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ENLACES

PRESUPUESTO DEL ENLACE

Un presupuesto de enlace completo es simplemente la sumatoria de todas las contribuciones

(en decibelios) a través de las tres partes principales del camino de transmisión. Todos los

valores positivos son ganancia y todos los negativos son pérdidas. Observando la figura 2-37:

Figura 2-33: Presupuesto del enlace

Fuente: Desarrollado por Sebastián Buettrich

Las 3 partes principales mencionadas son:

1. El lado del transmisor con la potencia de transmisión efectiva.

2. La parte de la propagación con las pérdidas por propagación.

3. El lado del receptor con la sensibilidad del receptor efectiva.

La fórmula para calcular el nivel de recepción es:

�� = �� − � � + �� + �� (2.1)

Donde:

(+) PTx=Potencia de transmisión

(-)PTot = Pérdidas totales =∑ �é��= Pérdidas espacio libre + Pérdidas por el cable receptor

+ Pérdidas por el cable del transmisor

(+) GainR= Ganancia del receptor

(+) GainT= Ganancia del transmisor

La sensibilidad del receptor indicada en la figura 2-32 muestra el mínimo valor de potencia que

necesita para poder decodificar/extraer “bits lógicos” y alcanzar una cierta tasa de bit.

Cuanto más baja sea la sensibilidad, mejor será la recepción.

Margen de Desvanecimiento (MD) y Relación Señal a Ruido (SNR)

El margen de desvanecimiento determina el rendimiento de un radio enlace y es el resultado

de la diferencia entre la potencia nominal del receptor y la sensibilidad del mismo.

(2.2)

MD = Margen de Desvanecimiento, en dB.

Prx = Potencia de Recepción, en dBm.

Pu = Sensibilidad del Receptor

En un radio enlace es necesario tomar muy en cuenta tanto las características específicas del

trayecto, en el cual estará trabajando el enlace, así como también aspectos de confiabilidad en

la propagación. Es por esta razón que en la Fórmula (2.3) que es la formula de Bamett-Vigant,

se presenta el cálculo del Margen de Desvanecimiento considerando los aspectos

mencionados anteriormente.

(2.3)

FM = Margen de Desvanecimiento, en dB

d = Distancia, en Km

A = Factor de rugosidad del terreno

B = Factor climático

f = Frecuencia, en GHz

R = Confiabilidad, en modo decimal

1-R = Objetivo de confiabilidad para una trayectoria de 400 Km.

1 − � = 0,00001 × !""(2.4)

A y B son factores que toman en cuenta la climatología y el tipo de terreno, es por esta razón

que existen distintos valores que tanto A y B pueden ir tomando, valores que pueden ser vistos

en la Tabla 2-9:

Tabla 2-9: Factores A y B en el margen de desvanecimiento

Fuente: feher, kamilo. “digital comunicationsmicrowaveaplications”

Se debe considerar que para que exista un correcto funcionamiento del radioenlace debe

cumplirse que:

MD ≥FM

Disponibilidad y Confiabilidad del Sistema (R)

Es el porcentaje de tiempo en el cual un radio enlace no se ve interrumpido por efectos de

desvanecimiento, su cálculo depende directamente, tal como se muestra en la Fórmula (2.5),

de la Probabilidad de la tasa de bits errados BER (P), cuyo cálculo se muestra en la Fórmula

(2.6).

(2.5)

(2.6)

Ahora se calculara la Potencia recibida (Prˈ) pero se incluye el Margen de Confiabilidad.

(2.7)

Para realizar el cálculo de la confiabilidad:

#$ = (1 − �) × 365�� × 24ℎ-��(2.8)

PÉRDIDAS EN EL ENLACE

En todo enlace siempre existen pérdidas que pueden o no afectar significativamente a la

transmisión y recepción. No existe enlace sin pérdidas pero el objetivo del diseñador es poder

reducir estas pérdidas para evitar que afecten al sistema.

PÉRDIDAS EN EL ESPACIO LIBRE

Pérdidas en el 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:

Lbas (dB) = 92,44 + 20 log10 f (GHz) + 20 log10 d (km.) (2.9)

(Fórmula de Friis)

La tabla 2-10 muestra la relación entre distancia (en millas y kilómetros) y perdidas en el

espacio libre a diferentes frecuencias: 900 MHz, 2.4 GHz y 5.8 GHz.

Tabla 2-10: Pérdidas Típicas en Espacio Libre a Diferentes Frecuencias

Fuente: Monitor, Creating the virtual Oilfield.pdf

PÉRDIDAS ADICIONALES

Existen también pérdidas adicionales de propagación donde se incluyen todas aquellas

pérdidas adicionales que sufren las señales radioeléctricas durante su propagación y que no

pueden atribuirse al término de pérdidas básicas en espacio libre. Los valores típicos de

pérdidas varían entre 1 dB/m hasta < 0.1 dB/m.

De este modo, se tienen pérdidas por absorción atmosférica e hidrometeoros (lluvia, nieve,

niebla), fenómenos de difracción (obstrucción parcial o total del haz radioeléctrico),

reflexiones, etc. [39]

Las pérdidas pueden ser también debidas a la atenuación que genera el cable, pero un cable

con menor cantidad de pérdidas implica un costo adicional, en la tabla 2-8 se observa las

pérdidas en dB que generan varios tipos de cables por cada 100 m. Los conectores de los

cables generan también pérdidas, ≈0.25 dB por conector, este valor varía de acuerdo a la

frecuencia y al tipo de conector.

