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Ciencias Holguín,                   Revista trimestral,               Año XXI, enero-marzo 2015

Propuesta de red nacional de onda corta en Cuba empleando equipamiento de establecimiento automático del enlace / Shortwave national network proposal in Cuba using automatic link establishment equipment

José Raúl Machado-Fernández*. dcomones@mail.mn.co.cu
Yaser Gutiérrez-Vázquez**. dcomones@mail.mn.co.cu
Yoanne Lorenzo-Rodríguez***. dcomones@mail.mn.co.cu
David León-Rosich****. dcomones@mail.mn.co.cu

Institución de los autores.
*; **** Dirección de Tecnología y Sistemas, Ministerio del Interior, Ciudad de la Habana.
** Centro de Investigación y Desarrollo Técnico, Ministerio del Interior, Ciudad de la Habana.
*** Taller de Radiocomunicaciones, Delegación Provincial, Matanzas.

PAÍS: Cuba

RESUMEN
Las transmisiones por HF (High Frequency, Alta Frecuencia) una alternativa muy importante a la comunicación cableada. Aunque disponen de ancho de banda reducido, pueden alcanzar largas distancias por lo que se utilizan frecuentemente como conexión de respaldo ante situaciones excepcionales. El principal problema de este tipo de comunicación es que se apoya sobre un medio de transmisión inestable: la ionosfera. Consecuentemente, las variaciones en ella hacen que la frecuencia óptima de comunicación (FOT) cambie, obliga a los operadores de HF a reajustar sus dispositivos. La tecnología ALE (Automatic Link Establishment, Establecimiento Automático del Enlace) surge como una solución que permite la selección automática de la frecuencia más favorecida en cada intervalo de tiempo. En lo que representa la primera introducción del paradigma en Cuba, los autores proponen la implementación de una red nacional ALE abarcando 4 provincias. La presente investigación cubre el diseño de la red con equipamiento ICOM y realiza un estudio sobre las ventajas que introduce la aplicación del nuevo esquema.
PALABRAS CLAVE: REDES DE ONDA CORTA; HF; ALTA FRECUENCIA; ALE; ESTABLECIMIENTO AUTOMÁTICO DE ENLACE; IONOSFERA

ABSTRACT
Transmissions over HF (High Frequency) are an important alternative to the wired communication. Though they offer low bandwidth, long distances are reachable with them, so they are frequently used as a backup connection in exceptional situations. The main problem of this type of communication is that it relies on an unstable transmission medium: the ionosphere. Therefore, when changes occur in the medium, the optimal operating frequency changes and the HF operators must adjust their devices in response, which it is often a difficult task. The ALE (Automatic Link Establishment)technology emerges as a solution that allows the automatic selection of the preferential frequency in each time interval. In what represents the first introduction of paradigm in Cuba, the authors propose the implementation of a national ALE network covering four provinces spread across the all geography. This research covers the design of the network with ICOM equipment and conducts a study on the benefits introduced by the application of the new scheme.
KEYWORDS: SHORT WAVE NETWORKS; HF; HIGH FREQUENCY; ALE; AUTOMATIC LINK ESTABLISHMENT; IONOSPHERE

INTRODUCCIÓN
Las comunicaciones por radiofrecuencias que comprenden el rango entre 3 y 30 MHz son conocidas como comunicaciones por HF (High Frequency, alta frecuencia). Aunque se encuentran limitadas en lo que respecta al ancho de banda, permiten cubrir grandes distancias del orden de los miles de kilómetros ((NTIA), 1998). La transmisión por ondas cortas, como también se le conoce, emplea a la ionosfera como medio de propagación lo que aporta tanto ventajas como desventajas al mecanismo. La figura 1 ilustra el fenómeno de la propagación ionosférica.

