MODELO DE ASIGNACIÓN ESPECTRAL
PARA EL USO EFICIENTE DE LA
BANDA DE TELEVISIÓN DIGITAL
EN LA CIUDAD DE BOGOTA A TRAVÉS DE
LA RADIO COGNITIVA
Diego Eduardo Pineda Torres
Universidad Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería
Maestría en ciencias de la información y las comunicaciones Bogotá D.C, Colombia
MODELO DE ASIGNACIÓN ESPECTRAL
PARA EL USO EFICIENTE DE LA
BANDA DE TELEVISIÓN DIGITAL
EN LA CIUDAD DE BOGOTA A TRAVÉS DE
LA RADIO COGNITIVA
Diego Eduardo Pineda Torres
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar por el título de:
Magister en ciencias de la información y las comunicaciones
Director:
PhD. Msc. Ing. CESAR AUGUSTO HERNANDEZ SUAREZ
Línea de investigación: Radio Cognitiva
Universidad Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería
Maestría en ciencias de la información y las comunicaciones Bogotá D.C, Colombia
Este libro está dedicado especialmente a mi familia. Mi mamá y mis hermanas que
en todo momento me han brindado su apoyo incondicional y a mi papá, que desde
el cielo sé que me acompaña, guía mis pasos y me da la fortaleza para luchar
Agradecimientos
Resumen
En la actualidad el uso del espectro electromagnético se ha venido incrementando debido al insostenible crecimiento en la utilización de dispositivos móviles, acceso a internet inalámbrico, aplicaciones de IoT, redes de energía inteligentes (Smart Grid), entre otros, que utilizan este recurso para las comunicaciones. Es por tal motivo, sumado a la actual asignación fija de bandas espectrales para cada uno de los diferentes servicios, que el espectro electromagnético se está presentando como un recurso escaso que a futuro puede resultar en saturaciones indeseables resultando en una baja calidad o suspensiones de servicio. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que, por ejemplo, en redes celulares el espectro electromagnético no es utilizado en su totalidad, pues existen periodos espacio-temporales en los cuales este recurso se encuentra disponible. Por tal motivo, la escases en el espectro electromagnético puede ser mitigada, en un primer momento, haciendo un uso del mismo de manera eficiente.
La radio cognitiva es una tecnología emergente que establece que un dispositivo puede tener la capacidad de detectar o monitorear el uso del espectro electromagnético en el espacio-tiempo de manera autónoma con el objetivo de aprovechar las oportunidades espectrales que se tienen en ausencia de usuarios primarios que las utilicen, mediante la re-configuración de sus parámetros de operación de acuerdo a las características presentes en el medio.
bandas de televisión que no están siendo utilizadas en periodos de tiempo y ubicaciones geográficas específicas.
De tal manera que teniendo en cuenta la necesidad de hacer un uso eficiente del espectro y las viables oportunidades que se presentan en las bandas de TV tras la migración a la tecnología digital, se plantea realizar una propuesta metodológica para su aprovechamiento en Bogotá (Colombia) a través de la radio cognitiva, a razón de que un estudio formal no ha sido realizado en nuestro país y que se tienen ejemplos que han sido llevados a cabo de manera satisfactoria principalmente en Estados Unidos y Europa.
La metodología propuesta parte de una campaña de medición llevada a cabo en la banda de TV digital que se tiene actualmente desplegada en la ciudad de Bogotá, Colombia, se hace un estudio inicialmente estadístico para detectar el nivel del uso del espectro en dicha banda y determinar las posibles oportunidades espectrales que se tienen en periodos de tiempo y ubicaciones geográficas específicas, tomando como referencia estudios que han sido llevados a cabo en otros países, cuyos resultados confirman la disponibilidad y la viabilidad de su aprovechamiento a través de la radio cognitiva. Una vez determinado el modelo de uso espectral en la banda de TV, se propone aplicar el algoritmo hibrido FAHP-TOPSIS para ser aplicado en la etapa de selección u asignación espectral, dentro del proceso cognitivo, de la mejor oportunidad a utilizar en medio de un conjunto de alternativas, basados en los resultados satisfactorios de su aplicación en las bandas de GSM y Wi-Fi.
favorablemente al caso de selección en las bandas de TV, como se evidenció en esta investigación.
La investigación presentada concluye que en efecto en las bandas de TV, en la ciudad de Bogotá, se aprecia una baja ocupación espectral y por ende un amplio rango de frecuencias no utilizadas que pueden considerarse oportunidades espectrales (TVWS) para su aprovechamiento a través de la radio cognitiva. Se comprueba que el algoritmo hibrido FAHP-TOPSIS es un método viable en la etapa de asignación espectral en las bandas de TV. Como trabajo futuro, se sugiere la realización de una campaña de medición extendida sobre diversas ubicaciones geográficas que permita generar un modelo de la ocupación espectral más amplio y del cual sea posible determinar un conjunto detallado de las oportunidades espectrales disponibles de acuerdo a ubicación/tiempo de los dispositivos secundarios que podrían hacer uso de estas.
Contenido
Resumen ... 9
Contenido ... 12
Lista de figuras ... 14
Lista de tablas ... 16
Lista de abreviaturas ... 17
1. INTRODUCCIÓN ... 18
1.1 Planteamiento del Problema ... 19
1.2 Formulación del Problema ... 21
1.3 Objetivos ... 22
1.4 Justificación ... 22
2. MARCO REFERENCIAL ... 25
2.1 Marco Conceptual ... 25
2.2 Marco Espacial ... 27
2.3 Marco Temporal ... 27
2.4 Marco Teórico ... 27
2.4.1 Televisión digital ... 28
2.4.2 Estándares de televisión digital ... 31
2.4.2.1 Estándar DVB-T ... 35
2.4.2.2 Estándar DVB-T2 ... 36
2.4.2.3 Estándar ATSC ... 38
2.4.2.4 Estándar ISDB-T ... 39
2.4.2 Dividendo digital y “TV white spaces” ... 40
2.4.3 Radio cognitiva ... 43
3. TRABAJOS RELACIONADOS ... 51
4. CAMPAÑAS DE MEDICIÓN EN LA BANDA DE TELEVISIÓN DIGITAL .... 63
4.1 Budapest, Hungría ... 63
4.2 Beijing, China ... 66
4.2.1 Caso 1. Punto de medición fijo ... 67
4.2.2 Caso 2: REM (Radio Environment Mapping) ... 69
4.4 Chicago, Estados Unidos ... 72
4.5 Paris, Francia & Brno, Republica Checa ... 76
5. METODOLOGÍA ... 82
5.1 Análisis de la ocupación espectral en la banda de TV ... 82
5.2 Modelo de Asignación Espectral Hibrido FAHP-TOPSIS ... 88
5.3 Algoritmo FAHP ... 89
5.3.1 Definición del problema ... 90
5.3.2 Construcción de las matrices de juicio ... 91
5.3.3 Cálculo de los pesos normalizados ... 94
5.4 Algoritmo TOPSIS ... 96
5.5 Metodología de evaluación ... 98
5.6 Metodología de simulación ... 99
6. RESULTADOS ... 102
6.1 Análisis de la ocupación espectral en la banda de TV digital en Bogotá ... 102
6.2 Medidas de desempeño del algoritmo FAHP - TOPSIS ... 103
6.2.1 Número de Handoff totales ... 104
6.2.2 Número de Handoff fallidos ... 105
6.2.3 Ancho de banda ... 106
6.2.4 Retardo promedio acumulado ... 107
6.2.5 Throughput ... 109
6.3 Análisis comparativo ... 110
7. CONCLUSIONES ... 112
7.1 Conclusiones... 112
7.2 Trabajo Futuro... 113
Lista de figuras
Figura 1. Distribución de las frecuencias en el espectro electromagnético. ... 26
Figura 2. Sistema general transmisión de televisión digital. ... 29
Figura 3. Sistema de transmisión distribuido. ... 30
Figura 4. Opciones de configuración estándar para la televisión digital. ... 32
