utilizará el servicio GPRS debido a que este servicio permite la transmisión de datos en forma periódica y SMS la transmisión de datos esporádicos. El presente trabajo se basa en un sistema de control por lo que requiere un monitoreo periódico.

4.3 ANÁLISIS DE COBERTURA DE LAS REDES DE TELEFONÍA MÓVIL. La cobertura celular se refiere al sector geográfico que está dentro del área de influencia de una o más celdas o sitios celulares y que mantiene un campo eléctrico superior al límite establecido. El sistema de comunicaciones debe garantizar la calidad dentro del área de cobertura de la operadora.

4.3.1 Servicio de la Operadora CONECEL (Porta). Esta operadora celular tiene una cobertura GSM/GPRS del 99% en los principales cantones del Ecuador, como se observa en la Figura 4.5. Porta cuenta con 65 nodos activos dentro del territorio nacional. Estos nodos de datos se encuentran enlazados por microondas redundantes en configuración 1 +1 a nivel nacional, y a nivel urbano, en las principales ciudades del país, por medio de fibra óptica. La red de datos de Porta posee diferentes rutas en configuración de anillo, lo que permite tener seguridad y ofrecer disponibilidad a la medida de las necesidades actuales de los sistemas de información. Porta asigna direcciones IP estáticas al usuario facilitando el acceso a la red GSM/GPRS. (Paredes y Pérez 2008)


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Figura 4. 5 Cobertura GSM/GPRS de la operadora CONECEL (Porta).

4.3.2 Servicio de la Operadora Movistar. Actualmente Movistar está migrando de CDMA a GSM por lo que aún no tiene total cobertura en el Ecuador. Su cobertura GSM/GPRS cubre cerca de un 70% de los sectores más poblados en nuestro país, como se muestra en la Figura 4.6.


75




Figura 4. 6 Cobertura GSM/GPRS de la operadora Movistar.

Para la transmisión de datos utilizando la tecnología GPRS, Movistar asigna direcciones IP dinámicas al usuario cada vez que se solicita este servicio. Lo que implica que antes de conectarse es necesario comunicarse con la central de datos para la asignación de dicha dirección, con lo que se retarda la conexión para el usuario. (Paredes y Pérez 2008)

4.3.3 Cobertura GPRS para los Reconectadores. En el presente proyecto se realizara un análisis de cobertura de la operadora móvil CONECEL (Porta) debido a que esta operadora mantiene relaciones comerciales con la Centrosur actualmente, además la empresa eléctrica tiene contratado un enlace dedicado de 128 Kbps con esta operadora, que será el mismo que se va a usar para este diseño. Este enlace dedicado parte desde un nodo situado en el cerro de Ictocruz (Cuenca) y mediante comunicación inalámbrica se enlaza con un router cisco 800 ubicado en el edificio matriz de la Centrosur. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Con el objetivo de tener datos reales para determinar si el área de cobertura GSM/GPRS de la operadora cubre los sitios donde se encuentran ubicados los distintos reconectadores, se envió las coordenadas geográficas a las oficinas de DATUN (Transmisión de datos) de Porta para que realicen un análisis de cobertura de estos lugares. En la Tabla 4.310 se muestra un reporte de resultados enviados por la operadora, de donde se concluye que todos los reconectadores pueden ser comunicados con esta tecnología. SECTOR (RECONECTADOR) LATITUD (S) LONGITUD (W) COBERTURA 79°10’12.3093” SI La Paz (antiguo camino Loja) 3°19’42.4374” 2°45’05.4436” 78°39’45.3834” SI Guachapala 3°15’38.7042” 79°19’2.7177” SI Sta. Isabel 2°55’37.9268” 79°05’40.7206” SI Minas (Baños) 3°13’58.3201” 79°14’6.2461” SI Lentag 3°02’15.3971” 79°03’9.4791” SI Estación Cumbe 2°56’37.0335” 78°57’23.5793” SI El Valle 2°50’49.7015” 78°52’50.1632” SI El Descanso (vía Jadán) 2°42’22.7881” 78°53’48.3527” SI Biblian 2°34’12.6012” 78°55’51.9251” SI Cañar 2°54’45.4930” 78°59’13.0702” SI Colegio Garaicoa 2°50’49.2209” 78°58’18.2934” SI La Dolorosa (Ricaurte) 2°27’30.4917” 79°04’46.2228” SI Suscal 2°51’22.1090” 78°55’24.7317” SI Challaubamba 2°47’14.3391” 78°45’50.1879” SI S/E Paute (entrada a Paute)

Tabla 4. 3 Cobertura GPRS para los Reconectadores.

10

Fuente: DATUM (Transmisión de Datos) PORTA. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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RED GPRS GPRS GPRS GPRS GPRS EDGE 3G GPRS EDGE EDGE 3G 3G GPRS 3G GPRS




CAPÍTULO 5 TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS DE COMUNICACIÓN PARA LOS RECONECTADORES. 5.1 TECNOLOGÍA PLC. Con el dominio del acoplamiento inductivo y capacitivo, y avances en la técnica de modulación OFDM (Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal), se desarrolló BPL (Broadband over Power Lines) que usa la tecnología PLC (Power Line Communications, Comunicaciones por la Línea de Energía) para enviar y recibir señales de radio sobre las líneas de energía, para entregar servicios de Internet de banda ancha ó servicios de banda angosta, para sistemas de comunicación interna y telecontrol. La tecnología PLC, utiliza las redes de distribución de energía eléctrica como medio de transmisión para servicios de telecomunicaciones. Las redes de distribución de baja tensión están disponibles ampliamente en las viviendas y teóricamente pueden utilizarse para instalar redes de acceso PLC para evitar la construcción de redes de última milla. La aplicación de redes de distribución eléctrica en las telecomunicaciones ha sido conocida desde los inicios del siglo veinte. El primer Sistema de Frecuencia Portadora se implementó en redes eléctricas de alto voltaje para distancias sobre los 500 Km, utilizando una potencia de transmisión de la señal de 10 W para tareas de telecontrol y medición remota. Las aplicaciones de esta tecnología para las empresas eléctricas son:       

Lectura Automática y Remota de Medidores “AMR”

Control de Voltaje y Potencia Reactiva Aplicaciones SCADA y Monitoreo de Equipos Manejo de Energía y Control de la Demanda Conexión/Desconexión remota Comunicaciones internas de la Empresa Notificación de Interrupción de Servicio

5.1.1 Redes de Distribución de Energía. Estos sistemas se basan en tres niveles de red que pueden utilizarse como medio de transmisión para las redes BPL (Figura 5.1): 

Las redes de alta tensión (110-380 kV) conectan las estaciones de potencia con grandes regiones de distribución o grandes consumidores. Usualmente


78








abarcan grandes distancias, permitiendo el intercambio de energía dentro de un país. Las redes de alta tensión generalmente utilizan líneas aéreas. Las redes de media tensión (MV) (10-30 kV) distribuyen a grandes áreas, ciudades y grandes industrias o clientes comerciales. Los intervalos de distancias son significativamente más pequeños que en las redes de alta tensión y se instalan mediante líneas aéreas y subterráneas. Las redes de baja tensión (230/400 V) distribuyen a los usuarios finales. Sus longitudes están usualmente sobre unos pocos cientos de metros. En áreas urbanas, las redes de baja tensión se realizan con cables subterráneos, como ocurre en el centro histórico de la ciudad de Cuenca, mientras que en las áreas rurales generalmente se utilizan líneas aéreas.

(Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)

NIVEL DE ALTA TENSIÓN

NIVEL DE MEDIA TENSIÓN SUBESTACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

NIVEL DE BAJA TENSION

Figura 5. 1 Estructura de una red de distribución eléctrica.

5.1.2 Arquitectura de red BPL. Un ancho de banda sobre el sistema de líneas eléctricas requiere un hardware que haga de interface en un extremo con la red de datos backbone 11 y en el otro extremo con el equipo de usuario final. Las señales de banda ancha atraviesan las líneas de media tensión, haciendo un bypass en los transformadores mediante acopladores y repetidores debido a que la señal BPL al ser de alta frecuencia es filtrada en los mismos, además se debe colocar repetidores cada cierta

11

El backbone es una plataforma que permite brindar todo tipo de servicios, como transmisión de datos, voz, interconexión de redes de alta velocidad y aplicaciones multimedia que exijan calidad de servicio. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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distancia a lo largo de la trayectoria de transmisión para contrarrestar la atenuación en las líneas eléctricas. En la Figura 5.2 se muestra una arquitectura simplificada del sistema BPL.

Figura 5. 2 Arquitectura de red BPL.

Los elementos de una red BPL son: 

Cabecera BPL (Head End). El HE es un módem digital de alta velocidad. Es el dispositivo “maestro” de la

red BPL, estos dispositivos se usan para inyectar y para repetir la señal sobre las líneas de media tensión, es decir permite conectar el sistema de acceso con la red externa (WAN, Internet, etc.), usando Ethernet, Fast Ethernet, o Gigabit Ethernet. La señal se acopla inductiva o capacitivamente hacia un conductor de la red eléctrica. La señal se repite cada 200-600 m, dependiendo de la densidad de ruido presente, este valor se puede determinar mediante pruebas, tanto para líneas aéreas como subterráneas. 

Acopladores. Son aquellos elementos, a través de los cuales los equipos de BPL se "conectan" a la red de media tensión para inyectar y tomar señales IP. Básicamente, el acoplador es un dispositivo que mediante un filtro pasa-alto y otro pasa-bajo,


80




permite la separación de la información y el potencial eléctrico en cualquier cable de la red BPL. Estos acopladores pueden ser capacitivos para redes eléctricas aéreas de media o baja tensión o inductivos para redes subterráneas de media o baja tensión. La Figura 5.312 muestra un acoplador capacitivo.

Figura 5. 3 Acoplador capacitivo.



Modems BPL o CPE (Customer Premises Equipment).

También conocido como adaptador o módem de usuario permite conectar un equipo de usuario a la red eléctrica (Figura 5.4) 13. Tanto el HE como el CPE poseen una serie de elementos que actúan como filtros paso alto por encima de los 9 KHz para separar las señales de alta frecuencia (datos) de las de corriente eléctrica alterna (60 Hz), ya que estos equipos se alimentan y se comunican por la misma línea. El modem PLC implementa todas las funciones de la capa física incluyendo la modulación y la codificación. La segunda capa de comunicaciones o capa de enlace de datos también se implementa dentro del modem incluyendo las subcapas MAC (Medium Access Control) y LLC (Logical Link Control) de acuerdo con el modelo de referencia OSI. El CPE está conectado al equipo de usuario a través de un puerto Ethernet , o interfaces USB (Universal Serial Bus).

12 13

(Arteche n.d.) (Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)


81




INTERFACES DE USUARIO

ACOPLAMIENTO A LA RED DE ENERGIA

MODEM PLC

Figura 5. 4 Conexión CPE-Red eléctrica. 

Repetidor Intermedio (IR, Intermediate Repeater).

Estos dispositivos regeneran la señal, altamente degradada por la atenuación provocada por los cables eléctricos, asegurando la calidad en el enlace. Los repetidores dividen una red de acceso BPL en varios segmentos de red, los cuales son separados por el uso de diferentes bandas de frecuencia o por diferentes time slots (Figura 5.5).

Repetidor

f1, t1

f2, t2

Red Eléctrica

Figura 5. 5 Función del repetidor BPL.

En el segundo caso, un time slot es usado para la transmisión dentro del primer segmento de red y otro slot para el segundo segmento. En el caso de la segmentación de la red basada en frecuencia, el repetidor recibe la señal de transmisión sobre la frecuencia f 1, amplifica e inyecta nuevamente la señal dentro de la red pero sobre la frecuencia f 2. Es necesario señalar que un repetidor no modifica el contenido de la información, la cual siempre es transmitida transparentemente entre los segmentos de la red. (Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004) Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Existen dos clases de repetidores y la diferencia está en su operación, así tenemos: 

Repetidores por división de tiempo (TD).

Dividen una red de acceso BPL en varios segmentos de red, los cuales son separados por el uso de diferentes time slots. Si la comunicación entre dos estaciones, A y B se la realiza en una banda de frecuencias (en este caso entre 1.6 a 30MHz), entonces la comunicación entre B y C será realizada usando la misma banda de frecuencias, durante un período de tiempo diferente para evitar colisiones. Un time slot es usado para la transmisión dentro del primer segmento de red y otro slot para el segundo segmento. 

Repetidores por división de frecuencia (FD).

Si el enlace entre A y B únicamente usa una parte de la banda de frecuencias, entonces el enlace entre B y C puede usar una banda diferente mientras hace uso del canal simultáneamente. Cada uno de estos repetidores tiene sus ventajas y desventajas así: 





Los repetidores (TD) son más simples en su diseño, pero proporcionan altos grados de latencia extremo a extremo ya que no utilizan el canal simultáneamente, por lo tanto, tienen que esperar a que el canal este libre para poder transmitir. Adicionalmente estos repetidores no manejan el ancho de banda eficientemente. Por otro lado los repetidores (FD), son más complejos ya que utilizan diferentes frecuencias de transmisión entre dos segmentos consecutivos de la red, de esta manera se disminuye la latencia y las interferencias, así mismo estos equipos manejan eficientemente el ancho de banda, separando las bajas frecuencias para las grandes distancias en las redes de acceso (o distribución), y las altas frecuencias para distancias cortas como el acceso en el hogar. Sin embargo presentan problemas de planificación de frecuencia debido a la interferencia entre tres segmentos vecinos.

Pasarela BPL (GATEWAY).

Existen 2 posibilidades para la conexión de abonados BPL vía tomacorrientes a una red de acceso: Conexión directa. Conexión indirecta sobre una pasarela ( gateway). 




83




En el primer caso, los módems BPL son directamente conectados a la red de baja tensión y por medio de ésta al HE como tal. No hay división entre las áreas exterior e interior, y la señal de comunicaciones es transmitida a través de la unidad de medición de potencia lo que producirá problemas de compatibilidad electromagnética. Entonces, la conexión indirecta usando un gateway (Figura 5.6) es una solución frecuentemente usada. Un Home Gateway es una combinación de un CPE y un HE. Se puede usar como repetidor para amplificar la señal transmitida a grandes distancias o donde exista excesiva atenuación afectando a la señal.

Figura 5. 6 Conexión Indirecta Home Gateway.

Además, los Home Gateways pueden servir como puntos de acceso para redes, incluyendo interfaces para otras tecnologías como Ethernet, WLAN, etc. Puede actuar como un HE controlando una red PLC interna coordinando la comunicación entre módems PLC internos.

5.1.3 BPL de media tensión. De forma similar al acceso a los sistemas BPL de baja tensión que utilizan redes de distribución de energía como un medio de transmisión, las redes de distribución de media tensión pueden emplearse para varios servicios BPL. Generalmente la estructuración de los sistemas BPL de media tensión (MV BPL) no es diferente a las redes de baja tensión. Así las redes BPL de media tensión incluyen los mismos elementos de red como: módems BPL que conectan al usuario final con la media tensión como medio de transmisión, una estación base que conecta una red BPL de media tensión a un backbone, repetidores y gateways. Una red eléctrica de media tensión usualmente distribuye a varias redes de baja tensión. Como consecuencia, una red MV BPL puede utilizarse como una red de distribución, conectando un número de redes de acceso BPL al backbone Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Incluso las condiciones de transmisión en las redes de media tensión son mejores que en las redes de baja tensión utilizadas en las redes de acceso BPL.

