tesis 2010

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE ELECTRÓNICA

ESTUDIO DE PROPAGACIÓN Y COBERTURA EN ULTRA ALTA

FRECUENCIA PARA SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIÓN ANÁLOGA

Y DIGITAL EN APLICACIONES CIVILES DE WIMAX.

Trabajo de Titulación para optar al Título de Ingeniero en Electrónica

Profesor Guía Dr. Ing. Fernando Cristian Ulloa Vásquez

Nombre de los Alumnos Exequiel Alejandro Álvarez Olate

Cristian Enrique Bejarano Nanjarí

SANTIAGO – CHILE

2010

Nota Obtenida

Firma y Timbre autoridad responsable

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE ELECTRÓNICA

ESTUDIO DE PROPAGACIÓN Y COBERTURA EN ULTRA ALTA

FRECUENCIA PARA SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIÓN ANÁLOGA

Y DIGITAL EN APLICACIONES CIVILES DE WIMAX.

Trabajo de Titulación para optar al Título de Ingeniero en Electrónica

Profesor Guía Dr. Ing. Fernando Cristian Ulloa Vásquez

Nombre de los Alumnos Exequiel Alejandro Álvarez Olate

Cristian Enrique Bejarano Nanjarí

SANTIAGO – CHILE

2010

Agradecimientos

A nuestras respectivas familias,

por todo el apoyo y el esfuerzo que desde siempre nos han brindado.

A nuestro mecenas que nos acogió

y nos orientó en el proceso cúlmine de nuestra formación educacional Ph.D.

Fernando Cristian Ulloa Vásquez.

Resumen

El presente trabajo de título se enfoca en calcular y cuantificar un rango de

propagación que permita una cobertura factible para sistemas de radio comunicación

de banda ancha. Con el objeto de mantener servicios civiles y/o militares, utilizando

para esto tecnologías del tipo aeroplataformas HAPS – LAPS equipándolas con

estándares IEEE 802.16x WiMAX y equipos análogos de VHF.

En el capítulo 1 se presenta el estado del arte de las tecnologías de

comunicación tanto análoga como digital, como también los métodos para realizar

enlaces de tipo radio con aeroplataformas, aviones UAV (Unmanned Aerial Vehicle)

y dirigibles no tripulados.

Se analizarán las tecnologías de transmisión Wireless, con sus estándares y

QoS, veremos las comparaciones entre los estándares y la arquitectura de WiMAX.

En el capítulo 2 se estudiará todo lo que involucra el modelado de canal para

aeroplataformas, escenarios de trabajo, curvas de Fresnel, influencia de la curvatura

terrestre para determinar la línea del horizonte visible para una estación

aerotransportada cuasiestacionaria. Se verán las diferentes modulaciones y sus

contrastes y los efectos de eco en un enlace.

Veremos los diferentes modelos matemáticos de propagación que se utilizará

para realizar un estudio de pérdidas en espacio libre a través del software Matlab y

posteriormente utilizaremos el programa de simulación Radio Mobile para comparar

resultados.

En el capítulo 3 se detallarán los emplazamientos que se consideraron para el

desarrollo del trabajo, Santiago e Iquique. Las características técnicas de los equipos

a utilizar WiMAX y Racal. Se representarán los resultados obtenidos mediante el

estudio y análisis de los modelos de propagación de pérdidas en espacio libre y su

comprobación mediante el software simulador de radio enlaces Radio Mobile.

Y finalmente se soslayaron las complicaciones que se gestaron durante el

desarrollo del trabajo, los objetivos fueron logrados de manera exitosa, los modelos

determinaron distancias máximas de cobertura que fueron corroboradas con el

software de simulación Radio Mobile, que de manera conjunta ratifican la viabilidad

de la implementación de un sistema de radio comunicación análoga y digital de

respaldo en casos de emergencia.

Índice de CapítulosNo se encuentran entradas de índice.

CAPÍTULO 1................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN.........................................................................................................2

1.1. Presentación del Problema..............................................................................2

1.2. Estado del Arte................................................................................................3

1.2.1. Aeroplataformas HAPS...............................................................................3

1.2.2. Condiciones de flotabilidad para aeroplataformas......................................8

1.2.3. Autonomía energética de la aeroplataforma................................................9

1.2.4. Tecnología de Avión.................................................................................11

1.2.5. Tecnologías Wireless de Gran Alcance: WiMAX....................................13

1.2.6. Principio de Funcionamiento de la Tecnología WiMAX..........................16

1.2.7. Especificaciones del estándar IEEE 802.16..............................................16

1.2.8. Cobertura...................................................................................................17

1.2.9. Calidad de Servicio (QoS).........................................................................17

1.2.10. WiMAX, la Capa Física del estándar IEEE 802.16ª.............................18

1.2.11. OFDM PHY en el estándar 802.16a......................................................19

1.2.12. WiMAX Forum.....................................................................................20

1.2.13. Estándares Presentes en la Tecnología..................................................20

1.2.14. Comparación con otros estándares 802.XX..........................................21

1.2.15. WiMAX en Latinoamérica....................................................................22

1.2.16. Estándares adoptados.............................................................................23

1.3. Técnicas de Transmisión Wireless................................................................24

1.4. PAN...............................................................................................................24

1.5. LAN..............................................................................................................24

1.6. MAN.............................................................................................................25

1.7. WAN.............................................................................................................25

1.8. IFRARROJOS...............................................................................................25

1.9. BLUETOOTH...............................................................................................25

1.10. Aplicaciones y Servicios...........................................................................27

CAPÍTULO 2..............................................................................................................28

MODELO DE CANAL...............................................................................................28

2.1. Introducción..................................................................................................28

2.2. Caracterización de la Propagación dependiendo de los Obstáculos.............29

2.3. Espacio Semi-Libre.......................................................................................29

2.4. Zonas de Fresnel...........................................................................................29

2.5. Modelo de Canal para aeroplataforma LAPS...............................................32

2.6. Retardo del Eco.............................................................................................34

2.7. Amplitud del eco, retardos cercanos.............................................................35

2.8. Modelo Geométrico-Estadístico de Canal en función del ángulo de elevación..................................................................................................................35

2.9. Curvatura de la Tierra...................................................................................37

2.10. Cálculo altura antenas...............................................................................38

2.11. Propagación según la frecuencia...............................................................38

2.12. Propagación según el medio......................................................................45

2.13. Tipos de ondas...........................................................................................46

2.14. Parámetros Electromagnéticos y Características de Recepción................46

2.15. Técnicas de Modulación Digital...............................................................47

2.16. Modulación Binaria de fase (Binary Phase Shift Keying)........................48

2.17. Modulación de Cuadratura de fase (QPSK)..............................................50

2.17.1. Modulación adaptativa..........................................................................51

2.18. OFDM.......................................................................................................52

2.19. Modelos de Propagación...........................................................................53

2.20. Modelos de Propagación para Exteriores..................................................54

2.20.1. Tierra Plana (Teórico) (24)....................................................................54

2.20.2. SUI (Stamford University Interim, Modelo Empírico) [11] (25).........54

2.20.3. Walfrish – Ikagami (Modelo Empírico) (26)........................................55

2.20.4. Modelo COST 231 Hata (Modelo Empírico) [20] (27)........................55

2.20.5. Modelo Friis (Modelo Empírico) (28)...................................................55

2.21. Simulación.................................................................................................55

2.22. Mapa de cobertura en Radio Mobile.........................................................56

CAPÍTULO 3..............................................................................................................58

RESULTADOS OBTENIDOS CON LAS SIMULACIONES Y MODELACIONES.....................................................................................................................................58

3.1. Introducción..................................................................................................58

3.2. Objetivo.........................................................................................................58

3.3. Coordenadas geográficas de los escenarios de trabajo.................................59

3.4. Características de equipo de comunicación digital.tmp.16 3500 PROXIM, tabla 14....................................................................................................................60

3.5. Características equipo de comunicación análogo, tabla 15..........................60

3.6. Modelos de Propagación “WiMAX” Para Enlace Región Metropolitana....60

3.6.1. SUI (Stamford University Interim) (29)....................................................61

3.6.2. Tierra Plana (30)........................................................................................62

3.6.3. Walfrish – Ikagami (31)............................................................................62

3.6.4. Tabla 16 resumen cobertura WIMAX metropolitana...............................63

3.7. Modelos de Propagación “80 MHz” Para Enlace Región Metropolitana.....63

3.7.1. Modelo COST 231 Hata (32)....................................................................64

3.7.2. Modelo Friis [11] (33)..............................................................................65

3.7.3. Modelo Tierra plana [11] (34)..................................................................65

3.7.4. Tabla 17 resumen distancia para enlace Región Metropolitana “80 MHz”.66

3.8. Modelos de Propagación “30 MHz” Para Enlace Región Metropolitana.....66

3.8.1. Modelo COST 231 Hata (35)....................................................................67

3.8.2. Modelo Friis (36)......................................................................................68

3.8.3. Modelo Tierra plana (37)..........................................................................68

3.8.4. Tabla 18 resumen distancia para enlace Región Metropolitana “30 MHz”.69

3.9. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace Región Metropolitana, figura 40..................................................................................................................70

3.9.1. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel Lo Prado.................................................................................................70

3.9.2. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga..................................................................................................71

3.10. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace Región Metropolitana, figura 43..................................................................................................................71

3.10.1. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel Lo Prado Para Equipo...........................................................72

3.10.2. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.................................................................................72

3.11. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace Región Metropolitana, figura 46..................................................................................................................73

3.11.1. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel Lo Prado Para Equipo...........................................................73

3.11.2. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.................................................................................74

3.12. Modelos de Propagación “WiMAX” Para Enlace Iquique.......................75

3.12.1. SUI (Stamford University Interim) (38)................................................75

3.12.2. Modelo COST 231 Hata (39)................................................................76

3.12.3. Modelo Tierra plana (40).......................................................................77

3.12.4. Walfrish – Ikagami (41)........................................................................78

3.12.5. Tabla 20 resumen distancia enlace WiMAX Para Enlace Iquique.......79

3.13. Modelos de Propagación “80 MHz” Para Enlace Iquique........................79

3.13.1. Modelo COST 231 Hata (42)................................................................80

3.13.2. Modelo Friis (43)...................................................................................80

3.13.3. Modelo Tierra plana (44).......................................................................81

3.13.4. Tabla 21 resumen distancia para 80 MHz Para Enlace Iquique............82

3.14. Modelos de Propagación “30 MHz” Para Enlace Iquique........................82

3.14.1. Modelo COST 231 Hata (45)................................................................83

3.14.2. Modelo Friis (46)...................................................................................83

3.14.3. Modelo Tierra Plana (46)......................................................................84

3.14.4. Tabla 22 resumen de distancia para 30 MHz Para Enlace Iquique.......85

3.15. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace Iquique, figura 59.....85

3.16. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace Iquique, figura 60......86

3.17. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace Iquique, figura 61......86

3.18. Advertencia...............................................................................................87

3.19. Equipos utilizados para enlace WiMAX...................................................87

3.20. Funcionalidades de la serie MP.16 3500 SS.............................................87

3.21. Características técnicas TMP.16 3500......................................................88

3.22. Gran experiencia en aplicaciones WiMAX...............................................88

3.23. Fácil desarrollo que ahorra costos de instalación......................................88

3.24. Diseñada para rápida instalación y bajo costo de mantenimiento.............89

3.25. Configuración de equipo TSUNAMI MP 16 3500 BASE.......................89

3.26. Características técnicas Antena Omnidireccional modelo 3336-A00-360 [21], tabla 24...........................................................................................................90

3.27. Características técnicas del alimentador de tensión, tabla 25...................90

CAPÍTULO 4..............................................................................................................91

CONCLUSIONES.......................................................................................................91

LÍNEAS FUTURAS....................................................................................................92

ACRÓNIMOS.............................................................................................................93

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................94

APÉNDICE.................................................................................................................96

Modelo MatLab WiMAX Región Metropolitana....................................................96

Modelo MatLab 80 MHz Región Metropolitana.....................................................98

Modelo MatLab 30 MHz Región Metropolitana...................................................100

Modelo MatLab WiMAX Región Tarapacá, Iquique...........................................102

Modelo MatLab 80 MHz Región Tarapacá, Iquique............................................104

Modelo MatLab 30 MHz Región de Tarapacá, Iquique........................................106

Índice de Figuras

Figura 1: Tipos de HAPS según altura de trabajo......................................................3

Figura 2: Globo Antena..............................................................................................6

Figura 3: Plataforma Estratosférica de Japón JAXA..................................................7

Figura 4: SkyStation...................................................................................................7

Figura 5: Plataforma StratSat......................................................................................8

Figura 6: Masa necesaria para producir 1 A durante 1 hora con baterías de

distintas características..................................................................................................9

Figura 7: Imagen de la batería a utilizar...................................................................10

Figura 8: Avión Helios.............................................................................................11

Figura 9: Proyecto HeliNet.......................................................................................12

Figura 10: Aeronave Proteus del Proyecto Halo.....................................................13

Figura 11: Estándares Globales Inalámbricos (Fuente: IEEE)...............................24

Figura 12: Espectros de Frecuencias (Fuente: IEEE).............................................26

Figura 13: Calculo radios de Fresnel......................................................................30

Figura 14: Radios de Fresnel...................................................................................32

Figura 15: Escenario de trabajo LAPS....................................................................33

Figura 16: Curvatura de la tierra.............................................................................37

Figura 17: Distancia al horizonte, es el radio de la Tierra y corresponde a r: 6370

Km radio terrestre........................................................................................................38

Figura 18: Propagación enlaces larga distancia......................................................39

Figura 19: Capas de la Tierra y temperatura...........................................................40

Figura 20: Curvatura de la tierra.............................................................................45

Figura 21: Clasificación de las Ondas.....................................................................46

Figura 22: Relación Señal a Ruido..........................................................................48

Figura 23: Diagrama bloque BPSK.........................................................................48

Figura 24: Diagrama fasorial y constelación..........................................................49

Figura 25: Modulación............................................................................................49

Figura 26: Espectro BPSK......................................................................................49

Figura 27: Diagrama en bloque modulador QPSK.................................................50

Figura 28: Diagrama fasorial y constelación QPSK...............................................50

Figura 29: Espectro QPSK......................................................................................51

Figura 30: Relación de codificación vs SNR en receptor.......................................52

Figura 31: (a) Zoom Área de Trabajo de la Gráfica de la pérdida en espacio libre,

(b) Gráfica de la pérdida en espacio libre....................................................................61

















Figura 40: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo WiMAX..........70

Figura 41: Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel lo Prado..............................70

Figura 42: Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga..............................71

Figura 43: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo 80 MHz...........71

Figura 44: Enlace entre Parque O’Higgins y el túnel lo Prado...............................72

























Figura 59: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo WiMAX..........85



Índice de Tablas

Tabla 1: Tabla aplicación LAPS.............................................................................4

Tabla 2: Tabla comparativa de distintos tipos de baterías......................................9

Tabla 3: Características de la fuente eléctrica a utilizar.......................................10

Tabla 4: Requerimiento energético de TMP.16 3500 WiMAX...........................10

Tabla 5: Tabla comparativa de aeroplataformas del tipo HAPS..........................13

Tabla 6: Diferencias técnicas entre aeroplataformas: dirigibles y aviones..........13

Tabla 7: Diferencias de Alcance, Cobertura y Escalabilidad entre estándares

802.11 y 802.16 (Fuente: IEEE)..................................................................................15

Tabla 8: Diferencias de Ancho de Banda y Calidad de Servicio (QoS) entre

estándares 802.11 y 802.16 (Fuente: IEEE)................................................................15

Tabla 9: Tabla 3 Grupo de Estándares (Fuente: IEEE)........................................21

Tabla 10: Comparación entre estándares 802.XX (Fuente: INTEL)......................21

Tabla 11: Tabla comparativa de distintos redes comunicación..............................26

Tabla 12: Distribución de las frecuencias del espectro electromagnético..............44

Tabla 13: Coordenadas geográficas........................................................................59

Tabla 14: Características de los equipos WiMAX.................................................60

Tabla 15: Características de los equipos análogos.................................................60

Tabla 16: Tabla resumen cobertura WIMAX metropolitana..................................63

Tabla 17: Tabla resumen distancia para enlace Región Metropolitana “80 MHz”

kbblblhnñjnñj...............................................................................................................66

Tabla 18: Tabla resumen de distancia para enlace Región Metropolitana en “30

MHZ”. ...............................................................................................................69

Tabla 19: Tabla comparativa..................................................................................74

Tabla 20: Tabla resumen distancia enlace WiMAX Para Enlace Iquique.............79

Tabla 21: Tabla resumen de distancias para 80 MHz Para Enlace Iquique...........82

Tabla 22: Tabla resumen de distancias para 30 MHz Para Enlace Iquique...........85

Tabla 23: Tabla comparativa..................................................................................87

Tabla 24: Características Antena Omnidireccional................................................90

Tabla 25: Características técnicas del alimentador de tensión...............................90

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1. Presentación del Problema

Considerando que 93 de cada 100 chilenos tienen equipo celular (INE) y

ninguno podía comunicarse con las zonas más afectadas post terremoto ocurrido el 27

de febrero de 2010 en Chile, queda demostrado que es de vital importancia poseer un

sistema de radio enlace de gran cobertura y de respaldo en caso de emergencia. Que

sea de fácil implementación y despliegue con el objetivo mantener la comunicación

con las zonas afectadas por una catástrofe.

