T-041 - Universidad Nacional del Nordeste

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2003
Resumen: T-041
Simulación de enlaces de banda ancha para interconexión de bibliotecas rurales
bajo la norma IEEE 802.11g en 2.4 Ghz.
Goussal, Darío M. - Udrízar Lezcano, María Sandra
Grupo de Investigación en Telecomunicaciones Rurales (GTR) - Facultad de Ingeniería - UNNE.
Av. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03722) 428106
E-mail: [email protected] - [email protected]
<http://ing.unne.edu.ar/gtr.htm>
ANTECEDENTES
En los estudios sobre conectividad territorial en sitios de acceso público a la información de Argentina realizados desde
1999 por el GTR-UNNE, se evaluaron con índices y funciones de divergencia las inequidades intra-regionales y el
pobre cubrimiento territorial de las actuales redes de acceso a Internet en la modalidad discada (“dial-up”). Como
causas inmediatas se cuentan: 1) Desbalances en la distribución de puntos de presencia de proveedores de acceso (POP)
y 2) Falta de nodos de servicio de Red Inteligente en localidades de menos de 50.000 habitantes (con aptitud de acceso
a tarifas local ó reducida -prefijos 0611 y 0610). Por otra parte, los estudios de demanda de ancho de banda previamente
realizados para el Chaco han estimado que cualquier estrategia de conectividad de sitios de acceso público debería
adoptar un umbral de capacidad no menor a 512 Kbps –la tasa binaria hoy disponible comercialmente en áreas urbanas
de bucle local asimétrico (ADSL)- (Goussal & Udrízar Lezcano, 2002).
A partir de ello se han evaluado diversas alternativas de extensión inalámbrica de bajo costo susceptibles de aplicación
a centros comunitarios y bibliotecas de área suburbana y rural. La dicotomía distancia/ancho de banda y los
comportamientos del desvanecimiento, dispersión de Rice, efecto sombra, variación de retardo de grupo y absorción
atmosférica en radioenlaces con modulación de código, impone severos límites a la ingeniería de proyecto en
velocidades de 512 Kbps y superiores. La reciente extensión de la norma 802.16a, que contempla ampliaciones de la
interfase de aire de sistemas de distribución de acceso MMDS y LMDS al rango de 2-11 Ghz (“Wi-Max”), todavía no
constituye un modelo adecuado de costo frente a las pautas previsibles de uso de Internet en bibliotecas y telecentros
comunitarios del medio rural en Argentina en los próximos años. Así se ha examinado en análisis de costo para zonas
de EE.UU. según la tesis de Wanichkorn (2002), que postula la asignación tentativa de nuevas porciones de espectro
para distribución punto-multipunto en la banda de 700 Mhz (de menor atenuación).
La norma IEEE 802.11g en su forma final aprobada (12 de Junio de 2003), supone un intento de armonizar las variantes
IEEE 802.11b (2.4 Ghz, hasta 11 Mbps con modulación DSSS) e IEEE 802.11a (5.8 Ghz, hasta 54 Mbps / modulación
OFDM), pero ninguno de estos estándares contempla aplicaciones de acceso en medio rural. Originalmente enfocaban
la interfase inalámbrica de redes Ethernet en ambientes internos de oficina (WLAN), con la capa física del protocolo
basada en la utilización de bandas de RF exentas de licencia en 902 Mhz, 2.4 y 5.8 Ghz y modulación de espectro
ensanchado1. El bajo costo es su mayor ventaja, por la masividad creciente de uso y la variedad de proveedores que
arrastra la normalización. Sus limitaciones principales son la seguridad y alcance de RF. Esta comunicación ilustra
resultados de simulación en computadora del desempeño de radioenlaces en la banda de 2.4 Ghz para conexión punto a
punto a 512 Kbps bajo la norma IEEE 802.11g de bibliotecas y escuelas rurales de la provincia del Chaco, compatibles
con vistas a la posible consideración de ensayos reales de campo.
