ESTUDIO TÉCNICO PARA CONECTAR POR MEDIO DE TVWS SEDES EDUCATIVAS OFICIALES UBICADAS EN ZONAS RURALES CON CENTROS
POBLADOS (Trabajo de Grado)
CLAUDIA PATRICIA BÁEZ
Directora:
Ingeniera PhD(c) MÓNICA ESPINOSA BUITRAGO
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES MAESTRÍA EN TELECOMUNICACIONES Y REGULACIÓN TIC
BOGOTÁ, 2021
A mi madre que es una guerrera y el mejor ejemplo de amor incondicional.
A mi hermana (q.e.p.d.) Rosa María, la mejor compañera de camino.
A mis seres queridos que representan un gran apoyo.
A Dios que demuestra que está conmigo con cada milagro en mi vida
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AGRADECIMIENTOS
A las entidades, MinTic, Min. Educación y DANE que con su respuesta a mi solicitud brindaron la información base para la realización de este estudio. A los ingenieros Juan Sebastián Ayala y Santiago Andrés Millán por toda la ayuda con el procesamiento de los datos para obtener la disponibilidad y cobertura.
Agradezco especialmente a la ingeniera Mónica Espinosa Buitrago por su apoyo técnico y metodológico, además del tiempo que se tomó para las revisiones y comentarios para llevar a cabo y de la mejor manera este trabajo. De igual manera muchas gracias a mis compañeros de esta cohorte, en especial al ingeniero Jaime Torres por todos los consejos y a mis grandes amigos Andrés y José que fueron un apoyo invaluable.
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TABLA DE CONTENIDO
1. MARCO GENERAL DEL PROYECTO 1
1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 1
1.2 JUSTIFICACIÓN 2
1.3 OBJETIVOS 4
1.3.1 Objetivo general 4
1.3.2 Objetivos específicos 4
1.4 ALCANCE 5
2. ASPECTOS TECNOLÓGICOS Y REGULATORIOS DE TVWS EN EL
MUNDO Y EN COLOMBIA 6
2.1 ESPECTRO RADIOELÉCTRICO 6
2.1.1 Bandas de Frecuencia Licenciadas y No Licenciadas 7
2.1.2 Acceso Dinámico al Espectro 8
2.2 ESPACIOS EN BLANCO EN TELEVISIÓN (TV White Spaces, TVWS) 8
2.2.1 TVWS Arquitectura 9
2.2.2 Estándar TVWS 10
2.2.2.1 Topología 10
2.2.1.2 Capas PHY y MAC 12
2.2.1.3 Detección y Gestión del Espectro 13
2.2.1.4 Inicialización 14
2.3 ESTUDIOS INTERNACIONALES TVWS 15
2.3.1 Estudios Técnicos 15
2.3.2 Regulación 16
2.4 REGULACIÓN TVWS COLOMBIA 24
2.4.1 Resolución 461 de 2017 24
2.4.2 Resolución 181 de 2019 24
2.4.3 Resolución 105 de 2020 26
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3. SELECCIÓN DE LA MUESTRA DE INSTITUCIONES EDUCATIVAS
RURALES OBJETO DEL ESTUDIO 27
3.1 PROYECTOS DE CONECTIVIDAD COLOMBIA 27
3.1.1 Proyectos TVWS Colombia 27
3.1.2 Plan TIC 2018 – 2020 29
3.1.2.1 Proyecto Nacional de Fibra Óptica 29
3.1.2.2 Proyecto Nacional de Conectividad de Alta Velocidad 30
3.1.2.3 Zonas Digitales 31
3.1.2.4 Plan Ejecutando y Conectando 33
3.1.2.5 Centros Digitales 35
3.1.2.6 Proyecto de Servicio Universal en Zonas Urbanas 37
3.2 FUENTES DE INFORMACIÓN 38
3.2.1 MinTic 38
3.2.2 Ministerio de Educación Nacional 39
3.2.3 SISE 40
3.2.4 DANE 41
3.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA LA MUESTRA DE ESTUDIO 44
3.3.1 Escuelas Rurales sin Programa 44
3.3.2 Escuelas rurales y urbanas con datos de ubicación geográfica 45 3.3.3 Instituciones urbanas con conectividad a Internet en el mismo municipio
que las rurales 46
3.3.4 Disponibilidad de espacios en blanco 48
3.3.5 Densidad de población 49
3.4 MUNICIPIOS SELECCIONADOS PARA LA MUESTRA DE ESTUDIO 53
4. DISPONIBILIDAD DE TVWS EN PUNTOS DE ACCESO A INTERNET Y
SEDES EDUCATIVAS RURALES 54
4.1 DISPONIBILIDAD ESPACIOS EN BLANCO SEDES EDUCATIVAS
RURALES 55
4.1.1 Instituciones Educativas con Disponibilidad de canales de TV. 55 4.1.2 Disponibilidad de canales para instituciones rurales. 57 4.2 DISPONIBILIDAD DE CANALES PARA INSTITUCIONES EDUCATIVAS OFICIALES EN CENTROS URBANOS CON ACCESO A INTERNET 64
4.2.1 Instituciones Educativas Urbanas con Disponibilidad de canales de TV. 64
4
5. ANÁLISIS DE CONECTIVIDAD ENTRE INSTITUCIONES RURALES Y
SEDES URBANAS CON BASE EN EL RADIO DE COBERTURA. 70 5.1 DISTANCIA Y LÍNEA DE VISTA (10 MUNICIPIOS) 71
5.1.1 Municipio de Aguada 71
5.1.2 Municipio Almeida 71
5.1.3 El Calvario 72
5.1.4 Guacamayas 72
5.1.5 La Salina 72
5.1.6 Panqueba 73
5.1.7 Pisba 73
5.1.8 Recetor 74
5.1.9 San Eduardo 74
5.1.10 Sativasur 75
5.2 RESUMEN DE CONECTIVIDAD ENTRE INSTITUCIONES RURALES Y
SEDES URBANAS CON BASE EN EL RADIO DE COBERTURA 75
6. CONCLUSIONES 77
REFERENCIAS 78
ANEXO A. DISTANCIA Y LÍNEA DE VISTA (10 MUNICIPIOS) 84
ANEXO B. COBERTURA RADIOELÉCTRICA 106
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LISTA DE FIGURAS
Fig. 1 Espacios en blanco: Una forma de hacer uso eficiente del espectro, tomada
de [8]. ... 2
Fig. 2 Espacios en blanco, Topología de red, tomada de [16]. ... 9
Fig. 3 Topología de red IEEE 802.22 Tomado de [18]. ... 11
Fig. 4 Programas de conectividad IER. ... 40
Fig. 5 Ubicación geográfica IER... 41
Fig. 6 Porcentajes de disponibilidad espacios en blanco rural. ... 48
Fig. 7 Porcentajes de disponibilidad espacios en blanco urbano. ... 49
Fig. 8 16 departamentos de Colombia con mayor disponibilidad de canales libres zona rural. ... 58
Fig. 9 16 departamentos de Colombia con mayor disponibilidad de canales libres instituciones urbanas. ... 66
Fig. 10 Características conexión entre Escuela rural San Antonio el Olvido e Institución Urbana COLEGIO INTEGRADO ROEL Y VELASCO... 84
Fig. 11 Características conexión entre Escuela rural San Martín Las Cruces e Institución Urbana COLEGIO INTEGRADO ROEL Y VELASCO... 85
Fig. 12 Características conexión entre Escuela rural ESC TIBAITA e Institución Urbana I.E. ENRIQUE SUAREZ - SEDE PRINCIPAL. ... 85
Fig. 13 Características conexión entre Escuela rural ESC UMBAVITA e Institución Urbana I.E. ENRIQUE SUAREZ - SEDE PRINCIPAL. ... 86
Fig. 14 Características conexión entre Escuela rural ESC TIBAITA e Institución Urbana CONC URB MIX ENRIQUE SUAREZ. ... 86
Fig. 15 Características conexión entre Escuela rural ESC UMBAVITA e Institución Urbana CONC URB MIX ENRIQUE SUAREZ. ... 87
Fig. 16 Características conexión entre Escuela rural SEDE SAN PEDRO e Institución Urbana SEDE PRINCIPAL - JUAN BAUTISTA ARNAUD. ... 87
Fig. 17 Características conexión entre Escuela rural ESC RESUMIDERO e Institución Urbana I.E. TECNICA SAN DIEGO DE ALCALA - SEDE PRINCIPAL. 88 Fig. 18 Características conexión entre Escuela rural ESC ALIZAL e Institución Urbana I.E. TECNICA SAN DIEGO DE ALCALA - SEDE PRINCIPAL. ... 88
Fig. 19 Características conexión entre Escuela rural ESC CHISCOTE e Institución Urbana I.E. TECNICA SAN DIEGO DE ALCALA - SEDE PRINCIPAL. ... 89
Fig. 20 Características conexión entre Escuela rural ESC URAGON e Institución Urbana I.E. TECNICA SAN DIEGO DE ALCALA - SEDE PRINCIPAL. ... 89
Fig. 21 Características conexión entre Escuela rural ESC RITANGA e Institución Urbana I.E. TECNICA SAN DIEGO DE ALCALA - SEDE PRINCIPAL. ... 90
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Fig. 22 Características conexión entre Escuela rural EL ARENAL e Institución Urbana JORGE ELIECER GAITAN. ... 90 Fig. 23 Características conexión entre Escuela rural LOS CUROS e Institución Urbana JORGE ELIECER GAITAN. ... 91 Fig. 24 Características conexión entre Escuela rural LOS PAPAYOS e Institución Urbana JORGE ELIECER GAITAN. ... 91 Fig. 25 Características conexión entre Escuela rural ESC SAN RAFAEL e