5.1.4 Problemas de BPL. El principal problema es que las líneas eléctricas son intrínsecamente un entorno muy ruidoso y atenúan la señal. Las causas de degradación de la señal pueden ser: 





Interferencia: la interferencia desde sistemas cercanos pueden causar degradación a la señal, el modem no puede funcionar para determinar una frecuencia específica entre muchas señales en el mismo ancho de banda. Atenuación de la señal por dispositivos activos: dispositivos como relés, transistores, y rectificadores crean ruido en su respectivo sistema, aumentando la probabilidad de degradación de la señal. Atenuación de la señal por dispositivos pasivos: transformadores y convertidores DC-DC, las señales BPL no pueden atravesar los transformadores, su alta inductancia hace que estos actúen como filtro paso bajo, bloqueando las señales de alta frecuencia, por esto en los transformadores se necesita de repetidores Bypass para que la señal pase al nodo receptor. Un dispositivo bypass consiste de tres elementos, un desacoplador capacitivo, se gestiona la señal con un nodo repetidor, y entonces se reacopla capacitivamente hacia la línea de media tensión.

El segundo mayor problema es la longitud de onda de la señal y la frecuencia de operación. El sistema está pensado para usar frecuencias de 10 a 30 MHz, las cuales han sido usadas por muchas décadas por operadores de radio, también por difusores de onda corta internacional y una variedad de sistemas de comunicación (militar, aeronáutica, etc). Las líneas eléctricas son no apantalladas y actúan como antenas para las señales que estén llevando, y tienen una potencial interferencia con comunicaciones de radio de onda corta. El sistema BPL usa modulación OFDM, la cual permite mitigar la interferencia con servicios de radio.

5.1.5 Impacto de disturbios y limitación de tasas de datos. Debido a que la potencia de la señal es limitada, las redes BPL llegan a ser más sensibles a los disturbios y no son adecuadas para grandes distancias, ya que no aseguran una suficiente capacidad de transmisión. Los disturbios desde los entornos de red BPL son causados por otros servicios (como radio de onda corta) operando en el rango de frecuencias debajo de los 30 MHz. Hay también disturbios provenientes desde la propia red BPL; maquinaria pesada; como electromotores que podrían conectarse a la red de bajo voltaje o pueden estar cerca de la red BPL; TV y monitores de computadoras como también impulsos de disturbios causados por Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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conmutación on/off de aplicaciones y dispositivos de control de ángulo. Finalmente los disturbios pueden producirse también por redes vecinas BPL. La aplicación de los mecanismos de manejo de errores es necesaria en redes BPL por los inconvenientes de disturbios en el funcionamiento. En consecuencia las redes BPL tienen que operar con bajas tasas de datos adicionales para la aplicación de mecanismos de manejo de errores, además una red BPL representa un medio de transmisión compartido, utilizado por todos los abonados de una forma independiente (Figura 5.7). Como consecuencia la capacidad de las redes BPL se ve reducida. (Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)

Figura 5. 7 Medio de trasmisión compartido en redes de acceso BPL.

5.1.6 Técnicas de Modulación para Sistemas BPL. Las comunicaciones a través de las redes eléctricas están caracterizadas por múltiples e impredecibles formas de interferencia, provocando un medio poco confiable y poco robusto para la comunicación. Estas condiciones han hecho que el sistema de modulación empleado en la tecnología BPL deba contar con importantes ventajas y fortalezas frente al resto de técnicas. Esencialmente se utilizan los siguientes tipos de modulación:   

DSSSM “Direct Sequence Spread Spectrum Modulation” FHSSM “Frequency Hopping Spread Spectrum Modulation” OFDM “Orthogonal Frequency Division Multiplex”

Cada una de estas técnicas para acoplar la señal al canal de comunicación cuenta con ventajas y desventajas, las cuales se detallan a continuación: Las técnicas de espectro ensanchado (FHSS y DSSS) consisten en distribuir la potencia de la señal a lo largo de un amplio espectro de frecuencias de modo que la densidad espectral de potencia sea alta. Además, éstas permiten contar con un sistema muy robusto frente a interferencias. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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El inconveniente es que ello supone un gran ancho de banda, otro problema al aplicarlos al canal BPL es la interferencia debida a los múltiples caminos que puede seguir la señal. Al final ha sido un sistema adaptativo el que se ha impuesto, se trata de OFDM, una técnica que consiste en modular un gran número de portadoras de banda estrecha distribuida. Ésta permite alta eficiencia espectral y maneja muy bien el ruido, los cambios de impedancia y las reflexiones producidas por los múltiples caminos que recorre la señal. En la Tabla 5.1 se muestran las características de los sistemas de modulación empleados en BPL. (PÁEZ ALEAGA 2007) MODULACIÓN CARÁCTERÍSTICAS

PORTADORA SIMPLE

ESPECTRO ENSANCHADO

OFDM

EFICIENCIA ESPECTRAL ROBUSTEZ CONTRA DISTORSIONES DEL CANAL ROBUSTEZ CONTRA RUIDO EN EL CANAL HABILIDAD PARA ADAPTARSE A CAMBIOS EN EL CANAL COMPATIBILIDAD ELECTROMAGN TICA (EMC) COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN

Moderada

Baja

Bueno

Buena

Mala

Excelente

Buena

Aceptable

Aceptable

Buena

Aceptable

Excelente

Pobre

Excelente

Buena

Bajo

Bajo

Aceptable

Tabla 5. 1 Desempeño de sistemas de modulación BPL.

5.1.6.1 Modulación OFDM. 5.1.6.1.1

OFDM Esquema Multiportadora de Alta Velocidad.

La modulación OFDM está fuertemente relacionada con los saltos de frecuencia y técnicas de espectro expandido. En OFDM, el espectro disponible es segmentado en varios subcanales de banda estrecha. Un flujo de datos es transmitido por Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) usando N portadoras con las frecuencias en paralelo. Una excelente utilización del espectro resultaría ser un elemento clave para el éxito de velocidades altas en BPL, porque se tendría características de un filtro pasabajos y esto limitaría el uso del rango de frecuencias, por otro lado el uso de varios fragmentos pueden ser excluidos para regulación. En un sistema clásico de saltos de frecuencia la información es contenida en la secuencia de frecuencias, como por ejemplo, las portadoras son transmitidas secuencialmente. En OFDM, las diferencias sustanciales son que cada portadora es ahora modulada y toman una parte del flujo de datos y que un gran número de portadoras son transmitidas en paralelo. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Como la señal trasmitida es ahora la suma de muchas portadoras moduladas, su dominio de tiempo parece complicado, mientras que la magnitud del espectro es fija.

5.1.6.1.2

Esquemas de Modulación y Demodulación para OFDM.

La modulación OFDM divide el espectro del canal disponible en subportadoras independientes, para lograr esto, todas las portadoras deben ser ortogonales, para evitar la interferencia entre ellas. La ortogonalidad se alcanza haciendo coincidir los picos del espectro de las subportadoras con los valores nulos del espectro de las otras subportadoras pertenecientes al mismo canal (Figura 5.8), lográndose como resultado un perfecto alineamiento y espaciado de las señales subportadoras. (Centrosur Capacitación Tecnología OFDM 2006)

Figura 5. 8 Ortogonalidad de Subportadoras.

La modulación y la demodulación se realizan individualmente para las señales en subportadoras independientes. Si una o dos subportadoras con señales de diferentes frecuencias se propagan y viajan a velocidades diferentes, el impacto es mínimo. Al transmitir simultáneamente varias subportadoras se obtiene una alta tasa de transmisión de datos. Una vez que la señal OFDM se transmite en varias subportadoras paralelas, los bits para detección y corrección de errores FEC (Forward Error Correction) se insertan en las mismas subportadoras, dichos bits de corrección son utilizados en el receptor para recobrar bits perdidos debido a la interferencia o multitrayectoria. Este mecanismo de corrección de errores permite a OFDM maximizar la fiabilidad de la transmisión de los datos, creando un sistema altamente tolerable al ruido, al mismo tiempo es muy eficiente en el uso de banda y por lo tanto permite una amplia cobertura de área punto a punto y multipunto. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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En este tipo de modulación el ancho de banda requerido es de 16,6 MHz pero se le asigna 20 MHz por canal debido a que se le agrega unas pequeñas bandas de guarda (Tabla 5.2). (Klaus 2001) ITEM

ESPECIFICACIÓN

Frecuencia

Banda de 5 GHz

Salida

10 mW / MHz BPSK-OFDM (6 Mbps, 9 Mbps)

Modulación (Velocidad de

QPSK-OFDM (12 Mbps, 18 Mbps)

Transmisión)

16 QAM-OFDM (24 Mbps, 36 Mbps) 64 QAM-OFDM (48 Mbps, 54 Mbps)

Subportadora Longitud de símbolo OFDM Intervalo de guarda

52 4 μs 0,8 μs

Intervalo de subportadora

312,5 KHz

Ancho de banda ocupado

16,6 MHz

Tabla 5. 2 Características de OFDM.

5.2 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA W-MAN. 5.2.2 Aspectos Generales de WLAN (Wireless LAN). Las Redes inalámbricas WLAN, al igual que una LAN, requieren un medio físico a través del cual pasan las señales de transmisión. En lugar de utilizar el par trenzado o cables de fibra óptica, las WLANs utilizan luz infrarroja (IR) o radio frecuencia (RFs). Una LAN inalámbrica está conectada en muchas ocasiones con una LAN cableada en el mismo recinto, denominándose este campo de aplicación como ampliación o extensión de redes LAN. Una LAN troncal cableada, como una Ethernet, conecta varios servidores, estaciones de trabajo y uno o más puentes o dispositivos de encaminamiento para la comunicación con otras redes. Adicionalmente, un módulo de control (CM, Control Module) funciona como interfaz con la LAN inalámbrica. La configuración de la Figura 5.9 se denomina LAN inalámbrica de celda única donde todos los sistemas finales inalámbricos se encuentran en el dominio de un único módulo de control.


89




Figura 5. 9 Configuración WLAN de celda única.

Otra configuración común, sugerida en la figura 5.10 es una LAN inalámbrica de celdas múltiples donde existen varios módulos de control interconectados por una LAN cableada. (Stallings 2004)

Figura 5. 10 Configuración WLAN de celdas múltiples.


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5.2.3 802.16 El protocolo 802.16 es un estándar creado en 2002 por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). Este protocolo trata la especificación para las redes de acceso metropolitanas sin hilos de banda ancha (WMAN). 802.16 trabaja en las frecuencias comprendidas entre 10 GHz y 66 GHz, y las velocidades que puede alcanzar varían entre 32 y 134 Mbps, según la distancia a la que se encuentre el receptor, con canales de 28 MHz. La modulación es adaptativa, lo que significa que en función de las condiciones del enlace, el sistema cambia el tipo de modulación (64-QAM, 16-QAM o QPSK) para obtener mejor resultado. El sistema trabaja únicamente bajo visibilidad directa y con estaciones fijas. WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es la marca que certifica que un producto está conforme con los estándares de acceso inalámbrico IEEE 802.16. Debido a mejoras y ampliaciones de este estándar se han creado otros subestándares. Entre ellos está el 802.16d, también llamado 802.16-2004 haciendo honor al año de estandarización.

5.2.3.1 802.16d Este protocolo ofrece una solución inalámbrica para acceso a Internet de banda ancha de última milla, lo que significa que permite comunicaciones NLOS (Non Line Of Sight). La velocidad máxima que puede alcanzar es de 108 Mbps, con canales de 20 MHz. Funciona en la banda entre 1 GHz y 11 GHz. En este proyecto se trabajará en la banda libre de 5,725 MHz a 5,850 MHz. Con la misma idea que Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) y Wi-Fi (Wireless Fidelity) aparece Pre-Wimax, certificando los productos que soportan el subestándar 802.16d.


91




CAPÍTULO 6 DISEÑO DE COMUNICACIONES PARA LOS RECONECADORES. 6.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LOS EQUIPOS RECONECTADORES. Actualmente en el área de concesión de la Centrosur se encuentran instalados 22 reconectadores electrónicos de los cuales 15 tienen capacidad de comunicación14, los mismos que se muestran en la Tabla 6.1 junto con su ubicación geográfica. RECONECTADORES

ELEVACIÓN

LATITUD (S)

LONGITUD (W)

La Paz

3°19’42.4374”

79°10’12.3093”

3040

Guachapala

2°45’05.4436”

78°39’45.3834”

2620

Sta. Isabel

3°15’38.7042”

79°19’2.7177”

1780

Minas (Baños)

2°55’37.9268”

79°05’40.7206”

2760

Lentag

3°13’58.3201”

79°14’6.2461”

1720

Estación Cumbe

3°02’15.3971”

79°03’9.4791”

2625

El Valle

2°56’37.0335”

78°57’23.5793”

2670

El Descanso (vía Jadán)

2°50’49.7015”

78°52’50.1632”

2350

Biblián

2°42’22.7881”

78°53’48.3527”

2620

Cañar

2°34’12.6012”

78°55’51.9251”

3200

Colegio Garaicoa

2°54’45.4930”

78°59’13.0702”

2504

La Dolorosa (Ricaurte)

2°50’49.2209”

78°58’18.2934”

2682

Suscal

2°27’30.4917”

79°04’46.2228”

2760

Challuabamba

2°51’22.1090”

78°55’24.7317”

2410

S/E Paute (entrada a Paute)

2°47’14.3391”

78°45’50.1879”

2180

(m)

Tabla 6. 1 Ubicación de los Reconectadores.

6.2 ESTRUCTURA GENERAL DE DISEÑO. El diseño de una red cualquiera que sea su aplicación debe garantizar condiciones tales como: una fácil y eficiente administración, calidad de servicio en las aplicaciones que lo requieran, que permita trabajar en un ambiente seguro y que pueda interoperar con otras redes de modo que sea altamente útil y confiable. En la Figura 6.1 se muestra un esquema general de los enlaces de comunicaciones desde los reconectadores hacia el SCADA. Más adelante se indicará a detalle cómo

14

Fuente: Base de datos G.I.S. Centrosur Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

92




realizar estos enlaces con cada una de las tecnologías, de manera que los reconectadores sean parte de este sistema.

Figura 6. 1 Esquema general del sistema de comunicaciones.

En el edificio matriz de la Centrosur se ha puesto a disposición un equipo RTU ELITEL 4000 , que maneja el protocolo DNP 3.0 serial, éste se encargará de realizar un polling o barrido secuencial de todos los reconectadores, es decir se encargará del control de la comunicación, además tendrá la posibilidad de recibir información desde los reconectadores sin importarle el tipo de red que se use para los enlaces. Por lo tanto, para cualquier tecnología que se adopte en el diseño, la RTU debe hacer el mismo control de la comunicación 15. Para la comunicación entre los reconectadores y la red de enlace hacia la RTU se usará el protocolo de comunicación DNP3.0 serial encapsulado en TCP/IP. Mientras que para la comunicación entre la RTU y la red se utilizará el protocolo de comunicación DNP3 LAN/WAN para poder direccionar a los diferentes reconectadores a través de la red. Es por esto que entre la RTU ELITEL 4000 y la red se necesita de un conversor de protocolos de DNP3.0 serial a DNP3 LAN/WAN, o se debería adquirir otra RTU que tenga la capacidad de manejar el protocolo DNP3 LAN/WAN.

15

La RTU ELITEL 4000 se utilizará para pruebas de laboratorio para analizar la compatibilidad del perfil DNP3 del PCD y para análisis de tramas. Para la implementación del proyecto se deberá modificar los puertos de la RTU o utilizar otro equipo, ya que ésta no trabaja con redes IP como se vio en el punto 2.4.2. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

93




Por otro lado la RTU se comunicará con el sistema SCADA utilizando el protocolo IEC 60870-5-101, por lo que la RTU deberá también manejar este protocolo. En este punto cabe recalcar que la integración de los reconectadores hacia el SCADA no es parte de este diseño.