El sismo ha puesto de manifiesto, serios problemas de conectividad, de

telefonía celular y de red fija, que afectaron el normal funcionamiento de los medios

de comunicación en un país de extensa geografía. En efecto, a cinco días del

terremoto, el sistema privatizado de comunicaciones en Chile no dio respuesta a las

necesidades informativas que se requerían para una emergencia como la que se vivió

en el país. Los medios locales, y en particular las radios comunitarias fueron

fuertemente afectados por la situación.

El especialista Jaime Campos1, afirma que existe una muy alta probabilidad de

que ocurra de un sismo superior a 8,5 grados en el norte chileno; en una franja de 670

kilómetros que van desde el puerto de Mejillones hasta Arica.

Con la finalidad de evitar el problema de la incomunicabilidad producida por

catástrofes naturales inevitables es que se hace imperante la implementación de un

sistema de radio enlaces capaz de operar y de entrar en funcionamiento en el menor

tiempo posible post desastre.

Luego de estudiar aeroplataformas que llevan montado equipos de trasmisión

ya sea análogos o digitales y un estudio de equipos de comunicación para realizar

1 Director del Centro Internacional de Investigación de Terremotos Montessus de Ballore, Chile.

2

radio enlaces teniendo en consideración un análisis previo de los problemas en las

comunicaciones producidas por terremotos concluimos que la solución viable es

montar una estación Globo Antena [1] del tipo LAPS cuasiestacionaria en un punto

neurálgico en donde los expertos predicen la posible ocurrencia de una catástrofe de

similares características y con equivalentes consecuencias al ocurrido en el terremoto

mencionado anteriormente.

1.2. Estado del Arte

1.2.1. Aeroplataformas HAPS

La Unión Internacional de Comunicaciones (ITU) propuso en el año 2000 [2],

una técnica para la realización de comunicaciones inalámbricas 3G y 4G, concierne a

aeroplataformas estratosféricas HAPS (High Altitude Platform Station), ver figura 1,

acopladas sobre helicópteros, aviones o dirigibles.

Figura 1: Tipos de HAPS según altura de trabajo

Trabajarán a altitudes en un rango entre los 20 - 25 Km. y permitirán

suministrar servicios sobre áreas urbanas de 100 Km. de diámetro. Dentro de las

propuestas se pueden clasificar según sus dimensiones y altitud de vuelo en LAPS,

MAPS y HAPS [3].

Los HAPS (High Altitude Platform Station) son plataformas con capacidad de

iluminar grandes áreas, su gran capacidad de abordo permite montar mejor tecnología

y están aptos para enlazarse con satélites, además de comunicarse con estaciones de

menor envergadura como son las otras plataformas MAPS y LAPS. Las Plataformas

3

HAPS sobrevuelan a grandes alturas en un período de tiempo que va desde meses

hasta algunos años.

Los MAPS (Medium Altitude Platform Station) son plataformas que vuelan a

altitudes medias del orden de 1 Km, su cotidianeidad es que se utilicen con un

carácter comercial. Estas aeroplataformas son zeppelines y derivaciones de ellos. Su

capacidad de carga permite transportar equipos radio profesionales que funcionan con

tecnologías de 2G y 3G.

Los LAPS (Low Altitude Platform Station) son plataformas que se mantienen a

menor altitud, del orden de los 0,5 Km. debido a que sus dimensiones son menores.

Se encuentran comúnmente utilizados en solitario y formando estructuras compuestas

de varios LAPS, estas combinaciones realizan redes y se enlazan con plataformas más

grandes [4], tabla 1.

Tabla 1: Tabla aplicación LAPS

Un dato importante a considerar es la justificación de que los HAPS se eleven a

alturas entre 20 - 25 Km. y es porque la velocidad del viento es menor a esta altitud.

En Chile, en el proyecto Globo Antena, ver figura 2, desarrollado en la

Universidad Tecnológica Metropolitana, con una primera experiencia piloto el 21 de

4

Noviembre del 2003, se alcanzaron interesantes resultados en el área de

radiocomunicación digital para redes IP y Tele-monitoreo con imagen en tiempo real.

El Programa de Investigación de Radiocomunicación Digital (PIRD) [5], en

conjunto con el Programa de Prospectiva e Innovación Tecnológica y los

Departamentos de Electrónica y Diseño de la Universidad Tecnológica

Metropolitana, Universidad de la Frontera, Universidad de Chile y Reuna,

desarrollaron el proyecto Aeroplataforma Globo Antena, ver figura 2, como base de

un sistema de radiocomunicación digital para redes inalámbricas adjudicado por

FONDEF 2004 (Proyecto FONDEF D03I-1034) que tiene como objetivo principal el

desarrollo, construcción y operación de una Aeroplataforma Globo Antena que

actualmente se desarrolla como un proyecto LAPS que permitirá la comunicación

inalámbrica a través de sistemas de Radiocomunicación Digital (Wi-Fi, WiMAX,

EDGE, GSM, GPRS, LMDS, DEC, UMTS 3ª Y 4ª Generación etc.), así como el

despliegue de tecnologías de rastreo y telecomunicación que a futuro se proyecta

como un sistema HAPS de mayor altitud y envergadura

El proyecto utiliza el sistema de globo-dirigible flexible por su bajo costo

relativo, facilidad de operación y porque no requiere una pista de despegue

especialmente acondicionada. Paralelamente, los sistemas de globos en caso de falla

se precipitan suavemente a tierra, reduciendo los daños en la Aeroplataforma y los

posibles daños colaterales de un aterrizaje de emergencia.

El globo utilizado es de forma elíptica, con una capacidad de 24 m 3 de helio y

una fuerza de empuje de 90 Newton que se refleja en elevar una carga de 9 Kg. Para

la estabilización y posicionamiento se utilizan dos motores eléctricos con la opción de

ser controlados automáticamente o manualmente desde tierra, además se cuenta con

un sistema de posicionamiento GPS y una Unidad de Medida Inercial (IMU), que en

conjunto con los alerones dispuestos en la cola de la nave permiten la navegación del

vehículo aéreo y su estabilización.

Para la transmisión de datos se utiliza un sistema de antenas y señales de radio

digital, que a través de comunicación vía IP permiten el envió de señales a la

Aeroplataforma y su redistribución a los usuarios en tierra.

5

Al ser el peso un factor restrictivo, los módulos de carga (contenedores) de los

sistemas presentan también un desafió especial de diseño, donde la forma y

materiales de estos deben presentar una baja resistencia aerodinámica y un peso

extremadamente bajo.

Figura 2: Globo Antena

Este proyecto permitirá servir de distribuidor de señal radioeléctrica para

comunidades digitales en banda ancha, fija / móvil, de manera rápida con fácil

despliegue y bajo costo, contribuyendo a generar una infraestructura más homogénea

que ayudaría a reducir la brecha digital entre sectores desatendidos y los centros

urbanos.

Los sistemas terrestres son una opción válida para cumplir con los

requerimientos de la sociedad, pero son muy costosos. El habilitar una torre se

mesura en un valor aproximado de US$105.000. Además se debe agregar los peligros

que la implementación de estas torres trae a la salud de los seres humanos y el fuerte

impacto ambiental sobre los emplazamientos. Si se considera que el ritmo de

crecimiento de las demandas por comunicación aumenta en la población debido a la

cada vez mayor expansión de esta se hace la implicancia directa de un aumento de

torres con las consecuencias ya mencionadas.

Desde finales de los años 2003, países como Japón con el proyecto de

desarrollo de Plataforma de Estratosfera JAXA [6], ver figura 3, Estados Unidos con

HAA-ACTD, StratCom y el SkyStation [7], ver figura 4, Corea con el programa de

desarrollo de dirigible de estratosfera de fines múltiples e Inglaterra con ATG,

proyecto StratSat [8], ver figura 5, han estado compitiendo para conquistar el

6

mercado global2, con investigaciones para desarrollar las nuevas plataformas de

comunicación de la próxima generación y la explotación remota como la

organización de sistemas de desarrollo conjunto entre la industria, el sector

académico, sectores de investigación e institutos de investigación para la estratósfera.

Figura 3: Plataforma Estratosférica de Japón JAXA

Figura 4: SkyStation

2 Para más información ver http://www.qucomhaps.net/02hapshistory_01dvlpmnt.htm

7

http://www.qucomhaps.net/02hapshistory_01dvlpmnt.htm

Figura 5: Plataforma StratSat

1.2.2. Condiciones de flotabilidad para aeroplataformas.

Considerando (1) “que se basa en el principio de Arquímedes” [9] en la cual se

determina la fuerza de empuje necesaria para levantar los equipos.

F e=( ρaiere−ρhelio )∗V∗g (1)Con:

F e : Fuerza de empuje.

ρaiere : Densidad de aire 1,1101 (kg/m3).

ρhelio : Densidad de helio 0,17857 (kg/m3).

V : Volumen.

g : Aceleración de gravedad.

Por lo tanto realizando la sumatoria propuesta en (2) de las masas que irán

insertas en la aeroplataforma.

∑ ( m1+m2 +m3+m4+m5 ) (2)

m1 : Masa de equipo análogo correspondiente a 1,5 Kg.

m2 : Masa de equipo WiMAX correspondiente a 2,5 kilogramos.

m3 : Masa de la cuerda de sujeción correspondiente a 2 Kg para 1000

metros.

m4 : Masa de baterías correspondiente a 90 gr por batería que en conjunto

es 0,5 Kg.

8

m5 : Masa propia de la estación 1.77 Kg.

∑ ( m1+m2 +m3+m4+m5 ) = 8,3 Kg.

Despejando el Volumen de (1) se tiene que:

V=Fe

( ρaiere−ρhelio )∗g= 8,3∗g

(1,1101−0,17857 )∗g=8,91 m3

(3)

A partir del volumen obtenido en (3) se requerirá 9 m3 para generar la fuerza de

empuje que necesita el LAPS. Considerando que 1 m3 de Helio eleva 1 Kg. A nivel

del mar.

1.2.3. Autonomía energética de la aeroplataforma

Como se verá en la tabla 2 de características de dispositivos de almacenamiento

de energía se determinó la opción de utilizar baterías de polímeros de litio, ver figura

6.

Tipo de batería

Coste (e/Kwh) Energía especifica (Wh/Km)

Potencia especifica (w/Kg)

Carga / Descarga (ciclos)

Eficacia (%)

LiPo 2000 200 300 > 1000 98Ni-Hidruro 1200 100 200 500 75NiCd 800 1000 50 1000-3000 65-85

Tabla 2: Tabla comparativa de distintos tipos de baterías

Figura 6: Masa necesaria para producir 1 A durante 1 hora con baterías de distintas características

9

Las baterías utilizadas son de la marca GWS con las siguientes características,

ver tabla 3.

Tensión Volt Intensidad mAh11.1 1050.

Tabla 3: Características de la fuente eléctrica a utilizar

Figura 7: Imagen de la batería3 a utilizar

La alta densidad energética de este tipo de baterías, ver figura 7, las hace ideal

para el abastecimiento autónomo de la aeroplataforma.

A continuación se calculará el tiempo de funcionamiento de la aeroplataforma

utilizando las baterías mencionadas.

Como las baterías prestan una intensidad de 1 Amper hora y si consideramos un

banco de 5 baterías tendremos la alimentación necesaria y siguiendo la siguiente

ecuación que nos entrega el tiempo de operación de las baterías para los requisitos de

WiMAX que son los de la tabla 4.

Tensión Volt Intensidad A

48 0,420.

Tabla 4: Requerimiento energético de TMP.16 3500 WiMAX

La relación de tiempo - Amper del banco de 5 baterías según (4) es:

3 Más información acerca de la batería en http://www.cienciateca.com/ctslibat.html

10

http://www.cienciateca.com/ctslibat.html

5 amper → 1hr (4)

Por lo tanto como requerimos de 0,420 Amper, el tiempo de operación en

condiciones ideales aplicando la relación (5) es:

Xhr=5 amper∗1 hora0,420 amper

=11,9hr (5)

1.2.4. Tecnología de Avión

También se puede implementar un HAPS en un avión [10] no tripulado con

energía solar, la limitante es el almacenamiento de energía para mantener la estación

operativa en el periodo nocturno.

Los High Altitude Aircrafts pueden operar a elevaciones comprendidas entre

los 16 a 19 Km., por encima del tráfico aéreo comercial y en condiciones climáticas

adversas.

A la vanguardia se puede encontrar los AeroVironment en EE.UU., quienes

planificaron el avión Helios, ver figura 8, con una envergadura de 75 metros de

largo. El Pathfinder y Centurión Programmes ya han manifestado pruebas de

resistencia de vuelo en hasta 25 Km. de altitud. Tienen el objetivo de operación de

alto rendimiento para gestiones comerciales, comunicaciones y otras aplicaciones.

Figura 8: Avión Helios

Otro proyecto reciente que utiliza este tipo de tecnología es la plataforma

HELINET, ver figura 9, un proyecto europeo integrado por colaboradores de muchos

países pertenecientes tanto a Universidades como a empresas privadas. Algunos

11

países que participan en este proyecto son: Italia (Politécnico de Torino y Carlo

Gavizzi Space Spa) que trabaja en el diseño de la aeronave, el Reino Unido

(Universidad de York, Enigma TECH, Barclay Associated) y España (Universidad

Politécnica de Cataluña y CASA). Esta aeroplataforma estratosférica es teledirigida y

se alimenta con energía solar. Se eleva a una altitud de 17 Km. y trabaja una

frecuencia de 47 GHz.

Figura 9: Proyecto HeliNet

Este proyecto tiene como fin prestar el servicio de banda ancha. Es una

infraestructura de telecomunicaciones, un avión con perfil aerodinámico cuyas

funciones serán de vigilancia medioambiental, comunicaciones por banda ancha y

geoposicionamiento además de la capacidad de integración con el proyecto satelital

Galileo, el cual está siendo liderado por la Comunidad Europea.

Actualmente el proyecto HAPS en el mercado de comunicaciones es el avión

tripulado que opera con una autonomía de vuelo de 8 horas.