Institución Urbana I.E. TECNICA DE PANQUEBA - SEDE PRINCIPAL. ... 92 Fig. 26 Características conexión entre Escuela rural ESC OVEJERAS e Institución Urbana I.E. TECNICA DE PANQUEBA - SEDE PRINCIPAL... 92 Fig. 27 Características conexión entre Escuela rural ESC CARRASPOZAL e Institución Urbana I.E. TECNICA DE PANQUEBA - SEDE PRINCIPAL. ... 93 Fig. 28 Características conexión entre Escuela rural ESC MOSTAZAL e
Institución Urbana I.E. TECNICA DE PANQUEBA - SEDE PRINCIPAL. ... 93 Fig. 29 Características conexión entre Escuela rural ESC ORGONIGA e Institución Urbana ESC URB. ... 94 Fig. 30 Características conexión entre Escuela rural ESC SAN RAFAEL e
Institución Urbana ESC URB. ... 94 Fig. 31 Características conexión entre Escuela rural ESC OVEJERAS e Institución Urbana ESC URB. ... 95 Fig. 32 Características conexión entre Escuela rural ESC CARRASPOZAL e Institución Urbana ESC URB. ... 95 Fig. 33 Características conexión entre Escuela rural ESC MOSTAZAL e
Institución Urbana ESC URB. ... 96 Fig. 34 Características conexión entre Escuela rural ESC GUITARRILLA e
Institución Urbana ESC URB. ... 96 Fig. 35 Características conexión entre Escuela rural ESC JUAN JOSE RONDON e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 97 Fig. 36 Características conexión entre Escuela rural ESC SIMÓN BOLIVAR e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 97 Fig. 37 Características conexión entre Escuela rural ESC VILLA DEL ROSARIO e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 98 Fig. 38 Características conexión entre Escuela rural ESC SAN JOSE e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 98 Fig. 39 Características conexión entre Escuela rural ESC MANUELA BELTRAN e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 99 Fig. 40 Características conexión entre Escuela rural ESC NUEVO MILENIO e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 99
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Fig. 41 Características conexión entre Escuela rural MAGAVITA BAJA e
Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 100
Fig. 42 Características conexión entre Escuela rural LOS ALPES e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 100
Fig. 43 Características conexión entre Escuela rural LA LIBERTAD e Institución Urbana I.E. RAMON BARRANTES - SEDE PRINCIPAL. ... 101
Fig. 44 Características conexión entre Escuela rural ESC BOMBITA e Institución Urbana I.E. TECNICA ANTONIO NARIÑO - SEDE PRINCIPAL. ... 101
Fig. 45 Características conexión entre Escuela rural ESC LAS CRUCES e Institución Urbana I.E. TECNICA ANTONIO NARIÑO - SEDE PRINCIPAL. ... 102
Fig. 46 Características conexión entre Escuela rural ESC BOMBITA e Institución Urbana CONC URB MIXTA. ... 102
Fig. 47 Características conexión entre Escuela rural ESC CARDOSO e Institución Urbana CONC URB MIXTA. ... 103
Fig. 48 Características conexión entre Escuela rural ESC LAS CRUCES e Institución Urbana CONC URB MIXTA. ... 103
Fig. 49 Características conexión entre Escuela rural ESC LOS TUNJOS e Institución Urbana I.E. TECNICA SEÑOR DE LOS MILAGROS - SEDE PRINCIPAL. ... 104
Fig. 50 Características conexión entre Escuela rural ESC BURA e Institución Urbana I.E. TECNICA SEÑOR DE LOS MILAGROS - SEDE PRINCIPAL. ... 104
Fig. 51 Características conexión entre Escuela rural ESC LA CALDERA e Institución Urbana I.E. TECNICA SEÑOR DE LOS MILAGROS - SEDE PRINCIPAL. ... 105
Fig. 52 Cobertura radioeléctrica Aguada. ... 106
Fig. 53 Cobertura radioeléctrica Almeida. ... 107
Fig. 54 Cobertura radioeléctrica Bituima. ... 107
Fig. 55 Cobertura radioeléctrica Cabrera. ... 108
Fig. 56 Cobertura radioeléctrica Caruru. ... 108
Fig. 57 Cobertura radioeléctrica Charta. ... 109
Fig. 58 Cobertura radioeléctrica Chima. ... 109
Fig. 59 Cobertura radioelétrica Chivor. ... 110
Fig. 60 Cobertura radioeléctrica Corrales. ... 110
Fig. 61 Cobertura radioeléctrica El Calvario. ... 111
Fig. 62 Cobertura radioeléctrica El Guacamayo. ... 111
Fig. 63 Cobertura radioeléctrica Encino. ... 112
Fig. 64 Cobertura radioeléctrica Guacamayas. ... 112
Fig. 65 Cobertura radioeléctrica Hato. ... 113
Fig. 66 Cobertura radioeléctrica Iza. ... 113
8
Fig. 67 Cobertura radioeléctrica La Capilla. ... 114
Fig. 68 Cobertura radioeléctrica La Salina. ... 114
Fig. 69 Cobertura radioeléctrica La Uvita. ... 115
Fig. 70 Cobertura radioeléctrica Macaravita. ... 115
Fig. 71 Cobertura radioeléctrica Nariño. ... 116
Fig. 72 Cobertura radioeléctrica Pachavita. ... 116
Fig. 73 Cobertura radioeléctrica Pajarito. ... 117
Fig. 74 Cobertura radioeléctrica Palmas del Socorro. ... 117
Fig. 75 Cobertura radioeléctrica Panqueba. ... 118
Fig. 76 Cobertura radioeléctrica Paya. ... 118
Fig. 77 Cobertura radioeléctrica Pisba. ... 119
Fig. 78 Cobertura radioeléctrica Recetor. ... 119
Fig. 79 Cobertura radioeléctrica San Benito. ... 120
Fig. 80 Cobertura radioeléctrica San Eduardo. ... 120
Fig. 81 Cobertura radioeléctrica San Miguel. ... 121
Fig. 82 Cobertura radioeléctrica Sativanorte. ... 121
Fig. 83 Cobertura radioeléctrica Sativasur. ... 122
Fig. 84 Cobertura radioeléctrica Somondoco. ... 122
Fig. 85 Cobertura radioeléctrica Taraira. ... 123
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LISTADETABLAS
Tabla 1 Usos y propiedades de bandas del espectro radioeléctrico, tomada de
[11]. ... 6
Tabla 2 Tabla 2 Bandas de frecuencias y longitudes de onda, tomada de [12]. ... 7
Tabla 3 Entidades reguladoras y frecuencias. Tomado de [8]. ... 21
Tabla 4 Comparación estudios internacionales TVWS. ... 23
Tabla 5 Zonas Digitales a Nivel Nacional Tomada de Dirección Infraestructura 2020. ... 32
Tabla 6 Tabla 5 Nuevas Zonas digitales rurales. Tomado de Dirección de Infraestructura 2020. ... 33
Tabla 7 Zonas Digitales Contrato EMTEL. Tomada Dirección de Infraestructura 2020. ... 34
Tabla 8 Centros Poblados beneficiados proyecto Centros Digitales. Tomado Dirección de Infraestructura 2020. ... 37
Tabla 9 Zonas Digitales Urbanas. Tomado de Dirección de Infraestructura. ... 38
Tabla 10 Estado de conectividad escuelas rurales nov. 2019 basado en información MinEducación. ... 45
Tabla 11 Total instituciones rurales sin conectividad por departamento con ubicación geográfica. ... 46
Tabla 12 Total instituciones urbanas conectadas por departamento con ubicación geográfica. ... 47
Tabla 13 Disponibilidad de canales para instituciones rurales. ... 48
Tabla 14 Disponibilidad de canales para instituciones urbanas. ... 49
Tabla 15 100 Municipios con menor población en centro poblado y rural dispersa. ... 53
Tabla 16 Municipios muestra de estudio. ... 54
Tabla 17 Instituciones Educativas Rurales con disponibilidad para TVWS por departamento. ... 56
Tabla 18 Disponibilidad de canales para instituciones rurales por departamento. 57 Tabla 19 Disponibilidad de canales instituciones rurales muestra de estudio. ... 64
Tabla 20 Disponibilidad de canales para instituciones urbanas por departamento. ... 65
