VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) y DTF (Distance To Fault)

En una instalación de un nuevo sistema celular, sea una nueva estación base celular (EBC) o una ampliación de una celda ya existente, es muy importante siempre tomar en cuenta el performance del sistema radiante.

Para verificar la calidad de la instalación del sistema radiante, se necesita de dos parámetros clave que deben estar dentro de los rangos límite establecidos por el cliente (Telefónica, Claro o Nextel): el VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) o ROE (en español, Relación de Onda Estacionaria) y el DTF (Distance To Fault). Cabe resaltar que estas medidas se aplican sólo a los sistemas que usan cable coaxial como medio de transmisión. Estas mediciones no se aplican en los sistemas que usan Fibra Óptica, ya que en la práctica, como sabemos, la F.O. se considera como un medio perfecto, sin pérdidas ni atenuación.

Daremos una breve descripción de los conceptos de cada uno de ellos para entender su importancia dentro de la telefonía móvil:


VSWR

Una línea de transmisión ordinaria es bidireccional; la potencia puede propagarse, igualmente bien, en ambas direcciones. Llamaremos voltaje incidente al voltaje que se propaga desde la fuente hacia la carga y voltaje reflejado al que va desde la carga hasta la fuente.

En términos de potencia, la potencia reflejada es la porción de potencia incidente que no fue absorbida por la carga. Por lo tanto, la potencia reflejada nunca puede exceder a la potencia incidente. Estas dos ondas viajeras (potencia incidente y reflejada) están presentes en la línea de transmisión todo el tiempo y ambas, en conjunto, establecen un patrón de interferencia conocido como onda estacionaria. A estas ondas se les llama así porque parece que permanecen en una posición fija en la línea, variando solamente en amplitud.

La relación de onda estacionaria (VSWR) se define como la relación del voltaje máximo con el voltaje mínimo de una onda estacionaria en una línea de transmisión, por lo tanto, no tiene unidades. En términos de voltaje, es la división de la suma del voltaje incidente más el voltaje reflejado entre la diferencia del voltaje incidente menos el voltaje reflejado. Esencialmente, la VSWR es una medida del desacoplamiento de todas las cargas en el sistema radiante (feeders, jumpers, conectores, antenas, y otros dispositivos que formen parte del sistema radiante).

La variación del VSWR depende mucho de la variación de las ondas existentes en una línea de transmisión, pero principalmente, de la onda reflejada. En términos prácticos, un feeder golpeado, un conector mal hecho, un mal ajuste en el empalme de dos conectores o un puerto de antena oxidado hacen que la impedancia de la línea de transmisión varíe en toda su longitud y a su vez hará que la onda reflejada incremente, por lo que, en consecuencia, el valor de VSWR se elevará.

DTF

El DTF (Distance To Fault) es otro de los parámetros de calidad de instalación del sistema radiante. Su propósito es verificar que no haya malas conexiones u otras fallas (conectores mal hechos, cables golpeados, conectores oxidados, antenas en mal estado, etc) en el sistema radiante. Además calcula la longitud del feeder para ser usado en el cálculo de atenuación del feeder.

Básicamente es una gráfica de VSWR vs distancia, es decir, indica la distribución del VSWR por toda la longitud de la línea de transmisión, incluso hasta llegar a la antena.

Este es un parámetro clave en la determinación de fallas, ya que nos permite la detección de errores para su posterior corrección.

Site Master

Para la medición del VSWR y DTF se usa un equipamiento especial llamado Site Master. La marca más popular y comercial es Anritsu. Anritsu proporciona diversos modelos con funciones específicas de acuerdo a su uso y aplicación, desde las más simples hasta las más sofisticadas. Las más comerciales usadas en Perú actualmente son las series S331B, S331D, S332C y S332D.

El Site Master proporciona una interfaz amigable para el usuario, con botones bien marcados, identificando cada uno la función que empeña. El modo de uso y la descripción serán temas de otro post, por ahora sólo nos limitaremos a saber su función dentro del campo de las comunicaciones móviles.

