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Capítulo IV: Planificación de radioenlaces de microondas

4.1. Flujo de planificación de radioenlaces de microondas

En la planificación de radioenlaces de microondas se debe tomar atención minuciosa a cada detalle en las etapas iniciales del proyecto, de esta forma se evitan diversos problemas durante su despliegue. El margen de error en la planificación debe ser pequeño, pues en un proyecto nuevo, la inversión en infraestructura es importante, instalar una torre en un lugar equivocado o de altura inadecuada significa un gasto considerable.

En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo con los pasos a tomar en cuenta en el planeamiento de un nuevo enlace de microondas.

Diagrama de flujo del planeamiento de un nuevo radio enlace de microondas
Figura 1. Diagrama de flujo del planeamiento de un nuevo radioenlace de microondas

Considerar que el planeamiento de un radio enlace de microondas es un proceso iterativo y variara dependiendo de las condiciones del proyecto. Los problemas de planeamiento en una zona urbana son completamente distintos a los problemas que se puedan presentar en una zona rural. El planificador del enlace debe identificar todos los pasos a seguir en cada estación y elaborar un plan de proyecto como por ejemplo un diagrama de Gantt, para así identificar y gestionar las rutas más críticas.

4.2. Proceso de planificación de radioenlaces de microondas

4.2.1. Resumen de planificación de radioenlaces

El primer paso es establecer un resumen de la planificación, se dice que la mitad de la solución reside en la definición del problema, lo cual es válido, por ejemplo, al diseñador del sistema se le dice que se requiere un radioenlace N+1 con canales STM-1 cuando en realidad una solución mucho más simple podría encontrarse si se define el verdadero fin del sistema. La planificación de radioenlaces de microondas debe estar especificada en términos de los servicios, la capacidad de tráfico, que tipo de servicios o usuarios se incorporaran en la ruta del sistema, las conexiones de los circuitos y el objetivo de calidad requerido.

4.2.2. Identificar las estaciones terminales

Es importante verificar la información de la ubicación de las estaciones, las estaciones de radio microondas permiten muy poco margen de error, pues una inexactitud de las coordenadas, y por ende de la ubicación de la estación, puede afectar de forma severa la claridad o línea de vista del enlace, en muchos casos, las coordenadas solo deben tener un margen de error de solo unos metros.

Actualmente, existen equipos sofisticados que nos permiten definir las coordenadas de las estaciones con errores por debajo de los 3 metros, como los GPS que son una herramienta muy necesaria para una correcta planificación.

GPS para planificación de radio enlace de microondas
Figura 2. GPS para planificación de radioenlace de microondas

Otra consideración importante es definir la ubicación de la infraestructura que soportará la antena, la cual debe ser congruente con la dirección donde apuntará el enlace evitando cualquier obstrucción con infraestructura existente, considerando tambien la orientación de las caras de la torre, esto para poder colocar los soportes orientados a la dirección del enlace.

Se debe tener en cuenta que la torre no debe estar muy alejada de la ubicación de la caseta donde se instalarán los equipos, por ejemplo, en equipos Indoor la perdida por la longitud de guia de onda entre antena y duplexor puede ser un factor critico.

4.2.3. Elaboración del diagrama de red

Una vez que las ubicaciones de las estaciones han sido definidas, éstas deben ser graficadas geográficamente con los circuitos y conexiones lógicas, con el fin de obtener el diagrama de red, el cual nos ayudará a definir las capacidades e interfaces de los enlaces.

Luego de determinada las conexiones de red y las capacidades iniciales, se realiza un primer borrador de los enlaces que interconectarán las estaciones terminales, quizás en un primer ensayo no exista línea de vista debido a la distancia u obstrucción de árboles, edificios, etc., entre estas estaciones, por lo tanto, se vea la necesidad de colocar estaciones repetidoras.

En algunos casos la distancia entre estaciones repetidoras puede ser mayor a los 100Km, y dependiendo la frecuencia con que se transmita, esto puede hacer que un enlace punto a punto entre terminales sea inviable, tambien, podria ocurrir que dentro de la trayectoria se encuentren obstaculos imposibles de bordear con solo aumentar la altura de las torres. Bajo estos casos, es necesario colocar uno o más repetidores dependiendo las dificultades del terreno y objetivos de diseño. Los repetidores de radio pueden ser:

  • Repetidores Pasivos.
  • Repetidores Activos.

a. Repetidores pasivos

Básicamente este tipo de repetidores son reflectores de haces radioeléctricos, estos redireccionan la señal de microondas alrededor de una obstrucción, estos tienen las siguientes ventajas:

  • No requieren energía.
  • No requieren un camino de acceso definido.
  • No requieren equipos ni casetas.
  • Son amigables con el medio ambiente.
  • No requieren casi ningún mantenimiento.