El proyecto HALO, ver figura 10, de Ángel Technologies, proyecta emplear la

nave especialmente diseñada Proteus, que funciona a altitudes entre 16 -18 Km. para

entregar servicios de comunicación de banda ancha sobre un área hasta 40 Km. de

diámetro. El avión mantendrá una posición cuasi-estacionaria por vuelo en un

recorrido circular con un diámetro a lo más de 13 Km. La carga útil de

comunicaciones es inserta en una vaina debajo del fuselaje alojando hasta 125

antenas de microondas.

12

Figura 10: Aeronave Proteus del Proyecto Halo

Las características de tiempo de vida útil de la tecnología HAPS se ven en la tabla 5.

Variables Globo Esférico PVC LAPS MAPS I MAPS IIVida Útil 1 mes 1 año 2 años 36 mesesTiempo de Operación 7 días 30 días 25 días continuo 40 díasAltura Operación 120 metros 1,2 kms 3 kms 5 kmsCobertura de Servicio

Volumen m3

Compartimiento de CargaSujeción y Anclaje MóvilPrecio 500.000$ 15.000.000$ 450.000.000$ US$ 2.000,000

Escala de la Tecnología HAPS

Tabla 5: Tabla comparativa de aeroplataformas del tipo HAPS

La comparación en los distintos modelos de la tecnología HAPS se ve en la tabla 6.

Característica Globos Avión Solar Avión Jet Longitud 200 m 60 m 30 m

Peso Total 30.000 Kg 1000 Kg 2.5 Kg Fuente Energía Celdas Solares Celdas Solares Gasolina

Duración en Vuelo 3 años 6-8 meses 8 horas Carga 1000 Kg 100 Kg 1000 Kg

Potencia Generada 10 Kw 1.0 Kw 20 Kw Estabilidad Posición 1.0 Km 10 Km 20Km

Ejemplos Skynet Skystation

Helinet Centurion

Proteus

Tabla 6: Diferencias técnicas entre aeroplataformas: dirigibles y aviones

1.2.5. Tecnologías Wireless de Gran Alcance: WiMAX

WiMAX es el estándar IEEE-802.16 [11] que define una red metropolitana de

banda ancha inalámbrica (WMAN) aprobado en enero del año 2003 en el WiMAX

Forum, permite la conexión sin línea de vista presentándose así como una alternativa

de conexión “fija” al cable y al ADSL para los usuarios residenciales, siendo una

13

posible red de transporte para los “Hot Spot” o zona de cobertura Wifi y una solución

para implementar plataformas empresariales de banda ancha. La tecnología WiMAX,

que en general integra dos estándares del mercado en todas sus versiones y nuevos

desarrollos, estos son: IEEE 802.16a y el europeo ETSI HyperMan, promete

satisfacer la creciente demanda de banda ancha e integrar servicios de datos, tanto

comerciales como residenciales, asegurando calidad de servicio.

Por otra parte, las grandes empresas de telecomunicaciones podrían usarla para

la creación de una plataforma común para sus distintos clientes, definiendo perfiles

para las grandes empresas, los usuarios hogar, pymes, entre otros potenciales

usuarios, dejando de depender de las líneas telefónicas o redes de TV cable.

Esta alternativa tecnológica ofrece un mayor ancho de banda y alcance que la

familia de estándares Wifi, compuesta básicamente por los estándares 802.11a,

802.11b y 802.11g.

Wifi está pensado para dar servicio en oficinas o dar cobertura a zonas

relativamente pequeñas con una tasa de transferencia de 11 Mbps con una cobertura

hasta de 350 metros en zonas abiertas, mientras que WiMAX ofrece tasas de

transferencia de 70 Mbps a distancias de hasta 50 kilómetros de una estación base.

Además, no menos importantes son las características técnicas que diferencian

Wifi de WiMAX, tales como: Escalabilidad, Cobertura, y Calidad de Servicio (QoS),

como se indica en las Tablas 7 y 8 siguientes:

14

Tabla 7: Diferencias de Alcance, Cobertura y Escalabilidad entre estándares 802.11 y 802.16 (Fuente: IEEE)

Tabla 8: Diferencias de Ancho de Banda y Calidad de Servicio (QoS) entre estándares 802.11 y 802.16 (Fuente: IEEE)

15

De acuerdo con las características anteriores, WiMAX está considerado que

podría llegar a ser una alternativa más barata a las líneas de suscripción digital y a los

accesos de cable de banda ancha, ya que los costos de instalación de una

infraestructura inalámbrica son mínimos si se comparan con las versiones cableadas.

1.2.6. Principio de Funcionamiento de la Tecnología WiMAX

Este análisis y especificaciones técnicas del WiMAX está basado en los

estudios conducidos por el Grupo de Trabajo del IEEE, el cual decidió que se podría

requerir un nuevo, más complejo y completo desarrollo del estándar para direccionar

las necesidades requeridas por la Capa Física (transmisiones de RF en exterior versus

interior) y la Calidad de Servicio (QoS) en los sistemas Broadband Wireless Access

(BWA) y su acceso al mercado de la “última milla”.

WiMAX es un típico sistema BWA punto a multipunto compuesto de dos

elementos clave:

- Estación Base (BS).

- Estación suscriptora (SS).

La estación base se interconecta al backbone de la red y usa una antena exterior

para transmitir y/o recibir voz y datos de alta velocidad hacia el equipo subscriptor,

excluyendo la necesidad de una costosa infraestructura por cable.

1.2.7. Especificaciones del estándar IEEE 802.16

De acuerdo con los estudios realizados en el IEEE, en la Capa Física (PHY

layer), el estándar 802.16a soporta canales de RF con anchos de banda flexibles y

reutiliza aquellos canales (reutilización de frecuencias), como una manera de

aumentar la capacidad de las celdas a medida que la red va creciendo.

Este estándar también especifica el soporte para la transmisión automática del

control de potencia y mediciones de la calidad del canal como una herramienta

16

adicional de Capa Física para soportar la planificación, despliegue y uso eficiente del

espectro.

El estándar 802.16a del IEEE especifica el tamaño de los canales en el rango de

1.5MHz hasta 20MHz.

1.2.8. Cobertura.

El estándar 802.16a para Acceso Inalámbrico de Banda Ancha (BWA o

Broadband Wireless Access) es diseñado para obtener un óptimo comportamiento en

todos los tipos de propagación, incluyendo las condiciones de LOS (línea de vista),

LOS cercano y NLOS (No línea de vista), y entregar resultados confiables aún en

casos de enlaces difíciles.

La robustez de la señal OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

soporta una alta eficiencia espectral (bits por segundo por Hertz) sobre rangos entre 2

y 50 kilómetros con una tasa de bits hasta de 70 Mbps sobre un único canal de RF.

Cabe señalar que no todos los sistemas con OFDM actúan igual. El diseño de

OFDM para BWA tiene la habilidad de soportar largos rangos de transmisión y las

multitrayectorias o reflexiones de la señal.

OFDM en las WLAN fue creado con la visión de los sistemas de cobertura

entre 10 hasta unos pocos cientos de metros, en cambio el estándar 802.16 es

diseñado para alta potencia y una aproximación OFDM que soporta despliegues en el

rango de las decenas de kilómetros.

1.2.9. Calidad de Servicio (QoS)

El estándar 802.16a MAC confía en un protocolo de Cesión/Requerimiento

para acceso al medio y éste soporta niveles de servicios diferenciados. Por ejemplo,

líneas dedicadas T1/E1 para negocios y el mejor esfuerzo para abonados

residenciales.

17

El protocolo emplea flujos de datos TDM sobre el DL (Downlink) y TDMA

sobre el UL (Uplink), y el proceso de la información es ejecutado por un programa

centralizado para apoyar los servicios sensibles al retardo tal como la voz y el video.

El IEEE ha realizado el esfuerzo por algunos años para desarrollar este nuevo

estándar 802.16a, destacando en una aprobación final de las especificaciones de la

interfaz aire en Enero 2003.

Cabe señalar que muchas compañías que son miembro del grupo WiMAX están

también activas simultáneamente en el estándar IEEE 802.16 y en el estándar IEEE

802.11 para Wireless LAN, con la visión de combinar el 802.16a y 802.11 creando

una solución inalámbrica completa para entregar acceso a Internet de alta velocidad

para negocios, hogares, y coberturas pincel hot spot para Wifi.

El estándar 802.16a entrega un comportamiento “carrier-class” en términos de

robustez y QoS, y ha sido diseñado para entregar un abanico de servicios con

características escalables, largo alcance y alta capacidad para la “última milla” en

comunicaciones inalámbricas, para portadores y proveedores de servicio alrededor

del mundo.

1.2.10. WiMAX, la Capa Física del estándar IEEE 802.16ª

La primera versión del estándar 802.16 se refirió a los medios donde existía

Line-of-Sight (LOS) o línea de vista para bandas de alta frecuencia operando en el

rango de 10 a 66 GHz, mientras que en los recientes desarrollos adoptados, el

estándar 802.16a, es diseñado para operar sistemas en bandas en el rango de 2 a 11

GHz.

La diferencia entre aquellos dos rangos de frecuencia está en la habilidad para

soportar operaciones sin línea de vista (NLOS) en las frecuencias bajas, o algo que no

sea posible en bandas más altas. Consecuentemente, las enmiendas a la 802.16a

conducen a un estándar abierto y la oportunidad para mayores cambios a las

especificaciones de la capa física orientadas a administrar las necesidades de las

bandas entre 2 y 11 GHz.

18

Esto es logrado mediante la introducción de tres nuevas especificaciones a la

Capa Física (una nueva portadora única para la PHY, una Transformada Rápida de

Fourier de 256 puntos o FFT OFDM PHY, y una FFT OFDMA PHY de 2048

puntos); mayores cambios a las especificaciones de la capa PHY son comparadas a

las frecuencias altas, así como los mejoramientos significativos de la capa MAC.

El formato de OFDM ha sido seleccionado en preferencia sobre el CDMA

debido a su habilidad para soportar los comportamientos NLOS y mantener un alto

nivel de eficiencia espectral al usar la disponibilidad de espectro. En el caso de

CDMA (donde prevalece para los estándares 2G y 3G), el ancho de banda de RF debe

ser mucho más grande que el rendimiento de la señal de datos, para mantener una

adecuada ganancia de procesamiento y prevenir la interferencia.

Esto es claramente impracticable para inalámbricos de banda ancha bajo los 11

GHz, por ejemplo, tasas de datos hasta 70 Mbps podrían requerir anchos de banda de

RF sobre los 200 MHz para entregar ganancias de procesamiento comparables al

comportamiento de NLOS adecuados.

1.2.11. OFDM PHY en el estándar 802.16a

El diseño típico de un modulador y demodulador OFDM para el 802.16a que

fue desarrollado en Noviembre 2002, con la aprobación del estándar en Enero 2003,

se espera que se mantenga hasta tener el estándar oficial, si es que no existen mayores

cambios.

Algunas especificaciones relevantes son las siguientes:

Tamaño del FFT: 200 portadoras usadas desde un FFT de 256 puntos.

Tonos pilotos: 8 ubicaciones fijas, portadora continua no utilizada

Intervalo de Guardia (prefijo cíclico): 1/4, 1/8, 1/16 o 1/32

Modulación: QPSK, 16QAM y 64QAM.

Tasa de Símbolos: Hasta en canales de 28 MHz

FEC: Código Reed-Solomon concatenado y código Convolucional

19

RS: basado en N=255, K=239, T=8 código sobre GF(256) – acortado y

explorado para las variables K y T.

Viterbi: Tasa nativa del código 1/2, Longitud (constraint length) 7, explorado

a las tasas 2/3, 3/4 y 5/6.

Interleaver: Dos pasos de permutación

Modo Dúplex: TDD o FDD

Preámbulo: Generación / Adquisición de los preámbulos para Uplink y

Downlink

1.2.12. WiMAX Forum.

Este grupo se fundó en abril del 2001, reorganizado en febrero del 2003,

formado inicialmente por las empresas Intel, Airspan, Fujitsu, Wi-LAN, Proxim y

Alvarion.

Para poder darnos cuenta, el WiMAX Forum [12] es al 802.16a lo que la

alianza Wifi es al 802.11b.

Este grupo está enfocado a la prueba de interoperabilidad y certificación de los

estándares 802.16a (con un perfil de 256 OFDM), y 802.16d.

1.2.13. Estándares Presentes en la Tecnología

Los estándares que están presentes en la familia del 802.16 son los indicados en

la siguiente Tabla 9.

20

Tabla 9: Grupo de Estándares (Fuente: IEEE).

1.2.14. Comparación con otros estándares 802.XX

La tabla 10 muestra una comparación general de las características técnicas

entre el Wifi, WiMAX y MWBA (Mobile Wireless Broadband Access o 802.20 en

estudio por el IEEE).

Tabla 10: Comparación entre estándares 802.XX (Fuente: INTEL)

21

1.2.15. WiMAX en Latinoamérica.

En Colombia: La empresa Orbitel ofrece comercialmente el servicio

en las ciudades de Cúcuta, Cali, Cartagena, Manizales, Barranquilla, Medellín,

Ibagué y Bogotá. Además, Telebucaramanga, filial de Telefónica Telecom, provee

una red mixta de WiMAX-Wifi en la ciudad de Bucaramanga desde el año 2005,

siendo la primera en el país y Latinoamérica.

En Argentina: Las empresas Ertach y Velocom, ofrecen los servicios

en casi toda Argentina.

En Paraguay: En ese país, la empresa Telecel S.A con su marca

TIGO, da cobertura a prácticamente la totalidad del territorio.

En Costa Rica: En Costa Rica, desde junio del año 2006 el líder en

Internet, Radiográfica Costarricense (RACSA), ofrece el servicio WiMAX.

En Chile: Telmex, el martes 20 de marzo de 2007, lanzó esta

innovadora tecnología en el país para las PYMES. Actualmente tiene cobertura en las

ciudades de Santiago, Concepción, Talcahuano, Curicó, Iquique, La Serena,

Coquimbo, Linares, Ovalle, Rancagua, Talca, Temuco, Valdivia, Valparaíso y Viña

del Mar.

En Venezuela: En Venezuela, Omnivisión desplegó la red WiMAX

en Caracas junto a Samsung en la banda de 2.5 GHz., sin embargo, recientemente

CONATEL (ente regulador de las telecomunicaciones en ese país) asignó las bandas

de 3.5 y 3.7 GHz. para el uso de esta tecnología, lo que ha retrasado un poco el

lanzamiento comercial.

En El Salvador: En El Salvador, Telecom (del grupo América Móvil) y

Telefónica Móviles ofrecen WiMAX, en algunas zonas. Salnet desplegara su red

WiMAX a principios de Octubre de 2007.

22

En México: AXTEL está en vías de implementación. En las

ciudades de Puebla, Aguascalientes y Veracruz ya se comercializa WiMAX a través

de Ultranet2go.

En Ecuador: Intel y CONATEL mantienen acuerdos, pero aún no

está desplegada la red.

En República Dominicana: Tricom ofrecerá, próximamente el servicio WiMAX

exclusivamente a sus clientes de negocios en su primera etapa; la misma estará

disponible en Bávaro, Haina y Santo Domingo Norte, Oeste y Distrito Nacional.

En Uruguay: La empresa de telecomunicaciones privada Dedicado,

junto a Intel están trabajando actualmente en el proyecto WiMAX para toda

Montevideo y parte de la Costa de Oro, durante el 2007 el servicio podría quedar

activo.

En Perú: En Lima, y desde el 2004, E-MAX tiene cerca de

2.000 usurarios. Telefónica del Perú y TELMEX Perú también están operativas y

ofrecen servicios en varias zonas del país.

En Guatemala: UNITEL, bajo la marca Yego, lleva desde el año 2005

ofreciendo servicios a zonas específicas del país.

