Diseño de un radioenlace punto a punto entre las ciudades

de Guayaquil y Durán

Freddy Gonzalo Lituma Pereroa,

a Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación, Escuela Superior Politécnica del

Litorla, Km. 30.5 Vía Perimetral, Guayaqui, Ecuador

flituma@espol.edu.ec, freddy_lituma@hotmail.com

Resumen. El presente trabajo consiste en el diseño de un radioenlace para proveer comunicación

de datos entre la nueva sucursal de la empresa PLUTO S.A ubicada en la ciudad de Durán y la

matriz localizada en Guayaquil. En el desarrollo de este proyecto se detallan los requerimientos

para establecer una conexión exitosa, esto es información acerca de equipos, tecnologías a

utilizar, factores geográficos y alcances. Además se indican datos obtenidos mediante cálculos y

fundamentos teóricos que nos permitan obtener un rendimiento óptimo del radioenlace cuando

se realice la implementación. Se ha utilizado también una herramienta de software que ha sido

de gran ayuda para tener un panorama claro acerca de información técnica y características del

diseño.

Palabras Clave: Antena, frecuencia, ganancia, onda, propagación, enlace, potencia, señal,

atenuación, directividad.

1 Introducción

En la actualidad los sistemas inalámbricos están por todas partes. Sabemos que existen

sistemas de telefonía celular, redes de datos inalámbricas, sistemas de televisión o

precisamente los enlaces de radio punto a punto en los cuales vamos a centrar nuestra

atención.

Para el funcionamiento eficiente de estos sistemas se requiere previamente realizar

un diseño adecuado, esto involucra analizar una serie de factores tales como

características de los equipos, el tipo de antena y la ubicación, la selección de la banda

de frecuencias, la trayectoria de propagación de la señal, atenuación, ancho de banda,

fenómenos de propagación radioeléctrica, etc.

Empezaremos por seleccionar la ubicación geográfica para el transmisor y receptor

del enlace punto a punto, a partir de ahí seguiremos analizando los demás criterios del

diseño.

Al final obtendremos un presupuesto de enlace estimado.

2 Metodología

Los sistemas de radio comunicación punto a punto constan, básicamente, de dos

componentes: un transmisor y un receptor. La matriz ubicada en Guayaquil será la

estación donde estarán los equipos y antenas que serán utilizados para la transmisión

de datos, mientras que el receptor o punto de acceso estará ubicado en la ciudad de

Durán, donde también existirán equipos y antenas los cuales actuaran con receptores

de la información enviada desde la estación.

Por otro lado es necesario determinar a qué frecuencia va a operar nuestro

radioenlace, pero primero analizaremos aspectos geográficos importantes que pueden

influir en la selección de la misma. Una vez elegida la frecuencia ya podemos ir en

busca de información adicional acerca de nuestro diseño como por ejemplo, las

características de los equipos de transmisión y recepción, ancho de canal, etc. A final

utilizando estos datos y mediante cálculos podremos saber si la comunicación será

eficiente.

2.1 Perfil de trayectoria del radioenlace

Como se indicó al inicio del documento, necesitamos un enlace de radio entre

Guayaquil y Durán, entonces necesitamos conocer las condiciones geográficas del área

que separan estas dos ciudades como por ejemplo la variación y tipo de terreno,

obstrucciones, etc. Todo esto es importante para poder definir la ruta por la cual se

realizará la propagación de la señal desde la estación al receptor, tomando en

consideración criterios y conceptos importantes tales como: Línea de vista y zona de

Fresnel.

1) Línea de vista. Decimos que existe línea de vista cuando hay visibilidad directa

entre las antenas del transmisor y el receptor es decir sin obstáculos entre ambas, sin

embargo esto no es suficiente para que el radioenlace funcione de manera correcta.

2) Zona de Fresnel. La zona de Fresnel define el área que rodea a la línea de vista

de un enlace de radio la misma que también debe estar libre de obstrucciones que

puedan causar reflexiones de fase que puedan degradar significativamente la calidad de

la señal.