Tabla 2-11: Pérdidas debidas al tipo de cable

Fuente: Calculo de Radio Enlace, Sebastián Buettrich

ZONA DE FRESNEL

Las ondas electromagnéticas al propagarse entre dos puntos determinados, configuran un

elipsoide cuya sección transversal aumenta a medida que el frente de ondas se aleja de los

extremos. Este fenómeno es variable con la frecuencia y da lugar a la formación de las

denominadas zonas de Fresnel.

Para el diseño del radio enlace se debe procurar que los posibles obstáculos del trayecto entre

los dos puntos no obstaculicen a la zona de Fresnel, pues si esto pasa se producirán

atenuaciones por difracción o sombra, las cuales si son elevadas pueden llevar a la inviabilidad

del enlace debido a cambio de dirección de las ondas.

Figura 2-34: La Zona de Fresnel

Fuente: http://www.uaz.edu.mx/cippublicaciones/eninvie/Corr1_CITEDI.pdf

En la figura 2-34 se observa que la distancia total entre antenas es d, d1 es la distancia entre

antena TX con el obstáculo, d2 es la distancia entre antena RX y obstáculo por tanto

dt=d1+d2

La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la

primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%. Para el caso de

radiocomunicaciones depende del valor de K (curvatura de la tierra) considerando que para un

K=4/3 la primera zona de fresnel debe estar despejada al 100% mientras que para un estudio

con K=2/3 se debe tener despejado el 60% de la primera zona de Fresnel. En aplicaciones

críticas, habrá que hacer el cálculo también para condiciones anómalas de propagación, en la

cuales las ondas de radio se curvan hacia arriba y por lo tanto se requiere altura adicional en

las torres.[23]

La siguiente fórmula calcula la primera zona de Fresnel:

(2.10) d1 = distancia al obstáculo desde el transmisor [km]

d2 = distancia al obstáculo desde el receptor [km]

d = distancia entre transmisor y receptor [km]

f = frecuencia [GHz]

r = radio [m]

Si el obstáculo está situado en el medio (d1 = d2), la fórmula se simplifica [24]:

(2.11)

Tomando el 60%:

(2.12)

ANTENA

Una antena es un dispositivo cuya misión es difundir y/o recoger ondas radioeléctricas. Las

antenas convierten las señales eléctricas en ondas electromagnéticas y viceversa.

Existen antenas de distintos tipos, pero todas ellas cumplen la misma misión: servir de emisor-

receptor de una señal de radio. Cuando la comunicación fluye en ambas direcciones, se

denomina bidireccional. Si dicha comunicación no se efectúa simultáneamente, sino

alternativamente, se denomina comunicación semiduplex.

CARACTERISTICAS

GANANCIA

La característica más importante de una antena es la ganancia. Esto viene a ser la potencia de

amplificación de la señal. La ganancia representa la relación entre la intensidad de campo que

produce una antena en un punto determinado, y la intensidad de campo que produce una

antena omnidireccional (llamada isotrópica), en el mismo punto y en las mismas condiciones.

Cuanto mayor es la ganancia, mejor es la antena.

La unidad que sirve para medir esta ganancia es el decibelio (dB). Esta unidad se calcula como

el logaritmo de una relación de valores. Para calcular la ganancia de una antena, se toma como

referencia la antena isotrópica, el valor de dicha ganancia se representa en dBi.

RELACION SEÑAL A RUIDO

Siempre que se emite o se recibe una señal de radio, lleva acoplada una señal de ruido.

Obviamente, cuanto menor sea la relación de ruido con respecto a la señal, más óptima se

considerará la señal "valida". Incluso en las transmisiones digitales, se tienen que usar

métodos de modulación que reduzcan el ruido y amplifiquen la señal de radio.

El resultado de dividir el valor de la señal de datos, por la señal de ruido es lo que se conoce

como relación señal/ruido. Cuanto mayor es, mejor es la comunicación.

POTENCIA TRANSMITIDA

Se utiliza la unidad dBm (decibelios relativos al nivel de referencia de 1 mili vatio). 1 mW es

igual a 0 dBm y cada vez que se doblan los mili vatios, se suma 3 a los decibelios. La radiación

máxima emitida por una antena (que puede terminar muy por encima de los vatios de

entrada), que admite la FCC en los EEUU es de 1 vatio (equivalente a 30 dBm). En Europa, el

límite es de 250 mW (24 dBm).

PATRON DE RADIACION

El patrón de radiación es un gráfico o diagrama polar sobre el que se representa la fuerza de

los campos electromagnéticos emitidos por una antena. Este patrón varía en función del

modelo de antena. Las antenas direccionales representan un mayor alcance que las

omnidireccionales.

Existen 2 modelos de gráficos que representan este patrón: En elevación y Azimut. Muchos

modelos de antenas incluyen entre sus características este gráfico. Normalmente también se

incluye un dato más, que es la apertura del haz, que representa la separación angular entre los

dos puntos del lóbulo principal del patrón de radiación. Se suele representar sobre un plano

horizontal.