1.2.16. Estándares adoptados

La evolución de las tecnologías inalámbricas desde el punto de vista del IEEE

de USA y del grupo estandarizador de Europa ETSI, y con el fin de evitar

confusiones en sus conceptualizaciones, la figura 11 muestra el alcance de este tipo

de tecnologías.

23

Figura 11: Estándares Globales Inalámbricos (Fuente: IEEE)

1.3. Técnicas de Transmisión Wireless.

Las redes Wireless son redes no cableadas y fueron planteadas como

alternativas, a las redes cableadas existentes. Tienen características inherentes a las

redes de datos y utilizan modulación digitales para obtener los niveles lógicos

correspondientes a los datos digitales. Sus formas de transmisión son variadas y usan

el espectro electromagnético, así se puede tener comunicaciones en infrarrojos,

frecuencias súper elevadas SHF (en su mayoría).

Comparten la arquitectura de las redes cableadas por lo cual tenemos redes

PAN, LAN, MAN, WAN.

1.4. PAN.

Red de área personal de computadoras para la comunicación entre distintos

dispositivos (tanto computadoras, puntos de acceso a internet, teléfonos celulares,

PDA, dispositivos de audio, impresoras) cercanos al punto de acceso. Estas redes

normalmente son de unos pocos metros y para uso personal, así como fuera de ella.

1.5. LAN.

Red de área loca Personal Son redes de propiedad privada, de hasta unos

cuantos kilómetros de extensión. Por ejemplo una oficina o un centro educativo.

24

Se usan para conectar computadoras personales o estaciones de trabajo, con

objeto de compartir recursos e intercambiar información.

1.6. MAN.

Red de área metropolitana. Estas redes también están limitadas por alcance y es

así como las redes PAN tienen alcances inferiores a 10mt y las RAN corresponden a

alcances regionales de centenares de kilómetros. A continuación veremos una breve

descripción de estas redes.

1.7. WAN.

Red de área local, se extiende sobre un área geográfica extensa, a veces un país

o un continente, y su función fundamental está orientada a la interconexión de redes o

equipos terminales que se encuentran ubicados a grandes distancias entre sí.

1.8. IFRARROJOS.

El estándar original 802.11 contemplaba esta tecnología, tomando un bajo

impulso debido a sus inconvenientes como la distancia de operación. La organización

que fue creada para difundir la comunicación por infrarrojos, se llama IrDA (Infrared

Data Association), en la actualidad tiene dos estándares.

IrDA-Control que es un protocolo de baja velocidad y que se usa en

dispositivos de control inalámbrico, (Mouse, Teclados, Celulares, Control Remoto).

El otro protocolo es IrDA –Data creado principalmente para establecer redes de datos

de corto alcance, distancias no superiores a 1 m y con velocidades alrededor de 9,6

Kbps

1.9. BLUETOOTH.

Bluetooth está recogida por el grupo de trabajo 802.15.1 del IEEE es una

Tecnología de corto alcance, pero superior al Infrarrojo, integrado en teléfonos

móviles, ordenadores personales y, en general, en todos los dispositivos electrónicos

que se desee, directamente o a través de adaptadores.

25

El enlace es capaz de transmitir voz o datos (incluyendo imágenes) en tiempo

real, con una capacidad máxima por canal de alrededor de 720 Kbps

Las principales características que diferencian a las redes de comunicación se

ven en la tabla 11.

Distancia entre los dispositivos. Puntos de comunicación. Red.

0.1 m. La tarjeta de red de

computadoras.

Maquina de flujo de dato.

1 m. El sistema. Tecnología infrarroja, WPAN.

10 m. El cuarto. Bluetooth, WPAN.

100 m. El edificio. WLAN.

1 Km. Los terrenos de la universidad. WLAN.

100 Km. La ciudad. WLAN, MAN.

1000 Km. El continente. WAN.

10.000 Km. El planeta. WAN.

Tabla 11: Tabla comparativa de distintos redes comunicación

Figura 12: Espectros de Frecuencias (Fuente: IEEE).

De acuerdo con la figura 12, las bandas disponibles a mediados del año 2004

para WiMAX, serían 3400 a 3600 MHz y 5725 a 5850 MHz, lo cual dista de existir

equipos certificados por el Forum WiMAX.

El resto de frecuencias indicadas en la figura 12, se refieren a futuros

desarrollos según los grupos de trabajo del IEEE.

1.10. Aplicaciones y Servicios.

26

En BWA, las aplicaciones incluyen:

Acceso de banda ancha residencial – DSL - nivel de servicio para negocios

pequeños y SOHO.

Servicios a nivel de T1/E1 para empresas.

Soporte para voz, datos y video.

Respaldos inalámbricos para hot spots y respaldo para interconexión de torres

celulares, entre otras.

27

CAPÍTULO 2

MODELO DE CANAL

2.2. Introducción

Con el fin de lograr el objetivo de realizar un enlace factible es que se torna de

vital importancia el estudio de los efectos de la propagación en el medio en que se

realizará el radioenlace.

Teniendo en cuenta lo anterior se puede determinar los factores que afectan la

radio propagación y los requisitos que se deben cumplir para garantizar una

comunicación viable, estos requisitos son:

La potencia de la señal presente en el receptor debe ser mayor a la potencia

del ruido en el mismo o sea la relación señal ruido (S/N) [13] debe ser

suficiente. Esta condición es necesaria.

Dentro del ancho de banda determinado, la señal debe propagarse sin sufrir

distorsión excesiva, además la velocidad de propagación y la atenuación

deben ser constantes dentro de dicho ancho de banda (velocidad de fase y

velocidad de grupo).

Ambas condiciones deben ser constantes en un intervalo de tiempo.

En cada enlace se deben tener en cuenta diferentes parámetros a analizar

como son el entorno, la frecuencia, la ganancia y altura de las antenas con las

que se trabajarán, dependiendo de esto se busca el modelo de propagación

más adecuado.

28

2.3. Caracterización de la Propagación dependiendo de los Obstáculos.

Se dividen en:

Propagación Rectilínea. En este caso la radiación electromagnética en

una trayectoria recta ya sea en el espacio vacío o en una atmósfera ideal

está libre de obstáculos que puedan perturbar la propagación de la onda.

La atenuación se da únicamente debido a la divergencia de los rayos. Se

torna necesario analizar los multitrayectos porque en la práctica es

imposible de encontrar condiciones de espacio libre.

Propagación No Rectilínea. Se tienen presente las propiedades de

refracción, reflexión, difracción, dispersión y ligazón, los que afectan el

recorrido de la onda electromagnética. Esto se puede traducir en un efecto

ventajoso para la propagación como también perjudicial debido a:

1. Presentan atenuación de la señal y discriminación de frecuencia.

2. No son constantes en el tiempo lo cual perjudica la

radiocomunicación.

2.4. Espacio Semi-Libre

Se consideran las reflexiones en el suelo, la distancia al horizonte como es el

caso de las distancias superiores a 50 Km. después de la cual se debe considerar la

curvatura de la Tierra, la presencia de la tropósfera y otros fenómenos secundarios. El

equipo transmisor se debe elevar a una gran altura del suelo con el fin de eliminar o

disminuir la presencia de obstáculos que deterioren la comunicación, además el

primer elipsoide de Fresnel debe estar libre.

2.5. Zonas de Fresnel

Es un espacio compuesto por un conjunto de elipsoides concéntricos cuyo eje

mayor corresponde a la línea vista entre la antena transmisora y receptora donde se

tiene que los focos de radiación corresponden con los focos de los elipsoides.

29

Considerando un radio variable rn como el que se muestra en la figura 13, para

las distintas zonas de Fresnel entre T X y RX se van formando las denominadas elipses

de las zonas de Fresnel.

Figura 13: Calculo radios de Fresnel

Donde P es el punto que pertenece a la zona de Fresnel de orden “n”.

El punto P pertenece a una zona de Fresnel de orden “n” según la siguiente

relación matemática:

T X P+P RX−T X RX=nʎ2

(6)

Y desarrollando por el Teorema de Pitágoras se obtiene la distancia T X P y

RX P como se muestra en (7).

T X P=√d12+rn

2=d1∗√1+|rn|

2

d1

Oooooooo

RX P=√d22+rn

2=d2∗√1+|rn|

2

d2

(7)

Y como se considera un rn variable se procede hacer el desarrollo en serie de

McLaurin para (8)

f 1 (r n )=√1+|rn|

2

d1

Oo

30

f 2 (r n )=√1+|rn|

2

d2

(8)

Serie de McLaurin (9):

f ( rn ) f (0 )+ f ' (0 )∗rn+ f ' ' ( 0 )∗r n2

2+ f ' ' ' ( 0 )∗r n

3

3 !+…+ f n (0 )∗rn

n

n!(9)

Y desarrollando la serie para los primeros tres términos, se obtiene la

aproximación para f 1 (r n ) y f 2 (r n ) como se ve en (10).

f 1 (r n ) 1+rn

2

2d12 Oye

f 2 (r n ) 1+rn

2

2d22 (10)

Reemplazando en (10) se obtiene (11)

T X P d1[1+rn

2

2d12+…]

RX P d2[1+rn

2

2 d22+…] (11)

Sustituyendo T X P y RX P en (6) se obtiene (12), sabiendo que T X R=d1+d2.

d1+r n

2

2 d1

+d2+rn

2

2d2

−d1−d2=nʎ2

rn=√ nʎ d1 d2

d1+d2

(12)

Rn : Radios de Fresnel.

n : Número de zona de Fresnel.

ʎ : Longitud de onda.

d : distancia antena a obstáculo.

31

Tomando en consideración un obstáculo presente a 20.000 [m] de la antena 1 y

30.000 [m] de la antena 2 y utilizando (12) se obtienen los siguientes radios de

Fresnel:

Para r = 1 r1 = 32 [m]

Para r = 2 r2 = 45 [m]

Para r = 3 r3 = 55 [m]

Para r = 4 r4 = 64 [m]

Para r = 5 r5 = 71 [m]

Para r = 6 r6 = 78 [m]

Para la propagación en el espacio libre se debe cumplir que el margen sobre

obstáculos sea 0,6 veces el radio calculado con (12) de la 1ª zona de Fresnel, ver

figura 14, criterio utilizado para determinar la viabilidad de un enlace en presencia de

obstáculos para la 1ª zona de Fresnel.

Figura 14: Radios de Fresnel.

2.6. Modelo de Canal para aeroplataforma LAPS.

Un escenario que puede considerarse es el de la figura (14) básicamente consiste en una aeroplataforma[14].

32

Figura 15: Escenario de trabajo LAPS.

d los=h

sen (α) (7)

deco=√ (∆ r+r )2+h2+|∆ r| (8)

r= htg (α) (9)

r=distancia horizontal del receptor .

∆ r=delta r (distanciahorizontal reflector) .

La figura 15 esquematiza la situación para una aerostación donde Tx es el

transmisor y Rx un receptor en tierra, tres parámetros que son de especial interés.

El nivel del rayo directo LOS (Line-Of-Sight): Energía ajustable

desde la plataforma.

El ángulo de elevación α: Esta elevación está determinada por la

distancia horizontal, “r” y la altura de vuelo, “h”. Cambios en el

ángulo de elevación generan variaciones en los retardos de señal y

aumento del multitrayecto. Para distancias mayores a 50 Km es

necesario considerar la curvatura de la tierra.

Las sombras: El desplazamiento del receptor en zonas donde el

ángulo de elevación es menor que 45°, para alturas de 25Km,

provocará sombras del orden del 50% del tiempo de conexión.

33

La figura 15 representa un rayo directo LOS y un rayo reflejado en el receptor.

Por lo tanto la recepción consistirá en dos señales en este primer acercamiento. Las

consideraciones geométricas, los parámetros y las variables a considerar son (7) (8) y

(9).

Se ejecutó una estimación teórica del retardo y de la amplitud de la señal

reflejada en el enlace descendente considerando sólo un multicamino, como el

escenario propuesto en la figura 15.

Para el estudio de este escenario, primero se estudió el retardo de la reflexión en

función de la altura de la plataforma y la distancia de los dispersores (reflectores) y

luego las amplitudes de los ecos en función de estos mismos parámetros.

2.7. Retardo del Eco.

Los retardos producto de los rayos [14] reflejados serán proporcionales al rango

de las inclinaciones de los rayos desviados como se ve en (10) (11):

∆ τ=τ echo−τ los (10)

∆ τ=1c [√(∆ r+ h

tg (α))2

+h2+|∆ r|− hsen(α) ] (11)

Donde c=3∗108 ms

.

Definamos casos típicos cuando la altura de la aeroplataforma aumenta y

cuando disminuye.

1. Cuando la altura de la aeroplataforma aumenta:

h → ∞ ∆ τmin=(1+cos (α ))∗|∆ r|

c caso típico de HAPS.

2. Cuando la altura de la aeroplataforma disminuye: h → 0 ∆ τmax=2∗|∆ r|

c

obviamente este es el peor de los casos.

34

2.8. Amplitud del eco, retardos cercanos.

Las amplitudes de los ecos pueden ser calculadas por las pérdidas en espacio

libre FSL (Free Space Loss) (12) (13), por ejemplo la atenuación de la potencia del

eco estará dada por: Δ FSL (atenuación potencia reflejada).

∆ FSL=20∗log( deco

dLos)dB (12)

∆ FSL=20∗log( (√ (∆ r+r )2+h2+|∆ r|)∗sen(α)h )dB (13)

Si h → ∞ ∆ FSL → 0, éste es el caso para las aeroplataformas plataformas

estratosféricas.

Si h → 0→ ∆ FSL → ∞.

De otra manera,

h → ∞ α →0 °

h → 0α → 90 °

Por lo tanto.

α → 90 ° ∆ FSL→ 0 Ausencia rayo reflejado.

α → 0 ° ∆ FSL→ ∞ Ausencia rayo directo.

2.9. Modelo Geométrico-Estadístico de Canal en función del ángulo de

elevación.

Un modelo de canal aeronáutico [14] como el de la figura 15 puede ser

considerado como un canal Rice y la estadística de la amplitud del rayo directo esta

modelada principalmente por el ángulo de elevación y las sombras. La función

densidad de probabilidad (PDF) (14) que mejor describe el comportamiento LOS es

la distribución Rice.

36

pdf Rice=r

σ2I 0( r·r s

σ2 )exp (−r2+rs2

2σ2 )(14)

Donde r s es la amplitud del rayo directo, Io es la función de Bessel de primer

tipo y de orden cero.

Si r2s=1 entonces el factor Rice K= 1

2σ2

Si r2s ≠ 1 que el factor de Rice será: K=10 log( r2

s

2 σ2 )dB

De otra manera como se ve en (15):

K=10 log( acs )

2

dB (15)

Parámetros posición usuario, donde: α → rayo directo : d los=h

sen (α)

Y cuando c →rayo disperso : deco=√ (∆ r+r )2+h2+|∆ r|.

(16)

Cuando h → ∞ (caso típico de HAPS) y cuando

h → 0 (Este es el peor caso), entonces:

α →90 °⇒ K Canal Gaussiano.

α → [12°<α <90 ° ]⇒ Canal Rice.

α <12° ⇒K 0 Canal Rayleigh.

Con las consideraciones anteriormente expuestas, se puede escribir la nueva p(r)

(17), función densidad de probabilidad condicionada al nuevo parámetro K():

37

(17)

2.10. Curvatura de la Tierra

Para simular un valor de Refractividad de la Atmósfera [15] se utiliza el

parámetro denominado K (18) observable en la figura 16 que muestra la influencia

de la curvatura de la Tierra a grandes distancias.

Figura 16: Curvatura de la tierra.

K= 43

→ F=1

K=1 → F=0.3 (18)

K=23

→ F=0.3

Donde F es la porción de la Primera Zona de FRESNELL (19) aplicada con

cada Criterio. Este parámetro se da en metros.

F=17.3[ d1 ¿d2

f ∗D ]∗1

2

(19)

D es dado en Kilómetros y f en GHz.

