Tesis Reconectadores Centrosur
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UNIVERSIDAD DE CUENCA
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“ESTUDIO Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES PARA RECONECTADORES
DE LA CENTRO SUR”
Tesis previa a la obtención del
Título de Ingeniero Eléctrico. Autores: Luis Iván Sánchez Loor Pedro Adrián Torres Bermeo Director: Ing. Juan Andrade Rodas Tutores: Ing. Emilio Landázuri. Ing. Vinicio Méndez Ing. Tito Torres
Cuenca, Julio 2009
Las ideas expresadas en la presente tesis, son responsabilidad de los autores.
(f)--------------------------------- (f) ---------------------------------
Iván Sánchez Loor Adrián Torres Bermeo
Certifico que bajo mi dirección, la tesis fue realizada por los señores:
Luis Iván Sánchez Loor.
Pedro Adrián Torres Bermeo.
(f)-------------------------------------------
Ing. Juan Andrade Rodas
DIRECTOR
Agradecimientos
A la Universidad de Cuenca por brindarnos los conocimientos necesarios durante todos estos años, los mismos que nos permitirán servir de una manera ética y profesional a la sociedad. A la Facultad de Ingeniería por que dentro de sus aulas se plasmaron cada día los objetivos y metas propuestas. A la Empresa Eléctrica regional Centrosur, y en su nombre al Ingeniero Emilio Landázuri, por confiar en nuestras capacidades y conocimientos y brindarnos todas las facilidades para el normal desempeño de este trabajo de investigación. A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería quienes incondicionalmente siempre nos brindaron sus conocimientos y experiencias complementando nuestra formación académica De manera especial al Ingeniero Juan Andrade Rodas quién a más de transmitirnos sus conocimientos como docentes y luego como directores de esta tesis, siempre nos brindó su amistad y apoyo. A todos nuestros compañeros y amigos por convertirse en un pilar fundamental de nuestra formación
Dedicatoria
Quiero dedicar este trabajo de una manera muy especial a Dios y a mi Madre
Lolita quien siempre estará a mi lado, se que desde el cielo está festejando este
que es nuestro logro ya que ella fue y es el motivo por el que alcancé esta meta.
Gracias mami por ser la inspiración en mi esfuerzo por vivir y luchar para salir
adelante. Mami esto es para ti, hoy recuerdo esos días en que me decía que
estudie, que me gradúe y que siga adelante. Gracias por aguantarme tantas
tristezas, sufrimientos y desvelos. También quiero dar gracias por esos consejos
que en aquel momento no comprendía pero que hoy son las palabras que llevo en
mi corazón y me enseñan a vivir. Gracias mamita… nunca la olvidaré.
Agradezco a mi padre Mario por compartir su sabiduría, enseñándome lo que es
el respeto la humildad y la lucha continua necesaria para triunfar en la vida. Hoy
papi le doy gracias por todo su apoyo porque cada vez que lo miro me enseña a
nunca detenerse sin importar los golpes que la vida nos puede dar. Gracias
Papá…
Agradezco a mis hermanos Elsa, Mercedes, Nelly, Alba, Alfonso, Mario, Galo
y Marisol por su apoyo incondicional en todas las circunstancias de mi vida, ya
que con ellos hemos vivido momentos difíciles pero sé que siempre estaremos
juntos. Gracias a todos los quiero mucho.
A una persona muy importante en mi vida Vilma, con quien he compartido
momentos maravillosos, gracias por su amor, paciencia y comprensión durante
todo este tiempo.
A todos mis grandes e innumerables amigos, que no quiero nombrarles por miedo
a olvidarme de alguno de ellos, les agradezco por todos los momentos que hemos
compartido, recuerdo aquellas noches enteras que dedicábamos al juego y al
intercambio de pensamientos. Gracias amigos por ayudarme a vivir.
Adrián.
Dedicatoria
Quiero dedicar este y todos los esfuerzos de mi vida a Dios y al
apoyo y ejemplo que me han brindado mis padres Iván y Norma, a la
compañía y paciencia de mis hermanos Ma. del Rocío, Juan Pablo y
Paola.
Con toda la gratitud a mis grandes amigos Mónica y Freddy por
entregarme su amistad, consejo y apoyo.
Iván.
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica
Iván Sánchez Loor.
Adrián Torres Bermeo.
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ÍNDICE GENERAL
RESUMEN. .................................................................................................................. 1
INTRODUCCIÓN. ...................................................................................................... 2
CAPÍTULO 1 .............................................................................................................. 4
1.1 TELEMETRÍA AUTOMÁTICA. .......................................................................... 4
1.1.1 Funcionalidades del Sistema de Telemetría............................................... 4
1.2 RECONECTADORES AUTOMÁTICOS............................................................. 5
1.2.1 Reconectadores Electrónicos OVR. .......................................................... 5
1.2.1.1 Gabinete de Control OVR- Características. ....................................... 6
1.3 PCD (DISPOSITIVO DE CONTROL DE POTENCIA) DE LOS
RECONECTADORES. ................................................................................................ 7
1.3.1 Comunicación y Control del PCD. ............................................................ 8
1.3.2 Puerto Serial Frontal RS-232. .................................................................... 8
1.3.3 Módulos. .................................................................................................... 9
1.3.4 Descripción de los Puertos de Comunicaciones. ..................................... 11
1.3.4.1 Puerto de Comunicaciones RS-232. ................................................. 11
1.3.4.2 Puerto de Comunicaciones RS-485. ................................................. 11
1.3.4.3 Puerto de Fibra Óptica. ..................................................................... 11
1.3.5 Descripción de los Módulos de Comunicación. ...................................... 11
1.3.5.1 Descripción del Módulo de Comunicaciones Tipo 2a. .................... 12
1.3.5.2 Descripción del Módulo CPU. ......................................................... 13
1.4 UNIDADES TERMINALES REMOTAS (RTU). .............................................. 13
1.4.1 Estructura de una RTU ............................................................................ 14
1.4.2 RTU Elitel – 4000. ................................................................................... 14
1.4.2.1 Alcance y Soporte. ........................................................................... 15
1.4.2.2 Secuencia y Exploración de IED’s. .................................................. 16
1.4.2.3 Tratamiento de datos. ....................................................................... 18
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................ 19
2.1 MODELO OSI. .................................................................................................... 19
2.2 PROTOCOLO DNP3.0 ........................................................................................ 20
2.2.1 DNP3 Serial. ....................................................................................... 21
2.2.2 DNP3 LAN / WAN. ............................................................................ 21
2.2.3 DNP3 en los sistemas SCADA. ........................................................... 22
2.2.4 Arquitectura DNP3............................................................................... 22
2.3 ESPECIFICACIONES DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN DNP. ...... 23
2.3.1 Características del protocolo DNP 3.0 ..................................................... 23
2.3.2 Respuestas no solicitadas. ........................................................................ 24
2.3.3 Bases de datos de estaciones maestras y remotas. ................................... 25
2.3.4 Capas del protocolo DNP3. ..................................................................... 26
2.3.4.1 Capa Física. ...................................................................................... 27
2.3.4.2 Capa de Enlace de Datos. ................................................................. 27
2.3.4.3 Capa de Pseudo Transporte. ............................................................. 27
2.3.4.4 Capa de aplicación. ........................................................................... 28
2.3.5 Implementación protocolo DNP 3.0 para el PCD de ABB...................... 29
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2.3.5.1 Formato de tramas. ........................................................................... 30
2.3.5.2 Direccionamiento. ............................................................................ 34
2.3.5.3 Verificación CRC. ............................................................................ 34
2.3.5.4 Datos estáticos y eventos. ................................................................. 34
2.4 PRUEBAS FUNCIONALES DEL PROTOCOLO DNP 3.0. ............................. 34
2.4.1 Modo Monitor RS232. ............................................................................. 35
2.4.2 DNP3.0 sobre TCP/IP. ............................................................................ 36
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 40
3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN. ........................... 40
3.1.1 Redes LAN. ............................................................................................. 40
3.1.1.1 Estándares LAN. .............................................................................. 41
3.1.1.2 Ethernet. ........................................................................................... 41
3.1.2 Redes WAN. ............................................................................................ 43
3.1.2.1 Topología de Redes WAN................................................................ 44
3.1.3 Tipos de Redes WAN. ............................................................................. 47
3.2 ESTRUCTURA DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR. ............................. 47
3.2.1 Estructura de la Red Alámbrica. .............................................................. 47
3.2.2 Estructura de la Red Inalámbrica. ............................................................ 50
3.3 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA RED WAN. .............................. 57
3.4 COBERTURA Y CRECIMIENTOS PREVISTOS DE LA RED WAN............. 59
3.5 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE ACCESO Y GESTIÓN DE LA RED
WAN DE LA CENTROSUR. .................................................................................... 61
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................... 63
TECNOLOGÍAS GSM/GPRS/EDGE. ...................................................................... 63
4.1 ESTRUCTURA DE LA RED GSM. ................................................................... 63
4.1.1 Reparto del espectro disponible. .............................................................. 64
4.1.2 Arquitectura de red. ................................................................................. 65
4.1.2.1 Elementos de una red GSM. ............................................................. 65
4.2 ESTRUCTURA DE LA RED GPRS. .................................................................. 67
4.2.1 Tecnología GPRS. ................................................................................... 67
4.2.2 Transmisión por paquetes. ....................................................................... 68
4.2.3 Transmisión en paralelo. .......................................................................... 68
4.2.4 Velocidad de transferencia....................................................................... 69
4.2.5 Principales aplicaciones en GPRS: .......................................................... 69
4.2.6 Arquitectura de una red GPRS................................................................. 69
4.2.6.1 Modificación de elementos de red GSM. ......................................... 70
4.2.7 Enrutamiento de paquetes de datos. ......................................................... 72
4.2.8 SMS (SHORT MESSAGE SERVICE). .................................................. 73
4.2.8.1 Generalidades. .................................................................................. 73
4.2.8.2 Ventajas del Servicio de Mensajería Corta. ..................................... 73
4.3 ANÁLISIS DE COBERTURA DE LAS REDES DE TELEFONÍA MÓVIL. ... 74
4.3.1 Servicio de la Operadora CONECEL (Porta). ......................................... 74
4.3.2 Servicio de la Operadora Movistar. ......................................................... 75
4.3.3 Cobertura GPRS para los Reconectadores............................................... 76
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CAPÍTULO 5 ........................................................................................................ 78
TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS DE COMUNICACIÓN PARA LOS
RECONECTADORES. .......................................................................................... 78
5.1 TECNOLOGÍA PLC. ........................................................................................... 78
5.1.1 Redes de Distribución de Energía. ........................................................... 78
5.1.2 Arquitectura de red BPL. ......................................................................... 79
5.1.3 BPL de media tensión. ............................................................................. 84
5.1.4 Problemas de BPL. .................................................................................. 85
5.1.5 Impacto de disturbios y limitación de tasas de datos. .............................. 85
5.1.6 Técnicas de Modulación para Sistemas BPL. .......................................... 86
5.1.6.1 Modulación OFDM. ......................................................................... 87
5.1.6.1.1 OFDM Esquema Multiportadora de Alta Velocidad................... 87
5.1.6.1.2 Esquemas de Modulación y Demodulación para OFDM. ............ 88
5.2 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA. ............................. 89
5.2.2 Aspectos Generales de WLAN (Wireless LAN). .................................... 89
5.2.3 802.16 ...................................................................................................... 91
5.2.3.1 802.16d ............................................................................................. 91
CAPÍTULO 6 ............................................................................................................ 92
6.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LOS EQUIPOS RECONECTADORES. ..... 92
6.2 ESTRUCTURA GENERAL DE DISEÑO. ......................................................... 92
6.3 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA GPRS. ........................................ 94
6.3.1 Requerimientos técnicos del sistema. ...................................................... 94
6.3.1.1 Análisis del tráfico producido por el sistema durante la transmisión
de datos. 94
6.3.1.1.1 Cálculo del volumen de datos capturados. ................................... 94
6.3.1.1.2 Cálculo de la cantidad de datos enviados por el PCD del
reconectador. .................................................................................................. 95
6.3.1.1.3 Cálculo de la velocidad de transmisión. ....................................... 97
6.3.2 Selección y Características de los equipos GPRS. .................................. 97
6.3.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 101
6.3.4 Selección de reconectadores para tecnología GPRS.............................. 101
6.3.5 Diseño del sistema GPRS para el reconectador La Paz. ........................ 102
6.3.5.1 Características de la zona de servicio. ............................................ 102
6.3.5.2 Esquema de conexión. .................................................................... 102
6.3.5.3 Número de equipos GPRS en la red. .............................................. 103
6.4 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA BPL. ........................................ 103
6.4.1 Requerimientos del diseño con tecnología BPL. ................................... 103
6.4.2 Selección y características de los equipos BPL. .................................... 104
6.4.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 106
6.4.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 106
6.4.5 Diseño del sistema BPL para el reconectador Garaicoa. ....................... 107
6.4.5.1 Características de la zona de servicio. ............................................ 107
6.4.5.2 Esquema de conexión. .................................................................... 108
6.4.5.3 Número de equipos BPL en la red. ................................................. 109
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6.4.5.4 Ubicación de equipos en la red. ...................................................... 110
6.5 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA DE FIBRA ÓPTICA. .............. 111
6.5.1 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 111
6.5.2 Esquema de conexión. ........................................................................... 112
6.6 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA INALÁMBRICA. ................... 113
6.6.1 Requerimientos del diseño con tecnología inalámbrica W-MAN. ........ 113
6.6.2 Selección y características de los equipos. ............................................ 114
6.6.2.1 Equipos Alvarion Breeze Access VL. ............................................ 114
6.6.2.1.1 Especificaciones Técnicas. ......................................................... 114
6.6.3 Recopilación y fuentes de información. ................................................ 119
6.6.4 Selección de reconectadores para esta tecnología. ................................ 120
6.6.5 Esquema de conexión. ........................................................................... 121
6.6.6 Diseño de enlaces................................................................................... 122
6.6.6.1 Determinación de los Parámetros de Desempeño de los
Radioenlaces. ................................................................................................... 122
6.6.6.2 Enlace estación Señor Pungo– reconectador La Dolorosa. ............ 124
6.6.6.3 Diseño de enlaces considerando Perfiles Topográficos. ................ 126
6.6.7 Número de equipos necesarios para el enlace y ubicación. ................... 130
6.6.8 Configuración de equipos. ..................................................................... 131
CAPÍTULO 7 .......................................................................................................... 132
7.1 ANALISIS DE COSTOS. .................................................................................. 132
7.1.1 Análisis de costos con tecnología GPRS. .............................................. 132
7.1.1.1 Costos por el servicio GPRS. ......................................................... 132
7.1.1.2 Costos por el uso mensual de la red GSM/GPRS. ......................... 133
7.1.1.2.1 Cálculo total por el uso de la red GPRS. .................................... 135
7.1.1.3 Costo de implementación. .............................................................. 136
7.1.2 Análisis de costos con tecnología BPL. ................................................. 137
7.1.2.1 Costo de equipos y partes. .............................................................. 137
7.1.3 Análisis de costos con tecnología de fibra óptica. ................................. 138
7.1.3.1 Costos referenciales de equipos y partes. ....................................... 138
7.1.4 Análisis de costos con tecnología inalámbrica W-MAN. ...................... 139
7.1.4.1 Primera alternativa ............................................................................... 139
7.1.4.1.1 Costo de equipos y partes. .......................................................... 139
7.1.4.2 Segunda alternativa. ............................................................................. 140
7.1.4.2.1 Costo de equipos y partes. ............................................................. 140
7.1.4.2.2 Costo por el uso de la infraestructura existente. ........................... 140
7.1.5 Evaluación de costos para el diseño final. ............................................. 141
7.1.5.1 Comparación entre tecnología inalámbrica y GPRS. ......................... 141
7.1.5.1.1 Comparación entre GPRS y WMAN (Primera alternativa). ...... 141
7.1.5.1.2 Comparación entre GPRS y W-MAN (Segunda alternativa). .... 142
7.2 DISEÑO FINAL PARA LOS RECONECTADORES. ..................................... 142
7.2.1 Diseño final para los Reconectadores (Primera alternativa). ..................... 143
7.2.1.1 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS........................... 143
7.2.1.2 Reconectadores enlazados con tecnología inalámbrica W/MAN. . 143
7.2.1.3 Esquema de conexión para los reconectadores .............................. 144
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7.3 RECOMENDACIONES PARA LOS FUTUROS RECONECTADORES. ..... 145
7.3.1 Cobertura Estación Señor Pungo. .......................................................... 146
7.3.2 Cobertura estación Guaguazhumi. ......................................................... 147
7.3.3 Cobertura estación Altarurco. ................................................................ 148
7.3.4 Cobertura estación Buerán. .................................................................... 149
7.3.5 Cobertura estación Villaflor................................................................... 150
7.3.6 Cobertura estación Simbala. .................................................................. 151
7.3.7 Cobertura estación Loma Paica. ............................................................ 152
7.3.8 Cobertura estación Guallil. .................................................................... 153
CAPÍTULO 8 .......................................................................................................... 155
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 155
8.1 CONCLUSIONES ............................................................................................. 155
8.2 RECOMENDACIONES. ................................................................................... 156
Referencias. .............................................................................................................. 159
Anexos 1 .................................................................................................................. 162
Reconectadores que no tienen enlace con las estaciones de la red WAN ................ 163
Anexo 2 .................................................................................................................... 168
Recomendaciones para la Estación Guaguazhumi ................................................... 169
Recomendaciones para la Estación Ñuñurco ........................................................... 172
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ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
Figura 1. 2 Reconectador Trifásico OVR. ................................................................... 6
Figura 1. 3 Gabinete de Control. .................................................................................. 6
Figura 1. 4 Almacenamiento de datos y perfil de carga. ............................................. 7
Figura 1. 5 HMI del Panel Frontal para Unidades ANSI. ........................................... 8
Figura 1. 6 Parte Posterior Típica de Panel. ................................................................ 9
Figura 1. 7 Modulo de comunicaciones Tipo 2a. ...................................................... 13
Figura 1. 8 Estructura de Red RTU Elitel 4000. ....................................................... 15
Figura 1. 9 Estados y transiciones de un IED. .......................................................... 16
CAPÍTULO 2
Figura 2. 1 Capas del modelo de referencia OSI. ..................................................... 19
Figura 2. 2 Modelo de referencia híbrido.................................................................. 20
Figura 2. 3 DNP3 en los sistemas SCADA. .............................................................. 22
Figura 2. 4 Arquitecturas DNP3................................................................................ 23
Figura 2. 5 Relación entre maestro y esclavo. .......................................................... 25
Figura 2. 6 Capas DNP3. .......................................................................................... 26
Figura 2. 7 Comparación entre las arquitecturas de protocolos DNP3 y OSI........... 29
Figura 2. 8 Trama DNP3. .......................................................................................... 32
Figura 2. 9 Formato de tramas de la capa de enlace de datos. .................................. 32
Figura 2. 10 Diagrama de conexiones modo monitor. .............................................. 35
Figura 2. 11 Pantalla de resultados de la prueba modo monitor en el software
ASE2000. ................................................................................................................... 36
Figura 2. 12 Diagrama de conexiones modo maestro directo. .................................. 37
Figura 2. 13 Interface DB25 hembra RS485. ............................................................ 38
Figura 2. 14 Diagrama de conexiones modo maestro a través de la red LAN. ......... 38
Figura 2. 15 Pantalla de resultados de la prueba sobre la red LAN de la Centrosur. 39
CAPÍTULO 3
Figura 3. 1 Conexión Host-Hub Ethernet. ................................................................ 42
Figura 3. 2 Conexión Host-Hub Ethernet. ................................................................ 43
Figura 3. 3 Backbone de Gigabit Ethernet. ............................................................... 43
Figura 3. 4 Topología en anillo. ................................................................................ 44
Figura 3. 5 Topología en estrella. ............................................................................. 45
Figura 3. 6 Topología tipo malla. .............................................................................. 45
Figura 3. 7 Topología tipo bus. ................................................................................. 46
Figura 3. 8 Topología de árbol. ................................................................................. 46
Figura 3. 9 Esquema lógico de la red de F.O. 10 GB Ethernet IP/MPLS. ................ 49
Figura 3. 10 Patch cords de F.O. E2000. .................................................................. 50
Figura 3. 11 Router Cisco 7604. ............................................................................... 50
Figura 3. 12 Esquema inalámbrico de la Red WAN. ................................................ 53
Figura 3. 13 Distribución de los equipos en el rack de las estaciones. ..................... 55
Figura 3. 14 Distribución de los equipos en el Rack en agencias. ............................ 57
Figura 3. 15 Diagrama de Frecuencias Backbone SRAL Centro Sur. ...................... 58
Figura 3. 16 Diagrama de Antenas de Última Milla en Estaciones. ......................... 58
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Figura 3. 17 Anillo de Fibra Óptica Cuenca. ............................................................ 59
Figura 3. 18 Red de Fibra Óptica Centrosur. ............................................................ 60
Figura 3. 19 Cobertura tecnología inalámbrica en área de concesión....................... 60
Figura 3. 20 Red de Gestión de la Centrosur. ........................................................... 61
CAPÍTULO 4
Figura 4. 1 Evolución de la tecnología GSM. ........................................................... 63
Figura 4. 2 Arquitectura de una red GSM. ................................................................ 65
Figura 4. 3 Arquitectura de red GPRS (elementos). ................................................. 70
Figura 4. 4 Esquemas de enrutamiento de paquetes de datos. .................................. 72
Figura 4. 5 Cobertura GSM/GPRS de la operadora CONECEL (Porta). ................. 75
Figura 4. 6 Cobertura GSM/GPRS de la operadora Movistar. ................................. 76
CAPÍTULO 5
Figura 5. 1 Estructura de una red de distribución eléctrica. ...................................... 79
Figura 5. 2 Arquitectura de red BPL. ........................................................................ 80
Figura 5. 3 Acoplador capacitivo. ............................................................................. 81
Figura 5. 4 Conexión CPE-Red eléctrica. ................................................................. 82
Figura 5. 5 Función del repetidor BPL...................................................................... 82
Figura 5. 6 Conexión Indirecta Home Gateway........................................................ 84
Figura 5. 7 Medio de trasmisión compartido en redes de acceso BPL. .................... 86
Figura 5. 8 Ortogonalidad de Subportadoras. ........................................................... 88
Figura 5. 9 Configuración WLAN de celda única. ................................................... 90
Figura 5. 10 Configuración WLAN de celdas múltiples. ......................................... 90
CAPÍTULO 6
Figura 6. 1 Esquema general del sistema de comunicaciones. ................................. 93
Figura 6. 2 Router Mobile 3G LSP-260C. ................................................................ 99
Figura 6. 3 Conversor de interface UDS 1100. ....................................................... 100
Figura 6. 5 Gateway de acceso CXP-MVA-GNR. ................................................. 104
Figura 6. 6 Acoplador de media tensión Arteche Overcap-S.................................. 105
Figura 6. 7 Enlace Reconectador Garaicoa –S/E3. ................................................. 109
Figura 6. 8 Diagrama unifilar del enlace. ................................................................ 110
Figura 6. 9 Esquema referencial de conexión para reconectador El Descanso. ...... 113
Figura 6. 10 Unidades de Acceso AU. .................................................................... 116
Figura 6. 11 Esquema de conexión de los equipos AU’s. ....................................... 117
Figura 6. 12 Unidades Suscriptoras SU’s. .............................................................. 118
Figura 6. 13 Esquema de conexión de los equipos SU’s. ....................................... 119
Figura 6. 14 Ubicación Geográfica de los 15 reconectadores y las estaciones
repetidoras de la red WAN de la Centrosur. ............................................................ 120
Figura 6. 15 Arquitectura de enlace con equipos Alvarion tecnología de espectro
ensanchado. .............................................................................................................. 122
Figura 6. 16 Parámetros de desempeño de los radioenlaces. .................................. 123
Figura 6. 17 Reconectadores a interconectar con Señor Pungo. ............................. 127
Figura 6. 18 Perfil topográfico Señor Pungo-La Dolorosa. .................................... 127
Figura 6. 19 Perfil topográfico Señor Pungo-Challuabamba. ................................. 128
Figura 6. 20 Reconectadores a interconectar con Guaguazhumi. ........................... 129
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Figura 6. 21 Reconectadores a interconectar con Altarurco. .................................. 129
Figura 6. 22 Perfil topográfico Altarurco-Cañar. .................................................... 130
CAPÍTULO 7
Figura 7. 1 Esquema de conexión para los reconectadores de la Centrosur. .......... 144
Figura 7. 2 Cobertura Estación Señor Pungo. ......................................................... 147
Figura 7. 3 Cobertura Estación Guaguazhumi. ....................................................... 148
Figura 7. 4 Cobertura Estación Altarurco. .............................................................. 149
Figura 7. 5 Cobertura Estación Buerán. .................................................................. 150
Figura 7. 6 Cobertura Estación Villaflor. ................................................................ 151
Figura 7. 7 Cobertura Estación Simbala. ................................................................ 152
Figura 7. 8 Cobertura Estación Loma Paica............................................................ 153
Figura 7. 9 Cobertura Estación Guallil. .................................................................. 154
ANEXO 1
Figura A1. 1 Perfil Topográfico Señor Pungo-Garaicoa. ....................................... 163
Figura A1. 2 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso. ............................... 164
Figura A1. 3 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Valle. ...................................... 164
Figura A1. 4 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Garaicoa. ................................... 165
Figura A1. 5 Perfil Topográfico Altarurco – Reconectador Suscal. ....................... 165
Figura A1. 6 Perfil Topográfico Simbala – Cumbe. ............................................... 166
Figura A1. 7 Perfil Topográfico Simbala – Reconectador Lentag.......................... 166
Figura A1. 8 Perfil Topográfico Villaflor – Paute. ................................................. 167
Figura A1. 9 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso. ............................... 167
ANEXO 2
Figura A2. 1 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 120 grados
dirección S/E1. ......................................................................................................... 169
Figura A2. 2 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador La Dolorosa. ..... 170
Figura A2. 3 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Valle. .............. 170
Figura A2. 4 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 60 grados
dirección SE 12. ....................................................................................................... 171
Figura A2. 5 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Descanso. ..... 172
Figura A2. 6 Cobertura de Ñuñurco con antena sectorial de 120 grados dirección SE
12. ............................................................................................................................. 173
Figura A2. 7 Perfil Topográfico Ñuñurco – Reconectador Guachapala. ................ 173
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ix
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 1
Tabla 1. 1 Resumen de especificaciones. ..................................................................... 5
Tabla 1. 2 Ajustes de comunicaciones. ..................................................................... 10
Tabla 1. 3 Descripción de clavijas. ........................................................................... 11
Tabla 1. 4 Características de los módulos de comunicaciones. ................................ 12
CAPÍTULO 2
Tabla 2. 1 Diferencias entre DNP y otros protocolos. NP y otros Diferencias entre
DNP ............................................................................................................................ 24
Tabla 2. 2 Parámetros de configuración del DNP 3.0. .............................................. 30
Tabla 2. 3 Estructura de formato de tramas DNP. .................................................... 31
Tabla 2. 4 Detalle de los campos de las tramas de enlace de datos. ......................... 33
CAPÍTULO 3
Tabla 3. 1 Características de las redes WAN. ........................................................... 47
Tabla 3. 2 Nodos activos y de paso del anillo de F.O. .............................................. 48
Tabla 3. 3 Enlaces inalámbricos de estaciones. ........................................................ 51
Tabla 3. 4 Enlaces inalámbricos de agencias. ........................................................... 52
Tabla 3. 5 Utilización actual de la red inalámbrica. .................................................. 62
CAPÍTULO 4
Tabla 4. 1 Velocidades de transferencia según la tecnología usada. ........................ 69
Tabla 4. 2 Funciones de los nodos GPRS. ................................................................ 71
Tabla 4. 3 Cobertura GPRS para los Reconectadores. .............................................. 77
CAPÍTULO 5
Tabla 5. 1 Desempeño de sistemas de modulación BPL. ......................................... 87
Tabla 5. 2 Características de OFDM. ........................................................................ 89
CAPÍTULO 6
Tabla 6. 1 Ubicación de los Reconectadores. ........................................................... 92
Tabla 6. 2 Parámetros requeridos por la estación central de procesamiento. ........... 96
Tabla 6. 3 Equipos necesarios para el diseño. ......................................................... 103
Tabla 6. 4 Distancias de enlace y número de repetidores requeridos. .................... 107
Tabla 6. 5 Características del alimentador 0323. .................................................... 108
Tabla 6. 6 Equipos requeridos para el diseño. ........................................................ 109
Tabla 6. 7 Ubicación de equipos en poste. .............................................................. 111
Tabla 6. 8 Distancias de enlace hacia un punto de acceso a la red WAN. .............. 112
Tabla 6. 9 Frecuencias soportadas Alvarion. .......................................................... 115
Tabla 6. 10 Especificaciones Técnicas.................................................................... 115
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x
Tabla 6. 11 Clases de antenas tipo sectorial. ........................................................... 117
Tabla 6. 12 Ubicación de las Estaciones. ................................................................ 120
Tabla 6. 13 Distancias entre Reconectadores y Estaciones. .................................. 121
Tabla 6. 14 Parámetros teóricos calculados para el desempeño de los radioenlaces.
.................................................................................................................................. 126
Tabla 6. 15 Enlaces finales utilizando la tecnología inalámbrica existente. ........... 130
Tabla 6. 16 Equipos necesarios para el enlace. ....................................................... 131
Tabla 6. 17 Ubicación de equipos en poste. ............................................................ 131
Tabla 6. 18 Parámetros de configuración AU Señor Pungo. .................................. 131
Tabla 6. 19 Parámetros de configuración SU’s. ...................................................... 131
CAPÍTULO 7
Tabla 7. 1 Costo de instalación del servicio. ........................................................... 132
Tabla 7. 2 Costo fijo mensual del servicio. ............................................................. 133
Tabla 7. 3 Costo variable mensual del servicio....................................................... 133
Tabla 7. 4 Costo mensual del servicio GPRS. ........................................................ 136
Tabla 7. 5 Costo mensual del servicio GPRS. ........................................................ 136
Tabla 7. 6 Costo de implementación del sistema GPRS. ........................................ 137
Tabla 7. 7 Costo de implementación del sistema BPL............................................ 137
Tabla 7. 8 Costo referencial del sistema. ................................................................ 138
Tabla 7. 9 Costo de implementación del sistema W/MAN. .................................... 139
Tabla 7. 10 Costo de implementación del sistema W/LAN. ................................... 140
Tabla 7. 11 Costo por el uso de la red existente para W/MAN. ............................. 140
Tabla 7. 12 Resumen de Costos. ............................................................................. 141
Tabla 7. 13 Resumen de Costos de operación mensual. ......................................... 142
Tabla 7. 14 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS. ............................... 143
Tabla 7. 15 Reconectadores enlazados con tecnología W/MAN. ........................... 144
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1
RESUMEN.
Una de las necesidades de la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. es la
provisión de un sistema de comunicaciones, que permita la transmisión de datos en
tiempo real, para integrar los equipos de protección reconectadores situados de
manera distribuida en el área de concesión hacia el sistema SCADA.
El presente proyecto está dedicado al diseño de una red de comunicaciones de datos
que aproveche al máximo la infraestructura existente de la red de comunicaciones de
la empresa. El diseño final obtenido está conformado por dos tecnologías, GPRS y
tecnología inalámbrica WMAN, las mismas que se encargarán de transmitir datos
desde los equipos reconectadores ubicados en las redes eléctricas de media tensión,
hacia una estación central de procesamiento de información ubicada en el edificio
matriz de la Centrosur.
Con este estudio se analizaron diversas tecnologías de comunicación, entre ellas:
BPL, Fibra óptica, GPRS y tecnología inalámbrica WMAN. Una vez abordadas las
mismas, se realizó un estudio técnico económico para los quince reconectadores
propuestos. De este estudio se obtuvo dos alternativas las cuales deben ser evaluadas
por la Centrosur. La primera alternativa consta de un sistema de comunicación
híbrido de tecnología inalámbrica WMAN y tecnología GPRS, mientras que la
segunda opción consta de un diseño únicamente con tecnología GPRS.
El primer diseño del sistema de comunicaciones consistió en enlazar tres
reconectadores usando tecnología inalámbrica WMAN hacia la red WAN de la
Centrosur, y a través de ésta hacia la estación de procesamiento RTU. El diseño se
realizó con equipos de la marca Alvarion, que son equipos que ya están siendo
utilizados por la empresa.
Por otro lado los doce reconectadores restantes se comunicaran mediante un router
GPRS hacia la red de comunicaciones ofrecida por la operadora móvil Conecel
(PORTA). Mediante un canal dedicado existente de 128 Kbps, se transmite la
información de los reconectadores hacia la estación central de procesamiento.
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2
INTRODUCCIÓN.
En el presente proyecto se realiza el diseño de un sistema de comunicaciones que
permita integrar los equipos reconectadores ubicados en puntos estratégicos sobre la
red de distribución de energía de la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. hacia
una estación central de procesamiento ubicada en el edificio matriz de la empresa.
Todo esto con el propósito de obtener información en tiempo real sobre las
características operacionales de la red eléctrica para mejorar el rendimiento, y la
calidad de servicio a los usuarios.
Para conseguir este objetivo se ha estructurado este proyecto en diferentes capítulos
que se indican a continuación:
En el CAPITULO I, se aborda una breve introducción a los sistemas de telecontrol y
se estudia las principales características de los dispositivos de control de los
reconectadores específicamente sus módulos de comunicación y puertos. Se
exponen además las principales características de Unidad Terminal Remota ELITEL-
4000.
En el CAPITULO II, se realiza el estudio del protocolo de comunicaciones DNP3
que es el lenguaje en el que se comunican los dispositivos de comunicación de los
reconectadores (PCD’s) con la Unidad Terminal Remota (RTU). Adicionalmente se
hacen pruebas funcionales del protocolo para poder determinar la existencia de
comunicación entre estos equipos.
En el CAPITULO III, se analiza cómo está constituida la red WAN de la Centrosur,
de manera especial la ubicación de las estaciones repetidoras, el alcance y cobertura
de sus antenas, así como también las subestaciones que forman parte del anillo de
fibra óptica, ya que éstos son puntos referenciales para el acceso e integración de los
equipos de comunicación de los reconectadores.
El CAPITULO IV expone los elementos principales de una red GSM/GPRS, para
conocer de forma general esta tecnología, debido a que se ha considerado sus
servicios para realizar la comunicación con los reconectadores que técnica o
económicamente aprovechen sus prestaciones.
El CAPITULO V está dedicado al estudio de varias tecnologías de comunicación que
también se puedan utilizar para la telemetría. Estas son específicamente: BPL, Fibra
Óptica, y tecnología inalámbrica WMAN, este análisis proporcionará las bases para
los diseños que se presentarán en el siguiente capítulo.
