COMPORTAMIENTO Y RENDIMIENTO DE LAS COMUNICACIONES DIRECTAS AIRE – TIERRA DE BANDA ANCHA (BDA2GC) BASADAS EN LAS NUEVAS
TECNOLOGÍAS DE RADIO 5G
Autor: JAVIER ENRIQUE MÉNDEZ GÓMEZ
Director: Ing. ELVIS EDUARDO GAONA GRACÍA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS MAESTRÍA EN TELECOMUNICACIONES MÓVILES
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Nota de Aceptación:
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________
______________________________ Firma del presidente del jurado
______________________________ Firma del jurado
______________________________ Firma del jurado
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Dedicatoria
Dedico este trabajo de investigación de maestría primeramente al regalo más grande que Dios me ha dado, mi hija Sofía y mi esposa Lorena, por convertirse en el motor de mi vida y ser una motivación para que día a día los deseos de superación y crecimiento familiar se mantengan fortalecidos.
A mis padres Carlos y Nereida por su amor incondicional, junto a ellos a mis hermanas Patricia, Neila y Saudy, por ser partícipes de mi formación e inculcar en mí valores de familia que me han permitido alcanzar grandes logros a nivel personal y profesional.
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Agradecimientos
Agradezco al cuerpo de docentes de la Maestría en Telecomunicaciones Móviles de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por compartir sus conocimientos y aportar a mi formación profesional durante el desarrollo del proyecto curricular.
Un agradecimiento especial a los docentes MsC. Elvis Gaona García y PhD(c). José Palacios Osma por su orientación a nivel metodológico y técnico durante el desarrollo del trabajo de investigación, permitiendo de esto modo alcanzar los objetivos propuestos.
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Tabla de contenido
Dedicatoria ... 3
Agradecimientos ... 4
Lista de figuras ... 8
Lista de tablas ... 9
1. Introducción ... 10
2. Planteamiento del problema ... 14
3. Objetivos ... 18
3.1. Objetivo general ... 18
3.2. Objetivos específicos ... 18
4. Justificación ... 19
5. Estado del arte ... 22
6. Marco teórico ... 27
6.1. Definiciones ... 27
6.2. Principio de funcionamiento ... 27
6.3. Clasificación de los sistemas de comunicación aire-tierra ... 28
6.3.1. Sistemas de comunicaciones de corto alcance ... 29
6.3.2. Sistemas de comunicaciones de largo alcance ... 30
6.3.3. Sistemas de comunicaciones satelitales ... 30
6.3.4. Sistemas de comunicaciones directas aire-tierra ... 30
6.4. Identificación de sistemas BDA2GC ... 31
6.4.1. Sistemas BDA2GC en la Región 1 (Europa) ... 32
6.4.1.1. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 054 ... 32
6.4.1.2. Sistema BDA2GC ETSI TR 101 599 ... 35
6.4.1.3. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 108 ... 37
6.4.2. Sistemas BDA2GC en la Región 2 (Norte América) ... 39
6.4.3. Sistemas BDA2GC en la Región 3 (Asia) ... 40
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6.4.3.2. Sistema BDA2GC en Japón ... 42
6.5. Evolución tecnológica hacia 5G ... 44
6.6. Casos de uso para 5G ... 46
6.7. Objetivos técnicos de 5G ... 48
6.8. Nuevas tecnologías de radio (NR) 5G ... 50
7. Algoritmos y técnicas en modelos de simulación link- level ... 52
7.1. Modelo de pérdidas por trayectoria ... 56
7.1.1. Pérdidas por trayectoria de espacio libre ... 56
7.1.2. Pérdidas por absorción de oxígeno ... 57
7.1.3. Atenuación por lluvia ... 58
7.2. Modelo de canal para sistema MIMO multipath ... 59
7.3. Estimación del canal ... 61
7.3.1. Estructura de la señal de referencia ... 62
7.3.2. Estimación del canal por mínimos cuadrados ... 63
7.4. Codificación turbo y LDPC ... 64
7.5. Beamforming por descomposición en valores singulares ... 66
7.6. Modulación por división de frecuencias ortogonales ... 68
7.6.1. F-OFDM ... 69
7.6.2. W-OFDM ... 71
7.7. Estimación y compensación del efecto Doppler ... 72
7.8. Parámetros de simulación... 74
7.8.1. Modelado de la antena ... 74
7.8.2. Parámetros del sistema ... 76
8. Análisis de resultados ... 77
8.1. Diversidad de receptores ... 77
8.2. Diversidad de transmisores ... 79
8.3. Esquemas de modulación ... 81
8.4. Técnicas de multiplexación ... 85
8.5. Estimación de canal ... 88
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8.7. Comportamiento de la capacidad del enlace ... 91
9. Conclusiones ... 94
10. Trabajos futuros ... 97
11. Bibliografía ... 98
12. Apéndices ... 102
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Lista de figuras
Figura 1. Sistema de comunicaciones aire-tierra (A2G). ... 28
Figura 2. Opciones de conexión de sistemas de comunicaciones aire-tierra (A2G). ... 31
Figura 3. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 054. ... 33
Figura 4. Arquitectura de prueba sistema BDA2GC ETSI 103 054 ... 34
Figura 5. Arreglo de antenas de tres beams por cuadrante sistema BDA2GC ETSI 101 599. ... 36
Figura 6. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 108. ... 38
Figura 7. Arquitectura de red de un sistema aire-tierra IMT-2000 CDMA multicarrier. ... 40
Figura 8. Arquitectura sistema BDA2GC en China. ... 41
Figura 9. Arquitectura sistema BDA2GC banda de 40 GHz en Japón. ... 43
Figura 10. Programas globales de desarrollo en 5G. ... 46
Figura 11. Casos de uso para 5G. ... 47
Figura 12. Mejora de las capacidades de 5G respecto a 4G. ... 49
Figura 13. Escenarios LOS y NLOS en DA2GC. ... 52
Figura 14. Diagrama de bloques del sistema a implementar. ... 53
Figura 15. Atenuación específica por lluvias en función de la frecuencia. ... 59
Figura 16. Estructuras de la señal de referencia... 62
Figura 17. Diagrama de bloques de un encoder para turbo códigos. ... 66
Figura 18. Respuesta en frecuencia para el filtro F-OFDM. ... 70
Figura 19. Respuesta en frecuencia filtro F-OFDM alrededor del borde de la banda de paso. ... 71
Figura 20. Símbolo OFDM con prefijo y sufijo cíclico adicional. ... 72
Figura 21. Modelo de la antena. ... 75
Figura 22. Comportamiento del BER con diversidad de receptores. ... 77
Figura 23. Comportamiento del BER con diversidad de transmisores. ... 79
Figura 24. Comportamiento del BER ante diferentes esquemas de modulación. .. 82
Figura 25. Espectro de formas de onda W-OFDM y F-OFDM. ... 84
Figura 26. Ancho de bando ocupado por una forma de onda OFDM. ... 85
Figura 27. Comportamiento del BER ante diferentes técnicas de multiplexación. . 86
Figura 28. Comportamiento del BER ante estimación de canal por mínimos cuadrados. ... 88
Figura 29. Comportamiento del BER bajo diferentes desplazamientos de frecuencia Doppler. ... 90
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Lista de tablas
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1. Introducción
El espectro radioeléctrico es un recurso natural no renovable y es en mayor medida el alma de la tecnología celular. Los retos establecidos por la tecnología 5G exacerbaran este paradigma, prometiendo una gama muy amplia de casos de uso y aplicaciones relacionadas, se incluyen en estas el streaming de video 8K, realidad aumentada, distintas formas de compartir datos y diversas formas de aplicación tipo máquina (seguridad vehicular, sensores y control en tiempo real) que requieren una latencia ultra baja. La demanda de tráfico de datos inalámbricos tiene proyectado un crecimiento 10.000 veces mayor al actual en los próximos 20 años y, sin un nuevo espectro adecuado para esta tecnología, será difícil lograr el pleno desarrollo e implementación de todos los casos de uso y aplicaciones prometidas. Actualmente la industria celular está explorando desde distintos puntos de vista la forma de abordar estos desafíos, una ruta prometedora es la utilización del espectro de frecuencias de ondas milimétricas junto con la densificación de redes. Por su naturaleza, las frecuencias altas proporcionan mucho más ancho de banda que el espectro por debajo de 6 GHz que se está utilizando actualmente en comunicaciones móviles, y las ondas milimétricas hacen más favorable el despliegue de pequeñas celdas.
