Factibilidad de un Radio Enlace de UHF

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1 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, ENINVIE UAZ 004 Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 4 5, 004 Factibilidad de un Radio Enlace de UHF Andrés Calvillo Téllez, Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital, CITEDI, IPN, Tijuana B. C. TEL: 01(664)631344, ext. 8874, correo-e: calvillo@citedi.mx Resumen El presente artículo contempla la realización de un estudio de factibilidad técnica de un radio enlace hipotético punto a punto en la banda de UHF. Se estima la calidad del enlace considerando los parámetros de atenuación de la señal durante la propagación en el espacio libre, atenuación de línea de transmisión, conexiones y sobre todo considerando la atenuación debido a condiciones climáticas que propician el desvanecimiento de la señal. Los resultados obtenidos se corroboran mediante la modelación en MATLAB de la franja de Fresnel ilustrando el libramiento del 60% de claridad del primer obstáculo, mostrando además el perfil de la trayectoria con claridad del radio enlace así como una imagen digitalizada del terreno que muestra las irregularidades de la topografía. Abstract In this work we performed a technical feasibility study for a hypothetical point to point radio link for the UHF band. We analyzed the three most common aspects of the path analysis: the line transition attenuation, connections and mainly the attenuation that is due to the climatic condition that causes the signal fading. To verify the results we used mathematical modeling in MATLAB. Specifically we tested the Fresnel zone, we observed that the signal had a 60% of clarity over the first obstacle. Moreover, we are showing a path study of the radio link clarity, also the topographic irregularities of the terrain can be seen in a digital image. Palabras clave Radio Enlace, Zona de Fresnell Propagacion, Línea de vista, Altitud sobre el nivel del mar, propagacion en el espacio libre. I. INTRODUCCIÓN Las señales de radio viajan a través del espacio libre moviéndose esencialmente en línea recta. Las comunicaciones terrestres sin embargo, toman lugar a través de la atmósfera de la tierra que ocasiona que las señales casi nunca viajen en línea recta. Las señales de radio viajan más lento en un medio denso que en uno no tan denso. Por lo tanto las condiciones atmosféricas causan la refracción de las señales propiciando su curvatura con la distancia hacia la superficie de la tierra, provocando el desvanecimiento de la señal en la trayectoria debido a la atenuación en el espacio libre, las obstrucciones y las pérdidas por reflexiones. La atenuación en el espacio libre se puede estimar creando un perfil de la trayectoria, sumando la curvatura de la tierra y determinando las alturas de las antenas lo suficiente para que la señal libre un 60% de la primera zona de Fresnel. En casi todos los casos se puede tolerar algunas pérdidas por obstrucción, esto es no siempre se necesita librar el 60% si corresponde a una trayectoria razante. Algunos radio enlaces pueden operar en trayectoria razante si el margen de desvanecimiento es suficiente para recuperar la señal y soportar la atenuación debida a los cambios atmosféricos.

2 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, 004 II. CLARIDAD DE LA PRIMERA ZONA DE FRESNEL Cálculo de la distancia entre los puntos. Conociendo la ubicación exacta y las coordenadas geográficas de cada punto del radio enlace se calcula la distancia de separación D AB [Km] entre las antenas, empleando los datos de: latitud promedio latp, diferencia de longitudes long y diferencia de latitudes lat con la siguiente formula: (1) d = p + lat donde P = long coslm Long = Long A Long B latitud de A+ latitud de B lm = Lat = Lat A Lat B Utilizando el programa de MATLAB y sustituyendo las coordenadas geográficas en sus respectivas ecuaciones obtenemos la distancia entre las dos estaciones D AB = 1.54km Efecto de la Zona de Fresnel en el enlace. Después de determinar la distancia de separación entre antenas y de tener la frecuencia de operación es necesario estimar cual será el nivel de atenuación que sufrirá la señal debido a obstrucciones de la línea de vista dentro de la trayectoria de propagación es decir se requiere estimar cual será el libramiento de la señal sobre los obstáculos que encontrará en el camino para alcanzar el extremo del punto receptor. Por ello se obtiene el libramiento del obstáculo más elevado denominado primera zona de Fresnel. Para el cálculo de la primera Zona de Fresnel se utiliza la siguiente expresión: f = d 1 d FD () Donde F = frecuencia de operación del radioenlace. d 1 = distancia de separacion de extremo del radioenlace al obstáculo más elevado. d = distancia de separacion de otro extremo del radioenlace al obstáculo más elevado. D = distancia de separacion entre ambos extremos del radioenlace. Para estimar el libramiento de la primera zona de Fresnel se utilizó el software comercial diseñado para este propósito el cual considera que la altura del obstáculo mas alto es: 104 m, la distancia del obstáculo mas alto medida desde el transmisor es: 8170 m. la distancia entre los puntos del enlace es de: 1.54 Km. y la frecuencia de operación es de 950 MHz [1]. El libramiento de la primera zona de Fresnel es de: F = m.