En el CAPITULO VI se realiza el diseño de la red de comunicaciones utilizando
cada una de las tecnologías estudiadas, para estos se indican las coordenadas y la
ubicación geográfica de los dispositivos existentes, empleando el Sistema de
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Información Geográfica (G.I.S.) de la Centrosur. Para desarrollar los diseños se hace
un estudio de la zona de ubicación de los reconectadores, se seleccionan los equipos,
y se realiza un esquema de conexión, con esto se obtiene el número de equipos
necesarios. Para la tecnología inalámbrica se utiliza el software Radio Mobile 9.9.4
para el cálculo de radioenlaces de larga distancia para determinar que reconectadores
pueden ser comunicados con dicha tecnología.
En el CAPITULO VII se hace un análisis de costos para cada una de las tecnologías,
tomando en cuenta los rubros por implementación, operación y mantenimiento, para
poder determinar las que sean más económicas y que permitan proceder al diseño
final del sistema de comunicaciones. Además se indican las recomendaciones para
una futura ampliación de nuevos reconectadores, es decir se indican zonas
geográficas donde se podría utilizar determinadas tecnologías.
En el CAPITULO VIII se presentan las conclusiones obtenidas, y se dan algunas
recomendaciones para la implementación del sistema de comunicaciones.
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4
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES SOBRE LOS DISPOSITIVOS DE TELEMETRÍA.
1.1 TELEMETRÍA AUTOMÁTICA.
La telemetría es una tecnología que permite la medición remota de magnitudes
físicas. Utiliza un sistema de interpretación y trasmisión para enviar las señales
hacia el operador del sistema, permitiendo de esta manera conocer la información
exacta sobre el evento que sucede en el lugar de origen de la señal.
Los equipos de telemetría obtienen la información mediante sensores (transductores)
que transforman las magnitudes físicas a medir en señales eléctricas equivalentes.
Dichas señales son enviadas al punto de observación generalmente mediante señales
eléctricas para su análisis.
El sistema de telemetría se puede utilizar para la transmisión de datos utilizando
medios no guiados como: radiofrecuencia, microondas, sistemas celulares, sistemas
satelitales y medios guiados como: líneas telefónicas, cable coaxial o fibra óptica.
(Teletrol 2009)
1.1.1 Funcionalidades del Sistema de Telemetría.
Monitoreo y control de variables a distancia.
Consulta de niveles de seguridad.
Programación remota de parámetros.
Envío de señales de alarma al sistema central.
Personalización e integración con los sistemas de gestión propios de una
empresa.
Permite un eficiente y efectivo monitoreo y control de un sistema de
mediciones.
Detección rápida de errores en el sistema.
Mejor utilización de recursos del sistema.
Desarrollo de base de datos y obtención de información para asistencia futura
de simulaciones y diseños de otros sistemas complementarios.
Prestación de servicios distintos al eléctrico como por ejemplo; servicios de
telecomunicaciones.
(Ttnetcom 2009)
Dentro de los equipos de protección de redes eléctricas que han evolucionado en el
sistema de telecontrol y telegestión están los reconectadores electrónicos.
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1.2 RECONECTADORES AUTOMÁTICOS.
El reconectador es un interruptor con reconexión automática, instalado
preferentemente en líneas de distribución. Es un dispositivo de protección capaz de
detectar una sobrecorriente, interrumpirla y reconectar automáticamente para
reenergizar la línea. Está dotado de un control que le permite realizar varias
reconexiones sucesivas, pudiendo además, variar el intervalo y la secuencia de estas
reconexiones. De esta manera, si la falla es de carácter permanente el reconectador
abre en forma definitiva después de cierto número programado de operaciones, de
modo que aísla la sección fallada de la parte principal del sistema.
La tarea principal de un reconectador entonces es discriminar entre una falla
temporal y una de carácter permanente.
Los tiempos de apertura pueden determinarse de curvas características tiempo-
corriente, las cuales proporciona el fabricante. El reconectador interrumpirá las
corrientes de falla de modo efectivo únicamente si se usa dentro de sus valores
nominales especificados. (Tipán 2009)
1.2.1 Reconectadores Electrónicos OVR.
La Centrosur está implementando reconectadores electrónicos trifásicos OVR, 15
KV - 38 KV, (Figura 1.1). El reconectador OVR de ABB (Asea Brown Boveri)
cumple con las demandas de reconexión y ofrece capacidades como localización de
fallas, monitoreo de control, calidad de servicio, comunicaciones, disparo
monofásico y control de lazo. (Reconectador OVR & Control PCD 2006)
La Tabla 1.1 muestra las principales especificaciones de los reconectadores OVR.
Características Valores nominales del reconectador OVR Unidades
Tensión nominal operación 2.4 - 14.4 24.9 34.5 KV
Máxima tensión de diseño 15,5 27 38 KV
Máxima corriente continua 630/800/1000 630/800/1000 630/800/1250 A
Máxima corriente de interrupción 12,5 12,5 16 KA
BIL 110/125 125 170 KV
Máximo tiempo de interrupción 0.040 0.040 0.040 seg.
Máximo tiempo de cierre 0.060 0.060 0.060 seg.
Precisión: Tensión: ± 1% (con entrada de TP)
Precisión: Corriente: ± 1%
Tabla 1. 1 Resumen de especificaciones.
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Figura 1. 1 Reconectador Trifásico OVR.
1.2.1.1 Gabinete de Control OVR- Características.
El PCD (Dispositivo de Control de Potencia) está contenido en una caja de metal
adecuada para montaje sobrepuesto en poste (Figura 1.2) y posee las siguientes
características:
Figura 1. 2 Gabinete de Control.
Opera a 85-265VAC o 125VDC.
Hasta 48-horas de respaldo de alimentación cuando se pierde la fuente de
potencia.
Batería a ser cambiada cada 3 – 5 años.
Batería permite varias operaciones durante la perdida de AC (12A-h).
Salida auxiliar regulada de DC (12VDC o 24VDC) @ 10WATTS.
Si la AC es desconectada y el voltaje de la batería cae a 40V entonces la
salida auxiliar de DC es desconectada.
Operación asistida por condensador cuando la batería se descarga y para
proveer soporte cuando la operación se hace con AC y batería muerta.
Prueba automática de la batería que puede ser diaria o semanal y reportado a
través de DNP.
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1.3 PCD (DISPOSITIVO DE CONTROL DE POTENCIA) DE LOS
RECONECTADORES.
El Dispositivo de Control de Potencia (PCD) es una unidad de control, basada en
microprocesadores, que está equipado con los protocolos de comunicación abiertos
DNP 3.01, Modbus® RTU, Modbus®ASCII e IEC60870-5-101.
El PCD tiene la capacidad de colectar datos para permitir el análisis de carga,
planificación y actualización del sistema eléctrico.
Almacena los últimos 1024 eventos ocurridos, operaciones manuales y automáticas,
cambios de programación etc.
Almacena las últimas 128 fallas. Registra las corrientes en el momento de la falla así
como los voltajes, la hora a la que ocurre la falla, el elemento que ocasionó el
disparo, el tiempo de aclaración de la falla y de operación de la protección, la
distancia a la falla y la resistencia estimada de falla. (PCD Aparato de Control de
Potencia 2007)
La Figura 1.3 muestra la forma como se almacenan los datos en el registro.
Figura 1. 3 Almacenamiento de datos y perfil de carga.
El PCD tiene las siguientes características principales:
• HMI (Interfaz local humano-máquina) (Figura 1.4).
1 El protocolo DNP 3.0 se analizará en el siguiente capítulo.
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• Puerto posterior aislado doble RS-232 y RS-485 (activo únicamente uno a la
vez).
• Comunicaciones opcionales de fibra óptica para comunicaciones libres de
ruido.
Figura 1. 4 HMI del Panel Frontal para Unidades ANSI.
1.3.1 Comunicación y Control del PCD.
El Control PCD tiene comunicación vía:
Línea telefónica usando un Modem
Radio
No licenciado de 900Mhz
Licenciado de 220 MHz & 450 MHz
Ethernet – 900MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz, 802.11b
Comunicación vía Satélite
Celular
Interfaz de Fibra Óptica
1.3.2 Puerto Serial Frontal RS-232.
El puerto serial RS-232 en la HMI del panel frontal sirve para conectar una PC al
PCD. Este puerto se usa con el software de configuración AFSuite basado en
Windows, utilizado para programar, controlar y descargar datos del PCD.
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El cable de comunicaciones debe tener un conector macho DB-9 en el extremo del
PCD y un conector hembra DB-9 en el extremo de la PC. Este puerto está fijado a
9600 baud y se le asigna la dirección 0.
1.3.3 Módulos.
En la parte posterior, el PCD usa una caja de seis ranuras para tarjetas (Figura 1.5):
Ranura A: PS (Fuente de Poder) o UPS (Fuente de Poder Ininterrumpible).
Ranura B: Control de Reconectador VR, DIO (Modulo de Entradas y Salidas
Digitales) Tipo 2 o DIO Tipo 1.
Ranura C: DIO Tipo 1.
Ranura D: CPU (Unidad de Control Y Proceso) Tipo 2.
Ranura E: COM (Módulo de Comunicaciones) Tipo 3, Tipo 4 o Tipo 5.
Ranura F: PT/CT (Módulo de Tensión y Corriente) Tipo 5, Tipo 6, Tipo 7,
Tipo 8, Tipo 9 o Tipo A.
Figura 1. 5 Parte Posterior Típica de Panel.
Adicionalmente, el PCD tiene una ruta separada de comunicaciones al procesador en
el panel posterior, que está completamente aislada del puerto del panel frontal, que se
usa típicamente para conexión a SCADA (Sistema de Control y Adquisición de
Datos), y se debe ajustar a los protocolos DNP o Modbus. El PCD tiene una
característica denominada “Protocol Autodetect” que permite que el control se
comunique usando el protocolo DNP 3.0, mientras monitorea la comunicación para
comandos Modbus. Si se detecta un pedido Modbus (desde AFSuite, WinPCD, u
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otra fuente Modbus) el control reconocerá y responderá a la consulta en Modbus.
Después de la respuesta, los contactos del puerto retornan al protocolo DNP, la
comunicación DNP debe cesar durante la comunicación.
La Tabla 1.2 muestra los ajustes básicos de comunicaciones para el PCD. (PCD
Aparato de Control de Potencia 2007)
ABREVIATURA HMI DESCRIPCIÓN
Unit Address
Dirección de la unidad (por defecto es 0001)
Este ajuste es la dirección de comunicaciones de datos del PCD. Este valor
es un valor decimal en el rango de 1 a 65.535. El valor hexadecimal
correspondiente se muestra en corchetes [0001 – FFFF]. Esta dirección
aplica únicamente al puerto del Panel Posterior. El puerto del Panel Frontal,
usado para comunicaciones locales, tiene una dirección fija 000.
FP Baud
FP Frame
Configuración de panel frontal (por defecto es 9600, N, 8,1)
Se especifican dos valores para comunicaciones digitales a través del puerto
de datos del panel frontal. La tasa en baud: 600, 1200, 2400, 4800, 9600
(por defecto), y el patrón de bloque: NONE (ninguno)-8-1 (por defecto),
NONE 8-2. Estos deben coincidir con los ajustes de comunicaciones de la
computadora (u otro aparato digital) comunicándose con el PCD.
RP Baud
RP Frame
Configuración de panel posterior (por defecto es 9600, N, 8,1)
Se especifican dos valores para comunicaciones digitales a través del puerto
de datos del panel posterior. La tasa en baud: 600, 1200, 2400, 4800, 9600 o
19200; y el patrón de bloque: NONE 8-1 (por defecto), EVEN 8-1, ODD 8-
1, NONE 8-2. Estos deben coincidir con los ajustes de comunicaciones de la
computadora (u otro aparato digital) comunicándose con el PCD.
RP Protocol
Protocolo de panel posterior (por defecto es Modbus ® ASCII)
Este ajuste especifica que protocolo de comunicaciones usar para
comunicaciones de datos a través del puerto posterior de datos que se está
comunicando con la computadora conectada al PCD. Las alternativas
disponibles son: ASCII Modbus (por defecto), RTU Modbus y DNP 3.0
IEC870
RTS/CTS Delay (disponible
únicamente a través del puerto
CPU cuando no está presente el
módulo COM
RTS/CTS hardware handshaking (inicio de comunicaciones de hardware)
Cuando está activado, el usuario puede ajustar un valor de 0-3000 ms para
pre retardo CTS Tx, 0-3000 ms para pre retardo CTS y 0-3000 ms para post
retardo Tx.
Parameter 1 – 25
Parámetros puerto posterior 1 – 25
Este ajuste afecta las comunicaciones de datos usando el protocolo DNP3.0.
El PCD tiene un modo especial que permite la interpretación de comandos
Modbus mientras está ajustado en protocolo DNP.
Mode Par 1-8:
Parámetros puerto posterior Modo 1 – 8 .Este ajuste afecta las
comunicaciones de datos usando el protocolo DNP 3.0.
Tabla 1. 2 Ajustes de comunicaciones.
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1.3.4 Descripción de los Puertos de Comunicaciones.
1.3.4.1 Puerto de Comunicaciones RS-232.
Está disponible en todos los módulos de comunicaciones. Consiste de un conector
de 9 clavijas D-shell (Tabla 1.3) y proporciona comunicaciones punto a punto.
El estándar RS-232 soporta un operador y receptor sobre una distancia de 50 pies
(15,2 m). Sin embargo, el RS-232 soportará también un modem externo o un radio
transmisor remoto desde la subestación, incrementando la distancia de comunicación
a aproximadamente 3,5 millas (5,6 km) en terreno favorable.
Clavija Señal Descripción Entrada/Salida
1 DCD Detector de Portadora E
2 RXD Recibe datos E
3 TXD Transmite datos S
4 DTR Terminal de datos listos S
5 GND Puesta a tierra de señal -
6 DSR Equipo de datos listos E
7 RTS Listo para enviar S
8 CTS Despejar para enviar E
9 RI Indicador E
Tabla 1. 3 Descripción de clavijas.
1.3.4.2 Puerto de Comunicaciones RS-485.
Está disponible en todos los módulos de comunicaciones excepto en el módulo CPU.
El RS-485 es más adecuado para aplicaciones en subestaciones en una red en anillo,
donde se pueden conectar un máximo de 32 aparatos a una distancia máxima con
cable de comunicaciones de 4000 pies (1219 m).
1.3.4.3 Puerto de Fibra Óptica.
Está disponible en los módulos Com 2a y Com 4. Estos puertos tienen conectores
tipo ST (Straight Tip), que soportan una variedad de tamaños de fibras. Se
recomienda la fibra mono modo que soporta hasta 15 kilómetros.
1.3.5 Descripción de los Módulos de Comunicación.
La unidad se conecta al SCADA a través del puerto posterior, mediante uno de los
siguientes métodos:
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1. Módulo COM2a. Este módulo tiene un puerto aislado RS-232, un aislado
RS-485 y un puerto de fibra óptica.
2. Módulo COM3. Esta conexión tiene un puerto aislado RS-232 y un aislado
RS-485. Tiene característica puente de RS-232 a Fibra
3. Módulo COM4. Este módulo tiene un puerto aislado RS-232, un aislado RS-
485 y un puerto de fibra óptica.
4. Módulo COM5. Este módulo se usa únicamente para la Loop Control Option
(Opción de Control de Lazo). El módulo tiene 3 puertos, dos aislados RS-
232 y un aislado RS-485. Uno de los puertos RS-232 no está disponible para
comunicaciones. Se usa, para propósitos de diagnóstico y actualización de
firmware en la tarjeta COM5.
5. Módulo CPU. Este módulo tiene un puerto no aislado RS-232 que sirve para
actualizaciones de firmware en el procesador principal.
Los PCDs adquiridos por la Centrosur, cuentan con el módulo de comunicación
COM Tipo 2a y el módulo CPU, que se analizarán en detalle más adelante. La Tabla
1.4 resume las características de hardware de cada módulo.
Características CPU
(direct) COM 2a COM 3 COM 4 COM 5
Puerto RS-232 (9 clavijas) Y Y Y Y Y
Puerto RS-485
N Y Y Y Y
Puerto de Fibra (conectores ST) N Y N Y N
Característica puente de RS-232 a
RS-485
N
N
Y
Y
N
Software de inicio de
comunicación RTS/CTS ajustable
usando puentes en la tarjeta
N
N
Y
Y
N
Inicio de comunicación RTS/CTS
controlado por hardware con
temporizadores ajustables
Y
N
N
N
N
Puertos aislados N Y Y Y Y
Tabla 1. 4 Características de los módulos de comunicaciones.
1.3.5.1 Descripción del Módulo de Comunicaciones Tipo 2a.
Este módulo tiene tres puertos de comunicaciones, RS-232, RS-485, y un puerto de
fibra óptica (Figura 1.6).
Todos los puertos en este módulo son aislados ópticamente. Todas las
comunicaciones al Com2a deben ser radiales. Es importante notar que el módulo
Com 2a comunica únicamente un puerto a la vez.
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Figura 1. 6 Modulo de comunicaciones Tipo 2a.
1.3.5.2 Descripción del Módulo CPU.
El puerto RS-232 en la CPU está activo únicamente cuando no existe instalado un
módulo de comunicaciones. Este puerto se usa para actualizaciones de firmware. Si
se proporciona otros medios de aislamiento se puede usar para comunicaciones
externas a SCADA o para programar el control.
Este puerto además tiene líneas reales RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send)
desde el procesador que proporcionan handshaking (inicio de comunicación) de
hardware, que controla el flujo de datos cuando se enlaza con
receptores/transmisores de radio. Cuando se recibe una consulta desde el máster
(equipo principal), el PCD responderá con la característica RTS/CTS delay timer
(temporizador de retardo) activada, el PCD enviará primero su línea RTS, y esperará
hasta que la línea CTS esté en alto (high) desde el máster. Si la línea CTS nunca va a
alta, al final del CTS Tx delay, él procederá a enviar la respuesta indiferente del
estado CTS. Si existe programado un ajuste Post Tx Delay, el PCD mantendrá en
alto la línea RTS durante ese tiempo después de la transmisión de la respuesta. Esta
característica es útil para ciertos tipos de comunicaciones por radio.
1.4 UNIDADES TERMINALES REMOTAS (RTU).
Una RTU es un dispositivo programable convertidor de lógica, que puede leer el
estado de las variables digitales y medir las variables analógicas de un sistema para
enviarlos hasta un centro de control como comandos digitales o puntos de ajuste
analógicos. Las RTUs entonces, son dispositivos que se conectan físicamente a los
equipos ejecutores de los procesos de un sistema para recopilar sus datos digitales de
estado como: abierto/cerrado desde una válvula o un interruptor, o para leer sus
medidas analógicas como presión, flujo, voltaje, corriente, etc.
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14
Una RTU también, posee entradas y salidas ampliables y puede ser configurada tanto
en forma local como remota, a través del sistema SCADA.
Este dispositivo es un proveedor de inteligencia en las instalaciones remotas, el cual
permite realizar una comunicación (adquisición, control y transferencia de datos)
desde los instrumentos de campo, hacia el centro principal de control y viceversa.
Basado en la información que se intercambia, un operador puede tomar alguna
acción de control sobre el proceso.
En la actualidad, el avance de la tecnología y el desarrollo de nuevo software ha
reducido considerablemente las prestaciones que inicialmente ofrecían las RTU
como elementos fundamentales de un sistema SCADA, es así que, ahora mismo se
puede afirmar que una RTU se ha limitado a ser un dispositivo conversor y
concentrador de datos. (Tipán 2009)
1.4.1 Estructura de una RTU
Las partes principales que se pueden citar de una RTU son:
CPU y memoria volátil (RAM),
Memoria no volátil para almacenar información de configuración,
Puertos de comunicación serial,
Modem de comunicación,
Protección contra fluctuaciones de voltaje,
Interfaces de entrada/salida,
Reloj de tiempo real.
Anteriormente, el cerebro para que un SCADA tenga la capacidad de controlar todo
un sistema en tiempo real y proveer señales de alarma eran las unidades terminales
remotas RTU, sin embargo; los nuevos requerimientos en cuanto a confiabilidad y
monitoreo de otros parámetros, así como, la necesidad de ahorro de espacio físico,
han logrado que las RTU estén siendo paulatinamente desplazadas por los PLC
(Controlador Lógico Programable) y los dispositivos denominados IEDs
(Dispositivos electrónicos Inteligentes).
1.4.2 RTU Elitel – 4000.
Para el presente proyecto la Empresa Eléctrica Regional Centrosur C.A. ha puesto a
disposición una Unidad Terminal Remota ELITEL-4000 (Sistema Operativo
CENTROSUR 01/12/05), que se describe a continuación.
Se trata de un Sistema de Control Distribuido de líneas eléctricas basado en una red
de unidades DPU2000R (Distribution Protection Unit). La estructura de la red se
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indica en la Figura 1.7. (Manual del usuario de la Unidad Terminal Remota Elitel
4000 s.f.)
Figura 1. 7 Estructura de Red RTU Elitel 4000.
Los DPU’s siguen un comportamiento maestro-esclavo, tanto a nivel de enlace de
datos como de aplicación, y no realizan el envío de respuestas no solicitadas2.
1.4.2.1 Alcance y Soporte.
El protocolo DNP-3 en los equipos ELITEL-4000, permite integrar a la red equipos
SEL-351, Multilín SR760 y ABB DPU 2000R, o equipos completamente
compatibles a estos.
La RTU 4000 soporta como máximo:
64 IED’s.
8 líneas de comunicación para el protocolo DNP3.
8 IED’s por línea.
En la misma línea de comunicación no pueden coexistir equipos de distinto
fabricante, debido a la incompatibilidad de protocolos. Los tiempos de respuesta del
sistema pueden empeorar cuando más equipos se integren a una misma línea de
comunicaciones.
La respuesta temporal en las líneas con equipos SEL o Multilín es peor que la
conseguida en la actualidad con equipos DPU 2000R, debido a que al utilizar el
protocolo de una forma más general aumentará el tráfico de mensajes. (Perfil DNP
3.0 de la Unidad Terminal Remonta Elitel 4000 s.f.)
2 Las respuestas no solicitadas se analizan en el capítulo 2.
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1.4.2.2 Secuencia y Exploración de IED’s.
Los posibles estados y sus transiciones en los que se puede encontrar un IED se
reflejan en el siguiente diagrama (Figura 1.8):
Figura 1. 8 Estados y transiciones de un IED.
Cada uno de los estados, subestados y transiciones asociadas, se desarrollan a
continuación.
a. Inactiva.
Definición del estado.- en este estado el IED está excluido del proceso de
exploración.
Adquisición de datos.- el IED no es interrogado en este estado.
Transiciones posibles.- deberá existir una orden sobre una señal reservada
para ello, para pasar un IED a INACTIVO, y lo contrario para activarlo,
pasando al estado de FALLO. Se puede llegar al estado de INACTIVO a
partir de cualquiera de los restantes.
b. Recuperación.
Definición del estado.- en este estado se realiza una integridad de los datos,
tomando todos los datos por medida.
Adquisición de datos.- en este estado todos los datos necesarios se pedirán
por medida. La petición de los datos se engloba mensajes de:
- Petición de las entradas digitales.
- Petición de las entradas analógicas.
- Petición de los contadores.
Además el IED se sincroniza con el ELITEL mediante la transmisión del
correspondiente mensaje.
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Transiciones posibles.- se pasará a este estado desde el estado NORMAL en
todos los cambios de minuto, con el fin de realizar la integridad de los datos.
También al abandonar un estado de FALLO.
Una vez se haya realizado la integridad de los datos se pasará al estado
NORMAL, pudiendo pasar al estado de FALLO si se diese alguno. Se pasará
al estado de INACTIVA si se recibe la orden correspondiente.
c. Normal.
Definición del estado.- este es el estado estable de los IED’s, en el que
estarán la mayor parte del tiempo. Por ello, se debe intentar tomar el mayor
número de datos por cambios.
Adquisición de datos.- las señales digitales se adquirirán como cambios con
etiqueta de tiempo. Las entradas analógicas y los contadores se pedirán, sin
etiqueta de tiempo, de igual forma que durante la recuperación, de una forma
menos intensiva que las señales digitales.
Transiciones posibles.- al estado NORMAL se llega siempre desde el
estado de RECUPERACIÓN, tanto después de un proceso de integridad de
datos como en el proceso de integridad de datos como en el proceso de
arranque del sistema. Desde el estado NORMAL se pasará al estado de
RECUPERACIÓN cuando se deba realizar una integridad de datos o al
estado de FALLO, en caso de que haya sido detectado algún tipo de fallo. Se
pasará al estado de INACTIVA siempre que se reciba la orden
correspondiente.
d. Fallo.
Definición del estado.- se pasará a este estado cuando haya ocurrido algún
fallo que no se haya podido recuperar con los reintentos.
Adquisición de datos.- en este estado no se toma ningún dato, sino que se
consulta el estado de la línea con el fin de saber cuándo se puede comenzar
un nuevo intercambio de datos con el IED. Esto se traduce en un mensaje del
NE de “Reset of Remote Link”.
Transiciones posibles.- se pasará a este estado desde el estado de
INACTIVA debido a la orden correspondiente. Desde el estado de
RECUPERACIÓN o NORMAL siempre que se haya dado un error no
recuperable. Cuando se reciba una respuesta satisfactoria del IED al mensaje
de consulta de línea se la pasará al estado de RECUPERACIÓN.
El criterio que se ha seguido para distribuir la petición de datos en los
distintos mensajes minimiza la carga de tráfico e intenta aprovechar al
máximo las facilidades ofrecidas por el protocolo.
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1.4.2.3 Tratamiento de datos.
Los distintos tipos de señales que se tratan, y su número máximo son los siguientes:
Entradas analógicas (EA): 16 señales por IED.
Entradas digitales (ED): 32 señales por IED.
Contadores: 6 contadores por IED.
Salidas digitales: 4 salidas por IED.
Para poder mantener la información en la base de datos del ELITEL, se definen
módulos lógicos de entradas analógicas donde se mantienen tanto las entradas
analógicas, como los contadores y módulos lógicos de entradas digitales donde se
mantienen entradas y salidas digitales. Se necesitan por IED:
3 módulos de ED: 16 entradas digitales + 4 salidas digitales.
2 módulos de EA: 16 entradas analógicas + 6 contadores.
Además se fijan los canales paramétricos necesarios para poder mantener el estado
del fallo de cada IED (un canal por IED). Estos se incorporan a un modulo lógico de
entradas digitales.
El protocolo DNP3 ofrece varias alternativas para acceder a la información del IED.
El criterio seguido debe compactar los mensajes lo más posible en cada caso, y
generar el menor tráfico posible.
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CAPÍTULO 2
ESTUDIO DEL PROTOCOLO DNP.
2.1 MODELO OSI.
El modelo de referencia OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) lanzado en 1984
fue el modelo de red descriptivo creado por ISO (Organización Internacional de
Estandarización); como un marco de referencia para la definición de arquitecturas de
interconexión de sistemas de comunicaciones.
Es un modelo que muestra cómo puede estructurarse una "pila" de protocolos de
comunicaciones. El modelo en sí mismo no puede ser considerado una arquitectura,
ya que no especifica el protocolo que debe ser usado en cada capa, sino que suele
hablarse de modelo de referencia. Este modelo está dividido en siete capas, que se
muestran en la Figura 2.1. (STALLINGS 2004)
Figura 2. 1 Capas del modelo de referencia OSI.
Tres conceptos son básicos para el modelo:
1. Servicios
2. Interfaces
3. Protocolos
La contribución más grande del modelo OSI es que hace explícita la distinción entre
estos tres conceptos. La definición de servicio indica qué hace cada capa, no la
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forma en que la entidad superior tiene acceso a ella, o cómo funciona dicha capa.
Define el aspecto semántico de la capa.
La interfaz de una capa indica a los procesos que están sobre ella cómo accederla.
Especifica cuáles son los parámetros y qué resultados se esperan. Incluso, no dice
nada sobre cómo funciona internamente la capa.
Por último, una capa es quien debe decidir que protocolos debe utilizar. Puede usar
cualesquier protocolo que desee, en tanto consiga que se haga el trabajo (es decir,
proporcione los servicios ofrecidos).
A pesar que OSI establece una diferenciación entre las especificaciones y la
implementación ni el modelo ni sus protocolos son perfectos, y se les han hecho
varias críticas que se resumen a continuación:
1. Aparición inoportuna
2. Mala tecnología
3. Malas implementaciones
4. Malas políticas
A pesar de sus problemas, el modelo OSI (excepto las capas de sesión y
presentación) ha probado ser excepcionalmente útil en la exposición de redes de
computadoras. En contraste sus protocolos no han sido muy populares. Como
alternativa se presenta un modelo OSI modificado denominado modelo híbrido
(Figura 2.2). (TANENBAUM 2003)
Figura 2. 2 Modelo de referencia híbrido.
2.2 PROTOCOLO DNP3.0
El protocolo DNP (Distributed Network Protocol) fue desarrollado en 1990 por
Westronic Inc., como un sistema abierto (no propietario), basado en estándares de
interoperabilidad IEC 870-5. Es ampliamente utilizado en aplicaciones de
telecontrol en sistemas eléctricos, donde las estampas y sincronizaciones de tiempo,
como el hecho de que un esclavo transmita información sin ser solicitada, son
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fundamentales al momento de analizar fallas y sincronizar el accionamiento de todos
los dispositivos. Por esta razón, los equipos que se utilizan en estas aplicaciones,
como relés de protección, reconectadores, etc., en general, incluyen este protocolo
como estándar.
El protocolo DNP3.0 (DNP versión 3.0) está basado en un modelo que incluye tres
de las capas del modelo OSI (sin embargo, DNP agrega una cuarta capa de pseudo-
transporte que permite la segmentación del mensaje), denominado EPA (Enhanced
Performance Architecture, Arquitectura de Rendimiento Mejorado): capa de
aplicación, capa de enlace de datos y capa física. DNP 3.0 es muy eficiente por ser
un protocolo de capas, ya que asegura una alta integridad de datos. Es adecuado para
aplicaciones en el ambiente SCADA completo: RTU-IED, Maestro–Remoto, punto-
punto y aplicaciones de red.
DNP3 es un protocolo que proporciona multiplexación, fragmentación de datos,
comprobación de errores, control de enlace, establecimiento de prioridades, y
servicios de direccionamiento de capa 2 para datos de usuario.
Utiliza especialmente el control de redundancia cíclica (CRC) impregnado dentro de
los paquetes de datos, para hacer frente a los ambientes muy ruidosos en los que se
desenvuelve de forma habitual. Originalmente, el protocolo fue utilizado para
comunicación serial, la versión actual soporta aplicaciones modernas que pueden
llevar mensajes DNP3 sobre TCP/IP. (DNP n.d.)
2.2.1 DNP3 Serial.
DNP3 serie se utiliza como un protocolo de transmisión entre los sistemas de control
y dispositivos remotos. Tiene capacidades generalmente en el contexto de las
aplicaciones SCADA. Los mensajes son transmitidos habitualmente a través de
conexiones en serie.
2.2.2 DNP3 LAN / WAN.
DNP3 sobre LAN/WAN se destina para las conexiones a través de protocolos de
Internet. Tanto TCP/IP y UDP/IP pueden ser utilizados como capa de transporte.
Las tramas de la capa de enlace, están incorporadas en los paquetes TCP/IP. Este
enfoque ha permitido a DNP3 aprovechar la tecnología de Internet, además la
captura económica de datos y el amplio control entre dispositivos remotos. DNP3
sobre LAN / WAN tiene los mismos mensajes y el mismo formato que las tramas
DNP3, hecho que se demostrará más adelante en las pruebas del protocolo.
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2.2.3 DNP3 en los sistemas SCADA.
DNP3 desempeña un papel importante en los sistemas SCADA. Se utiliza de manera
general para las comunicaciones entre un equipo principal y las RTU’s o IED’s
(Figura 2.3).
Figura 2. 3 DNP3 en los sistemas SCADA.
2.2.4 Arquitectura DNP3.
La Figura 2.3 muestra las diferentes arquitecturas de sistema comúnmente utilizadas
hoy en día.
La Figura 2.3 (a) muestra un simple sistema punto a punto que cuenta con un
maestro y una estación remota. La conexión física entre los dos es usualmente una
línea dedicada o una línea telefónica dial up.
La Figura 2.3 (b) se conoce como diseño multi-drop. Un maestro se comunica con la
estación remota de múltiples dispositivos. Las comunicaciones son típicamente entre
el maestro y la estación remota una a la vez. El maestro pide los datos a la primera
estación remota, y luego se interroga a la siguiente estación para obtener datos, y
continuamente interroga a las estaciones remotas una a una, haciendo un barrido
ordenado (preseteado). El medio de comunicación puede ser una línea dial up multi-
dropped, cable de fibra óptica o radioeléctrico. Cada una de las estaciones remotas
puede escuchar los mensajes del maestro y sólo pueden responder a los mensajes
dirigidos a sí mismo. En algunos sistemas multi-drop, las comunicaciones son
punto a punto. Una estación puede operar como maestro para recolectar/reenviar la
información o comandos desde/hacia una estación remota cualquiera.
La Figura 2.3 (c) muestra un sistema jerárquico, donde el dispositivo central es una
estación remota respecto al maestro de la izquierda y es un maestro con respecto a la
Centro de Control de Estación Maestra SCADA Enlaces
Comunes
Subestación Remota
Dispositivos
Electrónicos Inteligentes
HMI/SCADA
Master
Puntos de
Control
Externo
1200 bps +
(debajo de 300 bps en la instalación
actual)
Radio
Microonda
Spread Spectrum
Par trenzado
Fibra óptica
Dial up
Línea dedicada
Unidad Terminal
Remota (RTU)
Actuador
Acumulador
Controlador Lógico Programable
(PLC)
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estación remota de la derecha. Este dispositivo generalmente se denomina sub-
maestro.
En las Figuras 2.4 (d, e), en ambas líneas se muestran las aplicaciones del
concentrador de datos y conversores de protocolo. Un dispositivo puede recopilar
datos de múltiples estaciones remotas en la parte derecha de la figura y almacenar
estos datos en su base de datos donde puede recuperarse por una estación maestra en
el lado izquierdo de la figura.
Figura 2. 4 Arquitecturas DNP3.
2.3 ESPECIFICACIONES DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN DNP.
2.3.1 Características del protocolo DNP 3.0
Pueden existir más de 65000 dispositivos con direcciones diferentes en un
mismo enlace, debido a que usa dos bytes de direccionamiento.
Permite mensajes en “Broadcast” (difusión).
Confirmaciones al nivel de la capa de enlace y/o capa de aplicación
garantizando así alta integridad en la información.
Solicitudes y respuestas con múltiples tipos de datos en un solo mensaje, y
permite objetos definidos por el usuario incluyendo la transferencia de
archivos.
Segmentación de los mensajes en múltiples tramas para garantizar una
excelente detección de errores y recuperación de tramas con errores.
DNP3
Master
DNP3
Master
DNP3
Master
DNP3
Master
DNP3
Outstation
DNP3
OutstationDNP3
Outstation
DNP3
Outstation
DNP3
OutstationMaster
Master
Master
DNP3
Outstation
DNP3
OutstationOutstation
Outstation
Outstation
XYZ
OutstationXYZ
Outstation
XYZ
XYZ DNP3XYZ
Master
DNP3
DNP3
Uno a Uno
Multi-drop
Jerarquía
Concentrador
de datos
Concentrador
de datos
(b)
(a)
(c)
(d)
(e)
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Puede incluir solo datos que hayan cambiado en el mensaje de respuesta
(Reporte por excepción).