6.3 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA GPRS. 6.3.1 Requerimientos técnicos del sistema. Para definir los requerimientos del sistema debemos tomar en cuenta que la transmisión de datos en GPRS se lo hace mediante la conmutación de paquetes, como se vio en capítulos anteriores. Las debidas consideraciones se realizan en las diferentes capas del modelo TCP/IP, especialmente en las capas de red y enlace, considerando la longitud del paquete, el tamaño de las cabeceras, la velocidad de transmisión y la aplicación específica. En el Capítulo 4 se explicó que GPRS tiene una velocidad teórica máxima de 171.2 Kbps, pero esta velocidad se ve disminuida si se considera que existen bits de señalización, control, sincronismo, bits de cabecera para direccionamiento en la capa de enlace, etc. Por lo que la velocidad efectiva de transmisión de datos para la capa de red disminuye aproximadamente a 144 Kbps, en el caso de que se utilice los 8 canales que dispone GPRS. (PAREDES Ana María s.f.)

6.3.1.1 Análisis del tráfico producido por el sistema durante la transmisión de datos. A continuación se realizará un análisis del tráfico promedio producido en cada uno de los reconectadores.

6.3.1.1.1

Cálculo del volumen de datos capturados.

Debido a la importancia de los datos que se van a transmitir desde los reconectadores para ser procesados en el sitio de trabajo del sistema SCADA, éstos deben ser adquiridos en tiempo real, por lo tanto el sistema de comunicación que se va a diseñar consta de dos tipos de transmisión y adquisición de datos. En primer lugar los datos serán enviados de manera automática desde los reconectadores a la unidad central de procesamiento cada vez que se registre un cambio en los mismos, a este mecanismo se lo conoce con el nombre de respuestas no solicitadas, como se vio en el capítulo 2. El segundo modelo para la adquisición de datos es hacer un barrido periódico desde la estación central de procesamiento (RTU) a cada uno de los reconectadores, a este proceso se lo conoce como polling. Aquí el software de la RTU que controlará los reconectadores deberá configurarse el período de tiempo que se usará para capturar los datos de cada reconectador. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

94




Para este diseño se ha elegido un período de tiempo de 5 minutos que se cree conveniente tomando en cuenta el otro tipo de adquisición de datos de respuestas no solicitadas.

6.3.1.1.2

Cálculo de la cantidad de datos enviados por el PCD del

reconectador. Para determinar la cantidad de información que enviará el PCD de cada reconectador, primero debemos determinar que parámetros se van a solicitar, y de acuerdo a esto dimensionar la cantidad de información en bytes que producirá tanto una solicitud como una respuesta. Los parámetros mostrados en la Tabla 6.2 16 son los que se van a requerir en la estación central de procesamiento, aquí se muestra además la cantidad de bytes que produce cada solicitud y respuesta. Estos datos fueron obtenidos usando el software ASE2000, que permite medir el tráfico de datos incluidos las cabeceras de control que pone el protocolo, en este caso el protocolo DNP3.0 . (ASE2000 Communication Test Set Software and Protocol License Agreement 2007) Esta prueba de laboratorio se realiza de forma similar como se hicieron las pruebas funcionales en el capítulo 2. En esta tabla se observa también la cantidad de bytes que se producen al hacer una solicitud de cada parámetro por separado, y la cantidad de bytes que se producen al pedir en una misma solicitud todos los parámetros requeridos de un mismo tipo.

16

Fuente: Departamento de Supervisión y Operación Centrosur Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

95




SEÑALES DE RECONECTADORES

Señales binarias de entrada

Solicitud individual

Solicitud en conjunto

(Bytes)17

(Bytes)

Solicitud

Respuesta

Solicitud

Respuesta

20

23

32

25

LOCAL/REMOTO

20

23

FALLA PCD

20

23

DISPARO DE FASE A

20

23

DISPARO DE FASE B

20

23

DISPARO DE FASE C

20

23

SOBRECORRENTE INSTANT NEA DE FASE

20

23

SOBRECORRIENTE INSTANT NEA DE NEUTRO

20

23

SOBRECORRENTE TEMPORIZADA DE FASE

20

23

SOBRECORRIENTE TEMPORIZADA DE NEUTRO

20

23

FRECUENCIA

20

23

INTERRUPTOR 22KV

(CERRADO / ABIERTO)

DISTANCIA DE FALLA

(Km)

31

31

31

31

CORRIENTE DE FALLA

(A)

31

31

31

31

Solicitud

Respuesta

Solicitud

Respuesta

INTERRUPTOR DE 22kV (CERRAR / REPONER)

62

62

62

62

RESET DE ALARMAS

31

31

31

31

Solicitud

Respuesta

Solicitud

Respuesta

31

67

218

247

Señales binarias de salida (REPONER / ACTUAR)

Señales analógicas de entrada POTENCIA ACTIVA TRIFASICA

(KW)

31

67

POTENCIA ACTIVA FASE A

(KW)

31

67

POTENCIA ACTIVA FASE B

(KW)

31

67

POTENCIA ACTIVA FASE C

(KW)

31

67

POTENCIA REACTIVA TRIFASICA

(KVAR)

31

67

POTENCIA REACTIVA FASE A

(KVAR)

31

67

POTENCIA REACTIVA FASE B

(KVAR)

31

67

POTENCIA REACTIVA FASE C

(KVAR)

31

67

CORRIENTE DEL NEUTRO

(A)

31

67

31

67

TENSI N DE BARRA DE 22KV

(V)

Suma bytes

TOTAL (bytes)

465

Tabla 6. 2 Parámetros requeridos por la estación central de procesamiento.

Del análisis anterior se aprecia que para reducir la cantidad de bytes en la transmisión de los datos, es recomendable hacer las solicitudes en conjunto, ya que 17

Estos bytes comprenden toda la trama incluido la corrección de errores, es decir la medición se realiza en la capa de usuario. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

96




de esta manera se puede reducir el costo por utilización de la red GPRS, debido a que la facturación depende de la cantidad de información que se envíe.

6.3.1.1.3

Cálculo de la velocidad de transmisión.

Considerando que las respuestas no solicitadas son las que envían la información de la red eléctrica al momento de cualquier disturbio, y este tiempo de transmisión es el que influirá en la toma de decisiones, entonces el tiempo de transmisión mediante la solicitud o polling, no es primordial. En base a este razonamiento se hará el estudio únicamente para las respuestas no solicitadas. La medida de la cantidad de datos que producen las alarmas en el caso de que todas ocurran simultáneamente, es decir los 11 parámetros primeros de las señales binarias de entrada, es de 25 bytes de respuesta, tomado de la tabla 6.2. Estos datos serán transmitidos mediante una respuesta no solicitada. En el supuesto caso más crítico que ocurra una de estas respuestas, en todos los reconectadores y al mismo tiempo, tendríamos un total de datos a transmitirse de:   3000

25  × 15  = 375 375

 

×8

 

=



De este análisis se obtiene que para enviar todos los datos hacia la estación de procesamiento, se requiere una velocidad de 3 Kbps. La velocidad de un canal en GPRS es 14.4Kbps, por lo que se concluye que con un solo canal se puede transportar esta cantidad de información sin ningún problema. Adicionalmente se dispone de 8 canales por usuario; consecuentemente, se puede lograr tasas máximas teóricas de 171Kbps. Esto demuestra que la red GSM/GPRS no tendrá ningún problema en transportar los 3000 bits en un tiempo de un segundo. Si se usa un solo canal para transmitir todos los datos, el tiempo de transmisión sería de: 3000  = 0,2083  = 208,3  14400 

Este tiempo de transmisión es muy bajo y no tendrá ninguna influencia negativa en la toma de decisiones sobre la red eléctrica, considerando que este es un caso hipotético que muy difícilmente se presentará en la operación real del sistema.

6.3.2 Selección y Características de los equipos GPRS. Los elementos necesarios para el diseño en cada uno de los reconectadores son: Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

97


  



Modem GPRS Tarjeta SIM para GPRS Conversor de interface Ethernet / RS232

A continuación se muestran los requerimientos y las características generales que deben tener estos equipos: 









Frecuencia de operación.- se refiere al rango de frecuencias dentro del cual se puede utilizar el equipo para la transmisión y recepción de la información, su valor depende de la operadora celular seleccionada; en este caso PORTA trabaja con una frecuencia de operación de 850 MHz. Salida de potencia.- el módem deberá cumplir con el nivel de potencia permitido por la Superintendencia de Telecomunicaciones para transmitir la señal; es decir, un valor de 3W máximo. Velocidad de datos.- la velocidad de transmisión de datos del módem debe ser mayor a la velocidad requerida por el sistema. Interfaz de comunicación.- en lo posible debe ser compatible con la interfaz del PCD del reconectador. Por lo tanto el modem debería tener cualquiera de estas interfaces incluidas en el PCD: RS-232, RS-485; caso contrario se deberá utilizar un conversor de interfaz. Ciclo de servicio.- debe ser de manera continua; debido a que la adquisición de datos por el PCD es permanentemente. Para la selección de los equipos se tomó en cuenta las recomendaciones hechas por parte de la operadora PORTA, para lo cual se recomienda realizar pruebas en campo con equipos de la marca LIGHTSPEED ofrecidos por la empresa Aldeberán. Considerando que estos equipos cumplen con todos los requerimientos, en este diseño se usaran equipos de esta marca.

Los equipos de comunicación seleccionados son:

1. Tarjeta SIM.- necesaria para la comunicación será ofrecida por la operadora seleccionada, en este caso Porta. 2. Router Mobile3G LSP-250C.- el equipo de la marca LIGHTSPEED mostrado en la Figura 6.2, es el router LAN + WAN de tercera generación más versátil para la provisión de Internet o transmisión de datos. (SPEED s.f.)


98




Figura 6. 2 Router Mobile 3G LSP-250C.

Características Técnicas.      

Administración vía browser Protección segura mediante Firewall VPN pass through, PPTP, L2TP, IPSec Uso de NAT para múltiples conexiones en LAN Provisión Automática de direcciones vía DHCP Función de chequeo de destino (KeepAlive) en Conexión 3G que permite conexión 3G siempre en línea “Always On”

      

HSDPA hasta 3.6Mpbs UMTS hasta 384Kbps EDGE hasta 236.8Kbps GPRS Multislot Class 10 5 Bandas 850/900/1800/1900/2100 MHz Módulo HSDPA/UMTS/EDGE Siemens Conexión LAN + WAN RS232

Interfaces.    

1 puerto LAN 10/100 Mbps 1 puerto USB Para diagnóstico SIM Card 3V/1.8V Interface SMA para antena Externa (Viene con antena externa de 5dBi)

Condiciones de operación.   

Operación Normal: -15 + 35 °C Operación Extrema: -20 + 55 °C Humedad Relativa 5-95% sin condensación


99




3. Equipos UDS 1100 Lantronix. El conversor UDS1100 es un dispositivo de puerto único (Figura 6.3), que provee una rápida y sencilla alternativa para aprovechar las ventajas del acceso a los datos y la administración remota de los dispositivos que no se encuentren conectados a la red. (LANTRONIX n.d.)

Dispositivo serial

Alimentación

Cable Ethernet Categoría 5

Ethernet 10/100 BASE T

Figura 6. 3 Conversor de interface UDS 1100.

a. Aplicaciones. La familia de dispositivos servidores UDS permite a los dispositivos seriales, conectarse y comunicarse sobre redes Ethernet usando la familia de protocolos IP (TCP para aplicaciones orientadas a conexión y UDP para aplicaciones de datagrama). 















Alarmas de seguridad Dispositivos de control de acceso Maquinas ATM Dispositivos colectores de datos Gestión de unidades UPS (Universal power supply) Equipos de telecomunicaciones Dispositivos mostradores de datos Cualquier dispositivo asíncrono RS-232, RS422, o RS485

Usando el método llamado serial tunneling, el UDS encapsula los datos seriales dentro de paquetes y los transporta sobre Ethernet.


100




b. Soporte del protocolo. El UDS usa el protocolo de internet (IP) para la red de comunicaciones y el protocolo de control de transporte (TCP) para asegurar que ningún dato se pierda o se duplique, y que cada cosa enviada llegue correctamente a la tarjeta. A continuación se listan los Protocolos soportados: 









ARP, UDP, TCP, ICMP, Telnet, TFTP, Auto IP, DHCP, HTTP, y SNMP para la red de comunicaciones. TCP, UDP, y Telnet. Para conexiones al Puerto serial. TFTP para actualización del firmware. IP para direccionamiento, enrutamiento y manejo de bloques de datos sobre la red. Protocolo de datagrama de usuario (UDP), para aplicaciones típicas de datagrama en las cuales los dispositivos interactúan con otros dispositivos sin una conexión punto a punto.

6.3.3 Recopilación y fuentes de información. Para conocer las características de la zona de implementación, se empleará la base de datos del sistema G.I.S. de la empresa que permite determinar la localización física exacta de cada elemento de la red. Cada uno de estos elementos está identificado mediante un código, el cual permite conocer las características técnicas. La cobertura GPRS en los puntos de ubicación de los reconectadores se analizó en el capítulo 4.

6.3.4 Selección de reconectadores para tecnología GPRS. Como se determinó en el capítulo anterior, los actuales reconectadores en su totalidad pueden ser gestionados con esta tecnología, pero considerando que el objetivo del presente diseño es utilizar en la medida posible la infraestructura existente de la red WAN de la empresa eléctrica, para reducir costos de implementación y operación del sistema, se realizó un análisis previo para discriminar los reconectadores haciendo un estudio de los que pueden ser gestionados con tecnología W/LAN o BPL. Para los reconectadores restantes se hará el diseño con tecnología GPRS. Es importante indicar que el diseño final dependerá del estudio económico de las diferentes tecnologías estudiadas, es por esto que cabe la posibilidad de aplicar esta tecnología para todos los reconectadores. No se puede aplicar el mismo criterio con Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

101




las otras tecnologías ya que estas no pueden ser implementadas técnicamente para todos los reconectadores sino sólo para algunos, los cuales se indicarán en sus respectivos diseños. Para explicar este diseño se hará un estudio para el reconectador ubicado en el sector La Paz.

6.3.5 Diseño del sistema GPRS para el reconectador La Paz. 6.3.5.1 Características de la zona de servicio. Como se indicó anteriormente todos los reconectadores podrían ser comunicados usando esta tecnología, además cabe resaltar que el esquema de conexión es el mismo para cualquier reconectador sin importar el lugar donde este se encuentre. Se ha decidido de manera arbitraria realizar el diseño para el reconectador La Paz ubicado en la provincia del Azuay, cantón Nabón, parroquia Las Nieves. El reconectador se encuentra sobre la estructura de soporte de media tensión número 281723. El tramo de media tensión trifásico de 22 kV que alimenta a este equipo, está conformado por el alimentador 1422 que parte desde la S/E 14. 18

6.3.5.2 Esquema de conexión. En la Figura 6.4 se muestra el detalle de lo que sería el acoplamiento del reconectador al sistema de comunicación GPRS, este diseño se aplicará para cualquier reconectador sin importar el lugar de ubicación. El PCD del reconectador enviará la información hacia la RTU ubicada en el edificio matriz de la Centrosur por medio de un router GPRS. Este dispositivo hará de interfaz entre el equipo reconectador y la red GPRS. Como los reconectadores manejan el protocolo DNP3.0 serial y la red GPRS maneja direcciones IP, las mismas que son ofrecidas por el proveedor de esta tecnología, es necesario incluir un conversor de interface Ethernet/RS232 entre los reconectadores y el router GPRS. Este conversor es el encargado de encapsular la trama DNP3 serial en una trama IP dando así a los reconectadores una dirección IP, con lo que puede enrutarse a través de la red. Además deberá ser configurado con la dirección IP que será asignada por la operadora móvil. Por otro lado para la conexión entre la red GPRS y la RTU, se hará uso de un enlace dedicado de 128 Kbps que actualmente tiene contratado la Centrosur con la operadora Porta. Este enlace inalámbrico denominado conexión de última milla, 18

Fuente: GIS (Centrosur). Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

102




inicia en un nodo de la operadora ubicado en Ictocruz y se dirige hacia un router Cisco 800 ubicado en el edificio matriz. Conversor Ethernet / RS232 Modem GPRS

Enlace dedicado 128 Kbps

PCD Reconectador

Edificio Matriz Centrosur SCADA

Switch MRV OS400 Red GSM / GPRS

RTU ELITEL 4000 Router Cisco 800 Conversor DNP Serial / DNP LAN-WAN

Figura 6. 4 Diseño del sistema con tecnología GPRS para Reconectador La Paz.

