Enlace de Microondas Entre Villa de Reyes y Laguna de San Vicente en El Estado de San Luis Potosi[1]

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“DISEÑO DE UN ENLACE DE MICROONDAS DEDICADO PARA COMUNICAR LA POBLACIÓN DE VILLA DE REYES Y

LAGUNA DE SAN VICENTE EN EL ESTADO DE SAN LUIS POTOSÍ”

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Ortiz Castillo Rigoberto Pérez Fosado Alvaro

Sánchez Figueroa Abraham Julio Cesar

ASESOR DE TESINA

Dr. Roberto Linares y Miranda

MÉXICO, D.F. DICIEMBRE 2012

Dedicatoria

A Dios.

Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.

Pérez Fosado Alvaro

Agradecimientos

A mi madre Alejandra Fosado y Martínez, por todo su apoyo, su confianza y por no permitirme renunciar al objetivo que juntos comenzamos, estudiar y concluir mi carrera profesional, pero sobre todo por su infinito e interminable amor que siempre me ha dado.

A mi esposa Marisol Sendejas Monroy (PECH), por ser el motor de que me impulsa ahora, a alcanzar mis objetivos y a que cada día sea mejor persona, mejor padre y esposo, agradezco tu amor, confianza y paciencia para cumplir con este objetivo que espero sirva de ejemplo para que nuestros hijos Alvaro y Mafer lo superen.

Al Instituto Politécnico Nacional, mi alma mater que me brindo la oportunidad de estudiar y terminar mi licenciatura dentro de sus aulas y ahora puedo desarrollarme con la seguridad que brinda el prestigio y envergadura de ser egresado de esta gran institución y sobre todo de tener los conocimientos necesarios para competir en el mercado laboral.

A mi asesora la M.C. Fabiola Martínez Zúñiga, quien con su amor y dedicación a la docencia, es una motivación para cualquier alumno que quiera aprender, gracias por sus conocimientos y dedicación para asesórame siempre que lo necesité.

Pérez Fosado Alvaro

Agradecimientos

Doy gracias a la vida, a mi familia y amigos por apoyarme en todo momento en esta parte de mi vida tan importante. Por darme las fuerzas y los consejos para terminar este pequeño proyecto que arme desde hace mucho tiempo.

Gracias por apoyarme y aguantar esas ausencias en reuniones tan importantes en la mesa. Pero sobre todo doy gracias a Dios por darme la fortaleza en seguir adelante.

Gracias amor por estar a mi lado en esta fase de mi vida.

Sánchez Figueroa Abraham Julio Cesar

Objetivo

Establecer la comunicación entre los poblados de Villa de Reyes y Laguna de San Vicente, realizando un análisis topográfico de la zona de estudio, dimensionamiento de tráfico y cálculo de potencia.

Justificación Este trabajo se lleva a cabo para demostrar de manera teórica y con trabajo en campo que es posible establecer la comunicación mediante un enlace de microondas dedicado entre los poblados de Villa de Reyes y Laguna de San de Vicente en el estado de San Luis Potosí, para transportar tráfico de voz de la radio base de GSM hacia la BSC. Se trabajó sobre este tema porque en la actualidad no es posible concebir la actividad humana sin los sistemas de comunicaciones y es nuestro reto llevar estas tecnologías a las zonas del País donde el servicio es requerido y las condiciones geográficas favorecen la instalación de redes celulares.

Hipótesis Se pretende demostrar que los fundamentos teóricos nos proporcionan las herramientas necesarias para poder implementar soluciones de comunicación para necesidades reales. La demostración se enfoca a la implementación del enlace de microondas entre los poblados de Villa de Reyes y Laguna de San Vicente en estado de San Luis Potosí, además del cálculo de potencia y dimensionamiento de tráfico, mediante el estudio topográfico y de densidad de población de la región.

Índice general

Capítulo 1. Conceptos básicos de comunicaciones

1.1 Teoría electromagnética 2

1.1.1 Ecuaciones de Maxwell 4

1.1.2 Ecuaciones de onda 6

1.1.3 Vector de Poynting 9

1.2 Modulación 10

1.2.1 Modulación en Amplitud (AM) 10

1.2.2 Modulación en frecuencia (FM) 11

1.2.3 Modulación en fase (PM) 13

1.2.4 Modulación por pulsos codificados 15

1.2.5 Modulación digital 17

1.3 Multiplexado 19

1.3.1 Multiplexado por división de tiempo 20

1.3.2 Multiplexado por división de frecuencia 23

1.3.3 Multiplexado por división de código 24

Capítulo 2. Antecedentes de Microondas

2.1 Antecedentes de microondas 28

2.1.1 Difracción 29

2.1.2 Refracción 30

2.1.3 Reflexión 30

2.2 Sistemas de microondas digital 34

2.2.1 Transmisión 36

2.2.2 Recepción 44

2.3 Antecedentes de la telefonía celular y GSM 45

2.3.1 Arquitectura y definición de los componentes GSM 46

2.3.2 Interfaz A 50

2.3.3 Interfaz A-TER 52

2.3.4 Interfaz A-BIS 53

2.3.5 Interfaz de aire 57

Capítulo 3. Análisis del terreno y altura de torres

3.1 Descripción de los poblados 59

3.1.1 Villa de Reyes 59

3.1.2 Laguna de San Vicente 62

3.2 Análisis del Terreno 63

3.3 Cálculo de altura de torres 68

3.4 Enlace Villa de Reyes - Laguna de San Vicente 71

Capítulo 4. Dimensionamiento de tráfico y cálculo de potencia

4.1 Tipo de Torres 78

4.1.1 Torre auto soportada de cuatro patas 78

4.1.2 Torre auto soportada angular de tres patas 79

4.1.3 Torre riendada o arriostrada 80

4.1.4 Torre monoposte o monopolo 81

4.2 Cálculo de capacidad y de ancho de banda requerida 82

4.3 Definición de equipo y cálculo de potencia 86

Conclusiones generales 95

Bibliografía 96

Índice de tablas


Tabla 1. Ecuaciones de Maxwell 2

Tabla 2. Modulaciones de QPSK, dependiendo del número de fases 19


Tabla 3. Descripción meteorológica de Villa de Reyes 59

Tabla 4. Población del municipio de Villa de Reyes 60

Tabla 5. Distribución de edades del municipio de Villa de Reyes 60

Tabla 6. Cotas de carta topográfica F14 C14 64

Tabla 7. Valores de Altura real del terreno y Zona de Fresnel inicial 71

Tabla 8. Valores de Altura real del terreno y Zona de Fresnel final 74

Tabla 9. Datos de la BTS de Villa de Reyes 83

Tabla 10. Datos de la BTS de Villa de Arriaga 83


Tabla 11. Tráfico de Villa de Reyes en Half Rate 83

Tabla 12. Tráfico de Villa de Arriaga en Full Rate 84

Tabla 13. Distribución de tráfico E1s 85

Tabla 14. Bandas de frecuencia 86

Tabla 15. Selección e equipo 86

Tabla 16. Potencia del transmisor 87

Tabla 17. Pérdidas por alimentador 87

Tabla 18. Pérdidas por acoplador 88

Tabla 19. Ganancia de antenas 90

Tabla 20. Cálculo de enlace BTS Villa de Reyes - BTS Villa de Arriaga 91

Índice de figuras


Figura 1. Ley de Gauss para el campo magnético 4

Figura 2. Campo magnético existente de un imán 5

Figura 3. Ley de Ampere 5

Figura 4. Circuito donde se muestra un campo generador de fuerza electromotriz E y un campo H 6

Figura 5. Representación de una onda electromagnética 6

Figura 6. Modulación en AM en sus distintas etapas 11

Figura 7. Modulación FM 13

Figura 8. Modulación PM 15

Figura 9. Proceso PCM 15

Figura 10. Proceso de codificación 16

Figura 11. Modulación ASK 17

Figura 12. Modulación FSK 18

Figura 13. Modulación PSK 19

Figura 14. Sistema de transmisión PCM de un solo canal (DS nivel 0) 20

Figura 15. Sistema PCM-TDM de dos canales 21

Figura 16. Asignación de tramas para un sistema TDM 22

Figura 17. Multiplexado por división de frecuencia 23

Figura 18. Multiplexado por división de frecuencia en estaciones comerciales de AM 24

Figura 19. Enlace en sentido descendente en CDMA 25

Figura 20. Enlace en sentido ascendente en CDMA 25

Capítulo 2. Antecedentes de Microondas

Figura 21. Difracción 29

Figura 22. Refracción 30

Figura 23. Reflexión difusa y especular 31

Figura 24. Rayo incidente, rayo reflejado y refractado 32

Figura 25. Sistema de microondas con repetidor 33

Figura 26. Diagrama a bloques de un repetidor de microondas 33

Figura 27. Esquema general del sistema de transmisión y recepción de microondas 35

Figura 28. Oscilador con dispositivo de resistencia negativa 36

Figura 29. Oscilador con diodo como dispositivo activo 37

Figura 30. Oscilador con transistor como dispositivo activo 37

Figura 31. Circuito conceptual del multiplicador de frecuencia por diodo reactivo 38

Figura 32. Diagrama a bloques del multiplicador de frecuencias con diodo 39

Figura 33. Circuito conceptual del multiplicador de frecuencias de diodo resistivo 39

Figura 34. Diagrama del circuito multiplicador con transistor FET 40

Figura 35. Diagrama a bloques del modulador 41

Figura 36. Multiplexor de filtros direccionales 41

Figura 37. Multiplexor de colector acoplado 42

Figura 38. Conversión de frecuencias usando un mezclador (a) conversión a frecuencia alta (b) conversión a frecuencia baja 43

Figura 39. Generaciones celular 46

Figura 40. Red GSM básica y sus subsistemas 49

Figura 41. Interfaces en el sistema GSM 51

Figura 42. A Interface (E1) 52

Figura 43. A Interface (T1) 52

Figura 44. A-Ter Interface (E1) 53

Figura 45. A-Ter Interface (T1) 53

Figura 46. Base del sistema central 54

Figura 47. A-Bis para RBS (E1) 55

Figura 48. A-Bis para RBS (T1) 56

Figura 49. A-Bis con LAPD concentrado para RBS (E1) 56

Figura 50. A-Bis con LAPD concentrado para RBS (T1) 57

Figura 51. Concepto del canal TDMA 57


Figura 52. Ubicación del municipio de Villa de Reyes 59

Figura 53. Ubicación propuesta para la instalación de la BTS en Villa de Reyes 65

Figura 54. Ubicación para la instalación de la BTS en Villa de Reyes 65

Figura 55. Ubicación para la instalación de la BTS de Laguna de San Vicente 66

Figura 56. Camino de terracería para llegar a ubicación de BTS en Laguna de San Vicente 66

Figura 57. Línea de vista de Villa de Reyes hacia Laguna de San Vicente 67

Figura 58. Línea de vista de Laguna de San Vicente hacia Villa de reyes 67

Figura 59. Ubicación de la BTS en Laguna de San Vicente 68

Figura 60. Imagen digital de enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente 72

Figura 61. Imagen de la carta topográfica del enlace Villa de Reyes – Laguna de San. Vicente 73

Figura 62. Fotografía de la llegada a Villa de Reyes 74

Figura 63. Perfil inicial de enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente 75

Figura 64. Perfil con propuesta de torre enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente 76


Figura 65. Torre auto soportada angular de cuatro patas 79

Figura 66. Torre auto soportada angular de tres patas 80 Figura 67. Torre riendada o arriostrada 81 Figura 68. Torre monoposte o monopolo 82 Figura 69. Sistema de enlace BTS Villa de Reyes - BTS Laguna de San Vicente 88 Figura 70. Diagrama de sistema final 92

1

Capítulo I

Conceptos básicos de comunicaciones

2

En este capítulo, se describen brevemente las características principales de las ondas electromagnéticas, tomando en cuenta los conceptos de campo eléctrico y campo magnético, partiendo de las ecuaciones de Maxwell hasta llegar al vector de Poynting.

Así mismo se realizará la descripción de los conceptos de modulación y técnica de acceso al medio para obtener la información contenida en la onda electromagnética.

También se dará a conocer que la mayoría de las ecuaciones que mencionaremos en relación al campo eléctrico pueden servir para obtener las correspondientes ecuaciones a campos magnéticos.

1.1 Teoría electromagnética

El electromagnetismo puede ser visto como el estudio de las interacciones entre cargas eléctricas en reposo y en movimiento.

El electromagnetismo es la rama de la física o ingeniería que estudia los fenómenos eléctricos magnéticos.

Se aplica en disciplinas afines como microondas, antenas, maquinaria eléctrica, comunicaciones satelitales y bio-electromagnetismo.

Entre los dispositivos electromagnéticos se encuentran transformadores, relevadores eléctricos radio y televisiones, teléfonos, motores eléctricos, líneas de transmisión y rayos laser. Para poder diseñar estos dispositivos implica un conocimiento detallado de las leyes y los principios electromagnéticos.

Los fenómenos se resumen con las leyes de Maxwell:

Tabla 1. Ecuaciones de maxwell

Ecuación Concepto que enuncia

∙ Campo eléctrico

∙ 0 Campo magnético

Campo electromagnético

3

Campo electromagnético

Para poder comprender estas leyes es necesario tener el conocimiento matemático de análisis vectorial para expresar y comprender los conceptos electromagnéticos.

Maxwell basó estas ecuaciones en experimentos teóricos. Si observamos, son cantidades vectoriales, donde un vector es una cantidad que posee tanto magnitud como dirección. Algunos ejemplos de estos vectores, son la velocidad, fuerza, desplazamiento e intensidad de campo eléctrico.

Un escalar es una cantidad que solo posee magnitud, cantidad como tiempo, masa, distancia, temperatura, potencial o más simple, el conteo de una población. Para distinguir entre vectores y escalares, el primero se representa con

una letra y una flecha en la parte superior , y los escalares se representa con una letra A, B.

Si la cantidad es escalar o vectorial, se dice que el campo correspondiente es un campo escalar o un campo vectorial. Un campo es una función que especifica una cantidad particular en cualquier parte de una región.

Como observamos estamos hablando de dos campos distintos, eléctricos y magnéticos, que al juntarlos tenemos una rama de la física llamada electromagnetismo.

Empecemos hablar por los conceptos fundamentales aplicables a campos eléctricos estáticos (o invariables en el tiempo) en el vacío. Un campo electrostático es producido por una distribución de cargas estáticas.

Ejemplos de esto es la transmisión de energía eléctrica, los aparatos de energía eléctrica, los aparatos de rayos x, los pararrayos en dispositivos que se emplean en la electrónica como las resistencias, los capacitores y dispositivos activos como transistores bipolares.

En el estudio de campos eléctricos nos encontramos con las dos leyes fundamentales que rigen a los campos eléctricos: Ley de Coulomb y la Ley de Gauss.

Estas dos leyes se basan en estudios experimentales y son interdependientes. Aunque la ley de coulomb es aplicable en la determinación de campos eléctricos debidos a cualquier configuración de carga.

4

Oersted fijó en 1820 el vínculo definitivo entre dos campos eléctricos y magnéticos. Como ya sabemos, un campo eléctrico es producido por cargas estáticas.

El movimiento de cargas a una velocidad constante produce a su vez un campo magnético. Así un campo magnético es producto de un flujo constante de corriente. Tal flujo de corriente puede deberse a corrientes de magnetización, como el caso de los imanes permanentes.

El estudio de campos magnéticos es una necesidad para nosotros, los motores, transformadores, micrófonos, brújulas, timbres telefónicos, suspensión magnética son importantes en nuestras vidas.

1.1.1 Ecuaciones de Maxwell Ley de Gauss para campo eléctrico. La magnitud de la densidad de líneas de flujo eléctrico que atraviesan una superficie cerrada es igual a la carga que las produce cuando la divergencia de volumen tiende a cero, como se ve en la ecuación 1 y podemos representar en la ecuación 1.

∙ ……. Ecuación1

Figura 1. Ley de Gauss para campo magnético.

Ley de Gauss para campo magnético

5

En la ley de Gauss para campo magnético decimos que la divergencia del campo

magnético ( ) es nula, debido a que las líneas de fuerza se cierran sobre sí mismas y por lo tanto son rotacionales, observemos la figura 2.

