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

7/25/2019 Propuesta de Solucin a la falta de cobertura celular en los tneles del Cerro del Carmen

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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORALFacultad de Ingeniera en Electricidad y Comutaci!n

"Proue#ta de Soluci!n a la $alta de co%ertura celular en lo#t&nele# del Cerro del Carmen"

PRO'ECTO DE T(PICO DE )RADUACI(NPre*ia a la o%tenci!n del Ttulo de+

IN)ENIERO EN ELECTRICIDADESPECIALI,ACION+ ELECTR(NICA

Pre#entado or

Lui# Torre# )arc-#Otto Franco Sotomayor

)uaya.uil / Ecuador0112


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Pro%lema de la co%ertura de RF celularen e#tructura# #!lida#

Area# donde lo# #i#tema#con*encionale# no uedenenetrar+ edi$icio# y t&nele#


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Situacione# .ue re.uieren unae3ten#i!n de la co%ertura

1. Puntos Muertos: Esta clase de situacin surge donde esimposible establecer comunicacin debido a que la seal esdbil o prcticamente no-existente. Ejemplos tpicos son

t!neles de carreteras " t!neles subterrneos.

#. Puntos $ongestionados: %a" reas que pueden &cilmentecongestionarse con un gran n!mero de usuarios con'ergiendoal mismo tiempo. Esto sucede tpicamente en reas de o&icina(

aeropuertos( etc. Para pre'enirlo( las celdas de radio sondi'ididas en microceldas " a!n en picoceldas( as podemosobtener el ma"or uso del espectro de &recuencia asignado. Estosigni&ica un incremento en el n!mero de canales de radio

necesarios.


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Con#ideracione# reliminare# de

di#e4o de #i#tema# de t&nele#

)!mero de los ser'icios requeridos.

*ocali+acin del cable radiante.

*ocali+acin de ampli&icadores.

*ocali+acin del equipo de la estacin base.

%ando'er


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Con#ideracione# reliminare# de

di#e4o de #i#tema# de edi$icio#

,er'icios m!ltiples.

bicaciones del equipo.

Mantenimiento de la apariencia.

nstalaciones di&icultosas.

/ptimi+acin de mantenimiento.


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Anc5o de %anda de la #e4al de RF

En sistemas actuales como 0,M se manejaun anco de banda operati'o de #22 3+412 'eces ms anco que los sistemas debanda angosta5. $6M7 utili+a un anco debanda de 1.#8 M+

$on el anco de banda incrementado se

debe obser'ar no solamente el per&omanceen amplitud del enlace de 9 sino tambinel anco de banda coerente de los

dispositi'os radiantes.


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Anc5o de %anda co5erente

,e re&iere a la cantidad de trans&erencia de energa!til que puede ser soportada mientras se mantiene ladistorsin de la seal dentro de lmites espec&icos.

En el espacio libre es de&inido por el anco de bandaoperati'o del sistema radiante.

En sistemas de edi&icios " t!neles( el anco de bandaes signi&icati'amente dependiente del ambiente enque el dispositi'o se instala.

El cable radiante puede trabajar en sistemas de 9con anco de banda coerente superiores a 1.#8 M+.


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T-cnica# utili6ada# ara laco%ertura en t&nele# y edi$icio#

;sicamente existen dos tcnicas utili+adaspara cobertura en interiores:

El sistema de cable coaxial con aberturasperidicamente espaciadas( que es utili+adocomo antena de estacin base.

,istema de antenas m!ltiples generalmenteutili+ados cuando las reas a ser cubiertasson rectas.


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Ca%le coa3ial radiante


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Ca%le en modo acolado y modo radiante

$able en modo acoplado:


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Patr!n de radiaci!n del ca%le coa3ial enmodo radiante 7en el e#acio li%re8

El patrn deradiacin tiene unnulo angosto a lo

largo del eje.

El lbulo principalse orienta seg!n ladireccin de la ondaque 'iaja en el cable.

El patrn de radiacin 'ara seg!n el ambiente( presencia de

objetos dispersi'os( etc.


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P-rdida# en .ue el ca%le radianteintroduce en un radioenlace

Prdida longitudinal.


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Rango din9mico en un #i#temacon ca%le radianteEl rango dinmico de un sistema o dispositi'o acti'o4tal como un ampli&icador5( es el cociente expresado endecibelios de la mxima potencia de la seal que el

dispositi'o acti'o puede manejar sin distorsindi'idido por la potencia mnima detectable por encimadel ruido interno.