6.3.5.3 Número de equipos GPRS en la red. En la Tabla 6.3 se muestran los equipos necesarios para cada uno de los reconectadores así como los equipos totales para los 15 reconectadores. Equipos

Cantidad por cada Reconectador

Total Reconectadores

Router GPRS

1

15

Tarjeta SIM GPRS

1

15

Conversor de Interface

1

15

Tabla 6. 3 Equipos necesarios para el diseño.

6.4 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA BPL. 6.4.1 Requerimientos del diseño con tecnología BPL. Los elementos principales que se requieren para la implementación de este sistema sin considerar los accesorios como cables ni la herrajería necesaria para su montaje se indican a continuación:  

Gateway de acceso Head End Repetidores


103


 



Acopladores de media tensión Conversor de interface Ethernet / RS232

6.4.2 Selección y características de los equipos BPL. El diseño del sistema de comunicación se realizará con equipos de la marca Corinex, debido que éstos actualmente se están utilizando en la Dirección de Telecomunicaciones (DITEL) de la Centrosur, en proyectos BPL en el Centro Histórico de Cuenca, además las características de ancho de banda de estos equipos están muy por encima de lo requerido. A continuación se indican los modelos de equipos que se utilizan en este diseño, junto con sus características.

1. Gateway de acceso de media tensión ( CXP-MVA-GNR) Los dispositivos de media tensión BPL se usan para inyectar y repetir la señal BPL sobre las líneas de media tensión, por medio de un acoplador de media tensión. Por lo tanto este equipo (Figura 6.5) será el que se utilice como gateway de acceso y también como repetidor. (Corinex s.f.)

Figura 6. 5 Gateway de acceso CXP-MVA-GNR.

Características:       

Conectividad de 200 Mbps Alcance de hasta 200-600 m, para diseño se usara 180 m máximo Inyección en media y baja tensión, funcionamiento como repetidor de señales BPL Soporta 2048 direcciones MAC Soporta VoIP y tráfico de datos Opera a 110/240 V AC, 50/60 Hz


104




 



Usa FDD (duplexación por división de frecuencia) para maximizar la distancia de propagación. Conexión al backaul WAN por medio de conector RJ 45 Conexión hacia acoplador a través de cable de poder o interface coaxial

2. Acopladores de media tensión. El acoplador (Figura 6.6), toma la salida de los dispositivos BPL (típicamente coaxial) y acopla la señal capacitivamente sobre las líneas de media tensión aéreas. (Arteche n.d.)

Figura 6. 6 Acoplador de media tensión Arteche Overcap-S.

Características:        



OVERCAP para instalación colgado de la línea con gancho Hot Line Clamp. Solución de acoplamiento capacitivo para líneas aéreas de MT. Hasta 24 kV. Instalación fácil, rápida y segura sin necesidad de descargar la línea. Dimensiones y peso reducidos. Bajas pérdidas de inserción < 2dB en todo el rango de frecuencias (2-40 MHz). Tensiones de aislamiento hasta 36 kV. Completa batería de ensayos en laboratorios certificados. Nueva envolvente de silicona que proporciona un mejor aislamiento eléctrico en intemperie. Línea de fuga para entornos altamente contaminados (nivel IV según IEC 358).


105






Desconectador de tierra integrado para garantizar la desconexión de tierra en el caso de fallo interno del acoplador.

3. Conversor de interface UDS 1100 Lantronix Se usará el mismo equipo mostrado en la sección 6.3.2 del presente capítulo.

6.4.3 Recopilación y fuentes de información. Para conocer las características de la zona de implementación se realizará un reconocimiento físico de las instalaciones y el equipamiento existente, con el objetivo de identificar parámetros específicos del medio como: tensión, equipos conectados, distancias y tipo de conductor. La base de datos obtenida del sistema G.I.S. permite determinar la localización física exacta de cada elemento de la red. Cada uno de estos elementos está identificado mediante un código, el cual permite establecer las características técnicas.

6.4.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. Para los distintos reconectadores, se ha obtenido la distancia de recorrido del alimentador entre un punto de acceso a la red WAN y el reconectador. Estas distancias se muestran en la Tabla 6.419, junto con el alimentador y el número de repetidores necesarios en el recorrido. Cabe mencionar que únicamente se realizará el diseño para reconectadores que requieran menos de 9 repetidores en su enlace, debido al incremento de los costos comparado con otras tecnologías, que será evaluado en el siguiente capítulo. Además el número de repetidores que se muestran en la Tabla 6.4 es una aproximación, debido a que estos dependen de las distancias entre estructuras de soporte y no de la distancia total del enlace como fueron calculados en esta tabla. El diseño que se realizará más adelante nos dará el número exacto de repetidores necesarios para la comunicación.

19

Fuente: GIS (Centrosur). Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

106



Ubicación

Punto de acceso a red

reconectador

WAN

Suscal


Distancia de

# de

alimentador km

repetidores

22

4,567

26

1222

22

14,83

83

Edificio Centrosur

321

22

7,64

43

Garaicoa

S/E 3

323

22

1,14136

7

Minas Baños

Edificio Centrosur

525

22

14

78

Sta. Isabel

Agencia Sta. Isabel

1421

22

2,871

16

Lentag

Agencia Sta. Isabel

1423

22

14,43

81

La Paz

Loma Paica

1422

22

7,035

40

La Paz

Agencia Nabón

1422

22

15,08

84

El Descanso

S/E 12

1221

22

1,43803

8

Ricaurte

S/E7

723

22

4,673

26

Cumbe

Agencia Girón

521

22

17,43

97

Cumbe

Simbala

521

22

14,17

79

Paute

Agencia Paute

1222-1522

22

2,7

15

Biblián

Agencia Biblián

1223

22

1,9

11

Alimentador

Voltaje (KV)

Agencia Suscal

1823

Guachapala

Agencia Paute

El Valle

TRAMOS DE ALIMENTADORES CON MENOS DE 9 REPETIDORES Garaicoa

S/E 3

323

22

1,14136

7

El Descanso

S/E 12

1221

22

1,43803

8

Tabla 6. 4 Distancias de enlace y número de repetidores requeridos.

6.4.5 Diseño del sistema BPL para el reconectador Garaicoa. 6.4.5.1 Características de la zona de servicio. De acuerdo con la selección de reconectadores que podrían usar esta tecnología se ha determinado realizar el estudio para el reconectador ubicado en Cuenca en la parroquia Monay junto al colegio Garaicoa. El reconectador se encuentra sobre la estructura de soporte #335690 de media y baja tensión. El tramo de media tensión de 22 Kv que alimenta a este equipo, está conformado por el alimentador 0323 que parte desde la S/E 3 ubicada junto al edificio matriz de la Centrosur. Este alimentador tiene un tramo subterráneo a la altura del redondel de la Av. Max Uhle. Las características del alimentador se muestran en la Tabla 6.5.20

20

Fuente: Base de datos GIS (Centrosur). Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

107



Descripción


Aéreo

Subterráneo

Alimentador

0323

0323

Configuración

3F4C

3F4C

Conductor Fase

2/0 ACSR

XLPE 3/0 AWG

2 ACSR

XLPE 1/0

22000

22000

Conductor Neutro Voltaje

Tabla 6. 5 Características del alimentador 0323.

6.4.5.2 Esquema de conexión. El esquema a implementar se muestra en la Figura 6.7. El PCD del reconectador acopla la señal de informacion al alimentador 0323 de media tension a través de un Head End de media tension denominado esclavo, para esto se necesita un convertidor de interface Ethernet/RS232. Por medio del alimentador 0323 se transmite la señal BPL hasta un equipo de cabecera Head End de media tensión denominado maestro, ubicado en la S/3, que sirve de interface entre la red WAN y el reconectador. Este equipo Head End se conecta directamente por medio de cable Ethernet al Switch 3C16470 de la marca 3COM mediante conector RJ45 que a su vez está conectado al cisco IP/MPLS 1800 en el rack de comunicaciones ubicado en la subestacion. Esta conexión permitirá el acceso hacia la red WAN, medio por la cual se enviará la señal hasta un punto central (RTU) que será quien reciba las señales de los diferentes reconectadores para realizar la respectiva gestión.


108




Figura 6. 7 Enlace Reconectador Garaicoa – S/E3.

6.4.5.3 Número de equipos BPL en la red. Para el diseño se ha tomado como referencia distancias máximas entre repetidores de 180m, obtenidas de las pruebas de campo realizadas por la Centrosur en un proyecto en el centro de la ciudad. Para obtener la distancia real aplicable en el diseño actual es necesario realizar las pruebas respectivas. La Tabla 6.6 muestra los equipos necesarios para la comunicación BPL. Equipos

Unidad

Cantidad

Head End

u

2

Repetidores

u

7

Acopladores

u

18

Cable Ethernet

m

100

Cable Coaxial RG-59

m

27

Conversor Interface Eth/RS232

u

1

Tabla 6. 6 Equipos requeridos para el diseño.


109




6.4.5.4 Ubicación de equipos en la red. La Figura 6.8 muestra un diagrama unifilar del enlace, con las distancias entre repetidores, además contiene una vista de la conexión física de los mismos.

Figura 6. 8 Diagrama unifilar del enlace.

La Tabla 6.721 muestra la ubicación de los repetidores en las diferentes estructuras soporte.

21

Fuente: Base de datos GIS (Centrosur). Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

110



Equipos


Número de Poste

Head End Maestro

En estructura S/E3

Head End Esclavo

335690

Repetidor 1

253850

Repetidor 2

253852

Repetidor 3

203966

Repetidor 4

253858

Repetidor 5

253862

Repetidor 6

253865

Repetidor 7

253870

Tabla 6. 7 Ubicación de equipos en poste.

6.5 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA DE FIBRA ÓPTICA. En este punto del diseño se ha optado por no hacer un estudio detallado del sistema debido al gran costo que tiene la implementación del mismo y la subutilización de las capacidades que brinda la fibra. Por otro lado, el presente estudio selecciona los reconectadores que ofrecen mejores prestaciones para usar esta tecnología, así como los puntos a donde se deberán enlazar. Para esto se evaluarán las distancias entre el equipo y un punto de acceso a la red WAN de la Centrosur, y se realizará un diseño general para uno de los reconectadores.

6.5.1 Selección de reconectadores para esta tecnología. Para los distintos reconectadores, se ha obtenido la distancia de recorrido del alimentador entre un punto de acceso a la red WAN y el reconectador. Debido al incremento de los costos con respecto a la distancia, los reconectadores que se analizarán mediante esta tecnología serán los que más cerca se encuentren de un punto de acceso. Es necesario indicar que se obtuvieron las distancias para todos los reconectadores, pero en la Tabla 6.8 únicamente se presentan las distancias inferiores a 3 Km.


111




Distancia de

Ubicación

Punto de acceso a red

reconectador

WAN

Garaicoa

S/E 3

323

22

1,14136

Sta. Isabel

Agencia Sta. Isabel

1421

22

2,871

El Descanso

S/E 12

1221

22

1,43803

Paute

Agencia Paute

1222-1522

22

2,7

Biblián

Agencia Biblián

1223

22

1,9

Alimentador Voltaje (KV)

alimentador km

Tabla 6. 8 Distancias de enlace hacia un punto de acceso a la red WAN.

6.5.2 Esquema de conexión. La Figura 6.9 muestra un esquema referencial que podría utilizarse para la implementacion de este sistema para el reconectador El Descanso hacia la Subestación 12. Cabe indicar que debido a la generalidad de este diseño, el esquema mostrado contiene unicamente los equipos principales para la comunicación, por lo tanto equipos como conversores de interface o tipos de conectores que se necesiten, no se presentan en el esquema. El PCD del reconectador contiene un puerto de fibra óptica que permite inyectar la señal directamente sobre la fibra. Por medio de un transmisor óptico, y usando la fibra como medio de transmisión llega la señal a un receptor óptico ó media converter ubicado en una determinada subestación, y de esta manera se puede acceder a la red WAN de la Centrosur. La fibra óptica Figura “8”22 deberá ser tendida siguiendo las estructuras de soporte que sostienen el alimentador de media tensión al que está conectado el reconectador.

22

El cable óptico Figura “8” se utiliza para instalaciones aéreas con vanos cortos (hasta de 150 metros), existen en el

mercado cables de 6, 12, 24 y 36 fibras con características tales como resistencia a la corrosión, baja fricción de instalación. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

112




Figura 6. 9 Esquema referencial de conexión para reconectador El Descanso.

6.6 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA INALÁMBRICA W-MAN. Para este diseño se deben hacer las siguientes consideraciones: ubicación de los equipos transmisores, áreas de cobertura, alcance de los equipos y causas de posibles limitaciones, adicionalmente se debe tomar en cuenta la velocidad de transmisión y ancho de banda requerido por las aplicaciones.

6.6.1 Requerimientos del diseño con tecnología inalámbrica W-MAN. Los elementos que se requieren para la implementación de este sistema sin considerar los accesorios como cables ni la herrajería necesaria para su montaje se indican a continuación: Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

113


  



Unidades de Acceso AU’s Unidades Suscriptoras SU’s Conversor de interface Ethernet / RS232

Considerando que para este diseño se utilizarán los equipos existentes en la red WAN, entonces no serán necesarias las unidades de acceso23. Sin embargo se deberá considerar los parámetros como la frecuencia de operación que actualmente utilizan estos equipos, los cuales trabajan en la banda libre de 5,8 Ghz. Además se debe considerar que la disponibilidad del servicio para la transmisión de datos con estos equipos es de 98,5 %. 24

6.6.2 Selección y características de los equipos. Los requerimientos del diseño, hacen necesario la adquisición de Unidades Suscriptoras (SUs) para cada reconectador. Además se debe incluir un conversor de interfaz, para los reconectadores que pueden utilizar esta tecnología. Ya que las unidades de acceso AU ’s existentes son de la marca Alvarion, los SU’ s deberán ser compatibles con estos equipos, por lo que en este trabajo se consideran productos de la marca: Alvarion Breeze Access para los SU’s, y los equipos UDS 2100 Lantronix para los conversores.

6.6.2.1 Equipos Alvarion Breeze Access VL. Los equipos Alvarion tienen un ancho de banda del canal de 10 ó 20 MHz y operan en la banda de los 5 Ghz (no licenciada). Tiene 64 subportadoras, y una separación de frecuencias entre subportadoras de 10 Mhz/64= 156,25 Khz. Todos estos equipos incluyen los accesorios necesarios para su conexión y montaje.

6.6.2.1.1

Especificaciones Técnicas.