Tabla 21 Disponibilidad de canales instituciones urbanas muestra de estudio. .... 70
Tabla 22 Conectividad por radio de cobertura. ... 76
10 ACRÓNIMOS
ANE Agencia Nacional del Espectro
BDEB Bases de datos de espacios en blanco
CRC Comisión de Regulación de Comunicaciones DANE Departamento Administrativo Nacional de Estadística
DSA Dynamic Spectrum Alliance
DEB Dispositivos de espacios en blanco
ERE Espectro Radioeléctrico
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FCC Federal Communications Commission
IER Institución educativa rural
IEU Institución educativa urbana
MinTic Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Min Educación Ministerio de Educación Nacional
OFDM Orthogonal Frecuency - Division Multiple Access PIRE Potencia Isótropa Radiada Equivalente
SWSPG Singapore White Spaces Pilot Group
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TIC Tecnologías de la información y la comunicación TVWS TV White Spaces. Espacios en blanco de televisión
1 RESUMEN
En este estudio se demuestra la viabilidad para conectar instituciones educativas rurales y urbanas mediante una red TVWS en zonas rurales con baja densidad poblacional. Se determina una muestra de 34 municipios que cumplen con la condición demográfica antes indicada. Adicionalmente, se revisó la disponibilidad de canales de TV libres y la cobertura radioeléctrica que se lograba al instalar una antena en una educación educativa urbana. De esta manera se cuenta con información que permite establecer las zonas apartadas en donde la conectividad a Internet con TVWS es una buena opción.
Palabras clave: Brecha digital, TV White Space, acceso a Internet, espacios en blanco, cobertura radioeléctrica.
ABSTRAC
This study demonstrates the feasibility of connecting rural and urban educational institutions through a TVWS network in rural areas with low population density. A sample of 34 municipalities that meet the demographic condition indicated above is determined. Additionally, the availability of free TV channels and the radioelectric coverage achieved by installing an antenna in an urban school were reviewed. In this way, information is available that allows establish remote areas where Internet connectivity with TVWS is a good option.
Keywords: Digital divide, TV White Space, Internet access, blank spaces, radio coverage.
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INTRODUCCIÓN
Es imposible no hablar de este tiempo de pandemia y su efecto en todas las actividades del ser humano y por supuesto en las condiciones de vida de la población. En nuestro país la brecha digital se ha hecho más evidente mostrando que el acceso a Internet es para muchos un privilegio y no un servicio básico que permite el desarrollo personal y social.
Según documento de prensa de la UIT [46], entre los países se siguen presentando brechas digitales importantes. Para 2019, apenas el 47% de las personas en países en desarrollo usaba Internet. E incluso dentro de los mismos países hay brecha a nivel zonas rurales y urbanas. En estas últimas la conectividad suele ser mayor.
En estrecha relación con lo anterior, recientemente en una de las reuniones preparatorias para la Conferencia Mundial de Desarrollo de las Telecomunicaciones (CMDT) de la UIT [47] se propusieron cuatro prioridades regionales en temas TIC para los años entre 2022 y 2025:
● Despliegue de una infraestructura de telecomunicaciones/TIC moderna, resiliente, segura y sostenible.
● Mejora y expansión de programas de alfabetización digital, habilidades digitales e inclusión digital, especialmente entre las poblaciones vulnerables.
● Apoyo efectivo a los ecosistemas de innovación y transformación digital en las Américas a través de proyectos de conectividad escalables, financiados y sostenibles.
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● Desarrollo de entornos normativos y de políticas propicios para conectar a los no conectados en la Región de las Américas a través de telecomunicaciones/TIC accesibles y asequibles que apoyen la consecución de los ODS y el progreso hacia la economía digital.
El cumplimiento con estas prioridades es lo que induce a buscar alternativas de conectividad que permitan a la población de zonas rurales apartadas y poco pobladas acceder a servicios de conectividad. Una buena opción es el uso de la infraestructura con la que ya se cuenta y que además sea atractiva no solo para los operadores sino también para los usuarios. Generar apropiación de estos recursos permite que las personas valoren y protejan su servicio.
Con base en lo anterior y como un excelente opción de para brindar el servicio de conectividad a poblaciones ubicadas en zonas apartadas y con baja densidad demográfica, este documento muestra la viabilidad de instalación de una red TVWS, en donde se pueden aprovechar las frecuencias disponibles de canales de TV sin uso y los servicios de Internet que ya se ofrecen en las zonas urbanas.
En este documento, se muestran los estudios que se han realizado en otros países y la legislación correspondiente con el fin de conocer el resultado de los mismos y su aplicación. Adicionalmente, se analiza la normatividad generada en Colombia y algunos planes piloto que se han desarrollado mostrando los casos de éxito de esta tecnología. Se hace una validación de las condiciones de disponibilidad y cobertura que permitirán que TVWS sea una opción para ofrecer servicios de Internet en las instituciones educativas rurales. Finalmente el trabajo arroja unas conclusiones importantes para tener en cuenta en la implementación.
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1. MARCO GENERAL DEL PROYECTO
1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Uno de los medios para ofrecer servicios de Internet es el espectro electromagnético. La constitución política de Colombia [1], en el artículo 75 establece: "El espectro electromagnético es un bien público inenajenable e imprescriptible sujeto a la gestión y control del Estado". En nuestro país la entidad encargada de gestionar este recurso, velar por su uso eficiente y la masificación de la banda ancha inalámbrica es la Agencia Nacional del Espectro (ANE) [2]. Ampliar el cubrimiento y la velocidad de conexión, de acuerdo con estimaciones del Banco Mundial y el Departamento Nacional de Planeación, puede aumentar el PIB per cápita entre un 13.8 y un 18% [3]. Las cifras anteriores muestran que el impacto del acceso a las TIC sobre el nivel de vida de la población más vulnerable sería altísimo.
La ampliación de cobertura de los servicios de Internet está considerada dentro de la Ley de modernización del sector TIC [4] ya que en ella se establece que el espectro debe ser usado como una herramienta para eliminar la brecha digital que:
“hace referencia a la diferencia socioeconómica entre aquellas comunidades que tienen accesibilidad a las TIC y aquellas que no, y también hace referencia a las diferencias que hay entre grupos según su capacidad para utilizar las TIC de forma eficaz, debido a los distintos niveles de alfabetización y capacidad tecnológica” [5].
