Descripción Enlace Microondas Medellín - Guatapé

Universidad Pontificia BolivarianaIngeniería de Telecomunicaciones

Silvana Castrillón Zuluaga

Felipe España Paniagua

Wenceslao Guerra Montenegro

Medellín (Colombia) Mayo de 2014

REQUERIMIENTO Versión 1.0

DATOS DE ENTRADA

Se desea implementar un enlace de microondas entre las cabeceras municipales de los

municipios de Guatapé (un edificio ubicado en el Parque Principal) y Medellín (Edificio

Inteligente de E.P.M.), en Antioquia. El enlace será digital y deberá realizarse utilizando la banda

de 11GHz para proporcionar capacidad igual a un STM-1 (155Mbps).

Los objetivos de disponibilidad son del 99.99% del año.

No se utilizarán repetidores pasivos.

RESULTADO DEL DISEÑO

Perfiles para cada uno de los saltos que compongan el enlace.

Cálculo de la disponibilidad ofrecida por los equipos para todo el enlace.

Detalle de los cálculos de propagación y presupuesto de enlace (link budget).

Diagrama topológico de la solución diseñada.

Listado completo de equipos utilizados (transmisores, receptores, antenas, cables, entre otros).

Incluir como anexos los manuales y las tablas de especificación de los equipos empleados

(transmisores, receptores, antenas, cables, entre otros).

Desarrollo del Diseño Pag. 3

DESARROLLO DEL DISEÑO

LAS CABECERAS SELECCIONADAS

Las cabeceras municipales a interconectar mediante el enlace de microondas son Guatapé (Parque Principal) y Medellín (Edificio Inteligente de E.P.M.). En la Tabla 1 se consignan datos de la ubicación de dichas cabeceras municipales.

Guatapé MedellínZona geográfica antioqueña Oriente Zona MetropolitanaAltitud (msnm) 1891 m 1527 mLongitud (DMS) 6°14’0,2.74” N 6°14’42.72” NLatitud (DMS) 75°09’36.90” O 75°34’40,82” O

Tabla 1 - Información de ubicación geográfica

Los datos anteriores son extraídos (por Ustedes) de la cartografía proporcionada por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) o Google, Inc., y de consultas realizadas en otros medios para la localización exacta de los puntos a interconectar. La Figura 1 ilustra las cabeceras implicadas en el diseño.

Figura 1 - Área geográfica donde se ubican los puntos de interés

Atendiendo las exigencias para el diseño del radioenlace (utilización de frecuencias por encima de los 10GHz), y considerando el cuadro de atribución de frecuencias proporcionado por el Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (MinTIC) de Colombia, se seleccionó la banda de

Radioenlace Guatapé – MedellínQQQQQQQ QQQQQQ Q QQ QQ Universidad Pontificia Bolivariana


10.700 MHz a 11.700 MHz descrita en la Recomendación ITU-R F.387-8 Anexo II (Sistemas de relevadores radioeléctricos digitales de gran capacidad; hasta 155Mbps).

EL ENLACE COMPLETO DE MICROONDAS

Por medio del presente trabajo se desarrolla un radioenlace punto a punto entre los municipios de Guatapé y Medellín en las regiones del Oriente y la zona Metropolitana en el departamento de Antioquia.

Para la solución de este problema se implementa tres radioenlaces los cuales, las distancias de cada uno de ellos no fueran muy, es decir muchos kilómetros, ya que esto afecta de gran manera el diseño de los radioenlaces, debiendo tener mucho cuidado al momento de elegir los equipos con los que se desea trabajar, así mismo el objetivo principal, es proporcionar el mejor desempeño del sistema completo en términos de disponibilidad no solo a corto sino a mediano y largo plazo

A partir de conocer el punto inicial y final se realiza un reconocimiento de la zona por medio de Google Earth, donde se decide cual será la ruta más óptima para un radioenlace de microondas desde el edificio inteligente en Medellín hasta el parque principal del municipio de Guatapé, se considera necesario realizar unas pequeñas correcciones al perfil, con el fin de obtener una línea de vista apropiada en la que se libera la primera zona de Fresnel (zona en la que se concentra la mayor cantidad de energía) y los fenómenos de propagación no afecten considerablemente las señales que se transmitan. Se deciden los puntos estratégicos donde deben ir ubicadas las torres de transmisión y recepción para cada uno de los enlaces, siempre buscando puntos altos en el terreno para así evitar la mayor cantidad obstáculos posibles en cada uno de los trayectos.