Asigna prioridades a un grupo de datos (clases), y los solicita periódicamente
basándose en las mismas.
Los dispositivos esclavos pueden enviar respuestas sin solicitud (Respuestas
no Solicitadas).
Soporta sincronización temporal con un formato de tiempo estándar.
(DNP n.d.)
La Tabla 2.1 muestra la comparación del protocolo DNP con otros protocolos de
comunicación. (Emb 2008)
PROTOCOLOS
CARACTERÍSTICAS DNP Modbus RTU IEC 60870-5-101
Modelo OSI de 3 capas x
Usuarios >500 1000 100
Diseñado para ambientes empresariales x
Grupo de usuarios y comité técnico x x
Control de revisión en documentación
final
x
Documentación definida de test del
protocolo
x x
Programas independientes de
verificación del protocolo
x x
Migración a arquitecturas avanzadas x
Sincronización de tiempo y estampa de
tiempo
x
Maestros múltiples y operación igual a
igual (peer-to-peer)
Limitados x x
Esclavos no solicitados que no necesitan
ser encuestados
x x
Segmentación de mensajes x x
Transferencia de archivos seguro x
Mensajes generales (difusión) x
Objetos de datos definidos por usuario x x
Tabla 2. 1 Diferencias entre DNP y otros protocolos.NP
2.3.2 Respuestas no solicitadas.
Este es un modo de funcionamiento que transmite una respuesta desde un esclavo de
forma espontánea sin haber recibido una petición específica de los datos. No todas
las estaciones tienen esta capacidad. Este modo es útil cuando el sistema tiene
muchos esclavos y el maestro requiere la notificación tan pronto como sea posible
después que se produce un cambio, mientras que haciendo un polling la respuesta
tarda más en ser enviada. Por lo general se usa esta característica para que los
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dispositivos esclavos reporten los eventos ya sean las alarmas, secuencia de eventos
y/o cambios en las mediciones sin necesidad de preguntar por ellos.
El criterio para que un dispositivo esclavo reporte respuestas no solicitadas se basa
en dos parámetros, configurables en todo dispositivo que se comunique mediante
DNP 3.0 y que soporte esta propiedad:
•Hold count: este parámetro configura un número determinado de eventos o
cambios que tienen que ocurrir para que el dispositivo tome la decisión de
enviar una respuesta no solicitada reportando dichos eventos.
•Hold time: este parámetro configura el tiempo máximo que debe pasar hasta
que el dispositivo envíe una respuesta no solicitada. Con este parámetro se
evita el caso en que ocurran eventos en el dispositivo, pero que no superen en
número al Hold count, entonces el dispositivo espera el Hold time para enviar
los eventos que tiene almacenado.
2.3.3 Bases de datos de estaciones maestras y remotas.
La Figura 2.5 muestra la relación entre la estación maestra y una estación remota y
da una visión sencilla de las bases de datos y software de los procesos involucrados.
Figura 2. 5 Relación entre maestro y esclavo.
Una serie de bloques en la parte superior de la estación remota representan los datos
almacenados en su base de datos y en los dispositivos de salida. Los diversos tipos
de datos son conceptualmente organizados como matrices. Un conjunto de valores
binarios de entrada representa los estados físicos o estados lógicos booleanos de los
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dispositivos. Las entradas analógicas representan las cantidades de entrada que la
estación remota ha medido o calculado. Un arreglo de contadores representa los
valores contabilizados. Las salidas de control representan; el encendido o apagado
físico o lógico, es decir una apertura o cierre.
Los bloques de datos se etiquetan de 0 a N - 1, donde N es el número de bloques para
el respectivo tipo de datos. En terminología DNP3, los números de bloques se
llaman puntos índices.
La unidad maestra también tiene una base de datos similar a la remota. El maestro
utiliza los valores en su base de datos para visualizar los estados del sistema, el
control de circuito cerrado, alarma de notificación, facturación y más.
Uno de los objetivos del maestro es mantener su base de datos actualizada. Se
realiza mediante el envío de una petición a una estación remota solicitando que
devuelva el valor de la base de datos de la estación remota, proceso denominado
selección (polling). La estación remota responde a la petición del maestro para la
transmisión del contenido de su base de datos. Las flechas de la parte inferior de la
figura 2.4 muestran la dirección de las peticiones (hacia la estación remota) y la
dirección de las respuestas (hacia el maestro).
2.3.4 Capas del protocolo DNP3.
Los enlaces de comunicación entre los dispositivos a menudo no son adecuados, son
susceptibles a ruido y la distorsión de la señal. El software DNP3 es capaz de
proporcionar datos fiables en la transmisión. La Figura 2.6 muestra las capas DNP3.
Figura 2. 6 Capas DNP3.
0 0 0
1 1 1
2 2 2
3 3 3
4 4
5
6
7
8
CÓDIGO DE USUARIO DNP3
ENTRADAS
BINARIAS
ANÁLOGO
CONTADORES
MAESTRO
0 0 0 0 0
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
3 3 3 3 3
4 4 4 4
5 5
6 6
7
8
ENTRADAS
BINARIAS
ANÁLOGO
CONTADORES
SALIDAS DE
CONTROL
SALIDAS
ANALÓGICAS
ESTACIÓN
REMOTA
MEDIO FISICO
PETICIONES
RESPUESTAS
CAPA DE APLICACIÓN
CAPA DE PSEUDO TRANSPORTE
CAPA DE ENLACE
CÓDIGO DE USUARIO DNP3
CAPA DE APLICACIÓN
CAPA DE PSEUDO TRANSPORTE
CAPA DE ENLACE
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2.3.4.1 Capa Física.
La capa física se refiere principalmente a los medios físicos sobre los cuales se está
comunicando el protocolo. Por ejemplo, maneja el estado del medio (libre u
ocupado), y la sincronización a través del medio (inicio y parada). Comúnmente,
DNP se especifica sobre una capa física serial simple tal como RS-232 o RS-485
usando medios físicos tales como fibra, radio-eléctrico o satélite.
La capa física sirve para el enlace de datos como bits seriales asíncronos, además
soporta datos de 8 bits, 1 bit de inicio, 1 bit de parada, bits de no paridad, niveles de
voltaje y señales de control. El modem usado para la comunicación utilizando PSTN
(Public Switched Telephone Network) o líneas privadas conforman la definición
DCE (Equipo de Comunicación de Datos) para el estándar V.24.
La capa física debería proveer cinco servicios básicos:
Enviar.
Recibir.
Conectar (cuando se usa la comunicación para PSTN).
Desconectar (cuando se usa la comunicación para PSTN).
Estado (por ejemplo indicación de disponibilidad de medios).
2.3.4.2 Capa de Enlace de Datos.
La capa de enlace de datos DNP 3.0 está diseñada para una operación orientada a
conexión y conexiones síncronas o asíncronas de bits seriales de la capa física (como
RS232, RS-485 y transceptores de fibra óptica).
Para ello proporciona detección de errores y detección de duplicación de tramas. La
duplicación de tramas puede presentarse cuando el tiempo de espera por una
confirmación tanto en el maestro como en el esclavo sobrepasa el límite establecido.
La capa de enlace envía y recibe paquetes, que en terminología DNP3 se llaman
tramas. A veces es necesaria la transmisión de más de una trama para transportar
toda la información de un dispositivo a otro.
2.3.4.3 Capa de Pseudo Transporte.
Esta pseudo capa tiene la misión de dividir la longitud de los mensajes de la capa de
aplicación en pequeños paquetes para transmitirlos por la capa de enlace, y cuando
los recibe, reensambla las tramas dentro de los mensajes en la capa de aplicación.
En DNP3 la capa de transporte se ha incorporado a la capa de aplicación. La capa de
transporte requiere de un único octeto general para realizar su tarea. Por lo tanto,
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desde la capa de enlace se pueden manejar sólo 250 octetos de datos, y uno de esos
se utiliza para la función de transporte, cada trama de la capa de enlace puede
almacenar hasta 249 octetos de la capa de aplicación.
2.3.4.4 Capa de aplicación.
La capa de aplicación realiza operaciones de funcionamiento como: recuperación de
valores actuales (funciones de lectura), asignación de nuevos valores (funciones de
escritura) si los objetos representan puntos de control, provisión y energización de
los puntos de salida (selección, operación o funciones de operación directa) si se
usan contadores, valores actuales almacenados (funciones almacenadas) y encerado
de los contadores.
Todos los objetos de datos son asignados como clases. El protocolo DNP define 4
clases: clase 0 para datos fijos, clase 1 para eventos producidos por cambio de datos,
clase 2 para datos almacenados y clase 3 para eventos producidos por operaciones
guardadas. Solo el dato fijo está siempre disponible y puede ser solicitado usando la
función de lectura. La capa de usuario puede solicitar a la capa de aplicación por el
reporte de eventos clase 1, 2 o 3 o cualquier combinación de ellos.
Los mensajes de la capa de aplicación se dividen en fragmentos, el tamaño del
fragmento máximo está determinado por el tamaño del buffer del dispositivo
receptor. El rango normal es 2048 a 4096 bytes. Un mensaje que es más grande que
un fragmento requiere de múltiples fragmentos. Fragmentar los mensajes es una
función de la capa de aplicación.
En la figura 2.7 se puede ver una comparación entre las arquitecturas del protocolo
OSI y DNP3 indicando la posible correspondencia en términos de funcionalidad
entre ambas.
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Figura 2. 7 Comparación entre las arquitecturas de protocolos DNP3 y OSI.
2.3.5 Implementación protocolo DNP 3.0 para el PCD de ABB.
A través de la interface del panel frontal PCD se pueden cambiar varios parámetros
de operación. Los parámetros que directa o indirectamente configuran la operación
de DNP 3.0 se listan en la Tabla 2.2. Los parámetros se almacenan en una memoria
no volátil es decir se mantienen cuando el PCD está apagado. (Perfil DNP 3.0 de los
equipos reconectadores PCD2000 de ABB 2006)
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ETIQUETA DESCRIPCIÓN RANGO UNIDADES POR DEFECTO
Dirección de
unidad
Dirección de Red 0-65535(decimal) 0-FFFF(hex)
Dirección
1
Baudios RP Tasa serial de Baudios 300,1200,2400,4800,
9600,19200
Baud
9600
Tramas RP Paridad, Bits de Datos, Bits de
Parada
N,8,1 E,8,1 O,8,1 N,8,2
E,7,1 O,7,1 N,7,2
Paridad,bits,bits N,8,1
Protocolo RP Selección de Protocolo ASCII (Modbus) RTU (Modbus),DNP3.0
ASCII
Parámetro 1
Retardo entre caracteres
1-255
10 milisegundos
50(500 milisegundos),
0 deshabilitado no se
usa
Parámetro 2 Tiempo de confirmación de enlace de datos
1-255 100 milisegundos
30 (3 segundos), 0 (100 milisegundos)
Parámetro 3 Recuperación de enlace de
datos
0-255 Recuperaciones
2
Parámetro 4 Retardo de transmisión 0-255 Milisegundos 0
Parámetro 5 Grupo de máscara de búsqueda clase 0
0-255 (grupos de búsqueda 0-7)
Máscara de bit 255 todos los grupos habilitados
Parámetro 6 Grupo de máscara de
búsqueda clase 0
0-255 (grupos de
búsqueda 8-15)
Máscara de bit 255 todos los grupos
habilitados
Parámetro 7 Grupo de máscara de
búsqueda clase 0
0-255 (grupos de
búsqueda 16-23)
Máscara de bit 255 todos los grupos
habilitados
Parámetro 8 Grupo de mascara de búsqueda clase 0
0-255 (grupos de búsqueda 24-31)
Máscara de bit 255 todos los grupos habilitados
Parámetro 9 Tamaño de fragmento de la
capa de aplicación
1-8
Tramas
8 (2048 bytes)
0 (1 trama)
Mayor a 8 (8 tramas)
Parámetro 10 Tiempo de confirmación de la capa de aplicación
1-255 Segundos 5 0 1 seg
Parámetro 11 Retardo de notificación de
respuestas no solicitadas
0-255 Segundos 15
Parámetro 12 Dirección de destino 0-255 Dirección 3
Parámetro 13 Número mínimo de eventos
clase 1 para respuestas no solicitadas
0-255
Eventos
10
Parámetro 14 Número mínimo de eventos
clase 2 para respuestas no
solicitadas
0-255
Eventos
25
Parámetro 15 Número mínimo de eventos clase 3 para respuestas no
solicitadas
0-255
Eventos
50
Parámetro 16 Intervalo de tiempo de
escritura
0-255 (0= nunca) Minutos
30
Parámetro 17 Confirmación de enlace de datos
0 (nunca) 1 (solo multitrama)
2 (siempre)
0 (nunca) Mayor a 2 (siempre)
Parámetro 18 Intervalo no solicitado fuera
de línea
1-255 Minutos 15
Parámetro 19 Respaldo
Parámetro 20 Respaldo
Parámetro 21 Variación por defecto para objetos 2
1 o 2 2
Parámetro 22 Variación por defecto para
objetos 30
1-4 2
Parámetro 23 Variación por defecto para
objetos 32
1-4 2
Parámetro 24 Característica automática de protocolo
Deshabilitado habilitado
Deshabilitado
Parámetro 25 Reintentos máximos no
solicitados
0-255
3
[255-indefinido]
Tabla 2. 2 Parámetros de configuración del DNP 3.0.
2.3.5.1 Formato de tramas.
La estructura completa de las tramas DNP (Tabla 2.3), contiene la descripción de los
bytes de cada trama en cada una de las capas.
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Tabla 2. 3 Estructura de formato de tramas DNP.
Una trama DNP3 (Figura 2.8) consta de una cabecera y de una sección de datos. La
cabecera especifica el tamaño de la trama, contiene información de control de enlace
de datos e identifica la dirección de la fuente y el destino del dispositivo. La sección
de datos comúnmente se llama de carga útil y contiene los datos transmitidos a partir
de las capas superiores.
Byte
Descripción
Petición Respuesta
Formato de
trama de la
Capa de
Enlace
0 Caracter de inicio Caracter de inicio
1 Caracter de inicio Caracter de inicio
2 Longitud del campo Longitud del campo
3 Byte de control Byte de control
4 Dirección destino Dirección destino
5 Dirección destino Dirección destino
6 Dirección fuente Dirección fuente
7 Dirección fuente Dirección fuente
8 CRC CRC
9 CRC CRC
Formato de
trama de la
Capa de
Transporte
10
Cabecera de transporte de
campo
Cabecera de transporte de
campo
Formato de
trama de la
Capa de
Aplicación
11
Cabecera de
solicitud de
aplicación
Control de
aplicación de
campo
Cabecera de
respuesta de
aplicación
Control de
aplicación de
campo
12 Código de
función de
aplicación
Código de
función de
aplicación
13 Object data Indicación
interna
14 Object data Indicación
interna
15 Object data Object data
16 Object data Object data
17 Object data Object data
18 Object data Object data
19 Object data Object data
20 Object data Object data
21 Object data Object data
22 Object data Object data
23 Object data Object data
24 Object data Object data
25 Object data Object data
26 CRC CRC
27 CRC CRC
28 Object data Object data
29 Object data Object data
30 Object data Object data
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Figura 2. 8 Trama DNP3.
La cabecera contiene: dos octetos de sincronización que ayudan al receptor a
determinar cuando comienza la trama, la longitud especifica el número de octetos en
el resto de la trama, sin incluir los octetos de verificación CRC. El octeto de control
de enlace se utiliza para el envío y recepción de capas de enlace para coordinar sus
actividades.
El formato de tramas de la capa de enlace de datos que se envía a través de la capa
física se muestra en la Figura 2.9, y en la Tabla 2.4 se explica los campos de la
trama.
Figura 2. 9 Formato de tramas de la capa de enlace de datos.
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CAMPO SUBCAMPO DESCRIPCIÓN
INICIO 2 octetos de arranque de la cabecera (header).
LONGITUD
1 octeto contador de datos de usuario en la
cabecera y cuerpo. Esto incluye los campos de
control, destino y fuente en la cabecera. Los
campos CRC no están incluidos en el contador.
El mínimo valor de longitud es 5, lo cual indica
que solo la cabecera está presente, y el máximo
valor es 255.
CONTROL
DIRECCIÓN
(DIR)
El campo de control contiene la dirección de la
trama, el tipo de trama y la información de
control de flujo.
El bit de dirección indica la dirección física de
la trama con relación a la estación maestra
designada. El valor 1 indica una trama desde la
estación maestra designada; valor 0 indica una
trama desde otra que no sea la estación maestra.
BIT PRIMARIO
(PRM)
Indica la dirección de la trama con relación a la
estación inicial. Valor 1 indica la trama desde
la estación inicial, valor 0 indica una trama
desde la estación que responde.
BIT CONTADOR
DE TRAMA
(FCB)
Es usado para suprimir las pérdidas y
duplicación de las tramas en la estación
secundaria.
BIT DE
VALIDACIÓN
DEL
CONTADOR
(FCV)
Habilita el bit FCB. El valor 1 significa que el
FCB es válido y debe ser chequeado
nuevamente su estado. El estado del bit FCB de
la última trama enviada con el bit FCV activo.
El valor 0 indica que el estado del FCB debería
ser ignorado.
BIT RES Restringido siempre a 0.
BIT DE
CONTROL DE
FLUJO DE DATO
(DFC)
Es usado para prevenir el sobreflujo de los
buffers en la estación secundaria. La estación
secundaria retorna estos bits puestos en 1, si el
siguiente envío de los datos de usuario a esta
estación secundaria causa sobreflujo de los
buffers de enlace de datos.
CÓDIGO DE
FUNCIÓN
El código de función indica los tipos de trama.
DESTINO 2 octetos para dirección destino. El primer
octeto es el LSB y el segundo octeto es el MSB.
FUENTE 2 octetos para dirección fuente. El primer
octeto es el LSB y el segundo octeto es el MSB.
CRC 2 octetos para chequear la redundancia cíclica.
DATOS DE
USUARIO
Cada bloque a continuación de la cabecera tiene
16 octetos de datos definidos por el usuario,
excepto el último bloque que contiene de 1 a 16
octetos según la necesidad.
Tabla 2. 4 Detalle de los campos de las tramas de enlace de datos.
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2.3.5.2 Direccionamiento.
La dirección de destino define el dispositivo DNP3 que debe procesar los datos, y la
dirección de la fuente que identifica que dispositivo envía el mensaje. Cada
dispositivo DNP3 debe tener una dirección única dentro del sistema.
2.3.5.3 Verificación CRC.
Los datos de carga útil en las tramas de enlace contienen un par de octetos de datos
CRC cada 16 octetos. Esto proporciona un alto grado de fiabilidad en la detección
de errores en la comunicación. El número máximo de octetos de los datos de carga
útil es de 250, sin incluir los octetos CRC (la longitud máxima de la trama de la capa
de enlace es 292 octetos si todos los CRC y los octetos de cabecera se cuentan).
2.3.5.4 Datos estáticos y eventos.
La capa de aplicación trabaja conjuntamente con las capas de transporte y enlace
para que las comunicaciones sean fiables.
En DNP3, el término estático se utiliza con los datos y se refiere al valor actual. Así
la entrada binaria de datos se refiere al estado actual encendido o apagado de un
dispositivo bi-estado. Los datos de entrada analógicos contienen el valor de una
entrada analógica en el instante de su transmisión. Una posibilidad que permite
DNP3 es solicitar todos o algunos de los datos estáticos en un dispositivo remoto.
Los eventos DNP3 están relacionados con acontecimientos importantes que suceden.
Ejemplos de ello son cambios de estado, valores que exceden algún umbral,
variaciones de datos instantáneos, datos transitorios y los nuevos datos de
información disponible.
2.4 PRUEBAS FUNCIONALES DEL PROTOCOLO DNP 3.0.
Las pruebas realizadas se basan en la manipulación, uso y control de las unidades
PCD en forma remota utilizando el protocolo DNP 3.0 a través del software
ASE2000, mediante el monitoreo serial y sobre una red LAN.
Las pruebas se enfocan en el establecimiento y configuración de un sistema de
telemetría controlado por la RTU ELITEL-4000.
ASE2000 (Applied Systems Engineering) es un paquete de software/hardware que
permite hacer pruebas, de monitoreo y comunicaciones de redes en un ambiente de
adquisición de datos, entre una estación primaria (Master) y una estación secundaria
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(Slave). (ASE2000 Communication Test Set Software and Protocol License
Agreement 2007)
2.4.1 Modo Monitor RS232.
En la figura 2.10 se muestra un diagrama de la conexión del modo monitor, en esta
prueba de laboratorio se intercambian datos entre la estación principal RTU (Master)
y la estación secundaria (Slave; IED control PCD del reconectador) por medio de sus
puertos seriales RS485. La PC que realiza el monitoreo se conecta en paralelo vía
puerto RS232 con las líneas de comunicación entre los equipos que realizan la
transmisión de datos.
Figura 2. 10 Diagrama de conexiones modo monitor.
Una vez realizada esta conexión se debe configurar el software ASE2000 en modo de
monitoreo. Además es necesario configurar las direcciones tanto de la estación
maestra como del esclavo, en este caso son direcciones 255 y 001 respectivamente.
En la figura 2.11 se muestra los resultados obtenidos de esta prueba. La RTU ha
hecho una solicitud de entradas analógicas, y la respuesta del reconectador se pueden
ver en la ventana del software.
De esta manera se ha comprobado el funcionamiento del PCD como esclavo y la
correcta operación de la RTU (Master) en el proceso de intercambio de datos con
este IED usando el protocolo DNP3.0 serial en la comunicación.
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Figura 2. 11 Pantalla de resultados de la prueba modo monitor en el software ASE2000.
2.4.2 DNP3.0 sobre TCP/IP.
Esta prueba es indispensable ya que tecnologías como GPRS (General Packet Radio
Service) cuentan con una red TCP/IP, es decir los reconectadores necesitan
direcciones IP (Internet Protocol); para esto se debe comprobar el funcionamiento de
estos equipos sobre el protocolo DNP3.0 LAN/WAN.
La Centrosur proporcionó el equipo LANTRONIX UDS 1100 que es el dispositivo
conversor de interfaz RS232/RS485/Ethernet necesario para realizar esta prueba.
Configuración del conversor Serial/Ethernet.
La configuración de este dispositivo se la realiza a través de un administrador Web,
ésta se almacena en la memoria no volátil de la PC. Se puede cambiar la
configuración en cualquier momento, la unidad realiza un restablecimiento después
de los cambios y guarda la misma. Esta aplicación permite configurar un equipo de
forma remota accediendo a su puerto de consola a través del convertidor
LANTRONIX, quien actúa de nexo entre la comunicación serial hacia el equipo
remoto y la conexión Ethernet del computador que emulará un terminal de datos para
permitir la configuración.
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- Para configurar la dirección IP del dispositivo se interconecta el
equipo LANTRONIX con la tarjeta de red LAN de la PC, mediante
un cable cruzado.
- Se inserta el CD que viene con el equipo, de esta manera se levantará
el AutoRun.
- Para ver el administrador Web UDS1100 se debe hacer click en el
botón Go de la ventana de instalación del dispositivo o accediendo
desde el navegador web.
- Se debe ingresar la dirección IP que se asignará a este dispositivo.
Para la configuración de este dispositivo se asignó la dirección IP:
192.168.00.11. Esta dirección deberá ser la misma que se configure
en el software ASE2000 como host, también el software deberá tener
una dirección IP que será el destino de los datos enviados por el PCD,
esta dirección deberá ser configurada también en el conversor UDS
1100 como host.
(LANTRONIX, UDS1100 User Guide 2007)
El diagrama de conexión en modo maestro de forma directa se muestra en la Figura
2.12, en medio de la comunicación entre el maestro y esclavo (PCD) se ha colocado
el conversor de interfaz, el cual conecta el PCD a través del puerto serial RS485 de
un extremo, mientras que del otro lado a través del puerto RJ45 (10/100) Ethernet a
la PC3, donde el software instalado ASE2000 actúa en modo maestro.
Figura 2. 12 Diagrama de conexiones modo maestro directo.
En el conector DB25 RS-485 hembra del conversor, se utilizan los pines 7, 14 y 15
para la comunicación (Figura 2.13). El puerto serial está calibrado por defecto en
9600 baud, 8 bits, sin paridad y 1 bit de parada.
3 Debido a que la RTU ELITEL 4000 no funciona con redes IP, para estas pruebas se utilizará el
software ASE2000 instalado en una PC.
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Figura 2. 13 Interface DB25 hembra RS485.
Antes de realizar la solicitud de datos por parte de la estación maestra cabe indicar
que el PCD está configurado con el protocolo DNP3.0 serial, mientras que en el
software ASE2000 se configurará con el protocolo DNP3.0 LAN/WAN.
La segunda opción para esta prueba (Figura 2.14) es la conexión de los equipos a
través de la red LAN de la Centrosur, ya que de esta forma se realiza una simulación
real del funcionamiento dentro de una red TCP/IP. La configuración tanto del
software ASE2000 como la del dispositivo UDS, son exactamente iguales a la prueba
anterior, las conexiones físicas del PCD a través del conversor de interface se
efectuaron hasta un puerto de red LAN ubicado en el laboratorio de protecciones de
la Centrosur, mientras que la conexión de la PC que actúa como maestro se lo hizo
en primera instancia con un puerto dentro del mismo laboratorio, luego para
confirmar los resultados se optó por conectar la PC en un puerto ubicado en un
escenario distinto al primero.
Figura 2. 14 Diagrama de conexiones modo maestro a través de la red LAN.
En la figura 2.15 se muestra los resultados de las pruebas que se realizaron mediante
el software ASE2000, en donde el maestro hace una petición de restablecimiento de
enlace, a lo que el PCD responde mediante un reconocimiento de enlace de datos,
comprobando así que el protocolo DNP3.0 serial puede comunicarse sobre una red
TCP/IP con solo disponer de un dispositivo entre la red y el PCD.
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Figura 2. 15 Pantalla de resultados de la prueba sobre la red LAN de la Centrosur.
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40
CAPÍTULO 3
ESTUDIO DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR.
3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN.
Las redes de comunicación son un conjunto de recursos, públicos y/o privados que se
interconectan entre sí para satisfacer las necesidades de sus usuarios.
En función de la propiedad de los recursos de la red, se distinguen entre redes
públicas y redes privadas. Las redes públicas son aquellas que pertenecen a un
operador público de telecomunicaciones. Mientras que las redes privadas dan
servicio a determinadas empresas siendo éstas las que soportan los costos de
implementación y mantenimiento de la red.
Además, hay una tercera posibilidad la cuál es construir una red privada alquilando
los recursos públicos de un operador, la cuál es conocida como una red privada
virtual (VPN).
En el ámbito de la cobertura que abarquen, se distinguen redes de área local LAN
(Local Area Network), redes de área metropolitana MAN (Metropolitan Area
Network) o redes de área extensa WAN (Wide Area Network).
3.1.1 Redes LAN.
Una Red de Área Local (LAN), se puede definir como una red de comunicaciones de
datos que abarca un área físicamente limitada (generalmente menor que 2 o 3 Km.),
provee comunicación con gran ancho de banda en un medio económico
(generalmente cable coaxial o par trenzado), da una capacidad de conmutación con
una velocidad binaria alta y una tasa de errores reducida.
Las redes LAN poseen las siguientes características principales:
Interconexión de dispositivos
Velocidades de transmisión elevadas (1 Mbits hasta 10 Gbits )
Infraestructura de red privada
Fácil instalación y flexibilidad en la ubicación de equipos y terminales
Para una red LAN existen diversas configuraciones como:
LAN conmutadas.- las redes más populares de este tipo son las redes LAN
Ethernet, las cuales constan de un único conmutador, o alternativamente
implementadas mediante un conjunto de conmutadores interconectados entre
sí. Otro ejemplo son las redes LAN ATM (Asynchronous Transfer Mode),
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las cuales utilizan la tecnología de red ATM en un entorno local. Finalmente
están las redes LAN con canal de fibra (Fiber Channel).
El concepto básico de una LAN alámbrica es el área geográfica en la cual se
distribuye el cableado, al analizar de esta manera debemos considerar las
limitaciones del cable, las repetidoras y la tarjeta de interfaz con la red; ya
que una red LAN básica debe satisfacer estas especificaciones físicas. La red
LAN alámbrica incluye elementos de interconexión como bridges, routers y
gateways, llamados también dispositivos intermedios, que permiten conectar
la red formando una entidad integrada.
- Routers (enrutadores) y bridges (puentes): son equipos especiales
que permiten conectar dos o más redes. El bridge es el equipo más
elemental y sólo permite conectar varias redes de un mismo tipo. El
router es un elemento más inteligente y posibilita la interconexión de
diferentes tipos de redes de ordenadores.
LAN inalámbricas.- Este tipo de redes son muy habituales, principalmente en
entornos de oficinas, ya que éstas proporcionan ventajas evidentes en
términos de movilidad, facilidad de instalación y configuración.
(PAREDES y MARTÍNEZ 2008)
3.1.1.1 Estándares LAN.
Aunque tienen características propias en la capa física, es la subcapa MAC (Control
de Acceso al Medio) la que diferencia los tipos de redes LAN existentes,
encontrándose sistemas cuyo acceso al medio se basa en colisiones, otros se basan en
reserva mediante el paso de un testigo. Los estándares desarrollados son
responsabilidad del organismo de normalización IEEE, creándose de esta manera las
normas IEEE 802, dentro de las cuales se destacan:
802.1.- Arquitectura general LAN y capas superiores.
802.2.- LLC.
802.3.- LAN Ethernet.
802.4.- LAN en bus con paso de testigo (Token Bus).
802.5.- LAN en anillo con paso de testigo (Token Ring).
802.6.- MAN DQDB.
802.11.- LAN Inalámbricas.
802.14.- LAN de cable, cable modem.
3.1.1.2 Ethernet.
Es una familia de estándares IEEE 802.3, que en su red local presenta una topología
lógica y topología física en bus. Estas redes locales tienen alta difusión en el ámbito
comercial, científico y educativo.
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IEEE 802.3, es la norma básica que opera a 10 Mbps. Para el acceso se utiliza la
técnica de acceso al medio denominada Carrier Sense Multiple Access/Collision
Detection (CSMA/CD).
Para la transmisión de datos el nodo comprueba si el canal esta libre. De ser positiva
la respuesta se iniciará la comunicación entre nodos siempre verificando el estado del
canal, en caso de existir una colisión se enviará una señal de prueba (JAM) cuya
función es la de informar al resto de nodos de la red que existió una colisión en el
canal, luego de esto, los nodos correrán el algoritmo de BACKOFF que genera
tiempos aleatorios y al término de estos, el nodo podrá transmitir, reduciendo de esta
manera la probabilidad de colisiones. (Kioskea s.f.)
Una evolución de Ethernet se la denomina Fast Ehernet que opera a una
velocidad de 100 Mbps, su topología es la misma (bus) y usa el mismo
formato de trama, garantizando de esta manera compatibilidad entre las dos
tecnologías. La tarjeta de comunicación llamada NIC es de tipo dual (10/100
Mbps).
El hub o concentrador es el elemento básico de la red Ethernet. Su
funcionamiento se basa en el ingreso de una señal por el puerto y que se
propaga al resto de puertos (Figura 3.1).
PC-PT
PC0
PC-PT
PC1
PC-PT
PC2
Hub-PT
Hub0
Figura 3. 1 Conexión Host-Hub Ethernet.
Existen hubs que soportan funciones de control y supervisión, como división
de la red en segmentos o capacidad de gestión remota.
Gigabit Ethernet 802.3z, posee una velocidad de transmisión de 1 Gbps, los
medios de comunicación empleados por esta tecnología son cable coaxial y
fibra óptica, puede operar en half duplex y full duplex.
Este tipo de redes se aplican a conexiones que demandan gran ancho de banda
y exige de la red prestaciones elevadas. Figura 3.2.
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SWITCH MULTICAPA
1 Gbps
HOST A HOST B
Figura 3. 2 Conexión Host-Hub Ethernet.
10 Gigabit Ethernet 802.3ae, es la última versión de Ethernet, la cual es una
alternativa para reducir los costos de ancho de banda. La conmutación es
mucho más rápida ya que emplea conmutadores mucho más rápidos que los
routers. Este tipo de redes se aplican en redes MAN y WAN en un Backbone
de fibra óptica (Figura 3.3).
BUSSINESS 1 BUSSINESS 2
Switch Multicapa 2 Switch Multicapa 3 Switch Multicapa 4 Switch Multicapa 5
Switch Multicapa 1 Switch Multicapa 6
Fibra
Monomodo
Fibra Multimodo Fibra MultimodoHasta 40 Km
Figura 3. 3 Backbone de Gigabit Ethernet.
3.1.2 Redes WAN.
Las redes WAN (Wide Area Network) son redes de área extendida o de largo
alcance. Una red WAN es la conexión de dos o más redes LAN que están
interconectadas a través de bridges, routers y switches, pueden clasificarse en dos
grandes grupos:
1. Redes de conmutación de circuitos.- este tipo de red garantiza que una vez
establecida la comunicación entres dos computadoras su capacidad no disminuirá
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debido a actividades adicionales de otros dispositivos de la red. Necesita el
establecimiento de la comunicación, la transmisión de datos y la finalización de
la comunicación. Su desventaja es el elevado costo de implementación e
independientemente de que se transmita o no, el costo siempre será el mismo.
2. Redes de conmutación de paquetes.- en este tipo de red los recursos serán
compartidos por varios usuarios. Los datos de diferentes usuarios se agrupan en
paquetes y son transmitidos a través de la red, estos usuarios pagarán solamente
por el número de paquetes que envíen a través de la red. La desventaja de este
tipo de redes es la congestión que se produce al transmitir los datos de varios
usuarios, debido a que el enlace entre usuarios no es dedicado existe un retardo
en la transmisión, de acuerdo a las condiciones de la red. La conmutación de
paquetes es óptima para la transmisión de datos a ráfagas (burst) y su costo
dependerá del uso que se le dé a la red. (Textos Cientificos s.f.)
3.1.2.1 Topología de Redes WAN.
Los tipos de redes WAN existentes son:
a) Punto a Punto
Esta topología cada nodo se conecta a otro a través de circuitos dedicados.
Dichos canales están siempre disponibles para la comunicación entre los dos
puntos. Esta configuración es solo funcional para pequeñas WANs ya que
todos los nodos deben participar en el tráfico, es decir que si aumenta la
cantidad de nodos aumenta la cantidad de tráfico y esto con el consiguiente
encarecimiento de la red.
b) Anillo
En la topología de anillo (Figura 3.4) cada nodo es conectado a otros dos más
formando un patrón de anillo. Esta topología tiene dos ventajas: por un lado
si existe algún problema en las conexiones en un cable, la información le
sigue llegando al nodo usando otro recorrido y si algún nodo está muy
ocupado el tráfico se puede derivar hacia otros nodos. Extender este tipo de
redes es más caro que extender una red punto-a-punto ya que se necesita al
menos un enlace más.
