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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORALFacultad de Ingeniería en Electricidad y Computación

"Propuesta de Solución a la falta de cobertura celular en los túneles del Cerro del Carmen"

PROYECTO DE TÓPICO DE GRADUACIÓNPrevia a la obtención del Título de:

INGENIERO EN ELECTRICIDADESPECIALIZACION: ELECTRÓNICA

Presentado por

Luis Torres GarcésOtto Franco Sotomayor

Guayaquil - Ecuador2006

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Problema de la cobertura de RF celular en estructuras sólidas

Areas donde los sistemas convencionales no pueden penetrar: edificios y túneles

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Situaciones que requieren una extensión de la cobertura

1. Puntos Muertos: Esta clase de situación surge donde es imposible establecer comunicación debido a que la señal es débil o prácticamente no-existente. Ejemplos típicos son túneles de carreteras y túneles subterráneos.

2. Puntos Congestionados: Hay áreas que pueden fácilmente congestionarse con un gran número de usuarios convergiendo al mismo tiempo. Esto sucede típicamente en áreas de oficina, aeropuertos, etc. Para prevenirlo, las celdas de radio son divididas en microceldas y aún en picoceldas, así podemos obtener el mayor uso del espectro de frecuencia asignado. Esto significa un incremento en el número de canales de radio necesarios.

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Consideraciones preliminares de diseño de sistemas de túneles

•Número de los servicios requeridos.

•Localización del cable radiante.

•Localización de amplificadores.

•Localización del equipo de la estación base.

•Handover

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Consideraciones preliminares de diseño de sistemas de edificios

•Servicios múltiples.

•Ubicaciones del equipo.

•Mantenimiento de la apariencia.

•Instalaciones dificultosas.

•Optimización de mantenimiento.

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Ancho de banda de la señal de RF

•En sistemas actuales como GSM se maneja un ancho de banda operativo de 200 Khz (10 veces más ancho que los sistemas de banda angosta). CDMA utiliza un ancho de banda de 1.25 Mhz

•Con el ancho de banda incrementado se debe observar no solamente el perfomance en amplitud del enlace de RF sino también el ancho de banda coherente de los dispositivos radiantes.

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Ancho de banda coherente

•Se refiere a la cantidad de transferencia de energía útil que puede ser soportada mientras se mantiene la distorsión de la señal dentro de límites específicos.

•En el espacio libre es definido por el ancho de banda operativo del sistema radiante.

• En sistemas de edificios y túneles, el ancho de banda es significativamente dependiente del ambiente en que el dispositivo se instala.

•El cable radiante puede trabajar en sistemas de RF con ancho de banda coherente superiores a 1.25 Mhz.

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Técnicas utilizadas para la cobertura en túneles y edificios

Básicamente existen dos técnicas utilizadas para cobertura en interiores:

•El sistema de cable coaxial con aberturas periódicamente espaciadas, que es utilizado como antena de estación base.

•Sistema de antenas múltiples generalmente utilizados cuando las áreas a ser cubiertas son rectas.

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Cable coaxial radiante

Tienen aislamiento entre los conductores interno y externo además de un recubrimiento periférico aislante.

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Cable en modo acoplado y modo radiante

Cable en modo acoplado:

•Tienen ranuras cercanamente espaciadas realizadas sobre un conductor externo corrugado.

•Es una estructura de onda cercana. Sus campos externos están cerradamente confinados al cable.

Cable en modo radiante:

•Tienen ranuras espaciadas no uniformemente arregladas en un patrón periódico, realizadas sobre un conductor externo flexible.

•Puede irradiar en espacio libre, aunque sus campos locales son fuertes como los del modo acoplado.

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Patrón de radiación del cable coaxial en modo radiante (en el espacio libre)

•El patrón de radiación tiene un nulo angosto a lo largo del eje.

•El lóbulo principal se orienta según la dirección de la onda que viaja en el cable.

•El patrón de radiación varía según el ambiente, presencia de objetos dispersivos, etc.

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Pérdidas en que el cable radiante introduce en un radioenlacePérdida longitudinal.

También llamada pérdida por inserción. Es la medida de la atenuación que ocurre en el cable coaxial, dada en decibelios por unidad de longitud. Se debe a las pérdidas de cobre y a la potencia que es irradiada desde el cable.

Pérdida por acoplamiento.