Además se tuvo en cuenta factores importantes como la altura de las torres, el tipo de zona climática donde cada una de estas estaría ubicada, las condiciones de pluviosidad y humedad del terreno, también se tiene en cuenta factores propios del municipio.

El plan de frecuencias

Al utilizar la banda de 11GHz, se toman las recomendaciones indicadas por ITU-R F.387-8 Anexo I, la cual presenta una descripción de las disposiciones de radiocanales para sistemas inalámbricos fijos (FWS) que funcionan en la banda de 11 GHz (10,7-11,7 GHz), que pueden utilizarse para aplicaciones del servicio fijo de capacidad elevada, media y reducida, incluida la infraestructura móvil. La separación de canales recomendada en el texto es de 40 MHz con bandas de guarda de 15 y 55 MHz, así como una segunda disposición en la que se utiliza también una separación de canales de 40 MHz. Se presenta la distribución espectral



Figura 1. Gráfica de distribución espectral para radioenlaces digitales en la banda de 11GHz

Con el fin de evitar interferencias entra cada enlace se asigna frecuencias diferentes para cada tramo, que proporcionan una capacidad requerida de 140 Mbps, donde se debe tener mucho cuidado en la asignación de estas, ya que se debe tener frecuencias para el Uplink y Downlink, considerando frecuencias más bajas para los enlaces de subida y frecuencias más altas para los enlaces de bajada.

Para encontrar los valores adecuados de esta se emplean las siguientes ecuaciones

Figura 2. Ecuaciones para la asignación de frecuencias de cada canal

Donde la frecuencia central f 0 corresponde a 11200 MHz. La asignación completa de las frecuencias se observa en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de enlaces diseñados con sus respectivas frecuencias y bandas de operación



Se especifica que los enlaces de subida son los de color amarillo ya que son frecuencias más bajas y los enlaces de bajada son de color azul, a continuación se presenta una tabla con la asignación de frecuencias

Tramo Ubicación Torre Lugar Uplink Downlink

Tramo 1 Edificio inteligente - La chorilla

Medellín- Girardota

10715 MHz 11245 MHz

Tramo 2 La chorilla – Alto de la Virgen

Girardota – Guarne

10875 MHz 11405 MHz

Tramo 3 Alto de la Virgen- Iglesia Plaza Principal

Guarne – Guatapé

11035 MHz 11205 MHz

Tabla 2. Asignación de frecuencias a cada enlace

LOS SALTOS QUE COMPONEN EL RADIOENLACE

La asignación de cada salto, se realizó con especial cuidado ya que se debían tener en cuenta factores muy importantes, como la distancia entre saltos, la línea de vista, entre otros, ya que dependiendo de estos parámetros se eligen los equipos que cumplan con los requisitos necesarios para el cálculo de cada enlace además es importante tener en cuenta que el número de saltos influye en la disponibilidad ofrecida por todo el sistema.

TRAMO 1 TORRE 1 TORRE 2Longitud 6°14’42.72” N 6°23’25.89” NLatitud 75°34’40.82” O 75°32’11.24” OAltitud 1527 m 2705 m

DistanciaFrecuencias 10715 MHz UL 11245 MHz DL

Tabla 3. Componentes Radioenlace Tramo 1

TRAMO 2 TORRE 1 TORRE 2Longitud 6°23’25.89” N 6°18’36.11” NLatitud 75°32’11.24” O 7°26’10.13” OAltitud 2705 m 2465 m



TRAMO 3 TORRE 1 TORRE 2Longitud 6°18’36.11” N 6°14’0,2.74” NLatitud 7°26’10.13” O 75°09’36.90” OAltitud 2465 m 1891 m





CONSIERACIONES ADICIONALES

Si durante el diseño se tuvieron algunas consideraciones y se tomaron decisiones que afectaron el resultado final del proceso, deben describirlas aquí.

Es necesario considerar ciertos aspectos relacionados con el cálculo del radioenlace, que apuntan concretamente hacia la corrección de la altura, cálculos de disponibilidad y link Budget.