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  La principal ventaja que se obtiene al transmitir por la ionosfera es la autonomía en la comunicación, característica muy deseada en condiciones de conflictos armados o desastres naturales (Hernando Rabanos, 2008). La autonomía implica la independencia de cualquier facilidad proporcionada por terceros para establecer el enlace.
  La desventaja principal del empleo de la ionosfera es la fluctuación de la calidad de la recepción ya que se opera sobre un medio que presenta esencialmente tres tipos de variaciones: anuales, diarias y repentinas. Las condiciones de las capas ionosféricas están principalmente regidas por la actividad solar por lo que, comprensiblemente, los cambios que ocurren en el sol se ven reflejados en afectaciones en la propagación. La figura 2 muestra las capas que componen la ionósfera (Richards, 2008 ).
  La capa D, situada entre 50 y 80 km de altura, casi siempre actúa como un atenuador (Puig, 2012). En cambio, la capa E puede hacerlo como atenuador o como reflector (Seybold, 2005) y se encuentra entre 90 y 120 km, aunque para Cuba han sido identificadas alturas superiores (Olivero, 1989). Las capas F1 y F2 son distinguibles durante el día, aparece la frontera divisoria a los 250 km; mientras que por la noche se fusionan en una sola capa denominada F. La capa F, tanto en su configuración diurna como nocturna, es la más empleada en enlaces por HF, que usualmente realizan más de un salto (Ezquer & Radicella, 2008).
  Como solución al problema de la fluctuación de la calidad de la comunicación, fue creada la tecnología Establecimiento Automático del Enlace (ALE, Automatic Link Establishment) que intenta liberar a los operadores de la ardua tarea de encontrar las Frecuencias Óptimas de Transmisión (FOT) en un medio cambiante (Lorenzo Rodríguez & Gutiérrez Vázquez, 2014). Cuando se trabaja con equipamiento tradicional de ondas cortas son necesarios operadores con experiencia en la búsqueda de canales favorecidos por las condiciones ionosféricas para cada enlace establecido. En cambio, la tecnología ALE permite la configuración de un conjunto de frecuencias entre las cuales se escoge la más favorecida en tiempo real.
  Aportes de la investigación: Los autores proponen la creación de un enlace nacional ALE que reemplace la técnica existente. Así, se aprovechan las bondades de esta nueva tecnología que se va introduciendo poco a poco en el mercado mundial, luego de su limitación durante varios años a los entornos militares de las potencias mundiales.
  En una fase inicial del proyecto se concibe la comunicación entre la capital cubana y las zonas occidental, central y oriental representadas por las provincias de Pinar del Río, Villa Clara y Guantánamo respectivamente. La figura 3 muestra las posiciones geográficas aproximadas y las distancias entre los emplazamientos.


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  Figura 3: Locaciones Geográficas del Enlace.
 
El objetivo de este artículo científico es demostrar la viabilidad de la implementación de esta nueva red. Para ello, en la sección dos bajo el nombre de “Materiales y Métodos” se ofrecen los pormenores de la técnica ALE revelando su superioridad con respecto a los sistemas tradicionales. Igualmente en esta sección, se presenta una propuesta de equipamiento y antenas para implementar los enlaces.
  La sección tres denominada “Resultados del trabajo” está dedicada al debate sobre los casos de uso encontrados de la tecnología. Dichos casos resultan de un estudio sobre las insatisfacciones de los clientes de onda corta. De esta manera, se espera justificar la propuesta de diseño a través de la compresión de los problemas que resuelve. En adición, es estimada la inversión monetaria posibilitándose el análisis de la relación costo/beneficio. La sección finaliza con algunas gráficas obtenidas con la aplicación informática para el cálculo de la propagación por onda corta VOACAP (Voice of America Coverage Analysis Program) que brindan la estimación teórica de algunos de los parámetros de configuración del enlace.
 