Para verificar si disponemos de línea de vista o no, emplearemos una herramienta

software que nos permita visualizar las condiciones del terreno y que nos proporcione

información de las características de los componentes que podríamos utilizar en nuestro

radioenlace, en nuestro caso utilizaremos airLink, una aplicación online free que se

encuentra disponible en https://airlink.ubnt.com. Cabe indicar que existen otras

herramientas gratuitas tales como: Radio Mobile, Google Earth y Cambium Link

Planner.

Entonces empezamos por ubicar la estación y el punto de acceso en el mapa que nos

proporciona la herramienta de software.

Fig. 1. Ubicación geográfica de la estación y punto de acceso del radioenlace.

Una vez que hemos definido en la herramienta de software la ubicación geográfica

de los dos puntos del radioenlace, se nos presentará un gráfico que muestra las

variaciones del terreno, línea de vista, la zona de Fresnel y la distancia que hay entre

ambos puntos, correspondiente a 20.85 Km. Podemos observar que evidentemente

existe línea de vista y la zona de Fresnel está libre de obstrucciones.

Fig. 2. Mapa de la sección transversal del terreno que hay entre los puntos del radioenlace.

El software también nos muestra a qué altura deben estar tanto la antena del receptor

como del transmisor respecto de la superficie terrestre, estos datos son los siguientes:

Altura de la antena de la estación: 30 m respecto de la superficie (elevación)

Altura de la antena del receptor: 27 m respecto de la superficie (plana)

Más adelante trataremos con detalle características importantes de la gráfica mostrada

anteriormente (figura 2).

2.2 Selección de la frecuencia

La frecuencia en la cual va a operar nuestro sistema de radio, es la frecuencia de onda

portadora, toda la información a ser transferida desde transmisor a receptor es

conducida sobre la onda portadora.

La elección de la banda de frecuencia que se debe utilizar cuando se establece un

enlace de radio dependerá de evaluar cuidadosamente varios criterios, entre los más

importantes resaltan: la disponibilidad de la frecuencia, disponibilidad de equipos y

requerimientos de velocidad de transmisión de datos, etc.

Hemos decidido trabajar en la banda de los 5 GHz ya que este rango de frecuencias

se encuentra disponible dentro del espectro radioeléctrico. Otras de las razones por la

que optamos por dicha frecuencia es que la herramienta de software que estamos

utilizando nos proporciona información de equipos que pueden trabajar con estos

requerimientos, al final la utilización de esta frecuencia proporcionará una velocidad

de datos óptima.

2.3 Cálculo de la zona de Fresnel

Una vez que ya hemos seleccionado la frecuencia en la cual va a operar nuestro radio

enlace procedemos a calcular la zona de Fresnel, esta zona consiste en el volumen de

espacio entre el emisor de una onda electromagnética y un receptor, de modo que el

desfase de las ondas en dicho volumen no supere los 180º. La fase mínima se produce

para el rayo que une en línea recta emisor y receptor.

Existen varias Zonas de Fresnel:

-Considerando el valor de fase como cero, la primera zona de Fresnel abarca hasta que

la fase llegue a 180º, adoptando la forma de un elipsoide de revolución.

-La segunda zona abarca hasta un desfase de 360º, y es un segundo elipsoide que

contiene al primero.

-Para las zonas superiores el análisis es similar.

Cabe recalcar que el tamaño de una zona de Fresnel depende la frecuencia y distancia

del enlace de radio, es decir entre más grande sea la distancia entre transmisor y receptor

más grande será la zona de Fresnel en el centro del enlace, con la frecuencia ocurre lo

contrario para frecuencias altas la zona de Fresnel será menor que para frecuencias

bajas.

Mediante la utilización de la herramienta de software para ubicar la estación y el

punto de acceso y la selección de la frecuencia de operación logramos obtener una

gráfica (Figura 2), la cual nos muestra la forma del terreno y además se indica la zona

de Fresnel la cual según podemos observar está totalmente libre de obstrucciones, esto

es lo ideal para la comunicación funcione de manera óptima, sin embargo es posible

que sea inevitable evadir alguna obstrucción entonces lo recomendable sería que la

obstrucción no supere el 20% de la zona de Fresnel y como máximo el 40%, si supera

este último valor el enlace va a fracasar y no funcionará.

