Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil en Informática "GENERACION DE UN CONJUNTO DE PAUTAS QUE BASADAS EN MODELOS MATEMATICOS Y HERRAMIENTAS DE SOFTWARE, PERMITAN IMPLEMETAR ENLACES INALAMBRICOS CON TECNOLOGIA DE RF” Tesis para optar al título de: Ingeniero Civil en Informática Profesor Patrocinante: Sr. Luis Hernan Vidal Vidal. Ingeniero Civil en Informática Licenciado en Ciencias de la Ingeniería Profesor Co-Patrocinante: Sr. Néstor Fierro Morineaud Ingeniero Electrónico Licenciado en Ciencias de la Ingeniería Diplomado en Ciencias de la Ingeniería Profesor Informante: Sr. Jorge Morales Vilugron Ingeniero Electrónico Diplomado en Ingeniería, especialidad en Electricidad CARLOS JAVIER SOTO CASTRO VALDIVIA – CHILE 2009 Universidad Austral de Chile Instituto de Informática Valdivia, 13 de Enero de 2009. De : Luis Hernán Vidal Vidal. A : Sr. Juan Pablo Salazar F. Director de Escuela de Ingeniería Civil en Informática. Ref. : Informa Calificación Trabajo de Titulación. MOTIVO: Informar revisión y calificación del Proyecto de Título "Generación de un conjunto de pautas que basadas en modelos matemáticos y herramientas de software, permitan implementar enlaces inalámbricos con tecnología de RF", presentado por el alumno Carlos Javier Soto Castro, que refleja lo siguiente: Se logró el objetivo planteado que permitió la generación de pautas que basadas en modelos matemáticos y herramientas de softwares, permiten implementar enlaces de radio frecuencia. El esfuerzo constante, junto con la dedicación al tema son aspectos destacables durante el proceso del trabajo realizado. Por todo lo anterior expuesto califico el trabajo de titulación del Sr. Carlos Javier Soto Castro con nota 6,6 (seis coma seis). Sin otro particular, se despide atentamente. UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE Fac. Cs. de la Ingeniería Inst. de Elec. y Electrónica Valdivia, 10 de marzo2009. DE : Nestor Fierro Morineaud. Prof. del Inst, de E. y Electrónica. A : Juan P. Salazar Fernández. Director de Escuela de Ing. Civil Informática. MOTIVO: Envío a Ud. Pauta de Calificación del Proyecto de Título "Generación de un conjunto de pautas que basadas en modelos matemáticos y herramientas de software permitan implementar enlaces inalámbricos con técnicas dRF" del estudiante Carlos Soto Castro, el cual revisé y no presenta observaciones de mi parte. Le saluda cordialmente. NESTOR FIERRO MORINEAUD Profesor Informante VALDIVIA, 19 de Marzo de 2009 De: JORGE ANTONIO MORALES VILUGRON ING. ELECTRÓNICO, INFORMANTE A: Juan Pablo Salazar Fernández Director Escuela de Ingeniería Civil en Informática Ref: Calificación proyecto de título De mi consideración: Habiendo revisado el trabajo de titulación "Generación de un conjunto de pautas que basadas en modelos matemáticos y herramientas de software, que permitan implementar enlaces inalámbricos con tecnología de RF, presentado por el/la alumno(a) sr./sra./srta. CARLOS JAVIER SOTO CASTRO, mi evaluación del mismo es la siguiente: Nota: 5.9 (Cinco como nueve). Fundamento de la nota: Una tesis en que la mayoría de los problemas eran exógenos. Las No existencias de datos reales sobre las intensidades de las señales en el sur de Chile y cuyos valores teóricos, aplicando modelos, eran imprecisas. Además, existen muchos trabajos en el Instituto de Electrónica sobre esta necesidad en el área de las telecomunicaciones. Sin otro particular, saluda atentamente a usted, AGRADECIMIENTOS Agradezco a toda mi familia, amigos, vecinos y conocidos por la presión que ejercieron sobre mí para de una u otra forma pueda terminar con éxito este proyecto. A Rosita, Quichi, hermano, viejo y vieja, por el cariño y apoyo incondicional entregado durante toda mi vida, y especialmente ahora en el final de esta etapa. A mis amigos de universidad, en especial a Renzo Narinas Bertuzzi por la ayuda recibida y por estar siempre ahí cuando los necesité. A todos mis profesores a lo largo de mi carrera, por su comprensión y paciencia. Quiero agradecer en forma especial a Jorge Franco, por la ayuda desinteresada como profesional y como amigo que me ha dado al final de esta etapa. Por último, a Luis Vidal por la ayuda, apoyo y paciencia que tuvo a lo largo de este extenuante proceso de “TEEEEEEEEEEEEEEEESIS”. A todos, Muchas Gracias. Carolo INDICE Contenido Página CAPITULO 1 ................................................................................................................ 1 1.1 INTRODUCCIÓN. .................................................................................................. 1 1.2 Objetivos.................................................................................................................. 2 1.2 Objetivos Generales. ................................................................................................ 2 1.2 Objetivos. Especificos .............................................................................................. 2 CAPITULO 2 . .............................................................................................................. 3 2 Marco de referencia de estudio ................................................................................... 3 2.1 Onda electromagnética ............................................................................................. 3 2.1.1 Espectro electromagnético ..................................................................................... 5 2.1.2 Ancho de banda ..................................................................................................... 6 2.2 Conceptos de propagación ........................................................................................ 6 2.2.1. Sistemas digitales ................................................................................................. 6 2.2.2 Ruido e interferencias ........................................................................................... 7 2.2.3 Perdidas en el espacio........................................................................................... 7 2.2.3.1 Perdidas en el espacio libre ................................................................................. 7 2.2.3.2 Reflexión............................................................................................................ 8 2.2.3.3 Refracción. ......................................................................................................... 9 2.2.3.4 Difracción. ....................................................................................................... 10 2.2.3.5 Dispersión. ....................................................................................................... 10 2.2.3.6 Absorción. ........................................................................................................ 11 2.3 Polarización ........................................................................................................... 11 2.3 Fresnel ................................................................................................................... 12 2.5 Energía................................................................................................................... 14 2.5.1 Potencia. ............................................................................................................. 14 2.5.2 Decibeles. ........................................................................................................... 14 2.6 Radio enlaces. ........................................................................................................ 15 2.6.1 Cálculo simplificado de un radio enlace. ............................................................. 16 CAPITULO 3. ............................................................................................................. 18 3 Tecnología inalámbrica de última generación. ........................................................... 18 3.1 Modelo OSI/ISO. ................................................................................................... 18 3.2 Tipo de redes inálambricas. .................................................................................... 21 3.2.1 Redes de área extensa inálambrica (WWAN). ..................................................... 21 3.2.2 Redes de área metropolitana inálambrica (WMA). .............................................. 21 3.2.3 Redes de área local inálambrica (WLAN). ........................................................... 22 3.4 WIFI. ..................................................................................................................... 24 3.5 WIMAX. ................................................................................................................ 26 CAPITULO 4. ............................................................................................................. 29 4 Modelos de propagación de ondas eletromagnéticas en espacios abiertos. ................. 29 4.1 Modelo de propagación para espacio libre. ............................................................. 30 4.1.1 Cálculo de los parámetros del enlace. .................................................................. 31 4.2 Modelo Okumura. .................................................................................................. 37 4.3 Modelo Okumura- Hata.......................................................................................... 38 4.4 Modelo Hata (Extendido) ...................................................................................... 40 4.5 Selección del modelo ............................................................................................. 40 CAPITULO 5 ............................................................................................................. 41 5 Metodologia de desarrollo de un software de predicción de enlaces RF .................... 41 5.1 Control de requerimientos ..................................................................................... 41 5.1.1 Requerimiento 1 ................................................................................................. 41 5.1.2 Requerimiento 2 ................................................................................................. 41 5.1.3 Requerimiento 3 ................................................................................................. 42 5.1.4 Requerimiento 4 ................................................................................................. 42 5.1.5 Requerimiento 5 ................................................................................................. 42 5.1.6 Requerimiento 6 ................................................................................................. 42 5.2 Casos de uso ......................................................................................................... 43 5.2.1 Descripción de casos de uso y escenarios ........................................................... 43 5.2.1.1 Casos de uso: Ingreso de antenas RF ............................................................... 43 5.2.1.2 Casos de uso: Ingreso de conectores RF .......................................................... 44 5.2.1.3 Casos de uso: Eliminar modelos de antenas ..................................................... 45 5.2.1.4 Casos de uso: Eliminar modelos de cables ........................................................ 45 5.2.1.5 Casos de uso: Eliminar tipos de conectores ...................................................... 46 5.2.1.6 Casos de uso: Ingreso de datos en el transmisor Tx........................................... 46 5.2.1.7 Casos de uso: Ingreso de datos en el receptor Rx .............................................. 48 5.2.1.8 Casos de uso: Ingreso de datos en modulo trayecto Tx-Rx ................................ 48 5.2.1.9 Casos de uso: Resultado enlace RF ................................................................... 49 5.3 Diseño ................................................................................................................... 50 5.4 Modelo de datos .................................................................................................... 55 5.4.1 Tablas ................................................................................................................ 56 CAPITULO 6 ............................................................................................................. 60 6 Pautas para el diseño de un enlace RF ...................................................................... 60 6.1 Pautas para el diseño de un enlace punto a punto ................................................... 60 CAPITULO 7 ............................................................................................................. 65 7 Diseño del enlace de RF ........................................................................................... 65 7.1 Diseño del enlace punto a punto ............................................................................ 65 7.1.1 Enlace 1: Dalcahue - Astillero ............................................................................ 66 7.1.1.1 Datos reales del enlace punto a punto entre dalcahue y astilleros ..................... 67 7.1.1.1.1 Parámetros reales del enlace punto a punto entre Dalcahue y Astillero .......... 67 7.1.1.1.2 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 68 7.1.1.1.3 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 68 7.1.1.2 Resultados obtenidos con el software SOP-RF ................................................ 68 7.1.1.2.1 Resultados simulación .................................................................................. 70 7.1.1.2.2 Parámetros del enlace RF ............................................................................. 70 7.1.1.2.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 70 7.1.1.2.4 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 71 7.1.1.3 Resultados obtenidos con el software Radio Mobile ....................................... 71 7.1.1.3.1 Resultados simulación .................................................................................. 72 7.1.1.3.2 Parámetros del enlace RF ............................................................................. 73 7.1.1.3.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 73 7.1.1.3.4 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 73 7.1.2 Enlace 2:Parga - Punotro ................................................................................... 73 7.1.2.1 Datos reales del enlace punto a punto entre Parga y Punotro ............................ 74 7.1.2.1.1 Parámetros reales del enlace punto a punto entre Parga y Punotro ................ 75 7.1.2.1.2 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 75 7.1.2.1.3 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 75 7.1.2.2 Resultados obtenidos con el software SOP-RF ................................................ 77 7.1.2.2.1 Resultados simulación ................................................................................. 78 7.1.2.2.2 Parámetros del enlace RF ............................................................................. 78 7.1.2.2.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 78 7.1.2.2.4 Equipo para el enlace RF .............................................................................. 78 7.1.2.3 Resultados obtenidos con la herramienta Radio mobile .................................... 79 7.1.2.3.1 Resultados simulación .................................................................................. 80 7.1.2.3.2 Parámetros de enlace .................................................................................... 81 7.1.2.3.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 81 7.1.2.3.4 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 81 7.1.3 Enlace 3: Coz Coz - Milahue ............................................................................. 82 7.1.3.1 Datos reales del enlace punto a punto entre Coz Coz - Milahue ....................... 82 7.1.3.1.1 Parámetros reales del enlace punto a punto entre Coz Coz - Milahue ........... 83 7.1.3.1.2 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 83 7.1.3.1.3 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 83 7.1.3.2 Resultados obtenidos con el software SOP-RF ................................................ 83 7.1.3.2.1 Resultados simulación .................................................................................. 85 7.1.3.2.2 Parámetros del enlace RF ............................................................................. 86 7.1.3.2.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 86 7.1.3.2.4 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 86 7.1.3.3 Resultados obtenidos con el software Radio Mobile ....................................... 87 7.1.3.3.1 Analisis de resultados ................................................................................... 88 7.1.3.3.2 Parámetros del enlace RF ............................................................................. 89 7.1.3.3.3 Coordenadas del lugar de la antena ............................................................... 89 7.1.3.3.4 Equipos para el enlace RF ............................................................................ 89 7.2 Analisis de resultados ............................................................................................ 89 7.2.1 Resultados enlace 1 ............................................................................................ 90 7.2.2 Resultados enlace 2 ............................................................................................ 91 7.2.3 Resultados enlace 3 ............................................................................................ 93 8 CONCLUSIONES ................................................................................................... 95 8.1 RECOMENDACIONES Y MEJORASs ................................................................ 96 9 Bibliografia .............................................................................................................. 97 ANEXOS .................................................................................................................. 100 Anexo A: Modelo simplificado de OFDM ................................................................ 100 Anexo B: Latitud ...................................................................................................... 106 Anexo C: Longitud .................................................................................................... 106 Anexo D: Azimut ....................................................................................................... 106 Anexo E: Dispositivos utilizados para el diseño de enlaces punto a punto ................. 107 II ÍNDICE DE FIGURAS Figura Página Figura Nº 1: Esquema de onda. ...................................................................................... 3 Figura Nº 2: Onda electromagnética ............................................................................... 4 Figura Nº 3: Rango de espectro electromagnético .......................................................... 5 Figura Nº 4: Leyes fundamentales de la reflexión. .......................................................... 8 Figura Nº 5: Rayo refractado que atraviesa tres medios diferentes. ................................. 9 Figura Nº 6: Difracción en la cima de una montaña ...................................................... 10 Figura Nº 7: Difracción de un prisma ........................................................................... 11 Figura Nº 8: Polarizacion de las ondas electromagnéticas ............................................ 12 Figura Nº 9: Elipsoide de Fresnel ................................................................................. 12 Figura Nº 10: Zona de Fresnel LOS ............................................................................. 13 Figura Nº 11: Arquitectrura modelo OSI/ISO ............................................................... 20 Figura Nº 12: Un enlace PTP permite a un lugar una conexión central a internet ........ 22 Figura Nº 13: Un enlace PTP permite a varios lugares conexión central a internet ...... 23 Figura Nº 14: Las nubes MTM permiten que cada punto pueda acceder a otro ............ 23 Figura Nº 15: Diagrama de bloques del enlace de microondas ...................................... 31 Figura Nº 16: Reflector parabolico ............................................................................... 34 Figura Nº 17: Altura de las antenas para librar el radio de curvatura de la tierra ........... 36 Figura Nº 18: Pantalla principal ................................................................................... 50 Figura Nº 19: Pantalla ingreso tipo y características de antenas .................................... 