Figura 5. Estado del proceso de migración a TV digital en el mundo. (a) Completado y (b) En proceso. ... 33
Figura 6. Distribución del tipo de estándar implementado. ... 33
Figura 7. Esquema de transmisión del estándar DVB. ... 36
Figura 8. Esquema de transmisión del estándar ATSC. ... 38
Figura 9. Esquema de transmisión del estándar ISDB. ... 40
Figura 10. Distribución de las bandas de TV en UHF después del DSO en UK. .. 42
Figura 11. Etapas del ciclo cognitivo. ... 46
Figura 12. Problema del nodo oculto (hidden-node). ... 48
Figura 13. Infraestructura de base de datos geo-espacial propuesta por Ofcom. . 51
Figura 14. Clasificación y restricciones de para el modelo de base de datos, de acuerdo a las reglas de la FCC 2010. ... 53
Figura 15. Radios de protección estipulados por la FCC. ... 54
Figura 16. Disponibilidad de canales (TVWS) en Estados Unidos. ... 54
Figura 17. Coexistencia de redes primarias de TV y secundarias celulares. ... 55
Figura 18. Región protegida para los transmisores de TV en el canal 13 usando el modelo “Longley Rice”. ... 56
Figura 19. CDF del número de canales disponibles para diferentes clases de TVBD en los Estados Unidos. ... 57
Figura 20. Disponibilidad de TVWS en UK para el canal 59 (774 –782 MHz). ... 59
Figura 21. Herramienta web “White spaces finder” para Colombia. ... 60
Figura 22. Espectrograma y serie de tiempo de potencia recibida para la ruta 1. . 64
Figura 24. Probabilidades de recepciones impropias o insuficientes. ... 66
Figura 25. Utilización de la banda de TV. ... 67
Figura 26. Ciclo útil de ocupación en la banda de TV. ... 68
Figura 27. REM resultado de las mediciones realizadas usando Kriging. ... 69
Figura 28. Ciclo útil para ubicaciones a nivel rural. ... 71
Figura 29. Ciclo útil para ubicaciones a nivel urbano. ... 71
Figura 30. Ciclo útil para ubicaciones a nivel urbano, fines de semana. ... 72
Figura 31. Componentes del observatorio de espectro de Illinois. ... 73
Figura 32. Ocupación estimada durante el año 2008. ... 74
Figura 33. Ocupación estimada durante el año 2009. ... 75
Figura 34. Ocupación en la banda de TV 475 a 698 MHz durante el año 2009. ... 75
Figura 35. Oportunidades espectrales en la banda de TV (475–698 MHz) vs umbral de potencia para diferentes anchos de banda, en la TV digital. ... 76
Figura 36. Ocupación de la banda de TV UHF para las regiones (1, 2 y 3). ... 78
Figura 37. Resumen comparativo del uso del espectro. ... 79
Figura 38. Medición de potencia sobre la banda de 450 a 500 MHz durante un periodo de tiempo de una hora. ... 86
Figura 39. Modelo de asignación espectral propuesto. ... 89
Figura 40. TFN para la escala de importancia de FAHP. ... 92
Figura 41. Diagrama de bloques general de la herramienta de simulación “Cognitive Radio Networks”. ... 100
Figura 42. Ciclo útil normalizado de ocupación de la banda de TV digital en Bogotá para la matriz de tráfico alto. ... 102
Figura 43. Número de Handoff totales realizados en la transmisión del SU. ... 104
Figura 44. Número de Handoff fallidos realizados en la transmisión del SU. ... 105
Figura 45. Ancho de banda disponible durante la transmisión del SU. ... 106
Figura 46. Retardo promedio acumulado vs cantidad de datos transmitidos. ... 108
Lista de tablas
Tabla 1. Comparación de los estándares de TV digital. ... 34
Tabla 2. Parámetros técnicos de los estándares DVB-T y DVB-T2. ... 37
Tabla 3. Ocupación espectral para los diferentes sitios bajo estudio. ... 78
Tabla 4. Comparación de las campañas de medición en la banda de TV. ... 80
Tabla 5. Asignación espectral para la banda de TV digital en Bogotá. ... 83
Tabla 6. Parámetros técnicos definidos para la medición del espectro. ... 83
Tabla 7. Ejemplo de los datos de potencia en dBm medidos en cada instante de tiempo/frecuencia. ... 84
Tabla 8. Base de datos de ocupación espectral requerida por el simulador. ... 87
Tabla 9. Números difusos triangulares (TFN) propuestos y sus recíprocos, para las escalas de importancia de FAHP. ... 92
Tabla 10. Matriz de juicios para los subcriterios del criterio RT... 93
Tabla 11. Matriz de juicios para los subcriterios del criterio BE... 94
Tabla 12. Pesos normalizados para el subcriterio de RT. ... 96
Tabla 13. Pesos normalizados para el subcriterio de BE. ... 96
Tabla 14. Disponibilidad de oportunidades espectrales para las ventanas de tráfico. ... 103
Lista de abreviaturas
Abreviatura Término
CRN Cognitive Radio Network
DSA Dynamic Spectrum Assignment
FAHP Fuzzy Analytical Hierarchical Process
GSM Global System Mobile
PU Primary User
RF Radio Frequency
SDR Software Defined Radio
SNR Signal to noise ratio
SU Secondary User
TVWS TV White Space
UHF Ultra High Frequency
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad el espectro electromagnético se presenta como un recurso escaso debido al acelerado incremento en el uso de dispositivos móviles, acceso a internet inalámbrico, aplicaciones de IoT, redes de energía inteligentes (Smart Grid), entre otros, que requieren de su uso para las comunicaciones. (Mariani, Chiani, & Giorgetti, 2012; Nagaraj & Rassam, 2014). Sin embargo, estudios previos han demostrado que el espectro electromagnético no se utiliza de manera eficiente, pues se tienen periodos espacio-temporales, en los cuales este recurso no está siendo ocupado, de tal manera que podrían ser aprovechado por usuarios secundarios que tengan la necesidad de utilizar el servicio. (Barnes, Botha, & Maharaj, 2016; Mchenry, Roberson, & Macdonald, 2005; Rasheed, Akmal, Khan, Haq, & Shakir, 2015; Valenta et al., 2010). Es allí, donde surge la necesidad de hacer un uso eficiente del espectro.
Bajo este panorama, la radio cognitiva puede ser considerada una solución adecuada, pues esta permite la detección del espectro disponible que no está siendo utilizado en un momento dado (oportunidades espectrales, “Spectral Oportunities”, SO) de forma autónoma y por medio de una predicción del comportamiento de los usuarios primarios de la red, tomar la decisión de utilizar dichas SO y reconfigurar sus parámetros de operación para adaptarse al cambio. (Hernández, Pedraza, & Martínez, 2016; Martin, Dooley, & Wong, 2016; Tandra, Mishra, & Sahai, 2009). En este sentido, se estarían utilizando los recursos disponibles en el espectro electromagnético de forma eficiente.
J., Walop P., 2012). Sin embargo, en la banda de televisión digital se presentan adicionalmente oportunidades espectrales conocidas como “TV White Spaces” (TVWS, por sus siglas en inglés), en las cuales es identificada una ausencia de la portadora de la señal de televisión, que podría ser aprovechada por la radio cognitiva.(Fadda & Murroni, 2013; Harrison, 2011; Martin et al., 2016; Pelechrinis, Prashant Krishnamurthy, Weiss, & Znati, 2013).
Teniendo en cuenta lo anteriormente expresado, la investigación propuesta se centra en la detección de las oportunidades espectrales presentes en la banda de televisión digital en la ciudad de Bogotá, Colombia, con el fin de proponer una metodología para su aprovechamiento a través de la radio cognitiva, considerando que este estudio no ha sido realizado con anterioridad en el país y tomando como ejemplo investigaciones realizadas en este campo en Estados Unidos y Europa que se han llevado a cabo de forma exitosa. (Harrison, 2011; Ofcom, 2015).