A continuación se muestra el cálculo para hallar el radio de la primera zona de

Fresnel, conociendo que no existen obstrucciones en dicha zona.

La ecuación para el radio es la siguiente.

𝑟 = 17.32√𝑑

4𝑓

Donde:

r es el radio de la zona de Fresnel en metros

d es la distancia en km entre transmisor y receptor

f es la frecuencia de operación del radio enlace en GHz

Para nuestro caso la frecuencia seleccionada es 5,5 GHz y la distancia del enlace es de

20.85 Km, remplazando en la ecuación anterior se tiene lo siguiente.

𝑟 = 17.32√20.85

4(5.5)

𝑟 = 16.86 𝑚

Esta información resulta importante para saber a qué altura debemos colocar las antenas

de nuestro radioenlace.

Fig. 3. Radio de la primera zona de Fresnel.

2.4 Cálculo de la atenuación de la señal.

El término atenuación es utilizado para expresar pérdida en un circuito, sabemos que la

energía de una señal decae con la distancia y la atenuación no es otra cosa que la pérdida

de la potencia de dicha señal al transitar por cualquier medio. El factor impulsor de la

pérdida de la señal al viajar por una trayectoria es un fenómeno conocido como Free

Space Path Loss FSPL(perdida en el espacio libre), es decir cuando la potencia de la

señal se reduce por el ensanchamiento del frente de onda.

La potencia de la señal se distribuye sobre un frente de onda de área cada vez mayor

a medida que nos alejamos del transmisor, por lo que la densidad de potencia

disminuye.

Fig. 4. Frentes de onda en la propagación de una señal.

La pérdida en el espacio libre depende de la frecuencia de operación y de la distancia,

se puede calcular mediante la siguiente ecuación.

𝐹𝑆𝑃𝐿 = 32.5 + 20 log10 𝑓 + 20 log10 𝑑

Donde:

FSPL es la perdida de una señal expresada en dB

d es la distancia en km entre transmisor y receptor

f es la frecuencia de operación del radio enlace en MHz

Para nuestro caso la frecuencia seleccionada es 5500 MHz y la distancia del enlace es

de 20.85 Km, remplazando en la ecuación anterior se tiene lo siguiente.

𝐹𝑆𝑃𝐿 = 32.5 + 20 log10 5500 + 20 log10 20.85

𝐹𝑆𝑃𝐿 = 133.68 dB

2.5 Selección del ancho de canal.

Ancho de canal es la longitud, medida en Hz, del rango de frecuencias en el que se

concentra la mayor parte de la potencia de la señal y nos indica la cantidad de

información que se puede enviar por medio de un enlace.

La elección de la medida del ancho del canal va influir significativamente en un

enlace de radiofrecuencia. Por ejemplo si utilizamos un canal de 60MHz sería posible

conseguir mayor ancho de banda en el enlace sin embargo esto significaría menos

estabilidad y más interferencia, por el contrario si utilizamos un canal de 10 MHz

conseguiremos mayor estabilidad y menos interferencias con otras señales que puedan

estar viajando por el medio.

Para nuestro diseño hemos creído conveniente elegir un ancho de canal de 10 MHz,

debido a que la señal viajará por gran parte de la ciudad de Guayaquil y lo que se quiere

precisamente es evitar interferencia con otras señales de enlaces de radio de otras

empresas.

2.6 Equipos y antenas.

Una antena es un dispositivo que tiene como misión es difundir y/o receptar ondas

electromagnéticas. Las antenas convierten las señales eléctricas en ondas

electromagnéticas y viceversa.

Es importante recordar ciertos aspectos importantes de los equipos y antenas que

influyen en la calidad de un enlace, por ejemplo la ganancia que se define como la

relación que existe entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad

de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias

entregadas a la antena, la directividad es otro término importante, es un parámetro

fundamental de la antena pues se trata de una medida del patrón de "dirección" de

radiación de una antena.