Uno de los mecanismos para ofrecer Internet a las zonas más alejadas es el uso de espacios en blanco en televisión. En ese sentido, la ANE publicó la resolución 461 de 2017 [6] en donde se establecen las condiciones de uso de los espacios en blanco en la banda de los 470 MHz a 698 MHz.
En la figura 1, se evidencia que el 99% de los municipios de Colombia tiene cobertura de televisión y apenas está en uso un 20% del total de frecuencias del espectro de TV. De esta manera se abre una gran oportunidad para usar las
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frecuencias disponibles para otro tipo de servicios sin interferir con el servicio principal [7]. De hecho, actualmente el país cuenta con tres pilotos para brindar Internet de banda ancha a escuelas rurales en la Guajira, Norte de Santander y Caldas [9].
Fig. 1 Espacios en blanco: Una forma de hacer uso eficiente del espectro, tomada de [8].
Como conclusión de los resultados de conectividad y uso del espectro en las pruebas piloto, en 2016, fueron satisfactorios. Esto permitió generar la resolución 461 de 2017 que normaba el uso de espacios en blanco en Colombia, incluyendo las características técnicas de los dispositivos y las condiciones de uso. [10].
Actualmente, el gobierno nacional ha incluido varias zonas del país dentro de los proyectos para promover el acceso a la tecnología. Por lo anterior surge la pregunta, ¿cómo establecer la conectividad, por medio de TVWS, para sedes educativas oficiales ubicadas en zonas rurales con centros poblados de acuerdo con requerimientos regulatorios y de densidad poblacional?
1.2 JUSTIFICACIÓN
En la introducción del Plan TIC 2018-2022 [30] se afirma que: “las TIC son un habilitador de desarrollo social y económico, con impactos positivos en la productividad, la innovación y el acceso a la información. Esto se traduce en crecimiento económico de largo plazo, reducción de la desigualdad y, por ende, mejoras en la calidad de vida.” Con base en lo anterior, se puede considerar que la
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apropiación de las TIC, por parte de la población más vulnerable, generará crecimiento y desarrollo al país disminuyendo significativamente la brecha digital y con ello mejorando en las condiciones de vida de los ciudadanos. De hecho, para el gobierno nacional el cierre de la brecha digital tiene un sentido de urgencia [26]
pues la equidad en términos de conectividad es considerada, en el mundo, como un derecho primordial determinante para mejorar la calidad de aspectos importantes como la educación, la salud, vivienda, etc. El objetivo es incrementar las oportunidades para todos los ciudadanos, especialmente aquellos en situación de vulnerabilidad y que viven en zonas lejanas y de difícil acceso, pues las políticas de crecimiento deben amparar a todos. Para lograr lo anterior, el gobierno nacional ha considerado dentro del plan tic 2018 2022 [30], en el numeral 5.2.2, del apartado inclusión social digital, se especifican dentro de los programas para masificar el acceso universal, estos 4 grandes proyectos:
1. Zonas digitales rurales: que beneficiará a 1.000 centros poblados mediante modelos de cooperación público-privada.
2. Centros digitales rurales, para 10.000 centros poblados mediante modelos de acceso gratuito a Internet, garantizado por 10 años.
3. Acuerdo marco de conectividad que permitirá a las entidades públicas disponer de espacios abiertos de acceso gratuito a Internet y
4. El plan de obligaciones de hacer prioriza centros poblados que no hayan sido beneficiados con ningún otro programa.
A pesar de que en los planes anteriores se incluyen diferentes tecnologías para ofrecer el servicio de Internet como fibra óptica, satélite e incluso Wifi y se consideran una gran cantidad de centros poblados a nivel nacional, es necesario establecer cuáles son los lugares apartados y distantes que aún quedarían descubiertos del servicio y en los que la solución más atractiva tanto para usuarios como operadores es TVWS. De esta manera se genera una opción cuya viabilidad
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puede estudiar el gobierno nacional con el fin de cumplir su meta de llevar conectividad a todos los ciudadanos y con ello reducir la brecha digital.
Establecer las zonas geográficas que tienen uno o más huecos espectrales disponibles puede generar las bases para diseñar la infraestructura necesaria para ofrecer soluciones. Además de los servicios tradicionales de Internet se pueden adicionar otros que generen impacto y mejoras en la calidad de vida de los usuarios convirtiendo a la tecnología en un concepto cercano y de uso cotidiano.
Con base en lo anterior, permitir a todos los habitantes del país en zonas urbanas o rurales apartadas o de difícil acceso contar con la cobertura de servicios Internet generará realmente una sociedad incluyente donde el crecimiento personal contribuya con el desarrollo económico del país.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
Realizar un estudio técnico para proponer la conexión, por medio de TVWS, de sedes educativas oficiales ubicadas en zonas rurales con los centros poblados que tengan acceso a Internet, con base en la densidad poblacional y los planes de conectividad del gobierno colombiano.
1.3.2 Objetivos específicos
1. Identificar los estudios, investigaciones y planes piloto realizados para la implementación de TVWS en diferentes países del mundo, mediante una revisión comparativa que haga énfasis en lo tecnológico y lo regulatorio.
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2. Seleccionar la muestra de centros poblados que serán objeto del estudio de viabilidad de acuerdo con el análisis de densidad poblacional extraído de las estadísticas del Departamento Administrativo Nacional de Estadística DANE y los proyectos del gobierno colombiano.
3. Establecer la disponibilidad de TVWS en los puntos de acceso a Internet de la muestra de centros poblados seleccionados y en las sedes educativas oficiales rurales, de acuerdo con la regulación establecida por la ANE.
4. Analizar las sedes educativas oficiales que pueden llegar a ser conectadas por un dispositivo maestro ubicado en el punto de acceso de internet de los centros urbanos de acuerdo con el radio de cobertura de la red TVWS.
1.4 ALCANCE
Teniendo en cuenta los centros poblados con menor densidad poblacional, que no cuenten con proyectos de conectividad del actual gobierno nacional y tengan disponibilidad de canales de TV libres para conectar una red TVWS tanto en el centro poblado como en la sedes educativas oficiales rurales, del mismo municipio, se busca identificar aquellas zonas en las que se pueda implementar conectividad con un red TVWS. Adicionalmente, a partir de la muestra obtenida, se identificarán las sedes educativas oficiales rurales que se encuentren a una distancia de hasta 15 Km de la ubicación de la institución urbana (centro poblado) como posibles beneficiarias de conectividad.
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2. ASPECTOS TECNOLÓGICOS Y REGULATORIOS DE TVWS EN EL MUNDO Y EN COLOMBIA
2.1 ESPECTRO RADIOELÉCTRICO
Uno de los medios para ofrecer servicios de telecomunicaciones es el espectro electromagnético. Un segmento de especial interés es el espectro radioeléctrico que de acuerdo con [11] “constituye la porción del espectro electromagnético (fenómeno por el cual se transmiten las ondas electromagnéticas) que se utiliza para las telecomunicaciones (radio, televisión, telefonía móvil, radares, satélites, etc.). El espectro radioeléctrico convencionalmente se fijó entre los 8,3 kHz y los 3,000 GHz. Según los servicios que se desean transmitir se ha dividido como se ve en la tabla 1:
Tabla 1 Usos y propiedades de bandas del espectro radioeléctrico, tomada de [11].
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En Colombia, la Agencia Nacional del Espectro (ANE) establece el cuadro de atribución de frecuencias [12] que permite definir para los diferentes servicios de radiocomunicación las frecuencias que garanticen su correcto funcionamiento y cuando se requiera, la coexistencia de los mismos. Es importante recalcar que la asignación siempre debe coincidir con el Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de Frecuencias (CNABF). En la sección Nomenclatura del CNABF [12], como se muestra en la tabla 2, se ve la subdivisión en nueve bandas de frecuencias:
Tabla 2 Tabla 2 Bandas de frecuencias y longitudes de onda, tomada de [12].