POLARIZACION

Este dato indica la orientación de los campos electromagnéticos que emite o recibe una

antena. Pueden ser los siguientes:

• Vertical: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es vertical con respecto al

horizonte terrestre (de arriba a abajo).

• Horizontal: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es paralelo al horizonte

terrestre.

• Circular: Cuando el campo eléctrico generado por la antena gira de vertical a

horizontal y viceversa, generando movimientos en forma de círculo en todas las

direcciones. Este giro puede ser en el sentido de las agujas del reloj o al contrario.

• Elíptica: Cuando el campo eléctrico se mueve igual que en caso anterior, pero con

desigual fuerza en cada dirección. Rara vez se provoca esta polarización de principio,

más bien suele ser una degeneración de la anterior.

TIPOS DE ANTENAS

• Antenas omnidireccionales

Se les llama también antenas de fuste vertical. Se utilizan principalmente para emitir la señal

en todas las direcciones. En realidad la señal que emite es en forma de óvalo, y sólo emite en

plano (no hacia arriba ni hacia abajo). Son baratas, fáciles de instalar y duraderas. Su ganancia

está en torno a los 15 dBi.

Figura 2-35: Antena Omnidireccional

Fuente: “Teoría de Antenas”, http://www.radiocomunicaciones.net/teoria-antenas.html

• Antenas direccionales

Las antenas direccionales (o Yagui), tienen forma de tubo. En su interior tienen unas barras de

metal que cruzan el interior de ese tubo. La señal que emiten es direccional y proporciona una

ganancia que oscila entre los 15 y los 30 dBi. Hay que enfocarla directamente al lugar con el

que se quiere enlaza. Como todas las antenas exteriores hay que protegerla ante posibles

descargas eléctricas.

Figura 2-36: Antena Direccional

Fuente: “Teoría de Antenas”, http://www.radiocomunicaciones.net/teoria-antenas.html

• Antenas de Sector

Al igual que las antenas omnidireccionales, su uso es para conexiones punto a multipunto. La

ganancia de estas antenas es aproximadamente 22 dBi, y permiten orientarlas hacia la

dirección que más interesa (incluso hacia arriba y hacia abajo).

• Antenas de Panel

Se utilizan para conexiones punto a punto enfocadas. Son como pequeñas cajas planas y

tienen una ganancia de hasta 24 dBi.

• Antenas Yagui

La señal que emiten es direccional y proporciona una ganancia que oscila entre los 15 y los 21

dBi. Hay que enfocarla directamente al lugar con el que se quiere enlazar.

• Antenas Parabólicas

Las antenas parabólicas son las más potentes que se pueden adquirir (hasta 27 dBi), por lo que

son las más indicadas para cubrir largas distancias entre emisor y receptor.

• Antenas Dipolo

La ganancia de esas antenas oscila entre los 2 y los 7 dBis. [25]

SOFTWARE DE CÁLCULO DEL ENLACE

Considerando parámetros promedio de potencia, ganancia y sensibilidad de equipos

disponibles, se realizo el cálculo del enlace entre la estación base ubicada en la Escuela

Forestal y las cámaras.

El cálculo del enlace se lo realizó con la ayuda del programa Radio Mobile.

RADIO MOBILE

Radio Mobile es un software de libre distribución para el cálculo de radio enlaces de larga

distancia en terreno irregular. Para ello utiliza perfiles geográficos combinados con la

información de los equipos (potencia, sensibilidad del receptor, características de las antenas,

pérdidas, etc.) que quieren simularse.

Este software implementa con buenas prestaciones el modelo Longley-Riceo ITM Irregular

TerrainModel, modelo de predicción troposférica para transmisión radio sobre terreno

irregular en enlaces de largo-medio alcance. Además de tener múltiples utilidades de apoyo al

diseño y simulación de los enlaces y las redes de telecomunicaciones. Los parámetros a

introducir para realizar las simulaciones permiten reflejar de forma fiel los equipos reales que

se piensa utilizar en la instalación para la que estarían destinados.

Radio Mobile utiliza para la evaluación de los enlaces, el perfil geográfico de las zonas de

trabajo. La obtención de estos mapas puede realizarse directamente desde una opción del

software que permite descargarlos de Internet. Hay tres tipos de mapas disponibles: los SRTM,

los GTOPO30 y los DTED.

Al igual que el modelo de propagación en el que se basa, permite trabajar con frecuencias

entre los 20 MHz y 40 GHz y longitudes de trayecto de entre 1 y 2000 km. [33]

VARIABLES DE ENTRADA DEL MODELO ITM.

Las variables de entrada del modelo de Longley-Rice se indican en la tabla 3-7. En ésta se

indican los valores permitidos o los límites para los cuales el modelo ha sido diseñado.

Tabla 3-7: Parámetros modelo ITM

Fuente: Diseño e implementación radioenlaces y estaciones repetidoras Wi-Fi para conectividad de escuelas

rurales en zona sur de chile, Hugo Durney W.1, César Castro G.1, Roger Ortiz S

- Frecuencia: La frecuencia portadora de la señal transmitida, frecuentemente un valor

definido puede cubrir un amplio ancho de banda.

Para el proyecto, la frecuencia está definida en la banda 3.6 GHz, con canales de 5 MHz

aproximadamente. No se introdujo un rango de frecuencias, para evitar la búsqueda

recursiva de la frecuencia a usarse en los equipos.