∙ 0 ……….. Ecuación 2

Figura 2. Campo magnético existente en un imán.

Ley de Ampere – Maxwell

En esta ley Maxwell dijo y sustentó que el rotacional de la intensidad del campo magnético, cuando la corriente de inducción es cero o tiende a cero, es igual a la corriente de desplazamiento generada en un tiempo .Observemos la ecuación 3.

…….. Ecuación 3

Figura 3. Ley de Ampere. La cantidad de líneas que fluyen en un conductor es la densidad eléctrica.

6

Ley de Inducción de Faraday

El movimiento de un imán a través de una espira cerrada produce un campo eléctrico, a su vez el rotacional de la intensidad de campo eléctrico genera un campo magnético de menor intensidad y de sentido contrario. Es importante resaltar el hecho de que este fenómeno se da en un conductor cerrado como podemos ver en la figura 4 y expresado en la ecuación 4.

…………Ecuación 4

Figura 4. Circuito donde se muestra un campo generador de fuerza electromotriz E y un campo

1.1.2 Ecuaciones de onda

Una onda electromagnética, fenómeno que ocurre cuando interactúan cargas eléctricas dinámicas, que tienen asociada una corriente de desplazamiento y otra de conducción, que al estar en movimiento en el espacio libre generan un campo magnético en torno a ellas, por lo que podemos decir que siempre que exista un campo eléctrico, asociado tendrá un campo magnético.

.

7

Figura 5. Representación de una onda electromagnética.

Así mismo la figura 5 se muestra que el campo eléctrico ( ) y el magnético ( ), se desplazan independientemente y de forma ortogonal en el espacio libre, por eso se puede decir que son de componentes independientes que nunca podrán combinarse.

Dado que una vez que se generan las ondas electromagnéticas, estas viajan por diferentes medios que provocan su atenuación por fenómenos físicos conocidos como difracción, reflexión y refracción, debido a los distintos tipos de materiales que puede haber en su trayectoria, los ángulos de incidencia en las fronteras de los medios involucrados, la onda electromagnética, va propagando la señal en diferentes direcciones, hasta que llega al punto de interés con una intensidad mucho menor con la que fue emitida o producida.

La existencia de las ondas electromagnéticas fue comprobada por Heinrich Hertz, quien después de varios cálculos y experimentos logró generar y detectar ondas de radio las cuales fueron llamadas en su honor ondas hertzianas. Hertz basó su estudio en las predicciones realizadas por Maxwell quien plasmó con sus ecuaciones el comportamiento de la propagación de ondas electromagnéticas.

Ejemplos típicos de ondas electromagnéticas son las ondas de radio, las señales de televisión, los haces de radar y los rayos luminosos. Todas las formas de energía electromagnética comparten tres características fundamentales: se desplazan a gran velocidad, adoptan al hacerlo propiedades de ondas e irradian hacia fuera desde una fuente sin la ayuda de algún medio físico.

La onda plana uniforme representa el caso más simple y tiene una gran importancia práctica, revisaremos brevemente los principios fundamentales de la propagación de las ondas electromagnéticas.

Previamente vimos que la presencia de voltajes y corrientes implica la presencia de campos eléctricos y magnéticos. De tal forma que se puede identificar una línea de transmisión como una estructura que confina los campos a la vez que les permite viajar a lo largo de su longitud como ondas electromagnéticas. Se puede deducir que estos campos son los que generan el voltaje y la corriente de onda en la línea de transmisión y si no existiera estructura alguna en la que el voltaje y corriente pudieran existir, los campos existirían y se propagarían. En el espacio libre los campos no son encerrados por ninguna estructura de confinamiento (medio físico), por lo que pueden tener cualquier magnitud y dirección.

Lo que buscamos es inferir el movimiento de la onda a partir de las cuatro ecuaciones anteriores sin resolverlas realmente. Se establece que si está cambiando con el tiempo en algún punto, entonces tiene rotacional en ese

8

punto; por lo tanto, varía espacialmente en una dirección normal a su dirección de orientación.

Además, si cambia con el tiempo, entonces, en general, también lo hará, aunque no necesariamente de la misma manera. Por otra parte también tenemos que un campo cambiante produce un campo eléctrico , el cual, al tener un rotacional, varía espacialmente en la dirección normal a su orientación.

Una vez más se tiene un campo eléctrico cambiante. Con lo anterior deducimos el movimiento de la onda como se mencionó previamente.

Se presupone la existencia de una onda plana uniforme en la que ambos campos, y , se encuentran en el plano transversal, es decir, el plano cuya perpendicular

es la dirección de propagación. Además, por definición, ambos campos tienen una magnitud constante en el plano transversal. Por esta razón, dicha onda a menudo se denomina onda electromagnética transversal (TEM, por sus siglas en inglés). La variación espacial que requieren ambos campos en la dirección normal a su orientación ocurrirá, por lo tanto, solo en la dirección de propagación de la onda, o perpendicular al plano transversal. Por ejemplo, supóngase que el campo eléctrico está polarizado en la dirección de x. Si además se supone que la propagación de la onda es en la dirección de z, la variación espacial de solo puede ser con z. La dirección de rotacional de determina la dirección de , la cual es a lo largo de la dirección y, por lo tanto en una onda plana uniforme, las direcciones de y y la de propagación son mutuamente perpendiculares.

De lo anteriormente expuesto se determinan las ecuaciones de onda de campo eléctrico y campo magnético.

Ecuación de onda para el campo eléctrico expresión ecuación 5:

………. Ecuación 5

Ecuación de onda para el campo magnético ecuación 6:

………Ecuación 6

Ecuaciones de ondas planas en el espacio libre, donde los campos tanto eléctrico como magnético se conservan iguales en cualquier punto a la dirección de propagación de onda, los campos eléctricos magnéticos son a su vez y por

separado, una onda plana uniforme, puesto que o mantienen igual magnitud a todo lo largo de un plano transversal, definido por z. Lo cual se expresa en las ecuaciones 7 y 8.

9

cos ……….. Ecuación 7

cos ……...... Ecuación 8

Ecuación de onda para medios conductores, donde la densidad de corriente disminuye en magnitud conforme la onda se propaga dentro del conductor, a medida que la intensidad de la onda de campo eléctrico y/o magnético se desplaza en un medio conductor, su amplitud es atenuada por el factor ∝ de la cual se obtiene las ecuaciones 9 y 10 para el campo eléctrico y campo magnético

∝ cos ……… Ecuación 9

∝ cos …….. Ecuación 10

1.1.3 Vector de Poynting

Como ya se mencionó, por medio de ondas electromagnéticas es posible transportar energía de un punto a otro.

Las unidades de medida del campo eléctrico lo tenemos por V/m , mientras el campo magnetico lo tenemos en A/m, si estas unidades se multiplican,obtenemos potencia [ w/ . Es decir, potencia es la multiplicación del campo magnético y campo eléctrico.

Por lo tanto al multiplicar las magnitudes de los campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética obtenemos la densidad de potencia promedio instantánea, y se expresa en las siguientes ecuaciones tanto para un medio donde hay atenuación como para el espacio libre.

La ecuación del vector de Poynting para el espacio libre está dada por la ecuación 11:

/ …….. Ecuación 11

La ecuación del vector de Poynting para un medio donde hay atenuación está dada por la ecuación 12 esta es la densidad de potencia instantánea.

∝ cos / ……Ecuación 12

10

Donde nos indica que está en desfase por que esta en un medio que atenúa la señal y esta atenuación se puede dar por difracción, refracción o por la reflexión ( 2 ).

Entonces decimos que el vector de Pointing es la densidad de potencia instantanea y es la multiplicacion de la densidad de campo electrico por la densidad de campo magnético.

1.2 Modulación

Como se ha visto en los puntos anteriores por medio de las ondas electromagnéticas, se puede enviar información entre puntos lejanos, pero frecuentemente las señales generadas con la información, no son aptas para ser transmitidas en su forma original, por lo que es necesario aplicar técnicas que nos permitan poner la señal a transmitir, dentro de canales que pueden ser transmitidos en el aire sin afectar la información. Para dar solución a esta problemática, es necesario realizar cambios en los parámetros de la señal portadora de alta frecuencia en función de la señal banda base, a este proceso se le conoce como modulación.

La modulación se puede definir como el proceso de transformar la información de su forma original a una más adecuada para la transmisión, la modulación se realiza en el transmisor en un circuito llamado modulador con el cual una propiedad o parámetro de cualquier señal (llamada portadora y que es la señal de frecuencia más alta) se hace variar en forma proporcional a una segunda señal (llamada moduladora o modulante y que generalmente es de baja frecuencia), existen tres formas de realizar la modulación de una señal:

Amplitud Frecuencia Fase

Existen básicamente dos tipos de modulación, la modulación analógica, que se realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo, la voz humana, audio y video en su forma eléctrica y la modulación digital, que se lleva a cabo a partir de señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo por una computadora.

1.2.1 Modulación en amplitud (AM)

11

La modulación de amplitud (AM), es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta, de acuerdo con la amplitud de señal modulante (información a transmitir).

Las frecuencias que son capaces de transmitirse por una antena y propagarse por el espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o RF, este tipo de modulación es relativamente barata, de baja calidad de modulación y se utiliza principalmente en la radiodifusión de señales de audio y video. La figura 6 muestra las etapas básicas de este tipo de modulación.

Figura 6. Modulación en AM en sus distintas etapas.

1.2.2 Modulación en frecuencia (FM)

La modulación en frecuencia (FM) y la modulación en fase (PM), son ambas formas de la modulación angular, existen varias ventajas de utilizar la modulación angular, en lugar de la modulación de amplitud, tal y como la reducción del ruido, la fidelidad mejorada del sistema y el uso más eficiente de la potencia, sin embargo también existen desventajas importantes, las cuales incluyen requerir un mayor ancho de banda y circuitos complejos tanto en el transmisor como en el receptor. Actualmente la modulación angular es utilizada para la radiodifusión comercial, radio móvil de dos sentidos, radio celular y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélite.

12

La modulación angular resulta cuando el ángulo de fase (θ) de una onda sinusoidal varía con respecto al tiempo. La onda con modulación angular se ilustra ecuación 13.

m(t)= Vc cos[ωct + θ(t)] …..Ecuación 13

En donde:

m(t)= Onda con modulación angular

Vc = Amplitud pico de la portadora (volts)

ωc = frecuencia en radianes de la portadora (es decir velocidad angular 2πƒ)

Θ(t) = desviación instantánea de fase (radianes)

Con la modulación angular, es necesario que θ(t) sea una función prescrita de la señal modulante. Por lo tanto, si Vm(t) es la señal modulante, la modulación angular sería matemáticamente:

θ(t)= Fm [Vm(t)] ……..Ecuación 14

En donde:

Vm(t)= Vm sen(ωmt)

ωm = velocidad angular de la señal modulante (radianes/segundo)

Fm= frecuencia de señal modulante (Hertz)

Vm= amplitud pico de la señal modulante (volts)

En esencia, la diferencia entre modulación en frecuencia y fase está en cual propiedad de la portadora (la frecuencia ò la fase) esta variando directamente por la señal modulante y cual propiedad esta variando indirectamente, siempre que la frecuencia de la portadora esta variando, la fase también se encuentra variando y viceversa, por la tanto FM y PM, ocurren cuando se realiza cualquiera de las dos formas de la modulación angular.

13

Si la frecuencia de la portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante, el resultado es una señal FM. Si la fase de la portadora varía directamente de acuerdo a la señal modulante, el resultado es una señal PM. La modulación en frecuencia y fase pueden definirse de la siguiente manera:

Modulación en frecuencia directa (FM), variando la frecuencia de la portadora de amplitud constante directamente proporcional, a la amplitud de la señal modulante con una relación igual a la frecuencia de la señal modulante.

La figura. 9 se muestra gráficamente, la modulación analógica en FM.

Figura 7. Modulación FM

1.2.3 Modulación en fase (PM)

Variando la fase de una portadora, con amplitud constante directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante, con una relación igual a la frecuencia de la señal modulante, la forma de las señales de modulación de frecuencia y modulación de fase son muy parecidas. De hecho, es imposible diferenciarlas sin tener un conocimiento previo de la función de modulación. En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase.

La modulación de fase (PM) no es muy utilizada principalmente por que se requiere de equipos de recepción más complejos que en FM y puede presentar

Señal información

Señal portadora

Modulación FM

14

problemas de ambigüedad para determinar por ejemplo si una señal tiene una fase de 0º o 180º.

Consideremos tener una señal portadora dada por la siguiente expresión:

vp(t) = Vp cos(2π fp t) ……Ecuación 15

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora, y que la expresión matemática de la señal moduladora está dada por:

vm(t) = Vm sen(2π fm t ) …….Ecuación 16

Siendo Vm el valor pico de la señal portadora y fm su frecuencia.

Si consideramos que la fase de la señal portadora varia proporcionalmente a la amplitud de la señal moduladora, o sea que

Φ(t) = ∆Φvm(t) = ∆Φ Vm sen(2π fm t) …Ecuación 17

Donde ∆Φ es la constante de desviación de fase.

Como el valor máximo que puede tomar vm(t) es Vm, resulta que la máxima variación de ∆Φ será

…….Ecuación 18

Donde, por lo tanto la señal modulada resulta

v(t) = Vp cos[ 2π fp t +Φ(t) ] …..Ecuación 19

Donde Φ(t) será la variación de la fase debida a la modulación, remplazando tenemos

v(t) = Vp cos[ 2π fp t +∆Φ Vm sen(2π fm t) ] ….Ecuación 20

Si, Β = ∆Φ Vm, el índice de modulación resulta

v(t) = Vp cos[ 2π fp t + Β sen(2π fm t) ] ……Ecuación 21

Esta última expresión tiene la misma forma matemática que la expresión modulada en frecuencia, con la salvedad que Β es independiente de la frecuencia.

15

Por lo tanto los espectros de frecuencias de la modulación de fase tienen las mismas características generales que los espectros de modulación de frecuencia.

Si fm cambia, en tanto se mantenga fija la amplitud Vm, Β se mantiene constante y solo se altera el espaciamiento entre las líneas del espectro de frecuencias. Esto difiere de la modulación de frecuencia donde varía el espaciamiento y la amplitud de las líneas del espectro de frecuencias.

En PM las consideraciones acerca del ancho de banda son similares a las del

ancho de banda en FM. En la figura 8 se ilustra la modulación en fase.

Figura 8. Modulación PM

1.2.4 Modulación por pulsos codificados PCM

La modulación por impulsos codificados, es un procedimiento que permite convertir una señal analógica a una señal digital, y viceversa. PCM se basa en tres grandes principios: muestreo, cuantificación y codificación.

Muestreo es el proceso mediante el cual se transforma una señal analógica en una serie de impulsos de distinta amplitud, llamadas muestras, la rapidez, o frecuencia, con que se toman las muestras, se llama frecuencia de muestreo (fm).

Señal información

Señal portadora

Modulación PM

16

En la figura 11 se describe el proceso de muestreo en PCM.

Figura 9. Proceso PCM

Cuantificación, como no podemos transmitir las infinitas amplitudes continuas distintas que se pueden presentar, se dividen en un número limitado de intervalos de cuantificación, en el que a las muestras cuya amplitud cae dentro del mismo intervalo, se le asigna el mismo valor.

Codificación, las muestras se codifican según un código determinado. (Código binario simétrico), mediante este código se representa la amplitud de cada muestra cuantificada con un número binario, el primer bit indica el signo de la muestra.

"1" si la muestra es positiva.

"0" si la muestra es negativa.

El resto de los bits binarios nos dan el valor absoluto de la amplitud de la muestra.

Lógicamente, cuando la señal numérica llega al terminal distante, debe ser sometida a los procesos inversos a los efectuados en el lado emisor. Estos procesos son: decodificación, reconstrucción de las muestras y obtención de la señal analógica. En la figura 12 se observa el procedo de codificación

Señal reconstruida muestras

Señal original

17

Figura 10. Proceso de codificación

1.2.5 Modulación Digital

Como se mencionó en párrafos anteriores, la información fuente, no es apropiada para ser transmitida, en su forma original, y se debe preparar para poder transmitirse, por ejemplo con los sistemas de comunicación digital la información analógica se convierte a forma digital antes de la transmisión y en los sistemas de comunicación analógica, los datos digitales se convierte en señales análogas antes de la transmisión.