Al estar basado en TDD (Duplexación por división de tiempo), las frecuencias de transmisión y recepción son las mismas. La Tabla 6.9 muestra las frecuencias a las que pueden trabajar estos equipos, en nuestro caso se utilizarán equipos de 5.8 GHz, en el caso particular del cerro Señor Pungo la AU adquirida trabaja en la frecuencia de 5,4 GHz, por lo que las SUs que se enlacen a ella deberán trabajar en esta misma frecuencia. Las especificaciones técnicas de los equipos Alvarion se muestran en la Tabla 6.10.

23

En el cerro Señor Pungo no está instalada aún una unidad de acceso AU como parte del backbone inalámbrico de la red WAN, sin embargo la Centrosur ha adquirido un equipo para este fin, el cual será instalado próximamente. Por lo tanto para el presente estudio se considerará a este equipo como existente dentro de la red. 24 Este valor incluye toda la red (inalámbrica y fibra óptica) y se obtuvo mediante un promedio de los reportes de transmisión de datos efectuados por la Centrosur desde el mes de Enero hasta el mes de Junio de 2009. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

114




Tabla 6. 9 Frecuencias soportadas Alvarion. Frecuencia

5.725-5.850 GHz

Modo de Funcionamiento

Time Division Duplex

Método de Acceso Radio

OFDM (FEC + Interleaving)

Ancho de banda de canal

10 MHz 21 dBi, 10.5° horizontal x 10.5° vertical,

Antena SU-

Cumple EN 302 085, Clase TS 1,2,3,4,5

A/RB/BU 16 dBi, 60° horizontal x 10° vertical, Cumple EN 302 085, Clase CS 3 16 dBi, 90° horizontal x 6° vertical,

Antena

Antena de Sector

Cumple EN 302 085, Clase CS 3 15 dBi, 120° horizontal x 6° vertical, Cumple EN 302 085, Clase CS 3

Potencia de salida AU

-10 a 21 dBm. Ajustable en pasos de 1 dB

Potencia de salida SU

-10 a 21 dBm. ATPC

Modulación

BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

Niveles de Modulación

1

Sensibilidad (dBm)

-92

2

3

4

5

6

7

8

-91

-89

-87

-84

-80

-76

-74

Tabla 6. 10 Especificaciones Técnicas.

A continuación se indican todos los equipos necesarios para el enlace:

1. Unidades de Acceso (AU’s). Como se mencionó anteriormente estos equipos están instalados en las estaciones repetidoras de la red WAN, razón por la cual no será necesaria su adquisición, pero es importante su análisis.


115




El dispositivo existente AU de Breeze Access es el AU-D-SA-5.4-60-VL que se muestra en la Figura 6.10.

Figura 6. 10 Unidades de Acceso AU.

Características: Este equipo es conocido como estación Standalone y que está formado por tres elementos principales que se analizan a continuación:

a. Estación Base Standalone (AU-SA-IDU). AU-SA-IDU: módulo interfaz de red. Tiene dos puertos: Ethernet 10/100 BaseT utilizado para conectar a la red. Puerto radio para conectar a la ODU. La AU-SA-IDU se conecta a la AU-SA-ODU mediante cable Ethernet CAT5 (IOC): El IOC transporta tráfico Ethernet, indicación de estado y alimenta a la ODU (54 VDC). Alimentación: 110/220 VAC.  



b. Estación Base Standalone (AU-SA-ODU) Bridge inalámbrico punto a multipunto. Basado el estándar IEEE 802.11a. Responsable del establecimiento de la conexión de red inalámbrica y de la gestión de ancho de banda. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

116




Soporta ancho de banda de 10 ó 20 MHz. Rango de potencia de salida de -10 a 21 dBm. Soporta hasta 512 unidades suscriptoras (124 al usar cifrado de datos).

c. Antenas. Hay diferentes antenas de sector disponibles (Tabla 6.11), que tienen las siguientes características: Jack tipo N de 50 Ω protegido frente a rayos.

El cable RF conectado a la antena debe ser lo más corto posible. Se recomienda usar el cable RF proporcionado por Alvarion. Antena

Banda (GHz)

AB Horizontal

G (dBi)

AU-Ant-5G-17-60

5.150-5.875

60°

16

AU-Ant-5G-17-90

5.150-5.875

90°

17

AU-Ant-5G-15-120

5.150-5.875

120°

15

AU-Ant-ff-G-X-120

4.900-5.875

360°

8, 9, 14

Tabla 6. 11 Clases de antenas tipo sectorial.

En la Figura 6.11 se muestra el detalle de las conexiones entre las unidades internas y externas para los AU’s.

Figura 6. 11 Esquema de conexión de los equipos AU’s.

2. Unidades Suscriptoras (SU’s). Entre la gran variedad de SU’s de Breeze Access se ha seleccionado el dispositivo SU A-5.8-3-VL (Figura 6.12) que es compatible con la unidad de acceso, y para los Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

117




reconectadores que se enlacen con el cerro Señor Pungo se ha seleccionado el dispositivo SU-A-5.4-3-VL.

Figura 6. 12 Unidades Suscriptoras SU’s.

Características: Disponible con antena externa e integrada. Permite conectividad de largo alcance. Alcance máximo de 54 Km. Este equipo está formado por dos partes que se analizan a continuación:

a) SU-A/E-IDU: módulo interfaz de red. Tiene dos puertos: Ethernet 10/100 Base T usado para conectar a la red. Puerto radio para conectar a la ODU. La SU-A/E-IDU se conecta a la SU-A/E-ODU mediante cable Ethernet CAT5 (IOC) y conectores RJ45. El IOC transporta tráfico Ethernet, indicación de estado y alimenta a la ODU (54 VDC). Alimentación: 110/220 VAC. La SU-IDU y la AU-SA-IDU son intercambiables. 





b) SU-A/E-ODU y antena. La ODU contiene los módulos radio y de procesamiento. Rango de potencia de salida de la ODU: depende del código del país. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

118




Versión de potencia más baja (5.4 Ghz): -10 a +9 dBm. Versión de potencia más alta: -10 a +21 dBm. Ancho de banda de canal: 10 ó 20 Mhz. Ganancia de antena (sólo SU-A-ODU): 20 dBi (HW rev. E), 21 dBi (Hw rev. C). Consumo de potencia (ODU + IDU): 25 W. 





En la Figura 6.13 se muestra el detalle de las conexiones entre las unidades internas y externas para los SU’s.

Figura 6. 13 Esquema de conexión de los equipos SU’s.

3. Conversor de interface UDS 1100 Lantronix. Este equipo es el mismo equipo mostrado en la sección 6.3.2, por lo tanto sus características no se detallan.

6.6.3 Recopilación y fuentes de información. Para determinar los equipos reconectadores que puedan utilizar esta tecnología, primero se determinó la ubicación de las estaciones repetidoras de la red WAN, para lo cual se utilizó el Sistema de Información Geográfica ya que permite determinar la localización física exacta de cada elemento de la red, además se utilizó el software Google Earth para determinar las distancias de los diferentes enlaces. Adicionalmente se realizó un reconocimiento físico de los lugares donde se encuentran ubicados los distintos reconectadores con el fin de conocer las características de la zona de implementación.


119




6.6.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. Como ya se mencionó es necesario ubicar las estaciones repetidoras de la red WAN, para determinar la cobertura de la misma y los reconectadores que puedan usar esta tecnología. En la Figura 6.14 se muestra la posición geográfica de los equipos a interconectarse; estaciones repetidoras y reconectadores.

Figura 6. 14 Ubicación Geográfica de los 15 reconectadores y las estaciones repetidoras de la red WAN de la Centrosur.

La Tabla 6.12 muestra una breve descripción de la ubicación geográfica de las estaciones repetidoras que forman parte del presente estudio. LATITUD

LONGITUD

ELEVACIÓN

(S)

(W)

(m)

Altarurco

2°28’43.43”

78°59’32.68”

3215

Buerán

2°36’31.10”

78°55’50.90”

3816

Villaflor

2°49’46.00”

78°48’13.00”

3042

Señor Pungo

2°48’59.95”

78°49’15.59”

3175

Guaguazhumi

2°53’32.50”

78°54’39.60”

3079

Ñuñurco

2°45’28.00”

78°40’06.00”

2486

Simbala

3°08’19.58”

79°04’40.15”

3146

Lomapaica

3°18’54.77”

79°08’20.35”

3433

Guallil

3°04’30.90”

78°48’58.70”

3248

Lomamauta

3°27’39.00”

79°08’22.00”

2574

ESTACIONES

Tabla 6. 12 Ubicación de las Estaciones. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

120




Con la ubicación de puntos principales a interconectar, se procede a obtener la distancia entre los reconectadores y las estaciones repetidoras25. Estas distancias se muestran en la Tabla 6.13. Cabe mencionar que es necesario hacer un estudio radioeléctrico para determinar si estos reconectadores pueden usar esta tecnología, esto se realizará más adelante. Reconectadores

Estaciones

Distancia (Km)

Cañar

Altarurco

12,18

Suscal

Altarurco

9,93

Biblián

Buerán

11,43

El Descanso

Villaflor

8,80

Paute

Villaflor

6,41

Guachapala

Villaflor

17,87

El Descanso

Sr Pungo

7,43

El Valle

Sr Pungo

20,57

La Dolorosa

Sr Pungo

17,13

Challuabamba

Sr Pungo

12,19

Garaicoa

Sr Pungo

21,26

La Paz

Simbala

22,7

Lentag

Simbala

19,8

Cumbe

Simbala

11,6

Guachapala

Ñuñurco

0,9

Paute

Ñuñurco

11,1

Sta. Isabel

Zhallu

16,8

La Paz

Lomamauta

15,1

El Descanso

Guaguazhumi

7,2

Garaicoa

Guaguazhumi

8,73

El Valle

Guaguazhumi

7,59

La Dolorosa

Guaguazhumi

8,40

Tabla 6. 13 Distancias entre Reconectadores y Estaciones.

6.6.5 Esquema de conexión. La Figura 6.15 muestra la arquitectura de enlace de los equipos Alvarion que servirá de base para el presente diseño. El PCD del reconectador enviará la información a la unidad suscriptora SU, conformado por dos partes una unidad interna y una unidad externa que contiene a la antena, para esto es necesario un conversor de interface Ethernet /RS232 ya que el PCD tiene un puerto serial mientras que el SU tiene un 25

Las distancias son en línea recta y se obtuvieron con la ayuda del software Google Earth. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

121




puerto Ethernet. Por otro lado la unidad de acceso AU, al igual que la unidad suscriptora está conformada por una unidad interna y otra externa, ésta recibirá la información y la enviará a la unidad central de procesamiento RTU a través de la red WAN. ACCESS UNIT ANTENA SECTORIAL

SUSCRIBER UNIT ANTENA OUTDOOR

PCD

UNIDAD OUTDOOR

SWITCH ETHERNET 10 /100 Mbps

UNIDAD INDOOR

UNIDAD INDOOR

CONVERSOR DE INTERFAZ

Figura 6. 15 Arquitectura de enlace con equipos Alvarion tecnología de espectro ensanchado.

6.6.6 Diseño de enlaces. 6.6.6.1 Determinación de los Parámetros de Desempeño de los Radioenlaces. Para la determinación de los parámetros de desempeño de los radioenlaces se toma en cuenta: frecuencia del enlace, distancia, potencia de transmisión, ganancia de las antenas, tanto transmisora como receptora, pérdidas de espacio libre, perdidas en los conectores y líneas de transmisión, todos estos parámetros se esquematizan en la Figura 6.16.


122




Figura 6. 16 Parámetros de desempeño de los radioenlaces.

Estos parámetros se basan esencialmente en el nivel de señal de entrada que se tendrá en la recepción, el cual se calcula por medio de la siguiente fórmula:  =  −  −  + 26

Donde: PRX= Potencia de entrada de la señal [dBm] PTX= Potencia de salida del Transmisor [dBm] GA= (GTX+GRX) = Suma Ganancia de las Antenas [dBi] LFT= Pérdidas en las líneas de alimentación [dB] LFS= Perdidas en el espacio libre [dB] Adicionalmente se considerará un factor de envejecimiento L E, debido a que con el paso del tiempo las pérdidas en los conectores aumentarán, por agentes externos como la lluvia, el sol, el viento. Este factor se considerará de 3 dB, por lo tanto la fórmula final es:  =  −  −  −  + 

26

(ANDRADE 2007)


123




El parámetro LFT es el valor que se presenta en el cable coaxial. En el caso del sistema diseñado, para trabajar en la banda de los 5,8 Ghz se tiene una atenuación de 35,504 dB/100m (cable coaxial LMR-400). (M2inc 2009) Considerando que se utilizan 4 m de cable en las conexiones, tanto en el transmisor como en el receptor, con su respectiva antena, debido a que la antena debe estar lo más cerca posible de la unidad externa (ODU), entonces se tiene:  = 35,504

 ∗ 4 = 1,42  100

Los valores de ganancia GTX y GRX, para antenas que trabajan a la frecuencia de 5.8 Ghz van de 16 a 21 dBi. Para el caso del diseño se considera el peor de los casos, para esto se toma el valor de 16 dBi, el valor de la potencia P TX promedio de las antenas que trabajan en la frecuencia de 5.8 GHz es de 21 dBm. La sensibilidad Pu del equipo receptor varía entre -74 y -92 [dBm], para los cálculos se tomará el valor promedio de 84 dBm27, pero hay que tener presente que estos equipos pueden ser configurados de ser necesario en -92 dBm. La atenuación por espacio libre L FS es:  = ,  +  ∗  +  ∗  [ ]

Para el cálculo de este parámetro se tomará en cuenta a todos los radioenlaces, detallando principalmente al de mayor distancia ya que es el caso más crítico.

6.6.6.2 Enlace estación Señor Pungo – reconectador La Dolorosa. Se encuentran separadas a una distancia de 17,13 Km y a una frecuencia de 5.4 Ghz.  = 32,5 + 20 ∗ 17,13 + 20 ∗ log [ 5400]  = 32,5 + 24,67 + 74,64  = ,  

Con lo que se obtiene la pérdida total L es igual a:  =  +  +  −    = 131,82 + 1,42 + 3 − 32  = ,  

Finalmente se reemplaza los valores obtenidos en la primera ecuación, considerando una potencia de transmisión de 21 dBm:  =  −  27

Valores obtenidos de las especificaciones de los equipos Alvarion. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

124




 = 21 − 104,24  = −,  

Para que el enlace funcione correctamente; el valor de P RX debe ser mayor o igual a la sensibilidad Pu, garantizando de esta manera la disponibilidad del enlace para todo el tiempo preestablecido. En el caso de este enlace los valores obtenidos son: PRX = - 83,24 [dBm] ≥ sensibilidad Pu= - 84 [dBm] De este modo se concluye que este enlace funcionará correctamente. Para los enlaces restantes se realizaron cálculos similares y solamente se muestra los valores teóricos obtenidos (Tabla 6.14), que permiten determinar los radioenlaces que cumplen con un buen desempeño. Es importante mencionar que los enlaces no necesariamente se establecen ya que en esta tabla no se considera el perfil topográfico de la zona de implementación, el cual será evaluado posteriormente, para dar un resultado más real.