- Distancia: La distancia circular entre dos terminales.

Esta distancia entre la Estación Base y la Estación Suscriptora más alejada es

aproximadamente 2 a 3 Km.

- Altura de antenas: Corresponde a la altura del centro de radiación por sobre la

elevación del terreno, se define en cada terminal.

Para la estación base, se tomo en cuenta una altura de 17,5 metros, aprovechando una

torre que se encuentra en la Escuela forestal.

Para cada estación subscriptora, se tomara una altura de 6 a 7 metros sobre el nivel

del suelo para la implementación de la antena, esto debido a la elección de una altura

promedio para un poste.

- Polarización: La polarización de las antenas puede ser vertical u horizontal. El modelo

asume que ambas antenas usan la misma polarización.

La polarización en el sistema será vertical para la antena transmisora y para la antena

receptora.

- Variable de terreno irregular Δh: Las irregularidades del terreno que se encuentra

entre dos terminales se tratan como una función aleatoria de la distancia entre los

terminales. Para caracterizar esta función, el modelo ITM1 utiliza un único valor de Δh

para representar de forma simplificada la altura promedio de las irregularidades en el

terreno. Algunos valores sugeridos se indican en la tabla 3-8.

Tabla 3-8: Variable de terreno regular


rurales en zona sur de chile, Hugo Durney W.1, César Castro G.1, Roger Ortiz S.2 1

Para el sistema de vigilancia se uso el valor de 90, debido a la forma del terreno que se trata de

una colina.

- Constantes eléctricas del terreno: La permitividad relativa (constante dieléctrica) y la

conductividad de la tierra. Valores sugeridos se indican en la tabla 3-9.

Tabla 3-9: Constantes de permitividad y conductividad según el tipo de suelo


rurales en zona sur de chile, Hugo Durney W.1, César Castro G.1, Roger Ortiz S.2

Para el diseño los valores que se usaran para la permitividad relativa y la

conductividad se tomaron de acuerdo al tipo de suelo que se selecciono que para

nuestra área de vigilancia (tierra promedio).

- Refractividad de la superficie Ns: Las constantes atmosféricas y en particular la

refractividad atmosférica, deben ser tratadas como funciones aleatorias de posición y

tiempo. En la mayoría de los casos esta función aleatoria puede ser caracterizada por

un valor único Ns que representa el valor normal de la refractividad cercana al nivel de

1 ITM: IRREGULAR TERRAIN MODEL

la tierra o superficie. Usualmente se mide en N unidades (partes por millón), valores

sugeridos se indican en la tabla 3-10.

Tabla 3-10: Ns en funcion del clima


rurales en zona sur de chile, Hugo Durney W.1, César Castro G.1, Roger Ortiz S.2 1

- Clima: Se describe cualitativamente por un conjunto discreto de etiquetas. Los climas

reconocidos actualmente se indican en la tabla 3-10. En conjunto con Ns, el clima se

utiliza para caracterizar la atmósfera y su variabilidad en el tiempo.[34]

El Parque Nacional Tunari tiene un clima templado por tanto el valor de la

refractividad de la superficie en Ns se toma a partir del tipo de clima que se presenta

en la zona. En nuestro caso 301 N-unidades.

CÁLCULOS SIMULADOS CON RADIOMOBILE

El software de Radio Mobile debe ser configurado de acuerdo a los parámetros requeridos

para el sistema. Ingresando los parámetros especificados con anterioridad se tiene:

Figura 3-9: Captura de pantalla Radio Mobile. Propiedades de la red

Fuente: Captura propia de Radio Mobile

El nombre de la red que se ingreso es WMX para llamar así a la red propuesta, las frecuencias

máxima y mínima que se requieren se estableció en un solo valor 3600 (MHz) este valor puede

variar de acuerdo al canal que se desee utilizar, la polarización que se selecciona será la

vertical, y los valores de refractividad, conductividad del suelo y permitividad relativa al suelo,

fueron obtenidos de las tablas 3-9 y 3-10.

El clima como ya se dijo se selecciona de entre las opciones, el clima continental templado.

En la pestaña Topología se selecciona el tipo de topología que se usara que como ya se explico

es Punto Multipunto, por tanto, se selecciona la opción que más se acerca a nuestra

topología: Red de datos, topología estrella (Master/Esclavo).

Al seleccionar la opción Miembros aparece una lista de todas las unidades que serán parte de

la red, por tanto se seleccionan todos los miembros del sistema, el BSR que es la estación

base, y las 5 cámaras instaladas a CPEs.

En la pestaña Sistemas se introducen parámetros propios del sistema como pérdidas, potencia,

ganancias.

En la figura 3-10 se observa la pantalla del software y los parámetros del sistema:

- Umbral de receptor: establecido en -103 dBm como valor aproximado para los

equipos.

- Perdida de la línea: 0.5 dB

- Potencia de transmisión: se estableció inicialmente en 12 dB, esta potencia podrá ser

modificada con el fin de establecer o mejorar el enlace.

- Laaltura de la antena: se establece en 6m. como valor mínimo para las torres o postes

en los que se ubicaran los equipos.

- La ganancia de la antena es de 9dBi por el valor teórico de ganancia para una antena

omnidireccional.

