Diseño de Radioenlaces

Diseño de Radioenlaces Emprendedores en WiFi Merida, marzo 2007 Ermanno Pietrosemoli Escuela Latinoamericana de Redes ermanno@ula.ve

Agenda Factores de diseño Prospección de sitio (Site Survey) Software para radioenlaces Ejemplos de radioenlaces 3/7/2007 Pietrosemoli 2

Diseño de Radioenlaces Elección de la frecuencia Perfiles de trayectoria Presupuesto de potencia Area de cobertura Prospección de sitios 3/7/2007 Pietrosemoli 3

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Perfil de la trayectoria Línea de Vista Factor K (Curvatura Terrestre). 3/7/2007 Pietrosemoli 5

Perfil de la trayectoria En un mapa con curvas de nivel se traza una recta entre transmisor y receptor Se procede a leer en cada intersección de la recta con las curvas de nivel la altura del punto y la distancia desde el transmisor Se traza entonces un diagrama de alturas versus distancia para diferentes condiciones de propagación 3/7/2007 Pietrosemoli 6

Perfil de la trayectoria K = 4/3, 90% del tiempo, la constante dieléctrica disminuye con la altura alcance 1/3 más allá del horizonte K = infinito, trayectoria rectilínea K = 2/3, curva hacia arriba, menor alcance, 0.6 de F1 en enlaces críticos 3/7/2007 Pietrosemoli 7

Factor K Perfil de la trayectoria Horizonte Optico Horizonte Radio con K= 4/3 Tierra 3/7/2007 Pietrosemoli 8

Perfil de la trayectoria Presencia de objetos en la trayectoria. Follaje Superficies planas y trayectoria sobre agua Zonas de Fresnel 3/7/2007 Pietrosemoli 9

Primera Zona de Fresnel First Fresnel Zone Direct Path = L Reflected path = L + λ/2 Food Mart

Despeje de obstáculos Distancia en km 1ra Zona 0.7 *1ra Zona de Fresnel Curvatura TOTAL de Fresnel @ 2.4 GHz en metros Terrestre metros 1 5.5 3.9 0.0 3.9 2 7.8 5.5 0.2 5.6 3 9.6 6.7 0.4 7.1 4 11.1 7.7 0.7 8.4 5 12.4 8.7 1.0 9.7 6 13.6 9.5 1.5 11.0 7 14.6 10.2 2.0 12.3 8 15.6 11.0 2.7 13.6 9 16.6 11.6 3.4 15.0 10 17.5 12.2 4.2 16.4 11 18.4 12.8 5.0 17.9 12 19.2 13.4 6.0 19.4 13 19.9 14.0 7.0 21.0 14 20.7 14.5 8.2 22.7 15 21.4 15.0 9.4 24.4 16 22.1 15.5 10.7 26.2 17 22.8 16.0 12.0 28.0 18 23.5 16.4 13.5 29.9 19 24.1 16.9 15.0 31.9 20 24.7 17.3 16.7 34.0 25 27.7 19.4 26.0 45.4 30 30.3 21.2 37.5 58.7

Zonas de Fresnel

Perfil de la trayectoria Cómo obtener perfiles: Mapas topográficos GPS Recorrido de la trayectoria Programas para trazado de trayectorias y DEM 3/7/2007 Pietrosemoli 13

Perfil de la trayectoria Utilizar un altímetro para determinar el diagrama de perfil cuando no se disponga de mapas con la elevación. El altímetro se puede calibrar llamando a la torre de control del aeropuerto más cercano. La calibración debe hacerse frecuentemente porque la presión barométrica varía en el tiempo. 3/7/2007 Pietrosemoli 14

Potencia Versus Distancia Gt Gr Pt Tx dbm At Pérdida en el espacio libre Ar Rx L= 32,4+20 log(d/km)+20 log(f/mhz) Pr Margen Sensibilidad Del Receptor km 3/7/2007 Pietrosemoli 15

Ej. De Presupuesto de potencia Potencia de transmisión +25dBm Pérdida en los cables -1dB Pérdida en el Diplexer de TX -2 db Pérdida en el Cable de TX -2.5 db Ganancia de la antena TX +21 db PIRE: 40.5 dbm Pérdida en el espacio libre (FSL) -124.5 db Ganancia de la antena RX +21 db Pérdida en el Cable RX de -2.5dB Pérdida en el Diplexer de RX -2 db Pérdida en Cable -1 db --------------- Nivel de Señal Recibida = -68.5dBm PIRE: Potencia Isotrópica Readiada Equivalente EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power 3/7/2007 Pietrosemoli 16