Figura 3. 4 Topología en anillo.
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c) Estrella
En esta configuración un nodo actúa como punto central de conexión para
todos los demás, permitiendo así que en caso de que exista un fallo en alguno
de los cables los demás nodos no pierdan conexión con el nodo central
(Figura 3.5). La principal desventaja de esta topología es que algún problema
que exista en el nodo central se convierte en un desastre total para la red ya
que se pierde la conexión de todos los nodos.
Figura 3. 5 Topología en estrella.
d) Malla
En esta topología la esencia es buscar la interconexión de los nodos de tal
manera que si uno falla los demás puedan redireccionar los datos rápida y
fácilmente (Figura 3.6). Esta topología es la que más tolerancia tiene a los
fallos porque es la que provee más caminos por donde puedan viajar los datos
que van de un punto a otro. La principal desventaja de las redes tipo malla es
su costo, es por esto que se ha creado una alternativa que es la red de malla
parcial en la cual los nodos más críticos (por los que pasa más trafico) se
interconectan entre ellos y los demás nodos se interconectan a través de otra
topología (estrella, anillo).
Figura 3. 6 Topología tipo malla.
e) Topología de bus
También conocida como topología lineal de bus, es un diseño simple que
utiliza un solo cable al cual todas las estaciones se conectan (Figura 3.7). La
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46
topología usa un medio de transmisión de amplia cobertura (broadcast
medium), ya que todas las estaciones pueden recibir las transmisiones
emitidas por cualquier estación. Como es bastante simple la configuración, se
puede implementar de manera barata. El problema inherente de este esquema
es que si el cable se daña en cualquier punto, ninguna estación podrá
transmitir. Aunque Ethernet puede tener varias configuraciones de cables, si
se utiliza un cable de bus, esta topología representa una red de Ethernet.
Figura 3. 7 Topología tipo bus.
f) Topología de árbol
Esta topología es un ejemplo generalizado del esquema de bus (Figura 3.8).
El árbol tiene su primer nodo en la raíz, y se expande para afuera utilizando
ramas, en donde se encuentran conectadas las demás terminales. Esta
topología permite que la red se expanda, y al mismo tiempo asegura que nada
más existe una "ruta de datos" (data path) entre 2 terminales cualesquiera.
Figura 3. 8 Topología de árbol.
Un aspecto crítico de una red WAN es la disponibilidad de conexión, encontrando
redes que soportan comunicación bajo demanda, donde la conexión se establece
cuando es necesario y solicitado por el sistema que efectúa la llamada y redes de
comunicación permanente, en las que su conexión permanece activa; en la Tabla 3.1
se detallan estas características.
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COMUNICACIÓN BAJO DEMANDA COMUNICACIÓN PERMANENTE
Conexión disponible durante el
periodo de tiempo preciso.
Al finalizar la transmisión de
datos se anula la conexión.
Se debe establecer la llamada,
mantenerla y anularla.
Canal de comunicación
permanente, sin limitación de
tiempo ni utilización.
Intercambio de información en
cualquier momento.
Tabla 3. 1 Características de las redes WAN.
3.1.2.2 Tipos de Redes WAN.
Entre las redes de datos más comunes se tienen: Ethernet, WLAN, X.25, Frame
Relay, ATM, Redes IP; cada una de estas redes tienen características propias
dependiendo de la tecnología o del servicio que prestan.
Existen redes de líneas dedicadas (punto a punto), que manejan una transmisión de
datos transparente. Una de las ventajas de estas redes es que el enlace entre puntos
finales siempre está activo, garantizando de esta manera una transmisión continua de
datos, ofreciendo velocidad desde uno pocos Kbps hasta varios Mbps.
3.2 ESTRUCTURA DE LA RED WAN DE LA CENTROSUR.
En la actualidad la red WAN IP de la CENTROSUR se utiliza en aplicaciones como:
transmisión de voz, datos, video, VoIP entre agencias, puntos de recaudo, y
aplicaciones para clientes corporativos para servicios de banda ancha.
La WAN cuenta con una infraestructura híbrida compuesta por una red alámbrica e
inalámbrica, constituida principalmente por los siguientes elementos: red troncal
(backbone), red de accesos y red de distribución.
3.2.1 Estructura de la Red Alámbrica.
La red alámbrica está concentrada en la ciudad de Cuenca, constituida por un anillo
metropolitano de fibra óptica de 24 hilos tipo OPGW (Optical Power Ground Wire),
cable óptico Figura “8” del tipo Loose Tube y fibra subterránea. Además tiene una
extensión radial hacia la S/E 18 (Cañar) con cable óptico de 12 hilos.
OPGW es un sistema de cable compuesto tierra-óptico, para instalación en líneas
eléctricas de alta tensión utilizada en la Centrosur como cable de guarda, y por las
plataformas tecnológicas para la prestación del servicio de telecomunicaciones.
El cable óptico Figura “8” se utiliza para instalaciones aéreas con vanos cortos (hasta
de 150 metros), existen en el mercado cables de 6, 12, 24 y 36 fibras con
características tales como resistencia a la corrosión, baja fricción de instalación.
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Dentro de esta red se tienen definidas las siguientes plataformas:
Fibra óptica (tecnología GPON, Gigabit Pasive Optical Network) para el
sector corporativo industrial y residencial para los servicios de Internet,
transmisión de datos y televisión. Fibra óptica para transmisión de datos corporativos.
(Diseño de la Red WAN para la Empresa Regional Centro Sur CA. y provisión,
instalación y puesta en servicio de la red en su primera etapa 2004)
El anillo está conformado por cinco nodos activos y siete nodos de paso que están
ubicados estratégicamente en las subestaciones (Tabla 3.2). La conexión entre los
nodos de telecomunicaciones utiliza tecnología Ethernet IP/MPLS de 10 Gbps.
NODO TIPO UBICACIÓN
Principal 0 Activo Edificio de la Centrosur
1 Activo S/E 1 (Rafael María Arízaga y Luis Cordero)
2 Activo S/E 2 (Benigno Malo y Calle Larga)
3 Activo S/E 5 (El Arenal)
4 Activo S/E 4 (Parque Industrial)
s/n4 De paso S/E 3 (Max Uhle y Pumapungo)
s/n De paso S/E 6 (El Verdillo)
s/n De paso S/E 7 (Ricaurte)
s/n De paso S/E Cuenca (Rayoloma)
s/n De paso S/E 12 (El Descanso)
s/n De paso S/E 9 (Huablincay)
s/n De paso S/E 18 (Cañar)
Tabla 3. 2 Nodos activos y de paso del anillo de F.O.
El esquema lógico de la red de fibra óptica de la Centrosur (Figura 3.95) presenta una
configuración en anillo, donde cada nodo se conecta entre sí a través de fibra óptica
OPGW, y a través de fibra subterránea para última milla. Cada nodo constituye un
sistema Distribuidor de Fibra Óptica (ODF) conformado básicamente por un rack ó
bastidor que contiene principalmente equipos como; routers Cisco IP/MPLS 7604,
relés de protección, cajas de empalme tipo: F.O. OPGW – F.O. subterránea, F.O.
OPGW – F.O. OPGW, F.O. subterránea 24 hilos – F.O. subterránea 12 hilos,
conversores de medios para multiplexación que trabajan en las ventanas de 1310 y
1550 nm, bandejas de fibra óptica a las que se conectan los pigtails (cables de fibra
óptica) que provienen de las cajas de empalme tipo F.O. OPGW - subterránea, y para
la conexión entre las bandejas se utilizan patch cords de F.O. (cordones de fibra
óptica) E2000-ST ó FC/PC (Figura 3.106).
4 s/n: sin numeración 5 Fuente: DITEL (Centrosur) 6 Fuente: E2000 FIBER OPTIC
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Figura 3. 9 Esquema lógico de la red de F.O. 10 GB Ethernet IP/MPLS.
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Figura 3. 10 Patch cords de F.O. E2000.
El router Cisco 76047 (Figura 3.11) posee las siguientes características principales:
- Maneja las siguientes interfaces: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, y 10 Gigabit
Ethernet, en la red de la Centrosur se utiliza la interfaz 10 Gigabit Ethernet.
- Ofrece alto rendimiento con los protocolos IP/MPLS (Multiprotocol Label
Switching).
Figura 3. 11 Router Cisco 7604.
3.2.2 Estructura de la Red Inalámbrica.
La red inalámbrica comprende una estructura que se distribuye desde el edificio
matriz de la Centrosur (nodo cero) con tecnología de microondas hacia la estación
principal ubicada en el cerro Señor Pungo y este se enlaza con las diferentes
estaciones y puntos (Tablas 3.3 y 3.4). El esquema de la red inalámbrica se muestra
en la Figura 3.12.
(Diseño de la Red WAN para la Empresa Regional Centro Sur CA. y provisión,
instalación y puesta en servicio de la red en su primera etapa 2004)
7 (Cisco 2007)
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ENLACE
#
ENLACE / DIRECCIÓN
A:
BANDAS DE FRECUENCIA Y
CAPACIDAD (E1) POLARIZACIÓN
E1 Lomapaica/Simbala SRAL 8GHZ 1+0 4E1 Vertical
E2 Simbala/Señor Pungo SRAL 7GHz 1+1 HSTBY 4E1 Horizontal
E3 EERCS/Señor Pungo SRAL 7GHz 1+1 HSTBY 16E1 Vertical
E4 Buerán/Señor Pungo SRAL 7GHz 1+0 4E1 Horizontal
E5 Buerán/Altarurco SRAL 7GHz 1+0 4E1 Vertical
E6 Guallil / Señor Pungo SRAL 8GHz 1+0 4E1 Vertical
E7 Patococha/Señor Pungo SRAL 7GHz 1+1 HSTBY 8E1 Vertical
E8 Patococha/Cerro Bosco SRAL 8GHz 1+0 4E1 Vertical
E9 Cutucu/Cerro Bosco SRAL 8GHz 1+0 4E1 Horizontal
E10 Cutucu/S.L. de Upano SRAL 8GHz 1+0 4E1 Vertical
E11 Kilamo/S.L. de Upano SRAL 8GHz 1+0 4E1 Horizontal
Tabla 3. 3 Enlaces inalámbricos de estaciones.
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Tabla 3. 4 Enlaces inalámbricos de agencias.
ENLACE
DISTANCIA
(Km)
ESTACIÓN
AZIMUT
(°)
ALT. ANTENA
(m)
TIPO DE
ANTENA
ELEVACIÓN
(m)
GIRÓN-SIMBALA
7,96
GIRÓN
67,04
5
FLAT PANEL
2115
SIMBALA
247,04
10
FLAT PANEL
3146
GUALACEO-
VILLAFLOR
8,23
GUALACEO
339,14
5
FLAT PANEL
2431
VILLAFLOR
159,14
5
FLAT PANEL
3039
PAUTE-VILLAFLOR
7,21
PAUTE
222,14
20,3
FLAT PANEL
2421
VILLAFLOR
42,14
13,1
FLAT PANEL
2747
SISIG-GUALLIL
4,1
SIGSIG
215,98
20,3
FLAT PANEL
2606
GUALLIL
35,98
13,1
FLAT PANEL
3276
SUSCAL-ALTARURCO
8,25
SUSCAL
125,14
5
FLAT PANEL
2899
ALTARURCO
305,14
5
FLAT PANEL
3261
TAMBO-ALTARURCO
8,05
P.R. TAMBO
297,05
6
FLAT PANEL
3002
ALTARURCO
113,05
5
FLAT PANEL
3261
CAÑAR-ALTARURCO
10,82
CAÑAR
323,46
5
FLAT PANEL
2930
ALTARURCO
143,46
5
FLAT PANEL
3048
LIMÓN-CERRO
BOSCO
9,67
LIMÓN
246
5
FLAT PANEL
1382
CERRO
BOSCO
66
5
FLAT PANEL
2410
MÉNDEZ-CUTUCÚ
10,65
MÉNDEZ
137,66
10,7
FLAT PANEL
628
CUTUCÚ
317,66
20,6
FLAT PANEL
974
NABÓN-LOMAPAICA
8,77
NABÓN
284,6
5
FLAT PANEL
2804
LOMAPAICA
104,6
5
FLAT PANEL
3433
P.R. MACAS-KILAMO
3,29
P.R. MACAS
267,75
5
FLAT PANEL
1383
KILAMO
87,75
5
FLAT PANEL
1555
STA. ISABEL-
LOMAPAICA
19,86
STA. ISABEL
103,76
5
FLAT PANEL
1470
LOMA PAICA
283,76
5
FLAT PANEL
3433
SUCÚA-UPANO
6,84
SUCÚA
132,9
5,8
FLAT PANEL
996
UPANO
312,9
5
FLAT PANEL
1162
BIBLIÁN-BUERÁN
13,3
BIBLIÁN
337,01
5
FLAT PANEL
2737
BUERÁN
157,01
5
FLAT PANEL
3809
BODEGA MACAS-
KILAMO
2,11
BODEGA
MACAS
316,6
20,7
FLAT PANEL
1383
KILAMO
136,6
19
FLAT PANEL
1555
MACAS-KILAMO
2,14
MACAS
275,76
6
FLAT PANEL
1402
KILAMO
95,76
13,5
FLAT PANEL
1458
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Figura 3. 12 Esquema inalámbrico de la Red WAN.
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En la estación Señor Pungo se encuentran los siguientes equipos que están
distribuidos en forma similar en todas las estaciones (Figura 3.13).
Switch MRV OSM 800: este equipo tiene funciones de ruteador y de switch,
sirve como acceso al enlace de microondas.
Conversor G703/10BT PATTOM: proporciona acceso rápido y sencillo a la
conversión coaxial/par trenzado para instalaciones de alta densidad.
DDF (Digital Distribution Frame): una trama de distribución digital de 75
ohmios es utilizada en terminaciones de conexión cruzada y de conexión
entre cables coaxiales de 75 ohmios, para supervisar equipos de transmisión
digital. Una trama de distribución digital es el interfaz de un extremo de
cable coaxial, conectado en redes de transporte de larga distancia o en redes
de acceso cercanos a los abonados. En redes fijas, está instalado un DDF
entre equipos de intercambio y transmisión; también puede servir como
interfaz en redes móviles.
SRAL: es un sistema de microondas para múltiples redes de alta velocidad,
para interconexión de Estaciones Base GSM (Sistema Global para las
Comunicaciones Móviles) y UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System), o integración del sistema DCN a través de Ethernet.
EQUIPOS ALVARION: BreezeACCESS VL es la plataforma de banda
ancha inalámbrica multipunto OFDM operando en frecuencias excentas de
licencia y que permite servicios WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access) y de VoIP en las bandas de 5GHz. Consta de una
estación base AU (Acces Unit) y unidades de abonados de clientes SU
(Suscriber Unit).
En la estación base están instaladas Unidades de acceso AU, cada AU incluye una
unidad interna (IDU, Indoor Unit) y una unidad externa (ODU, Outdoor Unit), en el
Rack de comunicaciones de las estaciones se encuentran los AUs.
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Figura 3. 13 Distribución de los equipos en el rack de las estaciones.
Los equipos que se encuentran en los racks de comunicación de las Agencias están
distribuidos de una forma similar en cada una de ellas con pequeñas variaciones, a
continuación se detallan los existentes en la Agencia Biblián (Figura 3.14)8:
8 Fuente: Diagrama de equipos PDH Backbone y Spread Spectrum de la Centrosur.
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Switch OS 200/400: es un router IP / MPLS (Internet Protocol / Multi
Protocol Label Switching) de alto rendimiento para: portadoras, proveedores
de servicios de Internet (ISP’s) y proveedores de servicios de datos, diseñado
como un sistema inteligente entre el acceso y las redes.
Los sistemas sirven como proveedores que se conectan a todos los
enrutadores IP, MPLS L2 y los abonados a los servicios y forman parte del
backbone Internet Ethernet IP.
En su chasis se acogen una gran variedad de módulos; 4 y 8 puertos de
10/100 de 100Base-FX, un puerto Gigabit Ethernet y un módulo Gigabit
redundante. Interfaces ópticos multimodo y monomodo están disponibles para
potencia óptica variable.
Patch panel: son utilizados en algún punto de una red donde todos los cables
de red terminan. Son paneles donde se ubican los puertos de una red. Todas
las líneas de entrada y salida de los equipos (ordenadores, servidores,
impresoras, etc.) tienen su conexión a uno de estos paneles. Los patch panels
permiten hacer cambios de forma rápida y sencilla conectando y
desconectando los cables de parcheo. Esta manipulación de los cables se
hace habitualmente en la parte frontal, mientras que la parte de atrás del panel
tiene los cables más permanentes y que van directamente a los equipos
centrales (switches, routers, concentradores, etc.).
SU (Suscriber Unit) Alvarion: en el rack de comunicaciones de las agencias
están instaladas las unidades de abonado SU que les permiten la conexión con
la estación base AU; consta de una unidad interna y una externa.
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Figura 3. 14 Distribución de los equipos en el Rack en agencias.
3.3 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA RED WAN.
La capacidad del anillo de fibra óptica es de 40 Gbps por cada hilo, tomando en
cuenta que éste está conformado por 24 hilos, la capacidad total es de 960 Gbps.
Actualmente la Centrosur está utilizando únicamente dos de los hilos (uno de ellos es
de redundancia) a 10 GB con una plataforma de software IP/MPLS (Internet Protocol
/ Multi Protocol Label Switching). Este anillo trabaja en la tercera ventana con una
longitud de onda de 1550nm.
El backbone inalámbrico de la red WAN de la Centrosur son enlaces en la banda de
8.2 – 8.5 GHz jerarquía PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), con capacidad
instalada de 16384Mbps (8E1) y expandible a 32768Mbps (16E1), el equipamiento
es Siemens SRAL, como se muestra en la Figura 3.15.
Los accesos o última milla utilizan tecnología inalámbrica de Spread Spectrum FHSS
(Frequency Hopping Spread Spectrum) en la banda libre de 5800 MHz, para
comunicarse con las agencias o puntos de recaudo, como se muestra en la Figura
3.16.
La red en conjunto presenta retardos máximos de 16mseg en los puntos más alejados
de la misma. (Campos y Tapia 2009)
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Figura 3. 15 Diagrama de Frecuencias Backbone SRAL Centro Sur.
Figura 3. 16 Diagrama de Antenas de Última Milla en Estaciones.
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3.4 COBERTURA Y CRECIMIENTOS PREVISTOS DE LA RED WAN.
Mediante el anillo de fibra óptica (red alámbrica) que enlaza las principales
subestaciones ubicadas en el cantón Cuenca, se tiene una amplia cobertura del
mismo, como se observa en la Figura 3.17. Mediante un enlace radial la fibra se
extiende hacia la S/E 12 El Descanso y hacia el norte por la S/E 9 Huablincay hasta
llegar a la S/E 18 en Cañar (Figura 3.18).
Desde el mes de Marzo de 2009 se tiene adjudicado el proceso de construcción de
tendido de fibra desde la Subestación 12 hacia los cantones Paute y Gualaceo que
estaría conformado con cable óptico de 24 hilos.
Actualmente se está realizando el diseño de tendido de fibra hacia Macas. Éste
partirá desde Paute hacia Méndez, Macas, además tendrá una derivación hacia San
Juan Bosco pasando por Sucúa y Limón, para integrarse con el anillo de
Transelectric en Gualaquiza.
Para finales de 2009 se tiene previsto el tendido de fibra hacia Santa Isabel, Machala
para interconexión con Transelectric. (Campos y Tapia 2009)
Figura 3. 17 Anillo de Fibra Óptica Cuenca.
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60
Figura 3. 18 Red de Fibra Óptica Centrosur.
A través de tecnología inalámbrica (microonda jerarquía PDH) se cubre las
localidades de: Biblián, Suscal, Cañar, El Tambo, Paute, Gualaceo, Santa Isabel,
Nabón, Girón, Sigsig, Limón, Méndez, Macas, Sucúa, como se muestra en la Figura
3.19.
Figura 3. 19 Cobertura tecnología inalámbrica en área de concesión.
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61
Para requerimientos futuros, la red puede duplicar su capacidad de ancho de banda,
en función de las necesidades de los clientes corporativos.
3.5 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE ACCESO Y GESTIÓN DE LA
RED WAN DE LA CENTROSUR.
Para acceder a la red alámbrica mediante cualquier tecnología, se debe tener una
interfaz Ethernet, estándar IEEE802.3, Ethernet 10BaseT conector RJ45 que se
conectará al router CISCO 7604 ubicado en cualquiera de los cinco nodos activos
que conforman el anillo de fibra óptica.
Se puede tener acceso a la red inalámbrica mediante un enlace a cualquiera de las
estaciones base con cobertura de la red, este enlace puede ser con tecnolgía Spread
Spectrum. Para el acceso a las estaciones base de la red WAN se cuenta con un
switch MRV 800 en cada una de ellas
La conectividad hacia los diferentes puntos terminales de red (estaciones, agencias,
oficinas, puntos de recaudación y subestaciones) utiliza el estándar IEEE802.3,
Ethernet 10BaseT conector RJ45.
Para el acceso a agencias, oficinas, puntos de recaudación y subestaciones que no
pertenecen al anillo de fibra se tiene un switch OS 200/OS 400 en cada una de ellas.
La red de gestión de la Centrosur se detalla en la Figura 3.20.
Figura 3. 20 Red de Gestión de la Centrosur.
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62
La utilización actual de la red inalámbrica alcanza como máximo en ciertas
estaciones repetidoras el 50% de su capacidad total, como se muestra en la Tabla 3.5;
además se observa la disponibilidad de los equipos existentes para una futura
ampliación.
ESTACIONES CAPACIDAD (E19) UTILIZADO
(E1) E1 LIBRE AMPLIACION % DE UTILIZACION
EERCS 16 7 9 0 43,75
SR. PUNGO 16 7 9 0 43,75
GUALLIL 4 1 3 12 25
BUERAN 4 1 3 4 25
ALTARURCO 4 1 3 12 25
SIMBALA 4 2 2 4 50
LOMAPAICA 4 1 3 12 25
PATOCOCHA 8 2 6 0 25
CERRO BOSCO 4 2 2 4 50
CUTUCU 4 2 2 4 50
SAN LUIS UPANO 4 1 3 4 25
KILAMO 4 1 3 12 25
Tabla 3. 5 Utilización actual de la red inalámbrica.
9 E1 = 2048 Mbps
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63
CAPÍTULO 4
TECNOLOGÍAS GSM/GPRS.
4.1 ESTRUCTURA DE LA RED GSM.
El sistema GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) es un sistema
estándar, completamente definido, para la comunicación mediante terminales
móviles que incorporan tecnología digital. GSM se considera, por su velocidad de
transmisión y otras características, un estándar de segunda generación 2G, su
extensión a 3G se denomina UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones
Móviles) y difiere en su mayor velocidad de transmisión, el uso de una arquitectura
de red ligeramente distinta y sobre todo en el empleo de diferentes protocolos de
radio W-CDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha). La
figura 4.1 muestra un esquema de la evolución de esta tecnología y a continuación se
da una breve descripción de cada una de estas etapas. (Mobilein 2001)
Figura 4. 1 Evolución de la tecnología GSM.
GSM.- conocido como 2G digital de segunda generación, tiene una velocidad
máxima de datos de 9.6 Kbps y está basado en la tecnología de conmutación de
circuitos.
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). - es el primer paso hacia
velocidades mayores que las que ofrece la red GSM, que usa conmutación de
circuitos. HSCSD concentra hasta cuatro Timeslots GSM y permite velocidades
de datos de hasta 64 Kbps.
GPRS.- es la introducción de la tecnología de conmutación de paquetes a GSM,
CDMA y TDMA (ANSI-136) de redes móviles, haciendo más fácil la integración
con otros protocolos basados en paquetes como son IP o X.25. GPRS es el primer
paso importante en el camino a 3G, por lo tanto GPRS también es conocido como
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2.5G. Los anuncios de las velocidades de datos de GPRS varían desde hasta 115
Kbps hasta 117 Kbps.
EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution). - es el segundo paso hacia 3G para
redes GSM/GPRS. EDGE incrementa las tasas de datos de GSM a 384 Kbps,
con paquetes de hasta 8 canales o 48 Kbps por canal. GSM y GPRS está basado
en una técnica de modulación conocida como GMSK (Gaussian Minimum Shift
Keying). EDGE está basado en un nuevo esquema de modulación que permite
una tasa de bits más alta a través de la interface aire, esta modulación es llamada
8 PSK (Eight Phase Shift Keying). Esta modulación se usa también en UMTS.
Las operadoras de la red necesitan incorporar algunos estados para hacer la
transición a sistemas telefónicos móviles de tercera generación.
3G (móviles de tercera generación).- 3G a menudo se relaciona a IMT-2000,
WCDMA y UMTS. IMT-2000 (International Mobile Telecomunications 2000)
es la iniciativa de la ITU (International Telecomunications Union) para un
servicio que ofrecerá acceso de radio a la infraestructura global de
telecomunicaciones, a través de sistemas satelitales y terrestres, sirviendo a
usuarios móviles en redes públicas y privadas.
UMTS.- es la evolución directa de la red GSM/GPRS. Se define a UMTS
como un sistema de comunicaciones móviles que puede ofrecer significativos
beneficios al usuario incluyendo alta calidad de servicios multimedia
inalámbricos. UMTS puede soportar tráfico IP y no IP en una variedad de
modos incluyendo conmutación de paquetes, conmutación de circuitos y
circuitos virtuales. UMTS ofrece tasas de datos de hasta 2 Mbps para
terminales inalámbricos estáticos. Estas velocidades probablemente caen a
un máximo de 384 Kbps para usuarios móviles pedestres y 144 Kbps para
vehículos móviles.
4.1.1 Reparto del espectro disponible.
Cada conexión de voz o datos requiere un mínimo de ancho de banda para que pueda
transmitirse correctamente. A cada operador en el mercado se le asigna cierto ancho
de banda, en ciertas frecuencias delimitadas, que debe repartir para el envío y la
recepción del tráfico a y desde los distintos usuarios.
Por tanto, no puede emplearse una sola antena para recibir la señal de todos los
usuarios a la vez, ya que el ancho de banda no sería suficiente; y además, deben
separarse los rangos en que emiten unos y otros usuarios para evitar interferencias
entre sus envíos. La solución es hacer un reparto del espectro o división del acceso
al canal. Para esto se toma en cuenta lo siguiente:
Empleo de celdas contiguas a distintas frecuencias para repartir mejor las
frecuencias, SDMA (Acceso Múltiple por División del Espacio), y
reutilización de frecuencias en celdas no contiguas.
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65
División del tiempo en emisión y recepción mediante TDMA (Acceso
Múltiple por División del Tiempo). El tiempo se divide en unidades básicas
de 4,615 ms, y éstas a su vez en 8 time slots o ranuras de tiempo de 577 μs.
Separación de bandas para emisión y recepción y subdivisión en canales
radioeléctricos, protocolo FDMA (Acceso Múltiple por División de
Frecuencia).
Variación pseudoaleatoria de la frecuencia portadora de envío de terminal a
red, FHMA (Acceso Múltiple por Saltos de Frecuencia).
4.1.2 Arquitectura de red.
4.1.2.1 Elementos de una red GSM.
Una red GSM consiste de los siguientes componentes de red (Figura 4.2):
Figura 4. 2 Arquitectura de una red GSM.
MS (Estación Móvil).- se trata del equipo de usuario para acceder a los
servicios proporcionados por la red.
BTS (Estación Base Transceptor).- es el equipo que permite la comunicación
a las MS. Consiste de una antena y la electrónica de red necesaria para
comunicarse con un sistema central de control para que puedan encargarse de
la gestión del interfaz radio, a cada antena se le reserva cierto rango de
frecuencias, que se corresponde con un cierto número de canales
radioeléctricos (cada uno de los rangos de frecuencia en que envía datos). El
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conjunto de la antena con su electrónica y su enlace con el resto de la red se
llama estación base BS (Base Station). El área geográfica a la que
proporciona cobertura una estación base se llama celda o célula. Una
estación base GSM puede alcanzar un radio de cobertura a su alrededor desde
varios cientos de metros (en estaciones urbanas) hasta un máximo práctico de
35 Km (en zonas rurales), según su potencia y la orografía del entorno.
BSC (Base Station Controller).- actúa de intermediario entre la red principal
y las antenas, se encarga del reparto de frecuencias y el control de potencia
que emiten tanto los terminales como BS.
BSS (Subsistema de Estación Base).- es el conjunto de BTS’s + BSC.
MSC (Centro de Conmutación Móvil).- se encarga de iniciar, terminar y
enrutar las llamadas a través del BSC y BS hacia la MS. Es similar a una
centralilla telefónica de red fija, aunque como los usuarios pueden moverse
dentro de la red el MSC realiza actualizaciones en su base de datos interna.
Cada MSC está conectado a los BSCs de su área de influencia, pero también
a su VLR, y debe tener acceso a los HLRs de los distintos operadores.
También se encarga de dar interconexión con las redes de telefonía de otros
operadores.
HLR (Home Location Register, Registros de Ubicación Base).- el registro
HLR es una base de datos que almacena la posición del usuario dentro de la
red, si está conectado o no y las características del abonado (servicios que
puede y no puede usar, tipo de terminal, etcétera). Es de carácter más bien
permanente; cada número de teléfono móvil está adscrito a un HLR
determinado y único, que administra su operador móvil. Al hacer una
llamada, el MSC pregunta al HLR correspondiente si el número llamado está
disponible y dónde está (es decir, a qué BSC hay que pedir que le avise) y
enruta la llamada o da un mensaje de error.
VLR (Registros de Ubicación de Visitante).- es una base de datos más volátil
para el área cubierta por un MSC, almacena los identificativos, permisos,
tipos de abonado y localizaciones en la red de todos los usuarios activos en
ese momento y en ese tramo de la red. Cuando una estación móvil entra en
una zona de MSC, este centro notifica esa situación a su VLR asociado, el
VLR se pone en contacto con el HLR de origen del usuario y verifica si
puede o no hacer llamadas según su tipo de abono. La MS ejecuta un proceso
de inscripción o registro y recibe una dirección de visitante que se traduce en
un número de ruta, MSRN (Mobile Suscriber Roaming Number) que sirve
para encaminar las llamadas destinadas a esa MS. Esta información
permanece almacenada en el VLR mientras el terminal de usuario está
encendido y se refresca periódicamente para evitar fraudes (por ejemplo, si
un usuario de prepago se queda sin saldo y su VLR no lo sabe, podría
permitirle realizar llamadas). El sistema GSM permite acuerdos entre
operadores para compartir la red, de modo que los distintos VLRs y HLRs de
los diferentes operadores deben estar interconectados entre sí. Para la
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comunicación entre diferentes operadores existen protocolos de red
especiales, como SS7 o IS-41; los operadores deciden qué estándar escoger
en sus acuerdos bilaterales de roaming (itinerancia) e interconexión.
AuC (Centro de autentificación).- es una base de datos que guarda el IMSI
(Identidad del Abonado Móvil Internacional) de cada cliente en la red y
proporciona una clave de autentificación individual K que se envía bajo
petición al HLR.
EIR (Registro de Identificación de Equipo).- su función es evitar que se
utilicen equipos móviles que no estén autorizados en la red, para la
comprobación se usa su número de serie o IMEI (Identificación Internacional
del Equipo Móvil).
NSS (Subsistema de Conmutación de Red).- también llamado Core Network
(Núcleo de Red), es el conjunto de MSC, HLR, VLR, AUC, y EIR.
(Ayuso, y otros 1999)
4.2 ESTRUCTURA DE LA RED GPRS.
4.2.1 Tecnología GPRS.
La tecnología GPRS (General Packet Radio Service) o Servicio General de Paquetes
vía Radio se basa en la evolución y optimización de la plataforma GSM, ofrece la
transmisión de datos basados en la conmutación de paquetes, permitiendo mayores
velocidades que con la conmutación de circuitos. La arquitectura de red GPRS utiliza
los mismos nodos de red GSM como MSC/VLR, HLR y BSS.
GPRS es una tecnología estandarizada por el ETSI (European Telecommunications
Standard Institute) como parte de GSM Fase 2, usualmente se le conoce como 2.5 G
para indicar que es una transición entre 2G y 3G.
Una de las principales características de GPRS es que se establece una conexión
física de enlace de subida solo cuando una estación móvil necesita enviar datos a la
red, y un enlace de bajada solo cuando la red necesita enviar datos a la estación
móvil. Esta conexión física es removida cuando se hayan enviado todos los datos,
por lo tanto GPRS da mejor rendimiento a la conmutación de paquetes, ya que la
conmutación de circuitos mantiene la conexión incluso cuando no se están
transmitiendo datos, por lo que impide el acceso al canal a otros usuarios.
La implementación de GPRS lleva capacidades IP a la red GSM y permite la
conexión a una amplia gama de redes de información pública y privada utilizando
protocolos de información estándar como TCP/IP. Al sistema GPRS se le conoce
también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Internet Protocol) para acceder
directamente a los proveedores de contenidos de Internet. Con GPRS ya no es
necesario el tener un canal dedicado para cada usuario ya que cada canal es
compartido por varios usuarios. El acceso al canal utilizado en GPRS se basa en
divisiones de frecuencia sobre un dúplex y TDMA. Durante la conexión, a cada
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usuario se le asigna un par de canales de frecuencia, uno para subida y otro para
bajada. Esto se combina con la multiplexación en el dominio del tiempo,
permitiendo a varios usuarios compartir el mismo canal de frecuencia. Los paquetes
tienen longitud constante, correspondiente a la ranura de tiempo del GSM. Se puede
recibir voz y datos simultáneamente, la conexión se realiza en el mismo momento
que el usuario lo solicita pudiendo ocupar varios canales cuando el flujo de
información así lo exija.
GPRS ofrece velocidades de datos mucho mayores que GSM y se pueden combinar
con las tecnologías de 3G, tales como EDGE (Enhanced Data-Tarifas para Evolución
GSM) para dar aún mayor velocidad de transmisión.
El método de cobro típico para transferencias de datos usando GPRS es el pago por
megabytes de transferencia, mientras que el pago de la comunicación mediante
conmutación de circuitos se cobra por tiempo de conexión, independientemente de si
el usuario utiliza toda la capacidad del canal o este se encuentra inactivo. (Seurre,
Savelli y Pietri 2003)
4.2.2 Transmisión por paquetes.
La comunicación móvil basada en voz, se establece mediante una llamada telefónica
a un número de destino. Una vez establecida la conexión se inicia la comunicación y
al finalizar ésta, la conexión se corta. La ventaja objetiva de GPRS es que ofrece una
conexión permanente (es decir conectividad IP instantánea) entre el terminal móvil y
la red, la conexión se establece en el momento de encender el terminal y permanece
activa hasta que se apague el terminal (característica conocida como always on).
Por otra parte, en lugar de conectarse con un número de teléfono la conexión GPRS
de datos se establece con una dirección de Internet previamente establecida en la
configuración del terminal, denominada dirección IP.