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Soportado por la visión de la tecnología 5G de “todo en todas partes y siempre conectado” con “percepción de capacidad infinita”, y de acuerdo a lo consignado en el documento NGMN (Next Generation Mobile Networks) White Paper [5], la movilidad se refiere a la capacidad del sistema para proporcionar una experiencia de servicio sin interrupciones a los usuarios que se encuentren en movimiento. Además de los usuarios móviles, los casos de uso 5G identificados muestran que las redes 5G tendrán que soportar un segmento cada vez más grande de usuarios, dispositivos estáticos y nómadas. Por lo tanto, las soluciones 5G no deben asumir soporte de movilidad para todos los dispositivos y servicios, sino más bien proporcionar movilidad a petición sólo a aquellos dispositivos y servicios que lo necesiten. En otras palabras, debería apoyarse la movilidad a la carta, desde la movilidad muy elevada, como los trenes de alta velocidad y los aviones, hasta los dispositivos de baja movilidad o estacionarios, como los contadores inteligentes.
Bajo los lineamientos establecidos por la ITU en el reporte ITU-R M.2280-0 [6], un sistema de Comunicaciones Directas Aire-Tierra de Banda Ancha (BDA2GC) constituye una aplicación para diversos tipos de servicios de telecomunicaciones, tales como acceso a internet y servicios multimedia móviles, durante los vuelos. Su objetivo es facilitar el acceso a los servicios de comunicación de banda ancha durante los vuelos de aeronaves a escala continental. La conexión con los terminales de usuario de los pasajeros a bordo de los aviones se realiza a través de los sistemas de comunicaciones móviles ya disponibles en las aeronaves. Aunque el principal campo de aplicación son las comunicaciones para los pasajeros, un sistema DA2GC de banda ancha podría también prestar apoyo a los servicios de comunicaciones administrativas de las aerolíneas y, por lo tanto, mejorar la operación de las aeronaves, lo que se traduce, en particular, en un menor gasto operativo para las compañías aéreas. No se pretende cubrir con este sistema las comunicaciones relevantes para la seguridad en vuelo, tales como el Control de Tráfico Aéreo (ATC) y los servicios relacionados.
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Hoy día a nivel global, siendo Colombia una excepción de esa globalización, los pasajeros de las aerolíneas comerciales tienen la posibilidad de utilizar sus dispositivos móviles para conexiones de banda ancha móvil con una tasa de datos muy limitada cuando están a bordo de la aeronave. Varias compañías aéreas ofrecen acceso Wi-Fi después de la fase de despegue, sin embargo, esta tecnología proporciona un bajo rendimiento si el número de usuarios por punto de acceso es alto y requiere alguna configuración del dispositivo del usuario final. Además, la capacidad de enlace de backhaul, que se suministra principalmente a través de enlaces satelitales vigentes, no es actualmente lo suficientemente alta como para proporcionar velocidades de banda ancha simultáneamente a cientos de pasajeros.
En aras de garantizar que las estimaciones de rendimiento durante un despliegue real, y el diseño de los sistemas requeridos por un sistema BDA2GC soportado por tecnología inalámbrica 5G sean lo más acertado posible; el trabajo de investigación que se presenta a continuación tiene como fin principal la evaluación del comportamiento y rendimiento del BDA2GC a nivel de enlace (link-level simulation), los modelos deben ser precisos e intuitivos, y deben basarse en mediciones repetibles de cómo se comportan estos en la realidad. Mejor aún, los modelos también deberían tener alguna base en la física fundamental, ya que las leyes de la física gobiernan la propagación de las ondas de radio y ayudan a reforzar la comprensión universal de los fundamentos del canal sobre el amplio espectro de las ondas milimétricas [8].
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2. Planteamiento del problema
El flujo de pasajeros que se movilizan vía aérea en Colombia al igual como viene sucediendo a nivel mundial, ha mantenido en la última década una tendencia de crecimiento. Soportado por las estadísticas de la Aeronáutica Civil de Colombia, durante el año 2016 se movilizaron un total de 35.77 millones de pasajeros en el formato origen-destino, lo que representa un incremento del 4.81% con relación al año 2015, equivalente a 1.64 millones de personas [9]. Dada la masificación que han tenido las comunicaciones móviles, por lo menos el 90% del total de usuarios referenciados en las estadísticas cuentan con un terminal móvil, comúnmente usado para su conexión a una red celular estándar, así, solo en Colombia 32,20 millones de personas son el potencial que demanda conectividad a bordo de las aeronaves en las cuales se transportan.
Con el incremento continuo del número de usuarios, las aerolíneas han iniciado una competencia enfocada en ofrecer los mejores servicios de vuelo en su clase, lo anterior con el fin de atraer una mayor cantidad de pasajeros y generar mayores dividendos por los servicios ofrecidos, uno de los servicios clave en esta competencia es la conectividad de banda ancha a bordo de las aeronaves durante un vuelo rutinario. Hoy día todas las personas están acostumbradas a las conexiones de banda ancha en cualquier lugar, 24/7, impulsado esto por la necesidad de los usuarios de mantenerse en contacto con sus familias, disfrutar del entretenimiento, aplicaciones multimedia y mantener comunicaciones comerciales críticas. Así, durante un vuelo los pasajeros desean tener una conectividad de banda ancha igual a la que experimentan cuando están conectados a la red celular terrestre o cualquier punto de acceso a través de Wi-Fi, dichas expectativas están aumentando la demanda de conexiones rápidas e ininterrumpidas en las aeronaves hasta el punto en que la capacidad de banda ancha en vuelo que una aerolínea pueda brindar a sus usuarios se ha convertido en una ventaja competitiva diferencial.
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sistemas de conectividad vía satélite facilitados por un proveedor externo tienden a ser voluminosos y considerablemente costosos. Adicionalmente, la capacidad actual es limitada y presenta alta latencia, especialmente cuando se soporta el servicio a un gran número de aviones continentales en un área geográfica limitada.
A pesar de que los sistemas aire – tierra basados en una conexión satelital y los híbridos que combinan satélites y redes móviles terrestres coexistentes hoy en día, y haciendo claridad que ninguna de estas opciones se encuentra disponible en las aerolíneas colombianas para brindar conectividad a sus usuarios, todavía no existe una solución rentable para conectividad de banda ancha en vuelo, especialmente para satisfacer necesidades de pasajeros que demandan video y comunicaciones multimedia a bordo de las aeronaves.
Las soluciones satelitales de banda Ku y Ka para proveer el enlace actual entre los servicios digitales y la aeronave son eficientes para vuelos de larga distancia en rutas intercontinentales sobre los océanos, al menos en términos de cobertura. Sin embargo, en lo que respecta a las desventajas de operación para los vuelos continentales de corta y media distancia, una solución basada en satélites además de ser relativamente costosa, presenta la desventaja de que el equipo requerido en la aeronave es pesado, voluminoso y caro, se estima que los costos de equipos requeridos son de 400.000 dólares por aeronave más 100.000 dólares de instalación [10]; a todo esto, se suma el hecho de que la latencia es alta en regiones con mayor densidad de tránsito aéreo (500 ms en una red de satélites GEO y 30 ms en LEO, con trayectorias de transmisión de 36000 Km y 1500 Km respectivamente), un obstáculo general para cualquier servicio de latencia critica.
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requiere un mayor espectro, mejor eficiencia espectral y una administración de redes más optimizada en comparación a lo que se ofrece actualmente.