La transmisión digital, se realiza por la transmisión por pulsos digitales entre dos ó más puntos de un sistema de comunicación.

En la Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK), la amplitud de una señal portadora de alta frecuencia se conmuta entre dos o más valores en respuesta a un código binario, si uno de los valores es cero se le llama OOK (On-Off Keying), cuando se detecta la presencia de un ‘1’ lógico, la portadora tiene un valor de amplitud máximo.

Cuando el valor detectado es un ‘0’ lógico la amplitud de la portadora es cero. Como lo representa la figura 11:

18

Figura 11. Modulación ASK

Transmisión por desplazamiento de frecuencia (FSK)

Es una forma, de modulación digital, de bajo rendimiento, el FSK binario, es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua, la expresión general de una señal FSK es:

V(t)= Vc cos [(ωc + Vm(t) ∆ω/2)t]…….Ecuación 22

De donde:

V(t)= Forma de onda FSK binaria

Vc = amplitud pico de la portadora no modulada

ωc = frecuencia de la portadora en radianes

Vm(t)= señal modulante digital binaria

∆ω = cambio de frecuencia de salida en radianes

De esta ecuación puede verse que con FSK, la amplitud de la portadora se mantiene constante con la modulación, en la figura 12 se muestra un ejemplo de este tipo de modulación.

0 1 0 0 1 1 0

Av

Bv

‐Av

‐Bv

19

Figura 12. Modulación FSK

Modulación PSK

La modulación por desplazamiento de fase PSK (Phase Shift Keying), es una forma de modulación angular, que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un numero de valores discretos, la diferencia con la modulación en fase convencional, es que mientras en ésta, la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en PSK la señal moduladora es una señal digital por lo tanto tiene un numero de estados limitado.

Dependiendo del número de posibles fases a tomar, recibe diferentes nombres, dado que lo más común es codificar un número entero de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar es una potencia de dos, así tendremos:

Tabla 2. Modulaciones de QPSK, dependiendo número de fases

MODULACIÓN FASES EQUIVALENCIA

BSK 2 PAM

Datos

Portadora

FSK

1 1 0 1 0 1 1 0 0

20

A mayor número de fases, es mayor la cantidad de información que se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda, pero también es más sensible al ruido e interferencia, en la figura 15 se muestra un ejemplo de esta modulación.

Figura 15. Modulación PSK

1.3 Multiplexado

Una vez que se han descrito los fundamentos de las ondas electromagnéticas y posteriormente hemos advertido que para poder transmitir una señal deseada es necesario utilizar algún método de modulación, pasaremos ahora a describir los modos de acceso al medio, descritos como multiplexado. El multiplexado es la transmisión de información de más de una fuente a más de un destino a través del mismo medio de transmisión. Aunque las transmisiones se den en el mismo medio, no necesariamente suceden al mismo tiempo y de esta manera se logra un uso más eficiente.

Los tres métodos más predominantes para multiplexar señales son el de multiplexado por división de tiempo (TDM, de time-division multiplexing), por división de frecuencia (FDM, de frequency-division multiplexing) y por división de código (CDMA, de code division multiplexing)

1.3.1 Multiplexado por división de tiempo

En el multiplexado por división de tiempo, las diferentes transmisiones se realizan por el mismo medio pero no al mismo tiempo. Las distintas transmisiones se intercalan en el dominio del tiempo.

QPSK 4 QAM

8-PSK 8

21

La clase más común de modulación que se usa en TDM es la PCM (modulación por código de pulso). En un sistema PCM-TDM, se muestrean dos o más canales de banda de voz, se convierten a códigos PCM y a continuación se multiplexan por división de tiempo a través de un solo medio de transmisión.

Figura 14. Sistema de transmisión PCM de un solo canal (DS nivel 0)

La base fundamental de cualquier sistema TDM comienza con un canal DS-0 (señal digital-nivel 0). La figura 14 muestra el diagrama simplificado de bloques de un sistema PCM de un solo canal DS-0.

Como ahí se observa, usan una frecuencia de muestreo de 8 kHz y un código PCM de ocho bits, que produce una señal PCM de 64 kbps en su salida.

8000 864

22

Figura 15. Sistema PCM-TDM de dos canales

En la figura 15 se puede observar el diagrama simplificado de bloques para un sistema multiplexado de portadora PCM-TDM formado por dos canales DS-0.

Se muestrea en forma alternada cada canal de entrada, con una frecuencia de 8 kHz, y se convierte a código PCM para el canal 1, se muestrea el canal 2 y se convierte a código PCM. Mientras se transmite el código PCM del canal 2, se toma la siguiente muestra del canal 1 y se convierte a código PCM.

Este proceso continúa y se toman muestras en forma alternada de cada canal, se convierten a código PCM y se transmiten.

El multiplexor no es más que un interruptor digital controlado electrónicamente con dos entradas y una salida. Se seleccionan de forma alternada el canal 1 y el canal 2, y se conectan con la salida del multiplexor.

El tiempo que tarda en transmitir una muestra de cada canal se llama tiempo de trama.

Este tiempo es igual a la reciproca de la frecuencia de muestreo (1/fs, o 1/8000 = 1.25 µs) la figura 16 muestra la asignación de tramas TDM para un sistema PCM de dos canales, con una frecuencia de muestreo de 8 kHz.

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Figura 16. Asignación de tramas TDM para un sistema TDM

El código PCM para cada canal ocupa una ranura fija de tiempo dentro de la trama TDM total. Con un sistema de dos canales, se toma una muestra de cada canal durante cada trama, y el tiempo asignado para transmitir los bits PCM de cada canal es igual a la mitad del tiempo total de trama. Así se deben transmitir ocho bits de cada canal durante cada trama (un total de 16 bits por trama). Por lo tanto la velocidad de la línea a la salida del multiplexor es:

2 8000 8128 …

Aunque cada canal produce y transmite solo 64 kbps, los bits deben salir sincronizados a la línea a una frecuencia de 128 kHz para permitir la transmisión de ocho bits por canal en cada ranura de tiempo de 125 µs.

1.3.2 Multiplexado por división de frecuencia

En el multiplexado por división de frecuencia FDM (frequency-division multiplexing), se convierte cada fuente de varias que originalmente ocupaban el mismo espectro de frecuencias, a una banda distinta de frecuencias, y se transmite de forma simultánea por un solo medio de transmisión. Así se pueden transmitir muchos canales de banda relativamente angosta por un solo sistema de transmisión de banda ancha.

Las señales de información con el mismo ancho de banda procedentes de varias fuentes modulan distintas frecuencias, y cada frecuencia tiene su propio circuito modulador, y cada señal de información tiene su propia tasa de modulación. Las señales FDM se propagan al mismo tiempo, por el mismo medio y siguen el mismo camino de transmisión, la figura 17 describe el multiplexado por división de frecuencia.

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Figura 17. Multiplexado por división de frecuencia

El multiplexado por división de frecuencia (FDM) es un esquema analógico de multiplexado; la información que entra a un sistema FDM es analógica y permanece analógica durante su transmisión.

Un ejemplo de FDM es la banda comercial de AM, que ocupa un espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Cada estación tiene una señal de transmisión con un ancho de banda de 0 a 5 kHz.

Si se transmitiera el audio de cada estación con el espectro original, sería imposible separar una estación de las demás. En lugar de lo anterior, cada estación modula por amplitud una frecuencia distinta de portadora y produce una señal de doble banda lateral de 10 kHz. Como las frecuencias de las portadoras de estaciones adyacentes están separadas por 10 kHz, la banda total de AM se divide en 107 ranuras de frecuencia de 10 kHz, apiladas una sobre la otra en el dominio de la frecuencia, para recibir determinada señal o estación, solo se sintoniza el receptor con la banda de frecuencias asociada con las transmisiones de esa estación.

La figura 18 se muestra cómo están multiplexadas las estaciones de radio comerciales de AM, por división de frecuencias, y se transmiten por un solo medio de transmisión, el espacio libre.

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Figura 18. Multiplexado por división de frecuencia en estaciones comerciales de AM

Hay muchas aplicaciones de la FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de televisión, así como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro de cualquiera de las bandas de transmisión comercial, las transmisiones de cada estación son independientes de las demás. En consecuencia, el proceso de multiplexado se hace sin que haya sincronización entre las estaciones.

1.3.3 Multiplexado por división de código (CDMA)

En el multiplexado por división de código nos basaremos en un sistema de telefónica celular donde cada usuario móvil dentro de determinada célula, y los de células adyacentes, utilizan los mismos canales de radiofrecuencia. Básicamente, en todas las células está disponible la reutilización de frecuencia. En vez de dividir el espectro asignado de frecuencias en canales de banda angosta, uno para cada usuario, la información de transmite sobre un espectro muy amplio de frecuencias, y con hasta 20 suscriptores usando en forma simultánea la misma frecuencia de portadora y banda de frecuencias.

El sistema CDMA elimina por completo la necesidad de planeación de frecuencias dentro de determinado mercado celular.

Los canales de tráfico CDMA consisten en un canal de sentido inverso o enlace descendente (estación base a unidad móvil) y uno de enlace ascendente o de sentido directo (unidad móvil a estación base) se describe un canal de tráfico de enlace descendente en la Fig. 19 donde se puede observar que dicho canal consiste en hasta 62 canales, que incluyen uno de radiodifusión, usado para control, y canales de tráfico usados para llevar información del suscriptor. El canal de radiodifusión consiste en un canal piloto, un canal de sincronización, hasta siete canales de voceo y hasta 63 canales de tráfico. Todos estos canales

26

comparten la misma asignación de frecuencia CDMA de 1.5 MHz. El canal de tráfico se identifica con una secuencia distinta de código largo.

Figura 19. Enlace en sentido descendente en CDMA

El canal piloto está incluido en cada célula, con el fin de proporcionar una señal para que use el receptor en la adquisición de sincronización. También lo usan las unidades móviles para comparar las intensidades de señal entre estaciones base y determinar cuándo se debe iniciar una transferencia. El canal de sincronización difunde mensajes de sincronización a las unidades móviles. Los canales de voceo conducen información de la estación base a la unidad móvil, como por ejemplo mensajes de parámetro de sistema o de acceso, mensajes de lista de canales CDMA y mensajes de asignación de canal. Los canales de voceo son opcionales y su cantidad puede ir de 0 a 7. Se usan para transmitir información de control de la radio base a las unidades móviles.

Los datos del tráfico en el canal de enlace descendente, o de sentido inverso se agrupan en tramas de 20 ms. Primero se codifican, y a continuación de formatean e intercalan para compensar las diferencias de las velocidades reales de usuario, que son variables.

Figura 20. Enlace en sentido ascendente en CDMA

El la figura 20 se observa el canal de transmisión de enlace en sentido directo, el cual está formado por canales de acceso y hasta 62 canales de tráfico en sentido directo. Los canales de acceso y tráfico de canal de enlace ascendente usan la misma asignación de frecuencias, con técnicas CDMA de secuencia directa, Los canales de acceso son solamente canales de sentido directo, compartidos y de

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punto a punto, que proporcionan comunicaciones de unidades móviles a radio base, cuando la unidad móvil no usa un canal de tráfico.

La unidad móvil usa los canales de tráfico para iniciar comunicación con una radio base, y para responder a mensajes del canal de voceo. Entre los mensajes normales del canal de acceso están los de reconocimiento y numero de secuencia, parámetros de identificación del usuario móvil y parámetros de comprobación. El canal es de acceso aleatorio, y cada canal del suscriptor está identificado en una forma única por su código pseudoaleatorio.

El canal CDMA de sentido directo puede contener un máximo de 32 canales de acceso por cada canal soportado de voceo, así mismo cuenta con un máximo de 32 canales de tráfico para la transmisión de voz y datos generados por el usuario.

Capítulo II

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Antecedentes de Microondas

En el capítulo anterior se describieron los fundamentos teóricos de electromagnetismo, así como de las técnicas utilizadas para poder llevar a cabo la transmisión de señales de información, tal como la modulación y técnicas de acceso al medio como la multiplicación. Con las bases antes descritas podemos pasar ahora a describir de manera más práctica los sistemas de microondas, su comportamiento en el medio ambiente, así como el estándar GSM.

2.1 Antecedentes de microondas

Las microondas, son ondas electromagnéticas, las cuales se caracterizan por tener una longitud de onda muy pequeña en el rango de 1mm a 1m con un período de 3ηs a 3ps, por lo que forman parte del espectro de altas frecuencias comprendidas entre los 300 MHz y 300 GHz

Estas ondas electromagnéticas son generadas por tubos electrónicos como el klystron y magnetrón, las ondas electromagnéticas, se hacen pasar por

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resonadores, osciladores dispositivos de estado sólido que controlan la frecuencia que se emite, las bandas de microondas se extienden desde la frecuencia ultra-alta (UHF), pasando por la frecuencia súper alta (SHF), hasta la frecuencia extremadamente alta (EHF), las señales a frecuencias desde 1gigahertz (GHz) hasta al menos 100 GHz, abarcan estas bandas, por debajo de 1gigahertz, el espectro se asigna a servicios de televisión UHF radios móviles avanzadas y otras aplicaciones.

Todas las frecuencias por arriba de 1 GHz, se denominan frecuencias para microondas, las cuales se utilizan para comunicaciones de banda ancha y por radar, la radiación en estas bandas de frecuencia más alta pueden dirigirse en haces de energía muy estrechos, estas características hacen que estos rangos de frecuencia resulten muy eficaces para ser usados como transmisores de energía y para minimizar las interferencias entre un sistema de comunicación y otro.

Para el rango de frecuencias de 3 a 30 GHz, las longitudes de onda es de 10 a 1 cm por encima de los 30 GHz la longitud de onda es milimétrica, lo cual supone una significativa ventaja para transmitir, ya que las antenas pueden ser muy pequeñas sin embargo estas longitudes también con llevan desventajas, las transmisiones a estas frecuencias son extremadamente susceptibles a fenómenos climáticos, en especial la lluvia, debido a que cada gota puede convertirse en una pequeña antena, absorbiendo la energía haciendo que se disipe en lugar de llegar a su destino.

Las microondas son ondas de radio electromagnéticas muy cortas, pero que tienen una longitud de onda más larga que la de los rayos infrarrojos, las microondas no resultan afectadas por las capas ionizadas por que están muy por encima de las señales de transmisión de alcance óptico.

La Radiación de las microondas puede producir calentamiento de determinados materiales, cuando se utiliza un equipo de microondas debe de tenerse cuidado para no exponerse a la radiación, el calentamiento de tejido orgánico que se produce puede ser destructivo.

Características de propagación.

Ya que las microondas viajan esencialmente en línea recta a través de la atmósfera, y aunque las microondas no se ven afectadas por la ionosfera, los cambios de temperatura si las afecta, porque a medida que el aire se eleva, la humedad que se elevan con el aire produce una atenuación de la señal, para ciertas frecuencias de microondas, debe considerarse la atenuación atmosférica. La lluvia, la niebla y otros efectos meteorológicos provocan cambios, atenuando la trayectoria de propagación a medida que la longitud de onda se aproxima al diámetro de las gotas de agua.

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En la atmósfera terrestre, la propagación de las ondas electromagnéticas, difiere del comportamiento en el vacío, debido a fenómenos físicos como refracción, difracción y reflexión.

2.1.1 Difracción

La difracción es la desviación de las ondas electromagnéticas hacia una nueva dirección, al encontrar un objeto (barrera ó abertura) en su camino.

Para que se presente la difracción el tamaño del objeto debe ser del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las ondas incidentes, cuando la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del objeto por lo general la difracción no se observa.