51 Figura Nº 20: Pantalla ingreso tipo de cables.. .............................................................. 51 Figura Nº 21: Pantalla ingreso tipo de conectores.. ....................................................... 51 Figura Nº 22: Pantalla eliminar modelos de antena.. ..................................................... 52 Figura Nº 23: Pantalla eliminar tipo de cable. ............................................................... 52 Figura Nº 24: Pantalla eliminar tipo de conector........................................................... 52 Figura Nº 25: Pantalla Ingreso de parámetros del transmisor del enlace. ....................... 53 Figura Nº 26: Pantalla Ingreso de parámetros del receptor del enlace. .......................... 53 Figura Nº 27: Pantalla Ingreso de parámetros de trayectoria del enlace......................... 54 Figura Nº 28: Pantalla Ingreso de coordenadas. ............................................................ 54 Figura Nº 29: Pantalla de resultados ............................................................................ 55 Figura Nº 30: Modelo relacional de SOP-RF ................................................................ 55 Figura Nº 31: Torre con antenas de microondas. .......................................................... 63 Figura Nº 32: Mapa del enlace Dalcahue-Astilleros obtenido con Google Earth. ......... 66 Figura Nº 33: Mapa del enlace Parga-Punotro obtenido con el SOP-RF ...................... 68 Figura Nº 34: Resultados de Tx de la simulación entre Dalcahue y Astilleros. ........... 69 Figura Nº 35: Resultados del receptor de la simulación entre Dalcahue y Astilleros ... 69 Figura Nº 36: Resultados del enlace entre Dalcahue y Astilleros. ................................ 69 Figura Nº 37: Mapa del enlace Dalcahue-Astilleros obtenido con Radio Mobile. ......... 71 Figura Nº 38:.Resultados de la simulación del enlace PTP entre Dalcahue y Astilleros 72 Figura Nº 39: Mapa del enlace Parga – Punotro obtenido con Google Earth. ................ 74 Figura Nº 40: Mapa del enlace Hacienda Parga – Punotro obtenido con SOP-RF. ........ 76 Figura Nº 41: Resultados del transmisor del enlace Hacienda Parga – Punotro. ............ 77 Figura Nº 42: Resultados del receptor del enlace Hacienda Parga – Punotro. ............... 77 Figura Nº 43: Resultados de la trayectoria del enlace Hacienda Parga – Punotro. ......... 77 Figura Nº 44: Mapa del enlace hacienda Parga-Punotro obtenido con Radio Mobile ... 79 Figura Nº 45: Resultados de la simulación del enlace Hacienda Parga – Punotro. ......... 80 Figura Nº 46: Mapa del enlace Coz Coz – Milahue obtenido con Google Earth. ........... 82 Figura Nº 47: Mapa del enlace Coz Coz – Milahue obtenido con SOP-RF. .................. 84 Figura Nº 48: Resultados de Tx de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue ......... 84 Figura Nº 49: Resultados de Rx de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. ........ 85 Figura Nº 50: Resultados de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. ................. 85 Figura Nº 51: Mapa del enlace Coz Coz– Milahue obtenido con Radio Mobile. .......... 87 Figura Nº 52: Resultados de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. ................... 88 Figura Nº 53: Grafica comparativa de resultados para el enlace 1. ................................ 91 Figura Nº 54: Grafica comparativa de resultados para el enlace 2. ................................ 93 Figura Nº 55: Grafica comparativa de resultados para el enlace 3. ................................ 94 Figura Nº 56:Técnica FDM (a) y técnica de modulación utilizando subport. (b) . ....... 100 Figura Nº 57: Señal OFDM de salida ......................................................................... 102 Figura Nº 58: Receptor OFDM................................................................................... 104 Figura Nº 59: Constelación 8 QAM y 16 QAM . ........................................................ 105 Figura Nº 60: Especificaciones técnicas dispositivo SkyGateway de SkyPilot. ........... 107 Figura Nº 61: Especificaciones técnicas dispositivo SkyConnector de SkyPilot. ......... 108 Figura Nº 62: Especificaciones técnicas dispositivo SkyExtender de SkyPilot. ........... 109 Figura Nº 63: Especificaciones técnicas dispositivo AN-50e de Redline..................... 110 III ÍNDICE DE TABLAS Tabla Página Tabla Nº 1: Bandas de radio y sus usos principales......................................................... 6 Tabla Nº 2: Ganancia en decibelios en función de la relación de potencia ................... 15 Tabla Nº 3: Estándares de WIFI .................................................................................. 26 Tabla Nº 4: Diferencias entre WIFI y WIMAX ............................................................ 28 Tabla Nº 5: Clasificación de los modelos de propagación. ............................................ 30 Tabla Nº 6: Diccionario de datos para tabla atributos .................................................. 56 Tabla Nº 7: Diccionario de datos para tabla detalle_antena ........................................... 56 Tabla Nº 8: Diccionario de datos para tabla cables ....................................................... 57 Tabla Nº 9: Diccionario de datos para tabla conector.................................................... 57 Tabla Nº 10: Diccionario de datos para tabla bw_banda ............................................... 57 Tabla Nº 11: Diccionario de datos para tablame frecuencias ........................................ 58 Tabla Nº 12: Diccionario de datos para tabla factor_clima ........................................... 58 Tabla Nº 13: Diccionario de datos para tabla factor_superficie ..................................... 58 Tabla Nº 14: Procedimiento para realizar un enlace de radiofrecuencia punto a punto .. 59 Tabla Nº 15: Ubicación y distancia de los enlaces ........................................................ 65 Tabla Nº 16: Modulación para antenas SkyGateway / SkyExtender / SkyConnector .. 67 Tabla Nº 17: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros ............................................ 67 Tabla Nº 18: Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros ............................................ 68 Tabla Nº 19: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros ..................................... 68 Tabla Nº 20: Análisis de potencia enlace Dalcahue – Astilleros ................................... 70 Tabla Nº 21: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros ............................................ 70 Tabla Nº 22: Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros ............................................ 70 Tabla Nº 23: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros ..................................... 71 Tabla Nº 24: Análisis de potencia enlace Dalcahue – Astilleros ................................... 72 Tabla Nº 25: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros ............................................ 73 Tabla Nº 26: Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros ............................................ 73 Tabla Nº 27: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros ..................................... 73 Tabla Nº 28: Modulación para antenas RedLine AN-50-e ........................................... 75 Tabla Nº 29: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro ..................................... 75 Tabla Nº 30: Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro...................................... 75 Tabla Nº 31: Especificación de equipos Hacienda Parga – Punotro .............................. 77 Tabla Nº 32: Análisis de potencia enlace Hacienda Parga – Punotro ............................ 78 Tabla Nº 33: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro ..................................... 78 Tabla Nº 34: Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro...................................... 78 Tabla Nº 35: Especificación de equipos Hacienda Parga – Punotro .............................. 78 Tabla Nº 36: Análisis de potencia enlace Hacienda Parga – Punotro ............................ 80 Tabla Nº 37: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro ..................................... 81 Tabla Nº 38: Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro...................................... 81 Tabla Nº 39: Especificación de equipos Hacienda Parga – Punotro .............................. 81 Tabla Nº 40: Parámetros del enlace Coz-Coz-Milahue ................................................. 83 Tabla Nº 41: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue ................................................ 83 Tabla Nº 42: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue ......................................... 83 Tabla Nº 43: Análisis de potencia enlace Coz Coz – Milahue ....................................... 85 Tabla Nº 44: Parámetros del enlace Coz Coz – Milahue ............................................... 86 Tabla Nº 45: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue ................................................ 86 Tabla Nº 46: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue ......................................... 86 Tabla Nº 47: Análisis de potencia enlace Coz Coz – Milahue ....................................... 88 Tabla Nº 48: Parámetros del enlace Coz Coz – Milahue ............................................... 89 Tabla Nº 49: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue ................................................ 89 Tabla Nº 50: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue ......................................... 89 RESUMEN En estos últimos años el desarrollo de investigaciones orientadas a las telecomunicaciones ha sido considerable, la gran mayoría de estas investigaciones apuntan a proveer un servicio inalámbrico a terminales móviles. En el diseño de enlaces, tanto para terminales móviles como fijos, es deseable obtener resultados cercanos a la realidad, para ello este proyecto de tesis se encargará de estandarizar y facilitar el diseño e implementación de enlaces inalámbricos fijos, generando un conjunto de pautas, las cuales explicarán en forma clara y detallada como crear un enlace RF. Dentro de los pasos a seguir para el desarrollo de este proyecto en el aspecto teórico, se encuentra un estudio y análisis de los fenómenos de propagación y de los modelos matemáticos a utilizar para la predicción de enlaces (Link Budget) y en el aspecto práctico, la creación de una aplicación prototipo, la cual, junto a herramientas de software basadas en cartografía, nos apoyarán en la validación del modelo matemático aplicado, contrastando sus resultados con las mediciones de enlaces reales. ABSTRACT Over the last years the development of research in telecommunications has been substantial, mostly of this research is orientated to supply wireless service to mobile devices. In link design for mobile and fixed devices it is desirable to get results close to reality, in order to achieve that this thesis project will take care of standardize and facilitate the design and implementation of fixed wireless links, generating a set of rules which will explain in a clear and detailed manner how to create a RF link. Within the steps to develop this project in the theoretic side, there is a study and analysis of the "Propagation Phenomenon" and the mathematical models used to predict links; and in the practical side, the creation of a prototype application, which, together with software tools based on cartography will support the validation of the applied mathematical model, comparing these results with measurements of an actual link. CAPITULO 1 1.1 INTRODUCCION Los enlaces de radiofrecuencia (RF) continúan desempeñando un papel preponderante y fundamental como uno de los sistemas más importantes de transmisión de voz y datos, independientemente de la capacidad, distancia, características y naturaleza de la información transmitida. El aumento en el número de empresas que actúan en el sector, así como la creciente demanda de capacidad de transmisión en todos los niveles (redes de acceso a los usuarios, troncales, etc.) han contribuido a la cada vez mayor utilización de radio enlaces. En un radio enlace la comunicación se produce a través de ondas electromagnéticas que son emitidas por una antena transmisora y recibidas por una o varias antenas receptoras, enlace punto a punto o enlace punto multipunto respectivamente. Los desafíos a la hora de diseñar e implementar un enlace inalámbrico no son menores. La señal recibida en los sistemas inalámbricos es afectada por las pérdidas de espacio libre, multitrayectorias y obstrucción de la señal entre transmisor y receptor. Un punto importante en la implementación de enlaces inalámbricos es el efecto que produce un obstáculo entre un transmisor y receptor. Cuando existe un obstáculo en el camino de las ondas electromagnéticas o cuando atraviesa capas de aire de densidades irregulares, la difracción permite que un pequeño porcentaje de las ondas lleguen del otro lado de la obstrucción. Esto se explica porque una pequeña parte de la energía de la onda se dispersa en muchas direcciones, lo que generalmente permite la recepción en zonas de "sombra de señal" detrás de montañas o grandes edificaciones. En el proceso de diseño de los enlaces se procura poder predecir su efecto. Los modelos conocidos en la literatura son aquellos basados en un estudio elaborado, aplicando modelos tales como propagación en espacio libre, modelo de dos rayos, obstrucción y la aplicación de las zonas de Fresnel, los cuales son muy buenos para la evaluación de enlaces fijos, pero que requieren de recursos de tiempo, conocimiento e infraestructura considerables. Otros modelos, que se aplican a comunicaciones móviles, permiten una predicción razonable con un grado de complejidad de cálculo que van de lo simple a lo 1 más complejo, y se basan en medidas experimentales o características físicas de los enlaces. Sin embargo, sus resultados son demasiado pesimistas cuando se aplican a enlaces fijos [COR05]. Es conveniente entonces considerar la posibilidad de plantear un modelo simple que vaya acompañado con una inspección visual del enlace para garantizar una determinada calidad con un error de predicción bajo. En el desarrollo de este proyecto de titulo se establecerán un conjunto de pautas que nos guiarán en el diseño e implementación de enlaces fijos punto a punto (PTP), complementando el software prototipo a diseñar e implementar basado en un modelo matemático a seleccionar con los análisis y evaluaciones realizadas a través de herramientas de software, a modo de ejemplo se utilizará la herramienta Radio Mobile, para posteriormente comparar con datos reales. 1.2 Objetivos. 1.2.1 Objetivos Generales Generar un conjunto de pautas que basadas en modelos matemáticos y herramientas de software, permitan implementar enlaces de radio frecuencia. 1.2.2 Objetivos Específicos Revisar conceptos relacionados con enlaces de radio frecuencia. Seleccionar y describir tecnologías inalámbricas para enlaces punto a punto. Identificar modelos matemáticos y herramientas de software que permitan evaluar enlaces inalámbricos. Seleccionar un modelo matemático que permita evaluar enlaces inalámbricos basados en enlaces reales disponibles para el proyecto. Implementar una aplicación prototipo que permita comparar y validar el análisis teórico de los enlaces inalámbricos para el modelo propuesto. Validar el modelo matemático aplicado, contrastando sus resultados con las mediciones de enlaces reales. . 2 CAPITULO 2 2 Marco de referencia del estudio. El objetivo de este capítulo es discutir y comprender en términos generales una serie de principios y conceptos fundamentales en la teoría de las ondas electromagnéticas, ya que se utilizarán en forma recurrente en el transcurso de este proyecto de titulo. En la sección 2.1 de este capítulo se hablará del espectro electromagnético, y la importancia que éste tiene, ya que permitirá definir la región de estudio de acuerdo a la frecuencia y longitud de onda para diferentes tipos de ondas electromagnéticas. En la sección 2.2 se tratarán algunos conceptos generales de propagación de la señal, como son los sistemas digitales, los ruidos e interferencias que se producen en la transmisión de la señal, la perdida en el espacio libre de la señal, donde se mencionarán los fenómenos que permiten que una señal o parte de ella llegue a su destino. En la sección 2.3 se describirá el concepto de polarización y su influencia en la atenuación de la señal en el espacio libre. En la sección 2.4 se hablará de Fresnel y su importancia a la hora de la existencia de obstáculos. En la sección 2.5 se dará a conocer la definición de energía. En la sección 2.6 se describirán distintos tipos de radio enlaces existentes, y se verá la forma de estimar un cálculo rápido de un radio enlace (“Link budget”). 2.1 Onda Electromagnética. La transmisión de datos entre un transmisor y un receptor siempre se realiza a través de un medio de transmisión. En un enlace inalámbrico, el cual se clasifica como medio no guiado, la comunicación se realiza por medio de ondas electromagnéticas, como se muestra en la figura Nº 1. Figura N°1: Esquema de onda. Fuente [BAR03]. 3 Una onda electromagnética se define como la variación en el espacio y tiempo del vector campo eléctrico variable E(x,t)) y campo magnético también variable (B(x,t)), estas variaciones son siempre ortogonales entre sí. Los dos campos obedecen a ecuaciones con idéntica velocidad de propagación. Como se observa en la figura Nº 2, son ondas transversales (la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación, dada por el vector ExB). Las componentes eléctricas y magnéticas de la onda están en fase y oscilan en la misma frecuencia. Figura Nº 2: Onda electromagnética. Fuente [TOR]. Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada longitud de onda. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones por unidad de tiempo y su unidad es por tanto el ciclo por segundo o el Hz (Hertzio). La longitud de onda ( ) es una distancia y por lo tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas, se usa el Nanómetro (Nm) que es la milmillonésima de metro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la onda electromagnética se puede propagar en el vacío, desplazándose a una velocidad aproximada de 300.000 km/s. 4 2.1.1 Espectro electromagnético Se denomina espectro electromagnético al espacio que permite la propagación de las ondas electromagnéticas. Como se puede observar en la figura Nº 3, el espectro electromagnético se extiende indefinidamente, es decir, no tiene una frecuencia mínima o máxima, más allá de los estrechos límites de sensibilidad del ojo humano. En orden creciente de frecuencias el espectro está compuesto por las ondas de radio, el infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Figura N° 3: Rango de espectro electromagnético. Fuente [BAR03] Como se puede observar en la tabla Nº 1, con la finalidad de establecer un orden, organismos internacionales establecieron una clasificación de bandas. 5 Tabla N° 1: Bandas de radio que nos interesan y sus usos principales. Dentro de las bandas de interés para los fines prácticos de este proyecto de titulo están las: Ultra High Frequency (UHF) y Súper High Frequency (SHF). 2.1.2 Ancho de banda. El ancho de banda es simplemente una medida de rango de frecuencia. Si un rango de 5400 MHz a 5480 MHz es usado por un dispositivo, entonces el ancho de banda sería de 80 MHz. 2.2 Conceptos de Propagación. 2.2.1 Sistemas Digitales. En un sistema de telecomunicaciones digitales existen tres etapas básicas: la primera corresponde a la conversión análoga a digital (A/D); es decir, el paso de una forma de onda análoga original compleja a una forma de onda digital fácilmente manipulable. La segunda es llamada usualmente la modulación; conversión de la señal digital lógica a una forma transmisible, pulsos de corriente eléctrica, ondas de luz u ondas de radio. La tercera es la transmisión y el tratamiento de la señal; manipulación de la señal para su recuperación, multiplexación, retransmisión, entre otros. 6 2.2.2 Ruido e interferencias. En los radio enlaces el ruido y la interferencia afectan la transmisión de la señal; el ruido es considerado como el resultado de los procesos aleatorios que producen energía de radiofrecuencia, como por ejemplo, el encendido de un auto, el ruido térmico de un receptor, entre otros. La relación entre el nivel de la señal y el nivel de ruido se le denomina SNR (“Signal Noise Radio”). Por su lado la interferencia es una forma de degradación de la señal producida por otras emisiones de radio. Existen dos tipos de interferencia: la primera ocurre cuando la energía de una portadora está presente en un canal adyacente, y la segunda cuando dos transmisores en la misma frecuencia de portadora llegan a un receptor. 