Se espera que con la investigación realizada sea posible llegar a un modelo de la distribución de las oportunidades espectrales presentes en la banda de televisión digital en la ciudad de Bogotá, Colombia, y que se demuestre que la radio cognitiva es una alternativa adecuada para aprovechar dichas oportunidades y hacer un uso eficiente del espectro para diferentes aplicaciones.
1.1 Planteamiento del Problema
subutilizadas en el dominio del tiempo y del espacio, lo cual resulta en oportunidades espectrales (SO), las cuales son canales de frecuencia disponibles que no están siendo utilizados por los usuarios licenciados en el dominio tiempo-frecuencia.(Hernández et al., 2016). De igual manera, la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) de Estados Unidos ha informado variaciones temporales y geográficas en el uso del espectro en un rango del 15% al 85%. (Harrison, 2011; Hernández et al., 2016).
Debido a esta necesidad y al comportamiento de los usuarios en el uso del espectro, la Radio cognitiva (CR) surge como un método efectivo para hacer posible el acceso dinámico del espectro aprovechando dichas oportunidades espectrales (SO). De acuerdo a la Administración Nacional de la Información y las Comunicaciones (NTIA) CR es un radio o sistema que detecta su entorno electromagnético de operación y puede ajustar de forma dinámica y autónoma sus parámetros de operación de radio para modificar la operación del sistema, maximizar el rendimiento, reducir la interferencia y facilitar la interoperabilidad. (Hernández et al., 2016).
Ahora bien, teniendo en cuenta que en la actualidad el acceso a las señales de televisión se realiza principalmente utilizando medios cableados o satelitales, el uso del espectro “en el aire” se ve subutilizado. (Harrison, 2011). Es allí, en donde las oportunidades espectrales (SO) en la banda de televisión digital se hacen evidentes, en este caso conocidos como “Espacios Blancos de TV” (TVWS – TV White Spaces). Diferentes estudios han sido realizados en Estados Unidos y en Europa sobre el uso de la radio cognitiva para el aprovechamiento de los TVWS, como los mostrados en (Harrison, 2011) y (Nekovee, 2009). Sin embargo, en Colombia no se ha realizado ningún estudio al respecto. Por tal motivo, la investigación se centra en identificar estas oportunidades espectrales en la banda de televisión digital que se está desplegando en Colombia, teniendo en cuenta que es probable que en un futuro, con el incremento acelerado del uso de dispositivos móviles para todo tipo de aplicaciones, se presente una saturación del uso del espectro radioeléctrico de acuerdo a la distribución que se tiene actualmente y surja la necesidad de implementar la radio cognitiva en estos dispositivos con el fin de aprovechar las oportunidades espectrales identificadas no solo en las bandas de la telefonía celular sino también las disponibles en la banda de televisión digital.
En esencia sería conveniente desarrollar una metodología que permita aprovechar las oportunidades espectrales identificadas en la banda de televisión digital en Colombia para radio cognitiva. Con esto, será posible suplir la necesidad a futuro de hacer un uso eficiente del espectro radioeléctrico disponible en dicha banda y permitir el acceso a un mayor número de usuarios.
1.2 Formulación del Problema
La pregunta de investigación en este caso es la siguiente:
¿Cómo identificar y aprovechar las oportunidades espectrales que se presentan en
1.3 Objetivos
El objetivo general de la presente investigación es:
Diseñar un modelo de asignación espectral que permita hacer un uso más eficiente de la banda de televisión digital en la ciudad de Bogotá a través de la radio cognitiva.
El cual se pretende lograr a través de los siguientes objetivos específicos:
Desarrollo de una campaña de medición de espectro en la banda de televisión digital para la ciudad de Bogotá a partir de las investigaciones realizadas en otros países.
Modelar el comportamiento de las oportunidades espectrales en la banda de televisión digital para la ciudad de Bogotá.
Validar el modelo propuesto por medio de una simulación con datos experimentales en la banda de televisión digital para Bogotá.
1.4 Justificación
Desde el punto de vista de la justificación practica:
La necesidad de hacer un uso eficiente del espectro, motiva el desarrollo o la generación de soluciones que permitan llevar a cabo dicho propósito. La radio cognitiva precisamente enfoca sus esfuerzos y principios para este fin mediante la detección de las oportunidades espectrales presentes en una banda particular y permitir al dispositivo re-configurar sus parámetros de transmisión/recepción de información para adaptarse y aprovechar el espectro que se encuentra disponible. Por otro lado, el paso de la televisión análoga a la digital ha traído consigo un aprovechamiento notable del espectro radio eléctrico, ya que si con el primer método era necesario un ancho de banda de 6 MHz a 8 MHz para transmitir un canal análogo, con la televisión digital es posible transmitir hasta 20 canales de la misma calidad utilizando el mismo ancho de banda. Dicha reducción en el uso del espectro tras la migración a la televisión digital ha generado el concepto de “dividendo digital” considerado como la cantidad de espectro que se vuelve disponible por la transición de la televisión terrestre de análoga a digital. (Doeven J., Walop P., 2012). De igual forma, surgen las oportunidades espectrales o “espacios blancos” (“White Spaces”), que se definen como posiciones de frecuencia disponibles en determinado lugar y por un cierto tiempo que pueden ser aprovechadas por la radio cognitiva. (Fadda & Murroni, 2013; Harrison, 2011; Martin et al., 2016; Pelechrinis et al., 2013).
pueden aprovechar dichas oportunidades espectrales a través de la radio cognitiva, siendo este un modelo emergente que se podría adaptar a este tipo de sistemas.
Desde el punto de vista de la justificación metodológica:
Teniendo en cuenta que el objetivo general de la investigación es desarrollar una propuesta metodológica para el aprovechamiento de las oportunidades espectrales en la banda de televisión digital en Colombia a través de la radio cognitiva, se espera que este estudio permita generar un aporte en el análisis espectral de dicha banda que pueda ser utilizado por entidades locales como la ANE (Agencia Nacional del Espectro) para posteriores estudios e información complementaria para la toma de decisiones y una eficiente administración del espectro.
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 Marco Conceptual
Los conceptos más importantes cuya definición es requerida para la compresión de la investigación propuesta se mencionan a continuación:
TV White Space: Porciones del espectro no utilizadas por el sistema de difusión (en el dominio espacio-tiempo), también referido como “interleaved
spectrum”. (Doeven J., Walop P., 2012; Pelechrinis et al., 2013).
Radio Cognitiva: Radio o sistema que detecta su entorno electromagnético de operación y puede ajustar de forma dinámica y autónoma sus parámetros de operación de radio para modificar la operación del sistema., maximizar el rendimiento, reducir la interferencia y facilitar la interoperabilidad. (Hernández et al., 2016; Nekovee, 2009).
Figura 1. Distribución de las frecuencias en el espectro electromagnético. Fuente: (Tomasi, 2003).
Modulación: Es un proceso mediante el cual se cambia una o más propiedades de la señal portadora, en proporción con la señal de información.(Tomasi, 2003).
Portadora: Es una señal analógica de alta frecuencia que es modulada por la señal de información propia de la fuente con el fin de hacer posible su propagación en diferentes medios. (Tomasi, 2003).
Ancho de banda: En un canal de comunicaciones se refiere a la diferencia entre las frecuencias máxima y mínima que pueden pasar por el canal. El ancho de banda de un canal de comunicaciones debe ser lo suficientemente grande (ancho) para pasar todas las frecuencias importantes de la información. Es decir, el ancho de banda del canal debe ser igual o mayor que el ancho de banda de la información.(Tomasi, 2003).
Capacidad de información: Es una medida de cuanta información se puede transferir a través de un sistema de comunicaciones en determinado tiempo. La capacidad de información que se puede propagar en un sistema de transmisión es una función del ancho de banda y del tiempo de transmisión. De acuerdo al límite de Shannon la capacidad de información de un canal esta dado mediante la siguiente expresión:
En donde I es la capacidad de información (bits por segundo), B es el ancho de banda (Hertz) y S/N es la relación señal a ruido.(Tomasi, 2003).