Cabe resaltar que este equipo permite una comunicación serial con la PC, en el cual se pueden descargar las mediciones grabadas y tener una mejor administración y observación de nuestras medidas tomadas.

 Valores límite de VSWR y DTF en Perú

En el próximo post se publicará detalladamente el uso del Site Master y se dará ejemplos de cómo calibrar el equipo, cómo medir un feeder y cómo guardar una gráfica del Site Master.


Fuente:

• "Sistemas de Comunicaciones Electrónicas", Cuarta Edición, Wayne Tomasi

Tutorial básico de Radio Mobile

Radio Mobile es un simple y a la vez eficaz software de simulación de radioenlaces, usado para cálculo y diseño de enlaces microondas punto a punto, punto a multipunto o una red de microondas.

Es una herramienta básica, la cual nos muestra mediante gráficos los datos básicos en un diseño de enlaces, tales como zonas y radios de Fresnel, cotas de los puntos geográficos (si existe o no línea de vista), valores de curvatura de la tierra (el elemento "K"), coordenadas geográficas, distancia entre puntos, etc. El modelo que presenta Radio Mobile es un modelo que se asemeja a la realidad, y hasta se puede simular los niveles de potencia de las IDU y las ganancias de las antenas, diseñando de tal manera el nivel de recepción que deseemos.

La gran ventaja sobre otros simuladores es que este es un software de libre distribución, a diferencia de otros que cuentan con licencias y se actualizan con claves de activación.

Ya que este blog trata sobre Comunicaciones Móviles, le daremos la aplicación a la red GSM, descrita en la entrada anterior.

Básicamente una estación base celular (de ahora en adelante la llamaremos EBC) está compuesta por los siguientes elementos:

• Equipo de Radio Base (RBS, Radio Base Station).
• Equipo de transmisiones (Consiste en una o varias IDUs (InDoor Unit) y una o varias ODUs (OutDoor Unit)).
• Tablero de Energía (Usado para energizar los equipos)
• Pozos a tierra (Aterramiento de equipos)
• Sistema Radiante (Constituye la torre, los cables o feeders y las antenas instaladas en la torre)

La relación entre estos elementos es la siguiente: el tablero de energía es el encargado de distribuir la energía para los equipos instalados en la EBC. Todos los equipos, incluyendo el sistema radiante, deben ir aterrados a las barras de tierra que a su vez están interconectadas con todos los pozos de tierra existentes en la EBC. La RBS se encarga de generar y procesar las señales de RF que recorren por los feeders hasta llegar a las antenas, en donde las señales RF se liberan al espacio dándonos cobertura celular. El equipo de transmisión se encarga de enlazar la EBC con otra estación (que contiene los equipos de conmutación y BSCs) para su Operación y Mantenimiento (OSS). Luego de esta breve explicación, nos centraremos en la simulación del enlace entre la EBC y la otra estación, comúnmente llamada URA.

ODU + Antena tipo tambor

IDU

Tutorial de Radio Mobile

1. Descargar e instalar el ejecutable .exe del siguiente enlace:

Radio Mobile Setup

2. Abrir el programa y dar click en File -> New Networks para crear un nuevo proyecto. Click en OK y dejar todos los valores por defecto. Networks indica la cantidad de enlaces entre EBCs, Units son las EBC (en nuestro caso) y Systems son los enlaces entre Networks.

3. Click en File -> Map Properties. Aparecerá la siguiente pantalla:

En la parte superior izquierda se muestra el centro del mapa localizado por la latitud y la longitud. La casilla "Use cursor position" indica que el cursor del mouse nos llevará a la posición que queramos cuando tengamos el mapa abierto. El botón World Map nos lleva al mapa del mundo. En "Select a city name" se muestra una lista de ciudades, si se encuentra la ciudad donde queremos realizar el radioenlace, es sólo cuestión de buscarla. La manera más exacta de encontrar un mapa es en la casilla "Enter LAT LON or QRA", aquí ingresaremos la latitud y longitud del lugar de nuestro radioenlace. En mi caso ingresaré las coordenadas de la EBC Villacuri 2, ubicada en Ica, en donde estuve últimamente trabajando.