2.1.1 Bandas de Frecuencia Licenciadas y No Licenciadas
Como lo describe Gina Marcela Roncancio Quintana en su tesis [13], la asignación de frecuencias debe tener en cuenta varios aspectos como: el uso, la disponibilidad, entre otros. Lo anterior genera que con base en el tipo de servicio y la banda requerida se requieran o no permisos o licencias. Entonces, las bandas de frecuencias se pueden agrupar en licenciadas y no licenciadas:
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Las licenciadas requieren un permiso, que es asignado por el ente encargado de la gestión, con el fin de garantizar que estén libres de interferencias. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) ha expedido las características y especificaciones técnicas que se deben cumplir para que a un servicio se le asigne una banda licenciada.
En cuanto a las bandas no licenciadas o bandas de uso libre no generan ningún tipo de pago para su uso. Lo que deben cumplir son unas condiciones de potencia y otras características que minimicen los riesgos de interferencias con las bandas licenciadas. Dentro de la gestión se indican cuáles son estas bandas.
2.1.2 Acceso Dinámico al Espectro
Otra opción para hacer un uso eficiente del espectro es el modelo de acceso dinámico y de compartición espectral. Como se indica en [14], el uso del espectro en concesión o licenciado no es exclusivo para los usuarios primarios, que tienen la prioridad, sino que se comparte simultáneamente con usuarios secundarios que deben garantizar la protección contra interferencias al usuario primario. Los usuarios secundarios pueden hacer uso del espectro cuando el usuario primario no lo requiera. Lo que se requiere para implementar el acceso dinámico al espectro [14] (DSA, en inglés) es que los usuarios secundarios detecten el entorno radioeléctrico por medio de sistemas de radio cognitivo simples o complejos.
Básicamente, el sistema le indica al usuario secundario cuando el espectro no está en uso por el usuario primario.
2.2 ESPACIOS EN BLANCO EN TELEVISIÓN (TV White Spaces, TVWS)
Dando continuidad a los temas de disminución de brecha digital, uso eficiente del espectro, mecanismos de asignación de frecuencias y acceso dinámico al espectro, aparece la definición de la tecnología TVWS. Como lo señala la Dynamic Spectrum
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Alliance [15], el paso de televisión analógica a digital ha creado una cantidad importante de espectro vacío de banda baja (UHF entre los 470 y 790 MHz). Estos canales de televisión “libres” son capaces de enviar señales de banda sin necesidad de línea de vista directa y cubrir distancias con radios entre 10 a 20 Km de distancia, con una sola base maestra que puede usar la infraestructura existente disminuyendo costos de implementación.
2.2.1 TVWS Arquitectura
La tecnología TVWS usa básicamente 3 elementos:
● La base de datos de espacios en blanco,
● Un dispositivo maestro y
● Los dispositivos esclavos.
Las conexiones y funciones de cada componente se describen a continuación, en la figura 2.
Fig. 2 Espacios en blanco, Topología de red, tomada de [16].
10 2.2.2 Estándar TVWS
Como lo indica el blog de Telesemana [17], la tecnología para TV White Spaces se ha desarrollado en el estándar IEEE 802.22 WRAN. El objetivo de este estándar es permitir que se desplieguen redes de área regional extendiendo el alcance de los sistemas inalámbricos en diferentes áreas geográficas que incluyen zonas rurales escasamente pobladas [18].
En zonas remotas y de escasa población el despliegue de infraestructura para ofrecer servicios de banda ancha no resulta atractivo para los operadores debido a los costos y baja demanda. Por lo anterior, los medios inalámbricos resultan una buena opción para estas áreas. En países como Estados Unidos, una gran cantidad de la población reside en zonas rurales y por tanto las tecnologías inalámbricas generan la mejor opción para que las personas accedan a servicios de banda ancha.
Estudios realizados en ese mismo país muestran que en las zonas rurales hay disponibilidad de canales de TV que pueden ser usados por otras tecnologías.
2.2.2.1 Topología
En la figura 3 se ilustra la topología incluida en [18]. IEEE.802.22 define una interfaz de aire de tipo punto multipunto donde una radiabase (BS) gestiona varios equipos de usuario (CPE) dentro del área de cobertura. Cada BS puede gestionar 512 CPE fijos o móviles y aplicar mecanismos de QoS. Además de los equipos anteriores, se quiere una base de datos de espectro radioeléctrico (ERE) que mantenga información del uso y disponibilidad de las frecuencias disponibles.
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Fig. 3 Topología de red IEEE 802.22 Tomado de [18].
En la base de datos se deben registrar la BS y los CPE al momento de asociarse y en tiempo real. Se debe tener en cuenta que la asociación requiere de aprobación por la base de datos, por lo menos una vez por día. La BS consulta con la base de datos el estado de los canales y esta puede enviar actualizaciones en cualquier momento. Con base en lo anterior, se mejoran los tiempos de respuesta con base en cambios en el entorno de radio o geográfico y se mantiene un bajo tráfico entre la BS y la base de datos.
La seguridad de la comunicación entre la BS y la base de datos se mantiene con el uso de Secure Sockets Layer (SSL). Además los dispositivos se autentican de forma segura mediante los protocolos como Extensible Authentication Protocol - Transport Layer Security (EAP-TLS) o Extensible Authentication Protocol - Tunneled Transport Layer Security (EAPTTLS), y el formato de los mensajes de autenticación debe adecuarse al servicio que preste la base de datos, por ejemplo RADIUS o DIAMETER.
12 2.2.1.2 Capas PHY y MAC
De acuerdo con IEEE una BS puede cubrir un radio de 33 Km operando con o sin línea de vista [17]. Adicionalmente con el uso de técnicas cognitivas, como las bases de datos de TV White Spaces se pueden evitar interferencias.
El estándar soporta modulaciones que incluyen e QPSK, 16QAM y 64QAM y códigos de convolución de tasa de codificación 1/2, 3/4 y 2/3. Estas características aportan la flexibilidad necesaria, pudiendo ofrecer desde unos pocos Kbps por subcanal, hasta 19 Mbps en todo un canal de TV. La capa física implementa a su vez técnicas de Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), tanto en el flujo descendente (downstream) como en el ascendente (upstream). Esto permite un manejo dinámico del ancho de banda, modulación y codificación para servir a los distintos CPE mediante la asignación de una o varias subportadoras a los mismos.
El canal es dividido en 2048 subportadoras, de las cuales 368 quedan vacías (subportadoras de guarda y de DC). Las restantes se organizan en 60 subcanales, cada canal compuesto por 28 subportadoras (24 subportadoras de datos, y 4 subportadoras piloto) [18].
En países como Estados Unidos para reducir la interferencia deben existir al menos dos canales libres entre dos canales asignados con el fin de reducir la interferencia.
Por lo anterior, la cantidad mínima de canales libres consecutivos para operar en IEEE 802.22 es de tres (18 MHz). En Canadá se requieren cuatro canales libres entre dos asignados por lo que el espectro requerido para IEEE 802.22 es de 30 MHz.
Si se cuenta con varios canales libres el estándar permite sumarlos para ofrecer mayores velocidades usando más ERE [18].
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La capa de acceso al medio se organiza en supertramas. En el encabezado de la BS pública en los canales libres la información requerida para sincronizar con los CPE.
2.2.1.3 Detección y Gestión del Espectro
Una BS de IEEE 802.22 se encarga de hacer el sensado del ERE. Para realizar lo anterior, la BS le pide a sus CPE asociados que realicen mediciones periódicas dentro o en otros canales. El CPE requiere dos antenas: una direccional para comunicarse con la BS y otra omnidireccional para hacer la detección del ERE.
Para las medidas en banda la BS deja de usar el canal para detectar si hay usuarios primarios (quiet period), durante este periodo los CPE realizan una rápida revisión y envían los datos a la BS. Con base en los resultados, la BS decide si se requiere una detección más detallada. Para evitar interferencias entre BS IEEE 802.22 durante el quiet period el estándar tiene un sistema de sincronización que establece que celdas adyacentes midan al mismo tiempo.