MATERIALES Y MÉTODOS
  En la presente sección se presenta la técnica ALE y se propone el empleo de dispositivos del fabricante ICOM para implementar la red de comunicación ionosférica. Las antenas a emplear son también presentadas junto al equipamiento.
  Tecnología ALE La tecnología ALE surge como solución al principal problema de la comunicación ionosférica: la búsqueda de la FOT. Si bien los enlaces pueden funcionar con frecuencias diferentes a la óptima, la calidad variable en la recepción obliga en muchos casos a emplear potencias superiores a las necesarias, con el gasto correspondiente de energía. Incluso puede perderse por intervalos la señal o volverse incomprensible el audio recibido (Sizun, 2005). El mecanismo ALE, además de las bondades propias de un esquema digital (Anderson & Rolf, 2005 ; Gallager, 2008), introduce funcionalidades que permiten la selección en tiempo real de la mejor frecuencia de comunicación ((NTIA), 1998).
  La tecnología ALE se basa en cuatro principios fundamentales: el sondeo ionosférico, la matriz de Análisis de la Calidad del Enlace (LQA, Link Quality Analysis), la Selección Automática del Canal (ACS, Automatic Channel Selection) y la exploración de canales (Scanning) (Lorenzo Rodríguez & Gutiérrez Vázquez, 2014).
  Mediante el sondeo los dispositivos reciben información actualizada sobre el estado del canal de transmisión en cada frecuencia ((NTIA), 1998). Dado que el estado de sondeo obstruye parcialmente la transmisión, los ciclos se programan típicamente cada 1 o 2 horas. La información obtenida mediante el sondeo se almacena en la matriz LQA en la forma de entradas activas (Menold, 1995), ya que la señal emitida al espacio tiene como único propósito recopilar datos sobre el estado del medio. También se guardan en la matriz LQA entradas pasivas que son las obtenidas realizando mediciones sobre los mensajes de los usuarios, que aunque tienen como objetivo principal pasar datos de clientes ALE, permiten de igual forma obtener información sobre el estado del canal ionosférico.
  Una vez está llena la matriz, es ejecutado un algoritmo de ACS cada vez que se desea transmitir, seleccionándose así la frecuencia donde la propagación está favorecida. La selección inicial del canal se realiza por parte de la estación que comienza la comunicación. No obstante la estación receptora puede solicitar el empleo de una frecuencia alternativa si la calidad que ofrece la primera no es aceptable (Telecomunicaciones, 2000).
  Para completar el esquema, el protocolo ALE implementa la exploración constante de las frecuencias introducidas en el LQA ya sea que estas tengan alta puntuación o no. Al iniciar el escaneo, a menos que el operador lo cambie manualmente, los primeros canales que serán probados son los que están más favorecidos (Telecomunicaciones, 2011). De esta forma, para los dispositivos de establecimiento automático la recepción es posible en cualquiera de las frecuencias configuradas pues el procedimiento garantiza el chequeo constante en búsqueda de transmisiones remotas. Sin embargo, el equipamiento ALE permite al operador establecer un número finito de frecuencias tentativas para la transmisión, entre las cuales se selecciona la favorecida en tiempo real.
 
Dispositivo ALE modelo ic-f8100
  El dispositivo IC-F8100 del fabricante ICOM tiene un pequeño tamaño y peso (aproximadamente 3.8 kg) como es característico de los radios ALE. Su aspecto exterior puede visualizarse en la figura 4. Este equipo de radio permite la introducción de diez frecuencias tentativas de establecimiento automático de la comunicación ionosférica.

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 Además de las especificaciones de Establecimiento Automático del Enlace, implementa todas las funcionalidades previstas para un dispositivo convencional, estando bien distinguidos en la interfaz del usuario las dos formas o modos de operar el equipamiento. El dispositivo permite una potencia de salida de 125 W para un ciclo útil completo de voz y posibilita alcanzar un ciclo útil del 25% para la transmisión de datos, así como un máximo de 5 minutos de transmisión continua. A pesar de las múltiples prestaciones, el IC-F8100 ha sido diseñado para que el usuario realice sus operaciones de forma simple y directa. Tiene una pantalla que permite visualizar una amplia gama de información como se aprecia en la figura 5.
El IC-F8100 realiza múltiples modulaciones entre las que están la Banda Lateral Única (SSB, Single Side Band), la Modulación de Amplitud (AM, Amplitude Modulation) y la Onda Continua (CW, Continuous Wave). Su cobertura general de recepción va de 500 kHz a 29.999 MHz, mientras que la transmisión es posible entre 1.6 MHz y 29.999 MHz. En adición, la funcionalidad de Control Automático de la Ganancia (AGC, Automatic Control of Gain) estabiliza la ganancia del receptor para producir un nivel de salida de audio constante; cuando la intensidad de la señal recibida varía siendo afectada por el desvanecimiento.