1. Corrección de altura

Debido a la altura de los lugares intermedios y las rutas escogidas para los enlaces, no fue absolutamente necesario efectuar el cálculo del efecto de la curvatura terrestre, pero en la hoja de cálculos para los perfiles del radio enlace, se introdujo la constante de corrección K=4/3, por tratarse de una zona tropical.Para el primer salto, la primera zona de Fresnel alcanza un radio máximo de aproximadamente 11 metros, justo en la mitad del enlace, es decir, a una distancia de 8.4 Km de cada antena. Se utilizó una altura estándar para ambas Atenas (30m), y en cada punto del radioenlace, la visibilidad es del 100%. Para el segundo salto, que tiene una distancia total similar a la del salto 1 (16Km), se calculó el radio máximo de la primera zona de Fresnel, obteniendo que a una distancia de 8Km de cada torre, este era de 10m aproximadamente, por lo que las antenas con altura estándar funcionaban perfectamente, logrando también 100% de visibilidad en cada punto del radioenlace. En el tercer enlace, existe un obstáculo que obligó a aumentar la altura de las antenas y A y B hasta 55m, despejando así 59 de los 60 puntos del enlace con una visibilidad del 100%, y sólo uno con una visibilidad reducida al 70% en dirección B-A y de 68% en dirección A-B; de igual forma, la primera zona de Fresnel para este radioenlace tiene un radio máximo de 14m a 15Km de distancia de ambas torres.

2. Cálculos de propagación y radio enlace (Link Budget)

A partir de las características de los equipos que se escogieron para transmisión/recepción, se realizaron los cálculos de enlace, teniendo como parámetros principales la potencia de transmisión y el nivel de umbral. Las potencias se determinaron con el fin de que hubiera por lo menos 10dB de FFM en cada uno de los enlaces, y guardando relación con la modulación 64QAM que permite alcanzar la tasa de transmisión que plantea el trabajo.

De igual forma, se escogieron antenas diseñadas para trabajar en la banda de 11Ghz, para establecer sus ganancias e incluirlas en los cálculos requeridos, teniendo en cuenta que se utiliza la misma antena en transmisión y recepción (datos anexos). Para completar los cálculos, se escogió una guía de onda que generaba pérdidas de aproximadamente 0.1dB por metro (aunque en la hoja de cálculos se utilizó el valor real de 0.0909dB/m); además de ello, se consideraron las distancias de la IRFU en tx a cada una de las antenas, asimismo como al CMU, obteniendo así las longitudes conjuntas de 120m para su consideración en las pérdidas (70m en transmisión y 50 en recepción).

Dada la clasificación de zonas del modelo de Crane, se utilizó para los cálculos una tasa de lluvia de R=85.Los valores de a y b que permiten hallar las atenuaciones por lluvia, se extraen de la tabla que proporciona el modelo y depende de la frecuencia de operación y el tipo de polarización, (se utilizaron los coeficientes que rodean 10 GHz, es decir, a= 0.000591 y b=1.075 tanto en uplink como en downlink)



Para este caso, se utilizó para todas las antenas una polarización vertical, porque con ella presenta una mejor respuesta ante los efectos de la lluvia.En la aplicación del Link Budget de los enlaces, no se tienen en cuenta pérdidas adicionales como en conectores, cables, etc., debido a que las pérdidas en guías de onda se tomaron en cuenta de tal forma que sean suficientes y puedan cobijar indirectamente las pérdidas de estos elementos.

3. Disponibilidad

La disponibilidad del sistema se obtuvo consultando la disponibilidad de los equipos involucrados en el diseño, y considerando además variables como durabilidad, vía útil y resistencia a cambios de temperatura, lluvia y demás condiciones climáticas.Para los dispositivos de la serie PTP 800, los cuales incluyen central de procesamiento, transmisores y antenas como tal, se garantiza una disponibilidad de 99.999% en temperaturas extremas y cambios climáticos impredecibles. Como se tiene una configuración 1+1 para todo el sistema, la disponibilidad total estaría dada por:

1− (1−0.99999 )2 ¿¿3=0.9999999997

Obteniendo así una disponibilidad superior a la requerida en el diseño.