La otra opción como la mencionamos sería la siguiente: Click en Select a city name y escoger la ciudad. Nosotros tomaremos la primera opción.

Click en OK y luego en Extract. Esperamos a que se descarguen los mapas de los servidores y después de un momento se mostrará el mapa de relieves. Para una mejor vista, ingresamos nuevamente a File -> Map Properties y le damos click al cajón Merge pictures, luego a Extract. Nos aparecerá el siguiente cuadro:

Como se ve en la figura, existen diversos servidores que nos proporcionan diversas fuentes de mapas. Para mapas políticos, escogemos la opción "Internet OpenStreetMap" y click en Draw. Nos aparece lo siguiente:

4. A modo de ejemplo haremos un enlace entre la EBC Villacuri 2 y la ciudad de Ica. Colocamos el cursor sobre la coordenada que especificamos y nos vamos a File -> Unit properties y aparecerá lo siguiente:

En el campo "Name", ingresamos en nombre de la EBC, en nuestro caso EBC Villacuri 2, click en "Place unit at cursor position" y le damos OK. Para la estación en Ica, elegimos Unit 2 y le ponemos un nombre. Click en OK y aparecerá lo siguiente:

5. Ahora estableceremos nuestra red de radioenlace. Para ello nos vamos a File -> Network properties. Se tendrá lo siguiente:

En la pestaña "Parameters" escogemos las frecuencias y el tipo de polarización de las antenas, la refractividad de la superficie, la conductividad de la tierra y la permitividad relativa, así como también el clima. En este caso usaremos las frecuencias 14.6 GHz y 15.16 GHz en polarización horizontal. Los demás valores quedarán por defecto. En "Topology" escogemos el tipo de señal a transmitir. En la pestaña "Membership" estableceremos las dos unidades que anteriormente definimos para crear el radioenlace, y se escogerán el tipo de nodo Command, Subordinate o Rebroadcast (Máster, esclavo o repetidor), así como la altura de la antena. En "Systems" elegimos Mobile y tipo de antena "yagi.ant", ya que se aproxima más a una antena direccional tipo tambor, ingresamos la potencia de transmisión, pérdida de feeders. Se tendrá lo siguiente:

Después de configurar lo anteriormente mencionado, click en OK y nos vamos a View -> Show networks -> All para ver el enlace:

6. Para terminar con el enlace y obtener el link budget, nos vamos a Tools -> Radiolink. Se tendrá lo siguiente:

Ya que hemos usado uno de los puntos sin verificar las coordenadas (EBC Ica), según nuestra gráfica, no tenemos línea de vista. Una solución sería instalar un repetidor en la cota más alta de nuestra gráfica, en este caso en el pico ubicado en el medio. Sin embargo, se debería conocer el acceso al lugar, si es posible o no desplazar personal hacia ese punto y muchos otros factores como la energía y la construcción de una nueva torre. Otra solución, en este caso ficticia, sería elevar la altura de las antenas. Realizando pruebas con varios valores, se obtuvo lo siguiente:

Elevando la altura de las antenas, en la EBC Villacuri a 150 m y en la EBC Ica a 300 m respectivamente, se obtuvo línea de vista. Pero sabemos que es imposible construir torres de tal altura, además que los costos se elevarían. En la parte superior se muestran los datos del enlace establecido. Para lograr un umbral de recepción, sólo se setean los datos tales como las potencias de los transmisores, ganancias de antenas, etc.

Como lo ven, es un software muy útil y sencillo para calcular los radioenlaces. No sólo es usado para enlaces punto a punto, como en este caso, sino también para redes punto - multipunto, incluyendo estaciones repetidoras.

Cabe resaltar que existe un software aun más completo, llamado Path Loss, que contiene una base de datos de equipos y antenas reales, con variedad de modelos. Pero este ya será tema de explicación en una futura entrada a este blog.