Partiendo de esta apreciación, la selección y definición de parámetros a nivel de la capa física correspondiente a la tecnología inalámbrica sobre la cual se soportarán los sistemas BDA2GC son aspectos determinantes, en este sentido los criterios de diseño dependen de las demandas de los potenciales usuarios, los criterios tecnológicos, el sistema y los métodos previstos para generar las señales a transmitir desde el transmisor y recibir al lado del receptor a través de un canal. Por tanto, el comportamiento y rendimiento de las tecnologías de radio a nivel de capa física cambian con respecto a una nueva generación, hecho que impacta frontalmente las prestaciones del sistema de comunicación directa aire - tierra. Así, las técnicas de generación de formas de onda, los esquemas de modulación, la configuración del sistema de antenas, el análisis del comportamiento de canal y demás factores que se puedan considerar en las tecnologías móviles 2G/3G/4G, no pueden satisfacer las demandas de las redes inalámbricas de próxima generación, hecho que supone la generación de nuevos métodos para abordar, analizar y caracterizar de forma adecuada los requerimientos nacientes con 5G.
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3. Objetivos
La necesidad de evaluar el comportamiento y rendimiento de un sistema de comunicaciones directas aire–tierra de banda ancha (BDA2GC) soportado en las nuevas tecnologías de radio 5G, bajo la perspectiva de una caracterización a nivel de enlace (link-level simulation) implementando beamforming, mayor ancho de banda y mayores ganancias de antenas, se delimita dentro de la propuesta de investigación los objetivos que se relacionan a continuación:
3.1. Objetivo general
Caracterizar a nivel de enlace (link-level simulation) el comportamiento y rendimiento de un sistema de comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha (BDA2GC) soportado en las nuevas tecnologías de radio 5G.
3.2. Objetivos específicos
Determinar parámetros relevantes para el despliegue de un enlace BDA2GC (diversidad de transmisores y receptores, esquemas de modulación, técnicas de multiplexación, estimación de canal, efecto Doppler) y su influencia en la evaluación del BER a nivel de enlace (link-level simulation) en 5G.
Identificar el modelo de canal adecuado para el despliegue de un sistema BDA2GC sobre 5G.
Evaluar el impacto de las distintas técnicas avanzadas de antenas (beamforming) sobre el comportamiento del BER en un enlace BDA2GC en 5G.
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4. Justificación
La conectividad de banda ancha en vuelo es un mercado abierto significativo para operadores de redes móviles, considerando que más de 35 millones de pasajeros fueron atendidos por las aerolíneas en Colombia durante el año 2016. Los servicios de banda ancha a bordo se proporcionan a través de la conexión aire-tierra (A2G), comunicación directa A2G (DA2GC) y comunicación vía satélite A2G (SA2GC). Los sistemas de conectividad disponibles a bordo tienen limitaciones significativas: alta latencia en SA2GC y baja capacidad en DA2GC. La expectativa del cliente es conexión de múltiples Mb/s en cada asiento, lo que conlleva a las aeronaves a cumplir con requisitos de capacidad en el orden de Gb/s. La creación de conectividad de banda ancha en vuelo de alta capacidad requiere una interacción colaborativa entre la línea investigativa de la academia y la industria. Por tal motivo, se investigan en profundidad en este trabajo las arquitecturas A2G desde el punto de vista ingenieril, analizando los diferentes componentes del sistema, definiendo roles para cada uno de ellos y proponiendo modelos de despliegue integrables al ecosistema A2G, haciendo énfasis en la futura generación de comunicaciones móviles 5G.
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Por su parte, un sistema DA2GC utiliza estaciones base en tierra para conectar la aeronave en vuelo con la red terrestre. De esta manera, los problemas de latencia de los servicios de banda ancha a bordo que presenta SA2GC pueden aliviarse debido a que el rango de celdas estará entre 50 y 100 km basado en la distancia entre sitios (ISD), y se pueden conseguir RTTs de 5 a 10 ms [5]. En comparación con los satélites GEO (36000 Km y 500 ms RTT) y LEO (1500 Km y 30 ms RTT), DA2GC ofrece una mejora significativa en la latencia y permite ofrecer aplicaciones con requisitos de QoS moderado. Bajo esta configuración la capacidad es compartida por el número de aeronaves en la celda, y entonces la capacidad resultante por avión es compartida por los pasajeros a bordo.
Con base en un informe publicado por la Conferencia Europea de Administraciones Postales y de Telecomunicaciones (CEPT) [15], pruebas adelantadas por las empresas Deutsche Telekom, Nokia y Airbus para proveer servicios DA2GC en Europa, configurando estaciones terrenas basadas en LTE con 100 Km de ISD, mostraron resultados para un enlace A2G a 2.6 GHz (ancho de banda 2 x 10 MHz) de 26 – 30 Mb/s en el enlace de subida (tierra-aire) y 17 Mb/s en el enlace de bajada con una latencia inferior a 60 ms. Sin embargo, un sistema BDA2GC requiere mayores recursos de espectro para proporcionar altas velocidades de datos que le permitan ser una alternativa de solución rentable y efectiva para SA2GC.
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Por tanto, un estudio formal y organizado que permita caracterizar y evaluar el rendimiento de un sistema BDA2GC, es de necesaria obligatoriedad para poder determinar la hoja de ruta a seguir durante el diseño e implementación de una red estaciones en tierra 5G y su contraparte en las aeronaves con las cuales se pretende establecer el enlace de comunicación directo aire-tierra. Con el desarrollo del trabajo de investigación se identifican claramente factores que puedan afectar el desempeño y rendimiento del BDA2GC y su relación con factores externos.
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5. Estado del arte
La historia de las comunicaciones aire-tierra se remonta a los inicios de la aviación a nivel mundial, siempre que una aeronave despegaba y se alejaba de su centro de operaciones se hacía necesario un control en vuelo que permitiera conocer el desarrollo del mismo, situaciones de emergencia, coordinaciones en tierra y demás aspectos propios de un vuelo, este hecho potencializó la combinación de las telecomunicaciones y la aviación. Inicialmente se desarrollaron e instalaron equipos a bordo de las aeronaves cuyo fin principal era el de proveer comunicaciones entre la aeronave y un centro de control, a través del cual se canalizaba cualquier requerimiento y se suministraban las instrucciones a las partes involucradas. Sin embargo, esta situación fue cambiando y de la mano con la evolución de las tecnologías inalámbricas y los requerimientos de movilidad de las personas, se hizo necesario el desarrollo de sistemas capaces de proveer cobertura y brindar el acceso a las redes de comunicación sin importar las condiciones de tiempo y lugar. Así, la evolución de las comunicaciones directas aire-tierra (DA2GC) ha sido paralelo a la tecnología inalámbrica de turno (2G/3G/4G) que soporta las comunicaciones inalámbricas a través de la red terrestre, bajo esta perspectiva la tecnología venidera se ha denominado 5G y será esta la autopista sobre la cual de desplieguen los nuevos sistemas de comunicaciones directa aire-tierra de banda ancha (BDA2GC).
Actualmente se cuenta con material bibliográfico disponible de varios autores que abordan la temática de comunicaciones directas aire-tierra desde diferente óptica en sus trabajos de investigación, de forma simultánea diferentes grupos de trabajo a nivel industrial adelantan proyectos en los cuales se están integrando los resultados producto de dichas investigaciones con la implementación de estaciones terrenas y equipos en las aeronaves para establecer el enlace de comunicación directo; a continuación se presenta una síntesis de los trabajos más importantes en relación con el objeto de estudio del presente trabajo de investigación.
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modelos de usuario que toman como referencia un modelo de usuario de ETSI de 1998, y que modifican para actualizarlo y ajustarlo a los diferentes servicios que simulan en las diferentes aeronaves comerciales de tipo “wide body” (Airbus A340, A380, Boeing 747, 767, 777). Los autores concluyeron que empleando un sistema de comunicación aire-tierra satelital (SA2GC), para garantizar calidad de servicio durante el 99% del tiempo de vuelo (fase de crucero) se precisa un canal satélite de al menos 204 Kbps para un Airbus A380, 159 Kbps para un Boeing 777 y 130 Kbps para un Airbus A340.