La distancia límite [16], ver figura 17, al horizonte S (20), para una

aeroplataforma viene dada por la siguiente relación.

38

S=r∗cos ( rr+h )

−1

(20)

Figura 17: Distancia al horizonte, es el radio de la Tierra y corresponde a r: 6370 Km radio terrestre.

2.11. Cálculo altura antenas.

Para grandes distancias se trata de calcular la altura (21) necesaria para que no

haya interferencia de obstáculos, dicha altura se determina a apartir de las siguientes

expresiones dependiendo del factor K.

h=(d1∗d2 )

(12.75∗K )Para cualquier valor de K

h=0 → K=infinito (21)

h=( d1∗d2 )

17Para K= 4

3

h=( d1∗d2 )

8.5Para K=2

3

2.12. Propagación según la frecuencia.

Se define el espectro electromagnético [17] como la distribución de diversas

frecuencias de radiaciones electromagnéticas.

La estructura atmosférica, ver figura 19, está dividida en:

Tropósfera: Es la capa inferior de la atmósfera terrestre y escenario de todos los

procesos meteorológicos. La tropósfera se extiende hasta una altitud de

unos 11 Km. sobre las regiones ecuatoriales.

39

Esta capa es la responsable de la mayoría de las condiciones de propagación en

VHF según las condiciones del clima.

El estudio de los enlaces hertzianos entre lugares situados dentro de la

atmósfera y con visión directa o línea vista, el ejemplo más significativo debido a la

gran utilización que se le da, es el de las comunicaciones telefónicas vía radio o más

comúnmente denominado: celulares.

Para este sistema se trabaja en células el lugar al que se le quiere dar cobertura.

Además se debe considerar la curvatura de las trayectorias de propagación

provocadas por las inhomogenidades de la atmósfera. Para el caso de enlace radio de

dos puntos que no se encuentran en línea vista se utilizan repetidores como ser el

instalarlos en de satélites. También es posible en nuestro planeta utilizar otros

sistemas de transmisión dentro de la atmósfera que no necesitan el uso de repetidores.

Figura 18: Propagación enlaces larga distancia

En el límite superior de la figura 18 se aprecia las líneas de campo eléctrico de

las ondas de superficie donde en las discontinuidades entre medios dieléctricos existe

una solución propagante por el área de separación entre los dos medios, según sea la

naturaleza de estos, las pérdidas de propagación pueden ser considerables, en la

figura se puede observar que para el caso de la superficie terrestre, la propagación a

40

grandes distancias solo es posible para frecuencias muy bajas por debajo de algunos

MHz.

Figura 19: Capas de la Tierra y temperatura

Pero justo en el límite superior de esta banda aparece otro fenómeno natural que

permite otro <<modo>> de propagación troposférica. Como es bien sabido, en la

parte más externa de la atmósfera, por encima no solo de la tropósfera sino incluso de

la atmósfera, existe un alto grado de ionización, tanto mayor cuanto más grande es el

grado de radiación ultravioleta que recibe del sol; es decir su grado de ionización y

las propiedades de él dependientes son fuertemente variables del día a la noche y de

una estación a otra. Esta ionización es la causa de que en la banda de frecuencias

mencionada (3 – 30 MHz.), no sea posible la propagación y la ionosfera se comporte

como espejo. Ello da lugar a otro modo de propagación, llamado onda ionosférica,

que consiste en que una sucesión de reflexiones en la ionosfera y en la superficie

terrestre convierten a la baja atmósfera en una especie de <<macro guía>> (un poco

al estilo de una fibra óptica las correspondientes frecuencias).

Pero estos modos de propagación son altamente inestables y, tal como ya se ha

introducido anteriormente, tanto más cuanto mayor sea el grado de inhomogeniedad y

turbulencia de las diferentes capas atmosféricas. Los modos de propagación

interatmosféricos; en ella puede verse, incluso en los casos de visión directa, son de

extrema importancia los fenómenos de reflexión, refracción, difracción y dispersión

que, todos juntos o por separado, llevan a fluctuaciones de la señal (en inglés, fading)

que limitan fuertemente la calidad de estos enlaces. Conocido es el afán de los

41

radioaficionados por conseguir enlazar con colegas situados tan lejos como sea

posible, hasta sus antípodas.

Estratosfera: Es la capa superior de la atmósfera que empieza a una altitud entre los

12,9 y 19,3 Km. sobre la superficie terrestre hasta 640 Km. Esta ejerce una gran

influencia en las propagaciones de señales de radio.

Es una capa de baja densidad, no tiene ninguna influencia sobre las

comunicaciones.

Mesósfera: Está situada entre 50 y 80 Km. por encima de la superficie. Está por

encima de la estratósfera y por debajo de la ionósfera (esta capa también se conoce

como termósfera). La estratósfera y mesósfera reciben a veces el nombre de

atmósfera media. La interface entre estratósfera y mesósfera se llama estratopausa, y

mesopausa la que separa la mesósfera de la termósfera.

La mesósfera contiene la parte de la ionósfera llamada región D, donde la

ionización de oxígeno molecular (O2) y atómico (O) libera electrones. La ionización

es sobre todo una respuesta a la radiación solar, y desaparece durante la noche; esto

explica por qué la recepción de radio mejora cuando se pone el sol.

Ionósfera: Se encuentra sobre la mesósfera y hasta una altura de 600 Km. Esta

región de la atmósfera se ioniza, al recibir la radiación ultravioleta y los rayos X del

Sol, y se liberan electrones de las moléculas de Nitrógeno y de Oxígeno (que pueden

permanecer muchas horas en ese estado y en grandes áreas). Si estos electrones

reciben excitación de radiofrecuencia, están en condiciones de irradiarla nuevamente

hacia áreas adyacentes, incluida la Tierra, o simplemente la disipan.

Esta capa es muy importante para las comunicaciones en HF ya que las

señales que llegan a esta región son refractadas hacia la Tierra, a miles de Km. del

lugar de origen. En condiciones normales la ionósfera no produce ningún efecto sobre

las señales de VHF, que la atraviesan y se pierden en el espacio exterior. Los

electrones libres se agrupan en diferentes capas dentro de la ionósfera.

La ionósfera es un grupo de capas en nuestra atmósfera donde el aire es muy

delgado y que se extiende entre 50 Km. y 500 Km. de altura. Bajo la influencia de la

42

radiación solar los átomos se rompen formando los iones. Lo mejor de este proceso es

que esos iones pueden reflejar o doblar ondas de radio hasta una determinada longitud

de onda.

Los iones son los que dan nombre a la ionósfera la cual al ser más ligera

permite a los electrones moverse más libremente. Este factor es importante para la

propagación de alta frecuencia (HF: 3 a 30 MHz.). Generalmente, cuantos más

electrones, frecuencias más altas se pueden usar.

Durante el día puede haber en la ionósfera 4 regiones o capas llamadas D, E,

F1 y F2.

Sus alturas aproximadas son:

- Región D: 50 – 90 Km.

- Región E: 90 – 140 Km.

- Región F1: 140 – 210 Km.

- Región F2: más de 210 Km.

A continuación se exponen las propiedades que caracterizan a la ionósfera

según el momento del día, con el fin de entender de manera clara la propagación en

banda ancha de HF:

Ionósfera en el día: Si existe una radiación ultravioleta al máximo, la capa F se

separa en dos: la capa F1 por debajo y la capa F2 por arriba. Existe otra capa

denominada capa D, que es máxima al medio día y la cual absorbe totalmente las

señales entre 1 – 10 MHz. Emitidas desde la Tierra, de manera que éstas no llegan a

la capa F para ser reflejadas. Debido a estos comportamientos, durante las horas del

día las comunicaciones en las bandas de 1,8 y 3,5 MHz. Se limitan a algunos cientos

de Km.

Las señales superiores a loso 20 MHz. Atraviesan todas las capas, incluida la

F1 y pueden llegar a la capa F2, las cuales mediante reflexión retornan a la Tierra.

43

Durante el invierno, al medio día, la capa F1 desaparece y de esta manera la capa F2

refleja señales de frecuencias más elevadas.

Ionósfera en la noche: Cuando no hay radiación solar las capas F1 y F2 se

juntan y forman una sola, la capa F, entre 300 – 400 Km. sobre la superficie de la

Tierra, refleja las señales de hasta 10 MHz. Aproximadamente, mientras que el resto

de las señales se pierden en el espacio exterior. Durante períodos de máxima

actividad solar, con ionización nocturna intensa, las señales superiores a 14 MHz. e

incluso las de 50 MHz. se pueden reflejar en esta capa. La distancia a cubrir en un

solo salto es de mínimo 4000 Km. y se logran distancias mayores mediante saltos

múltiples.

Entre los principales usos de esta banda se tiene la radio afición, la

radiodifusión internacional, comunicaciones militares, comunicación a larga distancia

para aeronaves y embarcaciones.

Capa D: Esta capa aparece de día durante todo el año y se encuentra entre 80 –

90 Km. de altura. Cuanto más radiación ultravioleta recibe, más absorbe señales de

las bandas inferiores de HF, aunque permite el paso de frecuencias superiores a los 14

MHz. sin dificultad. Cuando es de noche, desaparece y permite que las señales de HF

en frecuencias menores a los 5 MHz. la atraviesen libremente.

Capa E: Está localizada sobre la capa D y se encuentra hasta los 110 Km. de

altitud. Su densidad de ionización depende de la luz solar. Durante el día es más

densa, pero mucho menos absorbente que la capa D, mientras que de noche es

esporádica y permeable.

Capa F: Esta capa se encuentra entre los 110 – 400 Km. de altitud y muestra

características puramente reflectivas, se divide en las capas F1 y F2. La capa F1 entre

110 – 250 Km. está presente durante el día (ausente en invierno) y la capa F2 entre

250 – 550 Km. presente durante la noche.

Exosfera: Es la capa más externa de la atmósfera; comienza a unos 500 Km. de

la superficie terrestre y su límite superior se confunde gradualmente con el espacio

interplanetario. En esta región los escasos átomos de hidrógeno, oxígeno y helio están

tan separados que raras vez chocan.

44

Las características del espectro de frecuencia se observan en la tabla 12.

Tabla 12: Distribución de las frecuencias del espectro electromagnético

45

2.13. Propagación según el medio.

La propagación entre dos puntos terrestres se basa en la interacción de las ondas

radioeléctricas con la atmósfera de la tierra, la superficie de ésta y deformidades que

pudieran presentarse.

La tropósfera es la región de la atmósfera terrestre emplazada sobre la

superficie de la Tierra y en la que la temperatura disminuye a medida que aumenta la

altitud es por esto que se presenta una menor cantidad de ruido térmico en la antena

(salvo en determinadas capas locales de inversión de temperatura).

Dentro de la tropósfera puede existir la propagación de ondas debido a los

distintos mecanismos de reflexión, difracción, refracción normal, refracciones

anormales y dispersión troposférica.

La ionósfera es aquella región donde los gases constitutivos están ionizados por

las radiaciones que llegan del espacio exterior. La onda ionosférica se propaga por

reflexión en las capas ionizadas de la atmósfera.

A continuación se ven en la figura 20 las diferentes capas de la atmósfera.

Figura 20: Curvatura de la tierra.

46

2.14. Tipos de ondas.

Las ondas electromagnéticas presentan un comportamiento diferente de acuerdo

con su frecuencia como se señala en la tabla 12. Al analizar la importancia relativa de

los distintos modos de propagación se considera la banda de frecuencias

correspondiente a los mismos, ver figura 21.

El estudio de un radio enlace debe considerar el efecto de los diferentes tipos de

ondas: directa, reflejada, refractada y superficial.

Onda superficial: Se produce por energía electromagnética que se propaga próxima

a la superficie terrestre y es conducida por ésta contorneándola y ciñéndose a su

curvatura.

Onda Espacial: Es la Combinación de la onda directa y la onda reflejada en el suelo.

Onda Terrestre: Combinación de las ondas directa, reflejada y de superficie.

Figura 21: Clasificación de las Ondas

2.15. Parámetros Electromagnéticos y Características de Recepción.

La medida principal de recepción es la intensidad de campo (E) o potencia

recibida, según la clase de servicio.

En cuanto a la intensidad de campo [15], se definen dos términos:

47

Intensidad de campo mínimo utilizable: Denominado campo mínimo necesario o

campo a proteger, este permite obtener una determinada calidad de recepción. Según

la sensibilidad del receptor, del rendimiento de la antena y del ruido natural o

artificial.

Intensidad de campo utilizable: Considera el campo mínimo y los efectos de las

interferencias de otros transmisores, ya sea que existan realmente o sean supuestas en

una planificación.

Si se trata de frecuencias menores a 1 GHz, se especifica la señal de recepción

en función de la intensidad de campo eléctrico E en unidades de mV/m o dBu que se

relacionan según (22):

E (dBu )=20∗log [e∗( µVm )] (22)

Estas frecuencias se emplean para recepción en antenas lineales, en ellas la

fuerza electromotriz inducida por la onda es igual al producto de la intensidad de

campo incidente por la longitud efectiva de la antena.

Por encima de 1 GHz, la especificación de la señal recibida se hace en términos

de potencia recibida (dBW o dBm), ya que predominan las antenas superficiales de

apertura, para las cuales se obtiene directamente la potencia disponible de recepción

como producto de la densidad de flujo de potencia por la superficie eficaz de la

antena.

2.16. Técnicas de Modulación Digital.

En esta parte nos centraremos en lo que son los esquemas de modulación digital

que se usan para la transmisión de datos mediante enlace tipo radio.

Una señal digital en banda base no tiene una forma adecuada para transmitirse

por un canal de comunicación ya que al poseer muchas armónicas la reconstrucción

de la señal tiene la necesidad de un ancho de banda demasiado grande, además son

48

mucho más afectadas a perturbaciones, es por estos motivos que mediante la

modulación se consigue mandar una sola onda senoidal modificando su fase o su

frecuencia, y así transmitir la información necesaria, en la actualidad una de las

modulaciones que más se usa es la modulación digital de Fase, ya que es una de las

mas robustas con una relación S/N, ver figura 22, bastante elevada, además se puede

mejorar mucho mediante codificación.

Figura 22: Relación Señal a Ruido.

2.17. Modulación Binaria de fase (Binary Phase Shift Keying).

El espectro de la modulación binaria (ver figura 26) de fase corresponde a dos

estados de fase 0 y π, que son representados por un 0 y un 1 lógico, la velocidad de

transmisión de este tipo de modulación es igual a la banda base de transmisión, es

decir si se transmite a una frecuencia de 9,6kHz la velocidad será de 9.6kbps, en la

que se distingue la modulación de fase (ver figura 25), y el esquema en bloques (ver

figura 23) del modulador de la constelación (ver figura 24).

Figura 23: Diagrama bloque BPSK.

49

Figura 24: Diagrama fasorial y constelación.

Figura 25: Modulación

Figura 26: Espectro BPSK.

50

2.18. Modulación de Cuadratura de fase (QPSK).

La modulación en cuadratura utiliza 4 estados estos son 0, π/2, π,3π/2 los que

son representados por niveles lógicos 00, 01, 11, 10, como se aprecia en este tipo de

modulación se obtiene un aumento del doble de la información transmitida por fase ,

lo que implica que una mayor velocidad de transmisión, en el caso anterior se

alcanzaba una velocidad de transmisión de 9600 Kbps, y utilizando QPSK se obtiene

19200 Kbps que es el doble de información, el espectro también sufre un

angostamiento con respecto a la modulación binaria BPSK, con lo que también tiene

más vulnerabilidad al ruido. En la figura 28 se pueden apreciar los estados de fase y

la constelación, el modulador se observa en la figura 27 y el espectro (ver figura 29)

que sufre la alteración antes mencionada.