La clave de GPRS se basa en el diferente tratamiento que la red hace de la voz y los
datos, esto permite alcanzar mejores rendimientos que en GSM con la misma
capacidad de red. La información es fraccionada en origen y transmitida en
pequeños bloques, siendo reagrupada posteriormente en su destino. (UDEC s.f.)
4.2.3 Transmisión en paralelo.
La capacidad de fraccionar la información para después recomponerla en el destino,
da la posibilidad de que un mismo terminal pueda recibir en paralelo varios bloques
de datos, lo cual equivale a una mayor velocidad potencial de transmisión.
El tipo de terminal GPRS que se utilice definirá la capacidad de comunicación
simultánea de datos, información que se mide en número de particiones (Time slots)
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de recepción y de transmisión. Así por ejemplo, cuando un terminal GPRS se dice
que tiene capacidad 4+1 significa que utiliza 4 time slots para recibir datos y 1 para
transmitir.
4.2.4 Velocidad de transferencia.
Dependiendo de la tecnología utilizada, la velocidad de transferencia varía
sensiblemente. La tabla 4.1 muestra los datos de subida y bajada para cada tipo de
tecnología.
Tecnología Descarga (kbit/s) Subida (kbit/s)
CSD 9.6 9.6
HSCSD High Speed Circuit Switched Data 28.8 14.4
HSCSD High Speed Circuit Switched Data 43.2 14.4
GPRS 80.0 20.0 (Clase 8 &10 y CS-4)
GPRS 60.0 40.0 (Clase 10 y CS-4)
EGPRS (EDGE) 236.8 59.2 (Clase 8,10 y MCS-9)
EGPRS (EDGE) 177.6 118.4 (Clase 10 y MCS-9)
Tabla 4. 1 Velocidades de transferencia según la tecnología usada.
4.2.5 Principales aplicaciones en GPRS:
Navegación por Internet.
Transferencia de archivos.
Servicio de mensajes multimedia (MMS).
Mensajería instantánea.
Aplicaciones Inalámbricas WAP.
Servicios P2P (Peer to Peer) utilizando el protocolo IP.
Servicio de mensajes cortos (SMS).
Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB.
Correo electrónico y la World Wide Web (WWW).
4.2.6 Arquitectura de una red GPRS.
Es necesario incorporar dos nodos lógicos SGSN y GGSN (Figura 4.3) para
gestionar las aplicaciones GPRS en las redes GSM y actualizar los existentes para
proporcionar una ruta de encaminamiento para los paquetes de datos entre el equipo
terminal y un nodo gateway.
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Figura 4. 3 Arquitectura de red GPRS (elementos).
4.2.6.1 Modificación de elementos de red GSM.
Para la actualización de red requerida en GPRS se necesitan de los siguientes
equipos:
1. Nuevos equipos terminales (TE) para acceder a los servicios GPRS. Estos
nuevos terminales serán compatibles con el sistema GSM para la transmisión
de llamadas de voz.
2. La estación base transceptora BTS requiere actualización del software.
3. Cada BSC requiere una actualización del software y la instalación de nuevo
hardware PCU (Unidad de Control de Paquetes). El PCU proporciona una
interfaz física y lógica al subsistema de estaciones base (BSS) para el tráfico
de paquetes de datos, es decir dirige el tráfico de datos a la red GPRS.
Cuando se origina tráfico ya sea de voz o de datos en el terminal del usuario, este es
transportado por la interfaz aire hacia la BTS, y desde la BTS a la BSC de la misma
manera que una llamada en GSM. Sin embargo, en la salida de la BSC el tráfico se
separa; la voz se envía al centro de conmutación móvil (MSC) por estándar GSM, y
los datos son enviados a un nuevo dispositivo denominado SGSN (Nodo de Soporte
Servidor GPRS) a través de la PCU con una conexión Frame Relay.
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4. Nodos de soporte de GPRS en la red básica, el MSC no puede manejar el
tráfico de paquetes. Por lo que se requiere de dos nuevos componentes,
llamados nodos de soporte GPRS (GSNs), estos son, SGSN (Nodo Servidor
de Soporte GPRS) y GGSN (Pasarela del Nodo de Soporte GPRS).
5. BG (Border Gateway).- es un nodo de la red móvil pública GPRS,
principalmente requerido por razones de seguridad, proporciona la interfaz
entre el backbone Inter-PLMN (Public Land Mobile Network) e Intra-PLMN
(Public Land Mobile Network) de distintas operadoras, que son también
nuevos elementos basados en el protocolo de internet. Puede ser utilizado
para mantener acuerdos de roaming (itinerancia) entre diversas redes hacia el
backbone inter-PLMN
6. CG (Charging Gateway).- su función principal es recoger los CDRs (Call
Detailed Records) generados por los SGSNs y GGSNs, de manera que los
consolida y pre-procesa antes de enviarlos al sistema de tarificación.
(Cisco 2007)
El SGSN ofrece encaminamiento de paquetes, incluyendo gestión de la movilidad,
autentificación y cifrado entre todos los abonados GPRS que se encuentren en el área
de servicio SGSN. Cualquier SGSN de la red puede prestar servicio a un abonado
GPRS, dependiendo de donde éste se halle. El tráfico se dirige desde el SGSN al
Controlador de la Estación Base (BSC) a través de un PCU con una conexión Frame
Relay y al terminal móvil mediante la Estación Base Transceptora (BTS).
El GGSN se utiliza para la interacción con la red de datos IP externa, como el
Internet público, intranets de empresas y otros servicios móviles, gestionando la
seguridad y la asignación dinámica de direcciones IP. Desde el punto de vista de las
redes externas IP, el GGSN es un servidor que posee las direcciones IP de todos los
abonados a los que presta servicio la red GPRS. El GGSN contiene información de
rutas para encaminar las unidades de datos de protocolo PDU de las redes de datos
externas hacia el SGSN que da servicio a la MS, recoge y almacena datos que son
enviados al gateway de carga (CG). (Mobilein 2001)
La Tabla 4.2 muestra las funciones de los nodos GPRS. (La tecnologia GPRS 2006)
Funciones de los nodos GPRS
SGSN GGSN
Cifrado y autentificación Interface hacia las redes IP y X.25
Gestión de la movilidad Gestión de la movilidad
Gestión lógica del enlace hacia el MS Asignación de los abonados al SGSN
Datos de facturación Direccionamiento hacia las redes fijas
Routing y transferencia de paquetes Gestión de la seguridad
Conexión con el HLR, MSC y BSC Datos de facturación
Tabla 4. 2 Funciones de los nodos GPRS.
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4.2.7 Enrutamiento de paquetes de datos.
La Figura 4.4 muestra tres esquemas de enrutamiento de paquetes de datos que se
mencionan a continuación:
Mensajes originados en la MS línea 1, empieza en el móvil GPRS y termina
en el Host.
Mensaje iniciado por la red cuando el móvil está en una red local. Línea 2,
comienza en el Host y termina en el móvil GPRS.
Mensaje iniciado por la red cuando el móvil se cambia a otra red GPRS.
Línea 3 punteada.
Figura 4. 4 Esquemas de enrutamiento de paquetes de datos.
Los operadores GPRS permiten roaming (itinerancia) a través de un backbone de red
entre operadores. Se conectan con la red entre operadores a través de un BG (Border
Gateway), el cual tiene protocolos de enrutamiento como el BGP (Border Gateway
Protocol), las redes GPRS empaquetan todos los protocolos de red de datos dentro de
un propio protocolo de empaquetamiento llamado GTP (Protocolo de Túnel GPRS).
El GTP provee seguridad en el backbone de red y simplifica los mecanismos de
enrutamiento y la entrega de datos sobre la red GPRS. (Cisco 2007)
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4.2.8 SMS (SHORT MESSAGE SERVICE).
4.2.8.1 Generalidades.
El SMS punto a punto proporciona un mecanismo para transmitir mensajes “cortos”
hacia y desde los teléfonos inalámbricos. El servicio hace uso del Centro del
Servicio Corto de Mensajes (SMSC) que actúa como un sistema de almacenamiento
y envío (store and forward) para los mensajes cortos. La red inalámbrica provee el
transporte de mensajes cortos entre los SMSCs y los teléfonos.
Una característica que distingue al servicio es que un teléfono inalámbrico activo
puede recibir o enviar un mensaje cortos en cualquier momento, independiente de si
existe o no una señal de voz o si una llamada de datos está en marcha.
SMS también garantiza la entrega del mensaje corto por la red. Se identifican faltas
temporales, y el mensaje corto se almacena en la red hasta que el destino está
disponible. (NARVAEZ ORTIZ 2009)
4.2.8.2 Ventajas del Servicio de Mensajería Corta.
Las ventajas de SMS al proveedor de servicio son:
1. Una alternativa a los servicios alfa numéricos.
2. Permite el acceso inalámbrico de datos para los usuarios corporativos.
3. Provee servicios de valor agregado tales como e-mail, correo de voz, e
integración de correo de fax, servicio recordatorio, etc.
4. Las ventajas de SMS a los suscriptores se centran alrededor de la
conveniencia, flexibilidad, y la integración de los servicios de mensajería y
acceso de datos.
5. Desde esta perspectiva, la ventaja es poder utilizar el teléfono como extensión
del computador.
El Short Message Service (SMS) es un servicio que permite a suscriptores GSM
enviar un mensaje de texto simple. El bajo costo, la conveniencia que implica el
envío silencioso e inequívoco de datos y la relativa rapidez del relevo de los SMS, se
han traducido en una amplia aceptación de este servicio.
SMS es un servicio del tipo “store and forward (almacenamiento y envío)”, lo cual
permite que si el equipo del destinatario se encuentra apagado, o fuera del área de
cobertura, el mensaje sea almacenado en la red hasta que pueda ser retirado por el
destinatario.
Las posibilidades de comunicación mediante mensajes cortos “SMS" son muchas y
muy variadas, pero siempre limitadas por las características de estos mensajes, 160
caracteres, muy baja velocidad (en comparación con las líneas telefónicas
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convencionales), duración limitada (24 ó 48 horas normalmente, si no se entregan
antes son cancelados). No es un servicio garantizado (el mensaje suele llegar pero no
hay garantía de ello, ni que de lleguen en el orden en que se han enviado) y
posibilidad de comunicación sólo entre teléfonos celulares GSM entre los que haya
"visibilidad" (que los operadores de los dos teléfonos, emisor y receptor, tengan
convenio de intercambio de mensajes).
Existen muchas especificaciones de formato de mensaje para los servicios prestados
a través de SMS que les dotan de gran potencia y complejidad. Estos problemas no
existen con GPRS puesto que es un sistema exclusivo para envío y recepción de
paquetes de datos de gran tamaño.
Dentro de los servicios que brinda la plataforma GSM, se encuentra el mencionado
servicio de mensajería instantánea SMS sin embargo el presente proyecto utilizará el
servicio GPRS debido a que este servicio permite la transmisión de datos en forma
periódica y SMS la transmisión de datos esporádicos.
El presente trabajo se basa en un sistema de control por lo que requiere un monitoreo
periódico.
4.3 ANÁLISIS DE COBERTURA DE LAS REDES DE TELEFONÍA MÓVIL.
La cobertura celular se refiere al sector geográfico que está dentro del área de
influencia de una o más celdas o sitios celulares y que mantiene un campo eléctrico
superior al límite establecido. El sistema de comunicaciones debe garantizar la
calidad dentro del área de cobertura de la operadora.
4.3.1 Servicio de la Operadora CONECEL (Porta).
Esta operadora celular tiene una cobertura GSM/GPRS del 99% en los principales
cantones del Ecuador, como se observa en la Figura 4.5.
Porta cuenta con 65 nodos activos dentro del territorio nacional. Estos nodos de
datos se encuentran enlazados por microondas redundantes en configuración 1 +1 a
nivel nacional, y a nivel urbano, en las principales ciudades del país, por medio de
fibra óptica.
La red de datos de Porta posee diferentes rutas en configuración de anillo, lo que
permite tener seguridad y ofrecer disponibilidad a la medida de las necesidades
actuales de los sistemas de información.
Porta asigna direcciones IP estáticas al usuario facilitando el acceso a la red
GSM/GPRS. (Paredes y Pérez 2008)
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Figura 4. 5 Cobertura GSM/GPRS de la operadora CONECEL (Porta).
4.3.2 Servicio de la Operadora Movistar.
Actualmente Movistar está migrando de CDMA a GSM por lo que aún no tiene total
cobertura en el Ecuador. Su cobertura GSM/GPRS cubre cerca de un 70% de los
sectores más poblados en nuestro país, como se muestra en la Figura 4.6.
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Figura 4. 6 Cobertura GSM/GPRS de la operadora Movistar.
Para la transmisión de datos utilizando la tecnología GPRS, Movistar asigna
direcciones IP dinámicas al usuario cada vez que se solicita este servicio. Lo que
implica que antes de conectarse es necesario comunicarse con la central de datos para
la asignación de dicha dirección, con lo que se retarda la conexión para el usuario.
(Paredes y Pérez 2008)
4.3.3 Cobertura GPRS para los Reconectadores.
En el presente proyecto se realizara un análisis de cobertura de la operadora móvil
CONECEL (Porta) debido a que esta operadora mantiene relaciones comerciales con
la Centrosur actualmente, además la empresa eléctrica tiene contratado un enlace
dedicado de 128 Kbps con esta operadora, que será el mismo que se va a usar para
este diseño.
Este enlace dedicado parte desde un nodo situado en el cerro de Ictocruz (Cuenca) y
mediante comunicación inalámbrica se enlaza con un router cisco 800 ubicado en el
edificio matriz de la Centrosur.
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Con el objetivo de tener datos reales para determinar si el área de cobertura
GSM/GPRS de la operadora cubre los sitios donde se encuentran ubicados los
distintos reconectadores, se envió las coordenadas geográficas a las oficinas de
DATUN (Transmisión de datos) de Porta para que realicen un análisis de cobertura
de estos lugares.
En la Tabla 4.310
se muestra un reporte de resultados enviados por la operadora, de
donde se concluye que todos los reconectadores pueden ser comunicados con esta
tecnología.
SECTOR (RECONECTADOR) LATITUD (S) LONGITUD (W) COBERTURA RED
La Paz (antiguo camino Loja) 3°19’42.4374” 79°10’12.3093” SI GPRS
Guachapala 2°45’05.4436” 78°39’45.3834” SI GPRS
Sta. Isabel 3°15’38.7042” 79°19’2.7177” SI GPRS
Minas (Baños) 2°55’37.9268” 79°05’40.7206” SI GPRS
Lentag 3°13’58.3201” 79°14’6.2461” SI GPRS
Estación Cumbe 3°02’15.3971” 79°03’9.4791” SI EDGE
El Valle 2°56’37.0335” 78°57’23.5793” SI 3G
El Descanso (vía Jadán) 2°50’49.7015” 78°52’50.1632” SI GPRS
Biblian 2°42’22.7881” 78°53’48.3527” SI EDGE
Cañar 2°34’12.6012” 78°55’51.9251” SI EDGE
Colegio Garaicoa 2°54’45.4930” 78°59’13.0702” SI 3G
La Dolorosa (Ricaurte) 2°50’49.2209” 78°58’18.2934” SI 3G
Suscal 2°27’30.4917” 79°04’46.2228” SI GPRS
Challaubamba 2°51’22.1090” 78°55’24.7317” SI 3G
S/E Paute (entrada a Paute) 2°47’14.3391” 78°45’50.1879” SI GPRS
Tabla 4. 3 Cobertura GPRS para los Reconectadores.
10
Fuente: DATUM (Transmisión de Datos) PORTA.
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CAPÍTULO 5
TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS DE COMUNICACIÓN PARA LOS
RECONECTADORES.
5.1 TECNOLOGÍA PLC.
Con el dominio del acoplamiento inductivo y capacitivo, y avances en la técnica de
modulación OFDM (Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal), se
desarrolló BPL (Broadband over Power Lines) que usa la tecnología PLC (Power
Line Communications, Comunicaciones por la Línea de Energía) para enviar y
recibir señales de radio sobre las líneas de energía, para entregar servicios de Internet
de banda ancha ó servicios de banda angosta, para sistemas de comunicación interna
y telecontrol.
La tecnología PLC, utiliza las redes de distribución de energía eléctrica como medio
de transmisión para servicios de telecomunicaciones. Las redes de distribución de
baja tensión están disponibles ampliamente en las viviendas y teóricamente pueden
utilizarse para instalar redes de acceso PLC para evitar la construcción de redes de
última milla.
La aplicación de redes de distribución eléctrica en las telecomunicaciones ha sido
conocida desde los inicios del siglo veinte. El primer Sistema de Frecuencia
Portadora se implementó en redes eléctricas de alto voltaje para distancias sobre los
500 Km, utilizando una potencia de transmisión de la señal de 10 W para tareas de
telecontrol y medición remota. Las aplicaciones de esta tecnología para las empresas
eléctricas son:
Lectura Automática y Remota de Medidores “AMR”
Control de Voltaje y Potencia Reactiva
Aplicaciones SCADA y Monitoreo de Equipos
Manejo de Energía y Control de la Demanda
Conexión/Desconexión remota
Comunicaciones internas de la Empresa
Notificación de Interrupción de Servicio
5.1.1 Redes de Distribución de Energía.
Estos sistemas se basan en tres niveles de red que pueden utilizarse como medio de
transmisión para las redes BPL (Figura 5.1):
Las redes de alta tensión (110-380 kV) conectan las estaciones de potencia
con grandes regiones de distribución o grandes consumidores. Usualmente
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abarcan grandes distancias, permitiendo el intercambio de energía dentro de
un país. Las redes de alta tensión generalmente utilizan líneas aéreas.
Las redes de media tensión (MV) (10-30 kV) distribuyen a grandes áreas,
ciudades y grandes industrias o clientes comerciales. Los intervalos de
distancias son significativamente más pequeños que en las redes de alta
tensión y se instalan mediante líneas aéreas y subterráneas.
Las redes de baja tensión (230/400 V) distribuyen a los usuarios finales. Sus
longitudes están usualmente sobre unos pocos cientos de metros. En áreas
urbanas, las redes de baja tensión se realizan con cables subterráneos, como
ocurre en el centro histórico de la ciudad de Cuenca, mientras que en las áreas
rurales generalmente se utilizan líneas aéreas.
(Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)
NIVEL DE ALTA TENSIÓN
NIVEL DE MEDIA TENSIÓN
NIVEL DE BAJA
TENSION
SUBESTACIÓN DE
TRANSFORMACIÓN
Figura 5. 1 Estructura de una red de distribución eléctrica.
5.1.2 Arquitectura de red BPL.
Un ancho de banda sobre el sistema de líneas eléctricas requiere un hardware que
haga de interface en un extremo con la red de datos backbone11
y en el otro extremo con el equipo de usuario final. Las señales de banda ancha
atraviesan las líneas de media tensión, haciendo un bypass en los transformadores
mediante acopladores y repetidores debido a que la señal BPL al ser de alta
frecuencia es filtrada en los mismos, además se debe colocar repetidores cada cierta
11 El backbone es una plataforma que permite brindar todo tipo de servicios, como transmisión de datos, voz,
interconexión de redes de alta velocidad y aplicaciones multimedia que exijan calidad de servicio.
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distancia a lo largo de la trayectoria de transmisión para contrarrestar la atenuación
en las líneas eléctricas.
En la Figura 5.2 se muestra una arquitectura simplificada del sistema BPL.
Figura 5. 2 Arquitectura de red BPL.
Los elementos de una red BPL son:
Cabecera BPL (Head End).
El HE es un módem digital de alta velocidad. Es el dispositivo “maestro” de la
red BPL, estos dispositivos se usan para inyectar y para repetir la señal sobre las
líneas de media tensión, es decir permite conectar el sistema de acceso con la red
externa (WAN, Internet, etc.), usando Ethernet, Fast Ethernet, o Gigabit Ethernet.
La señal se acopla inductiva o capacitivamente hacia un conductor de la red
eléctrica. La señal se repite cada 200-600 m, dependiendo de la densidad de ruido
presente, este valor se puede determinar mediante pruebas, tanto para líneas
aéreas como subterráneas.
Acopladores.
Son aquellos elementos, a través de los cuales los equipos de BPL se "conectan"
a la red de media tensión para inyectar y tomar señales IP. Básicamente, el
acoplador es un dispositivo que mediante un filtro pasa-alto y otro pasa-bajo,
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permite la separación de la información y el potencial eléctrico en cualquier cable
de la red BPL.
Estos acopladores pueden ser capacitivos para redes eléctricas aéreas de media o
baja tensión o inductivos para redes subterráneas de media o baja tensión. La
Figura 5.312
muestra un acoplador capacitivo.
Figura 5. 3 Acoplador capacitivo.
Modems BPL o CPE (Customer Premises Equipment).
También conocido como adaptador o módem de usuario permite conectar un
equipo de usuario a la red eléctrica (Figura 5.4)13
. Tanto el HE como el CPE
poseen una serie de elementos que actúan como filtros paso alto por encima de
los 9 KHz para separar las señales de alta frecuencia (datos) de las de corriente
eléctrica alterna (60 Hz), ya que estos equipos se alimentan y se comunican por la
misma línea.
El modem PLC implementa todas las funciones de la capa física incluyendo la
modulación y la codificación. La segunda capa de comunicaciones o capa de
enlace de datos también se implementa dentro del modem incluyendo las
subcapas MAC (Medium Access Control) y LLC (Logical Link Control) de
acuerdo con el modelo de referencia OSI.
El CPE está conectado al equipo de usuario a través de un puerto Ethernet, o
interfaces USB (Universal Serial Bus).
12
(Arteche n.d.) 13
(Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)
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MODEM PLC
INTERFACES DE USUARIO
ACOPLAMIENTO A
LA RED DE ENERGIA
Figura 5. 4 Conexión CPE-Red eléctrica.
Repetidor Intermedio (IR, Intermediate Repeater).
Estos dispositivos regeneran la señal, altamente degradada por la atenuación
provocada por los cables eléctricos, asegurando la calidad en el enlace.
Los repetidores dividen una red de acceso BPL en varios segmentos de red, los
cuales son separados por el uso de diferentes bandas de frecuencia o por
diferentes time slots (Figura 5.5).
Repetidor
Red Eléctrica
f1, t1 f2, t2
Figura 5. 5 Función del repetidor BPL.
En el segundo caso, un time slot es usado para la transmisión dentro del primer
segmento de red y otro slot para el segundo segmento.
En el caso de la segmentación de la red basada en frecuencia, el repetidor recibe
la señal de transmisión sobre la frecuencia f1, amplifica e inyecta nuevamente la
señal dentro de la red pero sobre la frecuencia f2. Es necesario señalar que un
repetidor no modifica el contenido de la información, la cual siempre es
transmitida transparentemente entre los segmentos de la red. (Hrasnica, Haidine
y Lehnert 2004)
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Existen dos clases de repetidores y la diferencia está en su operación, así
tenemos:
Repetidores por división de tiempo (TD).
Dividen una red de acceso BPL en varios segmentos de red, los cuales son
separados por el uso de diferentes time slots. Si la comunicación entre dos
estaciones, A y B se la realiza en una banda de frecuencias (en este caso entre 1.6
a 30MHz), entonces la comunicación entre B y C será realizada usando la misma
banda de frecuencias, durante un período de tiempo diferente para evitar
colisiones. Un time slot es usado para la transmisión dentro del primer segmento
de red y otro slot para el segundo segmento.
Repetidores por división de frecuencia (FD).
Si el enlace entre A y B únicamente usa una parte de la banda de frecuencias,
entonces el enlace entre B y C puede usar una banda diferente mientras hace uso
del canal simultáneamente.
Cada uno de estos repetidores tiene sus ventajas y desventajas así:
Los repetidores (TD) son más simples en su diseño, pero proporcionan
altos grados de latencia extremo a extremo ya que no utilizan el canal
simultáneamente, por lo tanto, tienen que esperar a que el canal este libre
para poder transmitir. Adicionalmente estos repetidores no manejan el
ancho de banda eficientemente.
Por otro lado los repetidores (FD), son más complejos ya que utilizan
diferentes frecuencias de transmisión entre dos segmentos consecutivos
de la red, de esta manera se disminuye la latencia y las interferencias, así
mismo estos equipos manejan eficientemente el ancho de banda,
separando las bajas frecuencias para las grandes distancias en las redes
de acceso (o distribución), y las altas frecuencias para distancias cortas
como el acceso en el hogar. Sin embargo presentan problemas de
planificación de frecuencia debido a la interferencia entre tres segmentos
vecinos.
Pasarela BPL (GATEWAY).
Existen 2 posibilidades para la conexión de abonados BPL vía tomacorrientes a
una red de acceso:
Conexión directa.
Conexión indirecta sobre una pasarela (gateway).
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En el primer caso, los módems BPL son directamente conectados a la red de baja
tensión y por medio de ésta al HE como tal.
No hay división entre las áreas exterior e interior, y la señal de comunicaciones
es transmitida a través de la unidad de medición de potencia lo que producirá
problemas de compatibilidad electromagnética. Entonces, la conexión indirecta
usando un gateway (Figura 5.6) es una solución frecuentemente usada.
Un Home Gateway es una combinación de un CPE y un HE. Se puede usar como
repetidor para amplificar la señal transmitida a grandes distancias o donde exista
excesiva atenuación afectando a la señal.
Figura 5. 6 Conexión Indirecta Home Gateway.
Además, los Home Gateways pueden servir como puntos de acceso para redes,
incluyendo interfaces para otras tecnologías como Ethernet, WLAN, etc. Puede
actuar como un HE controlando una red PLC interna coordinando la
comunicación entre módems PLC internos.
5.1.3 BPL de media tensión.
De forma similar al acceso a los sistemas BPL de baja tensión que utilizan redes de
distribución de energía como un medio de transmisión, las redes de distribución de
media tensión pueden emplearse para varios servicios BPL. Generalmente la
estructuración de los sistemas BPL de media tensión (MV BPL) no es diferente a las
redes de baja tensión. Así las redes BPL de media tensión incluyen los mismos
elementos de red como: módems BPL que conectan al usuario final con la media
tensión como medio de transmisión, una estación base que conecta una red BPL de
media tensión a un backbone, repetidores y gateways.
Una red eléctrica de media tensión usualmente distribuye a varias redes de baja
tensión. Como consecuencia, una red MV BPL puede utilizarse como una red de
distribución, conectando un número de redes de acceso BPL al backbone
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Incluso las condiciones de transmisión en las redes de media tensión son mejores que
en las redes de baja tensión utilizadas en las redes de acceso BPL.
5.1.4 Problemas de BPL.
El principal problema es que las líneas eléctricas son intrínsecamente un entorno
muy ruidoso y atenúan la señal. Las causas de degradación de la señal pueden ser:
Interferencia: la interferencia desde sistemas cercanos pueden causar
degradación a la señal, el modem no puede funcionar para determinar una
frecuencia específica entre muchas señales en el mismo ancho de banda.
Atenuación de la señal por dispositivos activos: dispositivos como relés,
transistores, y rectificadores crean ruido en su respectivo sistema,
aumentando la probabilidad de degradación de la señal.
Atenuación de la señal por dispositivos pasivos: transformadores y
convertidores DC-DC, las señales BPL no pueden atravesar los
transformadores, su alta inductancia hace que estos actúen como filtro paso
bajo, bloqueando las señales de alta frecuencia, por esto en los
transformadores se necesita de repetidores Bypass para que la señal pase al
nodo receptor. Un dispositivo bypass consiste de tres elementos, un
desacoplador capacitivo, se gestiona la señal con un nodo repetidor, y
entonces se reacopla capacitivamente hacia la línea de media tensión.
El segundo mayor problema es la longitud de onda de la señal y la frecuencia de
operación. El sistema está pensado para usar frecuencias de 10 a 30 MHz, las cuales
han sido usadas por muchas décadas por operadores de radio, también por difusores
de onda corta internacional y una variedad de sistemas de comunicación (militar,
aeronáutica, etc). Las líneas eléctricas son no apantalladas y actúan como antenas
para las señales que estén llevando, y tienen una potencial interferencia con
comunicaciones de radio de onda corta. El sistema BPL usa modulación OFDM, la
cual permite mitigar la interferencia con servicios de radio.
5.1.5 Impacto de disturbios y limitación de tasas de datos.
Debido a que la potencia de la señal es limitada, las redes BPL llegan a ser más
sensibles a los disturbios y no son adecuadas para grandes distancias, ya que no
aseguran una suficiente capacidad de transmisión. Los disturbios desde los entornos
de red BPL son causados por otros servicios (como radio de onda corta) operando en
el rango de frecuencias debajo de los 30 MHz. Hay también disturbios provenientes
desde la propia red BPL; maquinaria pesada; como electromotores que podrían
conectarse a la red de bajo voltaje o pueden estar cerca de la red BPL; TV y
monitores de computadoras como también impulsos de disturbios causados por
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conmutación on/off de aplicaciones y dispositivos de control de ángulo. Finalmente
los disturbios pueden producirse también por redes vecinas BPL.
La aplicación de los mecanismos de manejo de errores es necesaria en redes BPL por
los inconvenientes de disturbios en el funcionamiento. En consecuencia las redes
BPL tienen que operar con bajas tasas de datos adicionales para la aplicación de
mecanismos de manejo de errores, además una red BPL representa un medio de
transmisión compartido, utilizado por todos los abonados de una forma
independiente (Figura 5.7). Como consecuencia la capacidad de las redes BPL se ve
reducida. (Hrasnica, Haidine y Lehnert 2004)
Figura 5. 7 Medio de trasmisión compartido en redes de acceso BPL.
5.1.6 Técnicas de Modulación para Sistemas BPL.
Las comunicaciones a través de las redes eléctricas están caracterizadas por múltiples
e impredecibles formas de interferencia, provocando un medio poco confiable y poco
robusto para la comunicación.
Estas condiciones han hecho que el sistema de modulación empleado en la
tecnología BPL deba contar con importantes ventajas y fortalezas frente al resto de
técnicas.
Esencialmente se utilizan los siguientes tipos de modulación:
DSSSM “Direct Sequence Spread Spectrum Modulation”
FHSSM “Frequency Hopping Spread Spectrum Modulation”
OFDM “Orthogonal Frequency Division Multiplex”
Cada una de estas técnicas para acoplar la señal al canal de comunicación cuenta con
ventajas y desventajas, las cuales se detallan a continuación:
Las técnicas de espectro ensanchado (FHSS y DSSS) consisten en distribuir la
potencia de la señal a lo largo de un amplio espectro de frecuencias de modo que la
densidad espectral de potencia sea alta. Además, éstas permiten contar con un
sistema muy robusto frente a interferencias.
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El inconveniente es que ello supone un gran ancho de banda, otro problema al
aplicarlos al canal BPL es la interferencia debida a los múltiples caminos que puede
seguir la señal.
Al final ha sido un sistema adaptativo el que se ha impuesto, se trata de OFDM, una
técnica que consiste en modular un gran número de portadoras de banda estrecha
distribuida. Ésta permite alta eficiencia espectral y maneja muy bien el ruido, los
cambios de impedancia y las reflexiones producidas por los múltiples caminos que
recorre la señal. En la Tabla 5.1 se muestran las características de los sistemas de
modulación empleados en BPL. (PÁEZ ALEAGA 2007)
CARÁCTERÍSTICAS
MODULACIÓN
PORTADORA
SIMPLE
ESPECTRO
ENSANCHADO OFDM
EFICIENCIA ESPECTRAL Moderada Baja Bueno
ROBUSTEZ CONTRA DISTORSIONES DEL
CANAL Buena Mala Excelente
ROBUSTEZ CONTRA RUIDO EN EL CANAL Buena Aceptable Aceptable
HABILIDAD PARA ADAPTARSE A
CAMBIOS EN EL CANAL Buena Aceptable Excelente
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA
(EMC) Pobre Excelente Buena
COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN Bajo Bajo Aceptable
Tabla 5. 1 Desempeño de sistemas de modulación BPL.
5.1.6.1 Modulación OFDM.
5.1.6.1.1 OFDM Esquema Multiportadora de Alta Velocidad.
La modulación OFDM está fuertemente relacionada con los saltos de frecuencia y
técnicas de espectro expandido. En OFDM, el espectro disponible es segmentado en
varios subcanales de banda estrecha. Un flujo de datos es transmitido por
Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) usando N portadoras con las
frecuencias en paralelo.
Una excelente utilización del espectro resultaría ser un elemento clave para el éxito
de velocidades altas en BPL, porque se tendría características de un filtro pasabajos y
esto limitaría el uso del rango de frecuencias, por otro lado el uso de varios
fragmentos pueden ser excluidos para regulación.
En un sistema clásico de saltos de frecuencia la información es contenida en la
secuencia de frecuencias, como por ejemplo, las portadoras son transmitidas
secuencialmente. En OFDM, las diferencias sustanciales son que cada portadora es
ahora modulada y toman una parte del flujo de datos y que un gran número de
portadoras son transmitidas en paralelo.
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Como la señal trasmitida es ahora la suma de muchas portadoras moduladas, su
dominio de tiempo parece complicado, mientras que la magnitud del espectro es fija.
5.1.6.1.2 Esquemas de Modulación y Demodulación para OFDM.
La modulación OFDM divide el espectro del canal disponible en subportadoras
independientes, para lograr esto, todas las portadoras deben ser ortogonales, para
evitar la interferencia entre ellas.
La ortogonalidad se alcanza haciendo coincidir los picos del espectro de las
subportadoras con los valores nulos del espectro de las otras subportadoras
pertenecientes al mismo canal (Figura 5.8), lográndose como resultado un perfecto
alineamiento y espaciado de las señales subportadoras. (Centrosur Capacitación
Tecnología OFDM 2006)
Figura 5. 8 Ortogonalidad de Subportadoras.
La modulación y la demodulación se realizan individualmente para las señales en
subportadoras independientes. Si una o dos subportadoras con señales de diferentes
frecuencias se propagan y viajan a velocidades diferentes, el impacto es mínimo. Al
transmitir simultáneamente varias subportadoras se obtiene una alta tasa de
transmisión de datos. Una vez que la señal OFDM se transmite en varias
subportadoras paralelas, los bits para detección y corrección de errores FEC
(Forward Error Correction) se insertan en las mismas subportadoras, dichos bits de
corrección son utilizados en el receptor para recobrar bits perdidos debido a la
interferencia o multitrayectoria.
Este mecanismo de corrección de errores permite a OFDM maximizar la fiabilidad
de la transmisión de los datos, creando un sistema altamente tolerable al ruido, al
mismo tiempo es muy eficiente en el uso de banda y por lo tanto permite una amplia
cobertura de área punto a punto y multipunto.
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En este tipo de modulación el ancho de banda requerido es de 16,6 MHz pero se le
asigna 20 MHz por canal debido a que se le agrega unas pequeñas bandas de guarda
(Tabla 5.2). (Klaus 2001)
ITEM ESPECIFICACIÓN
Frecuencia Banda de 5 GHz
Salida 10 mW / MHz
Modulación (Velocidad de
Transmisión)
BPSK-OFDM (6 Mbps, 9 Mbps)
QPSK-OFDM (12 Mbps, 18 Mbps)
16 QAM-OFDM (24 Mbps, 36 Mbps)
64 QAM-OFDM (48 Mbps, 54 Mbps)
Subportadora 52
Longitud de símbolo OFDM 4 μs
Intervalo de guarda 0,8 μs
Intervalo de subportadora 312,5 KHz
Ancho de banda ocupado 16,6 MHz
Tabla 5. 2 Características de OFDM.