Este fenómeno ocurre si el haz es obstruido por un objeto provocando que aparezca una segunda señal en el receptor, estas 2 señales dependiendo de sus ángulos podrían cancelarse produciendo el desvanecimiento de la señal

Figura 21. Difracción

2.1.2 Refracción

La refracción electromagnética, es el cambio de dirección de un rayo al pasar de un medio a otro con distinta velocidad de propagación, la velocidad con que se propaga una onda electromagnética es inversamente proporcional a la densidad del medio en el que lo hace, por lo tanto va a existir refracción siempre que una onda de radio pase de un medio a otro de distinta densidad, como el medio 1 es menos denso que el medio 2, se puede ver que el rayo A entra al medio más denso antes que le rayo B, así que el rayo B se propaga con más rapidez que el rayo A y viaja la distancia B-B’ durante el mismo tiempo que el rayo A recorre la distancia A-A’, por consiguiente la onda A’B’, se inclina o se dobla hacia la normal.

En la figura 22 se observa el fenómeno de la refracción.

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Figura 22. Refracción entre 2 medios

2.1.3 Reflexión El fenómeno de reflexión ocurre cuando una onda incidente, choca con una barrera existente entre dos medios y parte de la potencia incidente no penetra el material del medio dos, las ondas que no penetran el segundo medio se reflejan con un ángulo igual al ángulo de incidencia, sin embargo el nivel de potencia de la onda reflejada es menor al de la onda incidente Las leyes de la reflexión y refacción, se cumplen en todas las regiones del espectro electromagnético, no solo en la de la luz, la prueba experimental de esta aplicabilidad general incluye la reflexión de las microondas o de las ondas de radio desde la ionosfera y la reflexión de los rayos X en los cristales, existe la reflexión difusa y especular, la diferencia entre ambas, depende de la rugosidad de la superficie, se forma un haz reflejado solo si las dimensiones típicas de las irregularidades de la superficie reflectora son sustancialmente menores que la longitud de onda del haz incidente, así la clasificación de la propiedades reflejantes de una superficie dependen de la longitud de onda de la radiación que choca con la superficie, en la figura 23 se muestra estos dos tipos de reflexión.

Normal

Medio 1 menos denso

Medio 2 más denso

B

B '

Onda refractada

A

A'

Rayo A

Rayos incidentes Onda

incidente

Rayo B

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Figura 23. Reflexión difusa y especular

Ahora de la figura 24, consideremos una onda plana que se propaga en el medio (1) en la dirección del haz ui. Cuando una onda alcanza la superficie plana AB que separa el medio (1) del medio (2), se transmite una onda al segundo medio y otra regresa al medio (1). Estas son las ondas refractadas y reflejadas, respectivamente. La onda reflejada se propaga en la dirección que indica el haz u’r, simétrico de ui con respecto a la superficie. Los ángulos θi, θr y θ’r, se llaman ángulos de incidencia, refracción y reflexión, respectivamente. Las direcciones de los tres haces ui, ur y u’r están relacionadas por las siguientes leyes experimentales: (1) Las direcciones de incidencia, refracción y reflexión están en un mismo plano, que es normal a la superficie de separación y por lo tanto contiene la normal N a la superficie. (2) El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Esto es,

θi= θ’r

(3) El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante. Esto se denomina Ley de Snell y se expresa por

La constante se llama índice de refracción del medio (2) respecto al medio (1). El valor numérico depende de la naturaleza de la onda y de las propiedades de los medios.

Reflexión especular Reflexión difusa

33

Figura 24. Rayo incidente, rayo reflejado y refractado

Cuando se transmite a frecuencias que son sensibles a las condiciones atmosféricas, el agua, el aire, absorben la energía electromagnética, haciendo el aire cada vez más opaco a la radiación en longitudes de onda milimétricas y más cortas, en condiciones de lluvia intensa, la pérdida de la energía es severa, al diseñar el enlace de microondas se debe considerar estas pérdidas al trabajar en estos rangos de frecuencia. Cuando se utilizan frecuencias en los rangos de la banda SHF por encima de los 10 GHz la distancia entre el transmisor y el receptor debe estar limitada a unos cuantos kilómetros, por debajo de esta, la distancia se incrementa a decenas de kilómetros, si la lejanía de un enlace de microondas rebasa estas distancias, debe considerarse la instalación de repetidores o re-transmisores por todo el recorrido como lo ilustra la figura 25:

1

2

θi θ'r

θr

U'r

Ur

Ui

Rayo incidente Rayo reflejado

Rayo refractado

N

34

}

Figura 25. Sistema de microondas con repetidor

Repetidor de microondas Un repetidor de microondas, es la combinación de receptor, amplificador, transmisor, utilizada para retransmitir las señales de las frecuencias de microondas, la señal del repetidor anterior es interceptada por una antena parabólica que se amplifica, se convierte a otra frecuencia y se retransmite hasta el siguiente repetidor ó destino final de la información, según sea el caso. La figura 26 muestra el diagrama a bloques de un repetidor de microondas:

Figura 26. Diagrama a bloques de un repetidor de microondas

A medida que aumenta la frecuencia, la distancia entre los repetidores debe reducirse, el tamaño de las antenas también se reducirá proporcionalmente, sin embargo los repetidores no solo se utilizan para longitudes de ondas milimétricas o centimétricas. Incluso las transmisiones de microondas a longitudes de onda más largas pueden necesitar repetidores si la distancia total entre el transmisor y receptor rebasa los 40 kilómetros. Los repetidores utilizados a estas longitudes de onda son mucho mayores que los empleados en sistemas con longitudes de onda milimétrica debido a que las antenas de mayor tamaño y la mayor demanda de potencia. Los repetidores de microondas se utilizan en enlaces de comunicaciones por vía terrestre a larga distancia. Con la ayuda de estos, los enlaces de microondas pueden sustituir a muchos sistemas de transmisión por cable. 2.2 Sistema de microondas digital Los sistemas de microondas en general son más baratos que los enlaces dedicados o los enlaces vía satélite, además de tener mucho más ventajas que el

Amplificador Convertidor Amplificador de potencia

Antena receptora

Antena transmisora

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cable. Las microondas no requieren derecho de vía el cual es costoso y requiere mucho trámite y tiempo para conseguirlo. Los enlaces de microondas son relativamente sencillos, rápidos de implementar y no impactan en la composición del terreno. Los enlaces de microondas proporcionan una mayor disponibilidad debido a que no hay riesgos de corte de cable, lo cual consume mucho tiempo en ser reparado. Los sistemas de microondas pueden ser recuperados con mayor rapidez en caso de desastres, incluso ante la caída de una torre, el enlace puede ser recuperado utilizando la estructura de una torre temporal. La principal limitación en los sistemas de microondas es que se requiere tener línea de vista entre las antenas, la disponibilidad del espectro de radiofrecuencias es limitado y caro, además de que es más susceptible de verse afectado por las condiciones climáticas. Las redes celulares con tecnología GSM requieren de una red de transmisión para transportar el tráfico desde las radio bases hacia las centrales. En un ambiente GSM cada radio base está dividida en un número de sectores, cada radio debe transportar el tráfico generado por los sectores de la radio base más el tráfico de señalización del propio enlace de microondas La figura 27 muestra un esquema general del sistema de transmisión-recepción por microondas.

36

(a)

(b)

Figura 27. Esquema general del sistema de (a) transmisión, (b) recepción de microondas

37

2.2.1 Transmisión Osciladores Los osciladores son parte integral en la transmisión y recepción utilizados en sistemas de comunicación por microondas. Cualquier oscilador consiste en un dispositivo activo y un circuito resonante que determina la frecuencia de oscilación. El dispositivo activo puede ser un diodo Gunn, un diodo IMPATT (impact avalanche transit time), un diodo RTD (resonant tunneling diode), etc. o un transistor con una retroalimentación apropiada para causar inestabilidad. En general, un oscilador puede operar a una frecuencia fija, o su frecuencia de operación puede ser ajustable. En el sentido más general, un oscilador es un circuito no lineal que convierte una señal de CD a una forma de onda de CA. La mayoría de los osciladores de RF generan una salida sinusoidal lo cual minimiza los armónicos no deseados y el ruido. En seguida haremos un breve listado de los circuitos osciladores comúnmente utilizados en frecuencias de microondas, de los cuales se utilizan principalmente de resistencia negativa, diodos o transistores. En la figura 28 se observa un circuito oscilador con un dispositivo de resistencia negativa.

Figura 28. Oscilador con dispositivo de resistencia negativa

En la figura 29 se tiene un circuito oscilador con un diodo como dispositivo activo

38

Figura 29. Oscilador con diodo como dispositivo activo.

En la figura 30 se muestra un oscilador con un transistor como dispositivo activo.

Figura 30. Oscilador con transistor como dispositivo activo.

Multiplicadores de frecuencia Conforme la frecuencia se incrementa hacia rangos de longitudes de onda milímetros, se vuelve cada vez más complicado construir osciladores a frecuencias fundamentales que proporcionen buenas características de potencia, estabilidad y ruido. Una propuesta alternativa es producir un armónico de un oscilador de una menor frecuencia de operación mediante el uso de un multiplicador de frecuencia.

39

Un elemento no lineal puede generar varios armónicos a partir de una señal sinusoidal de entrada, de tal manera que la multiplicación de frecuencias se da de manera natural en circuitos que contienen diodos y transistores. El diseño de un multiplicador de frecuencia de buena calidad es una tarea complicada que generalmente requiere análisis no lineal, ajustes a múltiples frecuencias, análisis de estabilidad y consideraciones térmicas. Los multiplicadores de frecuencia pueden ser categorizados como: multiplicadores de diodo reactivo, multiplicadores de diodo resistivo o multiplicadores de transistor. Una desventaja de los multiplicadores de frecuencia es que también los niveles de ruido son incrementados por el factor de multiplicación. Lo anterior se debe a que la multiplicación de frecuencia es un proceso de multiplicación de fase, de tal forma que las variaciones de fase del ruido son multiplicados de la misma manera que se hace con la frecuencia. La figura 31 describe el circuito conceptual de un multiplicador de frecuencia de diodo reactivo.

Figura 31. Circuito conceptual del multiplicador de frecuencia por diodo reactivo.

La figura 32 muestra el diagrama a bloques del multiplicador de frecuencias con diodo.

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Figura 32. Diagrama a bloques del multiplicador de frecuencias con diodo.

La figura 33 muestra el circuito conceptual de un multiplicador de frecuencias de diodo resistivo.

Figura 33. Circuito conceptual del multiplicador de frecuencias de diodo resistivo.

Los multiplicadores de frecuencia por transistor, comparados con los multiplicadores de diodo ofrecen mejor ancho de banda y la posibilidad de eficiencia mayor al 100%, también los multiplicadores FET requieren menor entrada de voltaje CD que los multiplicadores por diodo. En la figura 34 se muestra un multiplicador de frecuencia por transistor.

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Figura 34. Diagrama del circuito multiplicador con transistor FET.

Moduladores Hay dos tipos principales de modulación en sistemas de radio, llamadas, modulación directa o modulación indirecta. La modulación directa se da cuando no existe portadora de FI (frecuencia intermedia). La señal de banda base se aplica directamente al modulador, reduciendo costo y complejidad. La modulación indirecta requiere primero convertir la señal de banda base a una FI y posteriormente convertir esta a una frecuencia de RF. Existen tres tipos principales de modulación digital: amplitud, fase o frecuencia. Dado que hablamos de una señal digital, esta modulación asigna dos estados o valores a la señal, uno y cero. En la modulación por amplitud el valor cambia a uno cuando el valor entre cero es mayor a un valor predeterminado de amplitud. En la modulación por fase, la fase cambia 180 grados para detectar el nuevo valor. En la modulación por frecuencia el valor cambia cuando se detectan dos valores distintos de frecuencia. Los dos métodos de modulación más comunes utilizados en los sistemas de microondas, se basan en FSK y n-QAM, los cuales están basados en una combinación de los métodos previamente mencionados. En la figura 35 se observa el diagrama a bloques de un modulador.

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Figura 35. Diagrama a bloques del modulador Multiplexores Los multiplexores son utilizados para dividir un ancho de banda en múltiples canales con diferentes anchos de banda, los multiplexores también se les suele llamar canalizadores o combinadores. En la figura 36 se ilustra un diagrama de un multiplexor construido al conectar filtros direccionales en serie.

Figura 36. Multiplexor de filtros direccionales.

En la figura 37 se describe un multiplexor de colector acoplado de N número de canales, como se puede apreciar, el colector consiste de N conexiones tipo T conectadas en cascada y es terminado por un circuito en corto los filtros están espaciados en el colector por L(1), L(2), L(3)…L(N) y están colocados lejos de de la conexión T por W(1), W(2), W(3)…W(N).

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Figura 37. Multiplexor de colector acoplado

Mezcladores En los sistemas de microondas la señal de entrada FI es convertida a una de mayor frecuencia, señal de microondas, para poder ser enviada a través del medio de transmisión. La conversión de la señal a una frecuencia más alta se logra utilizando las propiedades de una impedancia no lineal propia del mezclador, la cual de manera simultánea interactúa con una señal generada desde el oscilador local, siendo esta, usualmente, una señal más fuerte. En el proceso de conversión realizado por el mezclador, la información de frecuencia, amplitud y fase de la señal original es conservada. El mezclador es un dispositivo de tres puertos que utiliza un elemento no lineal o de variación de tiempo para lograr la frecuencia de conversión. Un mezclador ideal produce una salida que consiste en la suma o la resta de sus dos señales de entrada. En la práctica, la operación de mezcladores en microondas usualmente se basa en la no linealidad de los diodos o transistores. Un componente no lineal puede generar una amplia variedad de armónicos, la señal debe ser filtrada para obtener la frecuencia deseada. Los sistemas de microonda modernos típicamente utilizan muchos mezcladores y filtros para lograr las conversiones de frecuencia alta y baja, entre las frecuencias de señal de banda base, señales de RF y microondas.

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El símbolo del mezclador como se muestra en la figura 38, y pretende describir que la salida es proporcional al producto de las dos señales de entrada.

(a)

(b)

Figura 38. Conversión de frecuencias usando un mezclador (a) conversión a frecuencia alta (b) conversión a frecuencia baja

Amplificador de alta potencia (HPA) Un amplificador de potencia es un componente del sistema de microondas del cual su principal función es la de incrementar el nivel de potencia para amplificar la señal transmitida con la finalidad de obtener un rango aceptable de SNR (relación señal a ruido). En general estos amplificadores tienen características no lineales y una gran eficiencia en potencia, estos amplificadores causan distorsión no lineal a las señales transmitidas debido a su naturaleza no lineal.

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2.2.2 Recepción Amplificador de bajo ruido (LNA) En el canal de recepción se encuentra el amplificador de bajo ruido, el cual permite amplificar la señal recibida. La cual posiblemente esté llegando con un nivel muy bajo de potencia, también tiene la función de eliminar frecuencias parásitas (ruido) de la señal recibida. El diseño y colocación del amplificador de bajo ruido, nos permite la eliminación de uno o más amplificadores en las etapas de transmisión y recepción. El amplificador de bajo ruido requiere de dispositivos con características de bajo ruido. Mezclador El mezclador en la fase de recepción tiene la función contraria a la del proceso de transmisión, aquí el objetivo del mezclador es tomar la señal de microondas que recibe desde la antena y convertirla a la señal de FI, para que a su vez esta sea procesada y pueda ser obtenida la señal banda base con la información deseada. En esta fase se recuperan las características de frecuencia, amplitud y fase de la señal banda base. Demultiplexor El demultiplexor es utilizado para una función opuesta al multiplexor, es decir se utiliza para tomar la información del canal de ancho de banda por donde viaja toda la información multiplexada y se obtiene cada uno de los canales individuales para su procesamiento y obtención de la señal de banda base. Demodulador Dos tipos principales de demoduladores son utilizados para detectar señales digitales: detectores de envolvente y demoduladores coherentes. Los detectores de envolvente utilizan diodos detectores simples para extraer la envolvente de la señal para sistemas basados en modulación por fase tal como PSK o QAM. Para el caso de la demodulación coherente o síncrona. La señal portadora modulada de entrada está mezclada con una réplica exacta de la señal de FI. Se utiliza un filtro pasa-bajas para recuperar la señal de banda base original. Adicionalmente a la recuperación de la señal de banda base, la señal de reloj es recuperada para el proceso de demodulación. Este tipo de demodulador es más caro debido a la complejidad para lograr la sincronía de fase.