Conceptualmente los sistemas de comunicaciones aire-tierra en un inicio fueron concebidos para operar de forma única con un backhaul satelital, sin embargo, autores como Terrys D. (2012), enfocaron sus estudios en el planteamiento de una arquitectura de red flexible o hibrida, operando con un enlace satelital en zonas intercontinentales y conmutando a una red terrestre en zonas donde se pueda brindar cobertura [18]. En el trabajo se destacan teóricamente las ventajas del sistema, pero no se relaciona resultado alguno que de forma estadística demuestre dichas bondades.
En trabajos más recientes la comunidad investigadora y distintos grupos industriales ha mostrado un interés creciente en el estudio de los sistemas de comunicación directa aire-tierra, de especial atención ha sido lo concerniente a la disminución de la latencia del enlace, reducción de costos y facilidad de acceso por parte de los usuarios. Para el año 2012, la empresa de telecomunicaciones Nokia y la casa fabricante de aeronaves Airbus, realizaron en Europa los primeros vuelos de comprobación operando un sistema de comunicaciones aire-tierra mixto, el mismo combinaba backhaul por satélite operando en banda S (Europasat) y otra parte soportada por la red celular terrestre, denominada en el documento de referencia como “Europe-wide S-band ground network’’ [11]. Los resultados de los vuelos realizados son resumidos de forma general en el documento, y los mismos fueron tomados como referencia para la definición de un modelo de negocio para las aerolíneas europeas que posteriormente quisieron implementar en su flota de aviones el sistema propuesto por Nokia y Airbus.
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comunicaciones aire-tierra de banda ancha, de forma general la investigación y la propuesta tecnológica implementada consistía en el despliegue de una red de estaciones terrenas a lo largo de una aerovía denominada “test route” que se interconectaba con una estación móvil aerotransportada. Cada estación terrena se conectaba a una red IP y configuraba múltiples puertas de enlace para proveer una interface entre el sistema desarrollado y la red celular terrestre que operaban las compañías de telefonía celular comercialmente en su momento (GSM, CDMA, PSTN). Para el año 2012 se presentaron los primeros resultados después de varios vuelos de pruebas, se logró brindar acceso a internet de forma simultánea a dos aeronaves en vuelo, ofrecer video en calidad HD (high definition), realizar llamadas VOIP en vuelo y establecer una videoconferencia aire-aire-tierra [19]. La investigación adelantada sentó las bases para el desarrollo de nuevos sistemas, con mejores prestaciones, mayor capacidad, velocidad de datos superior y múltiples usuarios, en gran medida, gracias a este tipo de trabajos iniciados como investigaciones desde la academia, hoy día Asia y Europa son los continentes con mayor desarrollo tecnológico en el área de las comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha.
Teniendo en cuenta que a nivel de arquitectura se han definido dos líneas fundamentales para las comunicaciones directas aire-tierra, una de ellas basada en satélite y la otra una combinación de estos con la red terrestre; recientemente los trabajos de investigación han fijado su atención en la optimización del sistema mediante la aplicación de diferentes tecnologías a nivel de capa física, en especial para el sistema soportado por la red celular terrestre. El investigador Shun-Ping C. (2014) en su trabajo muestra las mejoras que se obtienen en el rendimiento del enlace con el uso apropiado de esquemas de coordinación de interferencia, distintos esquemas de modulación y antenas con patrones de radiación y ángulos de uptilt apropiados. Las métricas obtenidas como resultados de las simulaciones de la arquitectura propuesta sobre tecnología LTE, mostraron las mejoras en cobertura, incremento en la tasa de datos y disminución de la interferencia entre estaciones base próximas [20].
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ICARO-EU, la división EIT-Digital adelanta todas las actividades de investigación y puesta en funcionamiento de un sistema integrado de comunicaciones aire-tierra de alta capacidad a través de la red celular terrestre, sin pérdida de conexión ni intervención del usuario. Este ambicioso proyecto cuenta con dos actores principales, Ericsson Telecomunicaciones como proveedor de toda la conectividad de radio y Airbus como integrador de los equipos necesarios en las aeronaves. Se espera que el sistema brinde capacidad de 2 a 3 Mbps a cada usuario y un total de 400 Mbps por aeronave, y se prevé que los vuelos de comprobación del sistema inicien en el año 2018 [21].
Como se puede notar la mayoría de los estudios adelantados en comunicaciones directas aire-tierra tienen su mayor cuota en Asia y Europa, el aporte del continente americano a excepción de América del Norte es prácticamente nulo. A nivel de Latinoamérica, para el caso específico de Colombia, no se encuentran trabajos de investigación relacionados con las comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha. Por su parte, los trabajos más aproximados en este campo se han desarrollado en lo concerniente a plataformas de gran altitud (HAP), concebidas estas como estaciones ubicadas a una altitud de 20 a 50 Km y en un punto nominal, fijo y especificado con respecto a la tierra, características que lo hacen claramente diferenciable de un sistema comunicaciones directas aire-tierra en el cual la estación móvil (aeronave) se encuentra a menor altura y moviéndose a gran velocidad con respecto a un punto sobre la superficie terrestre. De este modo se deja el precedente que la bibliografía producto de investigaciones sobre los sistemas DA2GC en Colombia es muy limitada, lo anterior se ve soportado igualmente por el hecho de que solo a finales del año 2016 las aerolíneas nacionales que operan vuelos continentales mostraron su interés por la adopción y futura instalación (sin fecha definida) de un sistema de comunicaciones directas aire-tierra soportado por satélites para brindar conectividad en vuelo a sus usuarios.
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6. Marco teórico
6.1. Definiciones
Según [ETSI TR 103 054] [22], documento de referencia en temas de compatibilidad electromagnética y radioespectro, los componentes básicos de un sistema de comunicaciones aire-tierra se definen de la siguiente manera:
Direct Air-to-Ground (DA2G): enlace directo de radio entre una Aircraft Station (AS) y una Ground Station (GS).
Aircraft Station (AS): entidad a bordo de una aeronave que proporciona las funciones de radio, control y telecomunicaciones para la comunicación DA2G de banda ancha.
Ground Station (GS): entidad en tierra que proporciona las funciones de radio, control y telecomunicaciones para la comunicación DA2G de banda ancha.
Forward Link (FL): dentro del sistema de comunicación DA2G, corresponde al enlace desde la Ground Station (GS) a la Aircraft Station (AS).
Reverse Link (RL): dentro del sistema de comunicación DA2G, corresponde al enlace desde la Aircraft Station (AS) a la Ground Station (GS).
Partiendo de estas definiciones la función de las entidades que conforman un sistema de comunicaciones directa aire-tierra (DA2G), es en esencia establecer y mantener una conexión de datos entre una aeronave (AS) y la estación terrena (GS), dentro del sistema el intercambio de información bidireccional se realiza a través del enlace de subida (FL) y el enlace de bajada (RL), respectivamente.
6.2. Principio de funcionamiento
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estaciones de radio base en tierra (GS) están conectadas a una antena instalada en el fuselaje de una aeronave (AS), transmitiendo datos a una velocidad determinada mientras el avión se encuentra en vuelo a una altitud de hasta 12 Km. Posteriormente la señal se distribuye en la aeronave a través de distintos puntos de acceso, en la Figura 1 se ilustra de forma general lo descrito anteriormente.
Figura 1. Sistema de comunicaciones aire-tierra (A2G).
Fuente: In-Flight Broadband Connectivity.
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Hoy día uno de los más importantes atributos de clasificación de un sistema de comunicación aire-tierra es el rango de operación. Por consiguiente, los sistemas pueden ser divididos en dos grupos principales: sistemas de corto alcance y sistemas de largo alcance o rango extendido.