METODOS UTILIZADOS
Se emplearon cartografía satelital y topográfica del IGM en escala 1:100.000 y 1:250.000. Para el canal RF, además de
las recomendaciones IEEE802.16.3c e IEEE 802.16a y los modelos estadísticos de la Universidad de Stanford (SUI), se
revisaron estudios de Okumura-Hata (1980), Walfish-Ikegami (1991), Erceg (1999), y Goerner-Ahrens y Rockmann
(2002). Al enfocar éstos mayormente sistemas punto-multipunto fijos o móviles y no específicamente punto a punto de
macrocelda en 2.4 Ghz, algunos factores de pérdida importantes en trayectos largos poseen aún pobre comprensión
empírica. En particular, la incidencia de la dispersión atmosférica por trayectos múltiples y el margen de
desvanecimiento compuesto (CFM) han sido poco investigados en zonas de llanura de clima húmedo para enlaces de
banda ancha de más de 10 Km. La variante adoptada en la simulación toma en cuenta los cálculos de desvanecimiento
de Rice del modelo de Erceg en macroceldas de hasta 7 Km de radio, y los de desvanecimiento atmosférico de caminos
múltiples de Barnett-Vigants para distintos factores de clima (9). El perfil de retardo de caminos múltiples de Erceg es:
∞
P(τ ) = Aδ (τ ) + B ∑ exp( −i∆τ / τ 0 )δ (τ − i∆τ )
i =0
donde τj es el retardo de la componente de camino j, P(τ) es la relación entre la sumatoria de las potencias de las
componentes retardadas y todas las componentes, y A, B y ∆τ son coeficientes determinados experimentalmente (10).
1
En EE.UU. y numerosos países las bandas están exentas del requisito de licencias, no así en Argentina.
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Las operaciones se realizaron usando un software normal multiconfigurable para cálculo de enlaces de microondas,
brindado gentilmente para su uso remoto por el GTR, por una institución de los EE.UU.
Tabla 1–Ejemplo de cálculo para conexión doble salto de la biblioteca rural de Colonia Baranda (Chaco).
Extremos de radioenlace
Resistencia ↔ La Amalia
Colonia Baranda ↔ La Amalia
Longitud total del trayecto:
Frecuencia de transmisión más alta:
Longitud de onda:
Potencia de salida del Transmisor:
Línea coaxial prevista:
Longitud de la línea de Tx:
Características de Pérdida de la línea de Tx:
Pérdida calculada de la línea de Tx
Eficiencia de la línea Tx:
Pérdida total en inyector de CC:
Otras pérdidas en la línea de Tx:
Total de pérdidas en la línea de Tx:
Ganancia de cresta de la antena Tx:
Potencia de entrada real a la antena Tx:
Potencia permitida máxima en antena Tx:
Altura de mástil de antena Tx :
Cota SNM en el sitio Tx:
Altura total de antena Tx:
Distancia Tx a radiohorizonte:
Inclinación antena Tx:
PIRE de cresta total:
Línea coaxial prevista Rx:
Longitud de la línea de Rx:
Características de Pérdida de la línea de Tx:
Pérdida calculada de la línea de Rx
Eficiencia de la línea Rx:
Pérdida total en inyector de CC:
Otras pérdidas en la línea de Rx:
Total de pérdidas en la línea de Rx:
Ganancia de cresta de la antena Tx:
Altura de mástil de antena Rx :
Cota SNM en el sitio Rx:
Altura total de antena Tx:
Distancia Tx a Radiohorizonte:
Inclinación antena Tx:
16.50 Km
2.467000 GHz
12.1521 cm.
24.000 dBm (-6.000 dBW)
LMR-1200
32.00 m
7.38 dB/100-m
2.36 dB
58.04 %
0.12 dB
0.50 dB
2.99 dB
24.00 dBi (21.85 dBd)
21.01 dBm (126.29 mW)
24.00 dBm (251.19 mW)
30.00 m
51.50 m.
81.50 m.
23.74 Km
-0.0562 °
45.014 dBm (15.014 dBW)
LMR-1200
32.00 m.
7.38 dB/100-m.
2.36 dB
58.04 %
0.12 dB
0.80 dB
3.29 dB
24.00 dBi (21.85 dBd)
30.00 m.
49.80 m.
79.80 m.
23.74 Km.
+0.0444 °
17.00 Km
Atenuación de espacio libre:
Atenuación por lluvia de peor caso:
Pérdida de vapor de agua:
Pérdida total de oxígeno:
Atenuación total de espacio libre:
Atenuación estimada total del trayecto:
Nivel de portadora Rx sin desvanecimiento:
Umbral de recepción del equipo previsto:
Margen de desvanecimiento resultante de ruido térmico:
M. de desvanecimiento ideal de R. térmico calculado:
Margen de desvanecimiento compuesto primario (CFM)
124.64 dB
0.076 dB
0 dB
0.099 dB
124.81 dB
155.17 dB
-89.44 dBm (7.54 µV)
-94.00 dBm (4.46 µV)
34.92 dB
31.08 dB
34.92 dB (max)
4.56 dB (min)
17.43 m.
1.47
47.48 Km.
1.00 m.