Interferencia: Es una forma de ruido externo que significa “perturbar o
estorbar”. Se produce interferencia eléctrica cuando las señales de información de una fuente producen frecuencias que caen fuera de su ancho de banda asignado, e interfieren con las señales de otra fuente.
Relación señal a ruido (SNR - Signal to Noise Ratio): Muestra la relación de potencia de señal a ruido, el cual es el cociente del valor de la potencia de la señal entre el valor de la potencia del ruido:
𝑆𝑁𝑅 =
𝑆
𝑁
=
𝑃
𝑠𝑃
𝑛(2)
2.2 Marco Espacial
La investigación se llevó a cabo para definir las oportunidades espectrales presentes en la banda de TV en la ciudad de Bogotá, Colombia.
2.3 Marco Temporal
La investigación se lleva a cabo durante las etapas finales de implementación del proceso de “Digital Switchover” o migración a la tecnología de TV digital en
Colombia, cuyo proceso debe ser completado en el año en curso (2019), según lo establecido por las entidades de control.
2.4 Marco Teórico
Spaces” y 3) La radio cognitiva. La comprensión específica de dichas áreas
constituye los fundamentos teóricos para entender y conceptualizar el problema de investigación. De igual manera, cabe mencionar las propuestas que han sido desarrolladas en otros países para el aprovechamiento del espectro en la banda de televisión digital a través de la radio cognitiva y el estado actual que se tiene para esta tecnología (TV Digital) en Colombia.
2.4.1 Televisión digital
Desde los años 90’s los sistemas de comunicación han tenido cambios fundamentales. Las tecnologías analógicas están siendo progresivamente reemplazadas por servicios de comunicaciones digitales. La digitalización en esencia se podría resumir en convertir los datos en dígitos binarios (bits) para propósitos de almacenamiento, procesamiento y transmisión. Una característica fundamental de la información digital es su independencia de un medio de transporte específico, ya que esta puede ser transmitida sobre todas las redes disponibles, incluyendo satélite, cable coaxial, fibra óptica, redes inalámbricas, Televisión digital terrestre (DTTV), redes de telecomunicaciones digitales y análogas, incluyendo líneas de subscripción digital (DSL), entre otros. Este cambio no indica un uso más eficiente de la infraestructura, pero la digitalización habilita la compresión y el empaquetamiento de datos, lo cual reduce la cantidad de la capacidad de transporte necesaria por unidad. (Brown & Picard, 2005).
En cuanto a la televisión digital terrestre, el proceso de migración del sistema analógico al sistema digital se conoce como “Digital Switch Over” (DSO). La televisión digital presenta los siguientes beneficios (Song, Yang, & Wang, 2015):
Resolución de imagen más alta, HDTV (High Definition TV). Adicionalmente las señales digitales son más resistentes a la interferencia y no acumulan ruido.
Recepción consistente sobre distancias variables.
Reducción de costos de transmisión y consumo de energía.
Servicios interactivos como guías de programación electrónicas (EPG – Electronic Programming Guides), video sobre demanda (VOD – Video On Demand), movilidad/portabilidad, comerciales mejorados, entre otros.
Facilita el almacenamiento, procesamiento y distribución de la información.
A grandes rasgos, un sistema de televisión digital es la suma de la señal de video, audio y datos, como se muestra en la figura 2. Este último, que corresponde a la interactividad y servicios adicionales (Comercio electrónico – e-commerce, acceso a internet) son agregados al sistema por el “middleware”. Estos nuevos servicios pueden ser usados para ofrecer nuevos conceptos en la distribución de los programas de televisión a los usuarios, o incluso enviar datos para aplicaciones que no tienen una conexión directa con un programa de televisión. (Alencar, 2009).
Figura 2. Sistema general transmisión de televisión digital. Fuente: (Alencar, 2009).
componentes principales incluyen un transmisor que contiene un excitador (exciter), un amplificador de potencia, los componentes de un sistema de RF, una antena con una línea de transmisión asociada y muchos receptores. Entre el transmisor y los receptores se encuentra el medio de trasmisión sobre el aire (over-the-air transmission path). La entrada al sistema es la señal en banda base sobre la cual la portadora RF es modulada. En un sistema analógico la señal en banda base incluye las señales de video y audio combinadas. En amplificación separada, la portadora RF es modulada separando la portadora visual de la auditiva. Si la amplificación común es usada, las señales moduladas son combinadas en el excitador y juntas amplificadas por el amplificador de potencia. Las señales combinadas son transmitidas a través del enlace restante. (Collins, 2000).
Para un sistema digital, el diagrama de bloques conceptual se centra en la amplificación común, una única señal en banda base modula una portadora y es amplificada en el transmisor, irradiada por medio de una antena y recibida después de la propagación a través del enlace aéreo (over-the-air link). La señal en banda base es un flujo (stream) de datos digitales compuesto que puede incluir video, audio y datos. (Collins, 2000).
Figura 3. Sistema de transmisión distribuido. Fuente: (Collins, 2000).
así como también daños en el transmisor y otras partes del canal. Para sistemas análogos, estas implicaciones son caracterizadas en términos del ruido, respuesta en frecuencia, retardo grupal, no linealidad de luminancia, ganancia diferencial, modulación de fase de portadora incidental (ICPM), fase diferencial y distorsión de intermodulación. Para señales digitales, las distorsiones lineales son también caracterizadas en términos de la respuesta en frecuencia y retardo grupal (group delay). Para distorsiones no lineales, conversión AM-a-AM y AM-a-PM son los términos operativos. En cualquier caso, el objetivo de un buen diseño del sistema es reducir estas distorsiones a niveles específicos de tal manera que el canal pueda ser lo más transparente posible. (Collins, 2000).
La antena y la línea de transmisión pueden introducir algunas distorsiones lineales. En la mayoría de los casos, estas son relativamente pequeñas comparadas a las distorsiones introducidas por el medio de propagación. Las implicaciones debidas a este último incluyen ruido y distorsiones lineales que resultan de reflexiones y otras fuentes de “multipath”. Cualquier ecualización para mitigar la respuesta y retardo de grupo introducido por el medio (over-the-air path) debe ser hecho en el receptor. El ruido aleatorio introducido en el medio puede ser superado en el transmisor solo mediante el incremento del promedio de la potencia radiada efectiva (AERP – Average Efective Radiated Power).
2.4.2 Estándares de televisión digital
Hay cinco sistemas principales de televisión digital en operación en el mundo: the American Advanced Television Systems Commitee (ATSC), the European Digital
Video Broadcasting Terrestrial (DVB-T), the Japaese Integrated Services Digital
Broadcasting Terrestrial (ISDB-T), the Brazilian International Standard for Digital
Las similitudes entre los sistemas son que mantienen la misma banda de frecuencia usada hoy en día (UHF/VHF), mejoran las resoluciones espaciales vertical y horizontal, mejoran la presentación de colores, presentan una relación de aspecto de 16:9 aproximando el formato de una sala de cine (el sistema analógico usa una relación de aspecto de 4:3), soportan sonido multicanal de alta fidelidad y transmisión de datos. Para la televisión digital, la técnica de modulación usada para la difusión de la señal es la principal característica. Hay dos métodos usados generalmente: La modulación de única portadora (Single Carrier Modulation - SCM), y la modulación de múltiple portadora (Multiple Carrier Modulation - MCM). Cada método causa diferentes comportamientos de la señal en el canal de comunicación, sumado a usar distintos métodos de codificación. (Alencar, 2009).
El sistema ATSC usa el método SCM, con los esquemas de modulación 8-VSB ( 8-level Vestigial side band), y OQAM (offset quadrature amplitude modulation), mientras que el estándar europeo (DVB-T), el brasilero (ISDTV) y el japonés (ISDB-T) usan el método MCM y trabajan con COFDM (coded ortogonal frequency división multiplexing). El estándar Chino utiliza ambos métodos SCM y MCM. (Alencar, 2009). La figura 4 muestra las opciones estándar usuales para la televisión digital.