Figura 3-10:Captura de pantalla Radio Mobile “Sistemas”


Se observa en la figura 3-10 que se ingreso en el software los parámetros establecidos en la

pestaña Sistemas. Realizando la simulación del enlace se verifica si el enlace es óptimo o no,

para así realizar las modificaciones necesarias ya sea variaciones de alturas, potencias,

ganancias o en la posición de las antenas.

Figura 3-11:Captura del enlace BSR-cámara 1


La figura 3-11 muestra el enlace para la cámara 1 que se encuentra dentro del rango aceptable

para el enlace, el nivel de recepción es -82.2 dBm mayor a -103 dBm y las perdidas no afectan

al enlace, pero si se observa el enlace BSR- cámara 3 de la figura 3-12 se observa que la señal

se atenúa o pierde potencia en una determinada área (línea roja). Esto nos da una pauta para

poder incrementar nuestra potencia de transmisión o modificar la posición de la cámara 3.

Figura 3-12:Captura del enlace BSR-cámara 3


Entonces, si se modifica la potencia de transmisión a 16 dBm se tienen los siguientes

resultados:

Figura 3-13:Captura del enlace BSR-cámara 1 variando PTx


Figura 3-14:Captura del enlace BSR-cámara 3 variando PTx


Se observa que la perdida de señal en el enlace con la BSR-cámara 3 ha desaparecido y el

enlace posee valores permitidos que permiten el establecimiento de un enlace adecuado

entre BSR-cámara.

Figura 3-15:Captura del enlace BSR-cámara 3 con variación de frecuencia.


En la figura 3-15 se observa que si se modificaría el valor de la frecuencia a 3650 MHz, se

observa que el enlace aun seria optimo y no habría grandes pérdidas de señal. Por tanto,

variando el canal de transmisión no se afecta drásticamente al sistema, pero la variación de la

potencia de transmisión si genera mejoras o disminución en la efectividad de la señal.

Las posiciones de cada una de las cámaras respecto al BSR visto en un mapa son:

Figura 3-16: Vista amplia de las posiciones del Bsr y las cam1-5

Fuente: Creación propia

A continuación se muestran los resultados de cada uno de los enlaces BSR-CAMARAS.

• Cámara 1

Figura 3-17: Enlace de Radio BSR-cam1


Los valores más importantes que se observan en la figura 3-17 obtenidos para este enlace son

los siguientes:

- Distancia entre las 2 unidades: 1.13Km

- Nivel de recepción: -78.2 dBm

Si se obtiene todos los detalles del enlace se tiene:

Figura 3-18: Detalles del enlace BSR-cámara 1


La altura de instalación para la antena de la cam1 se tomara como 6 m considerando que se

instalaran las cámaras en postes de esa altura.

La altura de la antena del BSR se estableció en 17.5 m ya que la torre que se encuentra en el

Escuela Forestal es de aproximadamente 20 m.

Con dichos datos se concluye que el enlace es óptimo ya que el valor de las pérdidas no afecta

al enlace, el valor del nivel de recepción (-78.2 dBm) es mayor que -103 dBm que es la

sensibilidad del receptor por lo que el enlace es efectivo y lo comprobamos con la siguiente

grafica:

Figura 3-19: Rango de señal permisible respecto al Umbral del receptor BSR-cam1


En la figura 3-19 se puede observar que toda la línea esta con verde, esto quiere decir que no

existe interrupción entre el TRX y RX, y la señal se encuentra por encima del umbral de

receptor que es uno de los principales parámetros usados para determinar el margen de fading

(desvanecimiento) en el enlace.

Figura 3-20: Perfil alturas BSR-cam1


En la figura 3-20 observamos el grafico de altura de antenas entre el enlace BSR-cam1. Según

el grafico, BSR está a una altura de 2800.2 m.s.n.m. y a una altura respecto al piso de 17.5m.

CPE (cam1) está a una altura de 2907,9 m.s.n.m., y la antena respecto al piso se encuentra a 6

metros, que es el tamaño promedio de un poste.

Se muestra en la grafica también, con color amarillo, la primera zona de Fresnel que esta a una

altura de 2871.8 y K que es una constante para mostrar la curvatura de la tierra es 4/3 o 1.333.

Figura 3-21: Distribución de la señal a lo largo del enlace BSR-cam1


En la figura 3-21 se muestra la distribución de la señal en el enlace, la señal promedio, además

del margen de éxito de enlace que en este caso es de 24.81 dB. El color verde en la grafica

indica la efectividad de la señal.

• Cámara 2




los siguientes:

- Distancia entre las 2 unidades: 1.38 km


Los detalles del enlace son:





Con dichos datos se concluye que el enlace es óptimo ya que el valor de las pérdidas no afecta

al enlace, el valor del nivel de recepción es (-80.0 dBm) mayor que -103 dBm que es la

sensibilidad del receptor por lo que el enlace es efectivo y se comprueba con la siguiente

grafica:







Figura 3-25: Perfil alturas BSR-cámara 2


La figura 3-25 es el grafico de altura de antenas entre el enlace BSR-cam2. Según el grafico:

• BSR

Altura sobre el nivel del mar: 2800.2 m.

Altura de la torre: 17.5m.