La BS cuenta con un gestor de espectro, Spectrum Manager (SM), cuyas funciones son:
a) Mantener la información de disponibilidad de ERE.
b) Clasificar y seleccionar los canales.
c) Controlar las asociaciones con los CPE.
d) Manejar el conjunto de canales.
e) Acceder al servicio de base de datos de ERE.
f) Agendar los quiet period para la detección de ERE.
g) Hacer cumplir las políticas regulatorias.
h) Decidir cambios de canal para uno o más CPE o la celda entera.
i) Garantizar la auto-coexistencia con otras WRAN.
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El Spectrum Manager es el encargado de asignar el canal de operación a los equipos WRAN. Dependiendo de su disponibilidad y la reglamentación los canales se clasifican como:
No permitido: canales prohibidos por el operador debido a temas operativos o regulatorios.
Operativo: es el canal que comunica la BS con los CPE.
Respaldo: canales autorizados para ser operativos en caso de ser requeridos.
Candidato: son los canales que después del proceso de detección en busca de usuarios (entre 6 y 30 segundos) están sin actividad y pueden ser canales de respaldo.
Protegido: son canales con actividad de usuarios primarios y quedan como candidatos cuando dejan de ser usados.
Sin clasificar: son canales sin detección. Posterior a este proceso se clasifican como candidatos o protegidos.
2.2.1.4 Inicialización
En este estándar, cuando el CPE inicia hace un escaneo de los canales de TV. Con base en esta información determina qué canales están en uso por usuarios primarios. En aquellos canales que están libres puede buscar la BS. Posterior a encontrar la BS, el CPE recibe la información que requiere para conectarse a la red a través del canal Superframe Control Header (SCH) emitido por la BS.
15 2.3 ESTUDIOS INTERNACIONALES TVWS
2.3.1 Estudios Técnicos
En varios países se han realizado pruebas técnicas e investigaciones que buscan validar los beneficios de la implementación de TVWS como una opción para ofrecer servicios de conectividad en zonas rurales. Por ejemplo, el documento “TV white space utility in urban and rural environments” [19] hizo una comparación entre los ambientes urbano y rural para medir la capacidad de TVWS en cada uno con base en los dispositivos para espacios en blanco. Se simularon dos escenarios, alemanes, para representar los ambientes urbanos y rurales. Como resultado se pudo establecer que aunque hay una mejor cobertura televisiva en el medio urbano no hay una diferencia significativa en el uso de TVWS en los escenarios urbano y rural si se asume la misma densidad de usuarios. En este caso, las grandes distancias entre los transmisores de señal favorecen la protección de la señal pero perjudican el uso de TVWS. Cuando se proponen densidades de usuarios más realistas TVWS en el medio urbano no es favorable por la congestión y la interferencia, en este caso si es una excelente opción para el ambiente rural.
Continuando con las comparaciones, Alonso Martínez y su equipo [20] validan el rango de cobertura, la capacidad de red y la eficiencia de consumo de energía entre TVWS y LTE. En este caso se mediante el uso de un nuevo software de planificación de redes, se investigó la cobertura, la capacidad y la eficiencia energética de las redes TVWS, optimizadas para reducir su consumo de energía, en escenarios realistas suburbanos y rurales. Para este objetivo, se propuso un modelo para determinar el consumo de energía de las redes TVWS. También se optimizó y validó una red LTE para una comparación de referencia. Esta comparación revela que LTE tiene una eficiencia energética más baja en el escenario suburbano (aproximadamente 12 veces más bajo) y rural (aproximadamente 9 veces más bajo). IEEE 802.22b logra la mayor eficiencia
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energética (12% más alta que IEEE 802.11af). Para las tecnologías TVWS, el uso de una configuración MIMO 4x4 permite reducir el número de estaciones base pero no aumenta significativamente la eficiencia energética en los escenarios considerados. La investigación futura consistirá en planificar Internet energéticamente eficiente para (IoT) redes inalámbricas en la banda TVWS. Una gran densidad de los dispositivos deberán ser considerados y la cobertura, capacidad y densidad jugará un papel clave.
Otras pruebas técnicas como la realizada en el Sultanato de Omán [21] presentan los detalles, resultados, análisis y recomendaciones para el uso de la tecnología.
Se pudo ver que la capacidad de rendimiento de datos DL de la BS se divide equitativamente entre los UE, con la misma modulación utilizada; sin embargo, en lo que respecta a UL, esto se establece independientemente para cada uno debido a la diferencia de modulación UL entre ellos. Por ejemplo, CPE1 y CPE2 deben usar la misma modulación para el DL de acuerdo con el enlace más débil, produciendo el mismo rendimiento de datos, mientras que CPE1 podría obtener un rendimiento de datos UL diferente que CPE2 debido a la selección de modulación diferente.
Durante la recopilación de datos, se realizaron intentos para configurar manualmente la modulación física desde QPSQ ½ hasta 64QAM 5/6 para DL y UL.
Se pudo establecer que 64QAM 5/6 produciría una tasa de error de paquete (PER) muy alta para ubicaciones distantes y muy baja para ubicaciones más cercanas.
Para evitar este tipo de problema, las BS se configuraron para seleccionar la mejor modulación que produjera el rendimiento máximo de datos y el PER mínimo.
Cuando se analizó la hoja de trabajo, se pudo ver que el rendimiento máximo de datos para todas las ubicaciones fue de 16.6 Mbps para DL, mientras que el máximo para UL fue de 11.59 Mbps.
2.3.2 Regulación
En lo relacionado con regulación, se pueden citar algunos ejemplos como el análisis de implementación de TVWS en la banda de 700 MHz realizado por Dhope y otros
17
[22], especialmente en el área rural de India para ofrecer servicios de e-learning, e- healt, e-animal, etc. y validar la regulación con base en la ubicación de las estaciones base y la movilidad de usuarios. En este caso se halló que una regulación adecuada debe contemplar varios aspectos para motivar a los operadores y proteger a los operadores licenciados:
● Protección de los servicios de radiodifusión digital, incluyendo TV móvil.
● Protección de servicios fijos y móviles en la banda de frecuencia 470-520 MHz y 520-585 MHz.
● Protección de servicios adyacentes a la banda de 470-806 MHz que es protección de servicios de satélite móvil y radiodifusión excepto aeronáutica servicio de satélite móvil (R) en la banda 806-890 MHz y protección de IMT aplicaciones en la banda de frecuencia 450.5-457.5 MHz emparejado con 460.5-467.5 MHz.
● Protección de comunicaciones PPDR (Protección pública y socorro).
● Definición de los requisitos para la geo-enfoque de base de datos de ubicación.
Otras revisiones [23] permiten ver que TVWS proporciona una solución confiable y de bajo costo para ofrecer el servicio de Internet en África por las siguientes razones:
a) Regulación de bajo riesgo: la tecnología TVWS implica uso secundario del espectro. No requiere nueva asignación para ser regulado. Para la asignación de espectro fijo, los reguladores nacionales deben generar opciones para la asignación del espectro a largo plazo. Por otro lado, el gobierno está expuesto a problemas de subasta de espectro como corrupción y casos judiciales derivados de desacuerdos.
b) Disponibilidad de espectro no utilizado: en zonas rurales en África hay una buena oferta de espectro libre por la baja cantidad de canales asignados. Por ejemplo, la ocupación del espectro de DD1 en Kenia es de solo 5.26%.
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c) TVWS es una excelente opción rural: Espectro de TVWS puede cubrir un área más grande ya que usa banda de frecuencia UHF que tiene buenas características de propagación. Una estación base de TVWS puede cubrir una amplia zona, disminuyendo costos de implementación al requerir menos estaciones para ofrecer los servicios.
d) TVWS ofrece oportunidades de emprendimiento y menor costo de acceso de banda ancha: Con TVWS, pequeños operadores pueden ofrecer servicios de banda ancha a precios competitivos en zonas de difícil acceso.
En otras ciudades de África se deben hacer las pruebas para ampliar los resultados.
