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Diseño de Radioenlaces Emprendedores en WiFi Merida, marzo 2007 Ermanno Pietrosemoli Escuela Latinoamericana de Redes [email protected]

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Diseño de RadioenlacesEmprendedores en WiFi

Merida, marzo 2007

Ermanno PietrosemoliEscuela Latinoamericana de Redes

[email protected]

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Agenda

Factores de diseñoProspección de sitio (Site Survey)Software para radioenlaces

Ejemplos de radioenlaces

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Diseño de Radioenlaces

Elección de la frecuenciaPerfiles de trayectoriaPresupuesto de potenciaArea de coberturaProspección de sitios

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Perfil de la trayectoria

Línea de VistaFactor K (Curvatura Terrestre).

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Perfil de la trayectoria

En un mapa con curvas de nivel se traza una recta entre transmisor y receptorSe procede a leer en cada intersección de la recta con las curvas de nivel la altura del punto y la distancia desde el transmisorSe traza entonces un diagrama de alturas versus distancia para diferentes condiciones de propagación

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Perfil de la trayectoria

K = 4/3, 90% del tiempo, la constantedieléctrica disminuye con la alturaalcance 1/3 más allá del horizonte

K = infinito, trayectoria rectilínea

K = 2/3, curva hacia arriba,menor alcance, 0.6 de F1 en enlaces críticos

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Perfil de la trayectoria

Factor K

TierraTierra

HorizonteHorizonte OpticoOptico HorizonteHorizonte Radio con K= 4/3Radio con K= 4/3

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Perfil de la trayectoria

Presencia de objetos en la trayectoria.FollajeSuperficies planas y trayectoria sobre aguaZonas de Fresnel

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Primera Zona de Fresnel

Food Mart

Direct Path = L

First Fresnel Zone

Reflected path = L + λ/2

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Despeje de obstáculosDistancia en km 1ra Zona 0.7 *1ra Zona de Fresnel Curvatura TOTAL

de Fresnel @ 2.4 GHz en metros Terrestre metros1 5.5 3.9 0.0 3.9 2 7.8 5.5 0.2 5.6 3 9.6 6.7 0.4 7.1 4 11.1 7.7 0.7 8.4 5 12.4 8.7 1.0 9.7 6 13.6 9.5 1.5 11.0 7 14.6 10.2 2.0 12.3 8 15.6 11.0 2.7 13.6 9 16.6 11.6 3.4 15.0 10 17.5 12.2 4.2 16.4 11 18.4 12.8 5.0 17.9 12 19.2 13.4 6.0 19.4 13 19.9 14.0 7.0 21.0 14 20.7 14.5 8.2 22.7 15 21.4 15.0 9.4 24.4 16 22.1 15.5 10.7 26.2 17 22.8 16.0 12.0 28.0 18 23.5 16.4 13.5 29.9 19 24.1 16.9 15.0 31.9 20 24.7 17.3 16.7 34.0 25 27.7 19.4 26.0 45.4 30 30.3 21.2 37.5 58.7

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Zonas de Fresnel

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Perfil de la trayectoria

Cómo obtener perfiles:Mapas topográficosGPSRecorrido de la trayectoriaProgramas para trazado de trayectorias y DEM

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Perfil de la trayectoria

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

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Potencia Versus Distancia

Rx

Gr

Tx

Gt

AtAr

Pr

Pt

Pérdida en el espacio libre

dBm

km

L= 32,4+20 log(d/km)+20 log(f/MHz)

SensibilidadDel Receptor

Margen

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Ej. De Presupuesto de potenciaPotencia de transmisión +25dBmPérdida en los cables -1dBPérdida en el Diplexer de TX -2 dBPérdida en el Cable de TX -2.5 dBGanancia de la antena TX +21 dB PIRE: 40.5 dBmPérdida en el espacio libre (FSL) -124.5 dBGanancia de la antena RX +21 dBPérdida en el Cable RX de -2.5dBPérdida en el Diplexer de RX -2 dBPérdida en Cable -1 dB

---------------Nivel de Señal Recibida = -68.5dBm

PIRE: Potencia Isotrópica Readiada EquivalenteEIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power

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C/N

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

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C/N (ejemplo)

RSSL = –68dBmAncho de banda del radio 6MHz, noise figure (cifra de ruido) 9dBEl ruido visto es: –97.8 dBmC/N es: 29.8dB

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Area de Cobertura

Area de cobertura con la antena inclinada 10 grados hacia abajo

Estación Base

Area de cobertura con la antena vertical

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Area de Cobertura

Antena Ancho del haz en Acimut 16 gradosAncho del haz en elevación 10 grados

Antena sin Down Tilt

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Más allá de la línea de vista..