125




PARÁMETROS ENLACES

Cañar Altarurco Suscal Altarurco Biblián Buerán Paute Villaflor Guachapala Villaflor El Descanso Sr. Pungo El Valle - Sr. Pungo La Dolorosa Sr. Pungo Challuabamba - Sr. Pungo Garaicoa - Sr. Pungo Lentag Simbala Garaicoa Guaguazhumi La Dolorosa Guaguazhumi Minas Guaguazhumi

Frec. (GHz)

Dist. (Km)

PTX (dBm)

LFS (dB)

LFT (dB)

LE (dB)

L (dB)

PRX (dBm)

PU(dBm)

5,8

12,82

21

32

129,93

1,42

3

102,35

-81,35

-84

5,8

9,93

21

32

127,71

1,42

3

100,13

-79,13

-84

5,8

11,43

21

32

128,93

1,42

3

101,35

-80,35

-84

5,8

6,41

21

32

123,91

1,42

3

96,33

-75,33

-84

5,8

17,87

21

32

132,81

1,42

3

105,23

-84,23

-84

5,4

7,43

21

32

124,57

1,42

3

96,99

-75,99

-84

5,4

20,57

21

32

133,41

1,42

3

105,83

-84,83

-84

5,4

17,07

21

32

131,79

1,42

3

104,21

-83,21

-84

5,4

12,20

21

32

128,88

1,42

3

101,30

-80,30

-84

5,4

21,26

21

32

133,70

1,42

3

106,12

-85,12

-84

5,8

19,80

21

32

133,70

1,42

3

106,12

-85,12

-84

5,8

8,73

21

32

126,59

1,42

3

99,01

-78,01

-84

5,8

8,40

21

32

126,25

1,42

3

98,67

-77,67

-84

5,8

20,75

21

32

134,11

1,42

3

106,53

-85,53

-84

G (dBi)

Tabla 6. 14 Parámetros teóricos calculados para el desempeño de los radioenlaces.

6.6.6.3 Diseño de enlaces considerando Perfiles Topográficos. Se utilizará el programa Radio Mobile versión 9.9.4, para graficar el perfil topográfico y para verificar que la zona de Fressnel se encuentra libre de obstáculos. A continuación se muestran los enlaces entre las estaciones y cada uno de los reconectadores de la Tabla 6.14, además se exponen los perfiles topográficos únicamente de los enlaces para los cuales existe línea de vista, mientras que para los reconectadores que no pueden utilizar esta tecnología se hará un breve estudio en el (Anexo 1). En la Figura 6.17 se muestran los reconectadores a interconectar con la estación Señor Pungo, aquí se indica con línea verde los enlaces que si pueden ser realizados técnicamente.


126




Figura 6. 17 Reconectadores a interconectar con Señor Pungo.

En la Figura 6.18, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor Pungo al reconectador La Dolorosa (Ricaurte).

Figura 6. 18 Perfil topográfico Señor Pungo-La Dolorosa. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

127




En la Figura 6.19 se presenta el perfil topográfico del enlace estación Señor Pungo – reconectador Challuabamba.

Figura 6. 19 Perfil topográfico Señor Pungo-Challuabamba.

La Figura 6.20 muestra los reconectadores a interconectar con la estación Guaguazhumi, aquí se traza una línea verde para los enlace que si pueden ser realizados técnicamente, sin embargo aquí se encuentra una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Subestación 1 ubicada en Cuenca, por lo que, con esta antena no se puede realizar estos enlaces, para esto se debe cambiar la antena existente por otra con mayor apertura, estos enlaces se pueden ver en el (Anexo 2).


128




Figura 6. 20 Reconectadores a interconectar con Guaguazhumi.

La Figura 6.21 muestra los reconectadores a interconectar con la estación Altarurco, se indica con línea verde el enlace que si se puede implementar.

Figura 6. 21 Reconectadores a interconectar con Altarurco.

En la Figura 6.22 se presenta el perfil topográfico del enlace estación Altarurco – reconectador Cañar. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

129




Figura 6. 22 Perfil topográfico Altarurco-Cañar.

Del estudio anterior se determina que se pueden interconectar tres reconectadores con las respectivas estaciones repetidoras de la red WAN de la Centrosur (Tabla 6.15). PARÁMETROS ENLACES

Frec. (GHz)

Dist. (Km)

PTX (dBm)

G (dBi)

LFS (dB)

LFT (dB)

LE (dB)

Cañar - Altarurco

5,8

12,82

21

32

129,93

1,42

3

102,35 -81,35

-84

La Dolorosa - Sr. Pungo

5,4

17,07

21

32

131,79

1,42

3

104,21 -83,21

-84

Challuabamba Sr. Pungo

5,4

12,2

21

32

128,88

1,42

3

101,3

-84

L (dB)

PRX (dBm) PU(dBm)

-80,3

Tabla 6. 15 Enlaces finales utilizando la tecnología inalámbrica existente.

6.6.7 Número de equipos necesarios para el enlace y ubicación. En la tabla 6. 16 se muestran los equipos necesarios para cada enlace, así como los equipos necesarios para todos los enlaces.


130




Descripción

Cantidad

Cantidad total

Suscriber Unit (SU)

1

3

Conversor de interface Ethernet/RS-232

1

3

Tabla 6. 16 Equipos necesarios para el enlace.

En la tabla 6.17 se muestra la ubicación de los equipos en los diferentes postes donde se encuentran los reconectadores. Reconectador

Equipo

Poste

Cañar

Unidad suscriptora SU

338821

La Dolorosa


354637

Challuabamba


514783

Tabla 6. 17 Ubicación de equipos en poste.

6.6.8 Configuración de equipos. Como se dijo anteriormente, en la estación Señor Pungo se va a instalar una unidad de acceso AU, para la cual se presenta en la tabla 6.18, una recomendación de la configuración de sus parámetros principales para la comunicación con los reconectadores de: Challuabamba y Ricaurte. Estos parámetros fueron los usados en este diseño. PARÁMETROS AU SEÑOR PUNGO Frecuencia

PTX

Sensibilidad

Azimut

(GHz)

(dBm)

(dBm)

grados

5,4

21

-92

250

Tabla 6. 18 Parámetros de configuración AU Señor Pungo.

Los parámetros principales que se deben configurar en las unidades suscriptoras SU’s, se muestran en la Tabla 6.19, además se muestra el azimut que debe ser tomado en cuenta para que las antenas apunten hacia las unidades de acceso. PARÁMETROS UNIDADES SUSCRIPTORAS SU’s

Reconectador

Frecuencia (GHz)

PTX (dBm)

Sensibilidad

Azimut

(dBm)

grados

Cañar

5,8

Auto ajustable

-92

143,3

La Dolorosa

5,4

Auto ajustable

-92

215

Challuabamba

5,4

Auto ajustable

-92

300

Tabla 6. 19 Parámetros de configuración SU’s. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

131




CAPÍTULO 7 ANÁLISIS DE COSTOS, DISEÑO FINAL Y RECOMENDACIONES PARA LOS FUTUROS RECONECATADORES DE LA CENTROSUR 7.1 ANALISIS DE COSTOS. Una vez realizado el diseño del sistema de comunicaciones para cada una de las tecnologías propuestas, se procede a realizar un estudio de costos de implementación, operación y mantenimiento para cada una de ellas, y en base a este análisis se obtendrá el diseño final para los 15 reconectadores, adicionalmente se presentará un estudio para determinar que tecnología se deberá utilizar para la comunicación de los futuros reconectadores.

7.1.1 Análisis de costos con tecnología GPRS. Del estudio realizado se desprende que para la tecnología GPRS se debe analizar costos únicamente por operación y por implementación del sistema debido a que el mantenimiento de la red está incluido en la tarifa mensual que se cancelará por el uso de la misma.

7.1.1.1 Costos por el servicio GPRS. El servicio será brindado por la operadora de comunicaciones móviles CONECEL (Porta) utilizando la red global de BTS (Estación Base Transceptora) hacia la estación central de procesamiento en el edificio matriz de la Centrosur. En la Tabla 7.1 se muestra el costo de la tarjeta SIM CARD GPRS, este valor se cancelará una sola vez. (Cotizacion PORTA GPRS Bulk Corporativo 2009) Detalle Instalación por Circuito Costos compra SIM para GPRS

Cantidad 15

Precio unit. $2,23

Precio $33,48

Subtotal

$33,48

IVA 12%

$4,02

Total

$37,50

Tabla 7. 1 Costo de instalación del servicio.

En la tabla 7.2 se muestra el costo mensual del servicio de transmisión de datos, este valor es una tarifa básica; es decir, esta tarifa se cancelará mensualmente por cada SIM activa aunque ésta no registre tráfico alguno, a este valor lo llamaremos costo fijo.


132



Costo por Circuito


Cantidad

PLAN GPRS BULK

15

Precio unit. $4,25

Precio $63,75

Subtotal

$63,75

IVA 12%

$7,65

Total

$71,40

Tabla 7. 2 Costo fijo mensual del servicio.

Este valor se incrementará de acuerdo a la cantidad de información que se transmita desde cada uno de los reconectadores hacia la estación central en concordancia con la Tabla 7.3, a este valor lo llamaremos costo variable. Tarifa Básica

MB Desde

(P/Simm)

Tarifa por

MB Hasta

cada MB

$ 4,25

0

500

$ 0,80

$ 4,25

500

1000

$ 0,65

$ 4,25

1001

5000

$ 0,50

$ 4,25

>5000

$ 0,40

Tabla 7. 3 Costo variable mensual del servicio.

La cantidad de Mbits se determinará mensualmente por cada punto GPRS contratado, cantidad que será medida por CONECEL e incluirá tramas de control y datos. La tarifa por tráfico se basará en la Tabla 7.3.

7.1.1.2 Costos por el uso mensual de la red GSM/GPRS. En base a los costos fijos y variables por el servicio GPRS, se hace un cálculo aproximado del costo mensual usando esta tecnología. Para los costos variables se hace uso de la cantidad de Mbits que transmitirá el sistema. Tomando en cuenta las dos formas para obtener la información desde los reconectadores, analizada en el capítulo 6, a continuación se calculará el volumen de información a transmitir:

1. Cálculo del volumen de tráfico para el periodo de interrogación de 5 minutos. El número de interrogaciones N m, para un reconectador, durante 24 horas se calcula en función del tiempo a partir de la siguiente ecuación:  = Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

24 × 60 



=

1440 5

= 288

 í 

133




El volumen de datos enviados en cada interrogación por cada reconectador es de 465 Bytes que fue obtenido en el capítulo anterior. Para obtener la cantidad de datos que se envían en un día se usa la siguiente expresión:  × # = 288 × 465 = 133920

 í 

Para calcular la cantidad de bytes por mes debemos multiplicar este resultado por 30 días que tiene el mes de donde obtenemos: 133920

 í   × 30 = 4017600 í   

Como el costo en GPRS se lo realiza por Mbytes, debemos transformar el resultado obtenido a esta unidad, para esto debemos dividir por 10242 y nos queda: 4017600  10242

= 3.83

 

Este resultado muestra la cantidad de datos que transmitirá cada reconectador en un mes, en modo de sondeo periódico y con solicitudes de todos los objetos. A este valor se debe sumar los bits de las cabeceras que ponen los diferentes protocolos que usa esta tecnología para el transporte de datos, denominado overhead. GPRS aumenta un overhead entre un 20 y 30% de la cantidad de datos. (GPRS Overview s.f.) Para este caso consideraremos un aumento del 30% de los datos enviados, de donde se obtiene lo siguiente: 3.83

  × 1.3 = 4.98  

2. Cálculo del volumen de tráfico usando respuesta no solicitadas. Debido a que la cantidad de datos que se transmitirán con respuesta no solicitadas es variable ya que ésta depende del estado de la red eléctrica, para obtener este valor se ha estimado que con el uso de respuestas no solicitadas se logra bajar la cantidad de información obtenida mediante el polling, en un 50%, es por esto que el estudio se lo realiza tomando en cuenta esta cantidad. Por lo tanto la cantidad de información enviada es: 3.83

  × 0.5 = 1.92  


134


Facultad de Ingeniería Ingenierí a

Escuela de Ingeniería Ingenie ría Eléctrica

A este valor agregamos un 30% de overhead que agrega GPRS, y tenemos:

1.92

  × 1.3 = 2.49  

El valor encontrado es la cantidad de bytes que serán facturados por la operadora mensualmente, para encontrar el valor en dólares debemos referirnos a los costos por cantidad de información mostrados en la tabla 7.3. 7.3. De esta tabla se obtiene que el costo por cada MB facturado es de 80 centavos de dólar, dólar, para obtener el costo mensual por cada reconectador usamos la siguiente expresión: 2.49

7.1.1.2.1

 × 0.80 0.80 ó = 1.99 ó 

Cálculo total por el uso de la red GPRS.

El valor encontrado en el punto anterior en el numeral 1 es la cantidad de bytes que serán facturados por la operadora mensualmente, para encontrar el valor en dólares debemos referirnos a los costos por cantidad de información mostrados en la tabla 7.3. De esta tabla se obtiene que el costo por cada MB facturado es de 80 centavos de dólar, para obtener el costo mensual por cada reconectador reconecta dor usamos la siguiente expresión: 4.98

 ó × 0.80 0.80 = 3.98 ó /  

Para obtener el costo mensual total de operación usando esta tecnología debemos sumar los costos fijos por cada SIM activa más los costos variables de operación, además este resultado se ve incrementado por el IVA IVA que es un valor del 12%. El resultado se obtiene de la siguiente manera: 4.25

ó ó ó    + 3.98 .98 × 1.12 = 9.22   

La tabla 7.4 muestra un resumen del costo aproximado por la utilización del servicio GPRS por cada reconectador. Por lo tanto esta cantidad debe ser tomada en cuenta cuenta al momento de comparar con los costos de implementación de las otras tecnologías, para decidir si todos los reconectadores deben ser comunicados de esta forma.


135




ADQUISISION DE DATOS CADA 5 MINUTOS Costos fijos Tarifa Básica

4,25

Costos

MBits totales por mes

4,98

variables

Costo por cada Mbit

0,8

Costo Mensual (4,98x0,8)+4,25

8,23

IVA 12%

0,99

Costo Total por cada Reconectador

9,22

Costo Total 15 Reconectadores 9,22x15

138,33

Total

Tabla 7. 4 Costo mensual del servicio GPRS.

Para obtener los costos de operación con respuestas no solicitadas se hace el mismo procedimiento realizado para las respuestas bajo solicitud. La Tabla 7.5 muestra el costo mensual por el uso del servicio GPRS considerando únicamente las respuestas no solicitadas. COSTO CON RESPUESTAS NO SOLICITADAS Costos fijos

Tarifa Básica

4,25

Costos

MBits totales por mes (50% del Polling)

2,49

variables

Costo por cada Mbit

0,8

Costo Mensual (2,49x0,8)+4,25

6,24

IVA 12%

0,75

Costo Total por cada Reconectador

6,99

Costo Total 15 Reconectadores 9,22x15

104,86

Total

Tabla 7. 5 Costo mensual del servicio GPRS.

7.1.1.3 Costo de implementación. En la Tabla 7.6 se desglosan los precios del equipo de comunicaciones seleccionado de la marca LIGHTSPEED ofrecido por la empresa Aldeberán. Aquí se muestra también también el costo total de equipos necesarios para la implementación para los 15 reconectadores. re conectadores.


136



Descripción Router Mobile 3G-250C Tarjeta SIM GPRS Conversor de interface interface LANTRONIX Ethernet/RS-23228 Instalación de equipos Configuración de equipos


Unidad u u

Cantidad 1 1

Costo unitario Costo Total 423 423 2,23 2,23

u

1

86,07

86,07

u u

1 1

64,75 14,76

64,75 14,76

SUBTOTAL IVA 12% Costo total por Reconectador Costo 15 Reconectadores

590,81 70,90 661,71 9925,61

Tabla 7. 6 Costo de implementación del sistema GPRS.

7.1.2 Análisis de costos con tecnología BPL. Una vez realizado el respectivo diseño para esta tecnología, se procede a analizar los costos de equipos equipos de comunicación, y costos por por instalación. La cantidad y tipo de equipos necesarios se determinaron en el capítulo anterior.