Reflectores pasivos para radioenlaces de microondas
Figura 3. Reflectores pasivos para radioenlaces de microondas

b. Repetidores activos

En muchos casos no es posible hacer uso de repetidores pasivos debido a que estos insertan perdidas de señal, lo cual hace inviable la red de microondas, en esos casos se hace uso de los repetidores activos, que a diferencia de los pasivos, utilizan equipamiento que requiere energía para su funcionamiento, básicamente captan la señal que proviene de la antena receptora y es nuevamente ecualizada, regenerada y amplificada para poder ser retransmitida por otra antena al siguiente salto.

Repetidor activo de radio enlace de microondas
Figura 4. Repetidor activo de radio enlace de microondas

Cuando se trata de estaciones que solo son repetidoras, éstas en algunos casos, no solo deben cumplir con satisfacer los requisitos de línea de vista, claridad y cálculos de enlace, es importante también considerar las facilidades constructivas, tales como accesos, personal en zona, recursos de energía, tipo de terreno, etc., en la medida como se presenten estas facilidades la implementación de una estación será o no viable en términos de costo y tiempo.

En el caso de estaciones repetidoras y agregadoras de tráfico, la ubicación depende también de la facilidad de implementar nuevos enlaces de acceso o, en el caso de estaciones de telefónica celular, la zona de cobertura; por ejemplo si se tiene la opción de elegir la ubicación de una estación repetidora y agregadora de tráfico entre dos ubicaciones se debe considerar que tipo de servicio agregará, si enlazará localidades cercanas mediante fibra o radioenlaces de acceso se debe buscar que la estación se ubique a la menor distancia hacia esta localidad, por otro lado, si el servicio a agregar es proveniente de una estación base celular ubicada en la misma infraestructura o caseta, se debe considerar ubicar la estación en el punto con la mayor cobertura de las antenas sectoriales, cuidando la linea de vista con el enlace principal.

4.2.4. Perfil del enlace

Una vez ubicadas las estaciones terminales y repetidoras, se debe establecer si éstas serán activas o pasivas y los costos asociados a su implementación, luego se procede a verificar el perfil de los enlaces; a grandes distancias es importante que la ubicación de las estaciones sea lo más exacto posible. Es importante tener en cuenta dos aspectos en la elaboración y análisis del perfil: estos son la línea de vista y la curvatura de la tierra (factor K).

a. Línea de vista

La comunicación de los radioenlaces de microondas punto a punto operan bajo un mecanismo llamado visibilidad, este nombre es debido a la similitud que presenta con la propagación de la luz. Los radioenlaces de microondas requieren de un camino libre de obstáculos entre las antenas parabólicas, esto es comúnmente conocido como línea de vista o LOS (Line-Of-Sight).

La línea de vista existe cuando hay un camino directo entre dos puntos separados, es decir, sin obstrucciones (como por ejemplo edificios, colinas, montañas, arboles, etc.) entre estos puntos. Existe dos tipos de línea de vista, línea de vista óptica y de radio (conocida como radio-visibilidad), las cuales tienen ciertas diferencias, la línea de vista óptica considera solo la visibilidad que puede proporcionar el ojo humano entre dos puntos, en cambio la radio-visibilidad toma en cuenta el concepto de los elipsoides de Fresnel y el criterio de claridad, la Figura 5 ilustra estas dos líneas de vista.

Linea de Vista óptica y Zona de Fresnel
Figura 5. Linea de Vista óptica y Zona de Fresnel

Bajo las condiciones atmosféricas normales, el horizonte óptico es cerca del 30% del radio horizonte. Por lo tanto es posible, por ejemplo, tener un radio enlace de microondas con una línea de vista óptica pero sin línea de vista de radio. Si un objeto, como una montaña o edificio, está cerca de la señal de radio, éste puede afectar la calidad de la señal, por lo tanto esta señal será recibida con menor intensidad. Esto ocurrirá si aún el obstáculo no bloquea el enlace completamente es decir si existe línea de vista óptica.

El área necesaria para evitar que la señal no se degrade es conocida como zona de Fresnel, en la práctica, esta Zona debe estar libre de obstrucciones. La línea de vista de radio es más rigurosa que la línea de vista óptica, pues la primera hace uso del concepto de la primera zona de Fresnel a lo largo del camino. El concepto de claridad indica la distancia que hay entre un obstáculo y la zona de Fresnel. Si se desea prever futuros obstáculos, tales como el crecimiento de árboles o edificios, se puede tener en cuenta en el diseño la claridad suficiente para estos futuros inconvenientes. Este concepto de claridad se debe mantener a lo largo de la trayectoria del radioenlace.

b. Curvatura de la Tierra y el Factor-K

Para entender en términos de radio propagación la curvatura de la tierra es necesario definir que es el radio efectivo de la Tierra pero antes es necesario explicar el concepto de índice de refracción

c. Índice de Refracción

La refracción es un fenómeno físico observado en cualquier medio que tiene una variación del índice refractivo; este produce el efecto de desviar los haces de luz o microondas. La refracción en la atmósfera se describe por el índice de refracción, la cual depende de la humedad, temperatura, y la presión atmosférica, todo en función de la altura.