Es una medida de la fuga de la señal desde el cable. Definida como el cociente entre la potencia del cable y la potencia recibida por una antena dipolo a una distancia determinada del cable (2 metros, 6 metros, etc.).

Ambas pérdidas son afectadas por la proximidad del cable a otras superficies u objetos

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Rango dinámico en un sistema con cable radianteEl rango dinámico de un sistema o dispositivo activo (tal como un amplificador), es el cociente expresado en decibelios de la máxima potencia de la señal que el dispositivo activo puede manejar sin distorsión dividido por la potencia mínima detectable por encima del ruido interno.

El uso del cable radiante minimiza el rango dinámico de la señal, requiriendo equipos de amplificación menos sofisticados para conseguir la integridad de la señal, y permitiendo mejores esquemas de reuso de frecuencias.

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Sistemas de Antenas Múltiples con Fibra Optica

Los repetidores de radio sobre fibra pueden llevar señales desde una simple estación base a todos los puntos cuya cobertura necesita ser asegurada.El uso de la fibra como medio de transmisión tiene importantes ventajas como:•Baja atenuación.•Impenetrabilidad a la interferencia electromagnética.•Gran ancho de banda.•Efectiva en costo.

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Escenario de aplicación de un Sistema de Antenas Múltiples con Fibra Optica

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Componentes principales de un Sistema de Radio con Fibra Optica

Un sistema de radio sobre fibra consiste de los siguientes cuatro bloques principales:

•BTS.

•Cables de Fibra Optica.

•Módulos de antena.

•Centro de administración.

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Características Técnicas de un Sistema de Antenas Múltiples con Fibra Optica•Cada microcelda del sistema puede servir a 15 usuarios simultáneamente con dos canales GSM.

•Se pueden usar secciones de fibra óptica de hasta de 5 Km.

•Simplicidad y bajo costo de la instalación.

•Flexibilidad de adaptación a diferentes estándares de telefonía móvil.

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Ejemplo de instalación en un edificio de 24 pisos.

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Potencia irradiada por cable radiante

Los cables radiantes proporcionan a los ingenieros la habilidad de controlar la potencia de radiación a lo largo de su longitud que es semejante al patrón de intensidad luminosa producida por un bulbo fluorescente, a diferencia de la emisión producida por una fuente puntual.

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Cobertura del piso de un edificio usando múltiples antenas

Se observa una distribución de antenas de fuente puntual conectadas a un cable coaxial central con uniones de 10 dB de ganancia, estas uniones proveen a las antenas extrayendo parte de la potencia coaxial sin afectar adversamente a la pérdida por inserción del sistema.

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Cobertura del piso de un edificio usando cable radiante

Se observa un cable radiante único de 150 metros de largo y 1/2 pulgada de diámetro. La atenuación del cable para este caso es de 4db por cada 30 m.

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Comparación de las coberturas con múltiples antenas y cable radiante

Se muestra la media del campo de fuerza recibido por el receptor móvil al ser desplazado a lo largo de una línea que va del punto A al B.

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Reuso de frecuencias en un edificio usando cable radiante

Se considera un edificio de 12 pisos con 25 usuarios por piso, 300 en total, que debe ser cubierto por un sistema de radio que provea cobertura a razón de 15 usuarios por canal.

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Reuso de frecuencias en un edificio usando antenas múltiples

Dentro de un sistema con antenas puntuales proveyendo la cobertura al edificio, los puntos con exceso de intensidad pueden penetrar a través de varios pisos afectando el reuso.

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Factor de perfil para el cable radiante

La definición de Factor de Perfil para cable radiante (RPF) es simplemente el cociente entre el área de cobertura en metros cuadrados y la longitud necesaria de cable radiante.

El RPF puede variar dependiendo de la construcción del edificio, la distribución de las oficinas y otras características.

Basándose en experiencias y modelos de prueba, valores más grandes que 45 metros usualmente indican que se requiere más cable para proveer una cobertura confiable.

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Factores de perfil altos y modo de resolverlo

Se muestra un piso de 9000 m², implementado con un cable de 120 m. El RPF es 75, valor demasiado alto para un cable radiante. El problema se debe a que la distancia perpendicular al cable llega a 37.5, así el piso debe ser dividido en dos áreas cada una de 37.5 m por 120 m, lo cual se muestra en la parte inferior de la figura. Cada área es recorrida por 120 m de cable radiante, requiriéndose 240 m del cable, proveyendo un RPF de 37.5 para un rendimiento aceptable sobre el área total.