C/N C/N (Carrier to Noise) El objetivo es llegar al receptor con una potencia suficientemente mayor que el ruido para garantizar una determinada tasa de error 3/7/2007 Pietrosemoli 17

C/N (ejemplo) RSSL = 68dBm Ancho de banda del radio 6MHz, noise figure (cifra de ruido) 9dB El ruido visto es: 97.8 dbm C/N es: 29.8dB 3/7/2007 Pietrosemoli 18

Area de Cobertura Area de cobertura con la antena inclinada 10 grados hacia abajo Estación Base Area de cobertura con la antena vertical 3/7/2007 Pietrosemoli 19

Area de Cobertura Ancho del haz en elevación 10 grados Ancho del haz en Acimut 16 grados Antena Antena sin Down Tilt 3/7/2007 Pietrosemoli 20

Más allá de la línea de vista.. Es posible la recepción, pero la atenuación es mucho mayor El problema de la multitrayectoria se agrava Se han propuesto soluciones basadas en OFDM (Orthogonal Frequency Diversity Modulation) y MIMO (Multiple Input- Multiple Output) 3/7/2007 Pietrosemoli 21

+ Ganancia de la Antena + G.de la Antena Cable RF Antena - Pérdida en el espacio libre Antena Cable RF Tierra Lightning Protector - Pérdida Cable/conectores -Pérdida Cable/conectores Lightning Protector Tierra pigtail pigtail PC Card Est.1 + Potencia de Transmisión RSL (receive signal level) > sensitivity + Margen Est.2 PC Card 3/7/2007 Pietrosemoli 22

Margen del sistema en 2.4 GHz 50 ft.lmr 400 3.4 db.7 db 1.3 db Tx =15 dbm Est.1 24 dbi 24 dbi c La señal recibida debe estar por encima de la sensibilidad del receptor (-82dBm para 11 Mbit/s) A este exceso se le llama margen de desvaneciniento Margen de desv. mínimo = 10 db En ciudades, preferible = 15dB En condiciones adversas = 20dB S. Recibida: RSL > -82 + 10 = -72dBm 50 ft.lmr 400 3.4 db.7 db 1.3 db Rx = -82 dbm Est.2 3/7/2007 Pietrosemoli 23

Ejemplo de Cálculo 16 Km = - 124 db 50 ft.lmr 400 3.4 db 24 dbi 24 dbi 50 ft.lmr 400 3.4 db RSL > PTx P. Cable + G. Antena Pérdida en el esp. + G. Antena P. Cable + 15 dbm.7 db 1.3 db -2 db - 3.4 db + 24 dbi -124 db Si RSL < -72 dbm se necesita mayor ganancia de antenas o cables con menos pérdidas..7 db 1.3 db Tx =15 dbm Est.1 + 24 dbi - 3.4 db -2 db - 71.8 db > -72 Rx = -82 dbm Est.2 3/7/2007 Pietrosemoli 24

Altura de las antenas Despeje de Fresnel = 0.6 de la 1era z. Fresnel 9 m para un trayecto de10 km 17 m para un trayecto de 40 km Despeje de la curavtura terrestre 4 m para un trayecto de 10 km 61 m para 40 km Despeje en el punto medio = 0.6F + Curvatura Terrestre + 3 cuando K=1 Radio de la 1era z. de Fresnel (metros) F1= 17.3 [(d1*d2)/(f*d)] 1/2 donde D=trayecto en km, frecuencia (GHz), d1= distancia de la Antena 1(km), d2 = distancia de la Antena 2 (km) Curvatura Terrestre h = (d1*d2) /2 donde h = elevación sobre el horizonte, d1 & d2 distancia de las antenas respectivas Altura de Antena Despeje de obstáculo Despeje de la z. de Fresnel Altura de Antena Curvatura Terrestre

Alternativas Otros cables: LMR 400 = 6.8 db 100 ft, LMR 600 = 4.5dB/100ft, LMR 1800 = 2.5dB/100ft, 2 1/4 Heliax =.98 db foot Montaje en torre del AP-1000 caja a prueba de intemperie y ventilada. Requiere protección contra rayos y energía. Mantenimiento en torre Uso de amplificadores: añaden ruido por lo que la relación S/N no aumenta tanto e incrementan la interferencia a otros usuarios. Constituyen otro punto de falla. 3/7/2007 Pietrosemoli 26

