Análisis de la ocupación espectral en la banda de TV

La medición espectral propuesta comprende el rango de frecuencias asignado al servicio de TV digital para la ciudad de Bogotá, Colombia, el cual se encuentra comprendido entre 470 y 560 MHz. No obstante, no todos los canales dentro de

este rango están siendo utilizados. La tabla 5 muestra la asignación de canales de acuerdo al operador para la ciudad de Bogotá.

Tabla 5. Asignación espectral para la banda de TV digital en Bogotá.

OPERADOR DE TV CANAL (MHz) FRECUENCIA

CENTRAL (MHz) Caracol 470 – 476 473 RCN 476 – 482 479 RTVC 482 – 488 485 Gobierno 488 – 494 491 City TV 548 – 554 551 Canal Capital 554 – 560 557

Un conjunto de mediciones, se realizó inicialmente en el rango de frecuencias comprendido entre 400 y 600 MHz distribuidas en cuatro intervalos de 50 MHz cada uno (400 – 450, 450 – 500, 500 – 550, 550 – 600 MHz). Para cada intervalo, un total de 551 canales de frecuencia fue medido, de tal manera que cada canal corresponde a un segmento de 100 kHz aproximadamente (50 MHz/551). Las mediciones se realizaron con un analizador de espectro y una antena omnidireccional en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Los parámetros ajustados en el analizador de espectro se muestran en la tabla 6.

Tabla 6. Parámetros técnicos definidos para la medición del espectro.

PARAMETRO VALOR

Banda de frecuencias 400 MHz – 600 MHz

Tecnología de Comunicación TV Digital

Número de canales (por ventana de 50 MHz) 551

Tiempo de barrido 290 ms

Resolución BW 100 kHz

El tiempo de barrido (Sweep time) ajustado en el analizador de espectro fue de 290 milisegundos, ya que las señales en la banda de TV digital presentan un

comportamiento típicamente estático, y se realizaron mediciones durante 4 horas en una misma ubicación física. De tal manera que el total de datos capturados, por intervalo, fue de 1’113.485 = 551 (data/sweep) x 4 (Horas) x 3600 (segundos/Hora) x 1/7 (sweep/segundo). Por lo tanto, cuatro matrices cada una de 2057 filas (tiempo) x 551 columnas (frecuencia), una para cada ventana de 50 MHz, fue el resultado de la medición. El valor obtenido para cada muestra es el valor de potencia de la señal en dBm. Un ejemplo de parte de la matriz de datos capturados se muestra en la tabla 7.

Tabla 7. Ejemplo de los datos de potencia en dBm medidos en cada instante de tiempo/frecuencia. Hora 9:19:28 AM 9:19:35 AM 9:19:42 AM 9:19:50 AM 9:19:57 AM Frecuencia (MHz) 400,00 -118,40 -117,90 -117,61 -118,29 -117,61 400,09 -117,25 -118,67 -118,77 -117,10 -117,99 400,18 -119,17 -117,46 -117,57 -119,27 -118,23 400,27 -118,12 -117,87 -118,12 -117,06 -117,82 400,36 -116,88 -118,04 -117,85 -117,64 -117,77 400,45 -116,79 -117,96 -118,03 -118,19 -117,08 400,55 -118,14 -118,42 -117,07 -117,60 -117,47 400,64 -117,82 -116,84 -116,26 -119,13 -118,75

Teniendo en cuenta que la herramienta de simulación requiere como datos de entrada una matriz de entrenamiento de 10800 unidades de tiempo, y 1800 para validación, se realizó una extensión manual, de los datos recolectados con anterioridad (cuya dimensión era de 2057 x 551) generando una matriz aumentada de 12600 x 551 (12600 = 10800 + 1800), por cada intervalo, aprovechando la naturaleza estática del espectro de TV. Una vez hecho esto, se concatenaron los resultados de las cuatro matrices aumentadas generando así una matriz de 12600 x 2204 abarcando el rango completo de frecuencias entre 400 y 600 MHz.