En “An Overview And Comparison Of Tv White Space Regulations Worldwide” [24]
se hace una validación de las diferencias entre los marcos regulatorios para dispositivos de espacios en blanco en regiones como América del Norte, Asia Pacífica y Europa. Tomando en cuenta que el uso de TVWS estaba aumentando a nivel mundial como una opción para usar el espectro de bandas de TV como medio para ofrecer diferentes servicios, se hizo énfasis en las razones por las cuales se generaron diferencias. La regulación internacional no está estandarizada pues el uso y diseño de los dispositivos depende de las condiciones y necesidades de cada país. Lo anterior ha generado que haya diferentes regulaciones en cada región.
Estados Unidos: En 2004 La FCC (Federal Communications Commission) de Estados Unidos se convirtió en el primer regulador del mundo en proponer el uso de dispositivos sin licencia para operar en bandas de TV en lugares donde no se usaban. Los dispositivos se clasificaron en dos grupos: fijos y portátiles.
Los dispositivos fijos pueden operar hasta 4W de potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE), deben acceder a la base de datos de espacios en blanco (WSDB) por lo menos 1 vez cada 20 min. Para consultar la especialidad de las bandas de TV. Los dispositivos portátiles pueden operar hasta 100 mW de potencia, si están cercanos a un canal de TV adyacente se limitará a 40 mW. Los dispositivos
19
personales se dividen en Modo I y Modo II, la principal diferencia es que los Modo I necesitan recibir señales fijas para establecer la disponibilidad de canales, mientras los Modo II pueden determinar dicha disponibilidad por sí mismos. Si los dispositivos Modo II se mueven más de 100m deben consultar cada minuto la disponibilidad de canales. En distancias menores a 100 m deben consultar la disponibilidad cada 20 min.
Canadá: Los dispositivos para espacios en blanco, en Canadá, generalmente armonizan con los de Estados Unidos. Sin embargo, Industry Canada determinará sus propias reglas técnicas para los dispositivos con sus propios procesos y consultas establecidas con los interesados.
Reino Unido: Después de varias revisiones Ofcom, el regulador británico, emitió una declaración para establecer los parámetros técnicos de los dispositivos y la base de datos de espacios en blanco. En 2009 los dispositivos determinarían la disponibilidad del espectro por detección. De esta manera, la base de datos se constituyó en el elemento más importante de la red TVWS. Los dispositivos se clasificaron en maestros y esclavos. Los maestros contactarían directamente a la base de datos para consultar los canales disponibles. Los esclavos recibirían la información de los maestros y no tendrían que consultar la base de datos directamente. Los maestros deben tener una certeza de un 95% de la ubicación de los esclavos y validar con el esclavo y la base de datos el modelo del primero. El maestro debe acceder a la lista de bases de datos por lo menos 1 vez cada 21 horas a la base de datos correspondiente 1 vez cada 2 horas. Si el esclavo no recibe respuesta del maestro 5 segundos después de enviar la petición debe detener su operación.
Europa CEPT: En 2011, el Comité de Comunicaciones Electrónicas (ECC) bajo la Conferencia Europea de Correos y Telecomunicaciones Las Administraciones (CEPT) publicaron un informe técnico y de requisitos operativos para sistemas de
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radio cognitivos en TVWS. El informe proporcionó los detalles sobre el procedimiento para que la base de datos calculara los canales disponibles y las potencias máximas permitidas a los dispositivos. La red se basa en el modelo de maestro y esclavo de Ofcom.
En 2013, ECC publicó un informe para mejorar la implementación de la base de datos. También se publicó otro informe para mejorar y facilitar la regulación aplicable a los dispositivos teniendo en cuenta aspectos técnicos: 1) clasificación de los dispositivos, 2) detección espectral colaborativa, 3) parámetros de protección de la televisión digital terrestre, 4) parámetros de protección de PSME, 5) protección de los servicio de radionavegación, 6) impacto de la interferencia de los dispositivos en servicios que operan en canales adyacentes, 7) Cantidad potencial de espectro disponible para los dispositivos.
Singapur IDA: Singapur ha estado trabajando desde 2012 en la promoción de TVWS. En 2014, la Autoridad de Desarrollo de Infocomm (IDA), lanzó un marco regulatorio para TVWS basado en comentarios públicos recibidos a un documento de consulta. Con el objetivo de atraer empresas globales para invertir en Singapur, la regulación es compatible con estándares mundiales como los de FCC, Ofcom y CEPT. Por las condiciones del país también tiene características únicas una sola antena de TV puede cubrir toda la capital. Para evitar interferencias con Malasia la señal en los dispositivos de espacios en blanco en la frontera debe ser menos a - 115 dBm. Adicionalmente, el reglamento TVWS de Singapur creó un tipo especial de canal llamado "canal de alta prioridad", en el cual se podría configurar QoS. Este canal sigue en investigación
Nueva Zelanda: La gestión de espectro radioeléctrico de Nueva Zelanda, decidió crear un esquema de licenciamiento temporal para pruebas de dispositivos en bandas de televisión UHF.
21
En la tabla 3 se resumen las entidades reguladoras por país y las frecuencias adoptadas:
Entidades Reguladoras y Frecuencias
País Regulador Frecuencias para TVWS
Alemania BNetzA 470-790 MHz
Australia ACMA 470-698 MHz
Canadá Industry Canada
54-60 MHz 76-88 MHz 470-608 MHz 614-698 MHz
Estados Unidos FCC
54-72 MHz 76-88 MHz 174-216 MHz 470-698 MHz
Finlandia FICORA 470-790 MHz
Japón NICT 470-710 MHz
Kenia CA 470-694 MHz
Malawi MACRA 470-694 MHz
Nueva Zelanda RSM 470-790 MHz
Reino Unido Ofcom 470-790 MHz
Singapur IDA
181 – 188 MHz 209 – 223 MHz 614 – 622 MHz 630 – 710 MHz 718 – 742 MHz 750 – 774 MHz 790 – 806 MHz
Sudáfrica ICASA
470-694 MHz Excluyendo la subbanda 606-
614 MHz
Vietnam ARFM 470-790 MHz
Colombia ANE 400-698 MHz
Tabla 3 Entidades reguladoras y frecuencias. Tomado de [8].
22
Con base en lo anterior, en tabla 4, se incluye la comparación de los estudios técnicos y regulatorios revisados:
País Tipo de
estudio Ambiente Objetivo
África Piloto Rural
Considerar los beneficios del uso de TVWS para habilitar ambientes de e-learning e introducir a los profesores y alumnos en Internet y tecnologías de la comunicación
India Escenarios Rural
Validar escenarios de implementación de TVWS en el área rural de India y una aproximación al cálculo de la potencia de transmisión para ofrecer el servicio de banda ancha evitando la interferencia con el servicio principal.
Omán Escenarios Ambiente de prueba
Montar un trial de TVWS el detalle, los resultados, el análisis y las recomendaciones.
India Escenarios Rural
Analizar la implementación de TVWS en la banda de 700 MHz, especialmente en el área rural de India para ofrecer servicios de e- learning, e-healt, e-animal, etc. y validar la regulación con base en la ubicación de las estaciones base y la movilidad de usuarios.
Sur África, Kenya, Malawi, Tanzania, Namibia y
Ghana.
Regulación Ambiente de prueba
1. Validar el papel de TVWS en la implementación de servicios de banda ancha.
2. Presentar las pruebas que se han realizado en África y hacer recomendaciones.
3. Hacer comparaciones entre TVWS y Wimax.
Alemania Investigación Urbano y Rural
Hacer una comparación entre los ambientes urbano y rural para medir la capacidad de TVWS en cada uno.
Con base en los dispositivos para WS.
Bélgica y Cuba Investigación Urbano y Rural
Comparar el rango de cobertura, la capacidad de red y la eficiencia de consumo de energía entre TVWS y LTE.
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País Tipo de
estudio Ambiente Objetivo
Omán Investigación Ambiente de prueba
Se presentan los detalles, resultados, análisis y recomendaciones de una prueba técnica de TVWS en el Sultanato de Omán.
Indonesia Investigación Urbano
Explicar los espacios en blanco de televisión (TVWS), se evalúan los espacios en blanco de TV entre varios países que están diseñando e implementando finalmente, se discuten algunos beneficios y desafíos.
