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Aspectos físicos. Viabilidad. Costes. Determinación de factores. Cables. Trasmisión de señales. Margen de desvanecimiento




ESTUDIO ENLACE DE COMUNICACIONES BOGOTA FLORENCIA



ZONA CERRO BUENAVISTA - CERRO GABINETE



TELECOMUNICACIONES III



ZONA CERRO BUENAVISTA - CERRO GABINETE


1.    UBICACIÓN:



Cerro Buenavista (Huila):

Latitud: 2º20′17.00′’ N.
Longitud: 75º43′48.00′’ O.
Elevación: 1353m ASNM.

Cerro Gabinete (Huila):
Latitud: 1º53′06.00′’ N.
Longitud: 75º40′27.00′’ O.
Elevación: 2260m ASNM.

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Figura 1.  Mapa de la Zona

2.    ASPECTOS FISICOS DE LA ZONA


El Huila está localizado al suroccidente del país  y corresponde a la mayor parte de la cuenca del Alto Magdalena. El clima del valle del Alto Magdalena es cálido y seco, sobre todo al norte de Neiva. En las vertientes cordilleranas los climas son muy variados: templados, fríos, paramunos, húmedos y secos.  En la zona del enlace las lluvias anualmente oscilan entre 1000mm y 2500mm. Las temperaturas se hallan entre 14ºC y 21ºC durante todo el año y el clima es seco.

3.    DISEÑO DEL ENLACE



Para el diseño del enlace se tienen las siguientes especificaciones:

Frecuencia de trabajo: 4 GHz.
Distancia: 50.48 Km.
Factor de corrección curvatura terrestre: 1.33.
Tasa de Bits: 8,192 Mbps (Transmisión de cuatro tramas E1)
Ganancia Antenas: 36, 7 dBi
Altura Transmisor: 30 m
Altura Receptor: 50 m
Diámetro Antenas: 2,4 m
Temperatura: 290°K
Ancho de Banda: 4,096 MHz
Confiabilidad: 99,99%
Factor Rugosidad: 0,25
Factor Conversión de Probabilidad Anual: 0,125

El diámetro y la ganancia de las Antenas se tomaron al analizar las características de la zona y las recomendaciones del software de ANDREW.  Debido a que el enlace se encuentra en un área rural, se optó por utilizar polarización vertical sencilla, ya que no se presentan interferencias con otras señales de RF.

Para el diseño inicial no se hace necesario hacer cruce de polarización, pero si hay otros sistemas de comunicaciones trabajando en frecuencias muy cercanas podría ser necesario, además de esto el costo de las antenas es mucho menor.

El factor de rugosidad y el factor de conversión de probabilidad, usados en las ecuaciones de Barnett-Vignant se tomaron de acuerdo a las características del terreno, el cual es montañoso y seco.

Para hacer el enlace técnicamente confiable y minimizar los costos de la infraestructura es necesario tener en cuenta los siguientes factores:

- Línea de vista.
- Liberación de la primera zona de Fresnel
- Encontrar el punto o puntos de reflexión
- Determinar las alturas de las torres

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Figura 2.  Perfil del Terreno

 3.1    DETERMINACIÓN DE VIABILIDAD


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Figura 3.  Perfil del Terreno Tomando la Curvatura de la Tierra

Cantidad de metros que aumenta la altura de un obstáculo como resultado de la curvatura de la tierra que se calcula mediante la fórmula:

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Donde:
a: es el radio de la tierra.
K: el factor de corrección de curvatura terrestre.
d1: es la distancia desde el punto cercano del salto hasta el obstáculo de que se trata.
d2:  es la distancia desde el punto lejano del salto hasta el obstáculo.

Se tomó como obstáculo una saliente a 7,5 Km. del receptor.  Mediante el cálculo anteriormente descrito se obtuvo que:

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Para hallar el radio de la primera zona de Fresnel se utiliza la siguiente ecuación:
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Donde:
Rn = Radio de la n-sima zona de Fresnel.
R1zf = Radio de la primera zona de Fresnel, zona donde se concentra más de la mitad de la potencia de la señal, y que se debe asegurar.
f = frecuencia en GHz.
d1= distancia desde la antena de transmisión hasta el obstáculo en kilómetros.
d2 =distancia desde el obstáculo en la trayectoria hasta la antena de recepción en kilómetros.
D = d1 + d2

Se obtuvo que:

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A continuación se debe hallar el Clearance.  Se conoce como clearance a la altura desde el obstáculo hasta la línea de propagación y sirve para determinar si la zona de Fresnel está obstaculizada. Este valor se puede calcular mediante la siguiente formula:

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Donde:
c = Clearance.
h1,h2 = altura de las antenas, sobre el nivel del mar.
h3 = Altura del obstáculo sobre el nivel del mar.
Ka = Radio equivalente de la tierra.
d1,d2 = Distancias desde el obstáculo hasta las torres.

Se obtuvo que:

C = 2,41 Km

Lo cual indica que la primera zona de Fresnel se halla totalmente despejada.

3.2    ANÁLISIS DEL ENLACE



Debido a las características del perfil de terreno, no es necesario calcular el punto de reflexión, porque lo evita la altura crítica.