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Con la finalidad de superar los efectos del desvanecimiento de la señal causado por las condiciones de la trayectoria, comúnmente los radios utilizan ecualizadores para reducir dichos efectos. 2.3 Antecedentes de la telefonía celular y GSM

Actualmente, se acepta la existencia de tres generaciones de comunicaciones móviles diferentes implementadas. Se conoce primera generación, 1G, a las redes móviles analógicas o semi-analógicas establecidas a mediados de la décadas de 1980, como en el caso del sistema de Telefonía Móvil Nórdica (NMT) y el sistema Americano de Telefonía Móvil (AMPS). Estas redes ofrecían servicios básicos a sus usuarios y se centraban en los servicios relacionados con la voz. Las redes de 1G fueron desarrolladas solo a escala nacional y con frecuencia los requisitos técnicos básicos se acordaban entre el operador de telecomunicaciones y el sector industrial del país y no se difundían las especificaciones. Por su naturaleza regional las redes 1G no eran compatibles entre sí, y además, las comunicaciones móviles se consideraban entonces algo extraordinario, un valor añadido a las redes fijas.

Con el aumento de la necesidad de las comunicaciones móviles, aumento también la de un sistema global de comunicaciones. Los organismos internacionales de especificaciones comenzaron a definir cómo debía ser el sistema de comunicaciones móviles de segunda generación, 2G. En este nuevo sistema las características esenciales debían ser la compatibilidad y la transferencia internacional; el sistema deja ser regional o semi-global y los usuarios del sistema debían tener acceso a él desde prácticamente cualquier punto de la región definida.

Se espera que la tercera generación, 3G, complete el proceso de globalización de las comunicaciones móviles. También existen intereses nacionales y regionales, y pueden preverse ciertas dificultades. De cualquier modo 3G se basa en las soluciones técnicas del sistema GSM por dos razones: por un lado, la tecnología GSM, domina el mercado y, por otro lado, debe sacarse el máximo rendimiento a las inmensas inversiones realizadas en este sistema. Siguiendo este planteamiento los organismos de estas especificaciones definieron como sería la evolución de las telecomunicaciones móviles en la siguiente década y a partir de ahí, se fijaron los requisitos de 3G y son las siguientes:

1.- Se debía especificar el sistema complemente y las principales interfaces debían ser estándar y abiertas. Las especificaciones definidas debían ser válidas en todo el mundo.

2.- El sistema debía ofrecer verdaderas ventajas sobre todos los aspectos de las redes GSM. No obstante, al comienzo, el sistema tendría que ser compatible con otros anteriores, al menos con GSM y el sistema de Red Digital de Servicios Integrados (RDSI, ISDN).

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3.-El sistema debía soportar elementos multimedia y todos sus componentes.

4.- El acceso a radio de 3G debía proporcionar una capacidad de banda ancha tan genérica que estuviera disponible en todo el mundo.

5.-Los servicios destinados a los usuarios finales debían ser independientes de los detalles de la tecnología de acceso de radio y la infraestructura de redes no debía limitar los servicios que se generarían. Es decir, la plataforma de tecnología y los servicios que utilizan dicha plataforma serian dos cosas completamente diferentes.

Fue diseñado para ser una plataforma independiente y sus especificaciones de requerimientos consisten en un grupo de 12 series que no especifican requerimientos de hardware sino detallan las funciones e interfaces necesarias

Proceso de transmisión GSM

• Frecuencia de muestreo 8000 muestras por segundo.

• 8192 niveles de cuantización.

• 13 bits por muestras

• Velocidad de transmisión 104 kbits/seg.

• Segmentación= intervalos de voz de 20 mseg.

Figura 39. Generaciones celulares

2.3.1 Arquitectura y definición de los componentes GSM.

La idea fundamental de las especificaciones del Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM) era definir varias interfaces abiertas que determinan los componentes del estándar GSM. Al ser una interfaz abierta, el operador que mantiene la red puede obtener los componentes de red de

1G SERVICIOS

BASICOS.

INCOMPATIBILIDAD

2G EL SISTEMA DEJA

SER REGIONAL

MOVILIDADAD AVANZADA

3G SOLUCIONES

TÉCNICAS DEL SISTEMA GSM.

SER COMPATIBLE .

ELEMENTOS MULTIMEDIA .

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diferentes proveedores de GSM. Además, cuando la interfaz es abierta se define minuciosamente como las funciones del sistema que trabajan en la interfaz y ella determina, a su vez, que funciones se dejan para que los elementos de red de ambos lados de la interfaz las implementen internamente.

Desde la perspectiva de las redes GSM, la inteligencia descentralizada puede implementarse dividiendo el conjunto de la red en cuatro subsistemas diferenciados.

El subsistema de red (NSS) El subsistema de estación base (BSS) El subsistema de gestión de la red (NMS) La estación móvil (MS)

Todo lo que necesita una red para el establecimiento de llamadas es el NSS, el BSS y la MS. El BSS es la parte de la red responsable del control del trayecto radioeléctrico. Cada llamada se conecta a través de la BSS. El NSS es la parte de la red encargada de las funciones de control de las llamadas. Las llamadas se conectan siempre con y a través del NSS. El NSS es la parte relacionada con la operación y el mantenimiento de la red y es necesariamente también para el control total de la red y es necesaria también para el control de la red. El operador de la red observa y mantiene la calidad y los servicios a través NSS. En este concepto, las interfaces abiertas se ubican entre la MS y el BSS (interfaz Um) y entre el BSS y el NSS (interfaz A). Básicamente, la interfaz Um es muy similar a la interfaz terminal de la red Digital de Servicios Integrados, denominado Um; implementa funciones muy similares y también adapta los niveles más bajos de señalización de la RDSI en banda estrecha.

La “m” minúscula del nombre significa “modificar”. La interfaz que une el NSS y el NSS/ BSS debería ser abierta, pero las especificaciones no se prepararon a tiempo, por lo que cada fabricante implementa las interfaces del NMS siguiendo sus propios métodos.

La MS es la combinación de un terminal y del módulo de identificación de servicios de un abanado o suscriptor. Un equipo terminal de este tipo se denomina equipo móvil (ME) y los datos del abonado se almacenan en un módulo aparte conocido como Modulo de Identificación del Servicio (SIM).

El controlador de la Estación Base (BSC) es el elemento de red más importante del BSS y controla la red radioeléctrica, es decir, es responsable de mantener las conexiones radioeléctricas hacia la MS y las conexiones terrestres hacia al NSS.

La estación Transceptora Base (BTS) es un elemento de red que mantiene la interfaz aérea (interfaz Um). Se encarga de la señalización de la interfaz aérea, del cifrado y del procesamiento de la voz .En este contexto, el procesamiento de la voz engloba todos los métodos que la BTS emplea para garantizar una conexión sin errores entre la MS y la BTS.

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La unidad Transcodificadora y Adaptadora de Velocidad (TRAU) es un elemento del BSS que se ocupa de la transcodificación de la voz, es decir, la convierte de un formato de codificación digital a otro y viceversa.

El centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) es el elemento principal del NSS desde el punto de vista de las llamadas, ya que es responsable del control de las llamadas, de las funciones de control del BSS, de las funciones de interconexiones, las estadísticas y la señalización de la interfaz hacia el BSS y la interfaz con la redes externas (RTPC /RDSI /Redes de datos por paquetes).

Atendiendo a las funciones, el MSC se puede subdividir en dos partes, si bien ambas se pueden localizarse en el hardware.

El Servidor MSC/VLR es el encargado de mantener las conexiones del BSS, la gestión de la movilidad y la interconexión. El MSC pasarela (GMSC) es el elemento que interviene en la gestión de la movilidad, la gestión de las comunicaciones y las conexiones de otras redes.

El Registro de Posiciones Base (HLR) es el lugar en el que se almacena permanentemente toda la información de los abonados, además facilita una ubicación conocida y fija la información de encaminamiento específica del abonado. Sus principales funciones son la gestión de los datos del abonado y de los servicios, las estadísticas y la gestión de la movilidad.

El Registro de Ubicación de Visitantes (VLR) ofrece un espacio local para almacenar todas las variables y las funciones necesarias para gestionar las llamadas que reciba o las que envíen los abonados móviles en el área asociado al VLR. La información sobre el abonado se mantiene en el VLR mientras dure la visita del abonado móvil en el área. Las principales funciones del VLR son la gestión de los datos del abonado y de los servicios y la gestión de la movilidad.

Servicios Móviles Centro de Conmutación (MSC)

MSC en GSM se basa en la tecnología de AXE, incluyendo modulación. Los Servicios Centro de Conmutación Móvil (MSC) realizan las funciones de conmutación de telefonía del sistema. Controla las llamadas hacia y desde otros sistemas de telefónicas y de datos También realiza funciones tales como: Número de entradas, interfaz de red, la señalización por canal común, y otros

Gateway MSC (GMSC)

Un Gateway es un nodo de conexión entre dos redes, esta puerta de entrada a menudo se implementa en una MSC. Este tipo de configuración en un MSC se conoce como la puerta de enlace MSC (GMSC). Todas las MSC en la red pueden funcionar como una puerta de enlace.

En la figura 40 se observa el diagrama del sistema GSM.

50

Figura 40. Red GSM básica y sus subsistemas

HLR

El Home Location Register (HLR) es una base de datos utilizada para el almacenamiento y la gestión de suscripciones. El HLR es considerado la base de datos más importante, ya que almacena los datos de los suscriptores.

Incluyendo el perfil de servicio de suscripción, información sobre la ubicación y el estado de actividad, cuando un individuo compra una suscripción a un operador sus datos están registrados en el HLR de ese operador. El HLR puede ser implementado con el MSC / VLR o como un nodo autónomo.

Registro de ubicación de visitante (VLR).

El registro de ubicación visitante (VLR) es una base de datos que contiene información de abonados temporales que necesita el MSC para dar servicio a abonados que se encuentran de visita. El VLR está siempre integrado con la MSC. Cuando una estación móvil transita en un área MSC nueva el VLR conectado a ese MSC pedirá datos acerca de la estación móvil desde el HLR. Posteriormente, si la estación móvil realiza una llamada, el VLR tendrá la información necesaria para el establecimiento de llamada sin tener que interrogar al HLR cada vez.

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Centro de Autenticación (AUC)

La unidad llamada Autenticación AU Center (AUC) proporciona parámetros de autentificación y encriptación que verifican la identidad del usuario y garantiza la confidencialidad de cada llamada. Los operadores de las AUC protegen a la red de diferentes tipos de fraude que pueden afectar la red celular. El módulo AUC se puede implementar en el HLR en el GSM R6.1/R3.

BSS interfaces

Hay cuatro interfaces primarias dentro del BSS donde se recibe el tráfico y la información de señalización, y son transmitidas. Estas interfaces son:

Interfaz A Interfaz A-ter Interfaz A-bis Aire

En la interfaz A se realizan intercambios de información entre el MSC / VLR y el CRT, en la interfaz A-ter se realizan intercambios de información entre el TRC y BSC y en la interfaz A-bis se transmite información entre el BSC y BTS, mientras que la interfaz de aire se da la interacción entre la BTS y la MS.

Básicamente, hay dos maneras de construir las interfaces:

2 Mbps PCM (E1) de la interfaz. El canal El físico se divide en 32 intervalos de tiempo, cada uno con una tasa de 64 Kbps a bit. Esta es la configuración normal en una red GSM 900 y GSM 1800

1,5 Mbps PCM (T1) de la interfaz. T1 El canal físico se divide en 24 intervalos de tiempo, cada uno con una velocidad de bits de 64 Kbps. Esta es la configuración normal en una red GSM 1900.

En la figura 41 se muestra el diagrama a bloques de la ubicación de las interfaces dentro del sistema GSM

2.3.2 Interfaz A

La interfaz A-ofrece dos tipos distintos de información, señalización y tráfico, entre el MSC y el discurso BSS. La trama se transcodifica en la TRC y la señalización SS7 se transparenta conectado a través de la TRC o en un enlace separado para el BSC. En la imagen siguiente se muestra la asignación de la información de tráfico en el PCM-link.:

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En las figuras 42 y 43 se muestra la interfaz A para E1 y T1 respectivamente

Figura 41. Interfaces en el sistema GSM.

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Figura 42. A interface (E1)

Figura 43. A interface (T1)

2.3.3 Interfaz A-TER

La interfaz A-ter es el vínculo entre la TRC y el BSC. En la trama de la TRC, se transcodifica a partir de 64 kbit/s a 16 kbit/s y 13 kbit/s de información de voz y 3kbit/s de información de señalización dentro de banda. Las figuras 44 y 45 muestran cómo la información de tráfico se asigna a los enlaces PCM:

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Figura 44. A -Ter interface (E1)

Figura 45. A -Ter interface (T1)

2.3.4 Interfaz A-BIS

La interfaz A-bis es responsable de transmitir el tráfico y la información de señalización entre el BSC y la BTS. El protocolo de transmisión utilizado para enviar información de señalización en la interfaz A-bis es el protocolo de acceso al enlace en el canal D.

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Figura 46. Base del Sistema Central

La interfaz A-bis facilita la transferencia de voz y la información de señalización entre el BSC y la RBS. No es la señalización tanto a la DXU y las unidades transceptores (TRU). La voz es codificada por la TRAU en la información TRC o BSC / TRC. La señalización se maneja en el interior de la TRH de la BSC.

La disposición física del tráfico y señalización para cada TRU depende de la interfaz A-bis sobre el formato elegido para facilitar la transferencia de información.

Hay tres posibles formatos que se pueden designar para la transferencia de información en la interfaz A-bis:

LAPD no concentrado de señalización para cada TRU se envía en un canal dedicado 64 kbps y es acompañado por dos canales de 64 Kbps cada uno llevando durante 16 kbps sub-multiplexado de voz / datos de canales.

Concentración LAPD se recomienda para todas las células, pero en particular aquellos con 3 TRU o más. (Para las células con 1-2 TRU por célula LAPD multiplexado ofrece la más eficiente A-bis de transmisión). Con la concentración LAPD, cada TRU necesita 2,25 PCM ranuras de tiempo. Es por lo tanto posible hasta 13 TRU en un único 2 Mbit línea PCM (E1), en comparación con 10 TRU sin esta característica.

LAPD Multiplexado se recomienda para todas las celdas pequeñas con 1-2 TRU. Con LAPD multiplexado, cada TRU necesita 2 ranuras de tiempo PCM. Es por lo tanto posible instalar hasta 15 TRU en una línea de 2 Mbit

DXU=Unidad de distribución de conmutador TRU=Transceptor de la Unidad

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PCM (E1). En comparación con 10 TRU que no tienen esta característica. Con 2 TRU en una célula, normalmente, sólo 14 de los canales disponibles en la interfaz de aire se utiliza para el tráfico, y los restantes 2 ranuras de tiempo para el BCCH y señalización SDCCH por lo tanto existe la necesidad de transmisión de aproximadamente 14 veces 16 kbps, es decir, 3,5 intervalos de tiempo PCM las ranuras medio tiempo restante se utiliza para la señalización de LAPD en los dos TRU. En total 4 ranuras de tiempo PCM se utilizan para TRU 2. Las figuras 47 y 48 describen la interfaz A-bis para radio base en un enlace tipo E1 y T1 respectivamente, las figuras 49 y 50 muestran las interfaces A-Bis con LAPD concentrado para radio base en un E1 y T1 respectivamente

Figura 47. A-Bis para RBS (E1)

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Figura 48. A-bis para RBS (T1)

Figura 49.A-bis con LAPD concentrado para RBS (E1)

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Figura 50. A-bis con LAPD concentrado para RBS (T1)

2.3.5 Interfaz de aire

La interfaz de Aire utiliza la técnica de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para transmitir y recibir información de tráfico y señalización entre la BTS y la MS. La técnica TDMA se utiliza para dividir cada portadora en ocho ranuras de tiempo. Estos intervalos de tiempo se asignan a usuarios específicos, lo que permite hasta ocho conversaciones para ser manejados simultáneamente por el mismo prestador de servicio.