Marruecos Investigación Rural
Abordar el tema de ofrecer servicio de Internet a las comunidades rurales más pobres mediante la distribución de la distancia para mantener una buena calidad de servicio. Se remite a un algoritmo que permite la coexistencia del número de CPE (Customer Premise Equipment) basado en la distribución de distancia para planificar de manera efectiva su posición para realizar de manera óptima el rendimiento máximo en un área unitaria.
Sin especificar Investigación Urbano y Rural
Confirmar que el crecimiento de la tecnología rural solo se puede lograr en dos fases abordando secuencialmente la viabilidad económica seguida por la progresión del rendimiento. Se propone que TVWS se incluya en la infraestructura 5G para dar cobertura en zonas rurales y demostrar que puede ser rentable para un operador de servicios.
Reino Unido Escenarios Rural
Validar el potencial del espectro TVWS para permitir la conectividad de bajo costo de media milla a la red troncal de Internet.
Malawi Investigación Ambiente de prueba
Presentar la evaluación preliminar del desempeño de un despliegue de espacios blancos de TV en Malawi Tabla 4 Comparación estudios internacionales TVWS.
24 2.4 REGULACIÓN TVWS COLOMBIA
Colombia es considerada como pionera en Latinoamérica en normatividad en el uso de espacios en blanco, como lo muestra el artículo publicado el 10 de mayo de 2017, en la página de MinTic [25], donde se indica que en la cumbre mundial anual realizada en Ciudad del Cabo, en Sudáfrica, la ANE fue galardonada con el premio en: “Innovación en Políticas de Acceso Dinámico al Espectro”, por ser el primer país que propone normatividad para el uso de los Espacios en Blanco de Televisión (TVWS).
2.4.1 Resolución 461 de 2017
Fue justamente esta resolución la que generó el reconocimiento a la ANE por parte de la Dynamic Spectrum Alliance (DSA) que es una organización internacional que agremia a diversos participantes en telecomunicaciones realizando recomendaciones y promoviendo el uso más eficiente del espectro [26]. En dicha resolución [6] que fue derogada en su totalidad por la resolución 963 de 2019, del MinTic [27] se especifican los requerimientos y condiciones de espacios en blanco en Colombia.
2.4.2 Resolución 181 de 2019
Posterior a la derogación de la Resolución 461 de 2017, la ANE expidió la Resolución 181 de 2019 [28], en la cual en el numeral 1.24 del Anexo se definen los espacios en blanco para Colombia como: las frecuencias comprendidas entre 470 MHz y 698 MHz que no están asignadas en un área específica y que pueden ser usadas por aplicaciones de radiocomunicaciones en dicha área, sin causar interferencias perjudiciales a las estaciones de un servicio primario o secundario a las que se le hayan asignado o se le asignen frecuencias en el futuro.
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Se describen las características de los dispositivos de espacios en blanco:
dispositivo con capacidad de geolocalización incorporada, que puede hacer uso de los espacios en blanco mediante la interacción con una base de datos de espacios en blanco. Se clasifican en dispositivos maestros y dispositivos esclavos.
Se definen los dispositivos maestros: Dispositivo de espacios en blanco con conexión a Internet que realiza una petición de canales disponibles directamente a la base de datos de espacios en blanco para hacer uso del espectro y que tiene la capacidad de realizar peticiones de canales disponibles para los dispositivos esclavos a él asociados.
Dispositivos esclavos: Dispositivo de espacios en blanco asociado a un dispositivo maestro. El dispositivo esclavo realiza una petición de canales disponibles a la base de datos de espacios en blanco a través de su dispositivo maestro asociado.
Base de datos de espacios en blanco: Herramienta de software administrada por la ANE que calcula la lista de canales disponibles y responde a una petición realizada por un dispositivo de espacios en blanco. Esta base de datos entrega como respuesta una lista de canales disponibles que el dispositivo puede usar. Para obtener la lista de canales disponibles la BDEB tiene en cuenta la ubicación geográfica del dispositivo, las asignaciones existentes en la banda 470 MHz a 698 MHz y las condiciones de coexistencia, para garantizar la protección de los servicios primarios y secundarios contra interferencias.
Petición de canales disponibles: Petición realizada por un dispositivo maestro de espacios en blanco a la BDEB para obtener una lista de canales disponibles, calculada para una ubicación geográfica específica, de acuerdo con las asignaciones existentes de los servicios primarios y secundarios, y las condiciones de coexistencia.
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Lista de canales disponibles: Lista de canales calculada por la BDEB y enviada a un dispositivo maestro de espacios en blanco como respuesta a una petición de canales disponibles. Para obtener esta lista, la BDEB tiene en cuenta la ubicación geográfica del dispositivo, las asignaciones existentes en la banda 470 MHz a 698 MHz y las condiciones de coexistencia para garantizar la protección de los servicios primarios y secundarios contra interferencias.
Y se establecen las condiciones de coexistencia: Condiciones técnicas para garantizar la protección a las asignaciones existentes en la banda 470 MHz a 698 MHz. Dentro de ellas se enmarcan los márgenes de protección, las potencias máximas, las alturas máximas, los canales prohibidos por zonas o a nivel nacional, entre otras. Estas condiciones están consignadas dentro de la BDEB y son empleadas para calcular las listas de canales disponibles garantizando que no haya interferencia a las asignaciones existentes en la mencionada banda. Estas condiciones están sujetas a cambio por parte de la ANE sin previo aviso.
2.4.3 Resolución 105 de 2020
En esta resolución [40] se deroga en su totalidad la resolución 181 de 2019 en su totalidad y se expide el nuevo acto administrativo que según se indica en el sitio web de la ANE [41] adiciona un plan de canalización para la banda 380 MHz-400 MHz, que permitirá que se otorgue permisos de uso para sistemas privados de comunicaciones móviles de banda ancha de 380 MHz - 400 MHz; incluye una nueva Nota Nacional al CNABF para facilitar la asignación temporal y uso del espectro radioeléctrico para la realización de pruebas técnicas del país y cambia la estructura de la numeración de la resolución que actualiza el CNABF, para dar manejo más ágil y eficiente de las actualizaciones que realice la ANE en materia de atribución del espectro radioeléctrico. En esta misma norma se incluyen todas las características tanto de los equipos, el funcionamiento y las restricciones de los espacios en blanco que se indicaron en la reforma derogada [28].
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3. SELECCIÓN DE LA MUESTRA DE INSTITUCIONES EDUCATIVAS RURALES OBJETO DEL ESTUDIO
3.1 PROYECTOS DE CONECTIVIDAD COLOMBIA
Con el fin de establecer un marco de referencia para seleccionar los centros poblados que serán parte del estudio técnico para implementar TVWS, se revisaron algunos de los proyectos de la dirección de infraestructura del Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones de Colombia con los que se busca cumplir con los objetivos de promover el acceso a la información e impulsar la masificación y el uso de la Internet [29].
3.1.1 Proyectos TVWS Colombia
De acuerdo con el artículo presentado en el diario El Tiempo [37], desde la ANE la opción para ofrecer conectividad en zonas apartadas es TVWS. Con base en lo anterior, el director de la entidad, Dr. Luis Felipe Anzola destaca varios casos de éxito de la implementación de esta tecnología en Colombia. En el año 2016 inicio un proyecto en el municipio de Mesetas (Meta) llamado: “Transformación Tecnológica: Mejorando la vida de los caficultores en Colombia” cuyo objetivo era ofrecer herramientas tecnológicas a los caficultores de la zona para mejorar la producción y su calidad de vida. Con base en la información de Nodoka [38] este municipio se seleccionó por ofrecer las peores condiciones de conectividad de esa región. Se consideraron 3 elementos principales:
1. Conectividad: Microsoft facilitó la transferencia de conocimiento para entender cómo el uso de los espacios en blanco podrían ser utilizados para llevar Internet y se generaron acercamientos con la ANE para poder hacer uso de este recurso y así conectar a los habitantes de zonas rurales.