Figura 27: Diagrama en bloque modulador QPSK

Figura 28: Diagrama fasorial y constelación QPSK

51

Figura 29: Espectro QPSK.

2.17.1. Modulación adaptativa.

La modulación adaptativa permite al sistema WiMAX ajustar la técnica de

modulación según sean las condiciones del canal radio, considerando las

características de la relación señal a ruido (SNR). Si el enlace de radio es de alta

calidad, se utiliza el esquema de modulación de mayor calidad, dando al sistema

mayor capacidad. Durante la transmisión, y dependiendo de los efectos multicamino

de la señal, el sistema puede adaptarse a un esquema de modulación menor para

mantener la calidad de conexión y estabilidad del enlace.

Esta aplicación permite al sistema superar los efectos multicamino (fading).

La característica principal de la modulación adaptativa es su capacidad de establecer

el rango de modulación superior en cada instante en lugar de tener un sistema

permanente diseñado para el caso más desfavorable, brindándole una mayor

capacidad y escalabilidad al sistema.

En la figura 30 se observa el esquema de modulación a utilizar según la

distancia a la estación base y el nivel de SNR del receptor en cada instante. Se

52

observa que para localizaciones cercanas al emisor, la modulación 64 - QAM es la

utilizada (SNR es mayor), sin embargo a medida que el receptor se aleja de la

estación base la calidad de la señal se va deteriorando y se opta por utilizar una señal

de modulación más robusta pero menos potente, como es la modulación BPSK.

Figura 30: Relación de codificación vs SNR en receptor

2.19. OFDM.

Una señal OFDM consiste en la suma de N sub-portadoras ortogonales que son

moduladas independientemente utilizando un esquema de modulación mostrado

anteriormente M-PSK o M-QAM.

Una característica importante de OFDM [18] es la robustez que posee como

técnica de modulación contra el desvanecimiento selectivo en frecuencia.

Evidentemente un desvanecimiento severo puede causar la pérdida completa de una

trama de datos en un sistema de una portadora, sin embargo al utilizar

multiportadoras con una tasa de datos menor, la probabilidad de que se pierda toda

una trama es menor puesto a que no todas las portadoras pueden ser afectadas.

Bajo la idea de subcanalización, se puede dividir una cadena de datos, los

cuales son generados a una velocidad determinada, en N sub-canales de manera de

que cada sub-canal posea una tasa de datos inferior a la original.

53

Cada sub-canal es modulado de manera que sean ortogonales entre sí, esta

condición de ortogonalidad es válida en un intervalo de tiempo [0; T] si se cumple

(23).

∫0

T

f ( t )∗g (t )=0 (23)

2.20. Modelos de Propagación

Un modelo de propagación es un compuesto de ecuaciones, gráficas y

algoritmos usados para representar las características de un enlace de tipo radio en un

ambiente específico.

Generalmente los modelos de predicción se pueden clasificar en empíricos o

estadísticos, teóricos o determinísticos o una combinación de estos dos (semi -

empíricos).

Mientras que los modelos empíricos se basan en mediciones, los modelos

teóricos se basan en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación

de ondas de radio.

Los modelos de propagación predicen la pérdida o atenuación por espacio libre

que una señal de RF pueda tener entre una estación base (BS) y una estación

suscriptora (SS) ya sea móvil o fijo.

El principal objetivo de modelar un enlace de radio canales teniendo en cuenta

las características de la trayectoria entre Transmisor (Tx) y Receptor (Rx) en

diferentes tipos de ambientes, es conocer la viabilidad de los proyectos que se deseen

planear en determinados sectores, de esta manera se podrá hacer una estimación más

cercana a la realidad de la naturaleza de las pérdidas e identificar la necesidad, costos

y capacidad de los equipos requeridos (especificaciones técnicas).

La elección de un modelo depende de las especificaciones geográficas donde se

realizará el enlace, en otras palabras del tipo de terreno, a modo de ejemplo estos

pueden ser: montañoso, ondulado o cuasi liso, desértico, las características del

54

ambiente de propagación se clasifican en área urbana, suburbana y rural, las

características de la atmósfera como el índice de refracción e intensidad de los

hidrometeoros, propiedades eléctricas del suelo conductividad terrestre, tipo del

material de las construcciones urbanas etc. Para una topografía muy irregular y

accidentada del tipo montañosa.

2.21. Modelos de Propagación para Exteriores

Medio Rural

2.20.1. Tierra Plana (Teórico) (24)

F SL=10∗log(Ptx )+¿+Gr+20∗[ log(lamb)−log(h (d ))] (24)

FSL = Pérdidas en el espacio libre “Free Space Loss”.

Ptx = Potencia de transmisión

Gt = Ganancia de antena transmisora.

Gr = Ganancia de antena receptora.

lamb = Cociente entre la velocidad de la luz y la frecuencia de operación.

h(d) = Variable en función de la distancia de operación.

2.20.2. SUI (Stamford University Interim, Modelo Empírico) [11] (25)

F SL=20∗log(f (d)lamb

)+10∗γ∗log(g(d )100

)+s (25)


f (d ) = Variable en función de la distancia de operación.


γ = Variable en función la altura de la antena base y constantes del

modelo.

g(d) = Variable en función de la distancia de operación.

s = Atenuación dependiente del apantallamiento y desvanecimientos por

sombra en dB.

55

Medio Urbano [11]

2.20.3. Walfrish – Ikagami (Modelo Empírico) (26)

F SL=4,26+26∗log(h(d ))+20∗log (f ) (26)



f = Frecuencia de operación.

2.20.4. Modelo COST 231 Hata (Modelo Empírico) [20] (27)

FSL=46.3+33.9∗log(f )−13.82∗log (hb)−am+r (d)+Cm (27)


f = Frecuencia de operación MHz.

hb = Altura estación base.

am = Variable dependiente de la frecuencia de operación.

r (d) = Variable en función de la altura de base y de la distancia de cobertura

del radio enlace.

cm = Constante del modelo para zona suburbana en dB.

2.20.5. Modelo Friis (Modelo Empírico) (28)

FSL=32.44+20∗log( f )+20∗log(d) (28)


f = Frecuencia de operación MHz.

d = Distancia de cobertura del radio enlace en Km.

56

2.22. Simulación

Radio Mobile es un software 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 franquicias el modelo Longley-Rice,

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. Motivo por el cual es indispensable la utilización de este

software para asimilar con mayor veracidad las condiciones geográficas en las cuales

se realizará la experiencia del radio enlace LAPS con tecnología WiMAX y análoga.

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 20MHz y 40GHz y longitudes de trayecto de entre 1 y 2000 Km.

Cabe recalcar que el rango de frecuencias y longitudes de trayecto comprendidos en

la programación del software Radio Mobile conllevó a la utilización de este, puesto

que la tecnología WiMAX funciona con una frecuencia de 3500 MHz y una gran

cobertura de enlace.

En la página de Radio Mobile, http://www.cplus.org/rmw/ , existe un enlace

directo a las descargas de Internet, donde se puede obtener un paquete de archivos

para instalar el software y sus facilidades. Esta página además incluye un guión de

57

http://www.cplus.org/rmw/

instalación rápida y sencilla por lo que no se considera necesario incluir una

descripción adicional en esta tesis.

2.23. Mapa de cobertura en Radio Mobile.

Luego de concluir la parametrización con los datos anexados en la tabla 14 del

capítulo 3 para la simulación del radio enlace WiMAX, se está en condiciones de

comenzar con los cálculos de propagación. En primer lugar será necesario configurar

los datos ineludibles para que el mapa resultante se ajuste a sus necesidades.

Para configurar los parámetros del mapa de cobertura, seleccione “Tools ->

Radio coverage -> Single polar” en el menú principal del programa. De esta forma,

el cálculo de coberturas se realizará utilizando un sistema de coordenadas polares (r,

j) en torno a la estación central. El sistema calcula radioenlaces en vanos lineales a

incrementos programables del azimut "j", dentro de un determinado rango de

distancias "r" desde la estación central que en este caso será la estación LAPS

ubicada en el Parque O’Higgins.

58

CAPÍTULO 3

RESULTADOS OBTENIDOS CON LAS SIMULACIONES Y

MODELACIONES

3.1. Introducción

El siguiente capítulo comprende la simulación y modelamiento matemático de

las Pérdidas por Propagación en Espacio Libre de equipos de comunicación análoga

(Racal) en la banda de 30 y 80 MHz y equipos de comunicación digital (Tsunami

MP.16 3500 WiMAX) para la posterior implementación de un enlace en zonas

suburbanas de la Región Metropolitana de Santiago de Chile, a partir de una estación

base ubicada en el Parque O’Higgins que será del tipo LAPS o Payload (Carga Útil) y

estaciones suscriptoras que estarán ubicadas en el Fuerte Arteaga y en el Túnel Lo

Prado para posteriormente realizar mediciones en Iquique.

La simulación y cálculos teóricos del modelamiento matemático de las Pérdidas

por Propagación en Espacio Libre del enlace en Santiago corresponden a un ensayo

previo al que se ejecutará en la primera región de Chile, Tarapacá. Más

específicamente en Iquique.

3.2. Objetivo

Determinar por medio de software de modelamiento matemático MatLab y

simulador de radio enlaces Radio Mobile si el establecimiento de los puntos

señalados logran realizar enlace satisfactorio a la distancia máxima que permite la

tecnología de comunicación que portará el LAPS y determinación del radio de

cobertura teniendo en cuenta zonas de shadow o zonas de sombras para enlaces

WiMAX (comunicación digital) y sistemas análogos Racal de comunicación (30 y 80

MHz).

59

El primer escenario de trabajo, en la Región Metropolitana, se centró en 3

puntos, ver tabla 13:

Parque O’Higgins.

Túnel Lo Prado.

Fuerte Arteaga.

NOTA: En el Parque O’Higgins se encontrará la estación base, y en los otros dos

puntos estarán las estaciones suscriptoras.

3.3. Coordenadas geográficas de los escenarios de trabajo.

NOMBRE Coordenadas Distancia a la estación

Base en Km.

Parque O’Higgins 33°27’44,34’’ S

70°39’38,12’’ O

0

Túnel Lo Prado 33°27’32,90’’ S

70°56’53,96’’ O

26,78

Fuerte Arteaga 33°08’01,29’’ S

70°36’32,34’’ O

36,83

Tabla 13: Coordenadas geográficas.

Las características técnicas de los equipos utilizados en esta experiencia son:

Proxim Mp.16 3500 Tsunami (Equipo WiMAX, estación base y suscriptora).

Racal (equipo de comunicación análoga)

60

3.4. Características de equipo de comunicación digital TMP.16 3500

PROXIM, tabla 14.

Datos Estación Base Estación suscriptora

Sensibilidad -88 dBm. -88 dBm.

Ganancia antena Omnidireccional de 8 dBi. Yagui 18 dBi.

Potencia Tx, Rx 0,5 Watts. 0,5 Watts.

Altura Antenas 1000 metros 2 metros

Frecuencia de la portadora 3500 MHz 3500 MHz

Modulación Sujeta a experimentación. Sujeta a experimentación.

Tabla 14: Características de los equipos WiMAX.

3.5. Características equipo de comunicación análogo, tabla 15.

Datos Estación Base Estación suscriptora

Sensibilidad -90 dBm. -90 dBm.

Ganancia antena 8 dBi. 8 dBi.

Potencia Tx, Rx 5 Watts. 5 Watts.

Altura Antenas 1000 metros 2 metros

Frecuencia de la portadora

a utilizar.

80 MHz

30 MHz

80 MHz

30 MHz

Banda VHF. VHF.

Tabla 15: Características de los equipos análogos.

3.6. Modelos de Propagación “WiMAX” Para Enlace Región Metropolitana

Modelos estudiados para la implementación de transmisión radio digital

basadas en tecnología WiMAX, para enlace en la Región Metropolitana de

Chile.

- SUI (Stamford University Interim).

- Tierra Plana.

- Walfrish – Ikagami.

61

3.6.1. SUI (Stamford University Interim) (29)


)+10∗γ∗log(g(d )100

)+s (29)





modelo.



sombra en dB.

El modelo SUI entrega una pérdida en espacio libre de 114.4559 dB y una

potencia en el receptor de -87.4759 dBm considerando una sensibilidad de -88 dBm

obtenemos una distancia de 40 Km. como se ve en la figura 31.

(a) (b)

Figura 31: (a) Zoom Área de Trabajo de la Gráfica de la pérdida en espacio libre, (b) Gráfica de la pérdida en espacio libre.

62

3.6.2. Tierra Plana (30)

F SL=10∗log(Ptx )+¿+Gr+20∗[ log(lamb)−log(h (d ))] (30)


Ptx = Potencia de transmisión





El modelo tierra plana entrega una pérdida en espacio libre de 113.3977 dB y

una potencia en el receptor de -86.4177dBm considerando una sensibilidad de -88

dBm obtenemos una distancia de 45 Km. como se ve en la figura 32.

(a) (b)


3.6.3. Walfrish – Ikagami (31)

F SL=4,26+26∗log(h(d ))+20∗log (f ) (31)



63

f = Frecuencia de operación WiMAX.

El modelo Walfrish – Ikagami entrega una pérdida en espacio libre de 114.9598

dB y una potencia en el receptor de -87.9701 dBm considerando una sensibilidad de -

88 dBm obtenemos una distancia de 34 Km. como se ve en la figura 33.

(a) (b)


3.6.4. Tabla 16 resumen cobertura WIMAX metropolitana.

Modelo. Distancia en Km.

SUI 40

tierra plana 45

Walfrish – Ikagami 34

Promedio 39,6

Tabla 16: Tabla resumen cobertura WIMAX metropolitana.

3.7. Modelos de Propagación “80 MHz” Para Enlace Región Metropolitana

Modelos estudiados para la implementación de transmisión radio análoga

basadas en tecnología VHF 80 MHz, para enlace en la Región Metropolitana

de Chile.

64

- Modelo COST 231 Hata

- Modelo Friis

- Modelo Tierra plana

3.7.1. Modelo COST 231 Hata (32)



f = Frecuencia de operación RACAL de 80 MHz.




del radio enlace.


El modelo COST 231 Hata entrega una pérdida en espacio libre de 106.6300



(a) (b)


65

3.7.2. Modelo Friis [11] (33)

FSL=32.44+20∗log( f )+20∗log(d) (33)


f = Frecuencia de operación RACAL de 80 MHz

d = Distancia de cobertura del radio enlace.

El modelo Friis entrega una pérdida en espacio libre de 144.4812 dB y una



(a) (b)


3.7.3. Modelo Tierra plana [11] (34)

FSL=10∗log(Ptx )+¿+Gr+20∗[ log(lamb)−log(h(d))] (34)


Ptx = Potencia de transmisión.




66


El modelo Tierra Plana entrega una pérdida en espacio libre de 107.4261 dB y

una potencia en el receptor de -87.4261 dBm considerando una sensibilidad de -90


(a) (b)


3.7.4. Tabla 17 resumen distancia para enlace Región Metropolitana “80 MHz”.


Cost 231 Hata 30

Friis 50

Tierra Plana 140

Promedio 73,3

Tabla 17: Tabla resumen distancia para enlace Región Metropolitana “80 MHz”.

3.8. Modelos de Propagación “30 MHz” Para Enlace Región Metropolitana


basadas en tecnología VHF 30 MHz, para enlace en Región Metropolitana,

Chile.

67


- Modelo Friis









del radio enlace.

cm = Constante del modelo para zona desértica en dB.




(a) (b)


68

3.8.2. Modelo Friis (36)

FSL=32.44+20∗log( f )+20∗log(d) (36)




El modelo FRIIS entrega una pérdida en espacio libre de 109.9412 dB y una



(a) (b)

Figura 38: (a) Zoom Área de Trabajo de la Gráfica de la pérdida en espacio libre, (b) Gráfica de la pérdida en espacio libre..