Para establecer los enlaces se propone el empleo de antenas logarítmicas periódicas, muy populares en la transmisión ionosférica por su pequeño tamaño y su buena relación calidad/precio. Una foto de una antena Log-Periódica se muestra en la figura 6. Ella está compuesta por una sucesión de elementos radiantes (o conductores) cuyas distancias mutuas y frecuencias de resonancia se hallan en progresión geométrica (Gonzalez, 2011). Su principal ventaja radica en el hecho de que sus parámetros fundamentales (impedancia de entrada, ganancia, diagrama de radiación, etc.) permanecen prácticamente constantes todo el ancho de banda de trabajo (Ornetta, 2009).
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Se caracteriza por ser del tipo direccional al igual que la antena Yagi, pues se crea como evolución de esta. Su patrón de radiación posee un gran ancho de banda, es menos sensible a los cambios climáticos y se usa a menudo en aplicaciones donde se necesita un diagrama exacto de radiación. Su frecuencia más baja es determinada por el elemento más largo y la frecuencia más alta por el elemento más corto(Ornetta, 2009).

RESULTADOS DEL TRABAJO
Se emplean 4 dispositivos IC-F8100 y antenas log-periódicas, en la presente sección se describen las ventajas de la implementación de una red ALE que enlace a las provincias cubanas de Pinar del Río, Villa Clara y Guantánamo con la capital (la Habana). Las ventajas se ofrecen en forma de casos de aplicación que resuelven problemas actuales de la transmisión por onda corta en la Isla.

Facilidades de llamada selectiva y de grupo

Una primera ventaja en el nuevo esquema es la posibilidad de realizar llamadas selectivas y de grupo. Junto a las facilidades del intercambio digital, ALE permite asignar a cada uno de los dispositivos una dirección propia y un nombre de grupo.
De esta forma, pueden realizarse llamadas a un usuario en específico o a un grupo de ellos, excluyendo al resto de los presentes en la red ALE. La funcionalidad permite la división en sectores de la red y la posibilidad de añadir usuarios de entidades independientes a la comunicación por onda corta.

Troncalización del servicio de onda corta
La técnica ALE actúa como árbitro en el acceso al medio. Cuando un dispositivo intenta comunicarse, y las frecuencias tentativas de comunicación están todas libres, se selecciona la mejor. Por el contrario, en una red donde las mejores frecuencias estén ya tomadas, cada nueva transmisión ALE buscará la alternativa más viable entre las frecuencias restantes.
Gracias al mecanismo descrito, se dispone de un regulador del acceso al medio en cada uno de los nodos HF. Así, las diez frecuencias colocadas en un dispositivo IC-F8100 son empleadas eficientemente, operando de forma similar a los sistemas inalámbricos troncalizados. La ventaja de la aproximación reside en el hecho de que podrá darse servicio a más de diez usuarios con diez frecuencias, ya que ninguno ocupará una frecuencia todo el tiempo. La suma total de consumidores que puede ser atendida dependerá del índice de solicitud de comunicación, aunque puede asegurarse que, dada la baja frecuencia de las charlas HF, la cifra podría arribar fácilmente 100 usuarios.

Seguridad en la comunicación

Los servicios tradicionales de HF trasmiten la voz en dirección al receptor esperando que este alcance a recibirla. Si bien la comunicación logra establecerse cuando la potencia es suficiente, un requerimiento que no es cubierto es el de la seguridad. En cualquier punto cercano a la trayectoria entre los dos extremos que se enlazan se puede escuchar la conversación si se dispone de un dispositivo con el esquema de modulación empleado. Tradicionalmente, los operadores de onda corta han utilizado apodos y abreviaturas para disfrazar sus intenciones. No obstante, dicha práctica no garantiza el secreto y dificulta la introducción a la red de nuevos usuarios.
Los dispositivos IC-F8100 incrementan la seguridad de la charla al tener la capacidad de emplear diez canales diferentes para el paso de la información. Lógicamente, el extremo receptor debe mantenerse revisando constantemente los canales mientras que el trasmisor es quien elige la frecuencia a emplear, en un esquema totalmente realizable bajo operación ALE.