El uso del cable radiante minimi+a el rango dinmicode la seal( requiriendo equipos de ampli&icacinmenos so&isticados para conseguir la integridad de laseal( " permitiendo mejores esquemas de reuso de

&recuencias.


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Si#tema# de Antena# :&ltile#

con Fi%ra Otica*os repetidores de radio sobre &ibra pueden lle'arseales desde una simple estacin base a todos los

puntos cu"a cobertura necesita ser asegurada.El uso de la &ibra como medio de transmisin tieneimportantes 'entajas como:;aja atenuacin.mpenetrabilidad a la inter&erencia electromagntica.0ran anco de banda.E&ecti'a en costo.


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E#cenario de alicaci!n de un Si#temade Antena# :&ltile# con Fi%ra Otica


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Comonente# rinciale# de unSi#tema de Radio con Fi%ra Otica

n sistema de radio sobre &ibra consiste delos siguientes cuatro bloques principales:

;


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Caracter#tica# T-cnica# de un Si#temade Antena# :&ltile# con Fi%ra Otica

$ada microcelda del sistema puede ser'ir a18 usuarios simultneamente con doscanales 0,M.

,e pueden usar secciones de &ibra ptica deasta de 8 3m.

,implicidad " bajo costo de la instalacin.lexibilidad de adaptacin a di&erentes

estndares de tele&ona m'il.


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E;emlo de in#talaci!n en un edi$iciode 0< i#o#=


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Potencia irradiada or ca%le radiante

*os cables radiantes proporcionan a los ingenieros la abilidadde controlar la potencia de radiacin a lo largo de su longitudque es semejante al patrn de intensidad luminosa producidapor un bulbo &luorescente( a di&erencia de la emisin producidapor una &uente puntual.

C $ &


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Co%ertura del i#o de un edi$icio u#ando m&ltile#antena#

,e obser'a una distribucin de antenas de &uente puntualconectadas a un cable coaxial central con uniones de 12 d; deganancia( estas uniones pro'een a las antenas extra"endo partede la potencia coaxial sin a&ectar ad'ersamente a la prdida porinsercin del sistema.


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Co%ertura del i#o de un edi$icio u#andoca%le radiante

,e obser'a un cable radiante !nico de 182 metros de largo "1># pulgada de dimetro. *a atenuacin del cable para este

caso es de ?db por cada @2 m.

C !


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Comaraci!n de la# co%ertura# conm&ltile# antena# y ca%le radiante

,e muestra la media del campo de &uer+a recibido por elreceptor m'il al ser despla+ado a lo largo de una lnea que'a del punto 7 al ;.

R d $ i di$i i d


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Reu#o de $recuencia# en un edi$icio u#andoca%le radiante

,e considera un edi&icio de 1# pisos con #8 usuarios por piso(@22 en total( que debe ser cubierto por un sistema de radio que

pro'ea cobertura a ra+n de 18 usuarios por canal.

R d $ i di$i i d


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Reu#o de $recuencia# en un edi$icio u#andoantena# m&ltile#

6entro de un sistema con antenas puntuales pro'e"endo lacobertura al edi&icio( los puntos con exceso de intensidad

pueden penetrar a tra's de 'arios pisos a&ectando el reuso.


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Factor de er$il ara el ca%le radiante

*a de&inicin de actor de Per&il para cable radiante 49P5

es simplemente el cociente entre el rea de cobertura enmetros cuadrados " la longitud necesaria de cable radiante.

El 9P puede 'ariar dependiendo de la construccin del

edi&icio( la distribucin de las o&icinas " otras caractersticas.;asndose en experiencias " modelos de prueba( 'alores msgrandes que ?8 metros usualmente indican que se requiere mscable para pro'eer una cobertura con&iable.


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Factore# de er$il alto# y modo de re#ol*erlo

,e muestra un piso de A222 mB(implementado con un cable de1#2 m. El 9P es C8( 'alordemasiado alto para un cableradiante. El problema se debe aque la distancia perpendicular

al cable llega a @C.8( as el pisodebe ser di'idido en dos reascada una de @C.8 m por 1#2 m(lo cual se muestra en la parte

in&erior de la &igura. $ada reaes recorrida por 1#2 m de cableradiante( requirindose #?2 mdel cable( pro'e"endo un 9Pde @C.8 para un rendimiento

aceptable sobre el rea total.