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Las diferentes tecnologías de repetidores tales como cable radiante, antenas alimentadas con cable coaxial o con fibra óptica, utilizan diferentes tipos de suministro de potencia. Un gabinete central de potencia siempre es incluido, se encuentra por lo general al inicio del camino a dar cobertura, recibe su potencia desde las líneas eléctricas públicas y debe suministrar continuamente el tipo de potencia requerido por el sistema.

El gabinete puede tener fuentes de poder, baterías o convertidores DC/AC o AC/DC.

La potencia suministrada por el gabinete es extraída desde su línea de salida a intervalos de 250 a 500 m, y es entregada al sistema de radio-frecuencia.

Suministro de potencia para extensiones de red celular

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La confiabilidad del servicio no depende de la confiabilidad de la fuente de poder AC, puesto que la potencia DC puede ser suministrada por las baterías si la potencia AC falla. La unidad de radio frecuencia debe funcionar dentro del rango de voltajes que se generan cuando las baterías son cargadas y descargadas.(48 VDC ± 20%).

Sistema de suministro de potencia para el repetidor antena-antena

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El amplificador primario es similar al usado en los sistemas Antena-Antena. Sin embargo, los amplificadores secundarios pueden usar 5-50 Watts de potencia, y los voltajes de entrada requeridos por sus circuitos de radio-frecuencia pueden variar entre 5 y 12 V.

Sistema de suministro de potencia para el repetidor antena-cable.

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Se observa una amplificación en intervalos de 250/500/750 metros con una amplificación de ganancia 10/20/30 dB respectivamente en cada caso para asegurar el nivel mínimo de señal de -10 dBmV (umbral para garantizar un campo de señal que sea lo suficiente fuerte para proveer conexión entre estación móvil y repetidora).

Niveles de RF de los amplificadores secundarios

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Se muestra la potencia de radio-frecuencia introducida en la línea para las tres configuraciones en las que se amplifica la señal en intervalos de 250/500/750 metros. La potencia manejada por cada uno de estos amplificadores es proporcional a los valores de la potencia de radio-frecuencia introducida en la línea.

Potencia de RF introducida en la línea

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Se puede reducir la distancia entre los amplificadores para reducir la potencia manejada por el sistema entero. Esto es imposible por las siguientes razones:

•El costo de los amplificadores virtualmente no depende de la ganancia. Así el costo total del sistema sería demasiado alto.

•Una conexión larga en cascada de amplificadores selectivos causa una reducción en el ancho de banda en los amplificadores al final de la línea, e incrementa el riesgo de distorsión por intermodulación.

•La potencia total manejada por el sistema se incrementa proporcionalmente al número de amplificadores secundarios.

En la practica actual, los amplificadores secundarios son instalados a distancia de 250 y 500 metros.

Disminuyendo la distancia entre los amplificadores

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Los siguientes son los posibles métodos para suministrar potencia a los amplificadores secundarios.

•El uso de potencia que es independiente del amplificador primario.

•El uso de potencia que esta conectada en paralelo con el amplificador primario.

•Suministrando potencia a los amplificadores secundarios en serie al amplificador primario. Exceptuando por el primer caso, la potencia desde el amplificador primario puede ser enviada al cable usado para la transmisión de señales de radio-frecuencia o usando un cable separado.

Métodos para suministrar potencia a los amplificadores secundarios

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En sistemas donde una fuente de corriente alterna de bajo voltaje está disponible (por ejemplo en túneles subterráneos), la solución más simple es incluir una fuente de poder AC/DC junto con el amplificador.

Dado el bajo requerimiento de potencia, la fuente de poder puede ser incluida en el mismo alojamiento que contiene la circuitería de radio-frecuencia.

El uso de potencia que es independiente del amplificador primario

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Un voltaje de 60V obtenido de una batería de plomo-ácido de 30 elementos puede ser utilizada para suministrar potencia a este tipo de amplificador. Este voltaje es conectado en paralelo con el cable coaxial a través de una inductancia de desacoplamiento.

El uso de potencia en paralelo con el amplificador primario

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Cada amplificador secundario conectado en línea extrae potencia requerida para su operación (7.5 W) del lado de entrada de la línea a través de una inductancia de desacoplamiento. La misma potencia viaja a través de otra inductancia hacia el lado de salida de la línea para alimentar a los amplificadores subsiguientes.