En cuanto al estado del proceso de migración de la TV a la tecnología digital, la ITU (International Telecommunications Union) en su página web (ITU, 2019), presenta gráficamente las estadísticas del porcentaje de países que han completado el proceso y los que aún se encuentran en la etapa de implementación. La figura 5 muestra un mapa resaltando los países de acuerdo al estado de la migración.
Figura 5. Estado del proceso de migración a TV digital en el mundo. (a) Completado y (b) En proceso.
Fuente: (ITU, 2019).
De igual manera, en la figura 6, se presenta un diagrama circular de la distribución del tipo de estándar implementado.
Como se evidencia en las figuras, varios países han completado el proceso de migración a la tecnología de TV digital. De acuerdo al diagrama circular, se observa que los estándares que han sido más implementados son el DVB-T y el DVB-T2. Colombia es uno de los países que ha implementado este último modelo. Un resumen de los estándares de TV digital más importantes se muestra en la tabla 1. No obstante, una descripción más detallada de los principales estándares se realiza en cada una de las siguientes subsecciones.
Tabla 1. Comparación de los estándares de TV digital.
Estándar TV digital Ancho de banda por canal (MHz) Frecuencias de operación (MHz) Capacidad de transmisión (Terrestre) (Mbps) Esquemas de modulación Codificación de video Codificación
de audio Middleware*
DVB 6, 7 or 8 174-230,
470-862 5 to 31,7
COFDM (Terrestrial) QAM (Cable and MMDS**) QPSK (Satellite ad LMDS***)
MPEG-2 MPEG-2 ACC
Multihome Platform
(MHP)
ATSC 6
54-72, 76-88, 174-216, 470-698 19,3 8-VSB (Terrestrial) 64-QAM (Cable) QPSK (Satellite)
MPEG-2 Dolby
AC-3 DTV Application Software Environment (DASE)
ISDB 6, 7 or 8 470-770 3,65 to 2,.2
COFDM (Terrestrial) 64-QAM (Cable) 8-QPSK (Satellite)
MPEG-2 MPEG-2 ACC
Association of Radio Industries and
Business (ARIB)
DTMB 8 470-862 4,81 to 32,4
COFDM (Terrestrial)
QPSK (Satellite)
MPEG-2 MPEG-2
Interactive Media Platform (IMP)
*Middleware es la capa de software, o plataforma de programación, entre el sistema y sus aplicaciones que habilita servicios interactivos en la TV digital.
**MMDS – Multipoint Multichannel Distribution System. Microondas DVB hasta 10 GHz.
2.4.2.1 Estándar DVB-T
El sistema DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) es el estándar de televisión digital europeo. Actualmente se encuentra adoptado en Australia, Nueva Zelanda, Hong Kong, Singapore, India y Sur África, en la Unión Europea y 100 países más. (Alencar, 2009).
El sistema de difusión opera en canales de 6, 7 o 8 MHz, con multiplexación COFDM, con 1705 portadoras (Sistema 2K) o 6817 portadoras (Sistema 8K) y las tasas de difusión pueden variar entre 5 y 31.7 Mbit/s. La difusión de canales de definición estándar (SDTV) en DVB-T permite la difusión simultánea de hasta 6 programas en el mismo ancho de banda. La codificación del canal es hecha para reducir el efecto del canal en la señal difundida y el número de errores. (Alencar, 2009; Arnold, Frater, & Pickering, 2007; Song et al., 2015).
Para protección contra errores, el estándar DVB usa el código “Reed-Solomon”
combinado con un código convolucional del tipo usado en comunicaciones móviles, como el sistema CDMAOne (IS-95) manufacturado por Qualcomm, con algunos bits suprimidos. El uso de intervalos de guarda entre los símbolos de varias portadoras garantiza mayor robustez en relación a la interferencia intersímbolo.
En términos de modulación, DVB Cable (DVB-C) usa modulación 64-QAM, con 6 bits de datos por símbolo; DVB Satélite (DVB-S) usa modulación QPSK; DVB Microondas que opera en las frecuencias hasta de 10 GHz (DVB-MC) hace uso del sistema de distribución multicanal multipunto (Multipoint Multichannel Distribution
System - MMDS) con 16, 32 o 64-QAM; y el sistema DVB Microondas que opera a
Figura 7. Esquema de transmisión del estándar DVB. Fuente: (Alencar, 2009).
2.4.2.2 Estándar DVB-T2
DVB-T2 es un estándar muy popular alrededor del mundo debido a su robustez, flexibilidad y eficiencia. Este soporta SDTV, HDTV, UHD (Ultra High Definition), TV móvil, radio y cualquier combinación de estos. Este estándar usa modulación OFDM con un largo número de subportadoras que entregan una señal robusta. Este estándar ofrece un amplio rango de modos de operación y usa LDPC (Low Density Parity Check) como la codificación de corrección de errores y codificación BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham), lo que incrementa la robustez de la señal. El número de portadoras, el tamaño del intervalo de guarda y las señales piloto pueden ser ajustados, de tal manera que la carga puede ser optimizada para cualquier canal de transmisión objetivo. Las características técnicas adicionales que ofrece el estándar DVB-T2 son las siguientes (Office, 2018) :
los receptores ahorren energía a través de la decodificación de un único servicio en vez de todo el multiplex.
Codificación Alamouti: Método de diversidad de transmisión que mejora el cubrimiento en redes de frecuencia única, SFN (Single Frequency Networks).
Constelaciones rotadas: Proveen robustez adicional para constelaciones de bajo orden.
Intercalación extendida (“Interleaving”): Ofrece intercalación de bit, celda, tiempo y frecuencia.
Tramas de extensión futura (FEF – Future Extension Frames): Permiten compatibilidad a mejoras implementadas a futuro.
El resultado es una señal más robusta comparada con su predecesor, el estándar DVB-T. La segunda generación también ofrece una capacidad de transmisión superior. La tabla 2 muestra los parámetros técnicos para cada estándar DVB-T donde las propiedades adicionales son resaltadas (Office, 2018).
Tabla 2. Parámetros técnicos de los estándares DVB-T y DVB-T2.
DVB-T DVB-T2 (new / improved options in bold)
FEC Convolutional Coding+Reed
Solomon 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
LDPC + BCH
1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Modes QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM Guard Interval* 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16, 1/32, 1/128 FFT Size 2k, 8k 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k
Scattered Pilots 8% of total 1%, 2%, 4%, 8% of total
Continual Pilots 2.0% of total 0.4%-2.4% (0.4%-0.8% in 8k-32k)
Bandwidth 6, 7, 8 MHz 1.7, 5, 6, 7, 8, 10 MHz
Typical data rate (UK) 24 Mbit/s 40 Mbit/s
Max. data rate (@20 dB C/N) 31.7 Mbit/s (using 8 MHz) 45.5 Mbit/s (using 8 Mhz)
2.4.2.3 Estándar ATSC
El estándar americano para televisión digital (ATSC) cubre HDTV, SDTV, transmisión de datos, audio con sonido multicanal, y difusión directa a casa ( direct-to-home broadcasting).
Para difusión terrestre, el estándar opera con canales de 6, 7 o 8 MHz. La información original, con una tasa de 1 Gbit/s es comprimida a 19.3 Mbit/s y luego codificada, para protección contra errores, con un codificador “Reed-Solomon” y un
codificador “Trellis”. La señal resultante es modulada en 8-VSB para difusión en un
canal de 6 MHz usando SCM.
La técnica de modulación VSB es usada debido a la economía de ancho de banda en relación a AM (para difusión de video) y porque su generación demanda menos precisión y equipos más económicos que los necesarios para banda lateral única (Single Side Band - SSB). Sin embargo, esta muestra problemas en la recepción por antenas de televisión regular y no trabaja bien con recepción móvil. Por otro lado, la televisión por cable en este estándar utiliza modulación 64-QAM y la difusión por satélite usa modulación QPSK. (Alencar, 2009). La figura 8 muestra el esquema del estándar ATSC. (Alencar, 2009; Arnold et al., 2007; Song et al., 2015).