2.2.3 Perdidas en el espacio En la propagación de ondas de radio, la predicción de las pérdidas del enlace determina la calidad de la transmisión. Una predicción será diseñada para asegurar que una señal de nivel suficiente sobrevivirá al proceso de transmisión y alcanzará un SNR o un BER requerido y aceptable para la operación del sistema. La predicción del enlace es medida en términos de decibeles (dB). A lo largo de su trayectoria, la señal estará expuesta a una serie de obstáculos que pueden impedir que alcance su receptor probable, una falla del enlace de radio durante algunos mili-segundos puede producir una degradación notable del canal de comunicaciones. Estos obstáculos son de tres tipos principalmente: 2.2.3.1 Perdidas en el espacio libre. Se denomina perdida en el espacio libre a la atenuación de la señal transmitida que en esta se produce, esto se debe a que a medida que la señal se aleja de la antena transmisora, la señal va ocupando un área cada vez mayor. 7 En cualquier tipo de comunicación inalámbrica la señal se dispersa con la distancia. Por lo tanto, una antena dada a medida que más alejada se encuentre de la antena transmisora, esta recibirá menos potencia. De acuerdo con el ITU-R (antes CCIR) Rc.525 y Rc.341 el valor de la atenuación por espacio libre se expresa como: [ARE00]. (1) Donde f es frecuencia en MHz, d es distancia en Km y Ao es atenuación en dB. Es importante decir que al propagarse la onda electromagnética, esta puede pasar por medios de distinta densidad, produciéndose distintos fenómenos tales como son la reflexión, refracción, difracción, dispersión y la absorción, todos fenómenos que tienden, según sea el caso, a la atenuación de la energía del transmisor. 2.2.3.2 Reflexión. La reflexión se refiere al choque de la onda electromagnética con una superficie, la cual es reflejada en dirección opuesta al segundo medio como se muestra en la figura Nº 4, donde el frente de la onda incidente choca con el segundo medio con un ángulo de incidencia i. La onda o rayo se refleja con un ángulo de reflexión r, como una nueva onda que se propaga en el medio en el cual la onda original o rayo incidente se estaba propagando [STA07]. Las principales fuentes de reflexión son el metal y el agua. Figura N° 4: Leyes fundamentales de la reflexión. Un ángulo de incidencia es siempre igual a un ángulo de reflexión. Fuente [STA07]. 8 2.2.3.3 Refracción. Las ondas de radio están expuestas a sufrir una desviación cuando atraviesan de un medio a otro con distinta densidad y velocidad de propagación. La velocidad de a la que se propaga una onda electromagnética es inversamente proporcional a la densidad del medio en el que lo hace, por consiguiente hay refracción cada vez que una onda de radio pasa de un medio a otro con distinta densidad [TOM03]. En la figura N° 5 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios tipos distintos de superficies. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado. Figura N° 5: Rayo refractado que atraviesa tres medios diferentes. Fuente [TOM03]. El grado de flexión o refracción que hay en la interface entre dos materiales de distintas densidades es bastante predecible, y depende del índice de refracción de cada material. El índice de refracción no es más que la relación de la velocidad de propagación de la luz en el tiempo vacio entre la velocidad de propagación de la luz en determinado material, es decir: [TOM03] (2) Donde IR es el índice de refractividad, Vp es la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre (adimensional) y Vm es la velocidad de propagación de la luz en determinado material. 9 2.2.3.4 Difracción. Las ondas de radio están expuestas a sufrir un esparcimiento en los límites de la superficie. Esto quiere decir, que para que exista difracción tiene que haber un obstáculo, así es como este fenómeno permite que parte de la señal llegue al otro lado del obstáculo. La difracción es el comportamiento de las ondas que al incidir en una superficie dan la impresión de doblarse [FLI06]. La difracción es de gran utilidad para las zonas de sombras de señal que pueden ser producidas por grandes edificios y montañas (Ver figura Nº 6). Figura Nº 6: Difracción en la cima de una montaña. Fuente [FLI06]. Hay que tener en cuenta que en la difracción se genera una pérdida de potencia. La potencia de la onda difractada es significativamente menor que el frente de onda que la provoca. Pero en algunas situaciones muy especificas, se puede ocupar el efecto de difracción para rodear obstáculos. 2.2.3.5 Dispersión. El efecto de dispersión ocurre cuando las ondas de radio atraviesan alguna masa de electrones o pequeñas gotas de agua en áreas suficientemente grandes (Ver figura Nº 7). En comunicaciones de radio es importante mencionar que la dispersión de la señal generada por lluvia depende de la comparación del tamaño de la longitud de onda de la señal y el diámetro de la gota de lluvia. Si el diámetro de la gota de lluvia es menor a la 10 longitud onda la atenuación será pequeña, pero ésta se acrecentará si el diámetro de la gota de lluvia supera a la longitud de onda de la señal [RAM]. Figura Nº 7: Difracción en un prisma. Fuente [RAM]. 2.2.3.6 Absorción. Las ondas de radio en sus recorridos por el aire pierden parte de su energía, es que el aire no es vacío, sino está formado por moléculas de distintas substancias, liquidas, gaseosas y sólidas. Estos materiales pueden absorber las ondas electromagnéticas causando pérdidas por absorción, ya que al excitar a los electrones, parte de la energía se pierde o disipa en forma de calor y solo una parte es irradiada. Una vez absorbida, la energía se pierde para siempre, lo que provoca una atenuación de las intensidades de voltaje y campo magnético al igual que una reducción correspondiente en la densidad de potencia [TOM03]. Para las ondas microondas los materiales más absorbentes son el metal y el agua. Cuando hablamos de agua nos referimos a lluvia, vapor, niebla, nubes bajas, todas ellas se van a estar en el camino de los radioenlaces y van a ser causa de pérdida de energía. 2.3 Polarización. Otra característica de las ondas electromagnéticas es su polarización, que está determinada por las líneas de fuerza del campo eléctrico. Se dice que una onda está polarizada verticalmente cuando estas líneas tienen dirección vertical, y cuando son perpendiculares a ella tiene polarización horizontal; en variados casos y particularmente con las ondas de VHF, UHF y SHF sucede que la polarización no sigue siempre el mismo plano, pudiendo variar su sentido cuando a lo largo de su desplazamiento se producen reflexiones intencionadas o casuales. 11 En la figura Nº 8, la onda electromagnética (en rojo), polarizada linealmente oscila en un plano dado (en rosa). Cuando alcanza a un electrón (esfera naranja) la onda imprime un movimiento oscilatorio que provoca la emisión de la onda difundida (en verde). Esta se concentra esencialmente en el plano perpendicular al movimiento del electrón (plano verde) y está polarizada como la onda incidente [SAN]. Figura Nº 8: Polarización de ondas electromagnéticas. Fuente [SAN]. 2.4 Fresnel. De acuerdo con el principio de Huygen, cada elemento del frente de onda produce un frente de onda secundario, teniendo en la antena receptora infinidad de frentes de onda incidiendo los cuales se suman o resta de acuerdo a su fase relativa (función de la diferencia de caminos recorridos). El efecto queda determinado por una familia de elipsoides alrededor del rayo directo denominadas elipsoides de Fresnel, (Ver figura Nº 9) [MAZ]. Figura Nº 9: Elipsoide de Fresnel. Fuente [MON]. El radio de la primera zona de Fresnel se puede calcular como: 12 (3) La teoría de zona de Fresnel simplemente se preocupa de la línea desde un Tx (transmisor) a un Rx (receptor) y al espacio alrededor de esa línea que tiene como destino el Rx. Algunas ondas viajan directamente desde Tx hasta Rx, mientras otras lo hacen en trayectorias indirectas. Consecuentemente, su trayecto es más largo, introduciendo un desplazamiento de fase entre los rayos directos e indirectos. Siempre que el desplazamiento de fase es de una longitud de onda completa, se obtiene una interferencia constructiva: las señales se suman óptimamente. Tomando este enfoque y haciendo cálculos, nos encontramos con que hay zonas anulares alrededor de la línea directa de Tx a Rx que contribuyen a que la señal llegue. Hay que tener en cuenta que existen muchas zonas de Fresnel, pero solo nos interesa la zona uno. Si ésta fuera bloqueada por ejemplo un edificio o una montaña, (Ver figura Nº 10), la señal que llegue al destino, en este caso Rx, será atenuada. Entonces cuando se planean los enlaces hay que preocuparse o cerciorarse que la zona uno de Fresnel esté libre de obstáculos. En la práctica se trabaja hasta con un 60 % de la zona de Fresnel despejada. Figura Nº 10: Zona de Fresnel LOS. Fuente [SAN]. La primera zona de Fresnel puede ser calculada como: 13 (4) Donde r es el radio de la zona 1 en metros, d1 y d2 son las distancias desde el obstáculo a los extremos del enlace en metros, y f es la frecuencia en MHz. Esta fórmula solo calcula el radio de la zona uno, para calcular la altura sobre el terreno, debe sustraerse este resultado de una línea trazada directamente entre la cima de las dos torres 2.5 Energía. Como mencionamos en la sección 2.1 cualquier onda electromagnética contiene energía, o potencia. La potencia P es de una importancia clave para lograr que los enlaces inalámbricos funcionen: se necesita cierto mínimo de potencia para que la señal llegue al receptor y este le dé sentido. 2.5.1 Potencia. El campo eléctrico se mide en V/m (diferencia de potencial por metro), la potencia contenida en él es proporcional al campo eléctrico al cuadrado ( ). En la práctica, medimos la potencia por medio de algún tipo de receptor, por ejemplo, una antena y un voltímetro, un medidor de potencia, un osciloscopio, o inclusive una tarjeta inalámbrica y un computador portátil. La potencia es proporcional al cuadrado del voltaje de la señal. 2.5.2 Decibeles. El decibelio es una unidad que sirve para la comparación de niveles de potencia o tensión en acústica y electricidad. La sensación de nuestros oídos debida a las ondas sonoras es aproximadamente proporcional al logaritmo de la energía de la onda sonora y 14 no es proporcional a la magnitud de dicha energía. Por esta razón, se emplea una unidad logarítmica para aproximarse a la respuesta del oído. El decibelio representa una relación de dos niveles de potencia que suelen referirse a las ganancias o pérdidas debidas a un amplificador o a otro dispositivo [LIM05]. El decibelio se define por: (5) Donde P0 es la potencia de salida, PI la potencia de entrada y Ndb el número de decibelios. Cuando Ndb es positivo hay una ganancia, de lo contrario hay una pérdida. A continuación se tiene una tabla de conversión de relaciones de potencia en decibelios o viceversa. Tabla Nº 2: Ganancia en decibelios en función de la relación de potencia [LIM05]. Db 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Relación de Potencia 1.00 1.26 1.58 2.00 2.51 3.16 3.98 5.01 6.31 Db 9 10 20 30 40 50 60 70 80 Relación de Potencia 7.94 10.00 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 2.6 Radio Enlaces. Se denomina radio enlace a la comunicación entre estaciones emisoras y receptoras mediante la propagación de ondas electromagnéticas a través del aire. Dependiendo de las frecuencias hay tres tipos de radio enlaces: 15 Sistemas de onda corta: Utilizan frecuencias inferiores a 30 MHz longitud de onda oscila y su entre 10 m y 100 m. Las ondas cortas se ocupan principalmente para comunicaciones internacionales, radiodifusión a grandes distancias y comunicaciones del servicio aeronáutico y marino. Se utilizan poco en transmisión porque son vulnerables a las condiciones atmosféricas. Microondas: Utilizan frecuencias entre 1 y 40 GHz con longitudes de ondas desde 30 cm permitiendo muchos canales y a gran velocidad. El inconveniente es que las antenas emisoras y receptoras deben estar en comunicación directa, sin obstáculos intermedios. Satélite: Son una modificación de los sistemas de microondas, que utilizan frecuencias similares pero con un satélite como repetidor. 2.6.1 Cálculo simplificado de un radio enlace. Una forma rápida de verificar si un radio enlace funcionará correctamente es mediante el cálculo teórico del balance de potencias, por lo tanto está sujeto a variaciones provocadas por múltiples factores, tales como: ángulo de apuntamiento de las antenas, ruido industrial (hornos a microondas), pérdidas atmosféricas (lluvia, humedad del aire), antena mal orientada, refracciones, reflexiones, dispersiones, etc. Por lo tanto es necesario tomar un suficiente margen de seguridad (5-6 dB o más en distancias grandes). Así pues, se puede utilizar durante la fase inicial de diseño del radio enlace, pero en cualquier caso habrá que realizar las oportunas comprobaciones, medidas y ajustes durante la posterior fase de instalación para asegurar el buen funcionamiento del sistema Tanto para enlaces punto a punto como para redes punto-multipunto. En ambas situaciones se deberá llevar a cabo un balance del enlace, utilizando para ello la siguiente expresión: (6) Donde PR(dBm) será la potencia recibida, PT(dBm) será la potencia del transmisor, LTT(dB) serán las pérdidas totales en los terminales del transmisor, GT(dBi) será la ganancia de la antena transmisora, Lb(dB) serán las pérdidas básicas de propagación, 16 GR(dBi) será la ganancia de la antena receptora, LINT(dB) serán las pérdidas por penetración en interiores y LTR(dB) las pérdidas totales en los terminales del receptor. Potencia transmitida: La potencia del transmisor se expresa habitualmente en unidades lineales (mW, W) o logarítmicas (dBm, dBW). Para la conversión entre magnitudes lineales y logarítmicas se utiliza la siguiente fórmula: (7) Ganancias de las antenas transmisora y receptora: La ganancia de la antena se proporciona habitualmente en dB isotópicos (dBi), es decir, la ganancia de potencia con respecto a un modelo teórico de antena isotrópica que radia la misma energía en todas las direcciones del espacio. En este caso, se tiene la siguiente fórmula de conversión [RAM]. (8) Pérdidas básicas de propagación en espacio libre: Se trata de las pérdidas de propagación que sufre la señal radioeléctrica en condiciones de espacio libre: sin ningún obstáculo en el camino, es decir, visión directa entre las antenas. En esta magnitud no suelen incluirse otras pérdidas adicionales debidas a lluvia, absorción atmosférica, etc. Estas pérdidas están relacionadas directamente con la distancia del radio enlace y la frecuencia de funcionamiento mediante la siguiente expresión [RAM]. (9) 17 CAPITULO 3 3 Tecnología inalámbrica de última generación El objetivo de este capítulo es ver a nivel de que capa del modelo OSI/ISO se está enfocando este estudio de proyecto de titulo, como también los tipos de redes inalámbricas existentes y la descripción de las tecnologías inalámbricas a emplear en el transcurso de la misma. En la sección 3.1 se verá una descripción del modelo OSI/ISO y su arquitectura, lo cual nos entregará datos relacionados con el nivel de capas que se emplearán a lo largo de este proyecto de titulo. En la sección 3.2 se describirán los tipos de redes inalámbricas y sus características generales, lo que dará una idea del tipo de redes utilizar para las pruebas teóricas de enlaces inalámbricos. En la sección 3.3 se describirá tecnologías inalámbricas a utilizar, con la cuales se harán pruebas teóricas. Estas tecnologías están basadas en los estándar 802.11 (WIFI) y 802.16 (WIMAX) con sus respectivas versiones liderados por la IEEE. 3.1 Modelo OSI/ISO Al disponer de distintos fabricantes para el desarrollo de una misma tecnología existió la necesidad de crear un lenguaje común de comunicación que pudiera solucionar esta incompatibilidad existente entre los equipos creados por distintas empresas. El modelo OSI desarrollado por la ISO, sirve como marco de referencia para reducir la complejidad implícita en el estudio y diseño de las redes. El proceso de comunicación se describe como una jerarquía de siete capas o niveles. Las cuales tienen como propósito brindar servicios de red a la capa superior, utilizando los servicios que le brinda la capa inferior. El modelo OSI comprende 7 capas, estas capas son: 18 Capa 1. Capa Física. Esta capa se encarga de establecer los niveles de intensidad eléctrica y la señalización, transmitiendo una codificación binaria (0´s y 1´s) por el medio físico de transmisión (por medio físico se entiende medio alámbrico e inalámbrico). Es sobre ésta capa por la cual se comunican todas las capas superiores, utilizando como medios guiados los enlaces de cables de cobre como los cables coaxial y telefónico, fibra óptica y como medios no guiados rayos infrarrojos, láser, radio frecuencias y microondas. Se encarga de transformar una trama de datos enviadas por la capa de enlace en una señal adecuada al medio físico, como impulsos eléctricos, electromagnéticos, ópticos u otros dependiendo del medio. Y en forma inversa transforma la señal transmitida en tramas de datos binarios que serán entregados a la capa de enlace. Capa 2. Capa de Enlace. Esta capa se encarga de controlar el flujo de los bits entre el sistema y aquello que se encuentra al final del modelo (proceso del usuario). Esto quiere decir que se encarga de colocar los mensajes y proveer seguridad de que los mensajes hayan sido recibidos o detectar cuando éstos se han perdido. Capa 3. Capa de Red. Esta capa proporciona los medios para establecer, mantener y concluir el traspaso de la información al usuario final, y a la vez, decide cual es la ruta que los datos deberán de seguir, basada en las condiciones de la red, prioridad de servicio y otros factores. Capa 4. Capa de Transporte. Esta capa se encarga de aceptar la información enviada por la capas superiores, dividirlas si es necesarias y pasarla a la capa de red. En esta capa se asegura que los datos (que se encuentran dentro del paquete) lleguen correctamente al otro lado de la comunicación. La definición de los servicios de la capa de transporte incluye aspectos tales como el establecimiento de la conexión entre dos puntos terminales y la negociación de parámetros durante el establecimiento de la conexión. 19 Capa 5. Capa de Sesión. Esta capa se encarga controlar la sesión a establecer entre el emisor y el receptor, evitar que dos comunicaciones a la misma operación critica se produzcan al mismo tiempo, mantener puntos de verificación, esto quiere decir, que ante una interrupción de la transmisión por cualquier causa, la misma se pueda reanudar desde el último punto de verificación y no desde el principio. Capa 6. Capa de Presentación. Esta capa se encarga de la representación de la información, de manera que aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones internas de caracteres (ASQII, UNICODE), números, sonido o imágenes, los datos lleguen de manera reconocible, es decir, realiza las conversiones de formato mediante las cuales se logra la comunicación de dispositivos. Capa 7. Capa de Aplicación. Esta capa se encarga de ofrecer a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos, como correo electrónico (POP, SMTP) gestores de bases de datos y servidor de ficheros (FTP). Hay tantos protocolos como aplicaciones distintas y puesto que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones el número de protocolos crece sin parar. En la figura Nº 11, se muestra la arquitectura del modelo OSI/ISO. Figura Nº 11: Arquitectura modelo ISO/OSI. Fuente [SAN]. 20 El transcurso de este proyecto de titulo se centrará en las dos primeras capas del modelo OSI/ISO, es decir, la capa física y de enlace. 3.2 Tipo de redes inalámbricas. De acuerdo a las distancias requeridas para la transmisión de datos, las redes inalámbricas al igual que las redes por cable, se pueden clasificar en diferentes tipos: 3.2.1 Redes de área extensa inalámbricas (WWAN). Las tecnologías WWAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas a través de redes remotas públicas o privadas. Estas conexiones pueden mantenerse a través de áreas geográficas extensas, como ciudades o países, mediante el uso de antenas en varias ubicaciones o sistemas satélite que mantienen los proveedores de servicios inalámbricos. Las WWAN están diseñadas para efectuar lo siguiente: Operar entre áreas geográficas extensas y distantes Posibilitar la capacidad de comunicación entre usuarios en tiempo real. Brindar recursos remotos de tiempo completo, conectados a los servicios locales. Brindar servicios de correo electrónico, Wild Wide Web, transferencia de archivos y comercio electrónico [ASE06]. 