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*as di&erentes tecnologas de repetidores tales como cableradiante( antenas alimentadas con cable coaxial o con &ibraptica( utili+an di&erentes tipos de suministro de potencia. ngabinete central de potencia siempre es incluido( se encuentrapor lo general al inicio del camino a dar cobertura( recibe supotencia desde las lneas elctricas p!blicas " debe suministrarcontinuamente el tipo de potencia requerido por el sistema.

El gabinete puede tener &uentes de poder( bateras o

con'ertidores 6$>7$ o 7$>6$.

*a potencia suministrada por el gabinete es extrada desde sulnea de salida a inter'alos de #82 a 822 m( " es entregada al

sistema de radio-&recuencia.

Sumini#tro de otencia ara e3ten#ione# dered celular

Si t d i i t d t i l


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*a con&iabilidad del ser'icio no depende de la con&iabilidad de la &uentede poder 7$( puesto que la potencia 6$ puede ser suministrada por lasbateras si la potencia 7$ &alla. *a unidad de radio &recuencia debe

&uncionar dentro del rango de 'oltajes que se generan cuando lasbateras son cargadas " descargadas.4?D 6$ F #2G5.

Si#tema de #umini#tro de otencia ara elreetidor antena/antena

Si#tema de # mini#tro de otencia ara el


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El ampli&icador primario es similar al usado en los sistemas 7ntena-7ntena. ,in embargo( los ampli&icadores secundarios pueden usar 8-82 Hatts de potencia( " los 'oltajes de entrada requeridos por sus

circuitos de radio-&recuencia pueden 'ariar entre 8 " 1# .

Si#tema de #umini#tro de otencia ara elreetidor antena/ca%le=


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,e obser'a una ampli&icacin en inter'alos de #82>822>C82 metroscon una ampli&icacin de ganancia 12>#2>@2 d; respecti'amente encada caso para asegurar el ni'el mnimo de seal de -12 d;m4umbral para garanti+ar un campo de seal que sea lo su&iciente&uerte para pro'eer conexin entre estacin m'il " repetidora5.

Ni*ele# de RF de lo# amli$icadore# #ecundario#


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,e muestra la potencia de radio-&recuencia introducida en la lneapara las tres con&iguraciones en las que se ampli&ica la seal eninter'alos de #82>822>C82 metros. *a potencia manejada por cadauno de estos ampli&icadores es proporcional a los 'alores de la

potencia de radio-&recuencia introducida en la lnea.

Potencia de RF introducida en la lnea

Di#minuyendo la di#tancia entre lo# amli$icadore#


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,e puede reducir la distancia entre los ampli&icadores para reducirla potencia manejada por el sistema entero. Esto es imposible por

las siguientes ra+ones:El costo de los ampli&icadores 'irtualmente no depende de laganancia. 7s el costo total del sistema sera demasiado alto.

na conexin larga en cascada de ampli&icadores selecti'os causauna reduccin en el anco de banda en los ampli&icadores al &inalde la lnea( e incrementa el riesgo de distorsin porintermodulacin.

*a potencia total manejada por el sistema se incrementaproporcionalmente al n!mero de ampli&icadores secundarios.

En la practica actual( los ampli&icadores secundarios son instaladosa distancia de #82 " 822 metros.

Di#minuyendo la di#tancia entre lo# amli$icadore#

:-todo# ara #umini#trar otencia a lo#


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*os siguientes son los posibles mtodos para suministrar potencia a

los ampli&icadores secundarios.

El uso de potencia que es independiente del ampli&icadorprimario.

El uso de potencia que esta conectada en paralelo con elampli&icador primario.

,uministrando potencia a los ampli&icadores secundarios en serie

al ampli&icador primario.Exceptuando por el primer caso( la potencia desde el ampli&icadorprimario puede ser en'iada al cable usado para la transmisin de

seales de radio-&recuencia o usando un cable separado.

:-todo# ara #umini#trar otencia a lo#amli$icadore# #ecundario#


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En sistemas donde una &uente de corrientealterna de bajo 'oltaje est disponible 4porejemplo en t!neles subterrneos5( la solucin

ms simple es incluir una &uente de poder7$>6$ junto con el ampli&icador.

6ado el bajo requerimiento de potencia( la&uente de poder puede ser incluida en elmismo alojamiento que contiene lacircuitera de radio-&recuencia.

El uso de potencia que es independiente delampli&icador primario

El d t i l l l


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n 'oltaje de =2 obtenido de una batera de plomo-cido de @2elementos puede ser utili+ada para suministrar potencia a este tipode ampli&icador. Este 'oltaje es conectado en paralelo con el cable

coaxial a tra's de una inductancia de desacoplamiento.