Se continúa haciendo el cálculo de la trayectoria: Aquí se dimensiona el radio enlace teniendo en cuenta:
- La potencia de  transmisión
- El umbral de ruido o sensibilidad del receptor
- Ganancia en dB que van a tener la antena receptora y transmisora
- El diámetro de las antenas de recepción y transmisión
- El margen de desvanecimiento en dB que requiere

Como línea de transmisión se escogió el cable Heliax EW34, el cual es apropiado para transmisión en el rango de frecuencias de 3,7-4,2 GHz.  Este tiene pérdidas de 2,16 dB/100m.
Para este enlace se calcularon las siguientes pérdidas:

Pérdidas por trayectoria de espacio libre:

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Donde:
f=Frecuencia en GHz
D=Distancia entre las dos antenas en km.

Las pérdidas son:
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Pérdidas por ramificación:

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Donde:
d=Distancia entre las dos antenas.
ht=Altura del transmisor
hx=Altura del Receptor

Estás pérdidas son:

Lb = 4,6 dB

Las pérdidas en las guías de ondas son:

Lf = 0,7210 dB

Margen de desvanecimiento:

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Donde:
M = margen de desvanecimiento (dB).
D = distancia (Km.).
f = frecuencia (GHz).
r = confiabilidad expresada como decimal
1-r = objetivo de confiabilidad para una trayectoria de 400 Km. en un solo sentido.
A = factor de rugosidad.
B =factor para convertir una probabilidad del peor mes a una probabilidad anual.
El margen de desvanecimiento es:

M = 19,84 dB

Umbral del receptor:
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N = -167,85 dBm

Figura de ruido:

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NF = 3,01 dB

Ancho de Banda:

Es igual a la mitad de la tasa de bits para el esquema de modulación QPSK, entonces es:

BW = 4,096MHz

Relación Portadora a Ruido:

Debido a que se utilizará el esquema de modulación QPSK, con un VER de 10-6 se halla mediante la siguiente gráfica

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Por lo tanto se toma:

C/N = 13,7 dB

Por todos los resultados hallados anteriormente el umbral es:

Umbral = -85,02 dBm
Debido a la frecuencia utilizada no se toman en cuenta las pérdidas por absorción atmosférica.  El clima en la región es bastante seco, por lo tanto no se toman en cuenta las pérdidas por lluvia.

Entonces se puede hallar la Potencia necesaria en el transmisor mediante:
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Pt = 5,25 dBm
A partir de este valor se puede hallar la PIRE:

PIRE = PtGt

PIRE = 41,95 dBm

A continuación se muestran los resultados obtenidos con el software CADCOM:

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Figura 5.  Resultados Simulación CADCOM


3.3    ANALISIS DE COSTOS



A continuación se analizan los costos implicados en la realización del enlace.

Estación Transmisora:



Ubicada en el cerro Buenavista, tiene aproximadamente la siguiente configuración:

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Son necesarios 36 m de cable Heliax EW34, para esta estación.  Debido a la frecuencia de Trabajo se eligió la antena ANDREW PL8-37, la cual funciona en un rango de frecuencia desde 3,7-4,2GHz, tiene un diámetro de 2.4 m una ganancia de 36,7 dBi y funciona con polarización sencilla..  Ya que se esta utilizando cable Heliax en lugar de una guía de ondas no es necesario utilizar deshidratadores.

Estación Receptora:


Ubicada en el cerro Gabinete, tiene aproximadamente la siguiente configuración:

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Son necesarios 56 m de cable Heliax EW34, para esta estación.  Debido a la frecuencia de Trabajo se eligió la antena ANDREW PL8-37, la cual funciona en un rango de frecuencia desde 3,7-4,2GHz, tiene un diámetro de 2.4 m, una ganancia de 36,7 dBi y funciona con polarización sencilla.  Ya que se esta utilizando cable Heliax en lugar de una guía de ondas no es necesario utilizar deshidratadores.

Con estas características se lograron reducir los costos en ambas estaciones.  No se hizo necesario elegir tipos de antena que tuvieran doble polarización debido a las características rurales de la zona y las antenas no debían tener mucha ganancia ya que las condiciones atmosféricas y la frecuencia de trabajo no implicaban mayores pérdidas por gases y lluvia.

A continuación se muestra la lista de materiales y costos (en dólares) para ambas estaciones:

Tabla 1.  Costos de las Estaciones



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4.    CONCLUSIONES



Del diseño realizado se pueden obtener las siguientes conclusiones:

- Es muy importante determinar las características geológicas, físicas y topográficas de la zona donde se va a implementar el enlace para poder determinar con exactitud las características de las estaciones.

- Al calcular aspectos como el margen de desvanecimiento es muy necesario realizar mediciones de la zona para poder obtener un nomograma, debido a que las ecuaciones de Barnett-Vignant son bastante imprecisas y pueden ocasionar sobrecostos o sobredimensionamientos en el enlace.

- Para el diseño de enlaces de microondas es muy útil tener herramientas de software como CADCOM o ANDREW System Planner, para facilitar las operaciones de diseño y determinación de costos para el enlace.

- Al hacer los cálculos es imperativo tener muy en cuenta las unidades los valores tomados para no cometer errores que pueden ser fatales al momento de montar un enlace.

- Las especificaciones de los fabricantes son muy importantes al momento de realizar los cálculos de ganancia del sistema, para poder determinar cuantos amplificadores son necesarios y de que características.

5.    BIBLIOGRAFÍA



TOMASI, Wayne.  Sistemas de Comunicaciones Electrónicas.  México: Pearson Educación, 1996.

NERI VELA, Rodolfo.  Líneas de Transmisión.  México: McGraw Hill.  1999.

Autor:

Yesid Jarma





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