Reflexiones La señales sufren un defasaje de 180 ( 1/2 λ) al reflejarse Mover la antena aún sólo 6 cm es significativo Path 6cm ( 1/2 λ) longer 3/7/2007 Pietrosemoli 27

Reflexiones Antenas de mayor directividad vertical, o apuntadas hacia arriba para disminuir las reflexiones desde el terreno. Evitar trayectorias sobre agua. 3/7/2007 Pietrosemoli 28

Reflexiones Las reflexiones pueden ser tambien laterales y desde atrás 6 cm hacen la diferencia 3/7/2007 Pietrosemoli 29

Propagación

Radio Mobile Software para el análisis de redes y sistemas inalámbricos Realizado por: Roger Coudé http://www.cplus.org/rmw/english1.html 3/7/2007 Pietrosemoli 31

Que es Radio Mobile? Es un programa gratuito que permite el análisis y simulación del área de cobertura de un sistema de radio frecuencia (RF) y traza el perfil de las posibles trayectorias. Predice mediante herramientas CAD la cobertura de un sistema de radio. Utiliza herramientas y mapas digitales (elevaciones) y sistemas GIS. Ultima versión de software: (V7.1.7, para el 26/05/2006) Puede trabajar en múltiples sistemas operativos entre los que están: Windows 95, 98, ME, NT, 2000 y XP. Se puede correr en Linux mediante el emulador Wine para Ubuntu Usa mapas digitales con elevaciones de terreno con los que calcula el área de cobertura, indicando los niveles de potencia recibida, determina los puntos de reflexión de un enlace, y calcula el presupuesto de potencia (link budget) 3/7/2007 Pietrosemoli 32

Análisis de Terreno El Radio Mobile automáticamente construye el perfil de un enlace de radio entre dos puntos conocidos de forma digital, emplea una extensa base de datos de elevaciones para determinar la existencia de LOS (Line Of Sight) o línea de vista entre dos puntos. Ejecuta los cálculos que permiten automatizar cualquier enlace en cualquier banda de frecuencia, desde HF hasta SHF, y permite observar el efecto de cambiar la ganancia de las antenas, altura de las mismas, atenuación de los cables, etc Una vez trazado el perfil, calcula lel despeje del 60% de la primera zona de Fresnel que permite una buena comunicación 3/7/2007 Pietrosemoli 33

Qué hace el Radio Mobile? Utiliza el modelo de propagación de Longley-Rice Traza el diagrama de perfil, lo que permite verificar la existencia de línea de vista (LOS). Calcula la pérdida en el espacio libre y la debida a obstrucciones Puede crear redes de diferentes topologías (redes Master/Slave, Point to Point PTP y Point to Multipoint PMP). Calcula el área cobertura de una radio base (útil para sistemas PMP punto multipunto). 3/7/2007 Pietrosemoli 34

Qué necesitamos para crear una red? De la lectura de los GPS obtenemos las coordenadas de los puntos de interés por ejemplo de la radio base (BS, Base Station) y del suscriptor (SU, subscriber Unit o CPE). Longitud y latitud en grados, minutos y segundos o en coordenadas UTM Necesitamos conocer las especificaciones técnicas del sistema a instalar: Topología de la red (Point to Point o Point to multipoint). Ganancia de antenas en dbi. Máxima potencia de Transmisión (W o dbm). Atenuación en los medios de transmisión entre el Tx y la antena (Pérdida de cables, conectores, etc). Nivel umbral de recepción (dbm). Altura de las antenas. Frecuencia de operación. Polarización de las antenas (horizontal o vertical). 3/7/2007 Pietrosemoli 35

Configuración básica del Radio Mobile Configuración paso a paso: 1. View menu, seleccione World map. Coloque el cursor en del área que le interesa y seleccione un punto, se mostrará las coordenadas. 2. File menu, Seleccione Map properties. Esta parte abre una nueva pantalla que muestra todos los parámetros y controles para crear una red. pulse use cursor position. 3. Opcionalmente puede seleccionar la ciudad o puede ingresas las coordenadas conocidas por medio de un GPS. 4. Seleccione la base de datos e indique en dónde se encuentra almacenada ésta en su disco duro. 5. Seleccione el tamaño, por ejemplo 400x400 pixels y10 km de tamaño del mapa. 6. Cuando esté listo para generar dicho mapa presione apply. 7. Si ocurre algún error en este proceso, verifique cuidadosamente la base de datos y repita los pasos desde el 2 hasta el 6. 8. En File menu, Seleccione New picture (Vea en la parte de File, New Picture como crear un mapa, con qué resolución y si lo quiere en escala de grises o a color). 3/7/2007 Pietrosemoli 36