Diagrama de suministro remoto de potencia

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El voltaje de la batería a ser considerado cuando calculamos la caída de voltaje a lo largo de la línea es el mínimo voltaje medido al final del ciclo de descarga de la batería (54V). La función relativa al diagrama del voltaje puede ser analíticamente expresada como una ecuación cuadrática con coeficientes constantes.

Voltaje en los amplificadores secundarios

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En este sistema, el punto de inestabilidad al voltaje, consumo de potencia y resistencia establecidos es encontrado exactamente en el 22º nodo, el cual está localizado a aproximadamente 5500 metros del amplificador primario.

Para extender el campo de radio-frecuencia al grado requerido y para mantener un amplio margen de seguridad, es necesario trabajar con los siguientes parámetros cuando determinemos una solución:

•Modificación de la Potencia manejada por los amplificadores

•Modificación de la resistencia de las secciones de línea entre los amplificadores

•Modificación del voltaje que alimenta el lado de entrada a la línea

Límite de distancia del sistema anterior

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Las regulaciones de seguridad limitan el voltaje sobre la línea de alimentación a un valor máximo de 72V, entonces se incluye un convertidor-estabilizador DC/DC, el cual aplica un voltaje de salida estabilizado de 70V en el extremo de alimentación del cable coaxial radiante.

Modificación del voltaje de alimentación a la entrada de la línea

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La función representada en la figura presenta una inflexión en la 29º sección, la cual está localizada aproximadamente a 7250 metros del extremo de alimentación del cable coaxial radiante.

Diagrama de voltaje a lo largo de la línea obtenido con estabilizador de voltaje DC

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El uso de un convertidor DC/DC mejora el sistema de las siguientes maneras:

•La potencia manejada por el sistema secundario es reducida, puesto que la cantidad de corriente que circula a través del cable es reducida (aún cuando la misma cantidad de potencia es manejada por cada amplificador secundario), por lo tanto tenemos una consecuente reducción de perdidas RI².

•La corriente manejada si ocurre un cortocircuito en el cable es limitada por el regulador en el convertidor.

•Impedancias de cortocircuito incrementadas hacen más fácil diseñar los dispositivos que van a proteger contra sobrevoltajes.

Ventajas del uso del convertidor-estabilizador DC/DC

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Para distancias superiores a 5000 metros, deben utilizarse uno o más convertidores del mismo tipo del que tenemos al inicio del cable. Con dos de estos dispositivos a lo largo de la línea, la longitud del cable radiante puede ser extendida a una distancia efectiva superior a 8500 metros.

Suministro Remoto de Potencia con Estabilización de Voltaje Intermedio (distancia > 5000 m)

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La inflexión de la primera curva está localizada aproximadamente en la 8º sección, la inflexión en la segunda curva se encuentra en la 20º sección, y la de la tercera curva en la 38º sección. Operando al límite de la estabilidad del sistema, es teóricamente posible alcanzar una longitud de alrededor de 12000 metros.

Diagrama de voltaje a lo largo de la línea utilizando dos estabilizaciones

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Con este método, un banco de baterías suministra 60V a un convertidor DC/DC el cual introduce (a través de un inductor) una corriente directa en el cable coaxial de una manera similar al método de alimentación de potencia en paralelo con el amplificador primario.

Los convertidores instalados en los amplificadores secundarios (cuyas líneas de alimentación de potencia están conectadas en serie) transforman esta potencia en un voltaje apropiado para la circuitería del amplificador. Los convertidores así causan una caída de voltaje sobre el cable coaxial que es proporcional a la carga transferida.

Tomando en consideración la resistencia del cable coaxial, la carga transferida (aproximadamente 7.5W) y un voltaje máximo permitido por regulaciones de seguridad (72V), la corriente óptima para introducción dentro del cable esta alrededor de los 4 A y el número máximo de unidades amplificadoras no pueden exceder de 15.

Suministrando potencia a los amplificadores secundarios en serie al amplificador primario

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Soluciones posibles para el caso de los TÚNELES DEL CERRO DEL CARMENAhora realizaremos una comparación entre los gráficos de

atenuación vs distancia obtenidos experimentalmente en túneles curvos semejantes a los del Cerro del Carmen cuando se utilizó una antena a la entrada del túnel y cuando se utilizó cable radiante.