3.2.2 Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN). Las tecnologías WMAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas entre varias ubicaciones dentro de un área metropolitana (por ejemplo, entre varios edificios de oficinas de una ciudad o en un campus universitario), sin el alto coste que supone la instalación de cables de fibra o cobre y el alquiler de las líneas. Además, 21 WMAN utiliza ondas de radio o luz infrarroja para transmitir los datos [LUN01]. Una WLAN generalmente consta de una o más WLAN dentro de un área común. 3.2.3 Redes de área local inalámbricas (WLAN). Es un sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible, muy utilizada como alternativa de las redes LAN cableadas o como extensión de estas. Utiliza tecnología de radiofrecuencia que permite mayor movilidad a los usuarios al minimizar las conexiones cableadas. Las WLAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas dentro de un área local (por ejemplo, edificio, restaurantes, aeropuertos, etc.). Para las redes WWAN y WMAN existen 3 topologías: Topología Punto a Punto. Los enlaces punto a punto generalmente se utilizan para conectarse a internet donde dicho acceso no está disponible de otra forma. Uno de los enlaces estará conectado a un distribuidor de internet, mientras que el otro utiliza el enlace para conectarse al mismo. Pero no solo para internet sirve la creación de un enlace punto a punto, también puede ser para recolectar datos en tiempo real desde uno de los enlaces. Las redes inalámbricas pueden proveer grandes anchos de banda, pudiendo transmitir datos a altas velocidades (incluyendo audio, video) entre dos puntos, aún en ausencia de internet (Ver figura Nº 13). Figura Nº 12. Un enlace punto a punto le permite a un lugar remoto compartir una conexión central a Internet. Fuente [SAN] Topología Punto a Multipunto. Esta topología consiste en la comunicación de varios nodos con un nodo central. Estos enlaces generalmente se utilizan para proveer internet a varios receptores. 22 Como ejemplo se mencionará la creación de una red punto a multipunto en una universidad, donde supongamos que el edificio alejado en la cima de una colina está conectado con el campus central con un enlace punto a punto. En lugar de colocar varios enlaces punto a punto para conexión a Internet, se puede utilizar una antena que sea visible desde varios edificios alejados. Este es un ejemplo clásico de conexión de área extendida punto a multipunto (Ver figura Nº 14). Figura Nº 13: Un enlace punto a multipunto permite a varios lugares remotos compartir una conexión central a Internet. Fuente [SAN]. Topología multipunto a multipunto (mallada o mesh). En esta topología o también denominada red ad-hoc o en malla (“mesh”) no hay una autoridad central. Cada nodo de la red transporta el tráfico de tantos otros como sea necesario, y todos los nodos se comunican directamente entre sí (Ver figura Nº 14). Figura Nº 14: Las nubes multipunto a multipunto permiten que cada punto pueda acceder a otro. Fuente [SAN]. 23 Una de las ventajas de esta topología es que aún si ninguno de los nodos es alcanzable desde el punto de acceso central, igual pueden comunicarse entre sí. Si uno de los nodos en la “nube” tiene acceso a Internet, esa conexión puede ser compartida por todos los clientes. Dos grandes desventajas de esta topología son el aumento de la complejidad y la disminución del rendimiento. La seguridad de esta red también es un tema importante, ya que todos los participantes pueden potencialmente transportar el tráfico de los demás. La resolución de los problemas de las redes multipunto a multipunto tiende a ser complicada, debido al gran número de variables que cambian al moverse los nodos. Las nubes multipunto a multipunto generalmente no tienen la misma capacidad que las redes punto a punto o las redes punto a multipunto, debido a la sobrecarga adicional de administrar el enrutamiento de la red, y al uso más intensivo del espectro de radio. 3.3 WIFI. La Alianza WIFI es una organización sin fines de lucro formada en 1999 con el objetivo de certificar la inter-operabilidad y compatibilidad de los productos WLAN que operan según el estándar IEEE 802.11. En la actualidad la alianza. WIFI tiene 193 miembros que representan empresas de todas partes del mundo [LIM05]. Una red WIFI puede usarse para conectar computadoras u otros tipos de dispositivos de computación (Ej. PDAs) entre sí, al Internet y otras redes cableadas. Las redes WIFI funcionan en las bandas de radio 2.4 GHz y 5 GHz (dos bandas) sin requerir licencias para el uso del espectro [BAR03]. El estándar 802.11 ofrece la posibilidad de conectarse sin cables a velocidades que van desde 1 Mbps hasta más de 50 Mbps. Esta tecnología extiende la interconexión de las redes actuales cableadas (o también llamadas Ethernet), evitando el uso de cables adicionales mediante la transmisión de ondas de radio por el espacio. Los gobiernos imponen reglas muy claras para su uso, legislando la potencia máxima transmitida permitida en cada una de las bandas, tipo de uso, el uso de antenas y amplificadores externos, etc. La asignación de estas bandas sin licencias en los Estados Unidos (y en la mayoría de los países de América Latina) se detalla a continuación: [BAR03] 24 802.11a. Este estándar utiliza el mismo juego de protocolos de base que el estándar original, opera en la banda ISM entre 5,725 y 5,850 GHz y en una porción de la UNII entre 5,15 y 5,135 GHz. Este estándar utiliza 52 subportadoras OFDM con una velocidad teórica máxima de 54 Mbit/s, lo cual lo hace un estándar práctico para redes inalámbricas con velocidades reales de aproximadamente 20 Mbit/s. El estándar 802.11a tiene 12 canales no solapados, 8 para red inalámbrica y 4 para conexiones punto a punto. No puede inter-operar con equipos del estándar 802.11b, excepto si se dispone de equipos que implementen ambos estándares. Dado que la banda de 2.4 GHz tiene gran uso (pues es la misma banda usada por los teléfonos inalámbricos y los hornos de microondas, entre otros aparatos), el utilizar la banda de 5 GHz representa una ventaja del estándar 802.11a, dado que se presentan menos interferencias. Sin embargo, la utilización de esta banda también tiene sus desventajas, dado que restringe el uso de los equipos 802.11a a únicamente puntos en línea de vista, con lo que se hace necesario la instalación de un mayor número de puntos de acceso; Esto significa también que los equipos que trabajan con este estándar no pueden penetrar tan lejos como los del estándar 802.11b dado que sus ondas son más fácilmente absorbidas. 802.11b. Utiliza una modulación llamada espectro expandido por secuencia directa (DSSS) en una porción de la banda ISM desde 2400 a 2484 MHZ. Tiene una taza de transmisión máxima 11Mbps, con una velocidad real de datos utilizables mayor a 5 Mbps 802.11g. Utiliza una modulación llamada Multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) utilizando el mismo rango ISM que 802.11b. Tiene una taza de transmisión8 máxima 54Mbps, con un rendimiento real mayor a 25 Mbps y mantiene compatibilidad con el estándar 802.11b gracias al soporte de las velocidades inferiores. En la tabla Nº 3 se muestra las diferencias entre los estándares de WIFI. 25 Tabla N°3: Estándares de WIFI. Fuente [CAT]. 3.4 WIMAX. WIMAX que significa interoperabilidad mundial para acceso por microondas es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que emergieron de la familia de estándares WirelessMAN (Red de Área Metropolitana Inalámbrica) IEEE 802.16. Si bien el término WIMAX sólo tiene algunos años, el estándar 802.16 ha existido desde fines de la década de 1990, primero con la adopción del estándar 802.16 y luego con el 802.16a en enero de 2003 [REU]. WIMAX tanto en condiciones de visión directa (LOS) como en presencia de obstáculos (NLOS), al hacer uso de las bandas entre 2 y 11 GHz consigue tener un funcionamiento óptimo, y además es capaz de conseguir velocidades de hasta 70 Mbps y alcances de hasta 50 km, gracias a la utilización de capas físicas basadas en OFDM, tamaños de canal flexibles dependientes de la banda de funcionamiento, modulación adaptativa con esquemas BPSK, QPSK, 16QAM y 64QAM y duplexión tanto en tiempo como en frecuencia. WIMAX está diseñado para ser un sistema interoperable y transparente entre dispositivos de distintos fabricantes, por lo que un cliente se puede conectar a cualquier red WIMAX independiente del fabricante de su equipo personal. Con esto se reducen los riesgos de implementación, y se crea economía de escala para los dispositivos y equipos WIMAX. 26 WIMAX engloba cuatro versiones del estándar IEEE 802.16, cada una de ellas con sus propias características y campo de aplicación: 802.16. Aplicación a conexiones punto-multipunto, con antenas direccionales y sin movilidad. Las antenas permanecen fijas. Esta versión del estándar se ha diseñado para bandas entre 10 y 60 GHz para proporcionar velocidades de transmisión de hasta 134 Mbps. Para este estándar la línea de vista era necesaria, y el multidireccionamiento utilizaba técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM). Así se soportan canales con un ancho de banda mayor a 10 MHz. Este primer estándar consideró la prestación del servicio con las autorizaciones correspondientes (licencias), aunque se utilice un espectro libre de licencia [SAN07]. 802.16a. Aplicación a conexiones inalámbricas en la banda de 2 a 11 GHz, utilizando rangos de frecuencia tanto licenciados como no licenciados, que permiten transmitir sobre ella a velocidades teóricas de hasta 75 Mbps. Además incorpora la capacidad de servicio (QoS). En estas frecuencias es posible trabajar en entornos LOS, por lo que se puede utilizar antenas no direccionales, en ocasiones de interior y auto instalables. Este estándar es para conexiones fijas de última milla punto a punto y punto multipunto [SAN07]. 802.16d. Teóricamente podría transmitir hasta para un rango de 70 Mbps en condiciones reales, aunque el rendimiento real podría ser superior a 40 Mbps. Este estándar opera en el rango de frecuencias de 3.5GHz y 5.8GHz. En el entorno LOS, opera en un rango de frecuencia de 10-66GHz, mientras que en el caso de NLOS requiere un rango inferior a 11GHz y se puede utilizar tanto una estación fija de exterior como de interior. Utiliza tecnología OFDM y soporta entornos LOS y NLOS tanto de entornos fijos como móviles [SAN07]. 27 802.16e. Utiliza tecnología acceso de multiplexación por división de frecuencia ortogonal escalable (SOFDMA) asignando diferentes sub-canales a los diferentes abonados y es capaz de conmutar y moverse de una zona de cobertura a otra (“roaming”). Este estándar opera en el rango de frecuencias de 2GHz y 6GHz permitiendo transmitir sobre ella a velocidades de hasta 15 Mbps. En condiciones NLOS requiere de un rango frecuencias inferiores a 6GHz. Los operadores que utilizan el 802.16e para realizar “networking” podrán brindar servicios fijos y móviles así como también servicios tanto para laptops como para teléfonos móviles. [SAN07] En la tabla Nº 4 se puede apreciar algunas de las diferencias más importantes entre las tecnologías WIFI y WIMAX. Tabla Nº 4: Diferencias entre WIFI y WIMAX. [VAS06] 28 CAPITULO 4 El objetivo de este capítulo es lograr seleccionar uno o más modelos de propagación de ondas de radio, para así poder predecir la factibilidad en los enlaces de radio frecuencia. Para ello en la sección 4.1 se analizarán y describirán algunos modelos matemáticos en espacios abiertos enfocados a áreas urbanas y áreas rurales. 4 Modelos de Propagación de ondas electromagnéticas en espacios abiertos. En el análisis y diseño de enlaces de comunicaciones por microondas es necesario hacer un estudio sobre las condiciones de la trayectoria del enlace, que involucran la distancia entre las antenas, condiciones climatológicas, rugosidad de la superficie, perfil topográfico, vegetación. En base a estas variables se debe considerar un margen de desvanecimiento para garantizar la disponibilidad del enlace. También es necesario considerar la atenuación que presenta la señal al propagarse por la línea de transmisión del equipo Tx y Rx hacia las antenas, así como las pérdidas por propagación en el espacio libre y por diversidad, entre otras. También se tiene que definir el tipo de antena, así como su eficiencia y ganancia. Debido a lo mencionado anteriormente a lo largo de la historia los científicos han propuestos varios modelos, los cuales apuntan a predecir la potencia de la señal en un punto específico de recepción dentro de un área, pero estos métodos varían en su enfoque, complejidad y precisión. En su mayoría estos están basados en la interpretación de mediciones en diversos tipos de área de servicio La siguiente tabla proporciona, de forma no exhaustiva, una posible clasificación de algunos de los modelos de propagación existentes en función de su ámbito de aplicación (rural/urbano). [SAN07] 29 Tabla Nº 5: Clasificación de los modelos de propagación. [SAN07] 4.1 Modelo de propagación para el espacio libre. Este modelo es utilizado cuando entre el emisor y el receptor no se interpone obstáculo alguno. El modelo de propagación en espacio libre describe y predice la caída de potencia recibida por el receptor como función de la distancia de separación entre el transmisor y el receptor elevada a alguna potencia [COR03]. Se tiene: (10) Donde Gs es la ganancia del sistema [dB], Pt es la potencia de transmisión [dBm] y C min es el umbral del receptor [dBm] De la ecuación (10) se puede determinar que la ganancia del sistema deberá ser mayor o igual que todas las pérdidas involucradas en el enlace menos las ganancias de las antenas, es decir: (11) La figura Nº 15 muestra el diagrama a bloques del enlace de microondas indicando las principales variables que se involucran en el sistema de comunicación. 30 Figura Nº 15: Diagrama de bloques del enlace de microondas. [TOM03] Ganancias. Gt es la ganancia de la antena Tx [dB]. Gr es la ganancia de la antena Rx [dB]. Pérdidas. Lp son las pérdidas en la trayectoria de espacio libre [dB]. Lf son las pérdidas en la línea de transmisión (Tx y Rx) [dB]. Lb son las pérdidas por diversidad [dB]. Fm es el margen de desvanecimiento [dB]. Alluvia es la atenuación por lluvia [dB]. AVeg es la atenuación por vegetación [dB]. 4.1.1 Cálculo de los parámetros del enlace. Pérdida en la trayectoria de espacio libre [Lp]. Se define como la pérdida incurrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta a través del vacío, sin atenuación por absorción y reflexión debidas a objetos cercanos. Estas pérdidas dependen de la frecuencia, y aumentan directamente con la distancia. Se calcula con la siguiente ecuación de Friis: (12) 31 En dB, se obtiene: (13) Donde f es la frecuencia [Hz], D es la distancia entre las antenas [m] y c es la velocidad de la luz [3X108 m/s]. Pérdidas por lluvia. Para frecuencias mayores a 10 GHz, existen otros factores que afectan la propagación de las señales de microondas, como la absorción por gases y vapor de agua [FRE87], la atenuación por lluvia [PRA86] y la atenuación por vegetación [SEV95] y [ALN98], entre otras. Considerando una tasa de distribución de lluvia R, se puede calcular la atenuación específica como [PRA86]: (14) Donde Alluvia es la Atenuación por lluvias [dB/Km] y R es la tasa de lluvia de la región [mm/h]. (15) Para enlaces terrestres con trayectorias mayores a 6 km, la atenuación debido a la distancia entre antenas es menor de lo que muestra esta cifra cuando la lluvia afecta solo a una parte de la trayectoria del enlace.. Por lo tanto es necesario aplicar un factor de reducción para la distancia efectiva del enlace, el cual está dado [FRE87] como: (16) 32 Donde r es el factor de reducción y d es la distancia real entre las antenas Tx y Rx, [Km]. Por lo tanto la ecuación más exacta para el cálculo de la atenuación por lluvia es: (17) Pérdidas por vegetación. Existen varios estudios sobre la influencia que ejerce el tamaño, la densidad, el tipo y la forma de vegetación en la atenuación que sufre la señal al propagarse por áreas con vegetación [ALN98]. El modelo expresado en la siguiente ecuación se aplica para el rango de frecuencias de 200 MHz a 95 GHz [NUA98]. (18) Donde Aveg es la atenuación por vegetación [dB], f es la frecuencia [GHz] y dp es la altura de la vegetación [m]. Según estudios realizados por [NUA98], el modelo que logra una predicción más cercana a la realidad es el siguiente y se recomienda para el rango de frecuencias de 10 a 40 GHz. (19) Ganancia de las antenas. Una antena parabólica tiene una ganancia aparente porque concentra la potencia irradiada en un haz angosto en lugar de enviarlo en forma uniforme en todas las direcciones (antena isotrópica), y el ancho del haz se reduce con los incrementos en la ganancia de la antena (Ver figura Nº 16), como se puede observar en la ec. (20). 33 Figura Nº 16: Reflector parabólico. [TOM03] El ancho del haz de la antena en el punto a 3 dB, se calcula con la ecuación: (20) Donde Dant es el Diámetro de la antena en metros. La Ganancia de la antena parabólica se calcula con la siguiente ecuación: (21) Donde es la eficiencia de la antena (Ej. 60% = 0.60), es la longitud de onda de la señal en metros. La ganancia de la antena en dB, sería, (22) Margen de Desvanecimiento (Fm). Es un “factor de acolchonamiento” incluido en la ecuación de ganancia del sistema que considera las características no ideales y menos predecibles de la propagación de ondas de radio tal como la propagación de múltiples trayectorias, sensibilidad a superficie rocosa, condiciones climatológicas, objetivos de confiabilidad y es válido para una distancia máxima de 400 Km. El Fm se calcula como: 34 (23) Donde D es la distancia entre las antenas Tx y Rx [Km] , f es la frecuencia del enlace de microondas [GHz], R es el objetivo de confiabilidad del enlace, (ej. 99.99% R=0.9999), A es el factor de rugosidad de la trayectoria: = 4 sobre agua o terreno muy parejo. = 1 sobre terreno normal = 0.25 sobre terreno montañoso o muy disparejo. y B es el factor para convertir la probabilidad del peor de los meses en probabilidad anual. = 1 Para clima muy lluvioso y con mucha neblina. = 0.5 para áreas calientes y húmedas (calor húmedo). = 0.25 para clima normal. = 0.125 para áreas muy secas o montañosas. Potencia de ruido a la entrada del receptor se define por: (24) Donde N es la potencia de ruido [Watts], K es la constante de Boltzman (1.38X10 -23 J/°K), T es la temperatura equivalente del ruido del receptor (°Kelvin) y B es el ancho de banda de ruido [Hz]. Umbral o sensibilidad del receptor Es la potencia mínima de portadora de banda ancha (C min) a la entrada de un receptor que produzca una salida útil de banda base, esta se puede calcular con la siguiente ecuación: (25) Donde C es la relación portadora a ruido del receptor, NdBm es la potencia de ruido N del receptor [dBm] y NF es la figura de ruido del receptor [dB]. 35 Potencia del transmisor. De la ec. (10) se puede obtener la potencia del transmisor: (26) Altura de las torres. Desde el punto de vista geográfico y espacial, la tierra posee una forma muy particular la cual produce un efecto óptico y métrico de distorsión dentro del mapeo de una zona, la precisión decae de forma más notoria conforme la distancia aumenta, ya que es el proceso en el cual una superficie de origen esférico es montada sobre una extensión plana. El cálculo de la curvatura de la tierra empieza a considerarse a partir de los 40 kilómetros dentro de una superficie, esto implica aplicar una serie de procesos que nos ayudaran a ajustar y corregir el problema. Para distancias menores a menores 40 Km: Se puede considerar la tierra como plana (Ver figura Nº 17). Figura Nº 17: Altura de las antenas para librar el radio de curvatura de la tierra. [TOM03] El radio horizonte de línea de vista para una sola antena es: (27) Donde d es la distancia a radio horizonte en kilómetros y h es la altura de la antena sobre el nivel del mar metros. Para una antena Tx y Rx, la distancia entre las dos antenas se expresa como: 36 (28) Y en función de ht y hr se expresa como: (29) Donde d es la distancia entre las antenas kilómetros y ht, hr son las alturas de las antenas Tx y Rx en metros. Para distancias mayores a 40 Km: La curvatura de la tierra es calculada mediante la siguiente expresión: (30) Donde f1 es la curvatura de la tierra en metros, Xi es el Punto donde se mide la curvatura de la tierra en kilómetros, Xn es la distancia máxima hasta B en kilómetros, K es el factor de corrección de la tierra (0.75) y R es el radio de la tierra (6378.2 Km) El factor de corrección encontrado en el cálculo sumado a la altura o elevación leída en la carta topográfica (cota topográfica Ci) nos ayudara a determinar la altura real (Zi). De esta forma se puede encontrar la altura real para cada punto. (31) Donde fi es la curvatura de la tierra en metros, Ci es la altura de la cota topográfica en metros y Zi es la altura real en metros. 