Inquietudes

Aquí pueden describir algunos aspectos que no hayan quedado claros, como por ejemplo parámetros de los equipos, configuraciones, etc..



DIAGRAMA TOPOLÓGICO DEL ENLACE

A continuación se dará a conocer el perfil topológico para cada uno de los tres enlaces propuestos para la configuración del radioenlace entre el municipio de Guatapé, Iglesia principal y Medellín, en el edificio Inteligente

TRAMO 1: Edificio Inteligente, Medellín - La Chorrilla, Barbosa

Figura 5. Diagrama del perfil topológico del radioenlace microondas #1

Radioenlace Guatapé – Medellín QQQQ QQ QQQQ Q QQ QQ Universidad Pontificia Bolivariana


TRAMO 2: La Chorrilla, Barbosa - Alto de la Virgen, Guarne




TRAMO 3: Alto de la Virgen, Guarne – Iglesia Parque principal, Guatapé



Referencias Pag. 12

REFERENCIASLas siguientes fuentes bibliográficas fueron consultadas el sábado 31 de Mayo de 2014 y el domingo 1 de junio del 2014

1. Anexo I; Recomendación UIT-R F.387-12 http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/f/R-REC-F.387-12-201203-I!!PDF-S.pdf

2. Anexo II; PTP 800i SPECIFICATION SHEET fhttps://www.hol4g.com/documents/cambium/PTP800i-05_SS-030112.pdf

3. Anexo III; Manual de instalación de las antenas. Formato virtual en http://www.motorolasolutions.com/web/Business/Products/Wireless%20Networks/Wireless%20Broadband%20Networks/Wireless%20Ethernet%20Bridges/PTP_800_Series/_DOCUMENTS/Static_Files/85010092005_11_6_DP.pdf?pLibItem=1&localeId=33

4. Anexo IV; Especificaciones de las antenas Andrew VHLPX 6ft. Formato virtual en:http://www.powersearchireland.com/uploads/manuals/Andrew%20Antenna%20Specs.pdf

5. Anexo V; Especificaciones EP105Jhttp://www.hol4g.com/webpdf/CBW_EP105.pdf

6. Anexo VI; Especificaciones D100-105FP-Whttp://antennasupply.com/media/datasheet/RFS_D100105FPW.pdf

Radioenlace Guatapé – Medellín QQQQQQQQQQQQ Q QQ QQ Universidad Pontificia Bolivariana

http://antennasupply.com/media/datasheet/RFS_D100105FPW.pdf

http://www.hol4g.com/webpdf/CBW_EP105.pdf

http://www.powersearchireland.com/uploads/manuals/Andrew%20Antenna%20Specs.pdf

http://www.motorolasolutions.com/web/Business/Products/Wireless%20Networks/Wireless%20Broadband%20Networks/Wireless%20Ethernet%20Bridges/PTP_800_Series/_DOCUMENTS/Static_Files/85010092005_11_6_DP.pdf?pLibItem=1&localeId=33



https://www.hol4g.com/documents/cambium/PTP800i-05_SS-030112.pdf

http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/f/R-REC-F.387-12-201203-I!!PDF-S.pdf

Anexo: Fichas técnicas de equipos y elementos Pag. 13

ANEXO:FICHAS TÉCNICAS DE EQUIPOS Y ELEMENTOS

Radioenlace Guatapé – Medellín QQQQQQQQQQQ Q QQ QQ Universidad Pontificia Bolivariana


B. FICHAS TÉCNICAS DE EQUIPOS Y ELEMENTOS

Equipo de transmisión/recepción

Figura 8. Equipo Transmisor/receptor Cambium Networks PTP 800i

Antenas para transmisión/recepción

Figura 9. Antenas para transmisión/recepción Andrew VHLPX 6ft

Radioenlace Guatapé – MedellínQQQ QQQQQQQQ Q QQ QQ Universidad Pontificia Bolivariana


Guía de onda

Figura 10. Guía de onda FLEXWELL Premium Elliptical EP105J

Acopladores

Figura 11. Conector FLEXWELL PDR100 flange

Conectores



Otros Torres autoportantes o arriostradas

Figura 12. Torres autoportantes o arriostradas

Información sobre montajes, torres y otros elementos, puede ser encontrada en la documentación adicional proporcionada por los fabricantes.


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