• CPE (cam2)

Altura sobre el nivel del mar: 2914,5 m.

Altura del poste: 6 m.

Se muestra en la grafica, con color amarillo, la primera zona de Fresnel que esta a una altura

de 2852.3 y K que es una constante para mostrar la curvatura de la tierra es 4/3 o 1.333.




del margen de éxito de enlace que en este caso es de 23.04 dB. El color verde en la grafica

indica la efectividad de la señal.

• Cámara 3



Si se eleva la antena se puede ver que se mejora la señal, reduciendo el área amarilla de la

figura 3-28 como se observa:

Figura 3-28: Enlace de Radio BSR-cam3 elevando la antena a 7m.


La altura de la antena se modifico a 7 metros para mejorar la señal.


los siguientes:

- Distancia entre las 2 unidades: 1.65Km


Obteniendo todos los detalles del enlace se tiene:



La altura de instalación para la antena de la cam3 se toma como 7 m considerando que se


Con todos estos datos, finalmente el enlace es óptimo ya que el valor de las pérdidas no afecta

al enlace, el valor del nivel de recepción (-81.6 dBm) es mayor que -103 dBm que es la

sensibilidad del receptor por lo que el enlace es efectivo y se comprueba con la siguiente

grafica:



En la figura 3-30 se puede observar que la línea esta en verde y en amarillo lo que indica que sí

existen perdidas y atenuaciones pero que no son dañinas para el enlace, ya que si se

presentaría ese caso, la línea seria de color rojo. Se observa que la señal se encuentra en el

umbral o por encima del umbral de receptor que es uno de los principales parámetros usados

para determinar el margen de fading (desvanecimiento) en el enlace.



En la figura 3-31 se observa el grafico de altura de antenas entre el enlace BSR-cam2. Según el

grafico:

• BSR



• CPE (cam2)



Se muestra en la grafica también, con color amarillo, la primera zona de Fresnel que está a una

altura de 2836.6 m. Y K que es una constante para mostrar la curvatura de la tierra es 4/3 o

1.333.




del margen de éxito de enlace que es de 21.43 dB. El color verde en la grafica indica la

efectividad de la señal.

• Cámara 4




los siguientes:

- Distancia entre las 2 unidades: 1.79 Km





La altura de instalación para la antena de la cam4 se toma como 6 m considerando que se

instalan las cámaras en postes de esa altura.

Con todos estos datos se concluye que el enlace es óptimo ya que el valor de las pérdidas no

afecta al enlace, el valor del nivel de recepción (-82.6 dBm) es mayor que -103 dBm que es la


grafica:










grafico:

• BSR



• CPE (cam2)



Se muestra en la grafica también, con color amarillo, la primera zona de Fresnel que esta a una

altura de 2879.9 m. y K que es una constante para mostrar la curvatura de la tierra es 4/3 o

1.333.




del margen de éxito de enlace que es de 20.37 dB. El color verde en la grafica indica la

efectividad de la señal.

• Cámara 5



Si elevamos la antena se puede ver que se mejora la señal, reduciendo el área amarilla de la

figura que significa pérdidas o atenuaciones en la señal como se observa:

Figura 3-39: Enlace de Radio BSR-cam5 elevando la antena a 7m.


La altura de la antena se modifica a 7 metros para mejorar la señal.


los siguientes:

- Distancia entre las 2 unidades: 2.17 Km







Con todos estos datos se concluye que el enlace es óptimo ya que el valor de las pérdidas no

afecta al enlace, el valor del nivel de recepción (-85.9 dBm) es mayor que -103 dBm que es la


grafica:










grafico:

• BSR



• CPE (cam2)



En la figura 3-42 se muestra, con color amarillo, la primera zona de Fresnel que esta a una

altura de 2838.6 m. y K que es una constante para mostrar la curvatura de la tierra es 4/3 o

1.333.



En la figura anterior se muestra la distribución de la señal en nuestro enlace, la señal

promedio, además del margen de éxito de enlace que es de 18.37 dB. El color verde en la

grafica indica la efectividad de la señal.

En el software se tiene varias opciones para poder visualizar el área de cobertura de nuestro

sistema.

Figura 3-44: Radio de cobertura del BSR


En la figura 3-44 se puede observar los niveles de recepción que se tiene en la red, tomando en

cuenta que los de color rojo son los mejores niveles de recepción, mientras que los azules son

prácticamente nulos, se realizo una grilla de anillos con distancias de 1000 metros cada uno,

para poder visualizar mejor el nivel de señal y poder relacionarlo con la distancia.

ANÁLISIS TEÓRICO DEL RADIO ENLACE

El cálculo del balance de potencias es el procedimiento que se utiliza normalmente para

estimar de una manera rápida si un radio enlace funcionará correctamente. No obstante, se

debe tomar en cuenta que se trata de un cálculo teórico, y que por lo tanto está sujeto a

variaciones debidas a múltiples factores: apuntamiento de las antenas, reflexiones,

interferencias no deseadas, etc. 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.

SELECCIÓN DE LA ANTENA

En la prueba de enlace con el software de Radio Mobile se observo que ingresando una

potencia de transmisión de 16 dBm, el enlace es óptimo, las perdidas no afectan

significativamente a la señal y la sensibilidad del receptor se mantiene dentro del margen

correcto (no menor a -103 dBm).