5.2 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA W-MAN.
5.2.2 Aspectos Generales de WLAN (Wireless LAN).
Las Redes inalámbricas WLAN, al igual que una LAN, requieren un medio físico a
través del cual pasan las señales de transmisión. En lugar de utilizar el par trenzado
o cables de fibra óptica, las WLANs utilizan luz infrarroja (IR) o radio frecuencia
(RFs).
Una LAN inalámbrica está conectada en muchas ocasiones con una LAN cableada
en el mismo recinto, denominándose este campo de aplicación como ampliación o
extensión de redes LAN.
Una LAN troncal cableada, como una Ethernet, conecta varios servidores, estaciones
de trabajo y uno o más puentes o dispositivos de encaminamiento para la
comunicación con otras redes. Adicionalmente, un módulo de control (CM, Control
Module) funciona como interfaz con la LAN inalámbrica.
La configuración de la Figura 5.9 se denomina LAN inalámbrica de celda única
donde todos los sistemas finales inalámbricos se encuentran en el dominio de un
único módulo de control.
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Figura 5. 9 Configuración WLAN de celda única.
Otra configuración común, sugerida en la figura 5.10 es una LAN inalámbrica de
celdas múltiples donde existen varios módulos de control interconectados por una
LAN cableada. (Stallings 2004)
Figura 5. 10 Configuración WLAN de celdas múltiples.
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5.2.3 802.16
El protocolo 802.16 es un estándar creado en 2002 por el Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos (IEEE). Este protocolo trata la especificación para las
redes de acceso metropolitanas sin hilos de banda ancha (WMAN).
802.16 trabaja en las frecuencias comprendidas entre 10 GHz y 66 GHz, y las
velocidades que puede alcanzar varían entre 32 y 134 Mbps, según la distancia a la
que se encuentre el receptor, con canales de 28 MHz. La modulación es adaptativa,
lo que significa que en función de las condiciones del enlace, el sistema cambia el
tipo de modulación (64-QAM, 16-QAM o QPSK) para obtener mejor resultado. El
sistema trabaja únicamente bajo visibilidad directa y con estaciones fijas.
WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es la marca que
certifica que un producto está conforme con los estándares de acceso inalámbrico
IEEE 802.16.
Debido a mejoras y ampliaciones de este estándar se han creado otros subestándares.
Entre ellos está el 802.16d, también llamado 802.16-2004 haciendo honor al año de
estandarización.
5.2.3.1 802.16d
Este protocolo ofrece una solución inalámbrica para acceso a Internet de banda ancha
de última milla, lo que significa que permite comunicaciones NLOS (Non Line Of
Sight). La velocidad máxima que puede alcanzar es de 108 Mbps, con canales de 20
MHz. Funciona en la banda entre 1 GHz y 11 GHz. En este proyecto se trabajará en
la banda libre de 5,725 MHz a 5,850 MHz.
Con la misma idea que Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
y Wi-Fi (Wireless Fidelity) aparece Pre-Wimax, certificando los productos que
soportan el subestándar 802.16d.
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CAPÍTULO 6
DISEÑO DE COMUNICACIONES PARA LOS RECONECADORES.
6.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LOS EQUIPOS RECONECTADORES.
Actualmente en el área de concesión de la Centrosur se encuentran instalados 22
reconectadores electrónicos de los cuales 15 tienen capacidad de comunicación14
, los
mismos que se muestran en la Tabla 6.1 junto con su ubicación geográfica.
RECONECTADORES LATITUD (S) LONGITUD (W) ELEVACIÓN
(m)
La Paz 3°19’42.4374” 79°10’12.3093” 3040
Guachapala 2°45’05.4436” 78°39’45.3834” 2620
Sta. Isabel 3°15’38.7042” 79°19’2.7177” 1780
Minas (Baños) 2°55’37.9268” 79°05’40.7206” 2760
Lentag 3°13’58.3201” 79°14’6.2461” 1720
Estación Cumbe 3°02’15.3971” 79°03’9.4791” 2625
El Valle 2°56’37.0335” 78°57’23.5793” 2670
El Descanso (vía Jadán) 2°50’49.7015” 78°52’50.1632” 2350
Biblián 2°42’22.7881” 78°53’48.3527” 2620
Cañar 2°34’12.6012” 78°55’51.9251” 3200
Colegio Garaicoa 2°54’45.4930” 78°59’13.0702” 2504
La Dolorosa (Ricaurte) 2°50’49.2209” 78°58’18.2934” 2682
Suscal 2°27’30.4917” 79°04’46.2228” 2760
Challuabamba 2°51’22.1090” 78°55’24.7317” 2410
S/E Paute (entrada a Paute) 2°47’14.3391” 78°45’50.1879” 2180
Tabla 6. 1 Ubicación de los Reconectadores.
6.2 ESTRUCTURA GENERAL DE DISEÑO.
El diseño de una red cualquiera que sea su aplicación debe garantizar condiciones
tales como: una fácil y eficiente administración, calidad de servicio en las
aplicaciones que lo requieran, que permita trabajar en un ambiente seguro y que
pueda interoperar con otras redes de modo que sea altamente útil y confiable.
En la Figura 6.1 se muestra un esquema general de los enlaces de comunicaciones
desde los reconectadores hacia el SCADA. Más adelante se indicará a detalle cómo
14 Fuente: Base de datos G.I.S. Centrosur
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realizar estos enlaces con cada una de las tecnologías, de manera que los
reconectadores sean parte de este sistema.
Figura 6. 1 Esquema general del sistema de comunicaciones.
En el edificio matriz de la Centrosur se ha puesto a disposición un equipo RTU
ELITEL 4000, que maneja el protocolo DNP 3.0 serial, éste se encargará de realizar
un polling o barrido secuencial de todos los reconectadores, es decir se encargará del
control de la comunicación, además tendrá la posibilidad de recibir información
desde los reconectadores sin importarle el tipo de red que se use para los enlaces.
Por lo tanto, para cualquier tecnología que se adopte en el diseño, la RTU debe hacer
el mismo control de la comunicación15
.
Para la comunicación entre los reconectadores y la red de enlace hacia la RTU se
usará el protocolo de comunicación DNP3.0 serial encapsulado en TCP/IP. Mientras
que para la comunicación entre la RTU y la red se utilizará el protocolo de
comunicación DNP3 LAN/WAN para poder direccionar a los diferentes
reconectadores a través de la red. Es por esto que entre la RTU ELITEL 4000 y la
red se necesita de un conversor de protocolos de DNP3.0 serial a DNP3 LAN/WAN,
o se debería adquirir otra RTU que tenga la capacidad de manejar el protocolo DNP3
LAN/WAN.
15 La RTU ELITEL 4000 se utilizará para pruebas de laboratorio para analizar la compatibilidad del perfil DNP3
del PCD y para análisis de tramas. Para la implementación del proyecto se deberá modificar los puertos de la
RTU o utilizar otro equipo, ya que ésta no trabaja con redes IP como se vio en el punto 2.4.2.
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Por otro lado la RTU se comunicará con el sistema SCADA utilizando el protocolo
IEC 60870-5-101, por lo que la RTU deberá también manejar este protocolo. En este
punto cabe recalcar que la integración de los reconectadores hacia el SCADA no es
parte de este diseño.
6.3 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA GPRS.
6.3.1 Requerimientos técnicos del sistema.
Para definir los requerimientos del sistema debemos tomar en cuenta que la
transmisión de datos en GPRS se lo hace mediante la conmutación de paquetes,
como se vio en capítulos anteriores. Las debidas consideraciones se realizan en las
diferentes capas del modelo TCP/IP, especialmente en las capas de red y enlace,
considerando la longitud del paquete, el tamaño de las cabeceras, la velocidad de
transmisión y la aplicación específica.
En el Capítulo 4 se explicó que GPRS tiene una velocidad teórica máxima de 171.2
Kbps, pero esta velocidad se ve disminuida si se considera que existen bits de
señalización, control, sincronismo, bits de cabecera para direccionamiento en la capa
de enlace, etc. Por lo que la velocidad efectiva de transmisión de datos para la capa
de red disminuye aproximadamente a 144 Kbps, en el caso de que se utilice los 8
canales que dispone GPRS. (PAREDES Ana María s.f.)
6.3.1.1 Análisis del tráfico producido por el sistema durante la transmisión de
datos.
A continuación se realizará un análisis del tráfico promedio producido en cada uno
de los reconectadores.
6.3.1.1.1 Cálculo del volumen de datos capturados.
Debido a la importancia de los datos que se van a transmitir desde los reconectadores
para ser procesados en el sitio de trabajo del sistema SCADA, éstos deben ser
adquiridos en tiempo real, por lo tanto el sistema de comunicación que se va a
diseñar consta de dos tipos de transmisión y adquisición de datos. En primer lugar
los datos serán enviados de manera automática desde los reconectadores a la unidad
central de procesamiento cada vez que se registre un cambio en los mismos, a este
mecanismo se lo conoce con el nombre de respuestas no solicitadas, como se vio en
el capítulo 2. El segundo modelo para la adquisición de datos es hacer un barrido
periódico desde la estación central de procesamiento (RTU) a cada uno de los
reconectadores, a este proceso se lo conoce como polling. Aquí el software de la
RTU que controlará los reconectadores deberá configurarse el período de tiempo que
se usará para capturar los datos de cada reconectador.
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Para este diseño se ha elegido un período de tiempo de 5 minutos que se cree
conveniente tomando en cuenta el otro tipo de adquisición de datos de respuestas no
solicitadas.
6.3.1.1.2 Cálculo de la cantidad de datos enviados por el PCD del
reconectador.
Para determinar la cantidad de información que enviará el PCD de cada
reconectador, primero debemos determinar que parámetros se van a solicitar, y de
acuerdo a esto dimensionar la cantidad de información en bytes que producirá tanto
una solicitud como una respuesta.
Los parámetros mostrados en la Tabla 6.216
son los que se van a requerir en la
estación central de procesamiento, aquí se muestra además la cantidad de bytes que
produce cada solicitud y respuesta.
Estos datos fueron obtenidos usando el software ASE2000, que permite medir el
tráfico de datos incluidos las cabeceras de control que pone el protocolo, en este caso
el protocolo DNP3.0. (ASE2000 Communication Test Set Software and Protocol
License Agreement 2007)
Esta prueba de laboratorio se realiza de forma similar como se hicieron las pruebas
funcionales en el capítulo 2.
En esta tabla se observa también la cantidad de bytes que se producen al hacer una
solicitud de cada parámetro por separado, y la cantidad de bytes que se producen al
pedir en una misma solicitud todos los parámetros requeridos de un mismo tipo.
16
Fuente: Departamento de Supervisión y Operación Centrosur
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SEÑALES DE RECONECTADORES
Solicitud individual
(Bytes)17
Solicitud en conjunto
(Bytes)
Señales binarias de entrada Solicitud Respuesta Solicitud Respuesta
INTERRUPTOR 22KV (CERRADO / ABIERTO) 20 23 32 25
LOCAL/REMOTO 20 23
FALLA PCD 20 23
DISPARO DE FASE A 20 23
DISPARO DE FASE B 20 23
DISPARO DE FASE C 20 23
SOBRECORRENTE INSTANTÁNEA DE FASE 20 23
SOBRECORRIENTE INSTANTÁNEA DE NEUTRO 20 23
SOBRECORRENTE TEMPORIZADA DE FASE 20 23
SOBRECORRIENTE TEMPORIZADA DE NEUTRO 20 23
FRECUENCIA 20 23
DISTANCIA DE FALLA (Km) 31 31 31 31
CORRIENTE DE FALLA (A) 31 31 31 31
Señales binarias de salida Solicitud Respuesta Solicitud Respuesta
INTERRUPTOR DE 22kV (CERRAR / REPONER) 62 62 62 62
RESET DE ALARMAS (REPONER / ACTUAR) 31 31 31 31
Señales analógicas de entrada Solicitud Respuesta Solicitud Respuesta
POTENCIA ACTIVA TRIFASICA (KW) 31 67 31 67
POTENCIA ACTIVA FASE A (KW) 31 67
POTENCIA ACTIVA FASE B (KW) 31 67
POTENCIA ACTIVA FASE C (KW) 31 67
POTENCIA REACTIVA TRIFASICA (KVAR) 31 67
POTENCIA REACTIVA FASE A (KVAR) 31 67
POTENCIA REACTIVA FASE B (KVAR) 31 67
POTENCIA REACTIVA FASE C (KVAR) 31 67
CORRIENTE DEL NEUTRO (A) 31 67
TENSIÓN DE BARRA DE 22KV (V) 31 67
Suma bytes 218 247
TOTAL (bytes) 465
Tabla 6. 2 Parámetros requeridos por la estación central de procesamiento.
Del análisis anterior se aprecia que para reducir la cantidad de bytes en la
transmisión de los datos, es recomendable hacer las solicitudes en conjunto, ya que
17
Estos bytes comprenden toda la trama incluido la corrección de errores, es decir la medición se realiza en la capa de usuario.
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de esta manera se puede reducir el costo por utilización de la red GPRS, debido a que
la facturación depende de la cantidad de información que se envíe.
6.3.1.1.3 Cálculo de la velocidad de transmisión.
Considerando que las respuestas no solicitadas son las que envían la información de
la red eléctrica al momento de cualquier disturbio, y este tiempo de transmisión es el
que influirá en la toma de decisiones, entonces el tiempo de transmisión mediante la
solicitud o polling, no es primordial. En base a este razonamiento se hará el estudio
únicamente para las respuestas no solicitadas.
La medida de la cantidad de datos que producen las alarmas en el caso de que todas
ocurran simultáneamente, es decir los 11 parámetros primeros de las señales binarias
de entrada, es de 25 bytes de respuesta, tomado de la tabla 6.2. Estos datos serán
transmitidos mediante una respuesta no solicitada. En el supuesto caso más crítico
que ocurra una de estas respuestas, en todos los reconectadores y al mismo tiempo,
tendríamos un total de datos a transmitirse de:
25 𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠 × 15 𝑅𝑒𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 375𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑅𝑒𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟
375𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑅𝑒𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟× 8
𝑏𝑖𝑡𝑠
𝑏𝑦𝑡𝑒=
3000𝑏𝑖𝑡𝑠
𝑅𝑒𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟
De este análisis se obtiene que para enviar todos los datos hacia la estación de
procesamiento, se requiere una velocidad de 3 Kbps. La velocidad de un canal en
GPRS es 14.4Kbps, por lo que se concluye que con un solo canal se puede
transportar esta cantidad de información sin ningún problema. Adicionalmente se
dispone de 8 canales por usuario; consecuentemente, se puede lograr tasas máximas
teóricas de 171Kbps. Esto demuestra que la red GSM/GPRS no tendrá ningún
problema en transportar los 3000 bits en un tiempo de un segundo.
Si se usa un solo canal para transmitir todos los datos, el tiempo de transmisión sería
de:
3000 𝑏𝑖𝑡𝑠
14400 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 = 0,2083 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 208,3 𝑚𝑖𝑙𝑖𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
Este tiempo de transmisión es muy bajo y no tendrá ninguna influencia negativa en la
toma de decisiones sobre la red eléctrica, considerando que este es un caso hipotético
que muy difícilmente se presentará en la operación real del sistema.
6.3.2 Selección y Características de los equipos GPRS.
Los elementos necesarios para el diseño en cada uno de los reconectadores son:
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Modem GPRS
Tarjeta SIM para GPRS
Conversor de interface Ethernet / RS232
A continuación se muestran los requerimientos y las características generales que
deben tener estos equipos:
Frecuencia de operación.- se refiere al rango de frecuencias dentro del cual se
puede utilizar el equipo para la transmisión y recepción de la información, su
valor depende de la operadora celular seleccionada; en este caso PORTA trabaja
con una frecuencia de operación de 850 MHz.
Salida de potencia.- el módem deberá cumplir con el nivel de potencia permitido
por la Superintendencia de Telecomunicaciones para transmitir la señal; es decir,
un valor de 3W máximo.
Velocidad de datos.- la velocidad de transmisión de datos del módem debe ser
mayor a la velocidad requerida por el sistema.
Interfaz de comunicación.- en lo posible debe ser compatible con la interfaz del
PCD del reconectador. Por lo tanto el modem debería tener cualquiera de estas
interfaces incluidas en el PCD: RS-232, RS-485; caso contrario se deberá utilizar
un conversor de interfaz.
Ciclo de servicio.- debe ser de manera continua; debido a que la adquisición de
datos por el PCD es permanentemente.
Para la selección de los equipos se tomó en cuenta las recomendaciones hechas
por parte de la operadora PORTA, para lo cual se recomienda realizar pruebas en
campo con equipos de la marca LIGHTSPEED ofrecidos por la empresa
Aldeberán. Considerando que estos equipos cumplen con todos los
requerimientos, en este diseño se usaran equipos de esta marca.
Los equipos de comunicación seleccionados son:
1. Tarjeta SIM.- necesaria para la comunicación será ofrecida por la operadora
seleccionada, en este caso Porta.
2. Router Mobile3G LSP-250C.- el equipo de la marca LIGHTSPEED
mostrado en la Figura 6.2, es el router LAN + WAN de tercera generación
más versátil para la provisión de Internet o transmisión de datos. (SPEED
s.f.)
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Figura 6. 2 Router Mobile 3G LSP-250C.
Características Técnicas.
Administración vía browser
Protección segura mediante Firewall
VPN pass through, PPTP, L2TP, IPSec
Uso de NAT para múltiples conexiones en LAN
Provisión Automática de direcciones vía DHCP
Función de chequeo de destino (KeepAlive) en Conexión 3G que permite
conexión 3G siempre en línea “Always On”
HSDPA hasta 3.6Mpbs
UMTS hasta 384Kbps
EDGE hasta 236.8Kbps
GPRS Multislot Class 10
5 Bandas 850/900/1800/1900/2100 MHz
Módulo HSDPA/UMTS/EDGE Siemens
Conexión LAN + WAN RS232
Interfaces.
1 puerto LAN 10/100 Mbps
1 puerto USB Para diagnóstico
SIM Card 3V/1.8V
Interface SMA para antena Externa (Viene con antena externa de 5dBi)
Condiciones de operación.
Operación Normal: -15 + 35 °C
Operación Extrema: -20 + 55 °C
Humedad Relativa 5-95% sin condensación
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3. Equipos UDS 1100 Lantronix.
El conversor UDS1100 es un dispositivo de puerto único (Figura 6.3), que
provee una rápida y sencilla alternativa para aprovechar las ventajas del acceso a
los datos y la administración remota de los dispositivos que no se encuentren
conectados a la red. (LANTRONIX n.d.)
Dispositivo
serial
Alimentación
Cable Ethernet
Categoría 5
Ethernet
10/100 BASE T
Figura 6. 3 Conversor de interface UDS 1100.
a. Aplicaciones.
La familia de dispositivos servidores UDS permite a los dispositivos seriales,
conectarse y comunicarse sobre redes Ethernet usando la familia de
protocolos IP (TCP para aplicaciones orientadas a conexión y UDP para
aplicaciones de datagrama).
Alarmas de seguridad
Dispositivos de control de acceso
Maquinas ATM
Dispositivos colectores de datos
Gestión de unidades UPS (Universal power supply)
Equipos de telecomunicaciones
Dispositivos mostradores de datos
Cualquier dispositivo asíncrono RS-232, RS422, o RS485
Usando el método llamado serial tunneling, el UDS encapsula los datos
seriales dentro de paquetes y los transporta sobre Ethernet.
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b. Soporte del protocolo.
El UDS usa el protocolo de internet (IP) para la red de comunicaciones y el
protocolo de control de transporte (TCP) para asegurar que ningún dato se
pierda o se duplique, y que cada cosa enviada llegue correctamente a la
tarjeta.
A continuación se listan los Protocolos soportados:
ARP, UDP, TCP, ICMP, Telnet, TFTP, Auto IP, DHCP, HTTP, y SNMP
para la red de comunicaciones.
TCP, UDP, y Telnet. Para conexiones al Puerto serial.
TFTP para actualización del firmware.
IP para direccionamiento, enrutamiento y manejo de bloques de datos sobre
la red.
Protocolo de datagrama de usuario (UDP), para aplicaciones típicas de
datagrama en las cuales los dispositivos interactúan con otros dispositivos sin
una conexión punto a punto.
6.3.3 Recopilación y fuentes de información.
Para conocer las características de la zona de implementación, se empleará la base de
datos del sistema G.I.S. de la empresa que permite determinar la localización física
exacta de cada elemento de la red. Cada uno de estos elementos está identificado
mediante un código, el cual permite conocer las características técnicas.
La cobertura GPRS en los puntos de ubicación de los reconectadores se analizó en el
capítulo 4.
6.3.4 Selección de reconectadores para tecnología GPRS.
Como se determinó en el capítulo anterior, los actuales reconectadores en su
totalidad pueden ser gestionados con esta tecnología, pero considerando que el
objetivo del presente diseño es utilizar en la medida posible la infraestructura
existente de la red WAN de la empresa eléctrica, para reducir costos de
implementación y operación del sistema, se realizó un análisis previo para
discriminar los reconectadores haciendo un estudio de los que pueden ser
gestionados con tecnología W/LAN o BPL. Para los reconectadores restantes se hará
el diseño con tecnología GPRS.
Es importante indicar que el diseño final dependerá del estudio económico de las
diferentes tecnologías estudiadas, es por esto que cabe la posibilidad de aplicar esta
tecnología para todos los reconectadores. No se puede aplicar el mismo criterio con
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las otras tecnologías ya que estas no pueden ser implementadas técnicamente para
todos los reconectadores sino sólo para algunos, los cuales se indicarán en sus
respectivos diseños.
Para explicar este diseño se hará un estudio para el reconectador ubicado en el sector
La Paz.
6.3.5 Diseño del sistema GPRS para el reconectador La Paz.
6.3.5.1 Características de la zona de servicio.
Como se indicó anteriormente todos los reconectadores podrían ser comunicados
usando esta tecnología, además cabe resaltar que el esquema de conexión es el
mismo para cualquier reconectador sin importar el lugar donde este se encuentre.
Se ha decidido de manera arbitraria realizar el diseño para el reconectador La Paz
ubicado en la provincia del Azuay, cantón Nabón, parroquia Las Nieves. El
reconectador se encuentra sobre la estructura de soporte de media tensión número
281723. El tramo de media tensión trifásico de 22 kV que alimenta a este equipo,
está conformado por el alimentador 1422 que parte desde la S/E 14.18
6.3.5.2 Esquema de conexión.
En la Figura 6.4 se muestra el detalle de lo que sería el acoplamiento del
reconectador al sistema de comunicación GPRS, este diseño se aplicará para
cualquier reconectador sin importar el lugar de ubicación.
El PCD del reconectador enviará la información hacia la RTU ubicada en el edificio
matriz de la Centrosur por medio de un router GPRS. Este dispositivo hará de
interfaz entre el equipo reconectador y la red GPRS.
Como los reconectadores manejan el protocolo DNP3.0 serial y la red GPRS maneja
direcciones IP, las mismas que son ofrecidas por el proveedor de esta tecnología, es
necesario incluir un conversor de interface Ethernet/RS232 entre los reconectadores
y el router GPRS. Este conversor es el encargado de encapsular la trama DNP3
serial en una trama IP dando así a los reconectadores una dirección IP, con lo que
puede enrutarse a través de la red. Además deberá ser configurado con la dirección
IP que será asignada por la operadora móvil.
Por otro lado para la conexión entre la red GPRS y la RTU, se hará uso de un enlace
dedicado de 128 Kbps que actualmente tiene contratado la Centrosur con la
operadora Porta. Este enlace inalámbrico denominado conexión de última milla,
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Fuente: GIS (Centrosur).
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inicia en un nodo de la operadora ubicado en Ictocruz y se dirige hacia un router
Cisco 800 ubicado en el edificio matriz.
Conversor
Ethernet / RS232
Modem
GPRS
PCD
Reconectador
Enlace dedicado
128 Kbps
Router Cisco
800
Switch MRV OS400
Conversor
DNP Serial / DNP LAN-WAN
RTU ELITEL 4000
SCADA
Red GSM / GPRS
Edificio Matriz Centrosur
Figura 6. 4 Diseño del sistema con tecnología GPRS para Reconectador La Paz.
6.3.5.3 Número de equipos GPRS en la red.
En la Tabla 6.3 se muestran los equipos necesarios para cada uno de los
reconectadores así como los equipos totales para los 15 reconectadores.
Equipos Cantidad por cada Reconectador Total Reconectadores
Router GPRS 1 15
Tarjeta SIM GPRS 1 15
Conversor de Interface 1 15
Tabla 6. 3 Equipos necesarios para el diseño.
6.4 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA BPL.
6.4.1 Requerimientos del diseño con tecnología BPL.
Los elementos principales que se requieren para la implementación de este sistema
sin considerar los accesorios como cables ni la herrajería necesaria para su montaje
se indican a continuación:
Gateway de acceso Head End
Repetidores
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Acopladores de media tensión
Conversor de interface Ethernet / RS232
6.4.2 Selección y características de los equipos BPL.
El diseño del sistema de comunicación se realizará con equipos de la marca Corinex,
debido que éstos actualmente se están utilizando en la Dirección de
Telecomunicaciones (DITEL) de la Centrosur, en proyectos BPL en el Centro
Histórico de Cuenca, además las características de ancho de banda de estos equipos
están muy por encima de lo requerido.
A continuación se indican los modelos de equipos que se utilizan en este diseño,
junto con sus características.
1. Gateway de acceso de media tensión (CXP-MVA-GNR)
Los dispositivos de media tensión BPL se usan para inyectar y repetir la señal BPL
sobre las líneas de media tensión, por medio de un acoplador de media tensión. Por
lo tanto este equipo (Figura 6.5) será el que se utilice como gateway de acceso y
también como repetidor. (Corinex s.f.)
Figura 6. 5 Gateway de acceso CXP-MVA-GNR.
Características:
Conectividad de 200 Mbps
Alcance de hasta 200-600 m, para diseño se usara 180 m máximo
Inyección en media y baja tensión,
funcionamiento como repetidor de señales BPL
Soporta 2048 direcciones MAC
Soporta VoIP y tráfico de datos
Opera a 110/240 V AC, 50/60 Hz
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Usa FDD (duplexación por división de frecuencia) para maximizar la distancia de
propagación.
Conexión al backaul WAN por medio de conector RJ 45
Conexión hacia acoplador a través de cable de poder o interface coaxial
2. Acopladores de media tensión.
El acoplador (Figura 6.6), toma la salida de los dispositivos BPL (típicamente
coaxial) y acopla la señal capacitivamente sobre las líneas de media tensión aéreas.
(Arteche n.d.)
Figura 6. 6 Acoplador de media tensión Arteche Overcap-S.
Características:
OVERCAP para instalación colgado de la línea con gancho Hot Line Clamp.
Solución de acoplamiento capacitivo para líneas aéreas de MT. Hasta 24 kV.
Instalación fácil, rápida y segura sin necesidad de descargar la línea.
Dimensiones y peso reducidos.
Bajas pérdidas de inserción < 2dB en todo el rango de frecuencias (2-40 MHz).
Tensiones de aislamiento hasta 36 kV.
Completa batería de ensayos en laboratorios certificados.
Nueva envolvente de silicona que proporciona un mejor aislamiento eléctrico en
intemperie.
Línea de fuga para entornos altamente contaminados (nivel IV según IEC 358).
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Desconectador de tierra integrado para garantizar la desconexión de tierra en el
caso de fallo interno del acoplador.
3. Conversor de interface UDS 1100 Lantronix
Se usará el mismo equipo mostrado en la sección 6.3.2 del presente capítulo.
6.4.3 Recopilación y fuentes de información.
Para conocer las características de la zona de implementación se realizará un
reconocimiento físico de las instalaciones y el equipamiento existente, con el
objetivo de identificar parámetros específicos del medio como: tensión, equipos
conectados, distancias y tipo de conductor. La base de datos obtenida del sistema
G.I.S. permite determinar la localización física exacta de cada elemento de la red.
Cada uno de estos elementos está identificado mediante un código, el cual permite
establecer las características técnicas.
6.4.4 Selección de reconectadores para esta tecnología.
Para los distintos reconectadores, se ha obtenido la distancia de recorrido del
alimentador entre un punto de acceso a la red WAN y el reconectador. Estas
distancias se muestran en la Tabla 6.419
, junto con el alimentador y el número de
repetidores necesarios en el recorrido.
Cabe mencionar que únicamente se realizará el diseño para reconectadores que
requieran menos de 9 repetidores en su enlace, debido al incremento de los costos
comparado con otras tecnologías, que será evaluado en el siguiente capítulo.
Además el número de repetidores que se muestran en la Tabla 6.4 es una
aproximación, debido a que estos dependen de las distancias entre estructuras de
soporte y no de la distancia total del enlace como fueron calculados en esta tabla.
El diseño que se realizará más adelante nos dará el número exacto de repetidores
necesarios para la comunicación.
19
Fuente: GIS (Centrosur).
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Ubicación
reconectador
Punto de acceso a red
WAN Alimentador Voltaje (KV)
Distancia de
alimentador km
# de
repetidores
Suscal Agencia Suscal 1823 22 4,567 26
Guachapala Agencia Paute 1222 22 14,83 83
El Valle Edificio Centrosur 321 22 7,64 43
Garaicoa S/E 3 323 22 1,14136 7
Minas Baños Edificio Centrosur 525 22 14 78
Sta. Isabel Agencia Sta. Isabel 1421 22 2,871 16
Lentag Agencia Sta. Isabel 1423 22 14,43 81
La Paz Loma Paica 1422 22 7,035 40
La Paz Agencia Nabón 1422 22 15,08 84
El Descanso S/E 12 1221 22 1,43803 8
Ricaurte S/E7 723 22 4,673 26
Cumbe Agencia Girón 521 22 17,43 97
Cumbe Simbala 521 22 14,17 79
Paute Agencia Paute 1222-1522 22 2,7 15
Biblián Agencia Biblián 1223 22 1,9 11
TRAMOS DE ALIMENTADORES CON MENOS DE 9 REPETIDORES
Garaicoa S/E 3 323 22 1,14136 7
El Descanso S/E 12 1221 22 1,43803 8
Tabla 6. 4 Distancias de enlace y número de repetidores requeridos.
6.4.5 Diseño del sistema BPL para el reconectador Garaicoa.
6.4.5.1 Características de la zona de servicio.
De acuerdo con la selección de reconectadores que podrían usar esta tecnología se ha
determinado realizar el estudio para el reconectador ubicado en Cuenca en la
parroquia Monay junto al colegio Garaicoa. El reconectador se encuentra sobre la
estructura de soporte #335690 de media y baja tensión. El tramo de media tensión de
22 Kv que alimenta a este equipo, está conformado por el alimentador 0323 que parte
desde la S/E 3 ubicada junto al edificio matriz de la Centrosur. Este alimentador
tiene un tramo subterráneo a la altura del redondel de la Av. Max Uhle. Las
características del alimentador se muestran en la Tabla 6.5.20
20
Fuente: Base de datos GIS (Centrosur).
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Descripción Aéreo Subterráneo
Alimentador 0323 0323
Configuración 3F4C 3F4C
Conductor Fase 2/0 ACSR XLPE 3/0 AWG
Conductor Neutro 2 ACSR XLPE 1/0
Voltaje 22000 22000
Tabla 6. 5 Características del alimentador 0323.
6.4.5.2 Esquema de conexión.
El esquema a implementar se muestra en la Figura 6.7. El PCD del reconectador
acopla la señal de informacion al alimentador 0323 de media tension a través de un
Head End de media tension denominado esclavo, para esto se necesita un convertidor
de interface Ethernet/RS232.
Por medio del alimentador 0323 se transmite la señal BPL hasta un equipo de
cabecera Head End de media tensión denominado maestro, ubicado en la S/3, que
sirve de interface entre la red WAN y el reconectador. Este equipo Head End se
conecta directamente por medio de cable Ethernet al Switch 3C16470 de la marca
3COM mediante conector RJ45 que a su vez está conectado al cisco IP/MPLS 1800
en el rack de comunicaciones ubicado en la subestacion. Esta conexión permitirá el
acceso hacia la red WAN, medio por la cual se enviará la señal hasta un punto central
(RTU) que será quien reciba las señales de los diferentes reconectadores para realizar
la respectiva gestión.
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Figura 6. 7 Enlace Reconectador Garaicoa –S/E3.
6.4.5.3 Número de equipos BPL en la red.
Para el diseño se ha tomado como referencia distancias máximas entre repetidores de
180m, obtenidas de las pruebas de campo realizadas por la Centrosur en un proyecto
en el centro de la ciudad. Para obtener la distancia real aplicable en el diseño actual
es necesario realizar las pruebas respectivas. La Tabla 6.6 muestra los equipos
necesarios para la comunicación BPL.
Equipos Unidad Cantidad
Head End u 2
Repetidores u 7
Acopladores u 18
Cable Ethernet m 100
Cable Coaxial RG-59 m 27
Conversor Interface Eth/RS232 u 1
Tabla 6. 6 Equipos requeridos para el diseño.
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6.4.5.4 Ubicación de equipos en la red.
La Figura 6.8 muestra un diagrama unifilar del enlace, con las distancias entre
repetidores, además contiene una vista de la conexión física de los mismos.
Figura 6. 8 Diagrama unifilar del enlace.
La Tabla 6.721
muestra la ubicación de los repetidores en las diferentes estructuras
soporte.
21
Fuente: Base de datos GIS (Centrosur).
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Equipos Número de Poste
Head End Maestro En estructura S/E3
Head End Esclavo 335690
Repetidor 1 253850
Repetidor 2 253852
Repetidor 3 203966
Repetidor 4 253858
Repetidor 5 253862
Repetidor 6 253865
Repetidor 7 253870
Tabla 6. 7 Ubicación de equipos en poste.
6.5 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA DE FIBRA ÓPTICA.
En este punto del diseño se ha optado por no hacer un estudio detallado del sistema
debido al gran costo que tiene la implementación del mismo y la subutilización de las
capacidades que brinda la fibra.
Por otro lado, el presente estudio selecciona los reconectadores que ofrecen mejores
prestaciones para usar esta tecnología, así como los puntos a donde se deberán enlazar.
Para esto se evaluarán las distancias entre el equipo y un punto de acceso a la red WAN
de la Centrosur, y se realizará un diseño general para uno de los reconectadores.