6.3.1. Sistemas de comunicaciones de corto alcance
Se consideran sistemas de corto alcance aquellos que operan en un rango menor al posible obtener con línea de vista (LOS), basados en el radio efectivo de la tierra, el alcance máximo es:
𝑅𝐿𝑆 ≈ 4.1(√ℎ𝑇+ √𝐻𝐴) 𝐾𝑚 (6.3.1.1)
Donde ℎ𝑇 y 𝐻𝐴 son la altura de la torre de la estación terrena y la altitud de la aeronave respectivamente en metros. En caso de que ℎ𝑇 ≪ 𝐻𝐴, la ecuación (6.3.1.1) se puede escribir de la siguiente forma:
𝑅𝐿𝑆 ≈ 4.1√𝐻𝐴 𝐾𝑚 (6.3.1.2)
Por ejemplo, para una altitud de 12000 m (cercana al máximo posible para aeronaves de tipo comercial) el rango de línea de vista será de 449 Km. Sin embargo, en la práctica el alcance de las comunicaciones se reduce a un rango alrededor de 320 Km en las bandas de UHF/VHF.
Desde que el contacto radio entre una estación terrena y las aeronaves es realizado en onda con línea de vista, los sistemas de comunicaciones de corto alcance operan en las bandas de UHF/VHF. En particular, se ha destinado el rango de frecuencias 118 – 136.975 MHZ para los sistemas de control de tráfico aéreo y comunicaciones entre aeronaves civiles, esta banda es conocida como banda aérea. La totalidad de la banda aérea es dividida en canales separados de 25 KHz.
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6.3.2. Sistemas de comunicaciones de largo alcance
Sistemas operando a distancias mayores que el alcance de línea de vista (LOS) y por lo tanto más allá del horizonte de radio, son frecuentemente denominados sistemas de largo alcance. Este largo alcance de operación motiva la selección de frecuencias de portadoras para estos sistemas tales como la banda de frecuencias HF (3 – 30 MHz). Comunicaciones sobre largas distancias son posibles a las múltiples reflexiones ionosfera – superficie terrestre de las ondas HF. Como una desventaja, largas distancia y múltiples reflexiones requieren trasmisores de alta potencia, para aeronaves en un rango de 100 – 400 W, para estaciones terrestres varían entre 300 – 1000 W.
6.3.3. Sistemas de comunicaciones satelitales
Los sistemas de comunicaciones satelitales son considerados como otra clase especial de los sistemas de largo alcance. En este caso, una estación satelital terminal es instalada sobre una plataforma en movimiento (aeronave en particular). Como una estación terminal utiliza un arreglo de antenas relativamente pequeño con sistemas avanzados de seguimiento para proveer la exactitud suficiente en orientación hacia un satélite particular evitando la interferencia a otros satélites o con otros sistemas, y lo más importante, mantener el enlace energético requerido. Estos sistemas permiten una tasa media de datos desde orbitas geoestacionarias (GSO) o no-geoestacionarias (non-GSO), una conexión de aproximadamente 1.5 Mbps.
Las bandas de frecuencias usadas para sistemas de comunicación satelitales existentes, incluyendo el enlace de bajada y subida de acuerdo a definiciones de IEEE, son banda L (~1.6 GHz), banda C (4.2 – 4.6 GHz), banda X (7.25 – 8.4 GHz), banda Ku (11.7 – 14.5 GHz) y banda Ka (17.7 – 31 GHz) [23].
6.3.4. Sistemas de comunicaciones directas aire-tierra
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anteriormente. En la Figura 2, se referencian los sistemas descritos, haciendo énfasis en que cada una de las opciones señaladas define y tiene una arquitectura diferente dados los requerimientos del enlace. El interés principal del trabajo de investigación se centra en los sistemas de comunicación directa aire-tierra, resaltado por un recuadro en la misma figura.
Figura 2. Opciones de conexión de sistemas de comunicaciones aire-tierra (A2G).
Fuente: Air-Ground Channels and Models.
6.4. Identificación de sistemas BDA2GC
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6.4.1. Sistemas BDA2GC en la Región 1 (Europa)
En Europa, un sistema de comunicaciones directas aire-tierra (DA2GC) de banda ancha constituye una aplicación para diversos tipos de servicios de telecomunicaciones, tales como acceso a internet y servicios multimedia móviles, durante los vuelos. Su objetivo es facilitar el acceso a los servicios de comunicación de banda ancha durante los vuelos continentales a escala europea. La conexión con los terminales de usuario de los pasajeros a bordo de los aviones se realiza mediante los sistemas de comunicaciones móviles ya disponibles a bordo de los aviones. Para esta región, se han identificado tres arquitecturas principales cada una de ellas asociada a un reporte técnico de la ETSI.
6.4.1.1. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 054
Este sistema DA2GC de banda ancha está basado en 3GPP LTE Rel. 8 + especificaciones. En particular, los algoritmos de sincronización, así como la potencia máxima de transmisión de la unidad de a bordo (OBU) deben modificarse en comparación con el uso de la radio móvil terrestre para hacer frente al alto desplazamiento de frecuencia Doppler causado por la velocidad de la aeronave y el tamaño de las celdas grandes. Además, el ajuste de antena de la estación terrena (GS) debe ser igualado para cubrir altitudes típicas de los aviones entre 3 y 12 kilómetros mediante la adaptación de diagramas verticales incluyendo la inclinación de la antena. Esta solución es capaz de proporcionar servicios móviles de voz y banda ancha de servicios de comunicación de datos en vuelo [22].
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Figura 3. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 054.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
En aspectos de espectro, esta arquitectura emplea un espectro pareado de 2 x 10 MHz para la operación FDD. El espectro no pareado de 20 MHz para la operación TDD también es una opción, pero el rendimiento del sistema sufriría ligeramente debido a los intervalos de tiempo de guarda requeridos para tamaños de celdas grandes. El espectro por encima de 6 GHz no se considera apropiado para tal aplicación debido a aspectos de propagación de ondas (por ejemplo, pérdida de trayectoria incrementada, desplazamiento Doppler).
Para este sistema, los vuelos experimentales con prototipo de equipo se realizaron con éxito en Alemania dentro de las bandas FDD de 2.6 GHz (utilizables sólo para ensayo, pero no disponibles para el despliegue de DA2GC debido al despliegue previsto de LTE para telefonía móvil terrestre) con un ancho de banda de señal de 2×10 MHz. La configuración de la arquitectura de prueba se conformaba básicamente de los siguientes elementos:
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base (BBU), un cabezal de radio remoto (RRH) y antenas con tres sectores (up-tilt), conectados con un núcleo de paquetes evolucionado LTE (EPC) y servidores de medición y seguimiento de datos a través de una red de transporte de datos de banda ancha.
Un avión Airbus A320, equipado con una OBU DA2GC con una potencia de transmisión máxima de 37 dBm y con dos antenas DA2GC por debajo del fuselaje de la aeronave (2 Rx / 1 Tx).
Figura 4. Arquitectura de prueba sistema BDA2GC ETSI 103 054
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Durante el vuelo de prueba, la aeronave sobrevoló a velocidades entre 500 y más de 800 Km/h a diferentes altitudes entre 4000 m y 10000 m. Las maniobras de vuelo incluyeron fases con transferencias inter e intra-sitio (sector) así como fases con grandes distancias a los sitios. Los resultados del ensayo se resumen así:
El radio enlace entre la estación terrena (GS) y la estación móvil (AS) se estableció a distancias de más de 100 Km, la aeronave volaba a velocidades superiores a 800 Km/h y altitudes de hasta 10000 m.
Ground Station 2
SGW PGW MME PCRF
Test Center
Evolved Packet Core
OMC Measurement &
Trace Servers
SGW PGW MME PCRF
Test Center
Evolved Packet Core
OMC Measurement &
Trace Servers Data Transport Network Data Transport Network Ground Station 1
BBU
A320 Trial Aircraft
DA2GC Antennas DA2GC OBU Measurement & Trace
Servers (incl. flight data)
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Se alcanzaron velocidades máximas de datos de hasta 30 Mbps en el forward link (tierra-aire) y 17 Mbps en el reverse link (aire-tierra).