Una antena que irradia igualmente en todas direcciones habría efectivamente cero

direccionalidad, y la direccionalidad de este tipo de la antena sería de 1 (o 0 dB).

Por lo tano una antena es más directiva si tiene mayor ganancia, y como la ganancia

viene a ser la potencia de amplificación de la señal, si aumentamos esta vamos a tener

mayor calidad para la transmisión de datos en nuestro enlace.

Una vez que hemos seleccionado la frecuencia y hemos determinado las condiciones

geográficas para nuestro enlace, necesitamos seleccionar los equipos adecuados que

cumplan con los requerimientos para que el enlace funcione correctamente, para el

efecto nos hemos ayudado de la herramienta de software airLink que nos ha

proporcionado información de equipos(marca Ubiquiti) para implementar un radio

enlaces, todo esto en función de la información acerca de la distancia y la frecuencia

que le hemos indicado al software inicialmente.

A continuación presentamos las características técnicas y planos polares de las

antenas a utilizar en el diseño de este radio enlace.

Antenas para transmisión y recepción.

Antena de Plato Ubiquiti RD-5G34

Se trata de una antena parabólica que puede alcanzar muy alta ganancia y

direccionalidad, a continuación se muestran los detalles técnicos de este equipo.

Tabla 1. Características técnicas de la antena RD-5G34.

Fig. 5. Antena parabólica Ubiquiti RD-5G34.

Se puede notar que esta antena puede trabajar con frecuencias entre 4.9 y 5.9 GHz, y la frecuencia

que elegimos de 5GHz se encuentra dentro de este rango. Cabe indicar además que para este

radioenlace vamos a utilizar la máxima ganancia de la antena cuyo valor corresponde a 34.2 dBi,

con una potencia de salida de 27 dBm, para estación y punto de acceso.

Planos polares

Fig. 6. Planos polares de la antena Ubiquiti RD-5G34.

Costos.

El costo de una antena Ubiquiti RD-5G34. Es de aproximadamente 500 dólares, esto

implica que el costo total estimado que se ha de invertir en la compra de antes sería de 1000

dólares.

2.7 Cálculo del presupuesto de enlace (Link Budget Estimated)

El cálculo de un presupuesto de enlace implica obtener todas las pérdidas y ganancias

de la señal desde el transmisor al receptor, realizar un buen presupuesto de enlace es

esencial para el buen rendimiento del mismo.

El Presupuesto o Balance de potencia es una manera de cuantificar las características

del enlace. La potencia recibida en un enlace está determinada por tres factores: la

potencia de transmisión, la ganancia de la antena transmisora y la ganancia de la

antena receptora, Si esa potencia, menos las pérdidas de trayectoria es mayor que el

nivel mínimo de señal recibida del receptor tendremos un enlace viable.

Tomando en consideración lo anterior procedemos a realizar el cálculo.

+ Potencia del transmisor: 27 dBm

+ Ganancia de la antena de transmisión: 34 dBi

+Ganancia de la antena de recepción: 34 dBi

-Pérdida en la trayectoria de espacio libre: 133.68 dBm

_________________________________________________________

Total: -38.68 dBm

3 Conclusiones

- Utilizar una herramienta de software para adquirir información y

fue de gran ayuda para empezar con el diseño y para realizar una

comparación datos obtenidos mediante cálculos.

- Al momento de diseñar un radioenlace hay que considerar todos

los criterios posibles para lograr obtener un enlace de calidad.

4 Anexos

Fig. 7. Entorno grafico de airLink.

5 Referencias

1. http://www.itrainonline.org/itrainonline/mmtk/wireless_es/files/06_es_calculo-de-

radioenlace_presentacion_v02.pdf, [7], [8], [9].

2. Calculo de radioenlaces, http://www.itrainonline.org/itrainonline/mmtk/wireless_es/files/06_es_calculo-de-

radioenlace_guia_v02.pdf, [8], [9], [13].

3.- https://dl.ubnt.com/datasheets/rocketdish/rd_ds_web.pdf

4.http://www.wni.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=62:antenassoporte&catid=3

1:general&Itemid=79