6.5.1 Selección de reconectadores para esta tecnología.
Para los distintos reconectadores, se ha obtenido la distancia de recorrido del
alimentador entre un punto de acceso a la red WAN y el reconectador. Debido al
incremento de los costos con respecto a la distancia, los reconectadores que se
analizarán mediante esta tecnología serán los que más cerca se encuentren de un punto
de acceso. Es necesario indicar que se obtuvieron las distancias para todos los
reconectadores, pero en la Tabla 6.8 únicamente se presentan las distancias inferiores a
3 Km.
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Ubicación
reconectador
Punto de acceso a red
WAN Alimentador Voltaje (KV)
Distancia de
alimentador
km
Garaicoa S/E 3 323 22 1,14136
Sta. Isabel Agencia Sta. Isabel 1421 22 2,871
El Descanso S/E 12 1221 22 1,43803
Paute Agencia Paute 1222-1522 22 2,7
Biblián Agencia Biblián 1223 22 1,9
Tabla 6. 8 Distancias de enlace hacia un punto de acceso a la red WAN.
6.5.2 Esquema de conexión.
La Figura 6.9 muestra un esquema referencial que podría utilizarse para la
implementacion de este sistema para el reconectador El Descanso hacia la Subestación
12. Cabe indicar que debido a la generalidad de este diseño, el esquema mostrado
contiene unicamente los equipos principales para la comunicación, por lo tanto equipos
como conversores de interface o tipos de conectores que se necesiten, no se presentan
en el esquema.
El PCD del reconectador contiene un puerto de fibra óptica que permite inyectar la señal
directamente sobre la fibra. Por medio de un transmisor óptico, y usando la fibra como
medio de transmisión llega la señal a un receptor óptico ó media converter ubicado en
una determinada subestación, y de esta manera se puede acceder a la red WAN de la
Centrosur.
La fibra óptica Figura “8”22
deberá ser tendida siguiendo las estructuras de soporte que
sostienen el alimentador de media tensión al que está conectado el reconectador.
22 El cable óptico Figura “8” se utiliza para instalaciones aéreas con vanos cortos (hasta de 150 metros), existen en el
mercado cables de 6, 12, 24 y 36 fibras con características tales como resistencia a la corrosión, baja fricción de
instalación.
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Figura 6. 9 Esquema referencial de conexión para reconectador El Descanso.
6.6 DISEÑO DE ENLACE CON TECNOLOGÍA INALÁMBRICA W-MAN.
Para este diseño se deben hacer las siguientes consideraciones: ubicación de los equipos
transmisores, áreas de cobertura, alcance de los equipos y causas de posibles
limitaciones, adicionalmente se debe tomar en cuenta la velocidad de transmisión y
ancho de banda requerido por las aplicaciones.
6.6.1 Requerimientos del diseño con tecnología inalámbrica W-MAN.
Los elementos que se requieren para la implementación de este sistema sin considerar
los accesorios como cables ni la herrajería necesaria para su montaje se indican a
continuación:
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Unidades de Acceso AU’s
Unidades Suscriptoras SU’s
Conversor de interface Ethernet / RS232
Considerando que para este diseño se utilizarán los equipos existentes en la red WAN,
entonces no serán necesarias las unidades de acceso23
. Sin embargo se deberá
considerar los parámetros como la frecuencia de operación que actualmente utilizan
estos equipos, los cuales trabajan en la banda libre de 5,8 Ghz. Además se debe
considerar que la disponibilidad del servicio para la transmisión de datos con estos
equipos es de 98,5 %.24
6.6.2 Selección y características de los equipos.
Los requerimientos del diseño, hacen necesario la adquisición de Unidades Suscriptoras
(SUs) para cada reconectador. Además se debe incluir un conversor de interfaz, para
los reconectadores que pueden utilizar esta tecnología.
Ya que las unidades de acceso AU’s existentes son de la marca Alvarion, los SU’s
deberán ser compatibles con estos equipos, por lo que en este trabajo se consideran
productos de la marca: Alvarion Breeze Access para los SU’s, y los equipos UDS 2100
Lantronix para los conversores.
6.6.2.1 Equipos Alvarion Breeze Access VL.
Los equipos Alvarion tienen un ancho de banda del canal de 10 ó 20 MHz y operan en
la banda de los 5 Ghz (no licenciada). Tiene 64 subportadoras, y una separación de
frecuencias entre subportadoras de 10 Mhz/64= 156,25 Khz.
Todos estos equipos incluyen los accesorios necesarios para su conexión y montaje.
6.6.2.1.1 Especificaciones Técnicas.
Al estar basado en TDD (Duplexación por división de tiempo), las frecuencias de
transmisión y recepción son las mismas. La Tabla 6.9 muestra las frecuencias a las que
pueden trabajar estos equipos, en nuestro caso se utilizarán equipos de 5.8 GHz, en el
caso particular del cerro Señor Pungo la AU adquirida trabaja en la frecuencia de 5,4
GHz, por lo que las SUs que se enlacen a ella deberán trabajar en esta misma
frecuencia. Las especificaciones técnicas de los equipos Alvarion se muestran en la
Tabla 6.10.
23
En el cerro Señor Pungo no está instalada aún una unidad de acceso AU como parte del backbone inalámbrico de
la red WAN, sin embargo la Centrosur ha adquirido un equipo para este fin, el cual será instalado próximamente. Por
lo tanto para el presente estudio se considerará a este equipo como existente dentro de la red. 24
Este valor incluye toda la red (inalámbrica y fibra óptica) y se obtuvo mediante un promedio de los reportes de
transmisión de datos efectuados por la Centrosur desde el mes de Enero hasta el mes de Junio de 2009.
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Tabla 6. 9 Frecuencias soportadas Alvarion.
Frecuencia 5.725-5.850 GHz
Modo de Funcionamiento Time Division Duplex
Método de Acceso Radio OFDM (FEC + Interleaving)
Ancho de banda de canal 10 MHz
Antena
Antena SU-
A/RB/BU
21 dBi, 10.5° horizontal x 10.5° vertical,
Cumple EN 302 085, Clase TS 1,2,3,4,5
Antena de Sector
16 dBi, 60° horizontal x 10° vertical,
Cumple EN 302 085, Clase CS 3
16 dBi, 90° horizontal x 6° vertical,
Cumple EN 302 085, Clase CS 3
15 dBi, 120° horizontal x 6° vertical,
Cumple EN 302 085, Clase CS 3
Potencia de salida AU -10 a 21 dBm. Ajustable en pasos de 1 dB
Potencia de salida SU -10 a 21 dBm. ATPC
Modulación BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
Niveles de Modulación 1 2 3 4 5 6 7 8
Sensibilidad (dBm) -92 -91 -89 -87 -84 -80 -76 -74
Tabla 6. 10 Especificaciones Técnicas.
A continuación se indican todos los equipos necesarios para el enlace:
1. Unidades de Acceso (AU’s).
Como se mencionó anteriormente estos equipos están instalados en las estaciones
repetidoras de la red WAN, razón por la cual no será necesaria su adquisición, pero es
importante su análisis.
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El dispositivo existente AU de Breeze Access es el AU-D-SA-5.4-60-VL que se muestra
en la Figura 6.10.
Figura 6. 10 Unidades de Acceso AU.
Características:
Este equipo es conocido como estación Standalone y que está formado por tres
elementos principales que se analizan a continuación:
a. Estación Base Standalone (AU-SA-IDU).
AU-SA-IDU: módulo interfaz de red. Tiene dos puertos:
Ethernet 10/100 BaseT utilizado para conectar a la red.
Puerto radio para conectar a la ODU.
La AU-SA-IDU se conecta a la AU-SA-ODU mediante cable Ethernet
CAT5 (IOC):
El IOC transporta tráfico Ethernet, indicación de estado y alimenta a la
ODU (54 VDC).
Alimentación: 110/220 VAC.
b. Estación Base Standalone (AU-SA-ODU)
Bridge inalámbrico punto a multipunto.
Basado el estándar IEEE 802.11a.
Responsable del establecimiento de la conexión de red inalámbrica y de la
gestión de ancho de banda.
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Soporta ancho de banda de 10 ó 20 MHz.
Rango de potencia de salida de -10 a 21 dBm.
Soporta hasta 512 unidades suscriptoras (124 al usar cifrado de datos).
c. Antenas.
Hay diferentes antenas de sector disponibles (Tabla 6.11), que tienen las
siguientes características:
Jack tipo N de 50 Ω protegido frente a rayos.
El cable RF conectado a la antena debe ser lo más corto posible.
Se recomienda usar el cable RF proporcionado por Alvarion.
Antena Banda (GHz) AB Horizontal G (dBi)
AU-Ant-5G-17-60 5.150-5.875 60° 16
AU-Ant-5G-17-90 5.150-5.875 90° 17
AU-Ant-5G-15-120 5.150-5.875 120° 15
AU-Ant-ff-G-X-120 4.900-5.875 360° 8, 9, 14
Tabla 6. 11 Clases de antenas tipo sectorial.
En la Figura 6.11 se muestra el detalle de las conexiones entre las unidades internas y
externas para los AU’s.
Figura 6. 11 Esquema de conexión de los equipos AU’s.
2. Unidades Suscriptoras (SU’s).
Entre la gran variedad de SU’s de Breeze Access se ha seleccionado el dispositivo SU-
A-5.8-3-VL (Figura 6.12) que es compatible con la unidad de acceso, y para los
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118
reconectadores que se enlacen con el cerro Señor Pungo se ha seleccionado el
dispositivo SU-A-5.4-3-VL.
Figura 6. 12 Unidades Suscriptoras SU’s.
Características:
Disponible con antena externa e integrada.
Permite conectividad de largo alcance.
Alcance máximo de 54 Km.
Este equipo está formado por dos partes que se analizan a continuación:
a) SU-A/E-IDU: módulo interfaz de red.
Tiene dos puertos:
Ethernet 10/100 Base T usado para conectar a la red.
Puerto radio para conectar a la ODU.
La SU-A/E-IDU se conecta a la SU-A/E-ODU mediante cable Ethernet CAT5
(IOC) y conectores RJ45.
El IOC transporta tráfico Ethernet, indicación de estado y alimenta a la ODU (54
VDC).
Alimentación: 110/220 VAC.
La SU-IDU y la AU-SA-IDU son intercambiables.
b) SU-A/E-ODU y antena.
La ODU contiene los módulos radio y de procesamiento.
Rango de potencia de salida de la ODU: depende del código del país.
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Versión de potencia más baja (5.4 Ghz): -10 a +9 dBm.
Versión de potencia más alta: -10 a +21 dBm.
Ancho de banda de canal: 10 ó 20 Mhz.
Ganancia de antena (sólo SU-A-ODU): 20 dBi (HW rev. E), 21 dBi (Hw rev. C).
Consumo de potencia (ODU + IDU): 25 W.
En la Figura 6.13 se muestra el detalle de las conexiones entre las unidades internas y
externas para los SU’s.
Figura 6. 13 Esquema de conexión de los equipos SU’s.
3. Conversor de interface UDS 1100 Lantronix.
Este equipo es el mismo equipo mostrado en la sección 6.3.2, por lo tanto sus
características no se detallan.
6.6.3 Recopilación y fuentes de información.
Para determinar los equipos reconectadores que puedan utilizar esta tecnología, primero
se determinó la ubicación de las estaciones repetidoras de la red WAN, para lo cual se
utilizó el Sistema de Información Geográfica ya que permite determinar la localización
física exacta de cada elemento de la red, además se utilizó el software Google Earth
para determinar las distancias de los diferentes enlaces. Adicionalmente se realizó un
reconocimiento físico de los lugares donde se encuentran ubicados los distintos
reconectadores con el fin de conocer las características de la zona de implementación.
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120
6.6.4 Selección de reconectadores para esta tecnología.
Como ya se mencionó es necesario ubicar las estaciones repetidoras de la red WAN,
para determinar la cobertura de la misma y los reconectadores que puedan usar esta
tecnología. En la Figura 6.14 se muestra la posición geográfica de los equipos a
interconectarse; estaciones repetidoras y reconectadores.
Figura 6. 14 Ubicación Geográfica de los 15 reconectadores y las estaciones repetidoras de la
red WAN de la Centrosur.
La Tabla 6.12 muestra una breve descripción de la ubicación geográfica de las
estaciones repetidoras que forman parte del presente estudio.
ESTACIONES LATITUD
(S)
LONGITUD
(W)
ELEVACIÓN
(m)
Altarurco 2°28’43.43” 78°59’32.68” 3215
Buerán 2°36’31.10” 78°55’50.90” 3816
Villaflor 2°49’46.00” 78°48’13.00” 3042
Señor Pungo 2°48’59.95” 78°49’15.59” 3175
Guaguazhumi 2°53’32.50” 78°54’39.60” 3079
Ñuñurco 2°45’28.00” 78°40’06.00” 2486
Simbala 3°08’19.58” 79°04’40.15” 3146
Lomapaica 3°18’54.77” 79°08’20.35” 3433
Guallil 3°04’30.90” 78°48’58.70” 3248
Lomamauta 3°27’39.00” 79°08’22.00” 2574
Tabla 6. 12 Ubicación de las Estaciones.
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Con la ubicación de puntos principales a interconectar, se procede a obtener la distancia
entre los reconectadores y las estaciones repetidoras25
. Estas distancias se muestran en
la Tabla 6.13.
Cabe mencionar que es necesario hacer un estudio radioeléctrico para determinar si
estos reconectadores pueden usar esta tecnología, esto se realizará más adelante.
Reconectadores Estaciones Distancia (Km)
Cañar Altarurco 12,18
Suscal Altarurco 9,93
Biblián Buerán 11,43
El Descanso Villaflor 8,80
Paute Villaflor 6,41
Guachapala Villaflor 17,87
El Descanso Sr Pungo 7,43
El Valle Sr Pungo 20,57
La Dolorosa Sr Pungo 17,13
Challuabamba Sr Pungo 12,19
Garaicoa Sr Pungo 21,26
La Paz Simbala 22,7
Lentag Simbala 19,8
Cumbe Simbala 11,6
Guachapala Ñuñurco 0,9
Paute Ñuñurco 11,1
Sta. Isabel Zhallu 16,8
La Paz Lomamauta 15,1
El Descanso Guaguazhumi 7,2
Garaicoa Guaguazhumi 8,73
El Valle Guaguazhumi 7,59
La Dolorosa Guaguazhumi 8,40
Tabla 6. 13 Distancias entre Reconectadores y Estaciones.
6.6.5 Esquema de conexión.
La Figura 6.15 muestra la arquitectura de enlace de los equipos Alvarion que servirá de
base para el presente diseño. El PCD del reconectador enviará la información a la
unidad suscriptora SU, conformado por dos partes una unidad interna y una unidad
externa que contiene a la antena, para esto es necesario un conversor de interface
Ethernet /RS232 ya que el PCD tiene un puerto serial mientras que el SU tiene un
25 Las distancias son en línea recta y se obtuvieron con la ayuda del software Google Earth.
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122
puerto Ethernet. Por otro lado la unidad de acceso AU, al igual que la unidad
suscriptora está conformada por una unidad interna y otra externa, ésta recibirá la
información y la enviará a la unidad central de procesamiento RTU a través de la red
WAN.
ANTENA SECTORIAL
SWITCH ETHERNET
10 /100 Mbps
UNIDAD
OUTDOOR
UNIDAD INDOOR
ANTENA OUTDOOR
CONVERSOR
DE INTERFAZ
PCD
UNIDAD
INDOOR
ACCESS UNIT SUSCRIBER UNIT
Figura 6. 15 Arquitectura de enlace con equipos Alvarion tecnología de espectro ensanchado.
6.6.6 Diseño de enlaces.
6.6.6.1 Determinación de los Parámetros de Desempeño de los Radioenlaces.
Para la determinación de los parámetros de desempeño de los radioenlaces se toma en
cuenta: frecuencia del enlace, distancia, potencia de transmisión, ganancia de las
antenas, tanto transmisora como receptora, pérdidas de espacio libre, perdidas en los
conectores y líneas de transmisión, todos estos parámetros se esquematizan en la Figura
6.16.
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Figura 6. 16 Parámetros de desempeño de los radioenlaces.
Estos parámetros se basan esencialmente en el nivel de señal de entrada que se tendrá en
la recepción, el cual se calcula por medio de la siguiente fórmula:
𝑷𝑹𝑿 = 𝑷𝑻𝑿 − 𝑳𝑭𝑻 − 𝑳𝑭𝑺 + 𝑮𝑹𝑿26
Donde:
PRX= Potencia de entrada de la señal [dBm]
PTX= Potencia de salida del Transmisor [dBm]
GA= (GTX+GRX) = Suma Ganancia de las Antenas [dBi]
LFT= Pérdidas en las líneas de alimentación [dB]
LFS= Perdidas en el espacio libre [dB]
Adicionalmente se considerará un factor de envejecimiento LE, debido a que con el paso
del tiempo las pérdidas en los conectores aumentarán, por agentes externos como la
lluvia, el sol, el viento. Este factor se considerará de 3 dB, por lo tanto la fórmula final
es:
𝑷𝑹𝑿 = 𝑷𝑻𝑿 − 𝑳𝑭𝑻 − 𝑳𝑭𝑺 − 𝑳𝑬 + 𝑮𝑹𝑿
26
(ANDRADE 2007)
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El parámetro LFT es el valor que se presenta en el cable coaxial. En el caso del sistema
diseñado, para trabajar en la banda de los 5,8 Ghz se tiene una atenuación de 35,504
dB/100m (cable coaxial LMR-400). (M2inc 2009)
Considerando que se utilizan 4 m de cable en las conexiones, tanto en el transmisor
como en el receptor, con su respectiva antena, debido a que la antena debe estar lo más
cerca posible de la unidad externa (ODU), entonces se tiene:
𝐿𝐹𝑇 = 35,504𝑑𝐵
100𝑚∗ 4𝑚 = 1,42 𝑑𝐵
Los valores de ganancia GTX y GRX, para antenas que trabajan a la frecuencia de 5.8
Ghz van de 16 a 21 dBi. Para el caso del diseño se considera el peor de los casos, para
esto se toma el valor de 16 dBi, el valor de la potencia PTX promedio de las antenas que
trabajan en la frecuencia de 5.8 GHz es de 21 dBm. La sensibilidad Pu del equipo
receptor varía entre -74 y -92 [dBm], para los cálculos se tomará el valor promedio de -
84 dBm27
, pero hay que tener presente que estos equipos pueden ser configurados de ser
necesario en -92 dBm.
La atenuación por espacio libre LFS es:
𝑳𝑭𝑺 = 𝟑𝟐, 𝟓 + 𝟐𝟎 ∗ 𝒍𝒐𝒈 𝒅 𝑲𝒎 + 𝟐𝟎 ∗ 𝐥𝐨𝐠[𝒇 𝑴𝑯𝒛 ]
Para el cálculo de este parámetro se tomará en cuenta a todos los radioenlaces,
detallando principalmente al de mayor distancia ya que es el caso más crítico.
6.6.6.2 Enlace estación Señor Pungo– reconectador La Dolorosa.
Se encuentran separadas a una distancia de 17,13 Km y a una frecuencia de 5.4 Ghz.
𝐿𝐹𝑆 = 32,5 + 20 ∗ 𝑙𝑜𝑔 17,13 + 20 ∗ log[𝑓 5400 ]
𝐿𝐹𝑆 = 32,5 + 24,67 + 74,64
𝑳𝑭𝑺 = 𝟏𝟑𝟏, 𝟖𝟐 𝒅𝑩
Con lo que se obtiene la pérdida total L es igual a:
𝑳 = 𝑳𝑭𝑺 + 𝑳𝑭𝑻 + 𝑳𝑬 − 𝑮𝑨
𝐿 = 131,82 + 1,42 + 3 − 32
𝑳 = 𝟏𝟎𝟒, 𝟐𝟒 𝒅𝑩
Finalmente se reemplaza los valores obtenidos en la primera ecuación, considerando
una potencia de transmisión de 21 dBm:
𝑃𝑅𝑋 = 𝑃𝑇𝑋 − 𝐿
27 Valores obtenidos de las especificaciones de los equipos Alvarion.
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𝑃𝑅𝑋 = 21 − 104,24
𝑷𝑹𝑿 = −𝟖𝟑, 𝟐𝟒 𝒅𝑩𝒎
Para que el enlace funcione correctamente; el valor de PRX debe ser mayor o igual a la
sensibilidad Pu, garantizando de esta manera la disponibilidad del enlace para todo el
tiempo preestablecido.
En el caso de este enlace los valores obtenidos son:
PRX = - 83,24 [dBm] ≥ sensibilidad Pu= - 84 [dBm]
De este modo se concluye que este enlace funcionará correctamente.
Para los enlaces restantes se realizaron cálculos similares y solamente se muestra los
valores teóricos obtenidos (Tabla 6.14), que permiten determinar los radioenlaces que
cumplen con un buen desempeño.
Es importante mencionar que los enlaces no necesariamente se establecen ya que en esta
tabla no se considera el perfil topográfico de la zona de implementación, el cual será
evaluado posteriormente, para dar un resultado más real.
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ENLACES
PARÁMETROS
Frec. (GHz)
Dist. (Km)
PTX (dBm)
G (dBi)
LFS (dB)
LFT (dB)
LE (dB)
L (dB) PRX
(dBm) PU(dBm)
Cañar - Altarurco
5,8 12,82 21 32 129,93 1,42 3 102,35 -81,35 -84
Suscal - Altarurco
5,8 9,93 21 32 127,71 1,42 3 100,13 -79,13 -84
Biblián - Buerán
5,8 11,43 21 32 128,93 1,42 3 101,35 -80,35 -84
Paute - Villaflor
5,8 6,41 21 32 123,91 1,42 3 96,33 -75,33 -84
Guachapala - Villaflor
5,8 17,87 21 32 132,81 1,42 3 105,23 -84,23 -84
El Descanso - Sr. Pungo
5,4 7,43 21 32 124,57 1,42 3 96,99 -75,99 -84
El Valle - Sr. Pungo
5,4 20,57 21 32 133,41 1,42 3 105,83 -84,83 -84
La Dolorosa - Sr. Pungo
5,4 17,07 21 32 131,79 1,42 3 104,21 -83,21 -84
Challuabamba - Sr. Pungo
5,4 12,20 21 32 128,88 1,42 3 101,30 -80,30 -84
Garaicoa - Sr. Pungo
5,4 21,26 21 32 133,70 1,42 3 106,12 -85,12 -84
Lentag - Simbala
5,8 19,80 21 32 133,70 1,42 3 106,12 -85,12 -84
Garaicoa - Guaguazhumi
5,8 8,73 21 32 126,59 1,42 3 99,01 -78,01 -84
La Dolorosa - Guaguazhumi
5,8 8,40 21 32 126,25 1,42 3 98,67 -77,67 -84
Minas - Guaguazhumi
5,8 20,75 21 32 134,11 1,42 3 106,53 -85,53 -84
Tabla 6. 14 Parámetros teóricos calculados para el desempeño de los radioenlaces.
6.6.6.3 Diseño de enlaces considerando Perfiles Topográficos.
Se utilizará el programa Radio Mobile versión 9.9.4, para graficar el perfil topográfico y
para verificar que la zona de Fressnel se encuentra libre de obstáculos.
A continuación se muestran los enlaces entre las estaciones y cada uno de los
reconectadores de la Tabla 6.14, además se exponen los perfiles topográficos
únicamente de los enlaces para los cuales existe línea de vista, mientras que para los
reconectadores que no pueden utilizar esta tecnología se hará un breve estudio en el
(Anexo 1).
En la Figura 6.17 se muestran los reconectadores a interconectar con la estación Señor
Pungo, aquí se indica con línea verde los enlaces que si pueden ser realizados
técnicamente.
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Figura 6. 17 Reconectadores a interconectar con Señor Pungo.
En la Figura 6.18, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor
Pungo al reconectador La Dolorosa (Ricaurte).
Figura 6. 18 Perfil topográfico Señor Pungo-La Dolorosa.
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En la Figura 6.19 se presenta el perfil topográfico del enlace estación Señor Pungo –
reconectador Challuabamba.
Figura 6. 19 Perfil topográfico Señor Pungo-Challuabamba.
La Figura 6.20 muestra los reconectadores a interconectar con la estación
Guaguazhumi, aquí se traza una línea verde para los enlace que si pueden ser realizados
técnicamente, sin embargo aquí se encuentra una antena sectorial de 60 grados con
dirección a la Subestación 1 ubicada en Cuenca, por lo que, con esta antena no se puede
realizar estos enlaces, para esto se debe cambiar la antena existente por otra con mayor
apertura, estos enlaces se pueden ver en el (Anexo 2).
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Figura 6. 20 Reconectadores a interconectar con Guaguazhumi.
La Figura 6.21 muestra los reconectadores a interconectar con la estación Altarurco, se
indica con línea verde el enlace que si se puede implementar.
Figura 6. 21 Reconectadores a interconectar con Altarurco.
En la Figura 6.22 se presenta el perfil topográfico del enlace estación Altarurco–
reconectador Cañar.
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Figura 6. 22 Perfil topográfico Altarurco-Cañar.
Del estudio anterior se determina que se pueden interconectar tres reconectadores con
las respectivas estaciones repetidoras de la red WAN de la Centrosur (Tabla 6.15).
ENLACES
PARÁMETROS
Frec. (GHz)
Dist. (Km)
PTX (dBm)
G (dBi)
LFS (dB)
LFT (dB)
LE (dB) L (dB)
PRX
(dBm) PU(dBm)
Cañar - Altarurco 5,8 12,82 21 32 129,93 1,42 3 102,35 -81,35 -84
La Dolorosa - Sr. Pungo 5,4 17,07 21 32 131,79 1,42 3 104,21 -83,21 -84
Challuabamba - Sr. Pungo 5,4 12,2 21 32 128,88 1,42 3 101,3 -80,3 -84
Tabla 6. 15 Enlaces finales utilizando la tecnología inalámbrica existente.
6.6.7 Número de equipos necesarios para el enlace y ubicación.
En la tabla 6. 16 se muestran los equipos necesarios para cada enlace, así como los
equipos necesarios para todos los enlaces.
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Descripción Cantidad Cantidad total
Suscriber Unit (SU) 1 3
Conversor de interface Ethernet/RS-232 1 3
Tabla 6. 16 Equipos necesarios para el enlace.
En la tabla 6.17 se muestra la ubicación de los equipos en los diferentes postes donde se
encuentran los reconectadores.
Reconectador Equipo Poste
Cañar Unidad suscriptora SU 338821
La Dolorosa Unidad suscriptora SU 354637
Challuabamba Unidad suscriptora SU 514783
Tabla 6. 17 Ubicación de equipos en poste.
6.6.8 Configuración de equipos.
Como se dijo anteriormente, en la estación Señor Pungo se va a instalar una unidad de
acceso AU, para la cual se presenta en la tabla 6.18, una recomendación de la
configuración de sus parámetros principales para la comunicación con los
reconectadores de: Challuabamba y Ricaurte. Estos parámetros fueron los usados en
este diseño.
PARÁMETROS AU SEÑOR PUNGO
Frecuencia
(GHz)
PTX
(dBm)
Sensibilidad
(dBm)
Azimut
grados
5,4 21 -92 250
Tabla 6. 18 Parámetros de configuración AU Señor Pungo.
Los parámetros principales que se deben configurar en las unidades suscriptoras SU’s,
se muestran en la Tabla 6.19, además se muestra el azimut que debe ser tomado en
cuenta para que las antenas apunten hacia las unidades de acceso.
Reconectador
PARÁMETROS UNIDADES SUSCRIPTORAS SU’s
Frecuencia
(GHz) PTX (dBm)
Sensibilidad
(dBm)
Azimut
grados
Cañar 5,8 Auto ajustable -92 143,3
La Dolorosa 5,4 Auto ajustable -92 215
Challuabamba 5,4 Auto ajustable -92 300
Tabla 6. 19 Parámetros de configuración SU’s.
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132
CAPÍTULO 7
ANÁLISIS DE COSTOS, DISEÑO FINAL Y RECOMENDACIONES PARA LOS
FUTUROS RECONECATADORES DE LA CENTROSUR
7.1 ANALISIS DE COSTOS.
Una vez realizado el diseño del sistema de comunicaciones para cada una de las
tecnologías propuestas, se procede a realizar un estudio de costos de implementación,
operación y mantenimiento para cada una de ellas, y en base a este análisis se obtendrá
el diseño final para los 15 reconectadores, adicionalmente se presentará un estudio para
determinar que tecnología se deberá utilizar para la comunicación de los futuros
reconectadores.
7.1.1 Análisis de costos con tecnología GPRS.
Del estudio realizado se desprende que para la tecnología GPRS se debe analizar costos
únicamente por operación y por implementación del sistema debido a que el
mantenimiento de la red está incluido en la tarifa mensual que se cancelará por el uso de
la misma.
7.1.1.1 Costos por el servicio GPRS.
El servicio será brindado por la operadora de comunicaciones móviles CONECEL
(Porta) utilizando la red global de BTS (Estación Base Transceptora) hacia la estación
central de procesamiento en el edificio matriz de la Centrosur.
En la Tabla 7.1 se muestra el costo de la tarjeta SIM CARD GPRS, este valor se
cancelará una sola vez. (Cotizacion PORTA GPRS Bulk Corporativo 2009)
Detalle Instalación por Circuito Cantidad Precio unit. Precio
Costos compra SIM para GPRS 15 $2,23 $33,48
Subtotal $33,48
IVA 12% $4,02
Total $37,50
Tabla 7. 1 Costo de instalación del servicio.
En la tabla 7.2 se muestra el costo mensual del servicio de transmisión de datos, este
valor es una tarifa básica; es decir, esta tarifa se cancelará mensualmente por cada SIM
activa aunque ésta no registre tráfico alguno, a este valor lo llamaremos costo fijo.
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133
Costo por Circuito Cantidad Precio unit. Precio
PLAN GPRS BULK 15 $4,25 $63,75
Subtotal $63,75
IVA 12% $7,65
Total $71,40
Tabla 7. 2 Costo fijo mensual del servicio.
Este valor se incrementará de acuerdo a la cantidad de información que se transmita
desde cada uno de los reconectadores hacia la estación central en concordancia con la
Tabla 7.3, a este valor lo llamaremos costo variable.
Tarifa Básica
(P/Simm) MB Desde MB Hasta
Tarifa por
cada MB
$ 4,25 0 500 $ 0,80
$ 4,25 500 1000 $ 0,65
$ 4,25 1001 5000 $ 0,50
$ 4,25 >5000 $ 0,40
Tabla 7. 3 Costo variable mensual del servicio.
La cantidad de Mbits se determinará mensualmente por cada punto GPRS contratado,
cantidad que será medida por CONECEL e incluirá tramas de control y datos. La tarifa
por tráfico se basará en la Tabla 7.3.
7.1.1.2 Costos por el uso mensual de la red GSM/GPRS.
En base a los costos fijos y variables por el servicio GPRS, se hace un cálculo
aproximado del costo mensual usando esta tecnología.
Para los costos variables se hace uso de la cantidad de Mbits que transmitirá el sistema.
Tomando en cuenta las dos formas para obtener la información desde los
reconectadores, analizada en el capítulo 6, a continuación se calculará el volumen de
información a transmitir:
1. Cálculo del volumen de tráfico para el periodo de interrogación de 5 minutos.
El número de interrogaciones Nm, para un reconectador, durante 24 horas se calcula en
función del tiempo a partir de la siguiente ecuación:
𝑁𝑚 =24 × 60 𝑚𝑖𝑛
𝑡=
1440
5= 288
𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠
𝑑í𝑎
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El volumen de datos enviados en cada interrogación por cada reconectador es de 465
Bytes que fue obtenido en el capítulo anterior. Para obtener la cantidad de datos que se
envían en un día se usa la siguiente expresión:
𝑁𝑚 × #𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠 = 288 × 465 = 133920𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑑í𝑎
Para calcular la cantidad de bytes por mes debemos multiplicar este resultado por 30
días que tiene el mes de donde obtenemos:
133920𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑑í𝑎× 30
𝑑í𝑎𝑠
𝑚𝑒𝑠= 4017600
𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑠
Como el costo en GPRS se lo realiza por Mbytes, debemos transformar el resultado
obtenido a esta unidad, para esto debemos dividir por 10242 y nos queda:
4017600 𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑠
10242= 3.83
𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠
Este resultado muestra la cantidad de datos que transmitirá cada reconectador en un
mes, en modo de sondeo periódico y con solicitudes de todos los objetos. A este valor
se debe sumar los bits de las cabeceras que ponen los diferentes protocolos que usa esta
tecnología para el transporte de datos, denominado overhead. GPRS aumenta un
overhead entre un 20 y 30% de la cantidad de datos. (GPRS Overview s.f.)
Para este caso consideraremos un aumento del 30% de los datos enviados, de donde se
obtiene lo siguiente:
3.83𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠× 1.3 = 4.98
𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠
2. Cálculo del volumen de tráfico usando respuesta no solicitadas.
Debido a que la cantidad de datos que se transmitirán con respuesta no solicitadas es
variable ya que ésta depende del estado de la red eléctrica, para obtener este valor se ha
estimado que con el uso de respuestas no solicitadas se logra bajar la cantidad de
información obtenida mediante el polling, en un 50%, es por esto que el estudio se lo
realiza tomando en cuenta esta cantidad.
Por lo tanto la cantidad de información enviada es:
3.83𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠 × 0.5 = 1.92
𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠
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A este valor agregamos un 30% de overhead que agrega GPRS, y tenemos:
1.92𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠× 1.3 = 2.49
𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠
El valor encontrado es la cantidad de bytes que serán facturados por la operadora
mensualmente, para encontrar el valor en dólares debemos referirnos a los costos por
cantidad de información mostrados en la tabla 7.3. De esta tabla se obtiene que el costo
por cada MB facturado es de 80 centavos de dólar, para obtener el costo mensual por
cada reconectador usamos la siguiente expresión:
2.49𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠× 0.80 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 = 1.99 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
7.1.1.2.1 Cálculo total por el uso de la red GPRS.
El valor encontrado en el punto anterior en el numeral 1 es la cantidad de bytes que
serán facturados por la operadora mensualmente, para encontrar el valor en dólares
debemos referirnos a los costos por cantidad de información mostrados en la tabla 7.3.
De esta tabla se obtiene que el costo por cada MB facturado es de 80 centavos de dólar,
para obtener el costo mensual por cada reconectador usamos la siguiente expresión:
4.98𝑀𝐵
𝑚𝑒𝑠× 0.80
𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
𝑀𝐵= 3.98 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 /𝑚𝑒𝑠
Para obtener el costo mensual total de operación usando esta tecnología debemos sumar
los costos fijos por cada SIM activa más los costos variables de operación, además este
resultado se ve incrementado por el IVA que es un valor del 12%. El resultado se
obtiene de la siguiente manera:
4.25𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑠+ 3.98
𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑠× 1.12 = 9.22
𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟
La tabla 7.4 muestra un resumen del costo aproximado por la utilización del servicio
GPRS por cada reconectador. Por lo tanto esta cantidad debe ser tomada en cuenta al
momento de comparar con los costos de implementación de las otras tecnologías, para
decidir si todos los reconectadores deben ser comunicados de esta forma.
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ADQUISISION DE DATOS CADA 5 MINUTOS
Costos fijos Tarifa Básica 4,25
Costos
variables
MBits totales por mes 4,98
Costo por cada Mbit 0,8
Total
Costo Mensual (4,98x0,8)+4,25 8,23
IVA 12% 0,99
Costo Total por cada Reconectador 9,22
Costo Total 15 Reconectadores 9,22x15 138,33
Tabla 7. 4 Costo mensual del servicio GPRS.