2.4.2.4 Estándar ISDB-T
El estándar de televisión digital ISDB-T fue concebido para ejecutar la difusión digital de señales de televisión, haciendo esto posible para HDTV para ser accedida no solo por receptores fijos sino también para móviles, inalámbricos, con una definición de imagen baja.
Este estándar fue desarrollado en Japón y hasta la fecha no ha sido adoptado por ningún otro país. Sin embargo, el ISDB es conocido por reunir las mejores soluciones técnicas entre los tres estándares de televisión digital principales: alta definición, transmisión de datos, y recepción móvil y portable.
El estándar ISDB puede difundir video, sonido, datos, o una combinación de los tres, ya que presenta una alta flexibilidad de configuraciones, gracias a la forma en que fue concebido. La forma en que el ancho de banda es segmentado define el método de transmisión, conocido como banda de transmisión segmentada OFDM (BST-OFDM). Este tiene 13 segmentos distintos que pueden ser ajustados en tres modos diferentes; estos modos, capas del sistema, pueden ser modulados en una forma independiente por medio de esquemas de modulación multinivel y transmitidos a través de un sistema MCM, el cual es OFDM. Este puede ser visto como una variante mejorada del sistema europeo. (Alencar, 2009; Arnold et al., 2007; Song et al., 2015). La figura 9 muestra el esquema del estándar ISDB.
Figura 9. Esquema de transmisión del estándar ISDB. Fuente: (Alencar, 2009).
2.4.2 Dividendo digital y “TV white spaces”
Los servicios de difusión de televisión operan en canales licenciados en las bandas de VHF y UHF del espectro radioeléctrico. La regulación en la mayoría de los países prohíbe el uso de dispositivos no licenciados en las bandas de TV, con la excepción de controles remotos, equipos de telemetría médica, y micrófonos inalámbricos. En la mayoría de los países en desarrollo, los reguladores están actualmente en el proceso de conversión de transmisión analógica a digital. Esto se conoce como el
“Digital switchover (DSO)”. Este proceso fue completado en los Estados Unidos en junio de 2009, y en Inglaterra para el año 2012. (Nekovee, 2010). Un proceso similar de DSO está siendo planeado y completado en muchos países alrededor del mundo, incluyendo Colombia.
Una vez completado el DSO, una porción que era destinada a los canales análogos de TV se vuelve totalmente disponible debido a la mayor eficiencia en el uso del espectro de la televisión digital (TVD). Esto es lo que se conoce con el nombre de
“Dividendo digital”. Una definición similar la encontramos en (Doeven J., Walop P., 2012), en donde se establece que “El dividendo digital es la cantidad de espectro
análoga a digital”. Estos canales liberados serán re-asignados por los reguladores a otros servicios a través de subastas. Este dividendo digital puede ser usado por servicios de difusión (provisión de más programas, alta definición, 3D o televisión móvil). Puede ser usado también por otros servicios, como el servicio de comunicaciones móviles, en una banda de frecuencia que pueda ser compartida con la de difusión (ej. Dispositivos móviles de corto alcance, como micrófonos inalámbricos usados en teatros y durante eventos públicos). De igual forma, en servicios de “roaming” internacional. (Doeven J., Walop P., 2012).
En adición al espectro liberado, después de la transición a la TV digital habrá típicamente un número de canales de TV en un área geográfica dada que no serán usados por las estaciones de TV digital, ya que estas no serán capaces de operar sin causar interferencia co-canal a estaciones de canal adyacentes. Sin embargo, un transmisor operando en dicho canal de TV vacante a un mucho más bajo nivel de potencia no necesitaría una gran separación (física) de una estación de TV de canal adyacente para evitar causar interferencia. De tal manera, que dispositivos con una radiación de potencia baja pueden, por lo tanto, operar en canales disponibles en ubicaciones que no pueden ser usadas por las estaciones de TV debido a restricciones de interferencia. Estos canales vacantes son conocidos como
“TV White Spaces” o “Interleaved spectrum” en el lenguaje de los reguladores en Inglaterra (UK). (Fadda & Murroni, 2013; Harrison, 2011; Martin et al., 2016; Nekovee, 2010; Pelechrinis et al., 2013). Estos últimos son los considerados como las oportunidades espectrales presentes en la banda de TV digital, objeto de estudio en la presente investigación.
De igual manera, en (Doeven J., Walop P., 2012) se señala que los “TV White Spaces” son las porciones del espectro no utilizadas por el sistema de difusión,
inalámbricos usados en teatros o durante eventos públicos, “Smart grid/telemetry”, soluciones de video, broadband y servicios de ubicación mejorados.
Una nueva aproximación para el uso de los TVWS es la radio cognitiva, la cual consiste en obtener información acerca del espectro usado localmente antes de transmitir. Con base en esta información, el sistema dinámicamente ajusta sus parámetros de operación. Este ajuste puede ser realizado a través de técnicas de detección o por medio de una base de datos geo-espacial. (Doeven J., Walop P., 2012). Un ejemplo de la distribución de frecuencias en la banda de UHF en Inglaterra después de la conclusión del proceso de DSO, se muestra en la figura 10.
Figura 10. Distribución de las bandas de TV en UHF después del DSO en UK. Fuente: (Nekovee, 2010).
exclusivo de micrófonos inalámbricos, entre otros dispositivos de baja potencia. (Program Marking and Special Events - PMSE). (Nekovee, 2010).
Del cuadro anterior, pareciera que es bastante significativa la capacidad espectral disponible para acceso cognitivo en la banda de UHF. Sin embargo, debido a su naturaleza secundaria, la disponibilidad y la descomposición de frecuencia de la banda de UHF para acceso cognitivo no es la misma en todas las ubicaciones geográficas y depende también de los niveles de potencia usados por los dispositivos cognitivos. (Nekovee, 2010).
Adicionalmente, a la considerable capacidad que los TVWS ofrecen, una razón importante de que estos atraigan la atención es la excepcional combinación entre ancho de banda y cobertura. Las señales en las bandas de VHF/UHF viajan mucho más lejos que las señales Wifi y 3G/4G, y penetran edificios más fácilmente. Por lo tanto, estas bandas pueden ser usadas por un amplio rango de nuevos servicios potenciales. Aparte de servicios de acceso inalámbrico de banda ancha a áreas rurales, otras aplicaciones de los TVWS incluyen las siguientes (Nekovee, 2010):
Redes de distribución inalámbricas para casas digitales del futuro y mallas de energía inteligentes.
Redes móviles de banda ancha exentas de licencia.
Redes inalámbricas de banda ancha de última milla en áreas urbanas.
Comunicaciones celulares / “femtocells” cognitivas en TVWS.
2.4.3 Radio cognitiva
las necesidades de comunicación del usuario como una función del contexto y (b) para proveer los recursos de radio y servicios inalámbricos que son apropiados a esas necesidades”.
Una definición más técnica se puede encontrar en (Nguyen, Villain, & Le Guillou, 2012) en donde se indica que un radio cognitivo es un sistema de radio que emplea tecnología para obtener conocimiento de su ambiente operacional y geográfico, políticas establecidas y su estado interno. Esto se conoce como la capacidad cognitiva. Un RC puede dinámicamente y autónomamente ajustar sus parámetros operacionales y protocolos de acuerdo al conocimiento recopilado con el fin de alcanzar objetivos predefinidos. Esta función es llamada la capacidad de reconfigurabilidad. Finalmente, un RC puede aprender de los resultados obtenidos, lo cual se conoce como la capacidad de aprendizaje.