4.2 Modelo Okumura. Este es un modelo empírico, el cual es aplicable a frecuencias en un rango de 150 MHz y 1920 MHz, es decir, comprende las bandas VHF y UHF (típicamente es extrapolado a frecuencias sobre los 3 GHz entrando a la banda SHF) y distancias entre 1 y 100 Km. Puede ser usado para alturas de la antena de la estación base en el rango de 30 m a 1000 m. [COR03] 37 Okumura desarrolló una serie de curvas que entregan la atenuación relativa al espacio libre medida (que se usa como nivel de referencia) para una zona urbana sobre terreno casi plano, en base a extensas mediciones, además de basarse en parámetros predefinidos. [COR03] El modelo puede expresarse como: (32) Donde L50 (dB) es la atenuación mediana por trayectoria, LF es la atenuación de espacio libre, Amu (f,d) es la atenuación relativa promedio, G(hte) es la ganancia de altura de la antena transmisora, G(hre) es la ganancia de altura de la antena receptora y GAREA es la ganancia debido al tipo de ambiente. Okumura encontró que G(hte) varia a un índice de 20 dB/década y G(hre) varía a un índice de 10 dB/década para alturas menores a 3 metros. (33) 4.3 Modelo Okumura-Hata Este es un modelo empírico, que se basa en los datos de las pérdidas de propagación provistos por Okumura y es válido para el rango de frecuencias VHF y UHF por dentro de los limites de los 150 MHz hasta los 1500 MHz. [COR03] Las perdidas en un área urbana fueron presentadas en una formula general para un ambiente urbano, sin embargo existen caracterizaciones de esta ecuación para distintos ambientes [COR03]. 38 (34) Para la ecuación anterior se debe tener en cuenta lo siguiente: (35) Donde fc es la frecuencia de la portadora en Mhz, hte es la altura de la antena en metros, hre es la altura de la antena receptora en metros y a(hre) es el factor de corrección por altura efectiva del receptor, este factor es dependiente de la zona de cobertura. Se pueden definir diferentes valores de a(hre) para diferentes ambientes de propagación [COR03]. Para ciudades pequeñas y medianas es: (36) Para ciudades grandes con edificios con alturas promedio superior a 15 m: (37) Las formulas anteriores son validas para áreas urbanas. Para áreas suburbanas se debe utilizar las siguientes correcciones: Área suburbana (altura promedio de construcción hasta 15 metros y el valor de a(hre) para ambientes suburbanos es: (38) Para áreas rurales se utiliza la siguiente ecuación para encontrar el valor de a(hre). 39 (39) 4.4 Modelo Hata extendido (Cost 231). Este modelo es una extensión del modelo Okumura-Hata, en el cual se aumentó el rango de frecuencias de 1500 MHz a 2000 MHz Este modelo se expresa [MAZ] como: (40) Donde CM es un factor de corrección para adecuar el modelo extendiendo el rango de frecuencia para el que opera el modelo Hata. . 4.5 Selección del modelo. Los modelos descritos son los más representativos y conocidos, no son los únicos, de hecho existen muchos otros, pero no fueron mencionados debido a que no cumplían con los requerimientos de este proyecto de titulo. Los modelos descritos anteriormente sólo fueron puestos como referencia, ya que no se utilizarán, esto debido a que se diseñaron con el fin de predecir enlaces para frecuencias bajo los 2 GHz y el modelo de propagación que se necesita, debe poder predecir enlaces que trabajen en un rango de frecuencias superior a 3 GHz, esto debido a que lo enlaces con los que se probó en terreno (SkyPilot, Redline) trabajan a esta frecuencia. Una vez analizado los modelos descritos anteriormente, el modelo que cumple a cabalidad con los requerimientos del software de predicción es el modelo de propagación para el espacio libre. 40 CAPITULO 5 5 Metodología de desarrollo de un software de predicción de enlaces RF. El objetivo de este capítulo es diseñar un software de predicción que se denominará como SOP-RF que permitirá simular teóricamente un enlace de radio frecuencia punto a punto. Para llegar a un diseño formal se hará un modelamiento de software utilizando UML [DOB06]. En la sección 5.1 se individualizarán los requerimientos deducidos después de un análisis previo. En la sección 5.2 se describirán los casos de usos y escenarios necesarios para el desarrollo del software de predicción. En la sección 5.3 se describirá el diseño a implementar, mostrando en detalle el funcionamiento de los módulos del software de predicción. En la sección 5.4 se mostrará el modelo de datos que utilizará el software de predicción. 5.1 Control de requerimientos 5.1.1 Requerimiento 1. Requerimiento Detalle Tipo Almacenamiento de datos Debe contar con un mecanismo de almacenamiento de la información ingresada necesaria para la realización de la simulación e información generada en las simulaciones de enlaces de RF. Primario 5.1.2 Requerimiento 2. Requerimiento Detalle Tipo Eliminación de datos Debe contar con un mecanismo que permita la eliminación de los datos ingresados. Primario 41 5.1.3 Requerimiento 3. Requerimiento Detalle Tipo Despliegue de una serie de mapas que nos indiquen la ubicación de donde se instalaran las antenas. Debe contar con un mecanismo que permita el almacenamiento de la ubicación en coordenadas geográficas del enlace a simular y el despliegue de mapas de la zona seleccionada. Primario 5.1.4 Requerimiento 4. Requerimiento Detalle Tipo Almacenamiento del proyecto Debe ser capaz de almacenar una simulación realizada. Secundario 5.1.5 Requerimiento 5. Requerimiento Detalle Tipo Recuperación de proyecto Debe ser capaz de recuperar un proyecto o simulación realizada. Secundario 5.1.6 Requerimiento 6. Requerimiento Detalle Tipo Procesamiento de formulas Debe ser capaz de realizar el cálculo de formulas matemáticas de manera transparente al usuario. Primario Almacenamiento A1 Datos Antenas Tx y Rx: Tipo, modelo, ganancia, potencia, área o diámetro antena, frecuencia central y el ancho de banda del canal. A2 Datos cables: Tipo y pérdidas por metro. A3 Datos conectores: Tipo y pérdida por conector. A4 Datos Transmisor: Modelo, tipo, ganancia, potencia de entrada, LOS, NLOS, altura obstáculo, distancia a posible obstáculo, frecuencia, ancho de banda del canal, tipo de cable, largo de cable, perdida por metro de cable, tipo de conector, perdida por conector y coordenadas de ubicación. A5 Datos Receptor: Modelo, tipo, ganancia, tipo de cable, largo de cable, perdida por metro de cable, tipo de conector, perdida por conector, figura de ruido, ancho banda de ruido, relación portadora a ruido A6 Datos trayectoria enlace: Confiabilidad del enlace, temperatura ambiente, taza de lluvias y altura vegetación, tipo de vegetación, tipo de superficie y tipo de clima. 42 Procesamiento P1 Calculo del PIRE. P2 Calculo de la ganancia antenas Txy Rx. P3 Calculo Potencia mínima antena Tx. P4 Calculo altura mínima antenas Tx y Rx. P5 Calculo ángulo de elevación y azimut de las antenas Tx y Rx. P6 Calculo de la figura de ruido P7 Calculo de la potencia de ruido. P8 Calculo sensibilidad antena Rx. P9 Calculo de perdidas por trayectoria en el espacio libre. P10 Calculo en perdidas en las líneas de transmisión (Tx-Rx). P11 Calculo del margen de desvanecimiento P12 Calculo de la atenuación por lluvia. P13 Calculo de la atenuación por vegetación. P14 Calculo de la distancia entre antenas. P15 Calculo ganancia antena Rx. P16 Calculo factor de reducción. P17 Calculo de potencia de ruido a la entrada de antena Rx. P18 Calculo de la distancia entre antena Tx y obstáculo. P19 Calculo entre antena Rx y obstáculo. P20 Calculo de coordenadas ubicación antenas Tx y Rx P21 Calculo radio primera zona de fresnel 5.2 Casos de Uso. 5.2.1 Descripción de casos de uso y escenarios. 5.2.1.1 Actores Propósito Precondición Tipo Caso de uso: Ingreso de antenas de RF. Usuario del sistema – Sistema Ingresar distintos tipos de antenas con sus respectivas propiedades. Sistema en línea con base de datos Primario 43 Escenario 1. El usuario del sistema podrá Ingresar distintos tipos y modelos de antenas, con sus respectivas características. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Selecciona opción ingreso de nueva antena de RF 2.- Despliega campos con el tipo de antena a ingresar. 3.- Selecciona el tipo de antena 4.- Captura el dato seleccionado. 5.- Despliega campos a llenar. 6.- Ingresar datos nueva antena 7.- Graba datos ingresados. 8.- Clic aceptar datos ingresados 9.- Verifica que no existan campos vacios y errores en los datos 10.- Si no hay campos vacios y errores almacena los datos. 5.2.1.2 Caso de uso: Ingreso de conectores de RF. Usuario del sistema – Sistema Ingresar distintos tipos de conectores con sus respectivas propiedades. Sistema en línea con base de datos Primario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 2. El usuario del sistema podrá ingresar distintos tipos de conectores. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Selecciona opción ingreso de un nuevo conector. 2.- Captura la acción y la ejecuta. 3.- Despliega campos a llenar. 4.-Ingresa datos nuevo conector 5.- Captura datos ingresados. 6.-Despliega datos ingresados 7.-Clic aceptar datos ingresados 8.-Graba datos ingresados 9.- Verifica que no existan campos vacios y errores en los datos 10.- Si no hay campos vacios y errores almacena los datos 44 5.2.1.3 Caso de uso: eliminar modelos de antenas. Usuario del sistema – Sistema Eliminar modelos de antenas. Sistema en línea con base de datos Secundario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 3. El usuario del sistema podrá eliminar modelos de antenas de la base de datos. Acción de Actores Respuesta de sistema 1.- Clic en el botón Eliminar antenas. 2.- Captura la acción y la ejecuta. 3.- Despliega campos a eliminar. 4.-Seleeciona modelo de antena a eliminar. 5.- Captura datos ingresados. 7.-Clic en el botón eliminar. 8.-Elimina el dato seleccionado de la base de datos. 5.2.1.4 Caso de uso: Eliminar modelos de cable. Usuario del sistema – Sistema Eliminar modelos de cable. Sistema en línea con base de datos Secundario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 4. El usuario del sistema podrá eliminar cables de la base de datos. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Clic en el botón Eliminar cables. 2.- Captura la acción y la ejecuta. 3.- Despliega campos eliminar. 4.-Seleeciona modelo del cable. 5.- Captura datos ingresados. 7.-Clic en el botón eliminar. 8.-Elimina el dato seleccionado de la base de datos. 45 5.2.1.5 Caso de uso: Eliminar tipos de conectores. Usuario del sistema – Sistema Eliminar tipos de conectores. Sistema en línea con base de datos Secundario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 5. El usuario podrá eliminarlos tipos de conectores de la base de datos. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Clic en el botón Eliminar conectores. 2.- Captura la acción y la ejecuta. 3.- Despliega campos a llenar. 4.-Seleeciona conector a eliminar. 5.- Captura datos ingresados. 7.-Clic en el botón eliminar 8.-Elimina el dato seleccionado de la base de datos 5.2.1.6 Caso de uso: Ingreso de datos en el transmisor Tx. Usuario del sistema – Sistema Ingresar distintos tipos de datos requeridos por el sistema en el transmisor. Sistema en línea con base de datos Primario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 6. El usuario del sistema podrá ingresar los datos requeridos por el modulo del transmisor. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Selecciona etiqueta modulo transmisor. 2.- Despliega campos a llenar. 3.- Selecciona tipo antena. 4.- Captura dato ingresado. 5.- Despliega dato seleccionado. 6.- Despliega modelos de antenas que entrega el sistema. 7.- Selecciona modelo de antena. 8.- Captura dato seleccionado. 9.- Despliega dato seleccionado 10.- Despliega rango de frecuencias que entrega el sistema. 11.- Despliega anchos de banda que entrega el sistema. 46 Acción de Actores Respuesta del Sistema 12.- Ingresa Ganancia de antena. 13.- Captura dato seleccionado. 14.- Despliega dato seleccionado 15.- Selecciona potencia de entrada 16.- Captura dato seleccionado. 17.- Despliega campo de ingreso de potencia. 18.- Ingresa valor de potencia de entrada. 19.- Captura dato ingresado. 20.- Despliega dato ingresado. 21.- Ingresa distancia posible obstáculo 22.- Captura dato ingresado. 23.- Selecciona línea vista. 24.- Captura dato seleccionado. 25.- Despliega dato seleccionado. 26.- Selecciona línea con un obstáculo. 27.- Captura dato ingresado 28.- Despliega dato ingresado. 29.- Despliega campo de ingreso de altura obstáculo. 30.- Ingresar altura de obstáculo. 31.- Captura dato ingresado. 32.- Despliega dato ingresado. 33.- Selecciona rango de frecuencias. 34.- Captura dato seleccionado 35.- Despliega dato seleccionado. 36.- Selecciona ancho de banda 37.- Captura dato seleccionado 38.- Despliega campo a seleccionar. 39.- Selecciona tipo de cable. 40.- Captura dato seleccionado 41.- Despliega campo a seleccionar. 42.- Ingresa largo del cable. 43.- Captura selección 44.- Despliega valor seleccionado 45.- Despliega perdida por metro de cable. 46.- Selecciona tipo de conector. 47.- Captura datos ingresados. 48.- Despliega datos ingresados. 49.- Despliega perdida por conector. 50.- Clic en botón ingresar coordenadas 51.- Captura acción. 52.- Despliega ventana con datos a ingresar. 53.- Ingresar latitud y longitud para las antenas Tx y Rx. 54.- Captura datos ingresados. 55.- Despliega datos ingresados. 56.- Clic en calcular. 57.- Captura la acción. 58.- Clic aceptar datos ingresados. 59.- Graba datos ingresados 60.- Verifica que no existan campos vacios y errores en los datos. 47 5.2.1.7 Caso de uso: Ingreso de datos en el Receptor Tx. Usuario del sistema – Sistema Ingresar distintos tipos de datos requeridos por el sistema en el receptor. Sistema en línea con base de datos Primario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 7. El usuario del sistema podrá ingresar los datos requeridos por el modulo receptor Rx. Acción de actores 1. Respuesta sistema Selecciona etiqueta módulo Receptor. 2.- Despliega campos a llenar. 3.- Ingresa relación portadora ruido. 6- Selecciona tipo de cable 4.- Captura dato ingresado. 5.- Despliega el dato ingresado. 7.- Captura dato seleccionado. 8.- Despliega tipo seleccionado 9.- Despliega campo a llenar. 10.- Ingresa largo del cable. 11.- Captura dato ingresado. 12.- Despliega dato ingresado. 13.- Despliega perdida por metro de cable. 14.- Selecciona tipo de conector 15.- Captura dato seleccionado 16.- Despliega dato seleccionado 17.- Despliega perdida conector. 18.- Selecciona tipo de antena. 19.- Captura selección 20.- Despliega dato seleccionado. 21.- Despliega modelos de antena que entrega el sistema. 22.- Selecciona modelo antena. 23.- Captura selección 24.- Despliega dato seleccionado. 25.- Ingresa ganancia y altura antena. 26.- Captura datos ingresados. 27.- Despliega datos ingresados. 28.- Clic aceptar datos ingresados 29.- Graba datos ingresados 30.- Verifica que no existan campos vacios y errores en los datos 31.- Si no hay campos vacios y errores almacena los datos. 5.2.1.8 Caso de uso: Ingreso de datos en el módulo trayecto Tx-Rx. Actores Usuario del sistema – Sistema Propósito Ingresar distintos tipos de datos requeridos por el sistema en el módulo trayecto Tx-Rx. Sistema en línea con base de datos Primario Precondición Tipo 48 Escenario 8. El usuario del sistema podrá ingresar los datos requeridos por el módulo trayecto Tx-Rx. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.- Selecciona etiqueta módulo trayecto Tx-Rx. 2.- Despliega campos a llenar. 3.- Ingresar confiabilidad del enlace. 4.- Captura dato ingresado. 5.- Despliega dato ingresado. 6.- Ingresar tasas de lluvia 7.- Captura dato ingresado. 8.- Despliega dato ingresado. 9.- Ingresar altura vegetación. 10.- Captura dato ingresado. 11.- Despliega dato ingresado. 12.- Ingresar temperatura ambiente. 13.- Captura dato ingresado. 14.- Despliega dato ingresado. 15.- Selecciona tipo de vegetación 16.- Captura dato seleccionado. 17.- Despliega dato seleccionado 18.- Despliega dato a ingresar 19.- Selecciona tipo de superficie 20.- Captura dato ingresado 21.- Despliega dato ingresado 22.- Selecciona tipo de clima. 23.- Captura dato seleccionado 24.- Despliega dato seleccionado. 25.- Clic aceptar datos ingresados 26.- Graba datos ingresados 27.- Verifica que no existan campos vacios y errores en los datos 28.- Si no hay campos vacios y errores almacena los datos. 5.2.1.9 Caso de uso: Resultado enlace de RF. Usuario del sistema – Sistema Mostrar resultados de la simulación del enlace punto a punto y la potencia mínima necesaria en la antena transmisora para que el enlace funcione. Sistema en línea con base de datos Primario Actores Propósito Precondición Tipo Escenario 9. El usuario del sistema podrá obtener los resultados de la simulación del enlace. Acción de Actores Respuesta del Sistema 1.-clic en botón Iniciar simulación. 2.- Despliega resultados simulación. 3.- Despliega mapa 3D de la zona a simular. 4.-Selecciona transmisor. etiqueta módulo Resultado 49 Acción de Actores Respuesta del Sistema 5.-Despliega ángulo elevación, azimut, PIRE, ganancia antena, potencia mínima y altura antena. 6.-Selecciona receptor. etiqueta módulo Resultado 7.- Despliega ángulo elevación, azimut, figura ruido, potencia de ruido, ganancia antena, sensibilidad de antena y altura mínima de antena. 8.- Selecciona etiqueta módulo Resultado enlace. 9.- Despliega margen de desvanecimiento, ganancia del sistema, atenuación por lluvia, atenuación por vegetación, distancia del enlace, distancia entre los puntos y el obstáculo, radio de la primera zona de fresnel. 5.3 Diseño. Se definirán cada una de las soluciones adoptadas para cada requisito recopilado y analizado. SOP-RF trabajará sobre una base de datos SQL Server 2005, la cual almacenará todos los datos ingresados y resultados generados por la plataforma. El software será diseñado e implementado con Visual Basic .NET 2005, el cual tendrá nueve módulos descritos a continuación. Módulo principal: Este modulo muestra al usuario todos los módulos descritos a continuación de la figura Nº 18. Figura Nº 18: Pantalla principal. Fuente [SOP-RF] 50 Módulo de ingreso de antenas: Este módulo se encarga del ingreso los distintos tipos de antenas de radio frecuencia y sus características más importantes (Ver figura Nº 19). Figura Nº 19: Pantalla ingreso tipo y características de antenas. Fuente [SOP-RF] Módulo de ingreso de cables: Este módulo se encarga del ingreso de distintos tipos de cables para la comunicación entre el “ODU” y el “IDU” (Ver figura Nº 20). Figura Nº 20: Pantalla ingreso tipo de cables. Fuente [SOP-RF] Módulo de ingreso de conectores: Este módulo se encarga del ingreso de distintos tipos de conectores que serán utilizados por los diferentes tipos de cables (Ver figura Nº 21). Figura Nº 21: Pantalla ingreso tipo de conectores. Fuente [SOP-RF] 51 Módulo de eliminación de antenas: Este módulo se encarga de eliminar algún modelo de antena no requerido (Ver figura Nº 22). Figura Nº 22: Pantalla eliminar modelos de antena. Fuente [SOP-RF] Módulo de eliminación de cables: Este módulo se encarga de eliminar algún tipo de cable no requerido (Ver figura Nº 23). Figura Nº 23: Pantalla eliminar tipo de cable. Fuente [SOP-RF] Módulo de eliminación de conectores: Este módulo se encarga de eliminar algún tipo de conector no requerido (Ver figura Nº 24). . Figura Nº 24: Pantalla eliminar tipo de conector. Fuente [SOP-RF] Módulo de antena transmisora: Este módulo se encarga de la selección e ingreso de datos necesarios y utilizados por un punto del enlace, en este caso el transmisor (Ver figura Nº 25). 52 Figura Nº 25: Pantalla Ingreso de parámetros del transmisor del enlace. Fuente [SOP-RF] Módulo de antena receptora: Este módulo se encarga de la selección e ingreso de datos necesarios y utilizados por un punto del enlace, en este caso el receptor (Ver figura Nº 26). Figura Nº 26: Pantalla Ingreso de parámetros del receptor del enlace. Fuente [SOP-RF] Módulo de trayectoria del enlace: Este módulo se encarga de la selección e ingreso de datos necesarios y utilizados por la trayectoria de un enlace punto a punto (Ver figura Nº 27) 53 Figura Nº 27: Pantalla Ingreso de parámetros de trayectoria del enlace. Fuente [SOP-RF] Módulo de ingreso de coordenadas geográficas: Este módulo se encarga de recibir el ingreso de coordenadas geográficas de la zona en la cual se realizará el diseño (Ver figura Nº 28). Figura Nº 28: Pantalla Ingreso de coordenadas. Fuente [SOP-RF] Módulo de resultados: Este módulo se encarga de entregarr todos los resultados generados por la aplicación y de desplegar un mapa en 3D de la zona a realizar la simulación (Ver figura Nº 29). 54 Figura Nº 29: Pantalla de resultados. Fuente [SOP-RF] 5.4 Modelo de datos. Para implementar el software de predicción, esta tiene que contar con una base de datos que la soporte, el modelo de esta se presenta en la figura N° 30: Figura Nº 30: Modelo relacional de SOP-RF. 55 A continuación se describen las principales tablas diseñados en la base de datos. 