Para obtener los costos de operación con respuestas no solicitadas se hace el mismo
procedimiento realizado para las respuestas bajo solicitud. La Tabla 7.5 muestra el
costo mensual por el uso del servicio GPRS considerando únicamente las respuestas no
solicitadas.
COSTO CON RESPUESTAS NO SOLICITADAS
Costos fijos Tarifa Básica 4,25
Costos
variables
MBits totales por mes (50% del Polling) 2,49
Costo por cada Mbit 0,8
Total
Costo Mensual (2,49x0,8)+4,25 6,24
IVA 12% 0,75
Costo Total por cada Reconectador 6,99
Costo Total 15 Reconectadores 9,22x15 104,86
Tabla 7. 5 Costo mensual del servicio GPRS.
7.1.1.3 Costo de implementación.
En la Tabla 7.6 se desglosan los precios del equipo de comunicaciones seleccionado de
la marca LIGHTSPEED ofrecido por la empresa Aldeberán. Aquí se muestra también
el costo total de equipos necesarios para la implementación para los 15 reconectadores.
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Descripción Unidad Cantidad Costo unitario Costo Total
Router Mobile 3G-250C u 1 423 423
Tarjeta SIM GPRS u 1 2,23 2,23
Conversor de interface LANTRONIX
Ethernet/RS-23228
u 1 86,07 86,07
Instalación de equipos u 1 64,75 64,75
Configuración de equipos u 1 14,76 14,76
SUBTOTAL 590,81
IVA 12% 70,90
Costo total por Reconectador 661,71
Costo 15 Reconectadores 9925,61
Tabla 7. 6 Costo de implementación del sistema GPRS.
7.1.2 Análisis de costos con tecnología BPL.
Una vez realizado el respectivo diseño para esta tecnología, se procede a analizar los
costos de equipos de comunicación, y costos por instalación. La cantidad y tipo de
equipos necesarios se determinaron en el capítulo anterior.
7.1.2.1 Costo de equipos y partes.
En la Tabla 7.729
se desglosan los precios del equipo de comunicaciones seleccionado
de la marca Corinex, es importante mencionar que en los repetidores se ocupará el
mismo Head End CXP-MVA-GNR, que cumple con las características de repetidor de
media tensión.
Equipos Unidad Cantidad Costo Unitario Costo Total
Head End u 2 300 600
Repetidores u 7 300 2100
Acopladores u 18 100 1800
Cable Ethernet FTP m 100 0,95 95
Cable Coaxial RG-59 m 27 0,4 10,8
Conversor Interface Ethernet/RS232 u 1 86,07 86,07
SUBTOTAL 4691,87
IVA 12% 563,02
TOTAL 5254,89
Tabla 7. 7 Costo de implementación del sistema BPL.
28 Fuente: http://www.amazon.com/dp/B000FSOZTE/ref=asc_df_B000FSOZTE826225?smid=ATVPDKIKX0DER&tag=dealt
5742-20&linkCode=asn 29 Fuente: Departamento de compras de la Centrosur.
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138
El valor obtenido es únicamente para el reconectador ubicado en el colegio Garaicoa,
que además es el más económico de acuerdo con el criterio de selección utilizado en el
capítulo 6. Este valor se verá incrementado para los reconectadores que necesitan más
repetidores. Se usará este valor para fines de comparación con las otras tecnologías.
7.1.3 Análisis de costos con tecnología de fibra óptica.
Haciendo referencia a lo mencionado en el capítulo 6 debido al gran costo de
implementación y la subutilización de capacidades, el estudio de los costos que se
anotan a continuación no incluyen todos los equipos necesarios para el diseño, ni costos
por configuración, ni costos por operación y mantenimiento, por el contrario se evalúan
únicamente los equipos principales, y el rubro por mano de obra para el tendido de la
fibra, de esta manera se justificará el diseño general realizado.
7.1.3.1 Costos referenciales de equipos y partes.
Para analizar los costos referenciales se tomará en cuenta un diseño con fibra óptica
para instalaciones aéreas, para este caso se ha elegido la fibra monomodo 9/125 Figura
8 del tipo Loose Tube (Fibremex n.d.), que actualmente usa la empresa eléctrica, este
cable se lo puede encontrar en el mercado de 6, 12, 24 y 36 hilos de fibra, para el
análisis se ocupará el cable de 6 hilos. Además se incluye costos por herrajería,
necesaria para fijar y sostener el cable a los postes, para esto será necesario: grapas de
suspensión para los postes en línea recta o con un ángulo máximo de 20°, y para postes
de inicio, fin de cabecera y cambios de dirección, se colocará herrajes de retención.
(CARPIO Edison 2009)
Para este análisis se tomará en cuenta un herraje por cada poste en el trayecto del
alimentador. Adicionalmente se tomará en cuenta un rubro por instalación y tendido de
la fibra, con estos rubros se obtendrá un costo referencial, debido a que no se incluyen
todos los equipos necesarios para la comunicación.
En la Tabla 7.8 se desglosan los precios de acuerdo con lo mencionado anteriormente,
es importante indicar que la cantidad de fibra está tomado de acuerdo a la distancia de
recorrido del alimentador, a este valor se debe agregar un porcentaje adicional para
reserva y para la instalación hasta el equipo ubicado en la subestación, que no se toma
en cuenta aquí.
Descripción Unidad Cantidad Costo Unitario Costo Total
Fibra óptica monomodo auto soportable Figura8 m 1438 2,5 3595
Instalación aérea de Fibra incluido transporte m 1438 0,7 1006,6
Elementos de sujeción en poste u 25 6,8 170
SUBTOTAL 4771,60
IVA 12% 572,59
TOTAL 5344,19
Tabla 7. 8 Costo referencial del sistema.
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7.1.4 Análisis de costos con tecnología inalámbrica W-MAN.
Considerando que la Centrosur es un proveedor de servicios de Telecomunicaciones, y
debido a que este diseño utiliza parte de la infraestructura existente en la red WAN, se
adoptarán dos alternativas para el análisis de costos, que se explican a continuación:
a) Primera alternativa.- únicamente se tomará en cuenta el costo de los equipos
nuevos que se necesite implementar, costo de instalación y costo de
mantenimiento, ya que al ser la Centrosur dueña de toda la infraestructura
existente, no se tendrá un costo por el uso de la misma.
b) Segunda alternativa.- al costo obtenido con la primera alternativa, se deberá
incluir un rubro por el uso de la infraestructura existente, debido a que si
bien los equipos ya están instalados, estos tendrán un costo por operación.
Mediante estas dos opciones presentadas queda a consideración de la Centrosur escoger
una de ellas, de acuerdo a los criterios administrativos del departamento de
Contabilidad. Es decir si considera a este proyecto como un cliente externo o como una
inversión interna. Por otra parte en los costos de operación del sistema únicamente se
considerará los costos que varían en cada una de las alternativas, por ejemplo los costos
por el consumo de energía no se incluyen ya que este es el mismo en ambas y no alteran
la comparación.
7.1.4.1 Primera alternativa
7.1.4.1.1 Costo de equipos y partes.
En la Tabla 7.9 se muestra el detalle de precios de los equipos de comunicaciones
seleccionado, así como los costos de instalación. Estos equipos cuentan con accesorios
propios para su instalación como: cable coaxial, y herrajería para su montaje. Estos
precios fueron adquiridos desde el departamento de compras de la empresa eléctrica.
Descripción unidad cantidad Costo Unitario Costo Total
Inspección del lugar de instalación u 1 11,64 11,64
Suscriber Unit (SU) u 1 458,55 458,55
Instalación de SU u 1 64,75 64,75
Conversor de interface Ethernet/RS-232 u 1 86,07 86,07
Configuración de equipos u 1 14,76 14,76
SUBTOTAL 635,77
IVA 12% 76,29
TOTAL 712,06
Tabla 7. 9 Costo de implementación del sistema W/MAN.
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7.1.4.2 Segunda alternativa.
7.1.4.2.1 Costo de equipos y partes.
En la Tabla 7.10 se muestra el detalle de precios de los equipos de comunicaciones
seleccionado, así como los costos de instalación.
Descripción unidad cantidad Costo Unitario Costo Total
Inspección del lugar de instalación u 1 11,64 11,64
Suscriber Unit (SU) u 1 458,55 458,55
Instalación de SU u 1 64,75 64,75
Conversor de interface Ethernet/RS-232 u 1 86,07 86,07
Configuración de equipos u 1 14,76 14,76
SUBTOTAL 635,77
IVA 12% 76,29
TOTAL 712,06
Tabla 7. 10 Costo de implementación del sistema W/MAN.
7.1.4.2.2 Costo por el uso de la infraestructura existente.
Debido a que se utilizará la infraestructura existente, en la red de comunicaciones de la
Centrosur, en este apartado se considera un rubro por el uso de la misma, este valor
deberá obtenerse mediante un análisis de costos tanto de inversión como de operación y
mantenimiento de la red de comunicaciones la cual incluye el backhaul ubicado en
Cuenca, la red de transporte y la red de acceso.
Como la Centrosur ofrece el servicio de transporte de datos con velocidades de 128, 256
y 512 Kbps, esta empresa tiene un valor para los clientes de acuerdo al ancho de banda
que ellos contraten, este valor fue calculado en base a los costos mencionados
anteriormente más una utilidad. Por lo tanto para este proyecto se adoptará este valor
como un rubro por la utilización de la infraestructura existente, en donde estará incluido
el costo por operación y mantenimiento.
En la tabla 7.11 se presenta este costo, el cual está valorado mediante la contratación de
un paquete de 128 Kbps que es suficiente para cada reconectador.
Descripción Tiempo Costo
Unitario Costo Total
Costo por uso de red existente Mensual 50 50
SUBTOTAL 50
IVA 12% 6
TOTAL 56
Tabla 7. 11 Costo por el uso de la red existente para W/MAN.
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7.1.5 Evaluación de costos para el diseño final.
Una vez que se ha obtenido los costos para cada una de las alternativas de
comunicación, es necesario hacer una comparación de los mismos para determinar que
tecnología debe ser utilizada en el diseño final para los 15 reconectadores propuestos.
Esta comparación se basará tanto en los costos de implementación del sistema como en
los costos mensuales de operación y mantenimiento.
En la Tabla 7.12 se muestra un resumen de los costos por implementación obtenidos en
el diseño de cada tecnología.
Tecnología Costo Total
GPRS 661.71
BPL 5254.89
Fibra Óptica 2928.35
Inalámbrico 712.06
Tabla 7. 12 Resumen de Costos.
De este resultado podemos ver que la tecnología más económica es GPRS, sin embargo
no debemos olvidar que existe un costo adicional que se paga mensualmente por el uso
de la red, el cual fue calculado anteriormente en base a la cantidad de información que
se pretende transmitir. Con estos antecedentes se procede a hacer una comparación
entre las dos tecnologías que resultan más económicas, esto es la tecnología inalámbrica
y GPRS.
7.1.5.1 Comparación entre tecnología inalámbrica y GPRS.
A continuación se hará una comparación considerando las dos alternativas existentes
con tecnología inalámbrica.
7.1.5.1.1 Comparación entre GPRS y W-MAN (Primera alternativa).
Antes de realizar una comparación entre las dos tecnologías mencionadas, debemos
obtener la diferencia de costos entre ellas. En este caso no se tendrá en cuenta el costo
por el uso de la infraestructura existente para la tecnología W-MAN.
Para esto realizamos el siguiente cálculo:
𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑎𝑙á𝑚𝑏𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝐺𝑃𝑅𝑆
𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 712,06 − 661,71 = 50,35 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
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Una vez obtenido este valor se debe calcular el tiempo en que se puede recuperar esta
diferencia con el pago mensual por el uso de la red GPRS. Para esto debemos referirnos
a la Tabla 7.4, donde se obtuvo un costo mensual de 9.22 dólares por cada reconectador,
y hacemos un sencillo cálculo como el que se muestra a continuación:
50,35 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠
9,22 𝑑ó𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑠 = 5,46 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠
De este análisis se observa que en cinco meses se puede igualar los costos en ambas
tecnologías. Por lo que se concluye que en los meses posteriores habrá ganancias con el
uso de la tecnología inalámbrica W/MAN.
Por lo tanto se concluye que, el diseño final deberá constar de un enlace de
comunicaciones con tecnología inalámbrica W/MAN, para todos los reconectadores
que técnicamente se los pueda enlazar a la red WAN de la Centrosur. Y los demás
reconectadores deberán ser comunicados mediante la red GPRS de Porta.
7.1.5.1.2 Comparación entre GPRS y W-MAN (Segunda alternativa).
En este caso se considera un costo por el uso de la infraestructura existente en la red
WAN para la tecnología inalámbrica.
En la Tabla 7.12 se vio que el costo de implementación de la tecnología inalámbrica W-
MAN es mayor al de GPRS, mientras que en la Tabla 7.13 se puede ver claramente que
el costo mensual de operación de la tecnología inalámbrica W-MAN es superior al costo
de operación con GPRS.
Tecnología Costo Mensual
operación SUBTOTAL IVA 12%
Costo Total Mensual
GPRS 9,22 9,22 1,1064 10,33
Inalámbrico 44,64 44,64 5,36 50
Tabla 7. 13 Resumen de Costos de operación mensual.
En base a este estudio se concluye que GPRS es la tecnología más económica de todas
las estudiadas, por lo que ésta es la que se debe usar para la comunicación de todos los
reconectadores planteados en el presente estudio.
7.2 DISEÑO FINAL PARA LOS RECONECTADORES.
Tomando en cuenta los dos resultados obtenidos en el análisis de costos, a continuación
se presentan dos diseños de comunicaciones, los cuales se recomienda a la Centrosur
utilizar de acuerdo con el criterio que se mencionó en el punto 7.1.4 del presente
capítulo.
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7.2.1 Diseño final para los Reconectadores (Primera alternativa).
De acuerdo con el análisis de costos realizado, el diseño final del sistema de
comunicaciones para los reconectadores consta de lo siguiente:
7.2.1.1 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS.
En la Tabla 7.1430
se muestra todos los reconectadores que se comunicarán mediante la
red GPRS, para los cuales se debe implementar el diseño realizado en el punto 6.3.5 del
capítulo 6. En este punto se hizo un diseño para el reconectador ubicado en el sector La
Paz.
RECONECTADORES LATITUD (S) LONGITUD (W) ELEVACIÓN (m)
La Paz 3°19’42.4374” 79°10’12.3093” 3040
Guachapala 2°45’05.4436” 78°39’45.3834” 2620
Sta. Isabel 3°15’38.7042” 79°19’2.7177” 1780
Minas (Baños) 2°55’37.9268” 79°05’40.7206” 2760
Lentag 3°13’58.3201” 79°14’6.2461” 1720
Estación Cumbe 3°02’15.3971” 79°03’9.4791” 2625
El Valle 2°56’37.0335” 78°57’23.5793” 2670
El Descanso (vía Jadán) 2°50’49.7015” 78°52’50.1632” 2350
Biblián 2°42’22.7881” 78°53’48.3527” 2620
Colegio Garaicoa 2°54’45.4930” 78°59’13.0702” 2504
Suscal 2°27’30.4917” 79°04’46.2228” 2760
S/E Paute (entrada a
Paute)
2°47’14.3391” 78°45’50.1879” 2180
Tabla 7. 14 Reconectadores enlazados con tecnología GPRS.
7.2.1.2 Reconectadores enlazados con tecnología inalámbrica W/MAN.
En la Tabla 7.15 se muestra todos los reconectadores que se comunicarán mediante
tecnología inalámbrica W/MAN, para los cuales se debe implementar el diseño
realizado en el punto 6.6 del capítulo 6, los parámetros de la tabla se obtuvieron de este
diseño.
30
Fuente: Base de datos G.I.S.
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ENLACES
PARÁMETROS
Frec. (GHz)
Dist. (Km)
PTX (dBm)
G (dBi)
LFS (dB)
LFT (dB)
LE (dB) L (dB)
PRX
(dBm) PU(dBm)
Cañar - Altarurco 5,8 12,82 21 32 129,93 1,42 3 102,35 -81,35 -84
La Dolorosa - Sr. Pungo 5,4 17,07 21 32 131,79 1,42 3 104,21 -83,21 -84
Challuabamba - Sr. Pungo 5,4 12,2 21 32 128,88 1,42 3 101,3 -80,3 -84
Tabla 7. 15 Reconectadores enlazados con tecnología W/MAN.
7.2.1.3 Esquema de conexión para los reconectadores
La Figura 7.1 muestra el esquema de conexión para todos los reconectadores
propuestos.
Figura 7. 1 Esquema de conexión para los reconectadores de la Centrosur.
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145
7.2.2 Diseño final para los Reconectadores (Segunda alternativa).
Como se mencionó anteriormente que GPRS es la tecnología más económica de todas
las estudiadas, el diseño final para la comunicación de todos los reconectadores
planteados en el presente estudio se lo debe hacer mediante esta tecnología.
Por lo tanto para este sistema se debe implementar el diseño realizado en el punto 6.3.5
del capítulo 6. En este punto se hizo un diseño para el reconectador ubicado en el sector
La Paz.
7.3 RECOMENDACIONES PARA LOS FUTUROS RECONECTADORES.
Luego de haber determinado el diseño del sistema de comunicación final para los 15
reconectadores, a continuación se recomienda el tipo de tecnología a utilizar para la
comunicación de los futuros equipos que puedan instalarse.
Para realizar este estudio se tomará en cuenta los resultados obtenidos en el diseño
usando la primera alternativa, es por esto que para estos reconectadores se propone
principalmente el uso de las tecnologías más económicas es decir W/MAN y GPRS.
De la misma forma que se determinó la viabilidad de la comunicación con los
reconectadores actuales mediante W/MAN, se propone a continuación realizar los
siguientes pasos para determinar la posibilidad de comunicación de los futuros
reconectadores:
1. Primero se debe encontrar la ubicación geográfica de todos los reconectadores
que se vayan a instalar, y luego ubicarlos en el G.I.S.
2. Si algún reconectador se encuentra dentro de esta zona de cobertura, se debe
realizar un estudio radioeléctrico para determinar, si técnicamente se puede
lograr la comunicación.
3. Si existen algunos reconectadores que puedan comunicarse utilizando esta
tecnología, se la debe hacer sin ninguna duda.
4. Por último, si existen reconectadores que se encuentren cerca de la zona de
cobertura de los distintos repetidores de la red WAN, se recomienda hacer un
estudio radioeléctrico para determinar si se puede enlazar a esta red, en el caso
en que se determine que si se puede comunicar, se deberá hacer un análisis para
ver la factibilidad de cambiar la antena repetidora de la red WAN (AU) por otra
de mayor apertura.
Una vez determinados los reconectadores que no se pueden comunicar mediante
W/MAN, lo que se propone es realizar el enlace usando la red GPRS, que es la segunda
menos costosa. Para esto se procede como sigue:
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146
1. Obtener las coordenadas geográficas de todos los reconectadores que se vayan a
analizar y solicitar un reporte de cobertura de estos lugares a las oficinas de
DATUN de la operadora Porta.
2. En segundo lugar se debe establecer si los reconectadores pueden ser
comunicados mediante esta red, por lo tanto para los que sea factible, se lo debe
hacer de esta manera y para los demás se deberá analizar otra alternativa como
por ejemplo colocar nuevas unidades de acceso AUs de tecnología inalámbrica.
Se puede decir que todos los reconectadores que se instalen a futuro estarán dentro de la
cobertura de una de las dos tecnologías mencionadas anteriormente, por lo tanto habrá
que hacer un estudio técnico económico para determinar la viabilidad de una u otra
tecnología.
A continuación se exponen las gráficas de la cobertura31
de cada una de las antenas
sectoriales de 60 grados de las unidades de acceso, ubicadas en las estaciones de la red
WAN con un radio de alcance de 20 Km. En el extremo superior izquierdo se encuentra
una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de
sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s. Los
reconectadores que se vayan a instalar en esta zona deberán ser analizados para ver si
están dentro de esta cobertura.
7.3.1 Cobertura Estación Señor Pungo.
En la Figura 7.2 se muestra la cobertura de la unidad de acceso AU ubicada en el cerro
Señor Pungo, cuya antena sectorial de 60 grados apuntará con dirección a
Challuabamba.32
31 Cobertura obtenida de Radio Mobile 9.9.4 32
Cabe recalcar que la unidad de acceso AU (IDU+ODU+antena, Figura 6.9) ya fue adquirida para ser instalada en
este sitio.
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147
Figura 7. 2 Cobertura Estación Señor Pungo.
7.3.2 Cobertura estación Guaguazhumi.
En la Figura 7.3 se muestra la cobertura de la estación Guaguazhumi, aquí se tiene una
antena sectorial de 60 grados con dirección a la Subestación 1.
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Figura 7. 3 Cobertura Estación Guaguazhumi.
7.3.3 Cobertura estación Altarurco.
En la Figura 7.4 se muestra la cobertura de la estación Altarurco, aquí se encuentran
instaladas dos antenas sectoriales de 60 grados, una con dirección a la Agencia Cañar y
otra con dirección a la Agencia Suscal.
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Figura 7. 4 Cobertura Estación Altarurco.
7.3.4 Cobertura estación Buerán.
En la Figura 7.5 se muestra la cobertura de la estación Buerán, aquí se encuentra
instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Biblián.
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Figura 7. 5 Cobertura Estación Buerán.
7.3.5 Cobertura estación Villaflor.
En la Figura 7.6 se muestra la cobertura de la estación Villaflor, aquí se encuentran
instaladas dos antenas sectoriales de 60 grados una con dirección a la Agencia Paute, y
otra con dirección a la Agencia Gualaceo.
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Figura 7. 6 Cobertura Estación Villaflor.
7.3.6 Cobertura estación Simbala.
En la Figura 7.7 se muestra la cobertura de la estación Simbala, aquí se encuentra
instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Girón.
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Figura 7. 7 Cobertura Estación Simbala.
7.3.7 Cobertura estación Loma Paica.
En la Figura 7.8 se muestra la cobertura de la estación Loma Paica, aquí se encuentra
instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Nabón.
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Figura 7. 8 Cobertura Estación Loma Paica.
7.3.8 Cobertura estación Guallil.
En la Figura 7.9 se muestra la cobertura de la estación Guallil, aquí se encuentra
instalada una antena sectorial de 60 grados con dirección a la Agencia Sigsig.
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Figura 7. 9 Cobertura Estación Guallil.
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CAPÍTULO 8
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Del estudio y la experiencia adquirida durante el desarrollo de este trabajo a
continuación se extraen las siguientes conclusiones y recomendaciones.
8.1 CONCLUSIONES
Del resultado final se puede concluir que los estudios iniciales realizados sobre
el equipo de comunicación de los reconectadores fueron muy importantes para
determinar las características y requerimientos que debe tener el sistema de
comunicación a implementar, así también el estudio de la ubicación geográfica
de los distintos equipos fue necesario para determinar técnicamente si los
enlaces con las diferentes tecnologías eran posibles.
Tomando en cuenta el avance tecnológico que han experimentado las
comunicaciones móviles, tanto en la transmisión de voz, video y datos, y su
amplia cobertura que permiten al usuario la comunicación a grandes velocidades
y en cualquier lugar que se encuentre, este proyecto da a conocer una forma de
explotación de estas cualidades, como son la adquisición de datos en tiempo real
(Sistemas SCADA) y la gestión remota de equipos a través de la red GPRS.
En este trabajo se han analizado diversas tecnologías para transmisión de datos
remotos, de esto se puede concluir que económicamente ciertas tecnologías son
más costosas que otras como es el caso de tecnologías de fibra óptica o
tecnología BPL. Por el contrario, la tecnología GSM/GPRS, y la tecnología
inalámbrica W-MAN son más económicas, con la desventaja de que en el caso
concreto de GSM/GPRS, las operadoras que brindan este servicio no tienen
cobertura total del territorio, mientras que en W-MAN es necesario que la zona
donde se vaya a implementar sea topográficamente adecuada.
El sistema diseñado cumple con la característica de ser un sistema de
transmisión en tiempo real. La información obtenida en el campo tarda un
tiempo inferior a un segundo en llegar hasta la estación central de
procesamiento, por lo que se concluye que la calidad de información obtenida
con este sistema está acorde con las necesidades para el monitoreo y control de
los equipos de protección del sistema eléctrico.
Como no se puede determinar el tráfico de datos real producido por el sistema,
para calcular el costo de operación mensual por el uso de la red GPRS, fue
necesario realizar pruebas para obtener esta medida. Para esto se utilizó el
software ASE2000 que permite analizar las trazas del protocolo, por lo que se
concluye que esta es una manera adecuada de obtener una medida aproximada
del tráfico de datos, para determinar los costos antes de implementar el sistema.
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GPRS es una tecnología que permite reducir notablemente los costos de
operación y mantenimiento en comparación con las otras tecnologías, sin
embargo con la tecnología inalámbrica W-MAN se puede aprovechar al máximo
la infraestructura existente, reduciendo de esta manera los costos de
implementación. Haciendo referencia a lo mencionado, se concluye que el
diseño de un sistema híbrido de tecnología GPRS y tecnología inalámbrica W-
MAN es el más adecuado, según la primera alternativa del diseño final.
De acuerdo con el diseño obtenido en la segunda alternativa, en este trabajo
podemos concluir que GPRS es una tecnología muy económica ya que se paga
únicamente por la cantidad de datos enviados.
Es de suma importancia que un sistema diseñado cumpla con la característica de
escalabilidad. Este proyecto permite la expansión del sistema, admitiendo la
futura inclusión de nuevos equipos reconectadores, por lo tanto se concluye que
este trabajo cumple con esta característica.
Debido a que el trabajo propuesto tiene la característica fundamental de usar una
función del protocolo de comunicaciones DNP3 llamada respuestas no
solicitadas, que envía información únicamente cuando haya variado el parámetro
medido, se concluye que la RTU ELITEL 4000 destinada para este diseño no
puede explotar esta funcionalidad, ya que dicho equipo no maneja esta función,
únicamente se puede obtener información mediante un polling o petición cada
cierto tiempo.
La Centrosur tiene previsto colocar un equipo AU Alvarion en el cerro Señor
Pungo, ya que este es un punto estratégico para sus comunicaciones. Por lo
tanto de lo examinado en este trabajo se puede concluir que, con la
implementación de este equipo se puede comunicar a los siguientes
reconectadores: reconectador ubicado en Ricaurte y reconectador ubicado en
Challuabamba. En el caso de no colocar este equipo, estos reconectadores
deberán ser comunicados usando la red GPRS.
8.2 RECOMENDACIONES.
Si se identifica que un reconectador a ser implementado en el futuro se
encuentra dentro del área de cobertura de un equipo Alvarion, se recomienda
hacer un estudio radioeléctrico del enlace antes de implementar este sistema
debido a que se deben tomar en cuenta todos los parámetros de la comunicación
inalámbrica.
Para comunicar al reconectador ubicado en El Valle, en este proyecto se lo
realiza mediante GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que este
reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el
cerro Guaguazhumi (ver anexo 2), por lo tanto se recomienda cambiar la antena
situada en este cerro con dirección a la Subestación 1, por una antena Flat Panel
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sectorial de 120 grados de tal manera que por medio de esta antena se
comunique tanto a la subestación como al reconectador.
Para comunicar al reconectador ubicado en El Descanso, en el presente proyecto
se lo realiza mediante la red GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que
este reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el
cerro Guaguazhumi (ver anexo 2), por lo tanto se sugiere cambiar la antena
situada en este cerro con dirección a la subestación 12, por una antena Flat Panel
sectorial de 60 grados de tal manera que por medio de ésta se comunique tanto a
la subestación como al reconectador ubicado en El Descanso.
Para comunicar al reconectador ubicado en Guachapala, en el presente proyecto
se lo realiza mediante la red GPRS. Del estudio realizado se ha determinado que
este reconectador puede ser comunicado usando tecnología inalámbrica desde el
cerro Ñuñurco (ver anexo 2), por lo tanto se sugiere cambiar la antena sectorial
de 60 grados situada en este cerro con dirección hacia el punto de recaudo en
Sevilla de Oro, por una antena Flat Panel sectorial de 120 grados, de tal forma
que por medio de ésta se comunique tanto al punto de recaudo como al
reconectador ubicado en Guachapala.
Si el estudio determina que un reconectador a implementarse debe ser
comunicado usando la red GPRS, se recomienda obtener las coordenadas
geográficas de su punto de ubicación, y enviarlas a las oficinas de DATUM para
que se determine si existe cobertura de la red en ese punto.
Una vez que el sistema de comunicación esté implementado y funcionando, se
recomienda hacer un monitoreo del tráfico de los reconectadores que se
encuentran comunicados con la red GPRS, para determinar si durante las horas
pico la red mantiene los niveles de confiabilidad.
El estudio para determinar el número de reconectadores que se vayan a
implementar en el futuro, permitiría solicitar a la operadora Porta la asignación
de un bloque de direcciones IP de reserva para evitar posibles problemas en lo
posterior.
Se recomienda la capacitación del personal durante la instalación del sistema de
comunicaciones para evitar elevados gastos en servicios de soporte técnico por
parte del proveedor de los equipos.
Con el fin de reducir costos de implementación y posibles puntos de fallo, se
sugiere que los nuevos reconectadores que se vayan a adquirir, cuenten con
interfaces Ethernet. Este puerto servirá para la comunicación mediante
tecnología inalámbrica y GPRS, eliminando así la necesidad de un conversor de
interface entre el reconectador y el canal de comunicaciones.
Antes de implementar el sistema de comunicaciones se sugiere cambiar la RTU
que actualmente está destinada para el diseño, por otra que maneje un mayor
número de dispositivos remotos, ya que la RTU que se tiene al momento maneja
únicamente 64 equipos, que para el actual proyecto satisface las condiciones,
pero en un futuro cercano no se podrá ampliar el sistema más allá de este
número.
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Como la RTU actual no soporta el uso de respuestas no solicitadas, se
recomienda que ésta sea una característica primordial para la compra de una
nueva RTU, ya que esta función nos permite reducir costos de operación cuando
se usa la red GPRS.
Para la adquisición de una nueva RTU, se recomienda que cumpla con la
característica de manejar tanto el protocolo de comunicaciones DNP3.0 serial
como el DNP3 LAN / WAN. De esta forma se evita la compra de un conversor
de protocolos, necesario en el diseño actual. Además esta RTU debe manejar el
protocolo de comunicaciones IEC 60870-5-101 para la comunicación con el
sistema SCADA
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Anexo 1 Estudio radioeléctrico para
los reconectadores
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Reconectadores que no tienen enlace con las estaciones de la red WAN.
Del estudio realizado en el punto 6.6.6.3 del capítulo 6 se determinó que algunos
reconectadores no pueden utilizar la tecnología W/MAN, debido a la topografía del
terreno entre los equipos de comunicación del reconectador y las estaciones.
A continuación se muestra el estudio de estos enlaces.
En la Figura A1.1, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor
Pungo al reconectador ubicado en el colegio Garaicoa, aquí se observa que no existe
enlace con los parámetros usados para el sistema, debido a las condiciones
desfavorables del terreno.
Figura A1. 1 Perfil Topográfico Señor Pungo-Garaicoa.
En la Figura A1.2, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor
Pungo al reconectador ubicado en El Descanso, aquí se observa que no existe enlace.
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Figura A1. 2 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso.
En la Figura A1.3, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Señor
Pungo al reconectador ubicado en El Valle, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 3 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Valle.
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En la Figura A1.4, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación
Guaguazhumi al reconectador ubicado cerca del Colegio Garaicoa, aquí se observa que
no existe enlace.
Figura A1. 4 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Garaicoa.
En la Figura A1.5, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Altarurco
al reconectador ubicado en Suscal, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 5 Perfil Topográfico Altarurco – Reconectador Suscal.
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En la Figura A1.6, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Simbala al
reconectador ubicado en Cumbe, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 6 Perfil Topográfico Simbala – Cumbe.
En la Figura A1.7, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Simbala al
reconectador ubicado en Lentag, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 7 Perfil Topográfico Simbala – Reconectador Lentag.
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En la Figura A1.8, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Villaflor al
reconectador ubicado en Paute, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 8 Perfil Topográfico Villaflor – Paute.
En la Figura A1.9, se presenta el perfil topográfico tomado desde la estación Buerán al
reconectador ubicado en Biblián, aquí se observa que no existe enlace.
Figura A1. 9 Perfil Topográfico Señor Pungo – El Descanso.
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Anexo 2 Recomendaciones de
enlaces
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Recomendaciones para la Estación Guaguazhumi
En la estación Guaguazhumi se encuentra actualmente instalada una antena sectorial de
60 grados con dirección a la subestación 1. En la Figura A2.1 se muestra la cobertura
que tendría si tuviera una antena sectorial de 120 grados. Aquí se puede ver que el
sector de La Dolorosa y el Valle están dentro de su zona de alcance. Se muestra en la
parte superior izquierda una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está
dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades
suscriptoras SU’s y un radio de alcance de 20 Km.
Figura A2. 1 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 120 grados dirección S/E1.
La Figura A2.2 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el
reconectador ubicado en la Dolorosa (Ricaurte), donde se observa que si existe enlace.
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Figura A2. 2 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador La Dolorosa.
La Figura A2.3 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el
reconectador ubicado en El Valle, donde se observa que si existe enlace.
Figura A2. 3 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Valle.
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En la estación de Guaguazhumi también existe un enlace punto a punto con la
Subestación 12. En la Figura A2.4 se muestra la cobertura que tendría si tuviera una
antena sectorial de 60 grados. Donde podemos ver que el sector del Descanso está
dentro de su zona de alcance. En la parte superior izquierda se muestra una
referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está dibujada hasta un valor de
sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades suscriptoras SU’s, y un
radio de alcance de 20 Km.
Figura A2. 4 Cobertura de Guaguazhumi con antena sectorial de 60 grados dirección SE 12.
La Figura A2.5 muestra el perfil topográfico entre la estación Guaguazhumi y el
reconectador ubicado en El Descanso, donde se observa que si existe enlace.
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Figura A2. 5 Perfil Topográfico Guaguazhumi – Reconectador El Descanso.
Recomendaciones para la Estación Ñuñurco.
En la estación Ñuñurco se encuentra actualmente instalada una antena sectorial de 60
grados con dirección al punto de recaudo Sevilla de Oro. En la Figura A2.6 se muestra
la cobertura que tendría si tuviera una antena sectorial de 120 grados. Aquí se puede ver
que el sector de Guachapala está dentro de su zona de alcance. En la parte superior
izquierda se muestra una referencia de la intensidad de la señal, la cobertura está
dibujada hasta un valor de sensibilidad de -92 dBm que es el límite de las unidades
suscriptoras SU’s y un radio de alcance de 20 Km.
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Figura A2. 6 Cobertura de Ñuñurco con antena sectorial de 120 grados dirección SE 12.
La Figura A2.7 muestra el perfil topográfico entre la estación Ñuñurco y el reconectador
ubicado en Guachapala, donde se observa que si existe enlace.
Figura A2. 7 Perfil Topográfico Ñuñurco – Reconectador Guachapala.