3 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, Pero se ha demostrado que para tener un buen libramiento de la primera zona de Fresnel del obstáculo 60% F ah de ser suficiente, por tanto 0.6F = m. Así mismo incertando estas ecuaciones en MATLAB con el programa radio.m se obtuvo: F= 9.98m con 0.6F =17.98 m Corroborando ambas herramientas para el análisis del efecto al que nos hemos enfocado, que es la Primera zona de Fresnel. La altura de la línea de vista en este punto es de 10 metros. El libramiento mínimo del 60% de la primera zona de Fresnel, es de metros, con este dato se observa que la diferencia entre la línea de vista y la altura máxima del perfil topográfico (15 m 17.8 m) es de 107. metros, dato que indica que se libra la primera zona de Fresnel. Perfil Topográfico de la trayectoria. Con la carta topográfica se localizan los puntos del enlace y se traza una línea recta desde el punto A basta el punto B, como se muestra en la figura 1. 1 a ZONA DE FRESNEL LIN EA DE VISTA 0.6F1 d 1d F 1 = 17.3 ( metros fd ) h 1 FILO DE N AVAJA h E L E V A C I O N A N I VEL DEL M AR d1 ae = ka D RADIO EFECTIVO DE LA TIERRA k = Figura 1. Perfil topográfico de la 1ª zona de Fresnel. d B También se ubican los puntos elevados más significativos para analizar el efecto que tendrán en la propagación de la señal del radio enlace. Estos efectos se estiman creando el perfil de la trayectoria, sumando la curvatura de la Tierra y determinando la altura de las antenas lo suficiente para que la señal libre al menos el 60% de la primera Zona de Fresnel.

4 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, III. ANÁLISIS DE PÉRDIDAS EN EL ENLACE Pérdidas Por Desvanecimiento. Para el cálculo de margen de desvanecimiento se emplea la siguiente ecuación: Donde: FM = 30 Log DKm + 10 Log (6ABF) - 10 Log (1-R) 70 (3) FM = margen de desvanecimiento en db. D = distancia entre las antenas, Km. F = frecuencia de operación. R = confiabilidad. (1-R) = confiabilidad para una trayectoria de 400 km en un sentido. A = factor topográfico. 1 propagación en zona plana. 0.5 Terreno promedio. 0.5 Terreno montañoso. B = Factor climático establecido en las peores condiciones meteorológicas hasta buen clima (clima despejado 5 C) 1 Buenas condiciones todo el año. 0.5 Zonas cálidas y húmedas. 0.5 Zonas montañosas y secas. Para nuestra zona en cuestión tomamos como parámetros A = 1, B = 1 y R = Obteniendo así Fm = 10.5 db. Pérdidas en la trayectoria. El objetivo principal en el diseño de un radio enlace es entregar al receptor una señal con nivel de potencia adecuada para que éste sea capaz de recuperar la información con la mejor calidad posible. Para un sistema de transmisión de datos, este objetivo se especifica como un mínimo de tasa de error (BER). En el demodulador del receptor, el BER está en función de la relación señal a ruido (SNR). Considerando este efecto analizaremos las pérdidas básicas de trayectoria. El punto de referencia que nos permite mediar las pérdidas en un enlace de transmisión son las pérdidas que deberían esperarse en el espacio libre. Deducción matemática. Para calcular estas pérdidas en el espacio libre, consideremos un transmisor con potencia Pt acoplada a una antena que radia en todas direcciones (antena isotrópica), a una distancia de el transmisor, la potencia radiada se distribuye uniformemente sobre una área 4πr, por tanto la densidad de flujo es: (4) s = Pt 4πd Las pérdidas dependen entonces de la cantidad de potencia que es capaz de recibir la antena. Si el área efectiva de la antena es Ar, por tanto la potencia de recepción será (suponiendo que no hay pérdidas en los cables): (5) Se tiene Pr = sar