5.4.1 Tablas. ANTENA. En esta tabla se almacena los tipos de antenas requeridos para las simulaciones. En la tabla Nº 6 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 6: Diccionario de datos para tabla Atributos. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_tipo Int Código del atributo Tipo N_char(20) Nombre del atributo DETALLE _ANTENA. En esta tabla se almacenan las antenas con sus respectivos modelos y características propias de la antena. En la tabla Nº 7 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 7: Diccionario de datos para tabla Detalle_antena. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_antenas Int Código del atributo Cod_tipo Int Modelo N_char(20) Clave foránea desde la tabla Atributo. Nombre del atributo Ganancia Real Ganancia de la antena Vigente N_char(2) Potenciatx Real La antena puede estar vigente (V) o eliminada (E). Entrega la potencia de la antena. CABLES. En esta tabla se almacenan los distintos tipos de cables con sus respectivas pérdidas, necesarios para la simulación de un enlace. En la tabla Nº 8 se muestra el diccionario de datos. 56 Tabla Nº 8: Diccionario de datos para tabla Cables. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_cable Int Código del atributo Modelo_cable N_char(20) Nombre del atributo Perd_cable Real Entrega la pérdida del cable Vigente N_char(2) La antena puede estar vigente (V) o eliminada (E). CONECTOR. En esta tabla se almacenan los distintos tipos de conectores con sus respectivas pérdidas, necesarios para la simulación de un enlace. En la tabla Nº 9 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 9: Diccionario de datos para tabla Conector. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_conector Int Código del atributo Conector N_char(20) Nombre del atributo Perdida Real Entrega la pérdida del cable Vigente N_char(2) La antena puede estar vigente (V) o eliminada (E). BW_CANAL. En esta tabla se almacenan el ancho de canal en los que trabajan las antenas. En la tabla Nº 10 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 10: Diccionario de datos para tabla Bw_canal. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_Bw Int Código del atributo Cod_antenas Int Ancho_canal Int Vigente N_char(2) Clave foránea desde la tabla detalle_antena. Entrega los anchos de canal de la antena La antena puede estar vigente (V) o eliminada (E). 57 FRECUENCIAS. En esta tabla se almacenan las frecuencias en las que trabajan las antenas. En la tabla Nº 11 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 11: Diccionario de datos para tabla frecuencias. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_frec Int Código del atributo Cod_antenas Int Frecuencia Real Clave foránea desde la tabla detalle_antena. Entrega las frecuencias en que trabajan las antenas. FACTOR_CLIMA. En esta tabla están almacenados los distintos tipos de clima existentes para la simulación del enlace. En la tabla Nº 12 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 12: Diccionario de datos para tabla factor_clima. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_factor Int Código del atributo Num_factor Real Descripcion N_char(50) Entrega un parámetro dependiendo del tipo de clima Describe los distintos tipos de climas. FACTOR_SUPERFICIE. En esta tabla están almacenados los distintos tipos de superficie existentes para la simulación del enlace. En la tabla Nº 13 se muestra el diccionario de datos. Tabla Nº 13: Diccionario de datos para tabla factor_superficie. [SQL Server] Nombre Campo Tipo Descripción Cod_factor Int Código del atributo Num_factor Real Descripcion N_char(50) Entrega un parámetro dependiendo del tipo de superficie. Describe los distintos tipos de superficies. 58 CAPITULO 6 6 Pautas para el diseño de un enlace de RF. Tomando en cuenta todos los conocimientos adquiridos en los capítulos anteriores el objetivo de este capítulo es crear un conjunto de pautas que faciliten el diseño e implementación de un enlace de radiofrecuencia punto a punto. En la sección 6.1 se crearán pautas para así facilitar el desarrollo del diseño del enlace RF. 6.1 Pautas para el diseño de un enlace punto a punto. Para facilitar el diseño e implementación de un enlace radiofrecuencia, se elaborará un procedimiento de montaje del enlace, el cual nos detallará y describirá los pasos necesarios para poder diseñar e implementar de manera optima un enlace punto a punto En la siguiente tabla se muestra el procedimiento con una serie de pasos a seguir: Tabla Nº 14: Procedimiento para realizar un enlace de radiofrecuencia punto a punto. Procedimiento Problema Solución 1- Presentación del proyecto. Determinar la fiabilidad del enlace (Esbozo de la ubicación). Investigación de un estudio socioeconómico y técnico, el cual fundamenta la presencia y la justificación de nuestro proyecto. 2- Perfiles topográficos. Determinar perfiles topográficos. Examinar la mejor ruta de alturas, empleo de cartas topográficas para la creación de la mejor ruta de comunicaciones. 3- Diagrama de una ruta. Ubicar en terreno la ruta del enlace. Diseño de plano de ruta. 4- Elección de la ubicación. Calculo del enlace y coordenadas. Ubicación sobre un plano fotográfico, antenas de transmisión, recepción y repetidores. 59 Continuación tabla Nº 14. Problema Solución 5- Calculo de la curvatura de la tierra y altura real. Procedimiento A medida que las distancias son más grandes se presenta un error topográfico por la curvatura de la tierra. Implementación de formulas que ayudan al cálculo de curvatura y gracias a este se obtiene la altura real de cada cota topográfica. 6- Calculo zona de Fresnel. Determinar si el lóbulo de radiación vertical de la antena sobrepasa los obstáculos. Graficar los lóbulos verticales de propagación, determinar que la altura de las antenas no sea superior a 120 metros. 7- Diseño de torres. Si la altura es superior a 120 metros se considera implementar un repetidor. Se debería de considerar que las alturas van de 15 a 120 metros con línea de vista entre las antenas. 8- Perdidas en espacio libre y ganancia del sistema. Calculo de perdidas en el espacio libre. Determina el modelo adecuado al enlace. 9- Elección de guía de onda o cable coaxial. Seleccionar la guía de onda adecuada. Dependiendo de la frecuencia se tomará nota del proveedor ideal para el servicio. 10- Antenas y repetidores. Elección de antenas y repetidores. Hojas de especificación de proveedores, parámetros esenciales, tamaño y ganancias. Impacto legal, social, ecológico, cultural, etc. 11- Análisis legal. 1 Proyecto. Plantear el problema; en el cual se discuten algunos temas como: Finalidad de la creación del enlace punto a punto. Lugar donde se montaran las estaciones base (torres y antenas). Posibles rutas utilizar. El estudio de la legislación y los trámites necesarios para el funcionamiento del enlace. 2 Perfiles topográficos. Desarrollo del montaje visto desde un nivel topográfico. Este se establece creando una vista de la sección del terreno, para ayudar a ver los diferentes relieves del montaje, así como también los diferentes tipos de cortezas terrestre y composición del suelo que 60 tenga el lugar; esto ayudará a determinar los mejores niveles de cimentación para las estaciones base, así como el esquema que muestra las líneas de vista de los enlaces. 3 Diagrama de rutas. Se contempla el plano topográfico de un sistema con línea vista, para ellos se marca dentro de un mapa del lugar la ruta que seguirá la señal y se tomará nota de las distancias y las características del terreno entre el o los enlaces a diseñar. Para el diagrama de rutas se recomienda usar la herramienta Google Earth, el cual mediante el ingreso de coordenadas geográficas despliega la ubicación, entregando el mapa de la región a analizar en 2D y 3D, para así facilitar la elección del lugar donde se instalará la estación base. 4 Elección de la ubicación. Recopilando información precisa de la zona del lugar, se tendrá que considerar el establecimiento de las torres que habrán de soportar a las antenas sobre el terreno con parámetros importantes como: Localidad. Ubicación. Latitud. Longitud. Altura sobre el nivel del mar. Distancia recorrido parcial en kilómetros. En la elección de la ubicación de las estaciones base recomendamos al igual que el punto anterior utilizar Google Earth, pero esta vez complementándolo con la herramienta de software Radio Mobile, el cual al ingresar las coordenadas geográficas nos puede entregar un mapa en un plano de dos dimensiones, lo que nos ayudará a verificar si existen obstáculos entre los posibles puntos elegidos. 61 5 Calculo de la curvatura de la tierra y altura real. Para este punto el software SOP-RF al ingresar un enlace con distancia superior a 40 Km calcula la curvatura y altura real a la que deberían estar las antenas, las cuales se pueden tomar como referencia a la hora de implementar en forma real el enlace. 6 Calculo de zonas de Fresnel. Determinan la primera zona de Fresnel, ayuda a comprobar que la línea de vista es correcta, se debe de considerar que en caso que en el enlace pudiese existir algún obstáculo en él, se pueden crear puntos de repetición con diseños de antenas (con alturas mínimas de torres de 15 metros y máximas de 120 metros), se vislumbra de igual manera que para la mejor recepción, se deben de evadir los obstáculos que obstruyan las propagación de las microondas. Para la determinación de la primera zona de Fresnel se recomienda utilizar la herramienta Radio Mobile o el software SOP-RF. Ambos entregan la potencia necesaria para un buen funcionamiento del enlace de microondas considerando despejada la primera zona de Fresnel. 7 Diseño de las torres. Se definirá la estructura de la torre dependiendo de las necesidades de la zona, ya que se tiene que lidiar con la geología y el clima del lugar; ya que estos factores serán los que demanden de un diseño de forma eficiente; tanto para soportar las condiciones del clima, la accesibilidad a los equipos de montaje y de mantenimiento. Las torres deben de poseer su respectiva señalización y estar lo más cercanas al ”shelter” (sitio arquitectónico que contiene todos los elementos electrónicos de comunicación), para garantizar una rápida respuesta entre las antenas montadas a ella. En la figura Nº 31 se observa un ejemplo de torre con varias antenas acopladas su estructura. 62 Figura Nº 31: Torre con antenas de microondas. [COM06] 8 Perdidas por espacio libre y ganancias del sistema. Son factores fundamentales en la creación del proyecto, determinan los factores radioeléctricos de los equipos de comunicaciones y cómo influyen los factores ambientales en la peor situación. Las perdidas por espacio libre implican que cuando una onda electromagnética; es radiada y propagada, viajando a través del espacio libre se pueden considerar los diferentes niveles de atenuación de la potencia. Por otro lado la ganancia del sistema contempla la relación que expresa la equidad y la compensación entre todas perdidas y las ganancias de todos los componentes que comprenden al sistema. Tanto las perdidas por espacio libre y ganancia del sistema pueden ser calculadas mediante la herramienta Radio Mobile y el software SOP-RF. 9 Elección de guía o cable coaxial. Se elegirá la guía de onda o alimentador coaxial más adecuado para el lugar, pues este será el que unirá las antenas con el “Shelter”. 10 Antenas y repetidores. Su existencia como un elemento que tendrá que irradiar la información electromagnética en forma de microondas, principalmente si considerará que la señal será 63 lo mas directiva posible; la elección de las antenas dependerá de la frecuencia en la banda que se deseará trabajar. El rendimiento de radiación de las antenas va de acuerdo con la ganancia que estas tengan y de su atenuación en relación a las condiciones climáticas y de ruido que puedan presentarse en el medio en el cual se realizará el montaje. Las antenas presentan un desempeño que va sujeto a las hojas de especificación del fabricante en cuestión, los repetidores o reflectores de igual forma se pueden considerar dentro de las hojas de especificaciones para elegir los más adecuados se consideran valores de PIRE y ganancia efectiva. 11 Análisis de legislación. Es el punto más crítico dentro de cualquier proyecto de esta naturaleza, ya que al ser un proceso bastante costoso, se tiene que encontrar una justificación financiera que ayude a considerarlo para su ejecución. Además se tiene que crear una tabla de costos materiales, se consideraran todo tipo de accesorios que sean útiles dentro las mismas torres y dentro del “shelter“. La legislación de montaje en un sistema de comunicaciones inalámbrico, depende de las condiciones de cada país, en Chile la Subtel (Subsecretaría de Telecomunicaciones) es la encargada de los procesos y los tramites de telecomunicaciones. [SUB] La Subtel es un organismo dependiente del Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones. Su trabajo está orientado a coordinar, promover, fomentar y desarrollar las telecomunicaciones en Chile, transformando a este sector en motor para el desarrollo económico y social del país. Tiene como principales funciones proponer las políticas nacionales en materias de telecomunicaciones, de acuerdo a las directrices del Gobierno, ejercer la dirección y control de su puesta en práctica, supervisar a las empresas públicas y privadas del sector en el país, controlando el cumplimiento de las leyes, reglamentos y normas pertinentes, además considera los permisos y concesiones hacia el uso de espectro. [SUB] 64 CAPITULO 7 7 DISEÑO DEL ENLACE RF. El primer objetivo de este capítulo lograr diseñar tres enlaces punto a punto, esto guiado por el procedimiento creado en el capitulo seis. El segundo objetivo es lograr verificar si las herramientas utilizadas para el desarrollo del diseño realmente son efectivas a la hora de implementar el enlace en terreno. Para el cumplimiento de estos objetivos en la sección 7.1 se realizarán los diseños de los enlaces punto a punto de radiofrecuencia. En la sección 7.2 se compararán y obtendrán resultados de los diseños creados mediante las herramientas de software utilizadas y los datos de los enlaces reales. 7.1 Diseño de los enlaces punto a punto. Se diseñaran tres enlaces, los cuales se encuentran en distintas localidades de la Zona Sur del país, las que se detalla en la tabla Nº 15. Tabla Nº 15: Ubicación y distancia de los enlaces. Enlace 1 Localidad o Sector Latitud Longitud Elevación sobre el nivel del mar 18 Dalcahue 42° 22' 44.70"S 73° 39' 5.10" O Astilleros 42° 23' 52.50"S 73° 40' 23.30"O Localidad o Sector Latitud Longitud Hacienda Parga 41° 27' 56.60"S 73°50'12.80"O 46.9 Punotro 41° 53' 47.10"S 73°50'26.10"O 237.8 9.2 Distancia recorrida (Km) 0 2.75 Enlace 2 Elevación sobre el nivel del mar 65 Distancia recorrida (Km) 0 47.86 Continuación tabla Nº 15. Enlace 3 Localidad o Sector Latitud Longitud Coz Coz 39° 37' 8.40"S 72°15'33.20"O Milahue 39° 40' 32.80" S 72°23'14.60"O 7.1.1 Enlace 1: Elevación sobre el nivel del mar 196 415 Distancia recorrida (Km) 0 12.73 Dalcahue - Astilleros. El enlace se ha creado en base a las coordenadas obtenidas en terreno mediante un Gps, las cuales pertenecen a la ciudad de Dalcahue y al sector de Astillero, ubicadas en la isla de Chiloé. A continuación en la figura Nº 32 se observa el mapa con la ubicación geográfica de la zona donde se encuentra el enlace, este mapa se obtuvo mediante la herramienta Google Eearth. Figura Nº 32: Mapa de la ubicación del enlace Dalcahue-Astilleros obtenido con Google Earth. Fuente [Google Earth] La salida del enlace realizará un recorrido de 2.75 Km atravesando la ciudad desde el centro hacia el noroeste rumbo al sector de astilleros. Este enlace se diseñará con equipos SkyPilot, los cuales tienen la antena tipo panel incorporadas y trabajarán a una 66 frecuencia de 5.8 GHz, dadas las condiciones del terreno el enlace presenta línea vista sin la necesidad de utilizar repetidoras. 7.1.1.1 Datos reales enlace punto a punto entre Dalcahue y Astilleros. Este enlace punto a punto funciona en forma optima con antenas SkyPilot, estas antenas dependiendo del clima cambian en forma automática la modulación utilizada y por ende también cambia la velocidad de transferencia de datos (Ver tabla Nº 16). La modulación por defecto es de 16Qam ½ con una velocidad de transferencia de 24 Mbps y una potencia de transmisión de 19.3 dBm. Tabla Nº 16: Modulación para antenas SkyGateway / SkyExtender / SkyConnector. Fuente [SKY] Potencia de transmisión (dBm) Modulación 22 22 22 22 19.3 19.3 19.3 19.3 7.1.1.1.1 Velocidad transferencia (Mbps) BPSK ½ BPSK ¾ QPSK ½ QPSK ¾ 16QAM ½ 16QAM ¾ 64QAM ½ 64QAM ¾ Sensibilidad (dBm) 6 9 12 18 24 36 48 54 -90 -87,5 -86 -84 -80 -78 -70 -68 Parámetros Reales del enlace punto a punto entre Dalcahue y Astileros. Tabla Nº 17: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros. Dalcahue – Astilleros Potencia de transmisión 19.3 dBm Ancho de banda 20 Mhz Ganancia Antena Tx 18 dBi Confiabilidad del sistema 99.9% Ganancia antena Rx 18 dBi Altura antena Receptora 24 mt Sensibilidad del receptor -80 dBm Altura antena Transmisora 30 mt PIRE 37.3 dBm 2.75 Km Frecuencia de transmisión 5.8 Ghz Distancia recorrida del enlace Distancia a posible obstáculo 67 0 7.1.1.1.2 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 18. Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros. Dalcahue Astilleros Latitud 42° 22 '44.70" S 42° 23' 52.50" S Longitud 73° 39' 5.10" O 73° 40' 23.30" O 7.1.1.1.3 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 19: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros. LRM900 30 mt 16 dB Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt Sistema Radiador Principal Tx Rx Tx Rx 7.1.1.2 Modelo Ganancia Skygateway SkyExtender 18 dBi 18 dBi Azimut Elevación 228º 25” 7.8‟ 0.71º 49º 22” 3.8‟ 1.271º Resultados obtenidos con el software SOP-RF. La figura Nº 33 muestra el mapa que entrega la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software SOP-RF. Figura Nº 33. Mapa de la ubicación del enlace Parga-Punotro obtenido con SOP-RF. Fuente [SOP-RF] 68 Una vez ingresados los datos necesarios para que el software SOP-RF entregue una simulación lo más cercana a la realidad. Se muestra a continuación los resultados del enlace Dalcahue – Astilleros. En las figuras Nº 34, 35 y 36 vemos los resultados de la simulación del enlace DalcahueAstilleros. Figura Nº 34: Resultados del transmisor de la simulación del enlace entre Dalcahue y Astilleros. [Fuente SOP-RF] Figura Nº 35: Resultados del receptor de la simulación del enlace entre Dalcahue y Astilleros. Fuente [SOP-RF] Figura Nº 36: Resultados del enlace entre Dalcahue y Astilleros. Fuente [SOP-RF] 69 En la siguiente sección se muestra en detalle los resultados obtenidos por el software SOP-RF. 7.1.1.2.1 Resultados simulación. Tabla Nº 20. Análisis de potencia enlace Dalcahue – Astilleros. Fuente [SOP-RF] Dalcahue – Astilleros Margen de desvanecimiento Radio primera zona de fresnel Perdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor -5.338 dB Atenuación por vegetación 0.3388 dB 1.007 mt Figura de ruido 0.5115 dB 116.49 dB Potencia de ruido -101 dB -85.58 dBm Ganancia de antena Tx 15.85 dBd Potencia mínima requerida 14.58 dBm Ganancia de antena Rx 15.85 dBd Potencia Fabricante 19.3 dBm Ganancia del sistema 80.165 dBi PIRE 36.94 dBm 22.485 mt Atenuación por lluvia 0.0029 dB Altura mínima requerida en receptor Distancia recorrida del enlace 7.1.1.2.2 2.7489 Km Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 21: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros. Fuente [SOP-RF] Dalcahue – Astilleros Ganancia antena Tx 18 dBi Frecuencia de transmisión 5.8 Ghz Ganancia antena Rx 18 dBi Tasa de lluvias 7 mm/h Ancho de banda 20 Mhz Altura vegetación 1m Confiabilidad del sistema 99.9% Temperatura ambiente 8º C Relación de señal a ruido 15 dB Altura antena Transmisora 30 mt 7.1.1.2.3 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 22: Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros. Fuente [SOP-RF] Dalcahue Astilleros Latitud 42° 22 '44.70" S 42° 23' 52.50" S Longitud 73° 39' 5.10" O 73° 40' 23.30" O 70 7.1.1.2.4 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 23: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros. Fuente [SOP-RF] Tipo de línea de transmisión LRM900 Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt 30 mt 16 dB Sistema Radiador Principal Modelo Ganancia Tx Rx Tx Rx 7.1.1.3 SkyGateway SkyExtender 18 dBi 18 dBi Azimut Elevación 229º 25” 37.8‟ 40º 25” 37.8‟ 0.4271º 1.3271º Resultados obtenidos con la herramienta de software Radio Mobile. Para mayor información con respecto a instalación y utilización de la herramienta Radio Mobile consultar. [GAR06] La figura Nº 37 muestra el mapa que entrega la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software Radio Mobile. Figura Nº 37: Mapa de la ubicación del enlace Dalcahue-Astilleros obtenido con Radio Mobile. 