El uso de potencia en paralelo con elampli&icador primario

6i d i i t t d t i


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$ada ampli&icador secundario conectado en lnea extrae potenciarequerida para su operacin 4C.8 H5 del lado de entrada de lalnea a tra's de una inductancia de desacoplamiento. *a mismapotencia 'iaja a tra's de otra inductancia acia el lado de salida

de la lnea para alimentar a los ampli&icadores subsiguientes.

6iagrama de suministro remoto de potencia

oltaje en los ampli&icadores sec ndarios


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El 'oltaje de la batera a ser considerado cuando calculamos lacada de 'oltaje a lo largo de la lnea es el mnimo 'oltaje medidoal &inal del ciclo de descarga de la batera 48?5. *a &uncinrelati'a al diagrama del 'oltaje puede ser analticamente

expresada como una ecuacin cuadrtica con coe&icientes

oltaje en los ampli&icadores secundarios

*mite de distancia del sistema anterior


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En este sistema( el punto de inestabilidad al 'oltaje( consumo depotencia " resistencia establecidos es encontrado exactamente en

el ##I nodo( el cual est locali+ado a aproximadamente 8822metros del ampli&icador primario.

Para extender el campo de radio-&recuencia al grado requerido "

para mantener un amplio margen de seguridad( es necesariotrabajar con los siguientes parmetros cuando determinemos unasolucin:

Modi&icacin de la Potencia manejada por los ampli&icadores

Modi&icacin de la resistencia de las secciones de lnea entre losampli&icadores

Modi&icacin del 'oltaje que alimenta el lado de entrada a la lnea

*mite de distancia del sistema anterior

Modi&icacin del 'oltaje de alimentacin a la


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*as regulaciones de seguridad limitan el 'oltaje sobre la lnea dealimentacin a un 'alor mximo de C#( entonces se inclu"e uncon'ertidor-estabili+ador 6$>6$( el cual aplica un 'oltaje desalida estabili+ado de C2 en el extremo de alimentacin del cable

coaxial radiante.

Modi&icacin del 'oltaje de alimentacin a laentrada de la lnea

6iagrama de 'oltaje a lo largo de la lnea


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*a &uncin representada en la &igura presenta una in&lexinen la #AI seccin( la cual est locali+ada aproximadamente aC#82 metros del extremo de alimentacin del cable coaxial

radiante.

6iagrama de 'oltaje a lo largo de la lneaobtenido con estabili+ador de 'oltaje 6$


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El uso de un con'ertidor 6$>6$ mejora el sistema de lassiguientes maneras:

*a potencia manejada por el sistema secundario es reducida(puesto que la cantidad de corriente que circula a tra's del cablees reducida 4a!n cuando la misma cantidad de potencia esmanejada por cada ampli&icador secundario5( por lo tantotenemos una consecuente reduccin de perdidas 9B.

*a corriente manejada si ocurre un cortocircuito en el cable eslimitada por el regulador en el con'ertidor.

mpedancias de cortocircuito incrementadas acen ms &cil

disear los dispositi'os que 'an a proteger contra sobre'oltajes.

entajas del uso del con'ertidor-estabili+ador6$>6$

,uministro 9emoto de Potencia con Estabili+acin de


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Para distancias superiores a 8222 metros( deben utili+arse uno oms con'ertidores del mismo tipo del que tenemos al inicio delcable. $on dos de estos dispositi'os a lo largo de la lnea( lalongitud del cable radiante puede ser extendida a una distanciae&ecti'a superior a D822 metros.

,uministro 9emoto de Potencia con Estabili+acin deoltaje ntermedio 4distancia J 8222 m5

6iagrama de 'oltaje a lo largo de la lnea


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*a in&lexin de la primera cur'a est locali+ada aproximadamenteen la DI seccin( la in&lexin en la segunda cur'a se encuentra en la#2I seccin( " la de la tercera cur'a en la @DI seccin. /perando allmite de la estabilidad del sistema( es tericamente posible

alcan+ar una longitud de alrededor de 1#222 metros.

6iagrama de 'oltaje a lo largo de la lneautili+ando dos estabili+aciones

,uministrando potencia a los ampli&icadores


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$on este mtodo( un banco de bateras suministra =2 a un

con'ertidor 6$>6$ el cual introduce 4a tra's de un inductor5 unacorriente directa en el cable coaxial de una manera similar al mtodode alimentacin de potencia en paralelo con el ampli&icador primario.