5 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, Ar = λ 4π (6) Combinando las ecuaciones (4), (5) y (6) tenemos λ Pr = Pt 4πd Las pérdidas por trayectoria en las antenas isotrópicas es Pt/Pr. Sustituimos obtenemos: (7) λ = c / f y L p 4π = c f d (8) Esto muestra la dependencia cuadrática del nivel de la señal contra la distancia. Esto demuestra que hay más pérdidas en el medio conforme aumenta la frecuencia, la absorción de RF que se presenta por varios materiales (edificios, árboles, vapor de agua, condiciones climatológicas, etc.) tiende a incrementarse a mayor frecuencia (recordar que nos estamos refiriendo al espacio libre). La dependencia de la frecuencia en este caso solamente debido al decremento de la apertura efectiva de la antena receptora conforme se incrementa la frecuencia. Si doblamos la frecuencia, las dimensiones lineales de la antena se decrementan por factor de uno medio, y el área de captura por un factor de una cuarta parte. Por tanto la antena captura solamente un cuarto del flujo de densidad en altas frecuencias contra el más bajo y entrega 6 db de señal menor al receptor. La ecuación de pérdidas por trayectoria en el espacio libre se expresa comúnmente en forma logarítmica. [ ] L = log f + 0log d db p db MHz Km Esto muestra la relación entre las pérdidas por trayectoria y la distancia, se incrementan 0 db/década, por tanto, cada vez que doblamos la distancia, se pierden 6 db más de señal bajo condiciones de espacio libre. (9) IV. ESTIMACIÓN DEL RADIOENLACE Sustituyendo valores en la estimación del radio enlace se tiene: f = 950 MHz y d = Km Lp = db. Desde luego que debemos ocuparnos sobre un sistema real, por tanto debemos considerar las ganancias de las antenas y las pérdidas por cables y conectores para calcular la potencia de recepción, que es la que está disponible a la entrada del receptor: Pr = Pt Lp + Gt + Gr L cctx L ccrx (10)

6 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, donde: P r = potencia en el receptor (dbm o dbw unidades iguales al P t ). P t = potencia en el transmisor (dbm o dbw). L p = pérdidas por trayectoria en el espacio libre entre las antenas isotropicas. G t = ganancia de la antena transmisora (dbi). G r = ganancia de la antena receptora (dbi). L cctx = pérdidas en la línea (cables y conectores) entre el transmisor y la antena transmisora (db). L ccrx = pérdidas en la línea (cables y conectores) entre la antena receptora y el receptor (db). De acuerdo a las características de las antenas G t = G r = 18 db. La potencia de el transmisor P t = 31 dbm. Utilizando un cable coaxial LMR-400 de 15m de longitud en transmisor y el receptor de acuerdo a sus especificaciones sus pérdidas son de db por tanto el total de pérdidas en los cables y conectores L c = L t + L r = db + db = 4dB [6] Por tanto: P r = 31dBm db + 18dB + 18 db 4dB = dbm RSL = G t -L+ EIRP-FM = 18 db db + 49dBm 10.5 = dbm nota: en RSL considera al Fm (margen de desvanecimiento para asegurar una adecuada recepción bajo ciertas condiciones climatológicas) Esto es un nivel de potencia por encima de el nivel de recepción o de sensibilidad de el receptor (-98dBm). V. RESULTADOS Para el radio enlace se determinó la ubicación de las antenas, la distancia de separación entre ellas, el tipo de terreno, las condiciones climatológicas, además se emplearon las características del equipo del radio modem, esto con la finalidad de estimar las pérdidas que deberán ser superadas por el equipo transmisor para lograr un enlace confiable. Permisionario Privado Frecuencia 950 MHz Horario Las 4 horas CircuitoPLAYAS-ROSARITO. Longitud del enlace 1.54 km Polencia Nominal 31 dbm ± 0.5 db P.I.R.E 49 dbm Antena. Tipo: Parabólica ( 177x 914x457mm) Polarización Vertical Ángulo de abertura: Ancho del haz, Plano H 1 (potencia media) Ancho del haz. Plano E 4 (potencia media) Angulo de elevación 3.07 Ganancia 18dB Tabla de parámetros.