Un ejemplo del comportamiento estático del espectro de TV que muestra la variación de la señal para un periodo de 1 hora, para la banda de 450 a 500 MHz, se presenta en la figura 38, en donde se muestran tres gráficas de la variación de la potencia en un periodo de 20 minutos cada una, como se presenta en el software del analizador de espectro, donde el eje X representa el rango de frecuencias y el eje Y representa el valor de la potencia en el tiempo.

TRAZA 12:30 – 12:50 PM

TRAZA 1:10 – 1:30 PM

Figura 38. Medición de potencia sobre la banda de 450 a 500 MHz durante un periodo de tiempo de una hora.

Como se aprecia en las figuras anteriores, en el intervalo de frecuencias comprendido entre 470 y 482 MHz la magnitud de la señal de potencia se mantiene constante durante todo el periodo de medición sobre los -65 dBm, lo cual indica ocupación o presencia de la señal de TV, presentando así un comportamiento estático. De tal manera que la propuesta de extender los datos de medición en el tiempo manualmente es válida.

Continuando con el procesamiento de los datos, a partir de la matriz aumentada generada de 12600 filas (tiempo) x 2204 columnas (frecuencia), lo que corresponde a un periodo de 24,5 horas y al rango de frecuencias de 400 a 600 MHz, se filtra únicamente el rango de frecuencias correspondiente a las bandas de TV digital asignadas a la ciudad de Bogotá, de acuerdo a lo presentado en la tabla 5, lo cual resulta en una matriz de 12600 x 400 datos. Una vez hecho esto y teniendo en cuenta que los datos inicialmente recopilados corresponden a las potencias medidas en dBm, considerando como método la detección de energía, para indicar la ocupación / disponibilidad de cada muestra, se utilizó un umbral de -95 dBm y se

asignó un “1” a las muestras cuyo valor fuera inferior a este umbral (disponibilidad) y un “0” en caso contrario (ocupación).

Posteriormente, a partir de la matriz de potencias binarizada de 12600 x 400, se realiza un recorrido sobre la misma tomando submatrices de 1800 x 400 calculando la “disponibilidad” espectral en cada ventana como el total de “1” presentes en la matriz. Esto con el fin de encontrar las matrices de mayor y menor tráfico. El mayor tráfico lo presentará el periodo de tiempo que presente la menor cantidad de oportunidades de espectro disponibles mientras que el periodo de menor tráfico será el que tenga un mayor número de oportunidades. Una vez hecho esto, se extraen las matrices de mayor y menor tráfico cuya dimensión es de 1800 filas x 400 columnas, lo que corresponde únicamente a los canales de TV asignados en la ciudad de Bogotá, Colombia. Dicha matriz filtrada de tráfico será utilizada como el conjunto de datos de validación en el modelo de simulación. En la tabla 8 se muestra la base de datos resultante del procesamiento de las mediciones de ocupación espectral y la distribución requerida por el simulador.

Tabla 8. Base de datos de ocupación espectral requerida por el simulador.

Tecnología Tráfico Nivel de tráfico Intervalos de tiempo

(Time Steps) Número de canales TV Digital Evaluación Bajo 1800 400 Alto Entrenamiento Bajo 10800 400 Alto

De tal manera que, como lo muestra la tabla, a partir de la matriz aumentada de 12600 x 400, se filtran las matrices de tráfico alto y bajo de tamaño 1800 x 400 a ser utilizadas como los datos de evaluación mientras que la matriz restante de 10800 x 400 corresponde a los datos de entrenamiento, requeridos para el modelo de simulación.

Adicionalmente, a partir de las matrices filtradas de tráfico, se calcula el ciclo útil de la señal mediante la ecuación (5), lo cual esencialmente es un conteo de los “1” lógicos en la matriz con un respectivo ajuste, teniendo en cuenta que el valor resultante de esta suma corresponde a la disponibilidad de canales y no a la ocupación.

𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑈𝑡𝑖𝑙 (%) =𝑁𝑇=𝑜𝑛

𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 × 100 (5)

Donde 𝑁_{𝑇=𝑜𝑛} corresponde al número de muestras en la matriz cuyo valor es “0” u ocupación, y 𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 es el número total de muestras tomadas en la medición.