3.8.3. Modelo Tierra plana (37)






69






(a) (b)


3.8.4. Tabla 18 resumen distancia para enlace Región Metropolitana “30 MHz”.


Cost 231 Hata 100

Friis 250

Tierra Plana 250

Promedio 200

Tabla 18: Tabla resumen de distancia para enlace Región Metropolitana en “30 MHZ”.

70

3.9. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace Región Metropolitana, figura 40

Figura 40: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo WiMAX.

3.9.1. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace entre Parque

O’Higgins y el Túnel Lo Prado.

El enlace entre el Parque O’Higgins y el Túnel lo Prado se realiza de manera

satisfactoria sabiendo que la sensibilidad del equipo es de -88 dBm como se ve en la

figura 41.

Figura 41: Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel lo Prado

71

3.9.2. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.

El enlace entre el Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga se realiza de manera

satisfactoria sabiendo que la sensibilidad del equipo es de -88 dBm como se ve en la

figura 42.

Figura 42: Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.

3.10. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace Región Metropolitana, figura 43.

Figura 43: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo 80 MHz.

72

3.10.1. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel Lo Prado Para Equipo.

El enlace entre el Parque O’Higgins y el túnel lo Prado se realiza de manera

satisfactoria sabiendo que la sensibilidad del equipo es de -90 dBm figura 44.

Figura 44: Enlace entre Parque O’Higgins y el túnel lo Prado

3.10.2. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.



Figura 45: Enlace entre Parque O’Higgins y el túnel lo Prado

73

3.11. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace Región Metropolitana, figura 46.


3.11.1. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Túnel Lo Prado Para Equipo.

El enlace entre el Parque O’Higgins y el túnel lo Prado se realiza de manera


Figura 47: Enlace entre Parque O’Higgins y el túnel lo Prado.

74

3.11.2. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace entre Parque O’Higgins y el Fuerte Arteaga.



Figura 48: Enlace entre Parque O’Higgins y el túnel lo Prado.

Tabla 19 distancias obtenidas por medio de software Radio Mobile para enlace Región Metropolitana utilizando las 3 tecnologías.

Ubicación Distancia a estación LAPS en Km.

Túnel Lo prado 26,68Fuerte Arteaga 36,83

Promedio de Distancias 31,70Tabla 19: Tabla comparativa.

El segundo escenario de trabajo ubicado en la Región de Tarapacá, se centró en

un punto estratégico estación base y 8 puntos de prueba que por seguridad nacional

no se debe dar más información.

3.12. Modelos de Propagación “WiMAX” Para Enlace Iquique

75

Modelos estudiados para la implementación de transmisión radio digital

basadas en tecnología WiMAX, para enlace en Iquique.

- SUI (Stamford University Interim).

- Modelo COST 231 Hata.

- Modelo Tierra plana.

- Modelo Friis.

3.12.1. SUI (Stamford University Interim) (38).


)+10∗γ∗log(g(d )100

)+s (38)





modelo.



sombra en dB.

El modelo SUI entrega una pérdida en espacio libre de 114.7731 dB y una



76

(a) (b)



FSL=46.3+33.9∗log(f )−13.82∗log (hb)−am+ p(d)+Cm (39)




am = Constante del modelo.

p(d) = Variable en función de la distancia de operación.





77

(a) (b)



FSL=10∗log(Ptx )+¿+Gr+20∗[ log(lamb)−log(q (d ))] (40)






q (d ) = Variable en función de la distancia de operación.




78

(a) (b)


3.12.4. Walfrish – Ikagami (41)

F SL=4,26+26∗log(h(d ))+20∗log (f ) (41)




El modelo Walfrish – Ikagami entrega una pérdida en espacio libre de 113.5465

dB y una potencia en el receptor de -86.5568 dBm considerando una sensibilidad de

-88 dBm obtenemos una distancia de 30 Km. como se ve en la figura 52.

79

(a) (b)


3.12.5. Tabla 20 resumen distancia enlace WiMAX Para Enlace Iquique.


SUI 45

COST 231 Hata 18

Tierra Plana 50

Walfrish Ikagami 30

Promedio 35.75

Tabla 20: Tabla resumen distancia enlace WiMAX Para Enlace Iquique.

3.13. Modelos de Propagación “80 MHz” Para Enlace Iquique


basadas en tecnología VHF 80 MHz, para enlace en Iquique.


- Modelo Friis


80








del radio enlace.





(a) (b)



FSL=32.44+20∗log( f )+20∗log(d) (43)


f = Frecuencia de operación MHz

81



potencia en el receptor de -87.4038dBm considerando una sensibilidad de -90 dBm


(a) (b)










El modelo Tierra Plana entrega una pérdida en espacio libre de -109.6090 dB y



82

(a) (b)


3.13.4. Tabla 21 resumen distancia para 80 MHz Para Enlace Iquique.

Modelo. Distancia en Km..

Cost 231 Hata 30

Friis 70

Tierra Plana 180

Promedio 93.3

Tabla 21: Tabla resumen de distancias para 80 MHz Para Enlace Iquique.

3.14. Modelos de Propagación “30 MHz” Para Enlace Iquique


basadas en tecnología VHF 30 MHz, para enlace en Iquique.


- Modelo Friis


83








del radio enlace.





(a) (b)



FSL=32.44+20∗log( f )+20∗log(d) (46)


84






(a) (b)


3.14.3. Modelo Tierra Plana (46)











85

(a) (b)


3.14.4. Tabla 22 resumen de distancia para 30 MHz Para Enlace Iquique.

Modelo. Distancia en Km.Cost 231 Hata 150

Friis 240Tierra Plana 290

Promedio 226.6Tabla 22: Tabla resumen de distancias para 30 MHz Para Enlace Iquique.

3.15. Simulación Radio Mobile “WiMAX” Para Enlace Iquique, figura 59

Figura 59: Mapa de cobertura de la estación base con dispositivo WiMAX.

86

3.16. Simulación Radio Mobile “80 MHz” Para Enlace Iquique, figura 60


3.17. Simulación Radio Mobile “30 MHz” Para Enlace Iquique, figura 61


87

Tabla 23 de distancias obtenidas por medio de software Radio Mobile para enlace Iquique.

Ubicación Distancia a estación LAPS en Km.Rx 36,75Rx2 26,65Rx3 44,19Rx4 39,37Rx5 39,67Rx6 30,16Rx7 26,92Rx8 35,96

Promedio de Distancias 30,00Tabla 23: Tabla comparativa

3.18. Advertencia

Las potencias de los equipos militares fueron setteadas de manera de aunar la

potencia de salida de estos, debido a que la potencia por defecto correspondiente a 5

watts implicaba distancias de consideración alrededor de 2500 Km.

Por seguridad nacional se limito un núcleo de operaciones con una potencia

establecida de 0,1 watts obteniendo los resultados mencionados tabla 23

anteriormente, al margen de este núcleo se pueden barajar enlaces para comunicación

civil en esas bandas con la potencia que traen equipos de fábrica.

3.19. Equipos utilizados para enlace WiMAX.

El equipo WiMAX a utilizar será un TSUNAMI serie TMP.16 [21] de la

empresa Proxim Wireless tanto en la unidad base “BS” como en la unidad suscriptora

“SS”.

3.20. Funcionalidades de la serie MP.16 3500 SS

Los equipos de la serie MP.16 3500 son desarrollados para enlaces

inalámbricos punto-a-punto y punto-a-multipunto.

Provee un desempeño muy alto y es una solución inalámbrica económica. Su

tecnología de vanguardia WiMAX permite la entrega de servicios como

88

comunicación de datos, video, voz sobre IP y una gran área de cobertura añadiéndose

niveles elevados de seguridad.

3.21. Características técnicas TMP.16 3500

Opera en la banda licenciada de 3.5 GHz.

Cumple con el estándar WiMAX 802.16d-2004.

Control de acceso al medio tipo TDD el cual es óptimo para patrones de

tráfico asíncrono.

Provee "triple play" inalámbrico y QoS con soporte para UGS, BE, nrtPS,

rtPS.

Soporta funciones estándar avanzadas como: suministro flexible de ancho de

banda para servicios DSL, T1 o conexiones dedicadas tipo Ethernet.

Protegida en una cubierta dura resistente a la intemperie, la Unidad Suscriptor

WiMAX Tsunami MP.16 3500 puede ser instalada en condiciones extremas

de tiempo.

Conector N hembra para antena externa.

3.22. Gran experiencia en aplicaciones WiMAX

Utilizando el liderazgo de PROXIM en el foro de sistemas punto-a-multipunto, la

Unidad Suscriptor Tsunami MP.16 3500 ha sido desarrollada como plataforma para

proveer las nuevas aplicaciones WiMAX.

Al proveer las características existentes de software y mecanismos de

diseño, PROXIM Wireless dirige con eficacia los mercados WiMAX tales

como: accesos rentables de última milla, redes de área metropolitana y

accesos para seguridad y vigilancia a un costo muy accesible.

Protege la inversión con un concepto común de diseño de red y una serie de

características de software que incluyen: capacidades ricas de

administración, cifrados avanzados con AES y autenticación RADIUS,

utilería de alineación de antenas y servicios con control de ancho de banda,

NAT y DHCP.

Instalación fácil y segura.

89

3.23. Fácil desarrollo que ahorra costos de instalación

En la configuración de la Unidad Suscriptor vía una Interfaz gráfica,

A través de un simple Cable UTP Categoría 5 blindado contra rayos UV, se

lleva la energía eléctrica y los datos a la Unidad Suscriptor WiMAX Tsunami

MP.16.

Múltiples mecanismos de seguridad que protegen tanto al operador, al cliente

residencial y a la empresa.

Por su cubierta dura resistente a la intemperie, permite su colocación en

techos.

Cifrado avanzado que protege las transmisiones en el aire.

Contraseña de protección para todos los métodos de Configuración Remota.

3.24. Diseñada para rápida instalación y bajo costo de mantenimiento

Los equipos WiMAX Tsunami MP.16 3500 incorporan características de

software y hardware que reducen los costos de labor asociados con el despliegue

inicial y mantenimiento de post-venta.

Se elimina el trabajo de adivinar la ubicación de la antena remota mediante un

método de alineación audible y mediciones de fuerza de la señal en tiempo

real.

Soporta configuración local y remota evitando la necesidad de invertir en

soporte técnico en sitio.

3.25. Configuración de equipo TSUNAMI MP 16 3500 BASE

La estación BASE se compone 3 elementos principales estos son:

- Antena (en nuestro caso se utilizara una antena del tipo OMNI DIRECCIONAL)

- Alimentación.

- Estación base.

90

3.26. Características técnicas Antena Omnidireccional modelo 3336-A00-360 [21], tabla 24.

Fabricante Proxim

Serie Tsunami MP.16

Rango de frecuencia 3.3 y 3.6 GHz

Polarización vertical

Impedancia 50 Ω

Ganancia 8 dBi

Temperatura operativa -40 C° - 80 C°

Carga de viento 140 mph

Conector de RF 1 x N - Hembra

Cúpula Fibra de vidrio

Potencia Máxima 5 watts

Tabla 24: Características Antena Omnidireccional

3.27. Características técnicas del alimentador de tensión, tabla 25

Fabricante AULT

Modelo PW130 POE INJECTOR universal 20 watt

Tensión de entrada 100 – 250 VAC

Tensión de salida 48 DC

Intensidad de salida 0.42 Amper MAXIMO

Potencia de salida 20.16 watt

Tabla 25: Características técnicas del alimentador de tensión

91

CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES

Como se planteó en el objetivo principal que era el de implementar un sistema

de propagación y cobertura en ultra alta frecuencia para sistemas de

radiocomunicación análoga y digital en aplicaciones civiles de WiMAX que sirva

como respaldo en caso de producirse una catástrofe natural y luego de realizar un

estudio acabado de los factores que influyen en un radio enlace utilizando las

tecnologías WiMAX y equipos análogos RACAL de 30 y 80 MHz., se determinó la

factibilidad y viabilidad por medio de los Modelos de Propagación con la herramienta

matemática MatLab y el software de simulación de enlaces Radio Mobile.

Se propone un sistema de radio comunicación basada en aeroplataformas del

tipo HAPS, en el que están dispuestos los dispositivos requeridos: un equipo digital

Tsunami MP.16 3500 WiMAX de Proxim y un equipo RACAL en la banda de 30 y

80 MHz.

La integración de una estación WiMAX robustece y complementa los servicios

de banda ancha y QoS (modulación adaptativa, codificación adaptativa, rango de

cobertura extensa en LOS y aplicaciones de Voz, Video y Datos) la aeroplataforma

de radiocomunicación digital con información útil en tiempo real.

Y finalmente se soslayaron las complicaciones que se gestaron durante el

desarrollo del trabajo, los objetivos fueron logrados de manera exitosa, los modelos

determinaron distancias máximas de cobertura que fueron corroboradas con el

software de simulación Radio Mobile, que de manera conjunta ratifican la viabilidad

de la implementación de un sistema de radio comunicación análoga y digital de

respaldo en casos de emergencia.

92

LÍNEAS FUTURAS

Se proponen los siguientes puntos de desarrollo para realizar investigaciones

futuras a fin de fortalecer el diseño que en el presente trabajo de título se plantea y dar

el siguiente paso en la implementación aeroplataformas futuras:

Energía Eléctrica:

La implantación y desarrollo de un sistema de aerogeneradores de bajo peso y

máxima eficiencia en la producción de energía para alimentar los dispositivos

montados en al aeroplataforma HAPS.

Administración de Recursos “MicroTik”:

Control de la distribución de los servicios que se puede implementar en una

aeroplataforma del tipo HAPS (control de Internet sobre una cantidad

determinada de usuarios, monitoreo a distancia y seguridad).

Autodireccionamiento de Antenas:

Desarrollar un sistema electrónico – mecánico en antenas receptoras que sean

capaces de determinar la dirección en la que se recibe la potencia máxima

desde el emisor.

Arreglo de Sensores Barométricos

Sensores barométricos de alta sensibilidad con el fin de determinar pérdidas

de Helio en la aeroplataforma y envío del censado a una estación remota de

control.

93

ACRÓNIMOS

[ ] : Referencias

HAPS : High Altitude Plataform Station

LAPS : Low Altitude Plataform Station

MAPS : Medium Altitude Plataform Station

WiMAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access

QoS : Quality of Services

OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing

BPSK : Binary Phase Shift Keying

QPSK : Quadrature Phase Shift Keying

SUI : Stamford University Interim

GPS : Global Position System

HAPS : High Altitude Platform

ITU : Internacional de Comunicaciones

PIRD : Programa de Investigación de Radiocomunicación Digital

IMU : Unidad de Medida Inercial

BWA : Broadband Wireless Access

BS : Base Station

SS : Suscriber Station

RF : Radio Frequency

94

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] FONDEF DO3I-1034: CONICYT. Chile http://www.fondef.cl/bases/fondef/PROYECTO/03/I/D03I1034.HTML

[2] Paper: ITU-S1.66A “Definición de HAPS” Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones, (Estambul, 2000).

[3] Gerardo Alex González Quevedo, Diseño de sistema de antenas para Sectorización celular y Enlaces de Banda Ancha IP Basados en Aeroplataformas de Baja Altitud (LAPS), 2008, Santiago Chile Mierda

[4] Dr. Fernando Ulloa Vásquez, Sistema de Radiocomunicación Digital para Servicios Terrestres de Plataforma Estratosférica tipo, Santiago Chile.

[5] http://www.haps.cl, 19 de mayo de 2010

[6] http://www.jaxa.jp/index_e.html, 25 de mayo de 2010

[7] http://www.qucomhaps.net/02hapshistory_01dvlpmnt.htm, 28 de mayo de 2010

[8] http://www.stratsat.com, 28 de mayo de 2010

[9] Ranald V. Giles, Mecánica de Fluidos e Hidráulica

[10] Sebastián Acosta A., Diseño y Construcción de un Sistema TTC, Telemando y Telemétrico para una Aerostación LAPS como Base de Radiocomunicación Digital Terrestre, 2006, Santiago Chile.