7.1.2.1 Costo de equipos y partes. En la Tabla 7.7 29 se desglosan los precios del equipo de comunicaciones seleccionado de la marca Corinex, es importante mencionar que en los repetidores se ocupará el mismo Head End CXP-MVA-GNR, que cumple con las características de repetidor de media tensión. Equipos Head End

Unidad u

Cantidad 2

Costo Unitario 300

Costo Total 600

Repetidores

u

7

300

2100

Acopladores

u

18

100

1800

Cable Ethernet FTP Cable Coaxial RG-59

m m

100 27

0,95 0,4

95 10,8

u

1

86,07

86,07

Conversor Interface Ethernet/RS232

SUBTOTAL

4691,87

IVA 12%

563,02

TOTAL

5254,89

Tabla 7. 7 Costo de implementación del sistema BPL.

28

Fuente: http://www.amazon.com/dp/B000FSOZTE/ref=asc_df_B000FSOZTE826225?smid=ATVPDKIKX0DER&tag=dealt 5742-20&linkCode=asn 29 Fuente: Departamento de compras de la Centrosur. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

137




El valor obtenido es únicamente para el reconectador ubicado en el colegio Garaicoa, que además es el más económico de acuerdo con el criterio de selección utilizado en el capítulo 6. Este valor se verá incrementado para los reconectadores que necesitan más repetidores. Se usará este valor para fines de comparación con las otras tecnologías.

7.1.3 Análisis de costos con tecnología de fibra óptica. Haciendo referencia a lo mencionado en el capítulo 6 debido al gran costo de implementación y la subutilización de capacidades, el estudio de los costos que se anotan a continuación no incluyen todos los equipos necesarios para el diseño, ni costos por configuración, ni costos por operación y mantenimiento, por el contrario se evalúan únicamente los equipos principales, y el rubro por mano de obra para el tendido de la fibra, de esta manera se justificará el diseño general realizado.

7.1.3.1 Costos referenciales de equipos y partes. Para analizar los costos referenciales se tomará en cuenta un diseño con fibra óptica para instalaciones aéreas, para este caso se ha elegido la fibra monomodo 9/125 Figura 8 del tipo Loose Tube (Fibremex n.d.), que actualmente usa la empresa eléctrica, este cable se lo puede encontrar en el mercado de 6, 12, 24 y 36 hilos de fibra, para el análisis se ocupará el cable de 6 hilos. Además se incluye costos por herrajería, necesaria para fijar y sostener el cable a los postes, para esto será necesario: grapas de suspensión para los postes en línea recta o con un ángulo máximo de 20°, y para postes de inicio, fin de cabecera y cambios de dirección, se colocará herrajes de retención. (CARPIO Edison 2009) Para este análisis se tomará en cuenta un herraje por cada poste en el trayecto del alimentador. Adicionalmente se tomará en cuenta un rubro por instalación y tendido de la fibra, con estos rubros se obtendrá un costo referencial, debido a que no se incluyen todos los equipos necesarios para la comunicación. En la Tabla 7.8 se desglosan los precios de acuerdo con lo mencionado anteriormente, es importante indicar que la cantidad de fibra está tomado de acuerdo a la distancia de recorrido del alimentador, a este valor se debe agregar un porcentaje adicional para reserva y para la instalación hasta el equipo ubicado en la subestación, que no se toma en cuenta aquí. Descripción Fibra óptica monomodo auto soportable Figura8 Instalación aérea de Fibra incluido transporte Elementos de sujeción en poste

Unidad Cantidad Costo Unitario Costo Total m 1438 2,5 3595 m 1438 0,7 1006,6 u 25 6,8 170 SUBTOTAL 4771,60 IVA 12% 572,59 TOTAL 5344,19

Tabla 7. 8 Costo referencial del sistema. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

138




7.1.4 Análisis de costos con tecnología inalámbrica W-MAN. Considerando que la Centrosur es un proveedor de servicios de Telecomunicaciones, y debido a que este diseño utiliza parte de la infraestructura existente en la red WAN, se adoptarán dos alternativas para el análisis de costos, que se explican a continuación: a) Primera alternativa.- únicamente se tomará en cuenta el costo de los equipos nuevos que se necesite implementar, costo de instalación y costo de mantenimiento, ya que al ser la Centrosur dueña de toda la infraestructura existente, no se tendrá un costo por el uso de la misma. b) Segunda alternativa.- al costo obtenido con la primera alternativa, se deberá incluir un rubro por el uso de la infraestructura existente, debido a que si bien los equipos ya están instalados, estos tendrán un costo por operación. Mediante estas dos opciones presentadas queda a consideración de la Centrosur escoger una de ellas, de acuerdo a los criterios administrativos del departamento de Contabilidad. Es decir si considera a este proyecto como un cliente externo o como una inversión interna. Por otra parte en los costos de operación del sistema únicamente se considerará los costos que varían en cada una de las alternativas, por ejemplo los costos por el consumo de energía no se incluyen ya que este es el mismo en ambas y no alteran la comparación.

7.1.4.1 Primera alternativa 7.1.4.1.1

Costo de equipos y partes.

En la Tabla 7.9 se muestra el detalle de precios de los equipos de comunicaciones seleccionado, así como los costos de instalación. Estos equipos cuentan con accesorios propios para su instalación como: cable coaxial, y herrajería para su montaje. Estos precios fueron adquiridos desde el departamento de compras de la empresa eléctrica. Descripción Inspección del lugar de instalación Suscriber Unit (SU) Instalación de SU Conversor de interface Ethernet/RS-232 Configuración de equipos

unidad u u u u u

cantidad 1 1 1 1 1

Costo Unitario 11,64 458,55 64,75 86,07 14,76 SUBTOTAL IVA 12% TOTAL

Costo Total 11,64 458,55 64,75 86,07 14,76 635,77 76,29 712,06

Tabla 7. 9 Costo de implementación del sistema W/MAN.


139




7.1.4.2 Segunda alternativa. 7.1.4.2.1 Costo de equipos y partes. En la Tabla 7.10 se muestra el detalle de precios de los equipos de comunicaciones seleccionado, así como los costos de instalación. Descripción Inspección del lugar de instalación Suscriber Unit (SU) Instalación de SU Conversor de interface Ethernet/RS-232 Configuración de equipos

unidad u u u u u

cantidad 1 1 1 1 1

Costo Unitario 11,64 458,55 64,75 86,07 14,76 SUBTOTAL IVA 12% TOTAL

Costo Total 11,64 458,55 64,75 86,07 14,76 635,77 76,29 712,06

Tabla 7. 10 Costo de implementación del sistema W/MAN.

7.1.4.2.2 Costo por el uso de la infraestructura existente. Debido a que se utilizará la infraestructura existente, en la red de comunicaciones de la Centrosur, en este apartado se considera un rubro por el uso de la misma, este valor deberá obtenerse mediante un análisis de costos tanto de inversión como de operación y mantenimiento de la red de comunicaciones la cual incluye el backhaul ubicado en Cuenca, la red de transporte y la red de acceso. Como la Centrosur ofrece el servicio de transporte de datos con velocidades de 128, 256 y 512 Kbps, esta empresa tiene un valor para los clientes de acuerdo al ancho de banda que ellos contraten, este valor fue calculado en base a los costos mencionados anteriormente más una utilidad. Por lo tanto para este proyecto se adoptará este valor como un rubro por la utilización de la infraestructura existente, en donde estará incluido el costo por operación y mantenimiento. En la tabla 7.11 se presenta este costo, el cual está valorado mediante la contratación de un paquete de 128 Kbps que es suficiente para cada reconectador. Descripción Costo por uso de red existente

Tiempo Mensual

Costo Unitario 50 SUBTOTAL IVA 12%

Costo Total 50 50 6

TOTAL

56

Tabla 7. 11 Costo por el uso de la red existente para W/MAN. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

140




7.1.5 Evaluación de costos para el diseño final. Una vez que se ha obtenido los costos para cada una de las alternativas de comunicación, es necesario hacer una comparación de los mismos para determinar que tecnología debe ser utilizada en el diseño final para los 15 reconectadores propuestos. Esta comparación se basará tanto en los costos de implementación del sistema como en los costos mensuales de operación y mantenimiento. En la Tabla 7.12 se muestra un resumen de los costos por implementación obtenidos en el diseño de cada tecnología. Tecnología

Costo Total

GPRS

661.71

BPL

5254.89

Fibra Óptica

2928.35

Inalámbrico

712.06

Tabla 7. 12 Resumen de Costos.

De este resultado podemos ver que la tecnología más económica es GPRS, sin embargo no debemos olvidar que existe un costo adicional que se paga mensualmente por el uso de la red, el cual fue calculado anteriormente en base a la cantidad de información que se pretende transmitir. Con estos antecedentes se procede a hacer una comparación entre las dos tecnologías que resultan más económicas, esto es la tecnología inalámbrica y GPRS.

7.1.5.1 Comparación entre tecnología inalámbrica y GPRS. A continuación se hará una comparación considerando las dos alternativas existentes con tecnología inalámbrica.

7.1.5.1.1 Comparación entre GPRS y W-MAN (Primera alternativa). Antes de realizar una comparación entre las dos tecnologías mencionadas, debemos obtener la diferencia de costos entre ellas. En este caso no se tendrá en cuenta el costo por el uso de la infraestructura existente para la tecnología W-MAN. Para esto realizamos el siguiente cálculo:  =  á −    = 712,06 − 661,71 = 50,35 ó


141




Una vez obtenido este valor se debe calcular el tiempo en que se puede recuperar esta diferencia con el pago mensual por el uso de la red GPRS. Para esto debemos referirnos a la Tabla 7.4, donde se obtuvo un costo mensual de 9.22 dólares por cada reconectador, y hacemos un sencillo cálculo como el que se muestra a continuación: 50,35 ó = 5,46  9,22 ó

De este análisis se observa que en cinco meses se puede igualar los costos en ambas tecnologías. Por lo que se concluye que en los meses posteriores habrá ganancias con el uso de la tecnología inalámbrica W/MAN. Por lo tanto se concluye que, el diseño final deberá constar de un enlace de comunicaciones con tecnología inalámbrica W/MAN, para todos los reconectadores que técnicamente se los pueda enlazar a la red WAN de la Centrosur. Y los demás reconectadores deberán ser comunicados mediante la red GPRS de Porta.

7.1.5.1.2 Comparación entre GPRS y W-MAN (Segunda alternativa). En este caso se considera un costo por el uso de la infraestructura existente en la red WAN para la tecnología inalámbrica. En la Tabla 7.12 se vio que el costo de implementación de la tecnología inalámbrica WMAN es mayor al de GPRS, mientras que en la Tabla 7.13 se puede ver claramente que el costo mensual de operación de la tecnología inalámbrica W-MAN es superior al costo de operación con GPRS. Tecnología GPRS Inalámbrico

Costo Mensual operación

SUBTOTAL

IVA 12%

9,22

9,22

1,1064

44,64

44,64

5,36

Costo Total Mensual 10,33 50

Tabla 7. 13 Resumen de Costos de operación mensual.

En base a este estudio se concluye que GPRS es la tecnología más económica de todas las estudiadas, por lo que ésta es la que se debe usar para la comunicación de todos los reconectadores planteados en el presente estudio.

7.2 DISEÑO FINAL PARA LOS RECONECTADORES. Tomando en cuenta los dos resultados obtenidos en el análisis de costos, a continuación se presentan dos diseños de comunicaciones, los cuales se recomienda a la Centrosur utilizar de acuerdo con el criterio que se mencionó en el punto 7.1.4 del presente capítulo. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

142




7.2.1 Diseño final para los Reconectadores (Primera alternativa). De acuerdo con el análisis de costos realizado, el diseño final del sistema de comunicaciones para los reconectadores consta de lo siguiente:

7.2.1.1 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS . En la Tabla 7.14 30 se muestra todos los reconectadores que se comunicarán mediante la red GPRS, para los cuales se debe implementar el diseño realizado en el punto 6.3.5 del capítulo 6. En este punto se hizo un diseño para el reconectador ubicado en el sector La Paz. RECONECTADORES

LATITUD (S)

LONGITUD (W)

ELEVACIÓN (m)

La Paz

3°19’42.4374”

79°10’12.3093”

3040

Guachapala

2°45’05.4436”

78°39’45.3834”

2620

Sta. Isabel

3°15’38.7042”

79°19’2.7177”

1780

Minas (Baños)

2°55’37.9268”

79°05’40.7206”

2760

Lentag

3°13’58.3201”

79°14’6.2461”

1720

Estación Cumbe

3°02’15.3971”

79°03’9.4791”

2625

El Valle

2°56’37.0335”

78°57’23.5793”

2670

El Descanso (vía Jadán)

2°50’49.7015”

78°52’50.1632”

2350

Biblián

2°42’22.7881”

78°53’48.3527”

2620

Colegio Garaicoa

2°54’45.4930”

78°59’13.0702”

2504

Suscal

2°27’30.4917”

79°04’46.2228”

2760

S/E Paute (entrada a 2°47’14.3391”

78°45’50.1879”

2180

Paute)

Tabla 7. 14 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS.

7.2.1.2 Reconectadores enlazados con tecnología inalámbrica W/MAN. En la Tabla 7.15 se muestra todos los reconectadores que se comunicarán mediante tecnología inalámbrica W/MAN, para los cuales se debe implementar el diseño realizado en el punto 6.6 del capítulo 6, los parámetros de la tabla se obtuvieron de este diseño.

30

Fuente: Base de datos G.I.S. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

143




PARÁMETROS ENLACES

Frec. (GHz)

Dist. (Km)

PTX (dBm)

G (dBi)

LFS (dB)

LFT (dB)

LE (dB)

PRX (dBm) PU(dBm)

Cañar - Altarurco

5,8

12,82

21

32

129,93

1,42

3

102,35 -81,35

-84

La Dolorosa - Sr. Pungo

5,4

17,07

21

32

131,79

1,42

3

104,21 -83,21

-84

Challuabamba Sr. Pungo

5,4

12,2

21

32

128,88

1,42

3

101,3

-84

L (dB)

-80,3

Tabla 7. 15 Reconectadores enlazados con tecnología W/MAN.

7.2.1.3 Esquema de conexión para los reconectadores La Figura 7.1 muestra el esquema de conexión para todos los reconectadores propuestos.

Figura 7. 1 Esquema de conexión para los reconectadores de la Centrosur. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

144




7.2.2 Diseño final para los Reconectadores (Segunda alternativa). Como se mencionó anteriormente que GPRS es la tecnología más económica de todas las estudiadas, el diseño final para la comunicación de todos los reconectadores planteados en el presente estudio se lo debe hacer mediante esta tecnología. Por lo tanto para este sistema se debe implementar el diseño realizado en el punto 6.3.5 del capítulo 6. En este punto se hizo un diseño para el reconectador ubicado en el sector La Paz.