Es posible la recepción, pero la atenuación es mucho mayorEl problema de la multitrayectoria se agravaSe han propuesto soluciones basadas en OFDM (Orthogonal Frequency Diversity Modulation) y MIMO (Multiple Input- Multiple Output)

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Est.1

PC Card

pigtail

Lightning Protector

Cable RF Antena

Est.2

PC Card

pigtail

Lightning Protector

Cable RFAntena

+ Potencia de Transmisión

- PérdidaCable/conectores

+ Ganancia de la Antena + G.de la Antena

-PérdidaCable/conectores

RSL (receive signal level) > sensitivity + Margen

- Pérdida en el espacio libre

TierraTierra

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Est.1

Tx =15 dBm

1.3 dB

.7 dB

50 ft.LMR 400

3.4 dB 24 dBi

Est.2

Rx = -82 dBm

1.3 dB

.7 dB

50 ft.LMR 400

3.4 dB24 dBi c

La señal recibida debe estar por encimade la sensibilidad del receptor

(-82dBm para 11 Mbit/s)

A este exceso se le llama margen de desvaneciniento

Margen de desv. mínimo = 10 dB

En ciudades, preferible = 15dB

En condiciones adversas = 20dB

S. Recibida: RSL > -82 + 10 = -72dBm

Margen del sistema en 2.4 GHz

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Ejemplo de Cálculo

Est.1

Tx =15 dBm

1.3 dB

.7 dB

50 ft.LMR 400

3.4 dB 24 dBi

Est.2

Rx = -82 dBm

1.3 dB

.7 dB

50 ft.LMR 400

3.4 dB24 dBi

RSL > PTx – P. Cable + G. Antena – Pérdida en el esp. + G. Antena –P. Cable

16 Km = - 124 dB

+ 15 dBm

- 2 dB

- 3.4 dB

+ 24 dBi

- 124 dB

+ 24 dBi

- 3.4 dB

- 2 dB

- 71.8 dB > -72

Si RSL < -72 dBm se necesita mayor gananciade antenas o cables con menos pérdidas.

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Curvatura Terrestre

Despeje de obstáculo

Despeje de la z. de FresnelAltura de

AntenaAltura de Antena

Despeje en el punto medio = 0.6F + Curvatura Terrestre + 3 cuando K=1

Radio de la 1era z. de Fresnel (metros) F1= 17.3 [(d1*d2)/(f*D)]1/2 donde D=trayecto en km, frecuencia (GHz), d1= distancia de la Antena 1(km) , d2 = distancia de la Antena 2 (km)

Curvatura Terrestre h = (d1*d2) /2 donde h = elevación sobre el horizonte , d1 & d2 distancia de las antenasrespectivas

Despeje de la curavtura terrestre

•4 m para un trayecto de 10 km

•61 m para 40 km

Despeje de Fresnel = 0.6 de la 1era z. Fresnel

• 9 m para un trayecto de10 km

•17 m para un trayecto de 40 km

Altura de las antenas

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Alternativas

Otros cables: LMR 400 = 6.8 dB 100 ft, LMR 600 = 4.5dB/100ft, LMR 1800 = 2.5dB/100ft, 2 1/4”

Heliax = .98 dB foot

Montaje en torre del AP-1000 caja a prueba de intemperie y ventilada. Requiere protección contra rayos y energía. Mantenimiento en torre

Uso de amplificadores: añaden ruido por lo que la relación S/N no aumenta tanto e incrementan la interferencia a otros usuarios. Constituyen otro punto de falla.

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Reflexiones

Path 6cm ( 1/2 λ) longer

La señales sufren un defasaje de 180° ( 1/2 λ) al reflejarse

Mover la antena aún sólo 6 cm essignificativo

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Reflexiones

Antenas de mayor directividad vertical, o apuntadas hacia arriba para disminuir las reflexiones desde el terreno.Evitar trayectorias sobre agua.

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Reflexiones

Las reflexiones pueden ser tambien laterales y desde atrás

6 cm hacen la diferencia

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Propagación

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Radio Mobile

Software para el análisis de redes y sistemas inalámbricosRealizado por: Roger Coudéhttp://www.cplus.org/rmw/english1.html

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

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Análisis de Terreno

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

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Qué hace el Radio Mobile?

Utiliza el modelo de propagación de Longley-RiceTraza el diagrama de perfil, lo que permite verificar la existencia de línea de vista (LOS). Calcula la pérdida en el espacio libre y la debida a obstruccionesPuede crear redes de diferentes topologías (redes Master/Slave, Point to Point PTP y Point to MultipointPMP).Calcula el área cobertura de una radio base (útil para sistemas PMP punto – multipunto).

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Qué necesitamos para crear una red?

De la lectura de los GPS obtenemos las coordenadas de los puntos de interés por ejemplo de la radio base (BS, Base Station) y del suscriptor (SU, subscriber Unit o CPE).

Longitud y latitud en grados, minutos y segundos o en coordenadas UTM

Necesitamos conocer las especificaciones técnicas del sistema a instalar:Topología de la red (Point to Point o Point to multipoint).Ganancia de antenas en dBi.Máxima potencia de Transmisión (W o dBm).Atenuación en los medios de transmisión entre el Tx y la antena (Pérdida de cables, conectores, etc).Nivel umbral de recepción (dBm).Altura de las antenas.Frecuencia de operación.Polarización de las antenas (horizontal o vertical).