Además del alto tráfico de datos, se estableció una videoconferencia entre los equipos de la aeronave y el centro de pruebas que permitió seguir las fases de vuelo en tiempo real y demostrar la baja latencia del sistema DA2GC (tiempo de ida y vuelta <50 milisegundos) en comparación con los sistemas basados en satélites.
Cabe señalar que dentro de la arquitectura dispuesta el equipo de la estación terrena utilizado (excepto el ajuste de antena) era básicamente equipo de LTE de última generación para el despliegue de telefonía móvil celular terrestre de 2.6 GHz. Sólo se modificó la OBU para permitir que el sistema global funcionara en el entorno aeronáutico con grandes rangos de celdas y altas velocidades de aeronave.
6.4.1.2. Sistema BDA2GC ETSI TR 101 599
Este sistema DA2GC de banda ancha utiliza antenas adaptativas de formación de haces (beamforming) para conseguir el rendimiento deseado del sistema, manteniendo al mismo tiempo niveles de potencia de transmisión inferiores a los que de otro modo serían necesarios. Esta característica facilita el compartir co-frecuencia con otros sistemas minimizando la interferencia en otros servicios y, al mismo tiempo, reduciendo el impacto de la interferencia entrante en el rendimiento alcanzable del enlace. La decisión de utilizar la tecnología de formación de haces en esta arquitectura del sistema DA2GC de banda ancha también fue influenciada por la política actual en Europa, reconociendo la creciente demanda de recursos de espectro finito y fomentando la distribución del espectro mediante el uso de tecnologías inteligentes [24].
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mantener una separación espacial suficiente para evitar la autointerferencia, de manera que tres haces simultáneos por sector (o cuadrante) o doce haces por estación terrestre pueden ser asumidos operacionalmente. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 5.
Figura 5. Arreglo de antenas de tres beams por cuadrante sistema BDA2GC ETSI 101 599.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
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Con respecto a los esquemas de modulación y codificación subyacentes utilizados, el sistema utiliza OFDM/TDMA y tiene mucho en común con otras tecnologías de backhaul de banda ancha móvil existentes y propuestas.
Actualmente esta arquitectura se ha optimizado para su uso en bandas de frecuencias alrededor de 2.4 GHz y 5.8 GHz. Sin embargo, la tecnología es capaz de operar en cualquier banda de frecuencia dentro del rango de 790 MHz a 6 GHz y el sistema puede operar con anchos de banda variables en cualquier sub-banda dentro del rango de frecuencias relevante. Para un rendimiento óptimo, en el modo de división de tiempo (TDD), el sistema requiere un bloque contiguo de espectro de 20 MHz. Estos requerimientos de espectro son impulsados por la necesidad de suministrar suficiente capacidad para servir a los pasajeros y a la tripulación a bordo de la aeronave con la gama deseada de servicios de banda ancha.
6.4.1.3. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 108
Este sistema DA2GC de banda ancha es un sistema UMTS TDD basado en equipos comerciales que cumplen con los estándares 3GPP Release 7. Se utiliza un convertidor de frecuencia independiente para soportar el funcionamiento en la banda 5855 - 5875 MHz, aunque se ha demostrado la operación en otras bandas. Las características de la señal en el espacio se ajustan a estas normas, aparte de la banda de frecuencia de operación, la compensación de desplazamiento Doppler y las técnicas de timming extendido permiten obtener rangos mayores [25].
Cualquier interferencia de co-canal se minimiza utilizando el control de antena de estación terrestre, por lo que los sectores no requeridos por la aeronave en un momento dado no están iluminados (es decir, el transmisor está inhibido).
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Figura 6. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 108.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
El sistema puede usar anchos de banda seleccionables por conmutador de 5 o 10 MHz. Aunque la operación de un solo canal es posible, el uso de canales adicionales reduce la interferencia entre celdas potenciales y también cualquier interferencia a otros sistemas. El espectro requerido es de 20 MHz, permitiendo así canales de 2x10 MHz o 4x5 MHz. El sistema no requiere espectro contiguo. ETSI TR 103 108 propone que este sistema funcione en la banda 5855 -5875 MHz. Sin embargo, el sistema puede operar dentro de la banda extendida de 790 MHz a 6 GHz, por ejemplo, en las bandas 1900 - 1920 MHz y 2010 - 2025 MHz que fueron designadas para sistemas móviles terrestres basados en la tecnología UMTS-TDD.
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internacional fue hecha por un pasajero mientras que otro navegó en internet y miró un vídeo que fluía de un servidor en tierra. Se alcanzaron rangos de más de 250 Km, lo que es operacionalmente importante para mantener la cobertura, por ejemplo, del Mar Mediterráneo.
6.4.2. Sistemas BDA2GC en la Región 2 (Norte América)
El caso más representativo en esta región de un sistema aire-tierra está actualmente desplegado y operando en Estados Unidos continentales y parte de Alaska. Opera en las bandas 849 – 850.5 MHz y 894 – 895.5 MHz y ofrece servicios de banda ancha en vuelo a todos los portátiles, notebooks y teléfonos inteligentes habilitados para Wi-Fi. Utiliza una versión modificada de la red multiportadora CDMA IMT-2000 para proporcionar una conexión de alta velocidad directamente desde la aeronave a tierra. Algunas de las características de esta red son: alta capacidad de 300 Kbps a 500 Kbps con velocidades máximas de 3.1 Mbps, tamaño de celda muy grande (hasta 400 Km de radio), modificaciones a la interfaz de aire IMT-2000 CDMA Multi-Carrier1xEV-DO para lograr la cobertura celular extendida a la velocidad de la aeronave, despliegue utilizando componentes fuera de la plataforma tales como redes de acceso por radio (RAN) y controladores de red de radio (RNC) [6].
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Figura 7. Arquitectura de red de un sistema aire-tierra IMT-2000 CDMA multicarrier.
IP Leased Backhaul Network RAN T3 link AAA Server RNC PDSN SIP SERVER/ REGISTRAR Internet PSTN MSC (Softswitch)
One or more MGWs
CDMA 1x EVDO AT 802.11 AP
SIP Phone
802.11 local network
End users inside airplane (VoIP + data traffic
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
6.4.3. Sistemas BDA2GC en la Región 3 (Asia)
Actualmente en los países de la Región 3 se reconocen principalmente dos sistemas para proveer comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha, los mismos se encuentran desplegados en China y Japón respectivamente, a continuación, se presenta una reseña de cada uno de ellos.
6.4.3.1. Sistema BDA2GC en China
aire-41
tierra. Los sistemas han sido probados con éxito en vuelos de prueba en la gama de frecuencias de 1.785-1.805 GHz. La arquitectura básica del sistema es la que se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Arquitectura sistema BDA2GC en China.
System Control Center Internet/ PSTN Airborne Terminal BTS BTS Hub/AP UE UE Hub/AP UE UE Hub/AP UE UE Hub/AP UE UE Airborne Terminal Airborne Terminal Airborne Terminal
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Las funciones básicas del sistema son las siguientes:
El sistema incluye estaciones base (BTS) en tierra conectadas a PTSN, internet y terminales aéreos con interfaces a otros dispositivos de a bordo como hubs cableados, routers WiFi, picoceldas, entre otros.
La capa de acceso de radio, proporciona las funciones de acceso de radio entre el BTS y los terminales aerotransportados, realiza funciones básicas de acceso de radio tales como acceso aleatorio, paginación, comunicaciones de voz, comunicaciones de datos y funciones de voz troncales.
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datos y enrutadores, conmutadores de software, pasarelas de medios, servidores AAA (Autenticación, Autorización y Contabilidad), servidores de facturación y HLR (Home Location Register).