En (Hernández et al., 2016) la radio cognitiva definida por la Administración Nacional de la Información y las Comunicaciones (NTIA), de Estados Unidos, es un radio o sistema que detecta su entorno electromagnético de operación y puede ajustar de forma dinámica y autónoma sus parámetros de operación de radio para modificar la operación del sistema, maximizar el rendimiento, reducir la interferencia y facilitar la interoperabilidad.
La RC define un ciclo cognitivo basado en cuatro funciones principales (Hernández et al., 2016; Mukherjee & Nath, 2015; Naeem, Anpalagan, Jaseemuddin, & Lee, 2014; Pelechrinis et al., 2013; Zurutuza, 2011):
1) Detección del espectro: Determinar que porción del espectro se encuentra disponible y detectar la presencia de PUs cuando un usuario opera en la banda con licencia. De tal manera que es necesario que los SU estén monitorizando las bandas del espectro disponibles constantemente, capturando su información y después detectando dichas SO, evitando cualquier interferencia a los PU.
2) Decisión de espectro: Seleccionar el mejor canal disponible. Después de que las SO han sido detectadas, los SU deben seleccionar la más adecuada y lo más rápido posible para un esquema reactivo, mientras que para uno proactivo (las opciones se determinan antes que se presente la oportunidad de usarlas) se puede tener en cuenta los requerimientos de calidad de servicio (QoS), políticas internas y externas, debido a que se espera un tiempo de utilización mayor.
3) Compartición de espectro: Coordinar el acceso al canal u oportunidad espectral con otros usuarios. Debido a que múltiples SUs pueden intentar acceder al espectro, la función de compartición de espectro proporciona la capacidad de compartir este recurso e información con múltiples SUs, coordinando sus transmisiones para evitar colisiones e interferencias sobre los PUs.
utilizando y continuar su comunicación en otra SO. Esta tarea debe ser realizada lo más rápido posible para evitar interrupciones.
El ciclo cognitivo, de acuerdo a las funciones principales del proceso, se muestra en la figura 11.
Figura 11. Etapas del ciclo cognitivo. Fuente: (Hernández et al., 2016).
Ahora bien, teniendo en cuenta que el enfoque de la investigación se centra en el estudio de las oportunidades espectrales en la banda de televisión digital o de otro modo, en la detección o caracterización de las SO, se presentan en un primer momento los algoritmos de detección comúnmente utilizados en este campo (Nekovee, 2010):
2) Geolocation combined with Database (Base de datos geoespacial): Con este método, un dispositivo determina su ubicación y accede una base de datos para determinar los canales de TV que se encuentran disponibles en esa ubicación. Sin embargo, hay al menos tres problemas asociados con este método. a) Hay una necesidad por una nueva entidad (comercial) que construya y mantenga la base de datos. b) Los dispositivos necesitan saber su ubicación con cierta precisión. Para aplicaciones “outdoor” el GPS puede
ser usado para soportar estos requerimientos, pero en el caso “indoor” hay
inconvenientes con el uso de esta tecnología. c) Los dispositivos necesitan conectividad adicional en una banda diferente con el fin de ser capaces de acceder a la base de datos antes de la transmisión en las bandas de televisión.
No obstante, este último problema puede ser manejado mediante el uso de arquitecturas de comunicación maestro-esclavo donde el dispositivo maestro, por ejemplo, un punto de acceso o estación base, tiene acceso a la información de ubicación y es conectado vía inalámbrica a un enlace fijo de internet. El nodo maestro usa su información de ubicación para consultar la base de datos acerca de los TVWS disponibles y basado en esta información indica a los dispositivos esclavos las frecuencias que pueden usar.
Figura 12. Problema del nodo oculto (hidden-node). Fuente: (Nekovee, 2010).
Por otra parte, para la detección de TVWS, diferentes aproximaciones han sido estudiadas. (Berbra, Barkat, Gini, & Stinco, 2016; Fadda & Murroni, 2013; Tandra et al., 2009). La mayoría enfocadas a la detección de la transmisión de los PUs y pueden ser clasificadas en tres categorías: filtro de emparejamiento (matched filter), detección de energía (energy detection) y detección característica de la señal (signal feature detection).
El detector de energía es un método de detección no-coherente el cual no requiere un conocimiento inicial de la señal primaria. Este ignora la estructura de la señal y, por lo tanto, tiene un bajo costo computacional. Este asume que la energía de la señal a ser detectada es siempre más alta que la energía del ruido. Esta estima la presencia de la señal por medio de la comparación de la energía recibida con un umbral derivado del comportamiento estadístico del ruido. El desempeño del detector de energía se encuentra directamente relacionado con el número de muestras, cuyo incremento reducirá la potencia del ruido y mejorará el SNR. Sin embargo, el método de detección de energía tiene varias desventajas: (a) el umbral usado para la detección primaria es muy susceptible a cambios o desconocimiento en el nivel del ruido, (b) no diferencia entre señales moduladas, ruido e interferencia, así que este no se puede beneficiar del procesamiento de señales adaptativo para cancelar la fuente de interferencia. Sin embargo, el método de detección de energía es comúnmente empleado en los estudios de medición de ocupación espectral debido a su facilidad de implementación y aceptables resultados.
3. TRABAJOS RELACIONADOS
Diferentes estudios acerca del uso de los TVWS en la banda de televisión digital han sido realizados principalmente en Estados Unidos por parte de la FCC (Federal Communications Commision) y la Ofcom (Office of Communications) en Inglaterra. (Harrison, 2011), (Ofcom, 2015). Ambos países ya han definido los términos y las políticas requeridas para que los usuarios no licenciados o secundarios hagan uso de las oportunidades espectrales presentes en la banda de TV asegurando la protección de los usuarios primarios (PUs). En general, el esquema aprobado inicialmente es el basado en una base de datos geo-espacial, en donde una base de datos centralizada es la encargada de almacenar el rango de cobertura de las estaciones de transmisión de TV y la disponibilidad de frecuencias en una ubicación específica. (Ofcom, 2015). Con base en las condiciones de operación del dispositivo y la ubicación del mismo, la base de datos indicará la banda disponible y aprobará los parámetros de operación del dispositivo. Un diagrama general de la arquitectura del uso de las oportunidades espectrales por medio de una base de datos geo-espacial, propuesta por Ofcom, se muestra en la figura 13.
Como se puede observar en la figura, la base de datos es administrada por un tercero que recopila información de una base de datos de cobertura de estaciones de TV y una base de datos de los usuarios PMSE (Program Making and Special Events), tales como micrófonos inalámbricos y otros dispositivos de baja potencia que hacen uso del espectro de TV de manera esporádica.
En Estados Unidos, como respuesta a la crisis espectral percibida, la FCC liberó en el 2008 un conjunto de reglas para la compartición de espectro en las bandas de TV bajo el modelo de coexistencia (actualizado en el 2010), en el cual los usuarios secundarios (SUs) deben garantizar que los primarios (PUs) no sean afectados por la existencia de los SUs sin requerir la ayuda de los PUs para este efecto. (Harrison, 2011). La regulación permite que los usuarios no licenciados transmitan señales usando las bandas de TV disponibles en el medio libre de acuerdo a las restricciones impuestas por la FCC como máximo EIRP, altura de la antena y ubicación del dispositivo secundario.
Figura 14. Clasificación y restricciones de para el modelo de base de datos, de acuerdo a las reglas de la FCC 2010.
Fuente: (Harrison, 2011).
De acuerdo a la figura anterior, los dispositivos secundarios son clasificados como fijos o portables. Los primeros pueden adquirir una lista de canales disponibles comunicándose directamente con la base de datos y ajustar una potencia de transmisión de máximo 1 W entregado a la antena, con una ganancia direccional máxima de 6 dBi y 30 m de altura como máximo. Por su parte, los dispositivos portables pueden transmitir usando una potencia EIRP de 100 mW cuando la separación de los canales adyacentes es considerable o 40 mW, en caso contrario. No hay un límite de altura para estos dispositivos. Sin embargo, existen dos modos de operación: los dispositivos modo 1 adquieren una lista de canales disponibles por medio de un dispositivo fijo modo 2, mientras que estos pueden comunicarse con la base de datos directamente.
se estipula que los dispositivos secundarios deben mantener una distancia mínima (rn - rp) para poder transmitir. Dicho concepto se muestra en la figura 15.