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Configuración básica del Radio Mobile

Configuración paso a paso:1. View menu, seleccione World map. Coloque el cursor en del área que le interesa y seleccione un punto, se mostrará las coordenadas.2. File menu, Seleccione Map properties. Esta parte abre una nueva pantalla que muestra todos los parámetros y controles para crear una red. pulse “use cursor position”. 3. Opcionalmente puede seleccionar la ciudad o puede ingresas las coordenadas conocidas por medio de un GPS.4. Seleccione la base de datos e indique en dónde se encuentra almacenada ésta en su disco duro.5. Seleccione el tamaño, por ejemplo 400x400 pixels y10 km de tamaño del mapa.6. Cuando esté listo para generar dicho mapa presione apply.7. Si ocurre algún error en este proceso, verifique cuidadosamente la base de datos y repita los pasos desde el 2 hasta el 6.8. En File menu, Seleccione New picture (Vea en la parte de File, New Picture como crear un mapa, con qué resolución y si lo quiere en escala de grises o a color).

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Cobertura y análisis de radioenlaces

Como crear el Radio Enlace:Debemos tener al menos dos puntos ubicados en el mapa, con sus respectivas coordenadas.Abra una nueva vista con uno de los siguientes botones que muestra el radio mobile en la barra superior: (ver Radio link and systemperformance) o en Tools Radio Linkpara desplegar el enlace de radio.Aquí podrá observar todos los detalles, análisis, LOS, y todos los parámetros en un sistema inalámbrico (Path Loss, y el link budget).

Visual coverage:Permite tener una vista tridimensional del terreno

Cobertura de Radio:Indica el nivel de señal recibida en las zonas que rodean la radio base

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Prospección (SITE SURVEYING)

La prospección es el paso más importante en la planificación de un sistema inalámbrico.Aquí se levantan todos los datos requeridosAnotar el nombre de la persona que autoriza el acceso al techo y su telef.

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Conclusiones

Herramientas para prospecciónde sitios (Site Survey)Altímetro

Globos InflablesEspejos o LucesCámara Digital

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Prospección (SITE SURVEYING)

Items necesarios para la prospección:Mapas con una escala adecuadaTelescopio, binóculo y brújula o TeodolitoGPS, altímetro de precisiónCámara fotográfica, preferiblemente digitalGorra y lentes de sol, paraguasEspejo (CD) o luz potenteGlobo con helio y cinta métricaLaptop con tarjeta inalámbrica y software para medir la potencia recibida, WiSpyAnalizador de espectro y antena de prueba

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Prospección (SITE SURVEYING)

Items necesarios para la prospección en sitios elevados:Si va a subir una torre lleve el arnés de seguridad y guantesPermiso para acceder a la azotea y telefóno de la persona autorizadaAveriguar quien tiene la llave de la azoteaEscalerasChequear la disponibilidad de enrgía eléctrica, pararrayos y puesta a tierra

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Caja para montaje a la intemperie

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Caja para montaje a la intemperie

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Hacia donde vamos?

NoNoNoNoNoSi (PoC)NoSi (PoC)Soporte de PTT (pushto talk)

2-6 GHz2-11 GHz5 GHz2.4 GHz2.4 GHz400, 800, 900, 1700, 1800, 1900 MHz

1900 MHz1800, 1900, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 MHz

Frecuencia

1-3 millas4-6 millas300 pies300 pies300 pies1-5 millas1-5 millas1-5 millasRango

Hasta 30 Mbps(10 MHz)

Hasta 75 Mbps (20

MHz)

54 Mbps54 Mbps11 MbpsHasta 2.4 Mbps.

Típicamente entre 200 Kps

y 300 Kbps

Hasta 384 Kbps

Hasta 2 Mbps. Con

HSPDA hasta 10 Mbps,

actualmente 3.6 Mbps

Throughput

WMAN portátilWMAN fijoWLAN fijo

WLAN fijo

WLAN fijo

WWAN móvil

WWAN móvilWWAN móvil

Uso

802.16d802.16e802.11g802.11g802.11b3G2.5G3GEstándar

WiMaxWiMaxWiFiWiFiWiFiCDMA2000 -1x EVDO

EDGEWCDMA/UMTS

Wireless Technologies

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Antenas para enlaces punto a punto

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Lightning Arrestor

Diseñado para protegeral equipo de las subidas detensión provocadas por descargas eléctricasSe coloca en serie con elcable de antena y tiene una conexión para puestaa tierra

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Sellado de conectores

Causa principal de problemas: entrada de humedadProtección cuidadosa de todos los conectores a la intemperieEl “teipe” eléctrico no es suficiente. Tres capas.

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Recapitulando

Determine existencia de línea de vista y despeje de Fresnel, posibles puntos de reflexiónRequerimientos de antenas para el margen de confiabilidad deseado.Tipo, longitud y pérdidas de todos los cables requeridos. Ruta de los cablesAnálisis de la interferenciaProtección contra rayos y fluctuaciones de tensión, puesta a tierra y suministro de energía.Considerar la conveniencia de usar PoE