Figura 51. Concepto del canal TDMA

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Capítulo III

Análisis del Terreno y altura de Torres

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3.1 Descripción de los Poblados

Una vez que se han desarrollado los capítulos I y II del documento tenemos los conceptos básicos para realizar la visita de campo a las poblaciones en donde ubicaremos las BTS’s, en esta ocasión acudiremos al estado de san Luis Potosí, en donde se propondrá la instalación de una BTS en el municipio de Villa de Reyes.

3.1.1 Villa de Reyes

Se localiza en el estado de San Luis Potosí México, al norte limita, con el municipio de san Luis potosí y Villa de Arriaga, al sur con el estado de Guanajuato y el municipio de Santa María del Río, al este con los municipios de Santa María de río y Zaragoza, al oeste limita, con el estado de Guanajuato y el municipio de Villa de Arriaga.

Figura 52. Ubicación del Municipio de Villa de Reyes.

Las características meteorológicas del municipio se muestran en la tabla 3:

Tabla 3. Descripción meteorológica de Villa de Reyes.

Temperatura Máxima Mínima Verano 33.1 °C 12.4 °C Invierno Dic-2011 26.0 °C Precipitación pluvial (2011) 357.5 mm Mese con mayor precipitación

Febrero, julio Agosto y Septiembre

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Población en Villa de Reyes El crecimiento de la población del municipio se describe en la tabla 4:

Año Total Urbana Rural

1950 14,174 2,645 11,529

1960 16,906 3,110 13,796

1970 20,665 3,388 17,277

1980 27,196 4,925 22,271

1990 34,425 6,701 27,724

1995 38,926 13,070 25,856

2000 40,602 13,917 26,685

2005 42,010 14,086 27,924

2010 46,898 16,266 30,632

2011e 47,942 16,759 31,183

2012e 49,009 17,248 31,761

Tabla 4. Población del municipio de Villa de Reyes.

Nota: Nota: La población total de 2012 se estimó con base en el II Conteo de Población y Vivienda, 2005 y el Censo de Población y Vivienda, 2010. INEGI. En el caso de la población rural es el resultado de comparar la población total y urbana, respectivas. E: Datos estimados.

Así mismo la distribución de la población de acuerdo a su edad, se muestra en la tabla 5:

Tabla 5. Distribución de edades del municipio de Villa de Reyes

Edades Total Hombres Mujeres

De 0 a 9 11,335 5,740 5,595

De 10 a 19 10,955 5,518 5,437

De 20 a 29 8,539 4,139 4,400

De 30 a 39 6,490 3,116 3,374

De 40 a 49 4,452 2,126 2,325

De 50 a 59 3,096 1,572 1,525

De 60 a 69 1,910 977 933

De 70 a 79 1,339 643 696

De 80 a más 715 324 391

No espec. 178 93 85

Total 49,009 24,248 24,761 Nota: La población de 2012 se estimó con base en el II Conteo de Población y Vivienda, 2005 y el Censo de Población y Vivienda, 2010. INEGI. e: Datos estimados.

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Principales actividades económicas y productos Agricultura: Las tierras laborables del municipio se dedican principalmente a la producción de alfalfa verde, ajo, avena forrajera en verde y achicalada, calabacita, camote, cebolla, cilantro, coliflor, col (repollo), chícharo, chile seco, frijol, lechuga, maíz grano, maíz (forrajero en verde y seco), pastos y praderas en verde, sorgo forrajero en verde y tuna. Ganadería: En el municipio se practica la avicultura. También se explota el ganado bovino, caprino, ovino y porcino. Minería: En el municipio se encuentran yacimientos de cantera, caolín, lajas, topacio y zeolita. Área de mercado potencial La ubicación geográfica de la ciudad de Villa de Reyes permite atender mercados nacionales e internacionales. De este sitio se tiene una distancia similar a las ciudades de Monterrey, Guadalajara y Distrito Federal. En un radio de 250 kilómetros de distancia de la ciudad de Villa de Reyes se encuentran 155 ciudades de 20 mil y más habitantes, cuya población se estima en 15.4 millones de consumidores potenciales. A su vez, a 500 kilómetros de distancia hay 567 ciudades, con una población de 68.6 millones de consumidores potenciales (ver área de mercado potencial). Existe un conjunto de arroyos que han permitido construir presas como: La Provincia, Plan de San Luis, Cabras, Dolores, Jesús María, San Vicente y Boca de Santiago. Comunicaciones y transportes

Carretera: Villa de Reyes es cruzada por la carretera No. 37, León, Gto.-San Luis Potosí, S.L.P., cuya desviación está a la altura del Km. 25 de la carretera Nº 57 México, D.F.- Piedras Negras, Coah. También se cuenta con la Supercarretera Central de San Luis Potosí tramo La Pila-Bledos-Villa de Arriaga Km. 76. Teléfono: Cuenta el municipio con servicio telefónico particular (líneas residencial y no residencial), público (aparatos ladatel, convencionales, modalidad ponga una línea a trabajar y casetas) y rural, los cuales disponen de Internet. La clave lada del municipio es 485. Servicios de Cable: Televisión vía satélite Existen 540 suscriptores del servicio de televisión restringida por cable.

Laguna de San Vicente está situada en el Municipio de Villa de Reyes (en el Estado de San Luis Potosí). Tiene 2749 habitantes. Laguna de San Vicente está a 1820 metros de altitud.

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3.1.2 Laguna de San Vicente

Se localiza en el Municipio Villa de Reyes del Estado de San Luis Potosí México y se encuentra en las coordenadas GPS:

Longitud (dec): -100.860278

Latitud (dec): 21.946667

Población en Laguna de San Vicente

La población total de Laguna de San Vicente es de 2749 personas, de cuales 1322 son masculinos y 1427 femeninas.

Edades de los ciudadanos

Los ciudadanos se dividen en 1273 menores de edad y 1476 adultos, de cuales 179 tienen más de 60 años.

Estructura social

Derecho a atención médica por el seguro social, tienen 1830 habitantes de Laguna de San Vicente.

Estructura económica

En Laguna de San Vicente hay un total de 540 hogares.

De estas 492 viviendas, 125 tienen piso de tierra y unos 28 consisten de una sola habitación.

192 de todas las viviendas tienen instalaciones sanitarias, 454 son conectadas al servicio público, 475 tienen acceso a la luz eléctrica.

La estructura económica permite a 6 viviendas tener una computadora, a 160 tener una lavadora y 450 tienen una televisión.

Educación escolar en Laguna de San Vicente

Aparte de que hay 135 analfabetos de 15 y más años, 68 de los jóvenes entre 6 y 14 años no asisten a la escuela.

De la población a partir de los 15 años 102 no tienen ninguna escolaridad, 1149 tienen una escolaridad incompleta. 348 tienen una escolaridad básica y 96 cuentan con una educación post-básica.

Un total de 76 de la generación de jóvenes entre 15 y 24 años de edad han asistido a la escuela, la mediana escolaridad entre la población es de 6 años.

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3.2 Análisis del Terreno El municipio de Villa de Reyes, está situado entre los 21° 48’19” latitud norte y 100°56’00”, longitud oeste, la superficie total del municipio es de 1149.63 Km , lo que equivale al 1.7% de la superficie del estado. La ciudad se encuentra a una altura media de 1820 metros s.n.m. El tipo de suelo predominante, es de origen volcánico con formación aluvial, su color varía de café claro a café gris obscuro, de textura franco-arenosa, de permeabilidad moderada a rápida, el suelo es apto para la agricultura. Para validar que es factible la instalación de un enlace de microondas de la punta A Villa de Reyes hacia la punta B Laguna de San Vicente, procedemos a localizar la carta topográfica correspondiente al municipio, para la cual utilizamos la página de internet del INEGI, que nos arroja como resultado que la carta correspondiente tiene el código F14C14. Una vez que adquirimos la carta topográfica, procedemos a dar lectura a las curvas de nivel que están ubicadas desde el punto propuesto para realizar la instalación de la BTS en Villa de Reyes hacia la punta B de nuestro. Para realizar esta actividad, se tienen que revisar la escala a la cual está hecha la carta, así como la dimensión que representa cada línea de acuerdo a la escala, para después trazar una línea recta desde la ubicación de punta A hacia la punta B. Al leer las cotas por las cuales cruza la línea trazada, obtendremos el perfil topográfico de nuestro enlace de microondas, al cual aun debemos de sumarle el factor K, que se refiere a la curvatura de la tierra, considerando que para nuestro caso este valor debe ser igual a 4 3, indica que la 1ª zona de fresnal debe de estar despejada al 100%. De la lectura de la carta topográfica, se obtuvieron los valores que se muestran en la tabla 6.

Al realizar la visita de campo se pudimos corroborar que el terreno es como lo describe la carta y el punto seleccionado para la ubicación de la BTS de GSM, es factible ya que se encuentra ubicado a pie de carretera tiene servicio de energía eléctrica y los caminos para llegar están pavimentados. Además de que se encuentra disponible y no hay construcción que impida la instalación del sitio celular.

Procedemos a realizar el levantamiento correspondiente del terreno el cual se encuentra ubicado en las calles de Lateral libramiento villa de Reyes, esquina con Concepción, en las coordenadas 21°48'15.87"N y 100°55'43.09"O obteniendo las figuras 53 y 54.

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Tabla 6. Cotas de carta topográfica F14C14

Distancia de enlace (Km)

Cota de carta

topográfica0 1810

1.7 1810

3 1800

3.3 1800

4 1800

4.8 1800

5 1800

7.25 1810

8 1810

9.7 1810

11.5 1800

11.55 1800

12.1 1800

12.5 1800

12.75 1800

13.25 1800

14.5 1810

15.7 1810

Al termino del levantamiento de datos del poblado de Villa de Reyes, procedimos a dirigirnos hacia Laguna de Vicente, para tomar los datos correspondientes del sitio, en el recorrido pudimos verificar que en la trayectoria, no se encuentran construcciones por arriba de los seis metros, así mismo los árboles alcanzan alturas de entre y 12 y 15 m a lo largo del recorrido de la trayectoria del enlace propuesto.

En el poblado de Laguna de san Vicente, pudimos ver que en la zona no hay torres celulares, y la ubicación del terreno el cual se ubica en las coordenadas 21°56'0.53"N y 100°51'34.42"O, el terreno puede ser utilizado para la instalación de la BTS Laguna de San Vicente, porque está a un lado del camino de terracería y el suministro de energía eléctrica se encuentra aproximadamente a 200 metros del lugar seccionado para la instalación del sitio celular.

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Figura 53. Ubicación propuesta para la instalación de la BTS Villa de Reyes.

Figura 54. Ubicación para la instalación de la BTS Villa de Reyes.

Espacio propuesto para la instalación de la BTS Villa de Reyes

Ubicación de la BTS Villa de Reyes

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Figura 55. Ubicación para la instalación de la BTS Laguna de San Vicente.

Figura 56. Camino de Terracería para llegar a ubicación BTS Laguna de San Vicente.

Ubicación propuesta de la BTS Laguna de San Vicente

Acceso al sitio por el camino de terracería

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Figura 57. Línea de vista de Villa de Reyes hacia Laguna de San Vicente.

Figura 58. Línea de vista de Laguna de San Vicente hacia Villa de Reyes

Línea de vista de Villa de Reyes hacia Laguna de San Vicente Los árboles no miden más de 12 metros (obstáculo considerado en la zona de Fresnel)

Línea de vista de Laguna de San Vicente hacia Villa de Reyes

69

Figura 59. Ubicación de la BTS en Laguna de San Vicente

3.3 Cálculo de altura de torres

Es muy importante para el cálculo de altura de torres saber en principio, como leer una carta topográfica ya que en esa lectura nos dará las alturas de nuestro obstáculos (cerros, montañas), así mismo esta carta nos dirá las vías alternas que existen en el poblado, aeropuertos, líneas de conducción, limites, puntos geodésicos y para nosotros lo mas importante en la lectura de una carta, la representación del relieve.

Nuestra carta topográfica tiene una escala 1: 50000 eso significa que cada centímetro que midamos en la carta serán 500 metros, es decir que si tú tienes 2 puntos en la carta y con una regla mides que la distancia entre esos dos puntos son 10 cm, en la realidad será que esa distancia serán 5000 metros ó 5 km.

Regularmente las cartas topográficas tienen una cuadricula de color azul que indica la distancia en km. En la cartas topográfica hay líneas que son de color café, hay unas de mayor grosor y otras más claras. Las de mayor grosor son las curvas de nivel maestras o mayores y en nuestra escala se encuentran cada 100 metros, y regularmente se encuentran interrumpidas por el número de su elevación.

Espacio propuesto para la instalación de la BTS en Laguna de San Vicente,

los servicios se ubican a unos 200 mts. aproximadamente

70

Para realizar un perfil topográfico necesitamos colocar un segundo punto en la carta y unirlos por medio de una línea, llamada línea de vista. Sobre esa línea colocamos una hoja blanca, sin cubrir esta línea. La línea de vista debe de quedar en un extremo de la hoja. Pues bien con un lápiz marcaremos cada curva de nivel que aparezca intersectando dicha línea.

Es importante notar que los datos que se coloquen serán consecutivos ya sea menor o mayor pero con rango de cada 20 metros.

Ahora bien para nuestro perfil topográfico ya teniendo estos dos extremos completos se marcaran en una hoja milimétrica los puntos donde se encontraron las obstrucciones; donde en el eje Y será la altura y en el eje X la distancia donde encontramos los obstáculos, así tendremos como resultado un perfil. En cada punto donde se intersecte una marca de nivel con su altura marcaremos un punto. Al final uniremos todos los puntos que leímos y este será nuestro primer perfil topográfico.

Para nuestro segundo perfil topográfico, consideraremos los siguientes datos:

-Altura real -Zonas de Fresnel -Curvatura de la Tierra

Como sabemos la Tierra no es del todo redonda ni esférica, si observamos la Tierra se encuentra achatada de sus dos polos. Entonces para poder tener línea de vista tenemos que contar con este dato y está dada por la ecuación 23:

∗ 1000 …….Ecuación 23

Fi= Curvatura de la Tierra[m]

Xi=Distancia del punto de origen del enlace al punto donde se quiere conocer la curvatura de la Tierra.

Xn=Distancia total del enlace.

K=Factor de corrección de cobertura de la tierra 4/3.

R= Radio de la Tierra =6378km.

Una vez obtenido la curvatura de la tierra (Fi) está la sumamos a las cotas obtenidas de nuestro mapa topográfico esto es:

….Ecuación 24

71

Donde:

Zi=Altura real

Ci=Cota [m]

Fi= Curvatura de la tierra [m]

Zona de Fresnel

La zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener en consideración en un enlace microondas punto a punto, además de la visibilidad directa entre las dos antenas. Este factor deriva de la teoría de ondas electromagnéticas, respecto de la expansión de las mismas al viajar en el espacio libre. Esta expansión resulta en reflexiones y cambios de fase al pasar sobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel de intensidad de la señal recibida. La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel.

La obstrucción máxima recomendada es el 20%. Para establecer las zonas de Fresnel primero debemos determinar la línea de vista, que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y la receptora. Ahora la zona que rodea el LOS son las zonas de Fresnel. La fórmula genérica de cálculo de las zonas de Fresnel se muestra en la Expresión:

λn 1 2 ……Ecuación 25

Donde:

ri =es el radio de la primera zona de Fresnel [m].

d1=es la distancia desde el transmisor al objeto en [m].

d2 =es la distancia desde el objeto al receptor en [m].

dt= Es la distancia total del enlace en [m].

Al aplicar las formulas descritas anteriormente para obtener la curvatura de la tierra en toda la trayectoria del enlace y la zona de Fresnel, a los valores de la tabla 4, obtenemos la altura real del perfil y la zona de Fresnel en la trayectoria del enlace.