7.3 RECOMENDACIONES PARA LOS FUTUROS RECONECTADORES. Luego de haber determinado el diseño del sistema de comunicación final para los 15 reconectadores, a continuación se recomienda el tipo de tecnología a utilizar para la comunicación de los futuros equipos que puedan instalarse. Para realizar este estudio se tomará en cuenta los resultados obtenidos en el diseño usando la primera alternativa, es por esto que para estos reconectadores se propone principalmente el uso de las tecnologías más económicas es decir W/MAN y GPRS. De la misma forma que se determinó la viabilidad de la comunicación con los reconectadores actuales mediante W/MAN, se propone a continuación realizar los siguientes pasos para determinar la posibilidad de comunicación de los futuros reconectadores:

1. Primero se debe encontrar la ubicación geográfica de todos los reconectadores que se vayan a instalar, y luego ubicarlos en el G.I.S. 2. Si algún reconectador se encuentra dentro de esta zona de cobertura, se debe realizar un estudio radioeléctrico para determinar, si técnicamente se puede lograr la comunicación. 3. Si existen algunos reconectadores que puedan comunicarse utilizando esta tecnología, se la debe hacer sin ninguna duda. 4. Por último, si existen reconectadores que se encuentren cerca de la zona de cobertura de los distintos repetidores de la red WAN, se recomienda hacer un estudio radioeléctrico para determinar si se puede enlazar a esta red, en el caso en que se determine que si se puede comunicar, se deberá hacer un análisis para ver la factibilidad de cambiar la antena repetidora de la red WAN (AU) por otra de mayor apertura. Una vez determinados los reconectadores que no se pueden comunicar mediante W/MAN, lo que se propone es realizar el enlace usando la red GPRS, que es la segunda menos costosa. Para esto se procede como sigue: Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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1. Obtener las coordenadas geográficas de todos los reconectadores que se vayan a analizar y solicitar un reporte de cobertura de estos lugares a las oficinas de DATUN de la operadora Porta. 2. En segundo lugar se debe establecer si los reconectadores pueden ser comunicados mediante esta red, por lo tanto para los que sea factible, se lo debe hacer de esta manera y para los demás se deberá analizar otra alternativa como por ejemplo colocar nuevas unidades de acceso AUs de tecnología inalámbrica. Se puede decir que todos los reconectadores que se instalen a futuro estarán dentro de la cobertura de una de las dos tecnologías mencionadas anteriormente, por lo tanto habrá que hacer un estudio técnico económico para determinar la viabilidad de una u otra tecnología. A continuación se exponen las gráficas de la cobertura 31 de cada una de las antenas sectoriales de 60 grados de las unidades de acceso, ubicadas en las estaciones de la red WAN con un radio de alcance de 20 Km. En el extremo superior izquierdo se encuentra una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s. Los reconectadores que se vayan a instalar en esta zona deberán ser analizados para ver si están dentro de esta cobertura.

7.3.1 Cobertura Estación Señor Pungo. En la Figura 7.2 se muestra la cobertura de la unidad de acceso AU ubicada en el cerro Señor Pungo, cuya antena sectorial de 60 grados apuntará con dirección a Challuabamba.32

31

Cobertura obtenida de Radio Mobile 9.9.4 Cabe recalcar que la unidad de acceso AU (IDU+ODU+antena, Figura 6.9) ya fue adquirida para ser instalada en este sitio. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009 32

146




Figura 7. 2 Cobertura Estación Señor Pungo.

7.3.2 Cobertura estación Guaguazhumi. En la Figura 7.3 se muestra la cobertura de la estación Guaguazhumi, aquí se tiene una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Subestación 1.


147




Figura 7. 3 Cobertura Estación Guaguazhumi.

7.3.3 Cobertura estación Altarurco. En la Figura 7.4 se muestra la cobertura de la estación Altarurco, aquí se encuentran instaladas dos antenas sectoriales de 60 grados, una con dirección a la Agencia Cañar y otra con dirección a la Agencia Suscal.


148




Figura 7. 4 Cobertura Estación Altarurco.

7.3.4 Cobertura estación Buerán. En la Figura 7.5 se muestra la cobertura de la estación Buerán, aquí se encuentra instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Biblián.


149




Figura 7. 5 Cobertura Estación Buerán.

7.3.5 Cobertura estación Villaflor. En la Figura 7.6 se muestra la cobertura de la estación Villaflor, aquí se encuentran instaladas dos antenas sectoriales de 60 grados una con dirección a la Agencia Paute, y otra con dirección a la Agencia Gualaceo.


150




Figura 7. 6 Cobertura Estación Villaflor.

7.3.6 Cobertura estación Simbala. En la Figura 7.7 se muestra la cobertura de la estación Simbala, aquí se encuentra instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Girón.


151




Figura 7. 7 Cobertura Estación Simbala.

7.3.7 Cobertura estación Loma Paica. En la Figura 7.8 se muestra la cobertura de la estación Loma Paica, aquí se encuentra instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Nabón.


152




Figura 7. 8 Cobertura Estación Loma Paica.

7.3.8 Cobertura estación Guallil. En la Figura 7.9 se muestra la cobertura de la estación Guallil, aquí se encuentra instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Sigsig.


153




Figura 7. 9 Cobertura Estación Guallil.


154




CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Del estudio y la experiencia adquirida durante el desarrollo de este trabajo a continuación se extraen las siguientes conclusiones y recomendaciones.

8.1 CONCLUSIONES 

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



Del resultado final se puede concluir que los estudios iniciales realizados sobre el equipo de comunicación de los reconectadores fueron muy importantes para determinar las características y requerimientos que debe tener el sistema de comunicación a implementar, así también el estudio de la ubicación geográfica de los distintos equipos fue necesario para determinar técnicamente si los enlaces con las diferentes tecnologías eran posibles. Tomando en cuenta el avance tecnológico que han experimentado las comunicaciones móviles, tanto en la transmisión de voz, video y datos, y su amplia cobertura que permiten al usuario la comunicación a grandes velocidades y en cualquier lugar que se encuentre, este proyecto da a conocer una forma de explotación de estas cualidades, como son la adquisición de datos en tiempo real (Sistemas SCADA) y la gestión remota de equipos a través de la red GPRS. En este trabajo se han analizado diversas tecnologías para transmisión de datos remotos, de esto se puede concluir que económicamente ciertas tecnologías son más costosas que otras como es el caso de tecnologías de fibra óptica o tecnología BPL. Por el contrario, la tecnología GSM/GPRS, y la tecnología inalámbrica W-MAN son más económicas, con la desventaja de que en el caso concreto de GSM/GPRS, las operadoras que brindan este servicio no tienen cobertura total del territorio, mientras que en W-MAN es necesario que la zona donde se vaya a implementar sea topográficamente adecuada. El sistema diseñado cumple con la característica de ser un sistema de transmisión en tiempo real. La información obtenida en el campo tarda un tiempo inferior a un segundo en llegar hasta la estación central de procesamiento, por lo que se concluye que la calidad de información obtenida con este sistema está acorde con las necesidades para el monitoreo y control de los equipos de protección del sistema eléctrico. Como no se puede determinar el tráfico de datos real producido por el sistema, para calcular el costo de operación mensual por el uso de la red GPRS, fue necesario realizar pruebas para obtener esta medida. Para esto se utilizó el software ASE2000 que permite analizar las trazas del protocolo, por lo que se concluye que esta es una manera adecuada de obtener una medida aproximada del tráfico de datos, para determinar los costos antes de implementar el sistema.


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

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





GPRS es una tecnología que permite reducir notablemente los costos de operación y mantenimiento en comparación con las otras tecnologías, sin embargo con la tecnología inalámbrica W-MAN se puede aprovechar al máximo la infraestructura existente, reduciendo de esta manera los costos de implementación. Haciendo referencia a lo mencionado, se concluye que el diseño de un sistema híbrido de tecnología GPRS y tecnología inalámbrica WMAN es el más adecuado, según la primera alternativa del diseño final. De acuerdo con el diseño obtenido en la segunda alternativa, en este trabajo podemos concluir que GPRS es una tecnología muy económica ya que se paga únicamente por la cantidad de datos enviados. Es de suma importancia que un sistema diseñado cumpla con la característica de escalabilidad. Este proyecto permite la expansión del sistema, admitiendo la futura inclusión de nuevos equipos reconectadores, por lo tanto se concluye que este trabajo cumple con esta característica. Debido a que el trabajo propuesto tiene la característica fundamental de usar una función del protocolo de comunicaciones DNP3 llamada respuestas no solicitadas, que envía información únicamente cuando haya variado el parámetro medido, se concluye que la RTU ELITEL 4000 destinada para este diseño no puede explotar esta funcionalidad, ya que dicho equipo no maneja esta función, únicamente se puede obtener información mediante un polling o petición cada cierto tiempo. La Centrosur tiene previsto colocar un equipo AU Alvarion en el cerro Señor Pungo, ya que este es un punto estratégico para sus comunicaciones. Por lo tanto de lo examinado en este trabajo se puede concluir que, con la implementación de este equipo se puede comunicar a los siguientes reconectadores: reconectador ubicado en Ricaurte y reconectador ubicado en Challuabamba. En el caso de no colocar este equipo, estos reconectadores deberán ser comunicados usando la red GPRS.

8.2 RECOMENDACIONES.

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

Si se identifica que un reconectador a ser implementado en el futuro se encuentra dentro del área de cobertura de un equipo Alvarion, se recomienda hacer un estudio radioeléctrico del enlace antes de implementar este sistema debido a que se deben tomar en cuenta todos los parámetros de la comunicación inalámbrica. Para comunicar al reconectador ubicado en El Valle, en este proyecto se lo realiza mediante GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que este reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el cerro Guaguazhumi (ver anexo 2), por lo tanto se recomienda cambiar la antena situada en este cerro con dirección a la Subestación 1, por una antena Flat Panel


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sectorial de 120 grados de tal manera que por medio de esta antena se comunique tanto a la subestación como al reconectador. Para comunicar al reconectador ubicado en El Descanso, en el presente proyecto se lo realiza mediante la red GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que este reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el cerro Guaguazhumi (ver anexo 2), por lo tanto se sugiere cambiar la antena situada en este cerro con dirección a la subestación 12, por una antena Flat Panel sectorial de 60 grados de tal manera que por medio de ésta se comunique tanto a la subestación como al reconectador ubicado en El Descanso. Para comunicar al reconectador ubicado en Guachapala, en el presente proyecto se lo realiza mediante la red GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que este reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el cerro Ñuñurco (ver anexo 2), por lo tanto se sugiere cambiar la antena sectorial de 60 grados situada en este cerro con dirección hacia el punto de recaudo en Sevilla de Oro, por una antena Flat Panel sectorial de 120 grados, de tal forma que por medio de ésta se comunique tanto al punto de recaudo como al reconectador ubicado en Guachapala. Si el estudio determina que un reconectador a implementarse debe ser comunicado usando la red GPRS, se recomienda obtener las coordenadas geográficas de su punto de ubicación, y enviarlas a las oficinas de DATUM para que se determine si existe cobertura de la red en ese punto. Una vez que el sistema de comunicación esté implementado y funcionando, se recomienda hacer un monitoreo del tráfico de los reconectadores que se encuentran comunicados con la red GPRS, para determinar si durante las horas pico la red mantiene los niveles de confiabilidad. El estudio para determinar el número de reconectadores que se vayan a implementar en el futuro, permitiría solicitar a la operadora Porta la asignación de un bloque de direcciones IP de reserva para evitar posibles problemas en lo posterior. Se recomienda la capacitación del personal durante la instalación del sistema de comunicaciones para evitar elevados gastos en servicios de soporte técnico por parte del proveedor de los equipos. Con el fin de reducir costos de implementación y posibles puntos de fallo, se sugiere que los nuevos reconectadores que se vayan a adquirir, cuenten con interfaces Ethernet. Este puerto servirá para la comunicación mediante tecnología inalámbrica y GPRS, eliminando así la necesidad de un conversor de interface entre el reconectador y el canal de comunicaciones. Antes de implementar el sistema de comunicaciones se sugiere cambiar la RTU que actualmente está destinada para el diseño, por otra que maneje un mayor número de dispositivos remotos, ya que la RTU que se tiene al momento maneja únicamente 64 equipos, que para el actual proyecto satisface las condiciones, pero en un futuro cercano no se podrá ampliar el sistema más allá de este número.


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





Como la RTU actual no soporta el uso de respuestas no solicitadas, se recomienda que ésta sea una característica primordial para la compra de una nueva RTU, ya que esta función nos permite reducir costos de operación cuando se usa la red GPRS. Para la adquisición de una nueva RTU, se recomienda que cumpla con la característica de manejar tanto el protocolo de comunicaciones DNP3.0 serial como el DNP3 LAN / WAN. De esta forma se evita la compra de un conversor de protocolos, necesario en el diseño actual. Además esta RTU debe manejar el protocolo de comunicaciones IEC 60870-5-101 para la comunicación con el sistema SCADA


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Anexo 1 Estudio radioeléctrico para los reconectadores


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Reconectadores que no tienen enlace con las estaciones de la red WAN. Del estudio realizado en el punto 6.6.6.3 del capítulo 6 se determinó que algunos reconectadores no pueden utilizar la tecnología W/MAN, debido a la topografía del terreno entre los equipos de comunicación del reconectador y las estaciones. A continuación se muestra el estudio de estos enlaces. En la Figura A1.1, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor Pungo al reconectador ubicado en el colegio Garaicoa, aquí se observa que no existe enlace con los parámetros usados para el sistema, debido a las condiciones desfavorables del terreno.

Figura A1. 1 Perfil Topográfico Señor Pungo-Garaicoa.

En la Figura A1.2, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor Pungo al reconectador ubicado en El Descanso, aquí se observa que no existe enlace.


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Figura A1. 2 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso.

En la Figura A1.3, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor Pungo al reconectador ubicado en El Valle, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 3 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Valle. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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En la Figura A1.4, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Guaguazhumi al reconectador ubicado cerca del Colegio Garaicoa, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 4 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Garaicoa.

En la Figura A1.5, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Altarurco al reconectador ubicado en Suscal, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 5 Perfil Topográfico Altarurco – Reconectador Suscal. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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En la Figura A1.6, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Simbala al reconectador ubicado en Cumbe, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 6 Perfil Topográfico Simbala – Cumbe.

En la Figura A1.7, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Simbala al reconectador ubicado en Lentag, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 7 Perfil Topográfico Simbala – Reconectador Lentag. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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En la Figura A1.8, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Villaflor al reconectador ubicado en Paute, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 8 Perfil Topográfico Villaflor – Paute.

En la Figura A1.9, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Buerán al reconectador ubicado en Biblián, aquí se observa que no existe enlace.

Figura A1. 9 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Anexo 2 Recomendaciones de enlaces


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Recomendaciones para la Estación Es tación Guaguazhumi En la estación Guaguazhumi se encuentra actualmente instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la subestación 1. En la Figura A2.1 se muestra la cobertura que tendría si tuviera una antena sectorial de 120 grados. Aquí se puede puede ver que el sector de La Dolorosa Dolorosa y el Valle están dentro de su zona de alcance. Se muestra en la parte superior izquierda una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s y un radio de alcance de 20 Km.

Figura A2. 1 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 120 grados dirección S/E1.

La Figura A2.2 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el reconectador ubicado en la Dolorosa (Ricaurte), donde se observa que si existe enlace. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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Figura A2. 2 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador La Dolorosa.

La Figura A2.3 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el reconectador ubicado en El Valle, donde se observa que si existe exi ste enlace.

Figura A2. 3 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Valle. Iván Sánchez Loor. Adrián Torres Bermeo. 2009

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En la estación de Guaguazhumi también existe un enlace punto a punto con la Subestación 12. En la Figura A2.4 se muestra la cobertura que tendría si tuviera una antena sectorial de 60 grados. Donde podemos podemos ver que el sector del Descanso está dentro de de su zona de alcance. En la parte superior izquierda se muestra una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s, y un radio de alcance de 20 Km.

Figura A2. 4 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 60 grados dirección SE 12.

La Figura A2.5 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el reconectador ubicado en El Descanso, donde se observa que si existe exis te enlace.


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Figura A2. 5 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Descanso.

Recomendaciones para la Estación Ñuñurco. En la estación Ñuñurco se encuentra actualmente instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección al punto de recaudo Sevilla de Oro. En la Figura A2.6 se muestra la cobertura que tendría si tuviera una antena sectorial de 120 grados. Aquí se puede ver que el sector de Guachapala está dentro de su zona de alcance. En la parte superior izquierda se muestra una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s y un radio de alcance de 20 Km.


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Tesis Reconectadores Centrosur

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