Si la distancia entre los puntos fuera mayor, se entiende que se debe aumentar la potencia de

transmisión.

La ganancia de la antena se proporciona habitualmente en dB isotrópicos (dBi). La ganancia de

una antena típica varía entre 2 dBi (antena integrada simple), 14-30 dBi (antena direccional) y

9 dBi (omnidireccional estándar) hasta 21 – 30 dBi (parabólica). Se debe tener en cuenta que

hay muchos factores que disminuyen la ganancia real de una antena. Por tanto, tomando en

cuenta los valores mínimos de los rangos y el valor asignado en el software de Radio Mobile

para un enlace adecuado se tiene:

La ganancia para la antena transmisora omnidireccional es: G (dBi)= 9 dBi

La ganancia para las antenas direccionales que será la antena receptora es: G (dBi)=14dBi

Para el análisis del enlace en el software de RadioMobile se tomo el valor de 9dBi esto por ser

la de menor valor de ambas y con el fin de establecer el enlace requerido. A partir de este

valor se selecciona la antena que cumpla con dicho valor.

GRX=GTRX=9 dBi

La antena fue seleccionada de acuerdo a 3 parámetros importantes:

- La frecuencia

- El tipo de antena

- La polarización

La frecuencia que se utilizara en nuestra antena es de 3602500 KHz que se encuentra en la

banda de frecuencias de 3.6 GHz a 3.8 GHz que es la elegida para el diseño.

El tipo de antena que se selecciono es la omnidireccional para la antena transmisora y

receptora.

La polarización elegida es la vertical.

Se eligió la antena MT-402005/N 3.3-3.8GHz 9dBi OmniDirectionalAntenna,por cumplir con

las especificaciones técnicas del proyecto antes mencionadas.

Figura 3-45: MT-402005/N 3.3-3.8GHz 9dBi OmniDirectionalAntenna

Fuente: Antenna Data Sheet

Esta antena tiene especificaciones técnicas y físicas que se detallan en el Anexo A.4. Algunas

de estas características que contribuyeron a la elección de la misma son:

- Frecuencia: El ancho de banda en el que trabaja la antena elegida es de 3.3- 3.8GHz.

que engloba la frecuencia de 3602500 kHz necesarios para el proyecto.

- Ganancia: La ganancia que tiene la antena es de 10 dB que contiene los 9 dB

necesarios.

- Impedancia de entrada: La impedancia de entrada que tiene la antena es de 50 (ohm),

además el tipo de conexión que tiene es N-typetype RF.

- Potencia de entrada: 4 Watts

- Polarización: La polarización de la antena elegida es vertical.

Figura 3-46: Patrón de antena omni

Fuente: antennadatasheet Anexos

La antena omni-direccional tiene una cobertura de 360° de azimut como se observa en la

grafica de la izquierda donde es casi una circunferencia perfecta.

El patrón de elevación se mide tomando un corte vertical a través de la viga de la antena, la

grafica de la derecha muestra el patrón de elevación de la antena elegida.

Las dimensiones y demás especificaciones complementarias a la antena MT-402005/N se

encuentran en la hoja de datos ubicada en Anexos A.4. [35]

CÁLCULO DE RADIO ENLACE

Para el cálculo del nivel recepción de enlace se tienen que tomar en cuenta algunos datos

como ser:

• Para el lado de Transmisión

- Potencia de Transmisión

- Pérdidas en el cable

- Ganancia de antena

• Para el lado de Propagación

- FSL o perdidas en el espacio Libre

- Zona de Fresnel

• Lado Receptor

- Ganancia de antena

- Pérdidas en el cable

- Sensibilidad del receptor

Para el lado de transmisión se tienen los siguientes datos:

• La potencia de transmisión es 16 dBm que se probó en la simulación en RadioMobile

como la potencia en la que la señal ya es aceptable y sin demasiadas perdidas.

• La ganancia de las antenas es 9 dBi

• Perdidas en el cable

La pérdida del cable entre el BSR y su antena es de 0.5 a 0.7 dB por metro ya que se trata de N-

Type MACHO y las perdidas por conector es de 0.3 dB aproximadamente. El cálculo se lo

realizo para un cable de 1 metro.

0.6 dB + 0.3 dB + 0.3 dB =1. 2dB

Para el lado de propagación:

• Las pérdidas de espacio libre se las calcula usando la formula:

Lbas (dB) = 92,44 + 20 log10 f (GHz) + 20 log10 d (km.) (2.9)

(Fórmula de Friis)

Para enlace 1:

Distancia entre BSR y ProST (cam1):

D=1.13 km

Lbas (dB) = 92,44 + 20 log10 3.6 (GHz) + 20 log10 1.13 (km.)

Lbas=104,6dB

Para enlace 2:


D=1,38 km


Lbas (dB)=106,34

Para enlace 3


D=1,65 km


Lbas (dB)=107,91

Para enlace 4


D=1.79 km


Lbas (dB)=108,62

Para enlace 5


D=2.17 km


Lbas (dB)=110,29

Las pérdidas en el espacio libre calculadas para cada uno de los enlaces influirán en el cálculo

del nivel de recepción de señal en el enlace de ida como en el enlace de vuelta para cada uno

de los 5 enlaces.