Cobertura y análisis de radioenlaces Como crear el Radio Enlace: Debemos tener al menos dos puntos ubicados en el mapa, con sus respectivas coordenadas. Abra una nueva vista con uno de los siguientes botones que muestra el radio mobile en la barra superior: (ver Radio link and system performance) o en Tools Radio Link para desplegar el enlace de radio. Aquí podrá observar todos los detalles, análisis, LOS, y todos los parámetros en un sistema inalámbrico (Path Loss, y el link budget). Visual coverage: Permite tener una vista tridimensional del terreno Cobertura de Radio: Indica el nivel de señal recibida en las zonas que rodean la radio base 3/7/2007 Pietrosemoli 37

Prospección (SITE SURVEYING) La prospección es el paso más importante en la planificación de un sistema inalámbrico. Aquí se levantan todos los datos requeridos Anotar el nombre de la persona que autoriza el acceso al techo y su telef. 3/7/2007 Pietrosemoli 38

Conclusiones Herramientas para prospección de sitios (Site Survey) Altímetro Globos Inflables Espejos o Luces Cámara Digital 3/7/2007 Pietrosemoli 39

Prospección (SITE SURVEYING) Items necesarios para la prospección: Mapas con una escala adecuada Telescopio, binóculo y brújula o Teodolito GPS, altímetro de precisión Cámara fotográfica, preferiblemente digital Gorra y lentes de sol, paraguas Espejo (CD) o luz potente Globo con helio y cinta métrica Laptop con tarjeta inalámbrica y software para medir la potencia recibida, WiSpy Analizador de espectro y antena de prueba 3/7/2007 Pietrosemoli 40

Prospección (SITE SURVEYING) Items necesarios para la prospección en sitios elevados: Si va a subir una torre lleve el arnés de seguridad y guantes Permiso para acceder a la azotea y telefóno de la persona autorizada Averiguar quien tiene la llave de la azotea Escaleras Chequear la disponibilidad de enrgía eléctrica, pararrayos y puesta a tierra 3/7/2007 Pietrosemoli 41

Caja para montaje a la intemperie 3/7/2007 Pietrosemoli 42

Caja para montaje a la intemperie 3/7/2007 Pietrosemoli 43

Hacia donde vamos? Wireless Technologies WCDMA/ UMTS EDGE CDMA2000-1x EVDO WiFi WiFi WiFi WiMax WiMax Estándar 3G 2.5G 3G 802.11b 802.11g 802.11g 802.16e 802.16d Uso WWAN móvil WWAN móvil WWAN móvil WLAN fijo WLAN fijo WLAN fijo WMAN fijo WMAN portátil Throughput Hasta 2 Mbps. Con HSPDA hasta 10 Mbps, actualmente 3.6 Mbps Hasta 384 Kbps Hasta 2.4 Mbps. Típicamente entre 200 Kps y 300 Kbps 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Hasta 75 Mbps (20 MHz) Hasta 30 Mbps (10 MHz) Rango 1-5 millas 1-5 millas 1-5 millas 300 pies 300 pies 300 pies 4-6 millas 1-3 millas Frecuencia 1800, 1900, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 MHz 1900 MHz 400, 800, 900, 1700, 1800, 1900 MHz 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz Soporte de PTT (push to talk) Si (PoC) No Si (PoC) No No No No No 3/7/2007 Pietrosemoli 44

Antenas para enlaces punto a punto 3/7/2007 Pietrosemoli 45

Lightning Arrestor Diseñado para proteger al equipo de las subidas de tensión provocadas por descargas eléctricas Se coloca en serie con el cable de antena y tiene una conexión para puesta a tierra 3/7/2007 Pietrosemoli 46

Sellado de conectores Causa principal de problemas: entrada de humedad Protección cuidadosa de todos los conectores a la intemperie El teipe eléctrico no es suficiente. Tres capas. 3/7/2007 Pietrosemoli 47

Recapitulando Determine existencia de línea de vista y despeje de Fresnel, posibles puntos de reflexión Requerimientos de antenas para el margen de confiabilidad deseado. Tipo, longitud y pérdidas de todos los cables requeridos. Ruta de los cables Análisis de la interferencia Protección contra rayos y fluctuaciones de tensión, puesta a tierra y suministro de energía. Considerar la conveniencia de usar PoE 3/7/2007 Pietrosemoli 48