Toda esta red de comunicaciones ATG, incluyendo todas las capas, soporta la separación de diferentes flujos de datos y también proporciona una protección adecuada en los datos.
La interfaz de radio SCDMA soporta un ancho de banda de canal de un múltiplo de 1 MHz hasta 5 MHz. La subcanalización y la extensión de código, especialmente definidas dentro de cada ancho de banda de 1 MHz, proporcionan diversidad de frecuencias y capacidad de observación de interferencias para la asignación de recursos de radio con una granularidad de ancho de banda de 8 Kbps. La canalización también permite asignaciones de canales dinámicos coordinadas entre celdas para evitar eficazmente la interferencia mutua. El sistema emplea TDD para separar la transmisión de enlace ascendente y de enlace descendente.
6.4.3.2. Sistema BDA2GC en Japón
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Figura 9. Arquitectura sistema BDA2GC banda de 40 GHz en Japón.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Las bandas de frecuencias de los enlaces ascendentes y descendentes utilizan el rango de frecuencias de 40 GHz y se dan provisionalmente en bandas de 44 y 46 GHz, respectivamente, para el desarrollo del prototipo. El sistema utiliza el método multiplex de división de frecuencia (FDD) para la comunicación. Teniendo en cuenta las características de la onda milimétrica y la eficiencia del espectro, tanto la antena aérea como la terrestre rastrean cada posición de la antena. Por lo tanto, el sistema de antena debe considerar las características de la onda milimétrica y las dimensiones geográficas. Por ejemplo, la antena de seguimiento en tierra debe realizar un seguimiento continuo de la aeronave con un alto grado de precisión. Mientras tanto, la antena aerotransportada debe rastrear la antena terrestre en base a la actitud y posición del avión, y también debe ser compacta y ligera. Los resultados de comprobación del sistema indicaron que se estableció comunicación para una distancia horizontal de 2380 m y una altitud de vuelo de 1816 m, por lo que la distancia de comunicación fue de aproximadamente 3 Km [6]. Esto indica que aún es un sistema con limitaciones, que se afecta mucho por los fenómenos meteorológicos y la posición relativa de las estaciones que conforman el sistema.
Ground station Fly over the route
Hand over
Backbone network Link of millimeter
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6.5. Evolución tecnológica hacia 5G
Una generación de tecnología inalámbrica (G) generalmente se refiere a un cambio en la naturaleza del sistema, la velocidad, la tecnología y la frecuencia. Cada generación tiene algunos estándares, capacidades técnicas y nuevas características que lo diferencian de la anterior. Dado que el trabajo de investigación pretende la evaluación del comportamiento y rendimiento de un sistema de comunicaciones directas aire-tierra da banda ancha (BDA2GC) soportado por las nuevas tecnologías de radio 5G, se hace conveniente una síntesis de las tecnologías inalámbricas a partir de las cuales se ha gestado el desarrollo de las comunicaciones móviles.
El despliegue de 5G es un hecho y está a punto de iniciar su primera fase de implementación, es una tecnología que se construirá a partir de millones de ideas, métodos, algoritmos y procesos. Así como 4G LTE se hizo disponible cuando las tecnologías anteriores, como HSPA, podría ser mejorado, 5G entra en el escenario cuando la hoja de ruta para LTE no se ha agotado. Y así como 2G coexiste hoy con 3G y 4G, 5G coexistirá con generaciones anteriores de tecnologías inalámbricas.
Para el contexto histórico, "1G" se refiere a las tecnologías celulares análogas que se hizo disponible en la década de 1980. "2G" denota sistemas digitales iníciales que estuvieron disponibles en la década de 1990 y que introdujeron servicios tales como mensajes cortos y datos de baja velocidad. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), como parte del proyecto internacional de telefonía móvil 2000 (IMT-2000), especificó los requisitos de “3G” para los que se hacía hincapié en la mejora significativa de la capacidad de voz y las redes digitales debían proporcionar un rendimiento de 144 Kbps a velocidades móviles, 384 Kbps a velocidades peatonales y 2 Mbps en ambientes interiores. UMTS-HSPA y CDMA2000 son las principales tecnologías 3G. Las tecnologías 3G comenzaron a desplegarse a principios de la década pasada.
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extremadamente alta. La ITU requirió una eficiencia espectral máxima de 15 bps/Hz y una operación recomendada en canales de radio de hasta 100 MHz, lo que dio como resultado una tasa de rendimiento teórico de 1.5 Gbps. En 2009 y 2010, el término 4G se asoció con las tecnologías de banda ancha móvil desplegadas en ese momento, como HSPA+, WiMAX e implementaciones iniciales de LTE. Hoy en día, 4G normalmente se refiere a HSPA + o LTE.
Aunque la industria se está preparando para 5G, las capacidades LTE seguirán mejorando en LTE-Advanced Pro durante el resto de la década. Muchas de estas mejoras vendrán a través de inversiones incrementales en la red. Dado el alcance de la infraestructura inalámbrica global, medida en cientos de miles de millones de dólares, ofrecer a los usuarios el servicio más asequible requiere que los operadores aprovechen las inversiones que ya han hecho. 5G jugará un eventual papel importante, pero debe ser temporizado apropiadamente de modo que el salto en capacidad justifique la nueva inversión.
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Figura 10. Programas globales de desarrollo en 5G.
Fuente: 5G Mobile and Wireless Communications Technology.
6.6. Casos de uso para 5G
Dadas las proyecciones de los casos de uso que se vislumbran para las futuras redes móviles, se hace necesario el desarrollo de una nueva generación de comunicaciones móviles que permita satisfacer las exigencias en lo que respecta a latencia, tasas y cantidad de dispositivos soportados por la red. La UIT, en sus recomendaciones divide los casos de uso en tres categorías principales [26], así:
Banda ancha móvil mejorada (eMBB): eMBB es la extensión más obvia de la capacidad LTE, proporcionando velocidades más altas para aplicaciones como streaming, acceso a la Web, videoconferencia y realidad virtual. Las velocidades más altas se producirán en celdas pequeñas con una velocidad de movimiento limitada de los usuarios finales, como son los peatones. Dentro de esta categoría se enmarcan los sistemas de comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha (BDA2GC), objeto de estudio del trabajo de investigación, con un reto enorme que es la corrección del efecto Doppler debido a la velocidad relativa de las estaciones que hacen parte de la arquitectura de red.
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Como se describe más adelante en los objetivos de la UIT, a continuación, 5G apoyará diez veces más dispositivos en un área a como hoy día lo hace LTE.
Comunicaciones ultra-confiables y de baja latencia (URLLC): de las tres categorías, URLLC permite aplicaciones inalámbricas nunca antes posibles. Impulsado por la alta fiabilidad y el tiempo de recorrido de red extremadamente corto, URLLC, también conocido como "misión crítica" de comunicaciones, permitirá la automatización industrial, control de drones, nuevas aplicaciones médicas y vehículos autónomos. Estos tipos de aplicaciones son potencialmente las que ofrecerán los mayores beneficios sociales. Esta categoría también se conoce como comunicaciones críticas tipo máquina (cMTC).
Figura 11. Casos de uso para 5G.
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6.7. Objetivos técnicos de 5G
Se prevé una amplia variedad de capacidades, estrechamente acopladas con los escenarios de uso previstos y las aplicaciones para 5G. Diferentes escenarios de uso junto con las tendencias actuales y futuras resultarán en una gran variedad de requisitos. Los principios clave del diseño son la flexibilidad y la diversidad para servir a muchos casos de uso y escenarios, para los cuales las capacidades de 5G, descritas en los párrafos siguientes, tendrán diferente relevancia y aplicabilidad. Además, habrá que considerar las limitaciones del consumo de energía de la red y los recursos del espectro. Los siguientes ocho parámetros se consideran capacidades clave de 5G [26]:
Velocidad máxima de datos: tasa de datos máxima alcanzable en condiciones ideales por usuario/dispositivo (en Gbit/s).