22º C
1011.58 milibar
26.69 milibar
18.69 milibar
345.95 unidades N
99.98966269 % (max)
88.76927793 % (min)
124.90 dB
0.077 dB
0 dB
0.102 dB
125.08 dB
155.46 dB
-89.91 dBm (7.14 µV)
-94.00 dBm (4.46 µV)
34.65 dB
31.47 dB
34.65 dB (max)
4.09 dB (min)
17.88 m.
1.47
47.48 Km.
1.00 m.
22º C
1011.58 milibar
26.69 milibar
18.68 milibar
345.95 unidades N
99.98797105 % (max)
86.31553452 % (min)
Altura mínima absoluta de antenas:
Factor de radio efectivo terrestre estimado (K):
Distancia máxima absoluta de trayecto de espacio libre:
Rugosidad estimada del terreno de trayecto:
Temperatura anual promedio estimada:
Presión atmosférica de nivel de mar corregida:
Presión de vapor de saturación:
Presión parcial de vapor:
Indice de refracción:
Disponibilidad anual estimada incluyendo trayectos
múltiples y desvanecimiento de Barnett & Vigants:
32.00 m
2.36 dB
58.04 %
0.12 dB
0.50 dB
2.99 dB
24.00 dBi (21.85 dBd)
21.01 dBm (126.29 mW)
30.00 m
52.00 m.
82.00 m.
23.74 Km
-0.0593 °
45.014 dBm (15.014 dBW)
32.00 m.
2.36 dB
58.04 %
0.12 dB
0.80 dB
3.29 dB
24.00 dBi (21.85 dBd)
30.00 m.
49.80 m.
79.80 m.
23.74 Km.
+0.0444 °
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Se corrieron varias simulaciones sobre trayectos de entre 10 y 34 Km para los 4 tipos de clima usando los coeficientes
disponibles para zonas de EE.UU. (seco, costero muy húmedo, templado medio y húmedo no costero). Los enlaces
Quitilipi-Colonia Aborigen Chaco y Resistencia-La Amalia-Colonia Baranda se eligieron en experimentos iniciales, de
entre unos 25 susceptibles para eventual conexión de bibliotecas rurales con urbanas próximas en hasta 1 Mbps. En la
tabla 1 se enlistan los cálculos para un enlace de doble salto (“back to back”) Resistencia-La Amalia/ Colonia BarandaLa Amalia, usando puentes-routers inalámbricos de bajo costo con el límite de potencia de 24 dBm de la
reglamentación CNC; umbral de recepción –94 dBm, mástiles livianos de 30 m. y parábolas enrejadas de 24 dBi.
Ambos trayectos se simularon para los 4 climas y variando la posición, altura y diámetro de los obstáculos intermedios
(típicamente árboles en la zona rural y edificación en la zona suburbana). Asimismo, y siguiendo la matriz de
rugosidades de terreno y factores de clima de los modelos SUI se ensayaron rugosidades desde 0.5 m. hasta 10 m. que
hacen variar en forma importante el cociente de Rice. Manteniendo deliberadamente altas las pérdidas en las líneas
coaxiales, la disponibilidad y margen de desvanecimiento compuesto obtenidos son pobres, agravándose mucho para
perfiles de trayecto lisos y clima costero húmedo, tal como preveía la ecuación de disponibilidad de Barnett-Vigants.
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En cambio, se notó que bajo condiciones normales de desobstrucción de 0.6 del primer elipsoide de Fresnel
prácticamente no gravitan en la atenuación las diferencias en el número y posición de los obstáculos. Los valores de
desvanecimiento para trayectos de más de 20 Km en clima húmedo son inviables para una tasa de error menor a 10-6,
aún usando mástiles de 60 m. y post-amplificadores para compensación de la potencia radiada equivalente (PIRE).
Tabla 2. Tipo de trayecto / clima
Enlace tipo Resistencia-La Amalia (16.5 Km)
Libre de obstáculos –Templado, rugosidad normal
Idem, secuencias de obstáculos en los extremos
Seco, 22ºC prom, 70% Humedad prom, plano
Húmedo no costero, 22ºC prom, 70%, plano
Costero muy húmedo, 22ºC prom, 70%, plano
Factor de clima
K
4.00
4.00
17.26
48.32
69.03
1.47
1.47
1.47
1.39
1.47
Margen desvanecimiento
necesario estimado
20.26 dB
20.26 dB
26.61 dB
31.08 dB
32.63 dB
Disponibilidad de
peor caso estimada
99.226 %
99.226 %
96.663 %
90.659 %
86.655 %
Los perfiles de trayecto con los elipsoides de zonas 1 y 0.6 de Fresnel se muestran en Figs. 1 y 2 para un valor calculado
de K=1.47. Para terrenos con rugosidad de 3 a 10 m. y simulando clima seco la disponibilidad mínima en ResistenciaLa Amalia con el mismo K llega a 99.226 %, todavía lejos de un valor habitualmente aceptable como objetivo de
calidad. La Tabla 2 muestra las variaciones de disponibilidad para varios valores de factor de clima.