71 Una vez descargado el mapa y obtenido la ubicación del enlace punto a punto, se ingresan todos los datos necesarios para que Radio Mobile entregue una simulación lo más cercana a la realidad. En la figura Nº 38 vemos los resultados de la simulación del enlace Dalcahue-Astilleros. Figura Nº 38: Resultados de la simulación del enlace punto a punto entre Dalcahue y Astilleros. Fuente [Radio mobile] En la siguiente sección se muestra en detalle los resultados obtenidos por la herramienta Radio Mobile. 7.1.1.3.1 Resultados simulación. Tabla Nº 24: Análisis de potencia enlace Dalcahue – Astilleros. Fuente [Radio Mobile] Dalcahue – Astilleros Margen de desvanecimiento Distancia a posible obstáculo Pérdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor ---- Atenuación por vegetación ---- ---- Figura de ruido ---- 124.4 dB Potencia de ruido ---- -84.4 dBm Ganancia de antena Tx 15.85 dBd Potencia mínima requerida ----- Ganancia de antena Rx 15.85 dBd Potencia Fabricante 19.3 dBm Ganancia del sistema 80.165 dBi PIRE ---- 8 mt Atenuación por lluvia ---- Altura mínima requerida en receptor Distancia recorrida del enlace 72 2.75 Km 7.1.1.3.2 Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 25: Parámetros del enlace Dalcahue – Astilleros. Fuente [Radio Mobile] Dalcahue – Astilleros Ganancia Antena Tx Ganancia antena Rx Ancho de banda Confiabilidad del sistema 18 dBi 18 dBi ---99.9% Frecuencia de transmisión Tasa de lluvias Altura vegetación Temperatura ambiente 5.8 Ghz ---------- Relación de señal a ruido ---- Altura antena Transmisora 30 mt 7.1.1.3.3 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 26: Ubicación geográfica Dalcahue – Astilleros. Fuente [Radio Mobile] Dalcahue Astilleros Latitud 42° 22 „44.70” S 42° 23‟ 52.50” S Longitud 73° 39‟ 5.10” O 73° 40‟ 23.30” O 7.1.1.3.4 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 27: Especificación de equipos Dalcahue – Astilleros. Fuente [Radio Mobile] --------1 dB Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión Sistema Radiador Principal Tx Rx Tx Rx 7.1.2 Enlace 2: Modelo Ganancia SkyGateway SkyExtender 18 dBi 18 dBi Azimut Elevación 229º 25” 37.8‟ ----- 0.4271º ----- Hacienda Parga – Punotro. El enlace se ha creado en base a las coordenadas obtenidas en terreno mediante un Gps, las cuales pertenecen a la Hacienda Parga y el sector de Punotro, ubicadas en la isla de Chiloé. A continuación la figura Nº 39 muestra el mapa de la ubicación geográfica de la zona donde se ubica el enlace, este mapa se obtuvo mediante la herramienta Google Eearth. 73 Figura Nº 39: Mapa de la ubicación del enlace Parga – Punotro obtenido con Google Earth. Fuente [Google Earth] La salida del enlace realizara un recorrido de 47.86 Km atravesando parte del oceánico pacifico al sur rumbo al sector de Punotro. Este enlace se diseñará con equipos Redline, los cuales utilizan antenas tipo panel incorporadas y trabajarán a una frecuencia de 5.84 Ghz, dada las condiciones del terreno el enlace presenta línea vista sin la necesidad de utilizar un repetidoras. 7.1.2.1 Datos reales enlace punto a punto entre Parga y Punotro. Este enlace punto a punto funciona en forma óptima con antenas Redline, estas antenas dependiendo del clima cambian en forma automática la modulación utilizada y por ende cambia la velocidad de transferencia de datos (Ver tabla Nº 28). La modulación por defecto es de QPSK ¾ con una velocidad de transferencia de 18 Mbps y una potencia de transmisión de 20 dBm. 74 Tabla Nº 28: Modulación para antenas Redline AN-50-e. Fuente [RED] Potencia de transmisión (dBm) Modulación Velocidad transferencia (Mbps) Sensibilidad (dBm) 20 20 20 20 20 19 15 14 BPSK ½ BPSK ¾ QPSK ½ QPSK ¾ 16QAM ½ 16QAM ¾ 64QAM ½ 64QAM ¾ 6 9 12 18 24 36 48 54 -85 -84 -83 -81 -80 -75 -70 -66 7.1.2.1.1 Parámetros Reales del enlace entre Parga y Punotro. Tabla Nº 29: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro. Hacienda Parga – Punotro 20 dBm 23 dBi 23 dBi -81 dBm 43 dBm 5.7 Ghz Potencia de transmisión Ganancia antena Tx Ganancia antena Rx Sensibilidad del receptor PIRE Frecuencia de transmisión 7.1.2.1.2 20 Mhz 99.9% 30 mt 24 mt 47.86 Km 22000 mt Ancho de banda Confiabilidad del sistema Altura antena Transmisora Altura antena Receptora Distancia recorrida del enlace Distancia a posible obstáculo Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 30: Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro. Hacienda Parga Punotro Latitud 41° 27‟ 56.60”S 73°50‟12.80”O Longitud 41° 53‟ 47.10”S 73°50‟26.10”O 7.1.2.1.3 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 31: Especificación de equipos Parga – Punotro. LRM600 30 mt 16 dB Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt Tx Modelo Ganancia RedLine AN-50-e 23 dBi 75 Continuación Tabla Nº 31. Sistema Radiador Principal Rx Tx Rx 7.1.2.2 RedLine AN-50-e 23 dBi Azimut Elevación 230º 21” 7.8‟ 39º 23” 18.4‟ 0.5571º 1.4671º Resultados obtenidos con el software SOP-RF La figura Nº 40 muestra el mapa con la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software SOP-RF. Figura Nº 40. Mapa de la ubicación del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Una vez ingresados todos los datos necesarios para que el software de predicción entregue una simulación lo más cercana a la realidad, se obtienen los resultados los cuales se muestran en las figuras Nº 41, 42 y 43. 76 Figura Nº 41: Resultados del transmisor del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Figura Nº 42: Resultados del receptor del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Figura Nº 43: Resultados de la trayectoria del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] En la siguiente sección muestra en detalle los resultados obtenidos por el software SOPRF. 77 7.1.2.2.1 Resultados simulación. Tabla Nº 32: Análisis de potencia enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Hacienda Parga – Punotro Margen de desvanecimiento Radio primera zona de fresnel Pérdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor 28.832 dB Atenuación por vegetación 0.3371 dB 5.2319 mt Figura de ruido 0.5115 dB 141.21 dB Potencia de ruido -101 dB -85.58 dBm Ganancia de antena Tx 20.85 dBd Potencia mínima requerida Potencia Fabricante 15.916 dBm Ganancia de antena Rx 20.85 dBd 20 dBm Ganancia del sistema 129.50 dBi PIRE 42.462 dBm 22.831 mt Atenuación por lluvia 0.0435 dB Altura mínima requerida en receptor Distancia recorrida del enlace 7.1.2.2.2 48.164 Km Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 33: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Hacienda Parga – Punotro Ganancia Antena Tx 20.85 dBi Frecuencia de transmisión 5.7 Ghz Ganancia antena Rx 20.85 dBi Tasa de lluvias 3.75 mm/h Ancho de banda 20 Mhz Altura vegetación 1m Confiabilidad del sistema Relación de señal a ruido 99.9% 15 dB Temperatura ambiente Altura antena Transmisora 8º C 30 mt 7.1.2.2.3 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 34: Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Latitud Longitud 7.1.2.2.4 Hacienda Parga Punotro 41° 27‟ 56.60”S 41° 53‟ 47.10”S 73°50‟12.80”O 73°50‟26.10”O Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 35: Especificación de equipos Parga – Punotro. Fuente [SOP-RF] Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt 78 LRM600 30 mt 16 dB Continuación de Tabla Nº 35. Sistema Radiador Principal Modelo Ganancia Tx RedLine AN-50-e 23 dBi Rx RedLine AN-50-e 23 dBi Azimut Elevación Tx 229º 25” 37.8‟ 0.4271º Rx 40º 25” 37.8‟ 1.3271º 7.1.2.3 Resultados obtenidos con la herramienta de software Radio Mobile. La figura Nº 44 muestra el mapa con la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software Radio Mobile. Figura Nº 44: Mapa de la ubicación del enlace Hacienda Parga – Punotro obtenido Radio Mobile. Fuente [Radio mobile] Una vez descargado el mapa y obtenido la ubicación del enlace punto a punto, se ingresan todos los datos necesarios para que Radio Mobile entregue una simulación lo más cercana a la realidad. En la figura Nº 45 vemos los resultados de la simulación del enlace Parga – Punotro. 79 Figura Nº 45: Resultados de la simulación del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [Radio mobile] En la siguiente sección muestra en detalle los resultados obtenidos por la herramienta Radio Mobile. 7.1.2.3.1 Resultados simulación. Tabla Nº 36: Análisis de potencia enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [Radio Mobile] Hacienda Parga – Punotro Margen de desvanecimiento ----- Atenuación por vegetación ---- Distancia a posible obstáculo Pérdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor ----- Figura de ruido ---- 140.4 dB Potencia de ruido ---- -80 dBm Ganancia de antena Tx 20.85 dBd Potencia mínima requerida ----- Ganancia de antena Rx 20.85 dBd Potencia Fabricante 20 dBm Ganancia del sistema ---- PIRE ----- 24 mt Atenuación por lluvia ---- Altura mínima requerida en receptor Distancia recorrida del enlace 80 47.86 Km 7.1.2.3.2 Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 37: Parámetros del enlace Hacienda Parga – Punotro. Fuente [Radio Mobile] Hacienda Parga – Punotro Ganancia Antena Tx 23 dBi Ganancia antena Rx 23 dBi Ancho de banda 20 Mhz Confiabilidad del sistema 99.9% Relación de señal a ruido ----- Frecuencia de transmisión 5.7 Ghz Tasa de lluvias 5 mm/h Altura vegetación 1m Temperatura ambiente 8º C Altura antena Transmisora 30 mt 7.1.2.3.3 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 38. Ubicación geográfica Hacienda Parga – Punotro. Fuente [Radio Mobile] Hacienda Parga Punotro Latitud 41° 27‟ 56.60”S 73°50‟12.80”O Longitud 41° 53‟ 47.10”S 73°50‟26.10”O 7.1.2.3.4 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 39: Especificación de equipos Parga – Punotro. Fuente [Radio Mobile] Tipo de línea de transmisión ---------- Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión Sistema Radiador Principal Tx Rx Tx Rx Modelo Ganancia RedLine AN-50-e RedLine AN-50-e 23 dbi 23 dbi Azimut Elevación 180.4º 0.06º ----- ----- 81 7.1.3 Enlace 3: Coz Coz – Milahue. A continuación la figura Nº 46 muestra el mapa con la ubicación geográfica de la zona donde se ubica el enlace, este mapa se obtuvo mediante la herramienta Google Eearth. Figura Nº 46.: Mapa de la ubicación del enlace Coz Coz – Milahue obtenido con Google Earth. Fuente [Google Earth] La salida del enlace realizará un recorrido de 12.73 Km atravesando parte de la ciudad de Panguipulli. Este enlace se diseñará con equipos SkyPilot, los cuales utilizan antenas tipo panel incorporadas y trabajarán a una frecuencia de 5.8 Ghz, dada las condiciones del terreno el enlace presenta línea vista sin la necesidad de utilizar repetidoras. 7.1.3.1 Datos reales enlace punto a punto entre Coz Coz – Milahue. Este enlace punto a punto funciona en forma optima con antenas SkyPilot, estas antenas dependiendo del clima cambian en forma automática la modulación utilizada y por ende también la velocidad de transferencia de datos (Ver tabla Nº 16). La modulación por defecto es de QPSK ¾ con una velocidad de transferencia de 18 Mbps y una potencia de transmisión de 22 dBm. 82 7.1.3.1.1 Parámetros Reales del enlace punto a punto entre Coz Coz y Milahue. Tabla Nº 40: Parámetros del enlace Hacienda Coz-Coz-Milahue. Coz Coz – Milahue Potencia de transmisión Ganancia Antena Tx Ganancia antena Rx Sensibilidad del receptor PIRE Frecuencia de transmisión 7.1.3.1.2 22 dBm 18 dBi 18 dBi -84 dBm 40 dBm 5.8 Ghz Ancho de banda Confiabilidad del sistema Altura antena Receptora Altura antena Transmisora Distancia recorrida del enlace Distancia a posible obstáculo. 20 Mhz 99.9% 14 mt 28 mt 12.73 Km 200 mt Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 41: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue. Coz Coz Milahue Latitud 39º 37 „ 8.40” S 39º 40‟ 32.80” S Longitud 72° 15‟ 33.2 “ O 72° 23‟ 4.6” O 7.1.3.1.3 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 42: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue. LRM900 10 mt 16 dB Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt Sistema Radiador Principal Tx Rx Tx Rx 7.1.3.2 Modelo Ganancia SkyGateway SkyExtender 22 dBi 22 dBi Azimut Elevación 237º 15‟ 32” 0.9976º 59º 23” 42.‟ 0.02566º Resultados obtenidos con el software SOP-RF. La figura Nº 47 muestra el mapa con la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software SOP-RF. 83 Figura Nº 47: Mapa de la ubicación del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] Una vez ingresados todos los datos necesarios para que el software de predicción entregue una simulación lo más cercana a la realidad, se obtienen los resultados los cuales se muestran en las figuras Nº 48, 49 y 50. Figura Nº 48: Resultados del transmisor de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] 84 Figura Nº 49: Resultados del receptor de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] Figura Nº 50: Resultados de la trayectoria de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] En la siguiente sección se mostrará en detalle los resultados obtenidos por el software SOP-RF. 7.1.3.2.1 Resultados simulación. Tabla Nº 43: Análisis de potencia enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] Coz Coz – Milahue Margen de desvanecimiento 8.4789 dB Atenuación por vegetación 0.8901 dB Radio primera zona de fresnel Pérdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor 2.3249 mt Figura de ruido 0.4139 dB 129.75 dB Potencia de ruido -101 dB -85.65 dBm Ganancia de antena Tx 15.85 dBd Potencia mínima requerida 14.58 dBm Ganancia de antena Rx 15.85 dBd 85 Continuación figura Nº 43. Coz Coz – Milahue Potencia Fabricante 22 dBm Ganancia del sistema 107.86 dBi PIRE 39.64 dBm 23.442 mt Atenuación por lluvia 0.00239 dB Altura mínima requerida en receptor Distancia recorrida del enlace 7.1.3.2.2 12.650 Km Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 44: Parámetros del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] Coz Coz – Milahue Ganancia Antena Tx 18 dBi 5.8 Ghz 18 dBi Frecuencia de transmisión Tasa de lluvias Ganancia antena Rx Ancho de banda 20 Mhz Altura vegetación 1m Confiabilidad del sistema 99.9% 10º C Relación de señal a ruido 15 dB Temperatura ambiente Altura antena Transmisora 7.1.3.2.3 5 mm/h 10 mt Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 45: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] Coz Coz Milahue Latitud 39º 37 „ 8.40” S 39º 40‟ 32.80” S Longitud 72° 15‟ 33.2 “ O 72° 23‟ 4.6” O 7.1.3.2.4 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 46: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue. Fuente [SOP-RF] LRM900 10 mt 16 dB Tipo de línea de transmisión Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión dB/100 mt Sistema Radiador Principal Modelo Ganancia SkyGateway SkyExtender 22 dBi 22 dBi Azimut Elevación Tx 238º 5‟ 12” 0.8976º Rx 60º 5” 12.‟ 0.0866º Tx Rx 86 7.1.3.3 Resultados obtenidos con la herramienta de software Radio Mobile. La figura Nº 51 muestra el mapa con la ubicación exacta de la zona donde está el enlace punto a punto. Este mapa es desplegado mediante el software Radio Mobile. Figura Nº 51: Mapa de la ubicación del enlace Coz Coz– Milahue obtenido con Radio Mobile. Fuente [Radio mobile] Una vez descargado el mapa y obtenido la ubicación del enlace punto a punto, se ingresan todos los datos necesarios para que Radio Mobile entregue una simulación lo más cercana a la realidad. En la figura Nº 52 vemos los resultados de la simulación del enlace Coz Coz– Milahue. 87 Figura Nº 52: Resultados de la simulación del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [Radio mobile] En la siguiente sección se muestra en detalle los resultados obtenidos por la herramienta Radio Mobile. 7.1.3.3.1 Análisis de resultados. Tabla Nº 47: Análisis de potencia enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [Radio Mobile] Hacienda Parga – Punotro Margen de desvanecimiento Distancia a posible obstáculo Perdida de trayectoria por espacio libre Sensibilidad del receptor ----- Atenuación por vegetación ----- ----- Figura de ruido ----- 130 dB Potencia de ruido ----- -84 dBm Ganancia de antena Tx 15.85 dBd Potencia mínima requerida Potencia Fabricante ----- Ganancia de antena Rx 15.85 dBd 22 dBm Ganancia del sistema ----- PIRE ----- Altura receptor 28 mt Atenuación por lluvia ----- Distancia recorrida del enlace 12.73 Km 88 7.1.3.3.2 Parámetros del enlace RF. Tabla Nº 48: Parámetros del enlace Coz Coz – Milahue. Fuente [Radio Mobile] Dalcahue – Astilleros Ganancia Antena Tx 18 dBi Frecuencia de transmisión 5.8 Ghz Ganancia antena Rx 18 dBi Tasa de lluvias ----- Ancho de banda 20 Mhz Altura vegetación ----- Confiabilidad del sistema 99.9% Temperatura ambiente ----- Relación de señal a ruido ----- Altura antena Transmisora 14 mt 7.1.3.3.3 Coordenadas del lugar de la antena. Tabla Nº 49: Ubicación geográfica Coz Coz – Milahue. Fuente [Radio Mobile] Coz coz Milahue Latitud 39º 37 „ 8.40” S 39º 40‟ 32.80” S Longitud 72° 15‟ 33.2 “ O 72° 23‟ 4.6” O 7.1.3.3.4 Equipos para el enlace RF. Tabla Nº 50: Especificación de equipos Coz Coz – Milahue. Fuente [Radio Mobile] Tipo de línea de transmisión ---- Longitud de línea de transmisión Atenuación de línea de transmisión ----1 dBi Sistema Radiador Principal Modelo Ganancia Tx Rx Tx Rx 7.2 SkyGateway SkyExtender 18 dBi 18 dBi Azimut Elevación 240º 0.992º ----- ----- Análisis de resultados. Recordemos que en el punto 7.1 se diseñaron tres enlaces RF con ubicación geográfica y tecnologías diferentes, en las cuales se utilizó para su diseño la herramienta SOP-RF y Radio Mobile. Estos enlaces fueron diseñados en base a datos reales con la finalidad de poder verificar si estas herramientas utilizadas son aptas para el diseño de enlaces punto a punto. 89 Para la obtención de resultados se utilizaron algunos de los datos reales más relevantes como: Potencia de transmisión, sensibilidad del receptor, PIRE, altura de antena receptora y distancia recorrida del enlace. A continuación se mencionan en detalle los resultados de enlaces diseñados: 7.2.1 Resultados enlace 1. Si analizamos parámetro por parámetro se observa que para: Potencia de transmisión. SOP-RF generó un valor de 14.58 dBm, el cual varía 5.42 dBm con respecto al valor de referencia que es 20 dBm, Pero esta variación se debe a que esta herramienta entrega la potencia mínima necesaria para que el enlace logre conectividad, por ende a mayor potencia, mayor efectividad. Radio Mobile obtuvo la misma potencia que el valor de referencia ya que este valor se ingresa como requisito para el diseño. Sensibilidad del receptor. SOP-RF generó un valor de -85.48 dBm el cual varía 4.48 dBm con respecto al valor de referencia que es -81 dBm, pero no afecta mayormente en la conectividad del enlace. Este valor nos indica que el dispositivo SkyPilot utilizará una modulación más baja BPSK ½ que la que modulación 16QAM ½ que utiliza por defecto, lo cual trae como consecuencia una baja en la velocidad de transmisión (Ver tabla Nº 16). Al comparar SOP-RF con Radio Mobile también se observa que existe una leve diferencia. PIRE. SOP-RF generó un valor de 36.94 dBi el cual varía 0.36 dbi con respecto al valor de referencia que es 37.3 dBi. Para Radio Mobile no hubo comparación ya que este no genera ese parámetro. 90 Altura de antena. SOP-RF generó un valor de 22.48 metros el cual varía 1.52 metros con respecto al valor de referencia que es 24 metros. Al comparar la herramienta SOP-RF con Radio Mobile se obtuvo una diferencia de 4.485 metros, esto se debe a que en la herramienta Radio Mobile se puede ir variando la altura hasta obtener un rendimiento óptimo del enlace RF. Distancia recorrida. En este punto entre Radio Mobile y el valor de referencia es el mismo. Y al compararlo con SOP-RF existe una diferencia de dos metros. Para el enlace 1 se observa que los resultados obtenidos por las herramientas seleccionadas para el diseño de enlaces RF son muy cercanos a la realidad (Ver figura Nº 53). Figura Nº 53: Grafica comparativa de resultados para el enlace 1. Fuente [Excel 2007] 7.2.2 Resultados enlace 2. Si analizamos parámetro por parámetro se observa que para: 91 Potencia de transmisión. SOP-RF generó un valor de 15.916 dBm, el cual varía 4.014 metros con respecto al valor de referencia que es 20 dBm, Pero esta variación se debe a que esta herramienta entrega la potencia mínima necesaria para que el enlace logre un funcionamiento adecuado, por ende a mayor potencia, mayor efectividad. Radio Mobile obtuvo la misma potencia que el valor de referencia ya que este valor se ingresa como requisito para el diseño. Sensibilidad del receptor. SOP-RF generó un valor de -85.65 dBm el cual solo varía en 1.65 dBm con respecto al valor de referencia que es – 81 dBm, pero no afecta mayormente en la conectividad del enlace. Este valor nos indica que el dispositivo Redline utilizará una modulación más baja BPSK ½ que la que utiliza por defecto QPSK ¾, lo cual trae como consecuencia una baja en la velocidad de transmisión (Ver tabla Nº 28). Al comparar SOP-RF con Radio Mobile también se observa que existe una leve diferencia. PIRE. SOP-RF generó un valor de 43 dBi el cual varía solo en 0.538 dBi con respecto al valor de referencia que es 42.462 dBi. Para Radio Mobile no hubo comparación ya que este no genera es parámetro. Altura de antena. SOP-RF generó un valor de 22.831 metros el cual varía en solo 1.169 metros con respecto al valor de referencia que es 24 metros. En este enlace para la herramienta Radio Mobile se ingreso la altura de 24 metros ya que con esta altura el enlace obtenía su óptimo rendimiento. Distancia recorrida. En este punto entre Radio Mobile y el valor de referencia es el mismo. Y al compararlo con SOP-RF existe una diferencia de 304 metros. Para el enlace 2 se dan resultados parecidos al enlace 1, en cuanto a su similitud con los datos reales utilizados (Ver figura Nº 54). 