72

Tabla 7. Valores de Altura real del terreno y Zona de Fresnel inicial

Distancia en (Km)

Cota Curvatura de la

tierra Altura real

Zona de Fresnel

Fresnel superior

Fresnel inferior

0 1810 0 1810 0 1810 1810

1.7 1810 1.399341486 1811.399341 15.89767405 1825.897674 1794.102326

3 1800 2.240122295 1802.240122 20.11442387 1830.114424 1789.885576

3.3 1800 2.405926623 1802.405927 20.84552908 1830.845529 1789.154471

4 1800 2.751646284 1802.751646 22.29297539 1832.292975 1787.707025

4.8 1800 3.076199436 1803.076199 23.57105263 1833.571053 1786.428947

5 1800 3.145578551 1803.145579 23.83537566 1833.835376 1786.164624

7.25 1810 3.601981421 1813.601981 25.5060066 1835.506007 1784.493993

8 1810 3.621825024 1813.621825 25.57616742 1835.576167 1784.423833

9.7 1810 3.421919097 1813.421919 24.86031358 1834.860314 1785.139686

11.5 1800 2.839840075 1802.83984 22.64741693 1832.647417 1787.352583

11.55 1800 2.818232596 1802.818233 22.56109376 1832.561094 1787.438906

12.1 1800 2.561147695 1802.561148 21.50745612 1831.507456 1788.492544

12.5 1800 2.351834431 1802.351834 20.60986304 1830.609863 1789.390137

12.75 1800 2.211459313 1802.211459 19.98532478 1829.985325 1790.014675

13.25 1800 1.90866063 1801.908661 18.56675862 1828.566759 1791.433241

14.5 1810 1.023047977 1811.023048 13.59313826 1823.593138 1796.406862

15.7 1810 0 1810 0 1810 1810

Ya con estos datos obtenidos por las ecuaciones ya mencionadas podemos hacer nuestro primer perfil topográfico, donde observaremos los obstáculos que

tiene nuestra línea de vista.

En nuestro segundo perfil topográfico marcaremos la obstrucción de mayor referencia ya que esta nos dirá que tan altas deben ser nuestras torres para poder tener línea de vista entre ellas.

Con los datos de la tabla 5, procederemos a desarrollar el punto 3.4, en donde se mostrará gráficamente el perfil topográfico del enlace de microondas Villa de Reyes – Laguna de San Vicente, con los valores de la tabla mencionada.

3.4 Enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente

En la figura 60, se observa la imagen con la ubicación de los sitios Villa de reyes – Laguna de san Vicente, mostrando las coordenadas aproximadas a las cuales se propone la instalación del enlace de microondas.

Así mismo en la figura 61 se observa el enlace trazado en la carta topográfica F14C14, de Villa de Reyes hacia Laguna de San Vicente

73

Figura 60. Imagen digital de enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente

En las figuras 43 y 44 se muestra el perfil topográfico inicial, el cual se obtiene de los valores de la tabla 5, y donde se observa que la obstrucción de mayor altura se ubica a una distancia de 8 Km de Villa de reyes en dirección a Laguna de San Vicente, con una altura de 1813.6 m s.n.m, por lo tanto es necesario realizar el cálculo de la altura mínima requerida para librar la obstrucción.

Realizando los cálculos para obtener la altura mínima requerida para librar el obstáculo, el cual resulta de restar la altura real menos la altura de la zona de Fresnel inferior en ese punto tenemos que:

Distancia (Km)

metros Cota Curvatura de

la tierra Altura real

Fresnel superior

Fresnel inferior

8 8000 1810 3.621825024 1813.621825 1835.576167 1784.423833

Dando como resultado:

Altura real Fresnel inferior

Altura Mínima requerida (m)

1813.621825 1784.423833 29.19799244

21°56'0.53"N 100°51'34.42"O

21°48'15.87"N 100°55'43.09"O

74

Figura 61. Imagen de la carta topográfica del enlace Villa de Reyes – Laguna de San. Vicente

La altura requerida para librar el obstáculo, es 29.20 m, así que nuevamente volvemos a calcular los datos ahora con la altura a la que proponemos la instalación del enlace de microondas, dando como resultado la tabla 8:

De la tabla 8 obtenemos el perfil final de nuestro enlace en donde la altura propuesta de la torre es de 29.2 m, que garantiza que se libra el 100% cualquier obstáculo que pudiera obstruir nuestra señal, dentro de la zona de Fresnel.

En la figura 62 se observa la llegada al poblado de Villa de reyes

En las figuras 63 y 64 se observa, respectivamente, el perfil topográfico inicial, y el perfil topográfico adicionando la altura requerida para librar los obstáculos dentro de la primera zona de Fresnel, con esto determinamos que es viable la comunicación mediante enlace de microondas entre estos dos puntos, ya que la línea de vista es posible y se cumple con los parámetros necesarios para este tipo de enlaces.

75

Tabla 8. Valores de Altura real del terreno y Zona de Fresnel final

Distancia en (Km)

Cota Curvatura de

la tierra Altura real

Zona de Fresnel

Fresnel superior

Fresnel Inferior

0 1810 0 1810 0 1839.2 1839.2

1.7 1810 1.39934149 1811.39934 15.8976741 1855.09767 1823.302326

3 1800 2.2401223 1802.24012 20.1144239 1859.31442 1819.085576

3.3 1800 2.40592662 1802.40593 20.8455291 1860.04553 1818.354471

4 1800 2.75164628 1802.75165 22.2929754 1861.49298 1816.907025

4.8 1800 3.07619944 1803.0762 23.5710526 1862.77105 1815.628947

5 1800 3.14557855 1803.14558 23.8353757 1863.03538 1815.364624

7.25 1810 3.60198142 1813.60198 25.5060066 1864.70601 1813.693993

8 1810 3.62182502 1813.62183 25.5761674 1864.77617 1813.623833

9.7 1810 3.4219191 1813.42192 24.8603136 1864.06031 1814.339686

11.5 1800 2.83984008 1802.83984 22.6474169 1861.84742 1816.552583

11.55 1800 2.8182326 1802.81823 22.5610938 1861.76109 1816.638906

12.1 1800 2.5611477 1802.56115 21.5074561 1860.70746 1817.692544

12.5 1800 2.35183443 1802.35183 20.609863 1859.80986 1818.590137

12.75 1800 2.21145931 1802.21146 19.9853248 1859.18532 1819.214675

13.25 1800 1.90866063 1801.90866 18.5667586 1857.76676 1820.633241

14.5 1810 1.02304798 1811.02305 13.5931383 1852.79314 1825.606862

15.7 1810 0 1810 0 1839.2 1839.2

Figura 62. Fotografía de la llegada a Villa de Reyes

76

Figura 63. Perfil inicial de enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente

77

Figura 64. Perfil con propuesta de torres enlace Villa de Reyes – Laguna de San Vicente

78

Capítulo IV

Dimensionamiento de tráfico y cálculo de potencia

79

En los capítulos anteriores se han descrito las bases de operación de los enlaces de microondas, métodos y técnicas de modulación y acceso al medio, se han estudiado el comportamiento de las ondas electromagnéticas en el aire y hemos analizado la estructura de los sistemas de microondas.

Con el objetivo de tratar de demostrar que lo anterior funciona y que es posible llevarlo a la práctica, se ha realizado un análisis topográfico y visitas en sitio para determinar que la comunicación es factible, en este capítulo buscaremos establecer los elementos físicos reales así como los cálculos basados en datos provenientes de una necesidad real para demostrar que es viable el establecimiento del enlace de microondas y este a su vez pueda transportar la información requerida.

4.1 Tipo de torres

Las torres son los soportes que nos permiten colocar nuestras antenas para poder establecer los enlaces requeridos, en el mercado existe una amplia gama de torres disponibles para cubrir las diferentes necesidades y requerimientos del servicio que se pretenda implementar.

4.1.1 Torre auto-soportada angular de cuatro patas.

La torre de telecomunicaciones angular cuadrada es una torre autónoma de cuatro patas hecha de elementos cuadrados angulares diseñado sobre un patrón de base cuadrada. La torre esta optimizada para cargas de medianas a pesadas y es generalmente adecuada para sitios celulares principales, sitios de redes troncales o concentradores de comunicaciones centrales.

La torre cuadrada angular está diseñada para alturas de 20 hasta 120 metros, los fabricantes generalmente las pueden enviar en contenedores estándar de ISO. Las torres generalmente tienen un diseño modular que permite la modificación de última hora y los módulos pueden intercambiarse fácilmente de acuerdo con el diseño del sitio específico.

Generalmente cada torre se entrega equipada con una variedad de accesorios tales como plataformas, soportes de antenas, dispositivos de seguridad, luces de obstrucción, kit de protección contra descargas atmosféricas y más. Todos los accesorios se pueden instalar en cualquier altura deseada y la orientación de acuerdo a los requerimientos.

Uso recomendado para las torres cuadradas angulares.

Equipo GSM/CDMA Sitios concentradores Repetidores de microondas

80

En la figura 65 se muestra la imagen de una torre auto-soportada angular de cuatro patas.

Figura 65. Torre auto-soportada angular de cuatro patas.

4.1.2 Torre auto soportada angular de 3 patas.

La torre de telecomunicaciones triangular es una torre autónoma de tres patas hecha de elementos cuadrados angulares diseñados sobre un diseño de base triangular. La torre de comunicaciones está optimizada para medianas cargas y es generalmente adecuada para sitios celulares estándar.

La torre de comunicaciones auto-soportada angular de tres patas está diseñada para alturas de 20 y hasta 70 metros.

Uso recomendado:

81

Equipo GSM/CDMA

En la figura 66 se presenta la imagen de una torre auto-soportada angular de tres patas.

Figura 66. Torre auto-soportada angular de tres patas.

4.1.3 Torre riendada o arriostrada

En general las torres arriostradas se presentan en una medida triangular, tienen un diseño arriostrado de celosía y está hecho tubular, solido y elementos angulares. Diseñadas para cargas livianas a medias y son perfectamente adecuadas para sitios celulares.

Las torres riendadas o arriostradas están diseñadas para alturas que van desde los 20 a los 150 metros.

82

Uso recomendado:

Equipo GSM/CDMA

En la figura 67 se observa la imagen de una torre riendada o arriostrada.

Figura 67. Torre riendada o arriostrada

4.1.4 Torre monoposte o monopolo

Generalmente las torres monoposte o monopolo alcanzan alturas de hasta 60 metros y están hechas de secciones huecas de acero de 7.5 metros.

Estas torres están diseñadas para cargas de medias a pesadas y generalmente son adecuadas para sitios celulares únicos o sitios multioperador de uno o más redes celulares. Las torres monoposte están diseñadas para alturas de 15 hasta 60 metros.

83

En la figura 68 se observa la imagen de una torre monoposte o monopolo.

Figura 68. Torre monoposte o monopolo.

Las torres a utilizar en nuestro caso serán torres auto-soportadas de cuatro patas con una altura de 60 metros para cubrir las necesidades de cobertura ya que para nuestro enlace de microondas únicamente requerimos colocarlas a una altura de 30 metros.

4.2 Cálculo de capacidad y de ancho de banda requerida

Una vez que el equipo de RF determina la cantidad de TRX a utilizar y el modo de los canales de voz (full-rate o half-rate) contamos con la información suficiente para realizar el cálculo del ancho de banda requerido. Aplicando el modo de

84

acceso LAPD concentrado a la trama del E1, procedemos a realizar el acomodo de tráfico generado por los TRX en el ó los E1s a utilizar.

En las tablas 9 y 10 se encuentran los datos proporcionados por los equipos de RF del tráfico a transportar por cada una de las BTS Villa de Reyes y Villa de Arriaga:

Tabla 9. Datos de la RBS de Villa de Reyes.

RBS de Villa de Reyes

Número de Sectores 2

TRX por sector 3

Modo de operación Half‐Rate

Tabla 10. Datos de la RBS de Villa de Arriaga

RBS de Villa de Arriaga

Número de Sectores 3

TRX por sector 2

Modo de operación Full‐Rate

Ya que la interfaz A-bis, es sobre la cual estamos proponiendo la instalación del enlace de microondas dedicado y para la cual la información que obtenemos de la BTS, es entregada al enlace a una velocidad de 16 kbps, considerando esta información y aplicando los criterios para el modo LAPD concentrado como se ilustra en la figura 11, iniciando la distribución del tráfico para la BTS Villa de Reyes y acomodando enseguida el tráfico de la BTS Villa de Arriaga, que es la BTS que llega a nuestro estación base.

Tabla 11. Tráfico de Villa de Reyes en Half Rate

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

TRX5

SECTO

R 2

0 1 2

7

TRX40 1 2 3 4

3

4 5 6

4 5 6 7

5 6 7

7

TRX3Control Control

0 1 2 3

TRX20 1 2 3 4 5 6

TRX10 1 2 3 4 5 6 7

TRX0Control Control

SECTO

R 1

0 1 2 3 4 5 6 7

85

Así mismo se realiza la distribución del tráfico para la BTS Villa de Arriaga quedando de la forma siguiente, como se muestra en la figura 12:

Tabla 12. Tráfico de Villa de Arriaga en Full Rate.

TRX0 Control Control 1 2 3 4 5 6 Se

ctor 1

0 1 2 3 4 5 6 7

TRX1 7 8 9 10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7


ctor 2

0 1 2 3 4 5 6 7

TRX3 7 8 9 10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7


ctor 3

0 1 2 3 4 5 6 7

TRX5 7 8 9 10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7

De los datos de radio, tenemos que la BTS, estará compuesta por 2 sectores que manejan 3 TRX, cada uno en modo half-rate, procedemos a realizar el mapeo de esta información en la trama del E1 utilizando modo LAPD Concentrado para acomodar los time slots dentro de cada canal de 64 Kbps.

En la tabla 13 se muestra la distribución final de tráfico por cada E1 aquí se puede observar como cada uno de los canales de voz de 16 Kbps que recibimos de los TRXs se acomodan dentro de cada uno de los E0s que componen el E1 completo, se observa que aunque la BTS maneje canales a full-rate o a half-rate hacia el móvil, nosotros estaremos recibiendo siempre canales a 16 Kbps lo que es muy importante considerar es que cuando se utiliza half rate hacia el móvil, la cantidad de canales a 16 Kbps se va a ver incrementado y por lo tanto los requerimientos de ancho de banda van a aumentar.

86

Tabla 13. Distribución de tráfico en E1s.

Una vez que conocemos que requerimos 2E1s para transportar el tráfico de la BTS Villa de Arriaga y BTS Villa de Reyes procedemos a seleccionar la banda de frecuencia en la que implementaremos el enlace de microondas de acuerdo a las tablas de la ITU, debido a la distancia del enlace (15.7 Km), escogemos la frecuencia de 13 GHz, ya que a frecuencias más bajas la longitud de onda es mayor y por lo tanto tenemos menor afectación debido a condiciones climáticas, en específico afectaciones por la lluvia.