Tasa de datos experimentada por el usuario: tasa de datos alcanzable disponible en toda el área de cobertura a un usuario/dispositivo móvil (en Mbit/s o Gbit/s).
Latencia: la contribución de la red de radio al tiempo, desde el momento en que la fuente envía un paquete hasta cuando el destino lo recibe (en ms). Movilidad: velocidad máxima a la que se puede alcanzar (en Km/h) una QoS
definida y una transferencia continua entre los nodos de radio que pueden pertenecer a diferentes capas y/o tecnologías de acceso por radio (multicapa).
Densidad de conexión: número total de dispositivos conectados y/o accesibles por unidad de área (por Km2).
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Eficiencia espectral: promedio de rendimiento de datos por unidad de recurso de espectro y por celda (en bit/s/Hz).
Capacidad de tráfico de área: rendimiento total del tráfico por área geográfica (en Mbit/s/m2).
Se espera que 5G proporcione una experiencia de usuario que coincida, en la medida de lo posible, con las redes fijas. La mejora se realizará mediante un aumento de la velocidad de datos experimentada por el usuario y el pico máximo de datos, una mayor eficiencia del espectro, una latencia reducida y un mejor soporte de movilidad. En la Figura 12 se muestra la comparación de los aspectos claves en 5G con su respectivo antecesor 4G.
Figura 12. Mejora de las capacidades de 5G respecto a 4G.
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Además de la comunicación convencional humano-humano o humano-a-máquina, 5G permitirá el internet de las cosas (IoT) conectando una amplia gama de dispositivos inteligentes, máquinas y otros objetos sin intervención humana. 5G deberá ser capaz de proporcionar estas capacidades sin una carga indebida sobre el consumo de energía, el coste del equipo de red y el coste de despliegue para hacer que las futuras tecnologías sean sostenibles y asequibles.
6.8. Nuevas tecnologías de radio (NR) 5G
El 3GPP aún se encuentra definiendo aspectos de las nuevas tecnologías de radio 5G [27] en el Release 15, se tiene previsto una nueva versión programada para el primer trimestre de 2018 y la parte complementaria de la misma para septiembre de 2018. Esta versión agregará funciones adicionales a la radio, como soporte para URLLC. A pesar de que las especificaciones no se han finalizado en su totalidad, la siguientes son algunas de las capacidades planificadas y las características de NR en el Release 15:
Capacidad de operar en cualquier banda de frecuencia, incluyendo bandas baja, media y alta.
La red puede soportar tanto LTE como 5G NR, incluyendo la conectividad dual con la que los dispositivos tienen conexiones simultáneas a LTE y NR. Agregación de portadoras para múltiples portadoras de NR.
Rendimiento máximo de 5 Gbps en las versiones iníciales, aumentando a 50 Gbps en versiones posteriores.
OFDMA en enlace descendente y enlace ascendente, con acceso múltiple por división de frecuencia de portadora simple (SC-FDMA) para enlace ascendente.
MIMO masivo y beamforming.
Capacidad para soportar modos FDD o TDD para bandas de radio 5G.
Numerología de 2Nx15 KHz para espaciamiento de subportadoras de hasta
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(por ejemplo, 1 MHz) como amplios (por ejemplo, 400 MHz). La Fase 1 probablemente soportará un ancho de banda máximo de 400 MHz con espaciamiento de subportadoras de 240 KHz.
Corrección de errores a través de códigos de paridad de baja densidad (LDPC), que son computacionalmente más eficientes que los turbo códigos LTE a velocidades de datos más altas.
Intervalos de tiempo de transmisión escalables con intervalos de tiempo cortos para la latencia baja e intervalos de tiempo más largos para una mayor eficiencia espectral.
Soporte de QoS utilizando un nuevo modelo.
Coexistencia dinámica con LTE en los mismos canales de radio.
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7. Algoritmos y técnicas en modelos de simulación link-
level
En este capítulo se exponen los diferentes aspectos de la teoría subyacente utilizada en las simulaciones de link level. Inicialmente se detallarán los bloques correspondientes al transmisor y de forma seguida lo que concierne al receptor del modelo.
Como punto de partida, para calcular la perdida de propagación para un canal de comunicación móvil, el primer paso es determinar si la propagación es LOS o NLOS. Como se muestra en la Figura 13, un modelo de perdida de propagación de espacio libre es suficiente para un escenario A2G como el estudiado en el trabajo de investigación ya que, al tratarse de aeronaves comerciales su altitud de vuelo garantiza LOS entre el transmisor y el receptor. Otro caso es el que se presenta con los objetos voladores de órbita baja (drones, aeronaves de bajo rendimiento) que podrían ser bloqueados por cualquier obstáculo en la trayectoria si la distancia de transmisión es demasiado larga, para este caso se requiere de un modelo de probabilidad LOS basado en el ángulo de elevación.
Figura 13. Escenarios LOS y NLOS en DA2GC.
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Una vez definido que para el sistema BDA2GC en estudio, es aplicable la condición de existencia de línea de vista directa (LOS) entre el trasmisor y el receptor, en la Figura 14, se muestra el diagrama de bloques del sistema a implementar mediante algoritmos en Matlab.
Figura 14. Diagrama de bloques del sistema a implementar.
Fuente: Elaboración propia.
De forma general el modelo implementado se compone a la entrada de un bloque de retrasmisión hibrido de datos tipo HARQ, este emplea una técnica de corrección de errores llamada soft combining que no descarta los paquetes de datos que no son decodificados correctamente, en su lugar, la señal recibida con errores se almacena en un buffer y se combina con la próxima retransmisión, es decir, dos o más paquetes recibidos, cada uno con SNR insuficiente para permitir la decodificación individual puede combinarse de tal manera que se pueda decodificar la señal total.
Seguidamente se encuentra un módulo que implementa el canal PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) que transmite habitualmente información de usuario, contiene la información entregada por la MAC mediante el canal de transporte DLSCH (Downlink Shared Channel), no es un canal dedicado y sólo se asigna al usuario cuando éste tiene algún tipo de información que recibir en el enlace
HARQ
Q
DLSCH PDSCH MODULACIÓN
5G CANAL MIMO MULTIPATH SINCRONIZACIÓN DEMODULACIÓN 5G DEMODULACIÓN PDSCH DECODIFICACIÓN DLSCH ESTIMACIÓN DE CANAL Indicador HARQ Decodificación LDPC / Turbo
Ecualización MIMO Codificación
LDPC / Turbo Entrada
Salida
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descendente. Hasta LTE consideraba los esquemas de modulación QPSK, 16-QAM y 64-QAM, sin embargo, la librería de Matlab 5G empleada para el desarrollo del modelo adiciona el esquema de modulación superior 256-QAM. En esta sección se determina una única matriz de precodificación para toda la asignación de PDSCH utilizando SVD (Singular value decomposition) promediando la estimación del canal en todos los PRB (Physical resource block) de PDSCH asignados.
El bloque contiguo dentro del modelo corresponde a la modulación propiamente dicha en 5G, aquí tiene lugar la configuración del PDSCH y del gNodeB (Next generation NodeB) que agrupa todo lo referente a la red de acceso en 5G de acuerdo al Release 15. Parámetros importantes en la configuración a tener en cuenta son:
Ancho de banda en bloques de recursos (12 subportadoras por bloque de recurso)
Espaciamiento entre subportadoras: 15, 30, 60, 120, 240, 480 KHz
Formas de onda: CP-OFDM, F-OFDM y W-OFDM
Codificación de canal: Tubo y LDPC
Esquemas de modulación: QPSK, 16-QAM, 64-QAM y 256-QAM
Modelo de canal de propagación: TDL y CDL
Número de antenas de recepción y transmisión
Una vez parametrizada la modulación 5G, se procede a configurar y parametrizar el bloque de modelo de canal, Matlab permite la selección entre los dos modelos de canal propuestos en el informe técnico 3GPP TR 38.900, de forma paralela se configuran en este segmento todas las variables para la aplicación de técnicas de beamforming dentro de la simulación.