Los datos fueron obtenidos gracias a los mapas 3D con las latitudes y longitudes para calcular

las correspondientes distancias.

• La primera zona de Fresnel es calculada con la formula (2.10):

Con K =4/3 la primera zona de fresnel debe estar despejada al 100%

Descripción Dist. Obst –TX [km]

Dist. Obst –RX [km]

Dist. total [km]

Radio de la 1ra Zona de Fresnel

BSR- Cam1 0.7 0.43 1.13 4.71 m

BSR- Cam2 0.67 0,71 1.38 5.34m

BSR-Cam 3 0.60 1.05 1.65 5.51 m

BSR-Cam4 1.56 0.23 1.79 4.2 m

BSR-Cam 5 1.5 0.67 2.17 6.23m

Tabla 3-11: Calculo de la 1ra zona de fresnel


Para el lado del receptor se tienen los siguientes datos:

• La Ganancia de la antena 9 dBi

• Pérdidas en el cable

La antena es interna por lo que el cable entre la antena y el receptor no existe por lo que solo

se consideraran las pérdidas por conector como 0.3 dB aproximadamente.

• La Sensibilidad de receptor está dada como -103 dBm.

A partir de los datos obtenidos se realiza el cálculo de recepción de la señal:

Usando la formula:

�� = �� − � � + �� + �� (2.1)

Y los valores obtenidos anteriormente:

Perdidas en el espacio libre

Lbas (dB)

Enlace 1 104,6

Enlace 2 106,34

Enlace 3 107,91

Enlace 4 108,62

Enlace 5 110,29

Tabla 3-12: Perdidas en el espacio libre de todos los enlaces

Fuente: Elaboracion propia

Considerando que la potencia será la misma para el enlace de ida y para el enlace de vuelta y

las pérdidas son iguales para ambos enlaces, el cálculo es único.

Para el enlace de ida y vuelta BSR y ProST):

• Para enlace 1(Cam1-BSR):

16�./ − 104.6�./ − 0.3�. − 1.2 �. + 9�.� + 9�.� = −72.1�./

• Para enlace 2 (Cam2-BSR):

16�./ − 106.34�./ − 0.3�. − 1.2�. + 9�.� + 9�.� = −73.84�./


16�./ − 107.91�./ − 0.3�. − 1.2�. + 9�.� + 9�.� = −75.41�./


16�./ − 108.62�./ − 0.3�. − 1.2�. + 9�.� + 9�.� = −76.12�./

• Para el enlace 5(Cam5-BSR):

16�./ − 110.29�./ − 0.3�. − 1.2 �. + 9�.� + 9�.� = −77.79 �./

Se concluye que por los cálculos de nivel de recepción realizados se establece que el valor

minimo de recepción necesario para el diseño es de ≈-80 dBm para un enlace óptimo.

Es importante para nuestro enlace calcular el Margen de Desvanecimiento (FM) con la

formula (2.3) Bamett-Vigant para cada uno de los enlaces:

(2.3)

Sustituyendo:

1 − � = 0,00001 × !""(2.4)

Reemplazando:

F=3.6 GHz

Factor A=4! (terreno montañoso, muy rugoso)

Factor B= 4! (Areas continentales promedio)

Se tiene:

56 = 30 log : + 10 log(6 × 0.25 × 0.25 × 3.6) − 10;-< =0,00001 × :400> − 70 [�.]

A partir de este valor podemos calcular el Bit Error Rate (BER) a partir de la formula (2.6):

Reemplazando valores se tiene:

A = 6 × 10BC × 0,25 × 0,25 × 3,6 × :D × 10BEF 4"G

Distancia d [Km.]

Margen de desvanecimiento

FM [dB]

Bit Error Rate (BER)

BSR-cam1 1,13 8,39 2,8x10-8

BSR-cam2 1,38 10,12 3,5x10-8

BSR-cam3 1,65 11,67 4,12x10-8

BSR-cam4 1,79 12,38 4,47x10-8

BSR-cam5 2,17 14,05 5,43x10-8

Tabla 3-13: Calculo del Bit Error Rate

Fuente: Elaboracion propia

A partir de la tabla 3-13 y con el valor del BER se determina que, por ejemplo, en el enlace BSR-

cam1 por cada 100.000.000 bits enviados 2.8 llegan a su destino con algún error, este valor se

encuentra entre los márgenes aceptables para poder determianr que un enlace esta

adecuadamente establecido, es efectivo y con la menor pérdida de paquetes.

Después de todo este análisis de enlaces de manera teórica y con simulación (Radio Mobile) se

determina que:

- Tener un buen presupuesto de enlace es un requerimiento básico para el buen

funcionamiento del mismo

- Un presupuesto de enlace de una red inalámbrica es la cuenta de todas las ganancias y

pérdidas desde el radio transmisor hacia el receptor

- Si ambos extremos no son iguales, calcular en las dos direcciones

- Las pérdidas más grandes del enlace se producen en la propagación en espacio libre

debido a la atenuación geométrica de la señal

- La sensibilidad del receptor es un parámetro que indica el valor mínimo de potencia

que se necesita para alcanzar una cierta tasa de bit.

- El cálculo del BER permitirá conocer la perdida de paquetes existentes en el enlace y si

este valor se encuentra dentor de los márgenes aceptables para un enlace.

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