Empleo de receptor pivote

Si se deciden emplear potencias reducidas para disminuir el consumo eléctrico, se incrementa inevitablemente la probabilidad de que dos extremos pierdan contacto. Este escenario es totalmente inaceptable en un modo de operación convencional pero la tecnología ALE tiene una solución al problema.
Los dispositivos IC-F8100 permiten el uso de un receptor pivote para el establecimiento de una comunicación entre dos extremos distantes. De esta forma, si el receptor A pierde contacto con el C, puede utilizar al nodo pivote B (que se encuentra en un punto intermedio entre A y C) para cursar el envío de información. El esquema ALE implementa la búsqueda de alternativas de encaminamiento a través de la red cuando no puede acceder directamente al destino.

Estabilidad en la llamada

Producto de la variabilidad de la ionosfera, la transmisión por HF se contamina con ruido que se traduce en saltos breves en la conversación y en diferencias en los niveles de señal recibida. El protocolo ALE efectúa dos procedimientos que corrigen esta situación: la corrección de errores y el ajuste automático de la ganancia. Además, el hecho de emplear diez frecuencias posibles para establecer el enlace hace que el IC-F8100 sea una garantía de la estabilidad.

Validación de cálculos de propagación

Comúnmente, antes de proponer un enlace por onda corta, se efectúan cálculos con software dedicado, obteniéndose un valor aproximado de la frecuencia de comunicación. Como resultado de una operación teórica, los valores obtenidos no son exactos pero no existe un procedimiento válido para corregir los posibles errores.
Aunque no es su propósito original, la técnica ALE ayuda en este sentido. Los dispositivos de establecimiento automático miden constantemente la calidad de cada frecuencia tentativa colocada por el operador. Lo anterior posibilita la corrección del valor teórico extraído del software si cifras cercanas a él son colocadas en el equipamiento IC-F8100. La frecuencia seleccionada más asiduamente indicará el error en la estimación.

Exploración de canales desconocidos

Si bien algunas aplicaciones informáticas pueden ayudar en el cálculo de frecuencias óptimas de trabajo mediante el uso de modelos matemáticos, la naturaleza impredecible de la ionosfera hace que ocurran situaciones excepcionales de comunicación que son imposibles de pronosticar por esta vía. Dichas situaciones, típicamente temporales, pueden descubrirse con dispositivos ALE al establecer frecuencias tentativas variables en la configuración semanal. Así, el equipamiento detectara que bajo ciertos horarios algunas frecuencias son extremadamente favorables descubriendo canales ventajosos no indicados por los cálculos teóricos.

Rectificación de potencias y ángulos de inclinación

Para protegerse de la variabilidad ionosférica, comúnmente son empleadas potencias de transmisión superiores a las estrictamente necesarias en los enlaces por HF. La técnica ALE permite el ajuste dinámico de la potencia transmitida mediante la verificación de la estabilidad del enlace ante reducciones de los watts enviados a la antena. Igualmente, es posible rectificar el ángulo de inclinación ideal comprobando el aporte introducido al modificar la posición relativa de la antena con respecto al plano tierra.
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Figura 7: Cálculo Teórico del Ángulo de Inclinación con respecto a la Hora del Día.

Obtenida empleando la herramienta VOACAP, la figura 7 muestra el cálculo teórico del ángulo de inclinación para el enlace Habana - Villa Clara. El eje X representa las 24 horas del día y el eje Y el ángulo calculado. Según la estimación realizada, el valor siempre se encuentra entre 69,530 y 64,240.
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Figura 8:
Pérdidas en relación al tiempo.