7 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, Azimut de máxima rad Altura S.N.M 00 Altura S.T. 1 m No. de canales 1 Latitud N Longitud W Permisionario Privado Frecuencia 950 MHz Horario Las 4 horas Circuito ROSARITO-PLAYAS Potencia Nominal: + 31 dbm ±0.5 Db P.I.R.E. 49 dbm Antena: Tipo: Parabólica ( 177x 914x 457 mm) Polarización: Vertical Angulo de abertura: Ancho del haz. plano E 1 (potencia media) Ancho del haz. plano E 4 (potencia media) Angulo de elevación.96 Ganancia 18 dbd Azimut de máxima rad Altura S.N.M. 68 M Altura S. T. 1 m. No. de canales: 1 Latitud: 3 4 N Longitud W Datos adicionales: Modulación 16 QAM Ancho de banda 4.8 khz Umbral del receptor(p th ) -98dBm Tasa de error ver 10-6 bits Pérdidas en espacio libre db Pérdidas por desvanecimiento 10.5 db falta Potencia de transmisión +31dBm ±0.5dB (1.589 W) Pérdidas en los conectores 0.8dB Pérdidas en la línea de transmisión.db Pérdidas totales db Nivel de señal recibida dbm > P TH

8 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, Antena Tx Primera zona de fresnel 0.6F obstaculo Antena Rx Figura. Trayectoria de propagación del radio enlace. Figura 3. Perfil topográfico del enlace librando la primera zona de Fresnel en un 70% y considerando un 10% del crecimiento de las plantas se cubre el 60% de claridad en el enlace.

9 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, Figura 4. Diagrama de eventos y desempeño del radio enlace con pérdidas y ganancias. Figura 5. Imagen Topográfica de la ciudad de Tijuana.

10 ENINVIE Encuentro de Investigación en IE, 4 5 Marzo, VI. CONCLUSIONES Se desarrollaron los programas en MATLAB de la difracción electromagnética debida a la obstrucción de un obstáculo en la trayectoria de un radio enlace librando la claridad del 60% de la primera zona de Fresnel. Las gráficas mostraron los perfiles de la trayectoria y el obstáculo, con esta representación se pudo determinar la viabilidad del enlace debido a que se contempló un 70% de libramiento, lo que reporta un 10% de tolerancia para que en el obstáculo exista un crecimiento de 4m, por flora o infraestructura física y se conserve la claridad del 60% En la planeación de sistemas de radiocomunicación que operan en áreas de servicio con terreno irregular, el cálculo de propagación se ve afectado de manera muy importante por las pérdidas en exceso y en particular por las que se originan debido al fenómeno de difracción. El valor de estas pérdidas es muy importante para la planeación de estos sistemas ya que la viabilidad de un enlace de radio se puede ver afectada por los valores que puedan tomar. REFERENCIAS [1] Parson, D (199). The mobile radio propagation channel, Halsted Press: New York. [] Tomasi, W(1996) Sistemas de comunicaciones electrónicas, Prentice Hall Hispanoamerica, S.A [3] Robert E, Collin (1985), Antennas and radiowaves propagation, McGraw-Hill., USA [4] [5] Freeman, R.L,(1987) Radio System Desing for telecommunications [6]