*os con'ertidores instalados en los ampli&icadores secundarios 4cu"aslneas de alimentacin de potencia estn conectadas en serie5trans&orman esta potencia en un 'oltaje apropiado para la circuiteradel ampli&icador. *os con'ertidores as causan una cada de 'oltajesobre el cable coaxial que es proporcional a la carga trans&erida.


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Soluciones posibles para el casode los TNELES DEL CERRO DEL

CARMENAhora realizaremos una comparacin entre los grficos deatenuacin vs distancia obtenidos experimentalmente en

tneles curvos semejantes a los del Cerro del Carmen

cuando se utiliz una antena a la entrada del tnel y

cuando se utiliz cable radiante.

1.- Utiliando una ANTENA a la

entrada del t!nel.".- Utiliando CA#LE

RAD$ANTE a lo lar%o del t!nel. P-rdida# de la #e4al en un #i#tema


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P-rdida# de la #e4al en un #i#temacon ANTENA

Prdidas de la seal en el caso de una antena a la

entrada de un


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P-rdida# de la #e4al en un #i#temacon CA>LE RADIANTE

Prdidas de la seal en el caso de un


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,olucin propuesta para caso de los


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$arctersticas generales del cable radiante a utili+arseen el caso de los t!neles del cerro del $armen

7tenuacin " prdida de acoplamiento bajos.

,ellado ermticamente( a prueba de umedad.

$ubierta disponible libre de algeno " retardante al &uego.

A1G de 'elocidad de propagacin.

6ielctrico de polietileno con un alto porcentaje de aire( locual reduce la atenuacin del cable.

$apacidad multibanda " cobertura uni&orme.

Marca 7ir$ell( &abricado por


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Prdida longitudinal " deacoplamiento del cable radiante7ir$ell de 1-1>?L

Prdida de acoplamiento

medida a #m del cable

Especi&icaciones tcnicas de la antena ,


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spec c c o es c c s de e , ) 8HD82

E i&i i t i d l li&i d 7$E 1222


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Especi&icaciones tcnicas del ampli&icador 7$E 1222


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$l l d l P did l l b


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$lculo de las Prdidas en el enlace para ambost!neles,e utili+ar el cable de 1-1>?L marca 7ir$ell( cu"as prdidaslongitudinal " de acoplamiento se obtienen de los datos del&abricante. ,eg!n estos datos este cable tiene una prdidalongitudinal de @2.@ d;>m4A22 M+5( " una prdida poracoplamiento de =Ad;482G5.

Para el t!nel de 8?2.82 mt. m5x42.8?28m5 N 1=.@C d;.

Para el t!nel de C?8.8# mt. *a prdida longitudinal mxima esde 4@2.@d;>m5x42.C?88#m5 N ##.8D d;.

*a prdida mxima del sistema se dara en el t!nel ms largo(siendo de ##.8D d; O =A d; N A1.8D d;( un 'alor aceptable.

$l l d l & t d &il 49P5 b


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$lculo del &actor de per&il 49P5 para ambost!nelesEl &actor de per&il para el cable radiante 49P5 est de&inidocomo el cociente entre el rea de cobertura en metros cuadrados" la longitud necesaria de cable radiante en metros. Este clculoser reali+ado para cada t!nel.

4*ongitud del cable en el t!nel 159P1 N47rea del t!nel 15 > 4*ongitud del t!nel 159P1 N 7nco del t!nel 1 N 12 mt ?8 mt.

4*ongitud del cable en el t!nel #59P# N47rea del t!nel #5 > 4*ongitud del t!nel #59P# N 7nco del t!nel # N 12 mt ?8 mt.

E'aluacin de los costos


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$onclusiones


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,e a seleccionado la opcin de cable radiante para la aplicacinde los t!neles por la ma"or con&iabilidad que o&rece este medio encomparacin con una solucin basada en antenas( as tambin por

su &cil instalacin " mantenimiento( gran anco de banda que seadapta con &acilidad a requerimientos &uturos en tele&ona m'il.

*as comunicaciones m'iles en circunstancias especiales como en

edi&icios " t!neles es mu" sensible a di&erentes aspectos " en el casonuestro anali+ado qui+ ubiese sido ms lgico incluso por costosutili+ar antenas direccionales apuntando al lado de sombra de laseal( pero esta opcin no nos aseguraba el control de &actorescomo la re&lexin( des'anecimiento( distribucin uni&orme de lapotencia( que son aspectos tcnicos que son necesarios consideraral momento de seleccionar una alternati'a de implementacintcnica( como el caso que nos ocupa. *a distribucin uni&orme dela potencia ace que se requiera un menor rango dinmico en los

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