[11] R&M International Consulting Group Ltd. Engineering, Regulation & Business, Estudio de Nuevas Tecnologías (WIMAX, FSO, HAPS y UWB), 2004, Santiago Chile.

[12] WiMAX Forum. Wireless Interoperation for Microwave Access Forum" http://www.WiMAXforum.org, 2010.

[13] B. Sklar. \Digital Communications: Fundamentals and Applications". Englewood Clis, NJ, Prentice Hall, 1988.

[14] F. Ulloa-Vásquez. \Contribucional Estudio de un Modelo de Canal Aeronáutico. Para Sistemas de Radiocomunicación Digital Terrestre Basados en Plataformas Estratosféricas HAPS". PhD thesis, Departament de Teoría del Senyal i Comunicacions Universitat Politécnica de Catalunya, 2003.

[15] Diseño de sistema de antenas para Sectorización celular y Enlaces de Banda Ancha IP Basados en Aeroplataformas de Baja Altitud (LAPS).

[16] Información. Modelo de Canal para HAPS en la Banda de 28 GHz - 40 GHz y con

Perturbaciones Atmosféricas.

[17] Sergio. Propagación electromagnética en la atmosfera.

95

http://www.wimaxforum.org/

http://www.stratsat.com/

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[18] Henri Schulze. Thory and Applications of OFDM and CDMA.[19] J. C. García, O. A Rodríguez, J.L Castillo, Desempeño de modelos de propagación en comunicación móvil.

[20]Análisis y aplicación de sistemas WiMAX multicelda.

[21] www.proxim.com

[22] www.teraterm.com

[23]Wireless-G BROADBAND ROUTER user guide LINKSYS BY CISCO.

96

APÉNDICE

Modelo MatLab WiMAX Región Metropolitana

Tierra Plana

clear all;close all; Ptx = 0.5 ; % potencia transmisión.Ptx_dBm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % potencia de trasmisión en dBm.Gt = 8 ; % ganancia antena TxGr = 18 ; % ganancia antena Rxd = 45000 ; % distancia máxima de operación.f = 3500*10^6 ; % frecuencia de operación en Hz.lamb = (3*10^8)/f ; % constante del modelo. aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por trayectoria. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)]P_in_dBm = 26.98 + LpP_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] % Gráficas

D = linspace(2.2,100000,900000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = -(10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux_1)]) ;P_in_dBm_grafica = 26.98 - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

SUI

clear all;close all;

a = 3.6 ; % constante del modelo.b = 0.005 ; % constante del modelo.c = 20 ; % constante del modelo.hs = 2 ; % altura antena receptora.hb = 1000 ; % altura estación base.d = 40000 ; % distancia de operación.f = 3500 ; % frecuencia en MHz.aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia.lamb = (3*10^8)/(3500*10^6) ; % constante del modelo.y = a - b*hb + c/hb ; % variables = 15 ; % constante dependiendo de la zona geográfica % Pérdida por trayectoria. Lp = 20*log10(aux/lamb) + 10*y*log10(d/100) + s ;P_in_dBm = 26.98 – Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Graficas

D = linspace(0.00000001,80000,10000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = 20*log10(aux_1/lamb) + 10*y*log10(D/100) + s ;P_in_dBm_grafica = 26.98 - Lp_grafica ;

97

plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Walfrish – Ikagami

clear all;close all;

% Datos

Ptx = 0.5 ; % potencia transmisión.f = 3500 ; % frecuencia operación MHz.d = 34 ; % distancia en kilómetros.D = linspace(0.02,500,100000) ; % distancia para graficarPtx_dBm = 10*log10(Ptx/(10^-3)) ; % potencia en dBm % Perdida por trayectoria Lp Lp = 4.26 + 26*log10(d) + 20*log10(f) ;Prx_dBm = Ptx_dBm – Lp ;Prx_watt = (10^-3)*(10^(Prx_dBm/10)) ; % Gráfica Lp_grafica = 4.26 + 26*log10(D) + 20*log10(f) ;Prx_dBm_grafica = Ptx_dBm - Lp_grafica ; figure(2) ;plot(D,Prx_dBm_grafica)title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ; ;grid ;

98

Modelo MatLab 80 MHz Región Metropolitana

Cost 231 Hata

clear all ;close all ; % Datos f = 80 ; % frecuencia de operación MHz. P_out = 0.1 ; % potencia transmisión.hb = 1000 ; % altura antena receptora.d = 30 ; % distancia máxima de operación.Cm = 3 ; % constante zona suburbana en dBD = linspace(0.04,300,10000) ;am = [1.1*log10(f)-0.7]*[1.56*log10(f)-0.8];P_out_dB = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBm.aux = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(d); % variable en función de la distancia. % Pérdida por Trayectoria Lp = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux + CmP_in_dB = P_out_dB - Lp P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dB/10)] % Gráficas aux_grafica = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(D) ;Lp_grafica = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux_grafica + Cm ;P_in_dB_grafica = P_out_dB - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dB_grafica)title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Friis

clear all;close all; f = 80 ; % frecuencia de operación MHz.d = 50 ; % distancia máxima de operación.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.P_out_dBm = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBmD = linspace(0.0094,500,10000); % Pérdida por Trayectoria. Lp = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(d) ;FRIIS_1 = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(D) ; PdB_llegada_dB = P_out_dBm – Lp ;P_llegada_watt =(10^-3)*[10^(PdB_llegada_dB/10)] ; PdB_llegada_grafica = P_out_dBm - FRIIS_1 ; plot(D,PdB_llegada_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

99

Tierra Plana

% grafica de la función de la potencia recibida Pr clear all;close all; Ptx = 0.1 ; % potencia transmisión.Ptx_dbm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % potencia de transmisión en dBm.Gt = 8 ; % ganancia antena TxGr = 8 ; % ganancia antena Rxd = 140000 ; % distancia máxima de operación.f = 80*10^6 ; % frecuencia de operación en Hz.lamb = (3*10^8)/ f ; % constante del modelo aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por Trayectoria. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)] ;P_in_dBm = Ptx_dbm + Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Gráficas

D = linspace(7,500000,1000000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = -(10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux_1)]) ;P_in_dBm_grafica = Ptx_dbm - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

100

Modelo MatLab 30 MHz Región Metropolitana

Cost 231 Hata

clear all ;close all ; % Datos f = 30 ; % frecuencia de operación MHz.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.hb = 1000 ; % altura estación base.d = 100 ; % distancia en kilómetrosCm = 3 ; % constante para zona Suburbanas en dB.D = linspace(0.095,1000,10000);am = [1.1*log10(f)-0.7]*[1.56*log10(f)-0.8] ;P_out_dB = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBmaux = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(d) ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por Trayectoria.

Lp = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux + Cm ;

P_in_dB = P_out_dB - Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dB/10)] ; % Gráficas

aux_grafica = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(D) ;Lp_grafica = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux_grafica + Cm ;P_in_dB_grafica = P_out_dB - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dB_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Friis

clear all;close all; f = 30 ; % frecuencia de operación MHz.d = 300 ; % distancia máxima de operación.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.P_out_dBm = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBm.D = linspace(0.01,1000,9000) ; % Pérdida por Trayectoria. Lp = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(d) ;FRIIS_1 = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(D) ; PdB_llegada_dB = P_out_dBm – Lp ;P_llegada_watt =(10^-3)*[10^(PdB_llegada_dB/10)]; PdB_llegada_grafica = P_out_dBm - FRIIS_1 ; plot(D,PdB_llegada_grafica)title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

101

Tierra Plana

clear all;close all; Ptx = 0.1 ; % potencia de transmisión.Ptx_dbm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % potencia de transmisión en dBm.Gt = 8 ; % ganancia antena TxGr = 8 ; % ganancia antena Rxd = 250000 ; % distancia máxima de operación.f = 30*10^6 ; % frecuencia en MHz.lamb = (3*10^8)/ f ; % constante del modelo. aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por Trayectoria. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)] ;P_in_dBm = Ptx_dbm + Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Gráficas


102

Modelo MatLab WiMAX Región Tarapacá, Iquique

Tierra Plana

clear all;close all; Ptx = 0.5 ; % Potencia de transmisión.Ptx_dbm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % Potencia de transmisión en dBm.Gt = 8 ; % ganancia antena TxGr = 18 ; % ganancia antena Rxd = 50000 ; % distancia máxima de operación.f = 3500*10^6 ; % frecuencia en MHz.lamb = (3*10^8)/ f ; % constante del modelo. aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por Trayectoria. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)] ;P_in_dBm = 26.98 + Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Gráficas D = linspace(2.2,100000,500000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = -(10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux_1)]) ;P_in_dBm_grafica = 26.98 - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

SUI

clear all;close all; a = 3.6 ; % constante del modelo.b = 0.005 ; % constante del modelo.c = 20 ; % constante del modelo.hs = 2 ; % altura antena Rxhb = 1000 ; % altura antena Txd = 45000 ; % distancia máxima de operación.f = 3500 ; % frecuencia en MHz.aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia.lamb = (3*10^8)/(3500*10^6) ; % constante del modelo.y = a - b*hb + c/hb ; % constante del modelo.s = 15 ; % constante del modelo. % Pérdida por Trayectoria. Lp = 20*log10(aux/lamb) + 10*y*log10(d/100) + s ;P_in_dBm = 26.98 – Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Graficas

D = linspace(0.00000001,55000,1000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = 20*log10(aux_1/lamb) + 10*y*log10(D/100) + s ;P_in_dBm_grafica = 26.98 - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

103

Cost 231 Hata

clear all;close all; % Datos f = 3500 ; % frecuencia operación en MHz.hb = 1000 ; % altura estación base en metros.d = 18 ; % distancia máxima de operación.Cm = -26 ; % constante para zona desértica en dBD = linspace(0,20,2500) ;am = [1.1*log10(f)-0.7]*[1.56*log10(f)-0.8] ;aux = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(d) ; % variable en función de la distancia. % Pérdida Por trayectoria. Lp = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux + Cm ;P_in_dB = 26.98 - Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dB/10)] ; % Gráficas

aux_grafica = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(D) ;Lp_grafica = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux_grafica + Cm ; P_in_dB_grafica = 26.98 - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dB_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Friis

clear all;close all; f = 3500 ; % frecuencia operación en MHz.d = 22 ; % distancia máxima de operación.D = linspace(0.0003,30,20000) ; % Pérdida por Trayectoria. Lp = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(d) ;FRIIS_1 = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(D) ;PdB_llegada_dB = 26.98 – Lp ;P_llegada_watt =(10^-3)*[10^(PdB_llegada_dB/10)] ; PdB_llegada_grafica = 26.98 - FRIIS_1 ;

plot(D,PdB_llegada_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia');xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

104

Modelo MatLab 80 MHz Región Tarapacá, Iquique

Cost 231 Hata

clear all ;close all ; % Datos necesarios para la modelación. f = 80 ; % frecuencia en MHZ.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.hb = 1000 ; % altura estación base 1000 metros.d = 30 ; % distancia en kilómetros.Cm = 0 ; % constante para zona Suburbanas en dB. D = linspace(0.09,500,10000) ;am = [1.1*log10(f)-0.7]*[1.56*log10(f)-0.8] ;P_out_dB = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; %Perdida por Trayectoria aux = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(d) ;Lp = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux + Cm ; P_in_dB = P_out_dB - Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dB/10)] ; % Gráficas

aux_grafica = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(D) ;Lp_grafica = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux_grafica + Cm; P_in_dB_grafica = P_out_dB - Lp_grafica ; plot(D,P_in_dB_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Friis

clear all;close all; f = 80 ; % frecuencia de operación MHZd = 70 ; % distancia en kilómetrosP_out = 0.1 ; % potencia en watts P_out_dBm = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBmD = linspace(0.009,300,10000) ; % Calculo de perdida por trayectoria Lp. FRIIS_dB = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(d) ;FRIIS_1 = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(D) ;

PdB_llegada_dB = P_out_dBm - FRIIS_dB ;P_llegada_watt =(10^-3)*[10^(PdB_llegada_dB/10)] ; PdB_llegada_grafica = P_out_dBm - FRIIS_1 ; plot(D,PdB_llegada_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia');xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

105

Tierra Plana

clear all;close all; Ptx = 0.1 ; % potencia en watts Ptx_dbm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % potencia salida en dBmGt = 8 ; % ganancia antena Tx Gr = 8 ; % ganancia antena Rx d = 180000 ; % distancia de operación en Kmf = 80*10^6 ; % frecuencia de operación en Hzlamb = (3*10^8)/ f ; % constante del modelo.aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Pérdida por trayectoria Lp. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)] ;P_in_dBm = Ptx_dbm + Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Gráficas

D = linspace(6,250000,5000) ;aux_1 = 4*pi*D ;Lp_grafica = -(10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux_1)]) ;P_in_dBm_grafica = Ptx_dbm - Lp_grafica ;

plot(D,P_in_dBm_grafica ) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

106

Modelo MatLab 30 MHz Región de Tarapacá, Iquique

Cost 231 Hata

clear all ;close all ; % Datos f = 30 ; % frecuencia de operación MHz.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.hb = 1000 ; % altura estación base.d = 150 ; % distancia en kilómetrosCm = 0 ; % constante para zona desérticas en dB.D = linspace(0.095,1000,10000) ;am = [1.1*log10(f)-0.7]*[1.56*log10(f)-0.8] ;P_out_dB = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBmaux = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(d) ; % variable en función de la distancia. % Perdida por Trayectoria.

Lp = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux + Cm ; P_in_dB = P_out_dB - Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dB/10)] ; % Gráficas aux_grafica = (44.9-6.55*log10(hb))*log10(D) ;Lp_grafica = 46.3 + 33.9*log10(f) - 13.82*log10(hb)- am + aux_grafica + Cm ;P_in_dB_grafica = P_out_dB - Lp_grafica ;

plot(D,P_in_dB_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

Friis

clear all;close all; f = 30 ; % frecuencia de operación MHz.d = 240 ; % distancia máxima de operación.P_out = 0.1 ; % potencia en watts.P_out_dBm = 10*log10(P_out/(10^-3)) ; % potencia salida en dBm.D = linspace(0.01,1000,9000) ; % Pérdida por Trayectoria. Lp = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(d) ;FRIIS_1 = 32.44 + 20*log10(f) + 20*log10(D) ; PdB_llegada_dB = P_out_dBm – Lp ;P_llegada_watt =(10^-3)*[10^(PdB_llegada_dB/10)] ; PdB_llegada_grafica = P_out_dBm - FRIIS_1 ; plot(D,PdB_llegada_grafica) ;title('Potencia recibida Rx en dBm V/S de la distancia') ;xlabel('distancia en Km') ;ylabel('potencia recibida por Rx en dBm') ;grid ;

107

Tierra Plana

clear all;close all; Ptx = 0.1 ; % potencia de transmisión.Ptx_dbm = 10*log10(Ptx/(1*10^-3)) ; % potencia de transmisión en dBm.Gt = 8 ; % ganancia antena TxGr = 8 ; % ganancia antena Rxd = 290000 ; % distancia máxima de operación.f = 30*10^6 ; % frecuencia en MHz.lamb = (3*10^8)/ f ; % constante del modelo. aux = 4*pi*d ; % variable en función de la distancia. % Perdida por Trayectoria. Lp = 10*log10(Ptx) + Gt + Gr + 20*[log10(lamb)-log10(aux)] ;P_in_dBm = Ptx_dbm + Lp ;P_in_watt = (10^-3)*[10^(P_in_dBm/10)] ; % Gráficas


108

tesis 2010

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