E1 16 Kbps 16 Kbps 16 Kbps 16 Kbps

0 E0 = 64 kbps

1 E0 = 64 kbps S. S. S. S.

2 E0 = 64 kbps Control Control 1 2

3 E0 = 64 kbps 3 4 5 6

4 E0 = 64 kbps 7 8 9 10

5 E0 = 64 kbps 11 12 13 14TRX0 / TRX1

6 E0 = 64 kbps 15 16 17 18

7 E0 = 64 kbps 19 20 21 22

8 E0 = 64 kbps 23 24 25 26

9 E0 = 64 kbps 27 28 1 2

10 E0 = 64 kbps 3 4 5 6

11 E0 = 64 kbps 7 8 9 10

12 E0 = 64 kbps 11 12 13 14

13 E0 = 64 kbps 15 16 Control ControlTRX2 / TRX3

14 E0 = 64 kbps 1 2 3 4

15 E0 = 64 kbps 5 6 7 8

16 E0 = 64 kbps 9 10 11 12

17 E0 = 64 kbps S. S. S. S.

18 E0 = 64 kbps 13 14 15 16

19 E0 = 64 kbps 17 18 19 20

20 E0 = 64 kbps 21 22 23 24

21 E0 = 64 kbps 25 26 27 28

22 E0 = 64 kbps 1 2 3 4

23 E0 = 64 kbps 5 6 7 8

24 E0 = 64 kbps 9 10 11 12

25 E0 = 64 kbps 13 14 15 16


27 E0 = 64 kbps 3 4 5 6

28 E0 = 64 kbps 7 8 9 10

29 E0 = 64 kbps 11 12 13 14

30 E0 = 64 kbps S. S. S. S.

31 E0 = 64 kbps Control Control 1 2 TRX2 Sector 2

TRX1

TRX0

Sector 1

Villa de Arriaga

TRX 5

TRX4

Sector 2

TRX 1

Sincronía

TRX 0

Villa de Reye

s

TRX 2

TRX3

Sector 1

E1 16 Kbps 16 Kbps 16 Kbps 16 Kbps

0 E0 = 64 kbps

1 E0 = 64 kbps 3 4 5 6 TRX2

2 E0 = 64 kbps 7 8 9 10

3 E0 = 64 kbps 11 12 13 14


5 E0 = 64 kbps 3 4 5 6

6 E0 = 64 kbps 7 8 9 10

7 E0 = 64 kbps 11 12 13 14

8 E0 = 64 kbps

9 E0 = 64 kbps

10 E0 = 64 kbps

11 E0 = 64 kbps

12 E0 = 64 kbps

13 E0 = 64 kbps

14 E0 = 64 kbps

15 E0 = 64 kbps

16 E0 = 64 kbps

17 E0 = 64 kbps

18 E0 = 64 kbps

19 E0 = 64 kbps

20 E0 = 64 kbps

21 E0 = 64 kbps

22 E0 = 64 kbps

23 E0 = 64 kbps

24 E0 = 64 kbps

25 E0 = 64 kbps

26 E0 = 64 kbps

27 E0 = 64 kbps

28 E0 = 64 kbps

29 E0 = 64 kbps

30 E0 = 64 kbps

31 E0 = 64 kbps

Disponible para crecimiento o datos
























Sincronía

Sector 2

Villa de A

rriaga

TRX3

TRX4

Sector 3

TRX1

87

Tabla 14. Bandas de frecuencia

BANDA DE FRECUENCIA

CAPACIDAD Mbits/s

UMBRAL PARA UN BER10⁻

UMBRAL PARA UN BER10⁻

TÍPICO GARANTIZADO TÍPICO GARANTIZADO

13,15,18,23 GHZ

2X2 -93 -89 -90 -86 4X2 -90 -86 -87 -83 8X2 -87 -83 -84 -80

16X2 -84 -80 -81 -77

26 GHZ

2X2 -92 -88 -89 -85 4X2 -89 -85 -86 -82 8X2 -86 -82 -83 -79

16X2 -83 -79 -80 -76

38 GHZ

2X2 -90 -86 -87 -83 4X2 -89 -85 -86 -82 8X2 -86 -82 -83 -79

16X2 -83 -79 -80 -76

4.2 Definición de equipo y cálculo de potencia.

Seleccionamos el equipo de microondas y procedemos a obtener la información necesaria para realizar el cálculo de potencia de nuestro enlace de microondas

Tabla 15. Selección de equipo.

Equipo IUT-R Banda de

Frecuencia (GHz)

Distancia Dúplex (MHz)

Número de subbandas

Ancho de banda de

la sub-banda MHz

Nokia Flexihopper 13 F.497-5 12.75 - 13.25 266 6 84

Nokia Flexihopper 15 F.636-314.5-15.35 420 6 150 14.5-15.35 644 2 203 14.5-15.35 728 2 119

Nokia Flexihopper 18 F.595-6 17.7 - 19.7 1010 8 270

Es necesario también conocer los niveles de potencia máximos que maneja el equipo seleccionado, ya que este valor es importante para realizar el cálculo de potencia en el receptor, por lo que procedemos a buscar en las tablas de recomendación ITU que valor corresponde para el equipo, para este equipo utilizamos la tabla 16:

88

Tabla 16. Potencia de transmisor

Banda de frecuencia

Potencia de transmisión (dBm)

Ruído típico por alta temperatura

13, 15 GHz 20 < 6.5

18 , 23 GHZ 18 <7

26 GHZ 18 <7.5

38 GHz 16 <8

Y nos dice que partiendo de una frecuencia 13Ghz tendremos una potencia de transmisión de 20 dBm; después buscamos dentro las tablas de la ITU la atenuación en guía de onda:

Tabla 17. Pérdidas por alimentador

ATENUACIÓN EN GUÍA DE ONDA

BANDA DE FRECUENCIA

ATENUACIÓN MÁXIMA (POR CADA 100 m) dB

13 GHz 0.6

15 GHz 0.9

18 GHz 1.2

23 GHz 1.4

26 GHz 1.6

38 GHz 2.2

Y nos dice que usando una frecuencia 13 GHz tendremos una atenuación por pérdidas del alimentador de 6dB por cada 100 metros; por ultimo buscaremos dentro de estas tablas las pérdidas por acoplador:

89

Tabla 18. Pérdidas por acoplador

Pérdidas por acoplador

Banda de frecuencia

Pérdidas del equipo (dB)

RADIO 1 RADIO 2

CONF.(1+1)

13 GHz 1.5 ± 0.3 6.2 ± 0.3

15 GHz 1.6 ± 0.3 6.2 ± 0.3

18 GHz 2.0 ± 0.3 6.2 ± 0.3

Pérdida por Espacio libre

Ya que estamos proponiendo un enlace de microondas dedicado para realizar el transporte del tráfico de información generado por la BTS Villa de Reyes y Villa de Arriaga, es necesario también considerar los factores a los cuales puede ser susceptible el enlace de microondas por lo tanto debemos tener en cuenta los criterios para diseñar un enlace de microondas dedicado.

El primer punto que consideramos es la pérdida por espacio libre, ya que nuestro enlace se va a propagar por el aire, debemos considerar este cálculo, que nos permite hacer una predicción de atenuación cuando existe línea de vista entre una antena transmisora y una antena receptora con características de clima ideales.

Lp= 20 log(4π*1000*1000000000/c) + 20 log (f) +20 log (d)

Las variables de esta fórmula se definen:

LP= Pérdida por espacio libre (dB) F = Frecuencia de operación del enlace (GHz) D = Distancia del enlace (Km) C = Velocidad de la luz (m/seg)

Margen de desvanecimiento (Fading marging)

Este factor representa una pérdida en el cálculo de potencia de recepción, considera los factores que pueden influir adversamente en el enlace de

90

microondas, considerando entre la distancia, el tipo de suelo, la frecuencia y la confiabilidad del enlace entre otros:

FM = 30 log(D) + 10log (6ABF) – 10log(1-R)-70

Las variables de esta fórmula se definen:

FM= Margen de desvanecimiento A = Rugosidad del terreno B = Tipo de clima F = Frecuencia R = Confiabilidad del sistema En palabras coloquiales podemos decir que el margen de desvanecimiento es una pérdida que se estima considerando las peores condiciones de operación sin que estas se presenten por lo tanto nos proporciona un margen que permite, operar siempre al enlace de microondas.

Potencia en el receptor (PRX)

Este cálculo permite conocer el valor máximo de potencia que estará recibiendo nuestra antena receptora, y en base al resultado podemos asegurar la operación del enlace ya que si estamos por arriba del nivel de sensibilidad del equipo , podemos decir que el enlace puede operar, pero si no alcanzamos este nivel de sensibilidad, también podemos ajustar los valores de ganancia de antena ó de potencia de transmisión del equipo, con el fin de garantizar la correcta operación del enlace.

Prx= Potencia de salida – P. alimentador - Pérdida por misceláneos + Ganancia antena Tx – Pérdidas por espacio libre + Ganancia Antena Rx – Pérdidas por alimentador - Pérdida por misceláneos – F.M

La figura 69 muestra el diagrama del enlace de microondas, donde se especifican las dimensiones de la torre y la altura de las antenas en cada uno de los sitios, así también nos proporciona la información base que conocemos para realizar los cálculos correspondientes.

91

Figura 69. Sistema de enlace BTS Villa de Reyes – BTS Laguna de San Vicente

De la figura 69 podemos determinar los valores de las variables que conocemos para realizar el cálculo de potencia en el receptor (RX), entonces como datos tenemos: Frecuencia = 13GHz Potencia de TX máxima= 20 dBm Distancia del enlace= 15.7 Km Altura de las antenas= 30 m a.s.n.p. Pérdidas por alimentador= 0.6 dB por cada 100 m Tipo de terreno A= 1 Normal Tipo de clima B= 0.25 Normal Pérdidas por acoplador= 1.5 dB Aun falta conocer el diámetro y la ganancia de antena, pero este dato lo podemos obtener de la expresión siguiente: Prx= Potencia de salida – P. alimentador - Pérdida por misceláneos + Ganancia antena Tx – Pérdidas por espacio libre + Ganancia Antena Rx – Pérdidas por alimentador - Pérdida por misceláneos – F.M De esta expresión podemos conocer el valor de la ganancia de la antena requerida pero es necesario antes realizar los cálculos para conocer los valores de:

PARARRAYOS3.00

10 m

60 m

30 m

40 m

0.30

PARARRAYOS3.00

10 m

60 m

30 m

ANTENA PROPUESTADIR: BTS LAGUNA DE SAN VICENTEAZIMUTH: 26.14ALTURA : 30 m DIÁMETRO: POR DEFINIR

ANTENA PROPUESTADIR: BTS VILLA DE REYESAZIMUTH: 206.39ALTURA : 30 m DIÁMETRO: POR DEFINIR

DISTANCIA DEL ENLACE15.7 km

BTS LAGUNA DE SAN VICENTEBTS VILLA DE REYES

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Pérdidas por alimentador Pérdidas por espacio libre Margen de desvanecimiento (FM) Pérdidas por alimentador, de las tablas tenemos que este valor es 0.6 dB por cada 100 m, calculamos para nuestra distancia que es 40 m para ambos lados del enlace, aplicando una regla de tres obtenemos:

Pérdida por alimentador (dB) por 100 m 0.6

Pérdida por alimentador (dB) 0.24 Para obtener las pérdidas por espacio libre, se utiliza la expresión siguiente: Lp= 20 log(4π*1000*1000000000/c) + 20 log (f) +20 log (d) Donde: f= frecuencia de operación. d=distancia del enlace. Al realizar la sustitución de valores en la fórmula obtenemos:

Lp= 138.638653 dB El Margen de desvanecimiento o FM, se calcula con la siguiente fórmula: FM= 30log d + 10 log (6*A*B*F) - 10LOG (1-R)-70, Donde: A= 1 B=0.25 F= frecuencia R= confiabilidad del sistema (se utiliza una indisponibilidad de 6min anuales) , al sustituir valores en la formula obtenemos:

FM= 28.2023767 dB

93

Ahora procedemos a sustituir valores en la formula: Prx= Potencia de salida – P. alimentador - Pérdida por misceláneos + Ganancia antena Tx – Pérdidas por espacio libre + Ganancia Antena Rx – Pérdidas por alimentador - Pérdida por misceláneos – F.M

Prx =-10-0.24- 1.5 + G antena -138.638653 + G antena -0.24-1.5-28.2023767 Despejando para encontrar el valor de la ganancia de las antenas:

-2Gantena + PRX= -11.74 -138.638653-29.943767

-2G antena= -180.32242 – P RX Asumiendo que el Prx máximo es el umbral que tenemos para el equipo con un BER 10-6 que es de -86 dBm, tenemos en dBwatts -116, sustituimos este valor en la expresión y tenemos: 2G antena= 180.32242 + PRX G antena= (180.32242 + (-116)) /2 La ganancia de antena requerida es de:

G antena= 32.16121 dB

Por lo que de las tablas de la ITU buscamos una antena que se aproxime al valor de la ganancia calculada:

Tabla 19. Ganancia de antenas

Ahora si conociendo el diámetro y ganancia de la antena procedemos a realizar el cálculo correspondiente del enlace:

94

Tabla 20. Cálculo del enlace BTS Villa de Reyes – BTS Villa de Arriaga

De la tabla 20 anterior tenemos el diagrama final del enlace BTS Villa de Reyes – BTS Villa de Arriaga: En la figura 70 se observa el diagrama del sistema final, ya con todos los parámetros necesarios para el establecimiento del enlace.

Frecuencia en GHz

Distancia (Km)

Confiabilidad del enlace anual (min)

Sensibilidad de equipo (dBm)

Sitios SITIO VILLA DE REYES SITIO LAGUNA DE SAN VICENTE

Latitud 21°48'15.87"N 21° 56' 00.59'' N

Longitud 100°55'43.09"O 100° 51' 34.49'' O

Altura sobre nivel del mar 1810 1810

Altura de antena 30 30

Azimuth 26.14° 206.39°

Potencia de salida (dBw) -10 -10

Pérdidas por combinador (dB) 1.5 1.5

Pérdidas por alimentador (dB) 0.24 0.24

Ganancia de antena (dBi) 35.7 35.7

Diametro de antena (cm) 60 60

Longitud Feeder (m) 40 40

Pérdidas por espacio libreFading Marging

Nivel de potencia de salida (dBw)

Nivel de potencia de salida (dBm)Nivel de señal de recepción (dBw)

Nivel de señal de recepción (dBm)

20

-108.9210293

-78.92102934

138.638652628.20237675

-10

Datos para calcular el enlace Villa de Reyes - Laguna de san Vicente

13

15.7

0.999988584

-86

95

Figura 70. Diagrama de sistema final.

PARARRAYOS

0.30

PARARRAYOS

ANTENA PROPUESTADIR: BTS LAGUNA DE SAN VICENTEAZIMUTH: 26.14ALTURA : 30 m DIÁMETRO: 60 cm

ANTENA PROPUESTADIR: BTS VILLA DE REYESAZIMUTH: 206.39ALTURA : 30 m DIÁMETRO: 60 cm

DISTANCIA DEL ENLACE15.7 km

BTS LAGUNA DE SAN VICENTEBTS VILLA DE REYES

2E1 , transportando el tráfico de la BTS Villa de Arriaga y Villa de Reyes con una PRX = -78.92 dBm y Pol. Vertical

96

Conclusiones generales

De lo anterior podemos concluir, primeramente que es factible la instalación del enlace de microondas entre la BTS Villa de Reyes y la BTS Laguna de San Vicente, para transportar el tráfico GSM generado por las BTS Villa de Reyes y Villa de Arriaga. También podemos concluir que el trabajo realizado en escritorio para determinar la línea de vista entre los poblados de Villa de Reyes y Laguna de san Vicente fue correcto, por lo tanto el utilizar las cartas topográficas para hacer un estudio previo de la orografía de una región es necesario antes de acudir a una visita de campo. De la visita de campo y de los datos obtenidos en la página de Internet del INEGI, podemos concluir también que es factible la instalación de una BTS en Villa de Reyes, ya que el número de habitantes que usarán el servicio de telefonía celular, justifica la instalación de la BTS. Es concluyente también que el utilizar un enlace de microondas, reduce considerablemente los gastos, para comunicar las BTS que componen una red celular de GSM, ya que aprovechamos las bondades de un medio de propagación que es el aire y también utilizamos los beneficios de la teoría electromagnética, para transportar de forma eficiente y segura los datos generados en cada estación base.

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Bibliografía

(1) Matthew N.O. Sadiku, 3ª edición, “Elementos de electromagnetismo”, Oxford University, 2003, págs. 281-283, 410, 423-428, 435-438

(2) Wayne Tomasi, 4ª edición, “Sistemas de comunicaciones electrónicas” Prentice Hall, págs. 455-464, 708-710, 743-744, 894-898

(3) Marcos Faundez Zanuy, “Sistemas de Comunicaciones”, 2001 Marcombo, págs. 20-36

(4) Simon Haykin, 1ª edición , “sistemas de Comunicación”, 2001, Limusa págs. 183-209

(5) William H. Hayt, Jr. 7a edición “Teoría electromagnética”, 2006, McGraw-Hill Interamericana, págs. 396-399

(6) Trevor Manning, “Microwave Radio Transmission Design Guide”, Artech House, págs. 9, 12, 46, 75-76

(7) David M Pozar, 4th edition, “Microwave Engineering”, Wiley, págs. 605, 613, 615, 618, 627-628, 631, 637

(8) Kai Chang, “Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, Wiley-Interscience, págs. 81, 127, 503, 2813, 2818, 2871

(9) http://www.sdeslp.gob.mx

(10) http://www.inegi.gob.mx

(11) Google earth

Enlace de Microondas Entre Villa de Reyes y Laguna de San Vicente en El Estado de San Luis Potosi[1]

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