92 Figura Nº 54: Grafica comparativa de resultados para el enlace 2. Fuente [Excel 2007] 7.2.3 Resultados enlace 3. Si analizamos parámetro por parámetro se observa que para: Potencia de transmisión. SOP-RF generó un valor de 15.21 dBm, el cual varía 4.79 dBm con respecto al valor de referencia que es 20 dBm, Pero esta variación se debe a que esta herramienta entrega la potencia mínima necesaria para que el enlace logre un funcionamiento adecuado, por ende a mayor potencia, mayor efectividad. Radio Mobile obtuvo la misma potencia que el valor de referencia ya que este valor se ingresa como requisito para el diseño. Sensibilidad del receptor. SOP-RF generó un valor de -85.65 dBm el cual varía un poco con respecto al valor de referencia que es -84 dBm, pero no afecta mayormente en la conectividad del enlace. Este valor nos indica que el dispositivo SkyPilot utilizará una modulación BPSK ½ que es más baja que la BPSK ¾ utilizada por defecto, lo cual trae como consecuencia una baja en la velocidad de transmisión (Ver tabla Nº 16). 93 Al comparar SOP-RF con Radio Mobile también se observa que existe una leve diferencia. PIRE. SOP-RF generó un valor de 39.64 dBi el cual varía solo en 0.36 dBi con respecto al valor de referencia que es 40 dBi. Para Radio Mobile no hubo comparación ya que este no genera es parámetro. Altura de antena. SOP-RF generó un valor de 23.44 metros el cual varía en solo 9.44 metros con respecto al valor de referencia que es 14 metros. En este enlace para la herramienta Radio Mobile se ingreso la altura de 28 metros ya que con esta altura el enlace obtenía su óptimo rendimiento. Existe una diferencia de 14 metros con los parámetros de referencia. Distancia recorrida. En este punto entre Radio Mobile y el valor de referencia es el mismo. Y al compararlo con SOP-RF existe una diferencia de 80 metros. Al igual que los enlaces anteriores, en este enlace los resultados son similares a los datos reales (Ver figura Nº 55). Figura Nº 55: Grafica comparativa de resultados para el enlace 3. Fuente [Excel 2007] 94 8 CONCLUSIONES El trabajo de titulo permitió identificar y comprender un conjunto de tecnologías que permiten conectividad inalámbrica, entre las que destacan: 802.11a/b/g y WiMax. Las tecnologías seleccionadas fueron las provistas por las empresas SkyPilot y Redline, estas tecnologías están implementadas en la Zona Sur de Chile y uno de los principales factores de éxito del trabajo de titulo se basa en que se pudo obtener información de enlaces reales, con los que se realizaron comparaciones y ajustes. Luego de identificar distintos modelos matemáticos para realizar enlaces de radio, se seleccionó el Modelo de propagación para el espacio libre principalmente por ser el que mejor se adapta a los enlaces con los que se realizaron las comparaciones. Se evaluaron diferentes herramientas de software que complementarían a SOP-RF, el software seleccionado fue RadioMobil, el cual es una potente herramienta que basa sus cálculos en el modelo matemático Langley-Rice. Esta herramienta entre uno de sus atributos más importantes destaca la obtención de elevaciones y la detección de obstáculos, ya que muestra el terreno visto desde un ángulo frontal en 2D. Se diseñó y desarrolló un software que permite modelar enlaces de radio frecuencia vía terrestre, se consideraron aspectos como: ganancia de las antenas, potencia de transmisión, figura de ruido, ubicación de las estaciones, PIRE, ancho de banda del transmisor, perdidas de la trayectoria (espacio libre, factores climáticos, factores del terreno). El software desarrollado provee una herramienta de ubicación geográfica mediante el API de Google Maps, con la que se accede a mapas de 2D y 3D que pueden ser manipulados en forma interactiva. Para comprobar que las herramientas de software son efectivas a la hora del diseño de enlaces punto a punto, se obtuvieron datos reales de tres enlaces de radio frecuencia, que 95 hoy en día funcionan en forma optima en distintos sectores de la Región de Los Lagos. Luego de la obtención de varios resultados con SOP-RF y Radio Mobile, se realizó un análisis, el cual mostró un muy buen comportamiento en la eficiencia de ambos software en el diseño de enlaces RF. Uno de los principales inconvenientes al emplear modelos en el análisis de radio frecuencia tiene relación con la información de entrada al modelo, dado la variabilidad de equipamiento y sobre todo el terreno y tipo de enlace. Se mostró que una vez definidos claramente los parámetros de entrada y ajustes, los modelos se comportan relativamente 8.1 bien como se pudo comprobar en este trabajo de titulo. RECOMENDACIONES Y MEJORAS. Entre las mejoras que pueden consignarse a futuro, están: - Investigar sobre la existencia de algún modelo matemático creado recientemente, el cual mejore al actual modelo utilizado. - Enfocar el software desarrollado a enlace punto a punto sin línea vista, con uno o varios obstáculos. - Portar el software para ser usado en ambientes móviles, de esta forma podrá ser empleado en terreno. - El entorno geográfico sobre el que se basó el trabajo se hizo en la Región De Los Lagos, sería interesante realizar estudios en otros entornos para evaluar la variabilidad de comportamientos y definir ajustes para el modelo implementado. 96 9 BIBLIOGRAFIA. [ARE00] Ares, R. (2000) Manual de las Infotelecomunicaciones [STA07] Stallings, W. (2007). Comunicaciones y redes de computadores. Pearson. [FLI06] Flickenger, R. (2006). Redes inalámbricas en los países en desarrollo. Primera edición. Limehouse Book Sprint Team [TOM03] Tomasi, W. (2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicos. Pearson educación de Mexico S.A. [RAM] Ramos, F. (n.d) Departamento de Comunicaciones. Radiocomunicaciones y fibra óptica. Disponible en http://www.radioptica.com/Radio/propagacion_milimetricas.asp?pag=2. Consultado el 26 noviembre de 2008. [SAN] Sanchez, R. (n.d). Disponible en http://www.astrosurf.com/explorando/Radiofuentes1.pdf. Consultado el 26 noviembre de 2008 [LUN01] Luna, O. Marco, A. & Sánchez, G. (2001). Instituto tecnológico de Chiguagua. CDMA Multiportadora en Redes inalámbricas de Banda Ancha para Interiores. Disponible en http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/electro/archivo/electro2001/mem2001 /articulos/kom3.pdf. Consultado el 25 de noviembre de 2008. [COR05] Correa, C. Godoy, R. Grote, W. & Orellana M. (2005). Evaluación de Enlaces Inalámbricos Urbanos usando Protocolo IEEE 802.11b. Senacitel, (Universidad Austral de Chile, Chile, Valdivia 10 octubre del 2005). [REU] REUNA (n.d). Difusión Multimedial Inalámbrica IP. Disponible en http://www.inalambrico.reuna.cl/. Consultado el 25 de noviembre de 2008. [DOB06] Dobing. B & Parsons. J.(2006). How UML is used, Communications of the ACM. Mayo 2006. [FRE87] Freeman, R.L. 1994.Reference Manual for Telecommunications Engineering. John Wiley & Sons, Inc. Segunda Edición. New York. 811954 p. [PRA86]: Pratt, T. y C.W. Bostian. 1986. Satellite Communications. John Wiley & Sons, Inc. Primera edición. New York. [NUA98]. Al-Nuaimi, M.O. & R.B.L. Stephens.(1998). Measurements and prediction model optimization for signal attenuation in vegetation media at centimeter wave frequencies. IEE Proc. Microwave Antennas 97 Propagation. [ASE06] Asenjo, E (2006). Optimización e Implementación de la Red Lan del Instituto de Electricidad y Electrónica UACH Disponible en http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2006/bmfcia816o/doc/bmfcia816o.pdf. Consultado el 27 de noviembre del 2008. [ALP08] Alpuente, J. (n.d) Disponible en http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/it/po/apuntes/PropEL.pdf Consultado el 30 de noviembre del 2008 [BAR03] Baradello, C. (2003). Instituto para la conectividad en las Americas. Introducción a las Redes Wi-Fi: Los Estándares Técnicos 802.11 b/g/a. Disponible en http://profeeduardo.com.ar/1/apuntes/wifi1.pdf. Consultado el 28 de noviembre del 2008. [LIM05] Limanao, A. (2005). Diseño Red Hibrida Fibra Radiofrecuencia, HFR. Disponible en http://www.scribd.com/doc/6528613/diseno-red-hibridafibra-radiofrecuencia-hfr. Consultado el 26 de noviembre del 2008. [MAZ] Mazzaro, M. Modelización de canal de RF para las frecuencias de 850 MHz Y 1900 MHz. [TOM03] Tomasi, W. (2003). Sistemas de comunicaciones electrónicas. Prentice Hall, Inc. 4ta edición. México. [COR03] Cortez. T. (2003). Propagación de RF en las bandas: LF, MF, HF, VHF, UHF y VHF. Disponible en http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/trevino_c_jt/portada. html Consultado el 30 noviembre del 2008. [SUB08] Subsecretaria de telecomunicaciones de Chile.(n.d) Disponible en http://www.subtel.cl. Consultado el 2 de diciembre del 2008. [SAN07] Sánchez, C. Universidad politécnica de Cataluña . Diseño e implementación con DSP de un modulador Wimax. [GAR06] Garnacho, P. (n.d) Manual de uso de Radio Mobilee. Disponible en http://download.ehas.org/docs/manual_radiomobile.doc Consultado el 10 de agosto del 2008. [JAR05] Jara. A. Multiplexación por división de frecuencia. Ortogonal modificada (COFDM) Disponible en http://usuario.cicese.mx/~luisvi/Tesistas/CJP_Tesis.pdf Consultado el 11 de septiembre 2008. [COU07] Couch, Leon W. (1997) Sistemas de Comunicación Digitales y Analógicos, Editorial 98 Prentice Hall, Mexico 1997. [MON05] Montiel. A. (n.d). Simulación de un Transmisor OFDM Basado en el Estándar IEEE 802.11a Usando SERENADE. Disponible en http://alejovzla.tripod.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/tesiscorregida. pdf Consultado el 11 de septiembre del 2008. [PER04] Perez. C. (n.d). Transmisión de Televisión Modulación COFDM Disponible en http://personales.unican.es/perezvr/pdf/Estandares%20de%20transmision% 20digital.pdf Consultado el 11 de septiembre del 2008 [TER01] Terry. J. (2001). OFDM Wirelees LANs:a Theoretical and Practical Guide. Sams Publisher, Diciembre 2001 [MON] (n.d). Disponible en http://www.montevideolibre.org/manuales:libros:mmtk:capitulo_4.2 Consultado 24 de octubre del 2008. [TOR] Torres. S. (n.d) Disponible en http://astroverada.com/_/Main/autores.html Consultado el 25 de octubre del 2008. [CAT] Cataldo Alejandro. (n.d).Universidad de Atacama. Estado actual de WIFI y su aplicación en la macro zona norte de Chile. [COM06] Comunicaciones COMLINK (2006). Conectando redes al mundo. Caracas Venezuela. Disponible en www.redescomlink.com Consultado el 20 de noviembre del 2008. [SKY] SkyPilot Networks. (n.d.) Disponible en www.skypilot.com Consultado 24 agosto de 2008. [RED] Redline communicatons. (n.d) Disponible en www.redlinecommunications.com Consultado el 19 de agosto del 2008. 99 ANEXOS Anexo A. Modelo simplificado de OFDM. A-I ¿Qué es OFDM? Multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) se basa en dividir el canal de comunicaciones en el dominio de la frecuencia en varios canales más pequeños, en los cuales en cada uno de estos se transmite una subportadora. Cada una de las N subportadoras que se transmiten en los N subcanales deben ser ortogonales entre sí, de esta manera las subportadporas se traslapan, obteniendo de esta manera una modulación específicamente diseñada para combatir los efectos del multitrayecto y otros tipos de interferencias que afectan a receptores fijos y móviles. En este caso las subportadoras que son ortogonales pueden ser distinguidas una de otra en el receptor. [JAR05] La información que se envía es multiplexada en las subportadoras y se transmite entonces en forma paralela, ahora en vez de enviar una portadora que utilice todo el ancho de banda disponible, se envían varias subportadoras con un ancho de banda N veces menor [COU07]. En la figura Nº 57 se ilustra la diferencia entre la técnica convencional multiportadora y la técnica OFDM, donde se observa el mejor aprovechamiento del ancho de banda para esta última. Figura N° 57: Técnica multiportadora convencional FDM (a) y técnica de modulación utilizando subportadoras ortogonales (b). Fuente [JAR05] 100 A-II Ventajas de OFDM. Alta eficiencia espectral. Resistencia a desvanecimientos por multitrayectos. Resistencia a desvanecimientos selectivos en frecuencia. Resistencia a la dispersión de la señal. Resistencia a la distorsión de fase. Fácil ecualización del canal. Alta inmunidad a ráfagas de ruido.[MON05] A-III Desventajas de OFDM. Se produce un fenómeno conocido como ICI (Inter Carrier Interference), en el cual, la calidad del enlace se degrada de manera considerable al existir variaciones en frecuencia de las subportadoras, ya que se pierde la ortogonalidad y las subportadoras interfieren entre sí. Debido a la complejidad de la técnica de modulación se requiere de capacidades elevadas de procesamiento de señales. Alto valor en la relación de potencia pico a potencia promedio (“peak-to-average power ratio”). Requerimiento de circuitos altamente lineales.[MON05] A-IV Principios de OFDM. Descripción cualitativa de OFDM. A continuación se muestra un modelo simplificado de un transmisor OFDM: En un sistema OFDM se toma un conjunto M de datos binarios de información y se hacen pasar a través del bloque de Código Convolucional, el cual los codifica según la tasa de código establecida transformándose en un conjunto de N bits. Al codificar la señal se agrega información redundante, lo que implica que a la salida del codificador se obtiene entonces una cantidad de bits mayor a la cantidad de bits en la entrada (M < N), [MON05]. Luego se agrupan varios bits en el entrelazador de 101 frecuencias para causar un desorden seudoalatorio con lo que se consigue distribuir los bits de datos entre las portadoras dentro de un símbolo OFDM. Inmediatamente después los datos entrelazados en frecuencia se ingresan al modulador OFDM la cual dependiendo de la constelación utilizada, cada subportadora transportará 2, 4 u 8 bits de información. Cada punto de la constelación se puede representar por un número complejo. Así, la primera etapa en el proceso de modulación OFDM es el de mapear los grupos de 2, 4 u 8 bits en las componentes real e imaginaria que corresponden al número complejo en la constelación. Estos números complejos corresponden a una representación en el dominio de la frecuencia y para trasladarlos al dominio del tiempo es necesario aplicar la Transformada rápida de Furrier inversa (IFFT) [PER04] que consiste en agrupar 8 símbolos que corresponde a 8 puntos que va procesar la IFFT a la vez, para luego generar un símbolo útil formado por 8 muestras con duración T u constituido por 8 portadoras ortogonales entre sí (separadas en frecuencia en múltiplos de 1/T u) y finalmente se inserta un intervalo de guarda que tiene como función eliminar la ISI, este último es una extensión cíclica de IFFT que es solo una copia de un determinado número de las últimas muestras de la salida de la IFFT que son muestras agregadas al comienzo del símbolo útil, por lo tanto, la IFFT genera un solo símbolo que es llamado símbolo OFDM. El cual está formado por un símbolo útil y un intervalo de guarda. Ahora la señal a transmitir se debe ajustar debido que está en banda base, la salida Q-I es todavía digital para ello es necesario convertirla a una señal análoga usando dos conversores digital-análogo (DAC), para luego ser modulada en RF usando un modulador en cuadratura. La señal OFDM de salida se aprecia que hay 8 portadoras que son ortogonales entre sí, que están centradas a una frecuencia central Fc en un ancho de banda (BW). [JAR05] 102 Figura N°9: Transmisor OFDM. Figura N° 58: Señal OFDM de salida. Fuente [JAR05] El ancho de banda (BW) es cociente entre el número de portadora (Np) y la duración del símbolo útil (Tu) que está representada por la siguiente expresión: (41) La tasa binaria a transmitir (Tb) es: (42) (43) 103 Donde, Np es el número de portadora datos, Nbm es el número de bit por símbolo del esquema de modulación empleadas por las portadoras de datos (por ejemplo 6 bit para de QAM-64), Tu es la duración del símbolo útil, Tc es la tasa del codificador FEC y Δ es la duración del intervalo de guarda. El receptor OFDM, se asume que la señal transmitida llega en forma íntegra, es decir, no sufre de ningún tipo de degradación o interferencia y vuelve en fase al receptor para así obviar la parte de sincronización en el receptor y ecualización. La señal recibida ingresa al demodulado de RF y la salida Q-I análogas son convertidas a Q-I digitales usando dos ADC (conversor análogo digital) para ello se hace un muestreo de la señal OFDM con un periodo de muestreo T u / Np, luego ingresan las señales Q-I en banda base al demodulador OFDM que tiene como función eliminar el intervalo guarda con lo que se elimina las primeras muestra que contienen el intervalo de guarda, después se realiza FFT donde se agrupan 8 muestra que va procesar para entregar 8 símbolos que van hacer demodulados cada uno finalmente por el demodulador QPSK pasando de símbolo a bits. Posteriormente un grupo de bits es agrupado en el desentrelazador en frecuencia para reordenarlos, recuperando así los bits de datos transmitidos. [JAR05] Figura N° 59: Receptor OFDM. Fuente [JAR05] 104 A-V Portadoras en el sistema COFDM Esquemas de modulación de las portadoras En cada símbolo OFDM, cada portadora es modulada (multiplicada) por un número complejo tomado desde una constelación fija que es un símbolo. Cuanto más estado hay en la constelación, más bits pueden ser transmitidos por cada portadora durante un símbolo OFDM, pero más cerca llegan a estar los puntos de la constelación, asumiendo constante la potencia transmitida. Modulación de amplitud en cuadratura (QAM) La modulación QAM tiene la particularidad de modificar tanto la fase como la amplitud de la portadora, manteniendo constante la frecuencia de la misma, por lo que se considera una combinación de ASK y PSK. En esta se presentan componentes tanto en fase como en cuadratura (I/Q). Por lo que su constelación está formada por símbolos con componentes tanto en I como en Q. A continuación se presentan constelaciones QAM de 8 y 16 símbolos. Figura Nº 60: Constelación 8 QAM y 16 QAM. Fuente [JAR05] Para información más detallada acerca de esquemas de modulación digital consultar [TER01] 105 Anexo B. Latitud. Distancia angular, medida sobre el meridiano, entre la línea ecuatorial y el paralelo de una localización terrestre. Anexo C. Longitud. Expresa la distancia angular, medida paralelamente al plano Ecuador terrestre, entre el meridiano de Greenwich y un determinado punto de la tierra. Anexo D. Azimut. El valor del azimut indicará el punto exacto en el que debemos fijar la antena en el plano horizontal. Este ángulo se mide desde el norte geográfico en sentido de las agujas del reloj. Hay que tener en cuenta que el polo norte geográfico, utilizado como referencia en todos los mapas, es consecuencia de la división del globo terráqueo en diferentes husos a través de los meridianos. El punto de intersección de todos ellos da a lugar a los polo Norte y Sur., por lo que pasa el eje de giro de la Tierra. El polo Norte magnético es el punto de la superficie terrestre que atrae el extremo rojo de la aguja de la brújula. Este punto no tiene una ubicación física fija ya que varía de lugar a lugar. Anexo E: Dispositivos utilizados para los diseños de enlaces punto a punto. A continuación se muestran los dispositivos utilizados en el capitulo anterior en los diseños de enlaces. 106 E-I Dispositivos SkyPilot. SkyGateway. Figura Nº 61: Especificaciones técnicas dispositivo SkyGateway de SkyPilot. Fuente [SKY] 107 SkyConnector. Figura Nº 62: Especificaciones técnicas dispositivo SkyConnector de SkyPilot. Fuente [SKY] 108 SkyExtender. Figura Nº 63: Especificaciones técnicas dispositivo SkyExtender de SkyPilot. Fuente [SKY] 109 E-II Dispositivos Redline. Redconnect AN-50e. Figura Nº 64: Especificaciones técnicas de dispositivo AN-50e de Redline. Fuente [RED] 110