Para el propio enlace, se ilustran las pérdidas con respecto a la hora del día en la figura 8. Adaptando la notación horaria al esquema tradicional, puede apreciarse que a las 9AM, correspondiente con la hora 14 UTC (Universal Coordinated Time, Tiempo Coordinado Universal), ocurre un mínimo en las pérdidas con valor de 104,37 dB, mientras que el máximo se localiza un poco antes a las 6 AM (11 UTC) con 139,55 dB.

Costo de la propuesta

Los gastos de instalar, mantener y operar el sistema HF son inferiores a los de otras alternativas que satisfagan los mismos requerimientos. El costo del equipamiento podría no constituir la mayor inversión del proyecto, dependiendo de cuantos circuitos deseen implementarse y que niveles de potencia se utilicen finalmente en los transmisores (National Telecommunications and Information Administration (NTIA), September 1998).

Para adquirir el equipamiento se debe tratar con un distribuidor ya que por lo general no puede negociarse de forma directa con el fabricante. Los precios ofrecidos por el distribuidor se reducen a medida que la cantidad de equipamiento que se desea adquirir aumenta (ICOM, 2012). Por tanto, los costos mostrados en la tabla I son sólo una estimación del importe esperado.

Tabla I:
Costo de los componentes de un nodo ALE.

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La estimación total de 7,750 USD se corresponde con el precio a pagar por cada nodo del enlace. Consecuentemente, para implementar la red de 4 nodos propuesta son necesarios 31,000 USD, valor total del proyecto. No obstante, debe notarse que no es obligatoria la compra de todos los productos listados en la tabla I, estando la selección relacionada con la aplicación de la tecnología que se desea potenciar. Sin embargo, si se desean habilitar todas las ventajas descritas en la sección tres, es imprescindible la compra de casi todos los elementos de la Tabla 1.

CONCLUSIONES
Los autores proponen la creación de una red ALE que comunique a las zonas oriental, central y occidental con la capital cubana (la Habana). Se realiza una descripción de los pormenores del equipamiento propuesto y de la tecnología en sí, para luego relacionar estos elementos con soluciones prácticas que resuelven problemas vigentes de la onda corta en Cuba. Las soluciones se muestran en forma de casos de aplicación donde cada uno resuelve un escenario con necesidades actuales de HF, imposible de llevar a buen término con el equipamiento convencional actualmente activo. Se ofrecen además, cálculos teóricos que validan la aplicación del enlace y una estimación de los costos incurridos en la compra de los dispositivos de la nueva red. Definitivamente, la tecnología ALE es cualitativamente superior a la radio convencional e introduce significativas mejoras en la operación por onda corta.

RECOMENDACIONES

Una vez diseñada la red ALE que abarca las tres zonas del país, se recomienda realizar un estudio más profundo de las frecuencias de comunicación a emplear luego de instalado el esquema. Nótese que los dispositivos IC-F8100 requieren de la configuración a priori de diez frecuencias tentativas de comunicación.

BIBLIOGRAFIAS


Síntesis curricular de los Autores  

José Raúl Machado-Fernández.* Ing. en Telecomunicaciones y Electrónica, Especialista en Telecomunicaciones.

Yaser Gutiérrez-Vázquez
.** Ing. en Telecomunicaciones y Electrónica, Investigador Agregado.

Yoanne Lorenzo-Rodríguez
.*** Ing. en Telecomunicaciones y Electrónica, Especialista en Telecomunicaciones.

David León-Rosich
.**** Ing. en Telecomunicaciones y Electrónica, Especialista en Telecomunicaciones.

Institución de los autores.
*; **** Dirección de Tecnología y Sistemas, Ministerio del Interior, Ciudad de la Habana.
** Centro de Investigación y Desarrollo Técnico, Ministerio del Interior, Ciudad de la Habana.
*** Taller de Radiocomunicaciones, Delegación Provincial, Matanzas.

 

 

Fecha de Recepción: 01 de diciembre 2014

Fecha de Aprobación:
20 de enero 2015

Fecha de Publicación:
06 de febrero 2015

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