1.- Utilizando una ANTENA a la entrada del túnel.

2.- Utilizando CABLE RADIANTE a lo largo del túnel.

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Pérdidas de la señal en un sistema con ANTENA

Pérdidas de la señal en el caso de una antena a la entrada de un TÚNEL CURVO

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Pérdidas de la señal en un sistema con CABLE RADIANTE

Pérdidas de la señal en el caso de un TÚNEL CURVO con cable coaxial radiante

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Solución propuesta para caso de los TÚNELES DEL CERRO DEL CARMEN

La cobertura celular para ambos túneles se logra a través de una unidad repetidora, una por cada túnel, cuya función es realizar el enlace con la estación base más cercana. La unidad repetidora se ubica en una de las entradas del túnel, debidamente alimentada y acoplada al cable radiante.

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Carácterísticas generales del cable radiante a utilizarse en el caso de los túneles del cerro del Carmen

•Atenuación y pérdida de acoplamiento bajos.

•Sellado herméticamente, a prueba de humedad.

•Cubierta disponible libre de halógeno y retardante al fuego.

•91% de velocidad de propagación.

•Dieléctrico de polietileno con un alto porcentaje de aire, lo cual reduce la atenuación del cable.

•Capacidad multibanda y cobertura uniforme.

Marca AirCell, fabricado por Trilogy Communications

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Pérdida longitudinal y de acoplamiento del cable radiante AirCell de 1-1/4"

Pérdida de acoplamiento medida a 2m del cable

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Especificaciones técnicas de la antena STAN15W850

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Especificaciones técnicas del amplificador ACE 1000

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Túneles: Vista General

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Túnel 1

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Túnel 2

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Cálculo de las Pérdidas en el enlace para ambos túnelesSe utilizará el cable de 1-1/4" marca AirCell, cuyas pérdidas longitudinal y de acoplamiento se obtienen de los datos del fabricante. Según estos datos este cable tiene una pérdida longitudinal de 30.3 dB/km (900 Mhz), y una pérdida por acoplamiento de 69 dB (50%).

Para el túnel de 540.50 mt. Tenemos una pérdida longitudinal máxima de (30.3dB/km)x(0.5405km) = 16.37 dB.

Para el túnel de 745.52 mt. La pérdida longitudinal máxima es de (30.3dB/km)x(0.74552km) = 22.58 dB.

La pérdida máxima del sistema se daría en el túnel más largo, siendo de 22.58 dB + 69 dB = 91.58 dB, un valor aceptable.

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Cálculo del factor de perfil (RPF) para ambos túnelesEl factor de perfil para el cable radiante (RPF) está definido como el cociente entre el área de cobertura en metros cuadrados y la longitud necesaria de cable radiante en metros. Este cálculo será realizado para cada túnel.

Túnel 1:RPF1 =(Area del túnel 1) / (Longitud del cable en el túnel 1)RPF1 =(Area del túnel 1) / (Longitud del túnel 1)RPF1 = Ancho del túnel 1 = 10 mt < 45 mt.

Túnel 2:RPF2 =(Area del túnel 2) / (Longitud del cable en el túnel 2)RPF2 =(Area del túnel 2) / (Longitud del túnel 2)RPF2 = Ancho del túnel 2 = 10 mt < 45 mt.

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Evaluación de los costos

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ConclusionesSe ha seleccionado la opción de cable radiante para la aplicación de los túneles por la mayor confiabilidad que ofrece este medio en comparación con una solución basada en antenas, así también por su fácil instalación y mantenimiento, gran ancho de banda que se adapta con facilidad a requerimientos futuros en telefonía móvil.

Las comunicaciones móviles en circunstancias especiales como en edificios y túneles es muy sensible a diferentes aspectos y en el caso nuestro analizado quizá hubiese sido más lógico incluso por costos utilizar antenas direccionales apuntando al lado de sombra de la señal, pero esta opción no nos aseguraba el control de factores como la reflexión, desvanecimiento, distribución uniforme de la potencia, que son aspectos técnicos que son necesarios considerar al momento de seleccionar una alternativa de implementación técnica, como el caso que nos ocupa. La distribución uniforme de la potencia hace que se requiera un menor rango dinámico en los amplificadores a utilizarse, simplificando el diseño del sistema.