Figura 15. Radios de protección estipulados por la FCC. Fuente: (Harrison, 2011).
La FCC ha estipulado actualmente que el valor de 𝑑 = 𝑟𝑛− 𝑟𝑝 varía dependiendo de
la altura del transmisor y su rango esta entre 6,0 y 14,4 km.
En (Harrison, 2011), de igual manera se realiza un estudio de los TVWS disponibles en Estados Unidos utilizando datos de torres de transmisión de la señal de TV reales, teniendo en cuenta restricciones de canal adyacente e interferencia co-canal. El mapa generado se muestra en la figura 16.
A partir de dicho estudio, la conclusión a la que se llega es que hay una alta disponibilidad de canales en el país que dependen de la ubicación y que hay una menor cantidad de canales disponibles en zonas de alta densidad de población (áreas azul oscuro en el mapa), pues es allí en donde se tienden a ubicar un mayor número de torres de transmisión de TV.
Por otro lado, en (Hessar & Roy, 2015) se busca dar respuesta a la pregunta “¿Cuanta capacidad de “white spaces” se encuentra disponible para usuarios secundarios de acuerdo a las reglas establecidas por la FCC?” y en este se muestra que esto depende de varios factores:
Parámetros de la red primaria (potencia de transmisión, modulación/codificación).
Reglas de la FCC para protección de usuarios/redes primarios limitando la operación de los usuarios secundarios (regiones protegidas, Canales de TV adyacentes, sensibilidad y diseño del receptor primario).
Características de propagación (altura, modelos del terreno).
Parámetros de la red secundaria (potencia de transmisión, modulación/codificación, esquemas de acceso múltiple).
En dicha propuesta se presenta la arquitectura de la red secundaria como una estructura en celdas celulares como la que se muestra en la figura 17.
En donde la disponibilidad de canales en cada celda se encuentra definida por la siguiente expresión:
𝛾(𝐴, Γ𝐴) = {𝐶𝑖: 𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑖 𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝐴 𝑐𝑜𝑛 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 Γ𝐴} (3)
En este estudio también se diseña una aplicación web que permite distinguir la cobertura de las torres de transmisión de TV digital para cada canal en particular (radios de protección) utilizando el algoritmo Longley-Rice, con resultados como los mostrados en la figura 18, en donde se presenta la cobertura en el país para el canal 13, también llamadas regiones protegidas.
Figura 18. Región protegida para los transmisores de TV en el canal 13 usando el modelo “Longley Rice”.
Fuente: (Hessar & Roy, 2015).
Figura 19. CDF del número de canales disponibles para diferentes clases de TVBD en los Estados Unidos.
Fuente: (Hessar & Roy, 2015).
En este estudio de igual manera se realizan diferentes análisis de la probabilidad de disponibilidad de canales y capacidad de transmisión de los mismos, en función de las características de los usuarios secundarios, como potencia de transmisión (dispositivos fijos o portables), altura de las antenas, características del terreno y el tamaño de la celda.
En el libro de investigación doctoral presentado en (Mariani et al., 2012) se menciona que el método de detección mediante el uso de bases de datos es altamente efectivo para el caso de las redes de TV debido a que el comportamiento de los usuarios primarios es predecible, ya que son transmisiones continuas de propagación en ubicaciones conocidas. De igual forma, se hace mención de que en este caso el uso de algoritmos de detección autónomos en el dispositivo (spectrum sensing) sumado al uso de bases de datos sería una buena aproximación en el futuro. El sistema que únicamente utiliza bases de datos no sería considerado propiamente un radio cognitivo debido a la falta de autonomía y reactividad al ambiente como se lo propone inicialmente la teoría, lo cual puede ser únicamente posible con sistemas de detección de espectro autónomos en el dispositivo cognitivo.
De la misma forma en dicha tesis se menciona que en general las comisiones de regulación del espectro en cada país han aprobado el método de detección de TVWS mediante el uso de bases de datos, aunque dejan abierta la posibilidad de utilizar algoritmos de detección en el dispositivo para investigaciones futuras y como una posibilidad de aumentar la precisión en la toma de decisiones.
Figura 20. Disponibilidad de TVWS en UK para el canal 59 (774 –782 MHz).
Fuente: (Ofcom, 2015).
En la figura anterior las áreas resaltadas en verde oscuro representan el área de cobertura de la antena de transmisión de TV mientras que las zonas marcadas en verde claro indican oportunidades espectrales, disponibilidad de canales o TVWSs a ser utilizados por los usuarios secundarios.
Con base en los estudios espectrales realizados en Inglaterra y la arquitectura de TVWS definida, Ofcom lanzó una invitación pública para invertir en recursos para realizar pilotos con el fin de comprobar la viabilidad de la tecnología y modelo propuesto. En total 8 proveedores de bases de datos (incluyendo Google y Microsoft) respondieron a la invitación e hicieron parte del piloto en donde múltiples potenciales usos se estudiaron como acceso WiFi, monitoreo a través vez de CCTV, monitoreo de sensores remotos, comunicaciones M2M (Machine to Machine) y acceso a comunicaciones marítimas y rurales. Los resultados del piloto implementado por los diferentes proveedores ratificaron la validez y usabilidad de la infraestructura propuesta. (Ofcom, 2015).
han beneficiado del desarrollo e implementación de bases de datos para el uso de los TVWSs. Los pilotos suplen necesidades tanto en las áreas urbanas como rurales, quienes se benefician de las superiores características de propagación de las señales en las bandas de TV que expanden la cobertura hasta la medida de kilómetros. (Microsoft, 2015).
Como un ejemplo, la base de datos de TVWS en Colombia, desarrollada por Microsoft, provee un módulo web llamado “web space finder” cuya interface se
muestra en la figura 21. Por medio de este módulo, el usuario puede seleccionar el tipo de dispositivo (fijo o portable), las coordenadas y la altura de la antena. Como resultado, la herramienta presenta una lista de los canales ocupados, disponibles y reservados dentro de la región consultada. (Microsoft, 2015).
Figura 21. Herramienta web “White spaces finder” para Colombia.
Fuente: (Microsoft, 2015).
autónomas para validar la información de los canales disponibles indicados por la base de datos y ratificar las condiciones de su uso.
En el caso Colombiano, el trabajo presentado en (Espinosa, Arbelaez, & Castellanos, 2017) describe un piloto realizado en el año 2017 que tomó lugar en zonas aledañas al municipio de Sopo, en donde algunas mediciones de campo fueron realizadas a través del uso de un SDR (Software Defined Radio). Por medio de este dispositivo, los investigadores identificaron TVWSs necesarios para alimentar una base de datos a futuro. De igual manera, se realizó un piloto utilizando las oportunidades detectadas para proveer acceso a internet a algunas escuelas locales, con resultados de operación exitosos.
Por otro lado, la ANE (Agencia Nacional de Espectro), quien controla la asignación y uso de espectro electromagnético en Colombia, llevó a cabo un piloto para proveer internet a escuelas en zonas rurales de difícil acceso a conectividad por medio de los TVWSs, basado en el modelo de bases de datos geo-espaciales. (ANE, 2017).
Con base en la literatura, se observa que en la mayoría de los casos la forma de realizar la detección de las oportunidades espectrales o TVWS en la banda de TV digital se realiza por medio de una base de datos geo-referenciada de la ubicación de la antenas de transmisión, su patrón de cobertura y se definen las regiones protegidas con base en las características de transmisión de los usuarios secundarios como potencia, altura del transmisor y condiciones espaciales. En (Zurutuza, 2011) se presenta una descripción detallada de otro de los modelos basados en bases de datos y en ((DSA), n.d.) se presenta un resumen de varias campañas piloto que se han llevado a cabo en diversos países en el campo del uso de los TVWSs.