CONCLUSIONES
La conexión de más de 1000 bibliotecas rurales de todo el país (25 en el Chaco) dependen de la viabilidad de soluciones
inalámbricas. La aparición en algunas provincias de proveedores de Internet basados en sistemas Wi-fi señalaría a la
norma escalable IEEE 802.11g, con continuas mejoras en la sensibilidad y relación señal/ruido de receptores, como una
opción válida a estudiar para enlaces punto a punto. En la simulación, el desvanecimiento atmosférico decididamente
parece limitarlo a saltos cortos y perfiles rugosos en clima seco, predominando sobre el cociente de Rice a más de 10
Km. En un enlace corto (Quitilipi-Colonia Aborigen Chaco, 10.5 Km) el margen de desvanecimiento mínimo necesario
aumentaba 13 dB al disminuir la rugosidad media del terreno de 5 m. a 1 m. Restarían evaluar márgenes prescindiendo
del cable coaxial con equipos directamente en antena, evitando mucho de la dispersión con modulación ortogonal de
acceso múltiple por división de frecuencia (OFDM), y usando dos antenas en diversidad de espacio o bien una sola
antena con polarización circular. Con todo, la conexión a 512 Kbps de bibliotecas rurales, a diferencia de los objetivos
de calidad requeridos en aplicaciones ISP no ameritaría excesivo celo en la disponibilidad del enlace. Muchas funcionan
en sólo un turno durante el período lectivo, de modo que en verano donde empeora la curva de Rice por humedad y
follaje eludirían buena parte de la estación de alta indisponibilidad. Para medir estos efectos y contrastar la simulación
se ha previsto iniciar, en cuanto el grupo disponga de equipos y demás medios, ensayos sistemáticos reales en campo.
REFERENCIAS
1.
Goussal, D.M. & Udrizar Lezcano, M.S. Broadband Network in Rural Areas: Engineering Options and Policy
Implications of the Bandwidth Flooding Criterion. Proc 22nd.Annual Pacific Telecommunications Conference
(PTC-2000). Honolulu, USA 1/2000.
2. Goussal, D.M. & Udrizar Lezcano, M.S. Previsión de demanda de servicios de banda ancha e inyección de tráfico
intermedio para localizaciones del proyecto ROCHA hasta el año 2005 Actas, Reunión de Comunicaciones
Científicas y Técnicas SECYT- UNNE 2002.
3. Goussal, D.M. WAN design options for rural schools and paramedical service. Proc. Global Networking ´97
Conference. International Telecommunications Society (ITS) - International Council for Computer
Communications. Calgary, Canada 6/1997. IOS Press / OMSHA International Ltd., ISBN 90519934557.
4. Goussal, D.M. Criterios de planeamiento de bucle local de macrocelda en redes de datos de área amplia para
escuelas y puestos sanitarios rurales. Actas, R. de Comunicaciones Científicas y Técnicas. SECYT-UNNE.
Corrientes, Argentina 10/ 1997.
5. Erceg, V.; Greenstein, L.; Tjandra, S.; Parkoff, S.; Gupta, B.; Kulic, B.; Julius, A. & Bianchi, R. An empirically
based path loss model for wireless channels in suburban environments. IEEE Journal on Selected Areas in
Communications, Vol. 17. Nr. 7, 7/1999.
6. Wanichkorn, K. The role of fixed wireless access networks in the deployment of broadband services and
competition in local telecommunications markets. Ph.D Dissertation, Department of Engineering and Public Policy,
Carnegie Mellon University, Pittsburgh PA (USA), 2002.
7. IEEE Std 802.11b-1999, Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer specifications: Higher-Speed
Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, 9/1999.
8. IEEE802.16a, Ammendment 2 Medium Access Control and Physical Layer specifications for 2-11Ghz 4/2003
9. IEEE802.16.3c Broadband Wireless Access Working Group Channel models for fixed wireless applications 2/2001
10. IEEE 802.16.2a Broadband Wireless Access Working Group. Propagation in the frequency range 2-11 Ghz. Some
Notes on Sub-11GHz Transmission Link Considerations, 11/2001.
11. Goerner, S.; Ahrens, A. y Rockmann, R. Measurement and modelling of a radio channel for wireless local loop
applications. 4th International Workshop on Mobile and Wireless Communications Network, Stockholm 9/ 2002.