En el vacío, las ondas electromagnéticas viajan en línea recta, pues el índice de refracción es el mismo en cualquier parte del medio. Sin embargo, dentro de la atmósfera de la Tierra la velocidad de las ondas electromagnéticas es menor que en el vacío, y el índice de refracción normalmente decrece con el incremento de la altitud, por lo tanto la onda que se propaga se inclinará hacia arriba o hacia abajo según sea la variación del índice de refracción.

Cuando el rayo presenta una desviación hacia arriba del haz directo se dice que existe una atmosfera con caracteristicas subrefractivas, cuando el rayo se desvia por debajo del haz directo se dice que existe una atmosfera con caracteristicas suprarefractivas, en otro caso sucede que el rayo queda atrapado entre capas de indice de refracción variable por lo que se genera un efecto tunel o ducto, este efecto se muestra en la Figura 6.

Rayo refractado en un radio enlace de microondas
Figura 6. Rayo refractado en un radio enlace de microondas

d. Radio efectivo de la Tierra

Debido al cambio en la dirección del recorrido de la onda radioelectrica como producto de las variaciones en el indice de refracción en la atmosfera, no se puede considerar el radio real de la tierra para efectos del calculo de la claridad en la linea de vista, en este caso se considera el radio efectivo de la tierra el cual tiene como variable el Factor-K.

El Factor-K es la relación que existe entre el radio de la tierra y el gradiente de reflexión que es la variación del índice de refracción con respecto a la altura, este tiene su valor medio el cual es aproximadamente 4/3 para una atmósfera estándar.

Cuando la atmósfera es de características sub-refractivas (valores bajos del factor K), el camino que adoptará el haz se curvará de tal manera que la tierra parece obstruir el camino directo entre el receptor y el transmisor, si se llegará a genera perdidas por este tipo de obstrucción a este fenómeno se le llama desvanecimiento por difracción. Este tipo de desvanecimiento determina las alturas de las torres y antenas. El Factor-K, se usa en los cálculos de diseño para compensar los efectos de refracción en la atmósfera.

Aplicando los valores apropiados de K, se obtiene en función del radio real de la tierra un radio efectivo, la Figura 7 muestra los valores de K y sus efectos en la geometría del haz electromagnético.

Factor de curvatura K aplicado en radioenlaces de microondas
Figura 7. Factor de curvatura K aplicado en radioenlaces de microondas

Para la elaboración de los perfiles de propagación del enlace se debe definir el área donde se implementará el radioenlace, en áreas urbanas es discutible si el perfil del enlace añade algún valor al diseño pues los datos del terreno serán insignificantes comparados con los edificios que puedan ser obstrucción al enlace, en el caso de estas áreas se ve necesario realizar un estudio de línea de vista presencial, para el caso de zonas rurales si las distancias no son mayores a 50 Km es factible realizar un estudio de línea de vista a través de brillo de espejo, sin embargo, cuando las distancias son mayores se hace casi imposible la comprobación en campo.

El método preferido para un estudio de línea de vista es a través de mapas cartográficos, los cuales usualmente pueden ser de una escala de 1:50000, para la elaboración de un perfil se ubica las coordenadas de las estaciones en el mapa y luego se dibuja una línea recta entre estos puntos, luego se toma los valores de elevación y distancia de las cotas cada intervalo, mientras más corto el intervalo entre cotas, más preciso será el perfil, después se realiza un diagrama de coordenadas de elevación y distancia con los valores obtenidos.

Se debe tener en cuenta la curvatura de la tierra, pues para un valor determinado los obstáculos pueden influir o no en el enlace. La Figura 8 muestra la elaboración del perfil del enlace según el procedimiento descrito.

Elavoración de perfiles topograficos mediante cartas geográfica y curvas de nivel.
Figura 8. Elavoración de perfiles topograficos mediante cartas geográfica y curvas de nivel.

Existen métodos computacionales para la elaboración de los perfiles, con la ayuda de tablas en hojas de cálculos o a través de software que manejen base de datos tales como Pathloss o Radio Mobile por mencionar algunos.

4.2.5. Estudio de campo

Una vez realizado el estudio de gabinete o escritorio, y el mapa de red ha sido completado con la definición de los enlaces de radio, es necesario realizar un estudio de campo presencial, esto con la finalidad de comprobar los datos obtenidos previamente, es posible que existan obstrucciones que no se muestren en los mapas cartográficos tales como árboles y edificios, estos pueden obstaculizar la línea de vista y redefinir la ruta del enlace, las coordenadas deben ser cuidadosamente comprobadas y verificadas.

Como se ha indicado, el proceso de planificación de radioenlaces de microondas es iterativo y si alguno de los pasos no cumple con las especificaciones, se debe replantear hasta encontrar el mejor diseño. El ultimo paso es la adquisición o alquiler del espacio donde se colocará la infraestructura y posterior instalación del equipamiento.

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