Estudio de modelos de propagación en bandas milimétricas para su futura utilización en redes de comunicaciones móviles 5G

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . &. 8. . . '. '. . . (. 5. . ). 6. ). . . . . . *. . . +. 9. . ,. :. -. ;. !. .. <. . /. . . 0. ". *. . #. ). . . 1. . . 2. $. *. 3. . 4. 2. . 0. ". . /. 5. %. .. . 6. 7. ).

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(3) AGRADECIMIENTOS Este Proyecto es el último paso en el camino iniciado en septiembre de 2010. Camino que no quisiera acabar sin antes tener palabras de agradecimiento a tres pilares fundamentales. A mi familia, por su ayuda económica para poder llevar a cabo mis estudios estos años y, sobre todo, por su apoyo y confianza incalculable en el camino que decidí tomar. A mis amigos y compañeros de Universidad, por hacer que los éxitos sepan el doble en compañía, y no permitir que los fracasos y decepciones nublen todo el recorrido hecho. Y por último, y no por ello menos importante, a todo el personal docente y administrativo del Campus Sur de la Universidad Politécnica de Madrid por formarme como persona y profesional para el futuro que está por llegar. Para finalizar, quiero dejar una cita del escritor Michael E. Gerber para las futuras generaciones de estudiantes, para que no olviden nuestro papel determinante en la sociedad del futuro. =. Un emprendedor ve oportunidades allá donde otros sólo ven problemas. >. Fernando. Quiero darle las gracias a mi familia, que me ha apoyado durante estos años de carrera, a mi novia, que ha estado todo este tiempo a mi lado, haciendo los momentos duros más llevaderos, a mis amigos y compañeros, junto a los cuales he compartido tanto los buenos momentos como los malos y a todo el personal de la Escuela, que me han ayudado a llegar hasta aquí. Sin todos vosotros, la carrera habría sido infinitamente más difícil. Javier. Queremos también dar las gracias especialmente a nuestro tutor, D. Pedro García del Pino, que nos propuso la temática de este Proyecto y nos ha dado apoyo y ha confiado en nosotros todo este tiempo..

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(5) RESUMEN DEL PROYECTO La generalización del uso de dispositivos móviles, con su consiguiente aumento del tráfico de datos, está generando una demanda cada vez mayor de bandas de frecuencia para el despliegue de sistemas de comunicación inalámbrica, así como una creciente congestión en las bandas bajas del espectro (hasta 3 GHz). Entre las posibles soluciones a este problema, se ha propuesto que la próxima generación de sistemas celulares, 5G, hagan uso de la banda milimétrica, entre 30 GHz y 300 GHz, donde hay anchos de banda contiguos disponibles con tamaños muy difíciles de encontrar en las frecuencias en uso en la generación actual. Este Proyecto de Fin de Grado tiene como finalidad estudiar la viabilidad del despliegue de sistemas celulares en dicha banda, basándose en los estudios tanto empíricos como teóricos ya publicados, así como en las recomendaciones de la UIT donde se estudian las características de propagación en estas bandas. En un siguiente apartado, se han analizado los documentos disponibles de los distintos proyectos y grupos, como pueden ser METIS-2020, impulsado por la Comisión Europea o IMT-2020 promovido por la UIT, dedicados a definir los futuros estándares de comunicación y sus características, así como la evolución de los actuales, A parte del trabajo de documentación, se han realizado una serie de simulaciones. En primer lugar, se ha utilizado MATLAB para estudiar el comportamiento y la atenuación de la onda electromagnética a las frecuencias de interés en diferentes ubicaciones y climas, tanto en ubicaciones habituales como extremas, estudiándose los efectos de los gases atmosféricos y los hidrometeoros. También se ha utilizado software de planificación radioeléctrica profesional para hacer estudios de cobertura en entornos tanto urbanos, entre ellos Madrid o Barcelona, suburbanos, como Tres Cantos (Madrid) y O Barco de Valdeorras (Orense), y rurales como Valdefuentes (Cáceres) y Quiruelas de Vidriales (Zamora). Por último se han recogido todos los resultados, tanto los provenientes de los estudios como los obtenidos de nuestras propias simulaciones, y se ha realizado un breve comentario, comparando estos y analizando su impacto para posibles despliegues futuros de redes 5G..

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(7) ABSTRACT The generalization of mobile device use, with its associated data traffic growth, is generating a growing demand of spectrum for its use in the deployment of wireless telecommunication systems, and a growing congestion in the lower end of the spectrum (until 3 GHz). Among the possible solutions for this problem, it has been proposed that the next generation of cellular systems, 5G, makes use of the millimeter band, between 30 GHz and 300 GHz, where there are contiguous bandwidths with sizes hardly available in the bands used in the present. This Project aims to study the feasibility of cellular system deployments in said band, based on published empirical and theoretical studies and papers, and the ITU recommendations, where the propagation characteristics in those bands are studied. In the next section, available documentation coming from the different study groups and projects like METIS 2020 promoted by the European Commission, or IMT-2020, promoted by the ITU has been studied. In the documentation, future telecommunication standards and its characteristics and the evolution of the current ones are defined. Besides the documentation work, a series of simulations have been carried out. First, MATLAB has been used to study the behavior and attenuation of the electromagnetic wave at the frequencies of interest in different locations and climates, studying the effects of atmospheric gasses and hydrometeors in conventional and extreme locations. Industry standard radioelectric planning software has been used to study the coverage in different environments, such as urban locations like Madrid and Barcelona, both in Spain, suburban locations like Tres Cantos (Madrid, Spain) and O Barco de Valdeorras (Orense, Spain) and rural locations such as Valdefuentes (Cáreces, Spain) and Quiruelas de Vidriales (Zamora, Spain). Finally, all the results, both from the documentation and our own simulations, have been collected, and a brief commentary has been made, comparing those results and their possible impact in the future deployment of 5G networks..

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(9) GLOSARIO 3GPP 2G 3G 4G 5G AMC BER BS CSI DAFO DL FBMC F-OFDM GHz GSM GSMA GUI HF HSUPA ICP IEEE IMT-2020 IoE IoP IoT IT ISP KPI LF LoS LTE LTE-A M2M MAC MATLAB MBB MDT MEEC METIS. 3rd Generation Partnership Project 2nd Generation 3rd Generation 4th Generation 5th Generation Adaptive Modulation and Coding Bit Error Rate Base Stations Channel State Information Debilidades, Amenazas, Fortalezas y Oportunidades Downlink Filtered-Bank Multi-Carrier Filtered-OFDM Gigahertz Global System for Mobile Communications Groupe Speciale Mobile Association Graphical User Interface High Frequency High-Speed Uplink Packet Access Internet Control Provider Institute of Electrical and Electronics Engineers International Mobile Telecommunications-2020 Internet of Everything Internet of People Internet of Things Information Technology Internet Service Provider Key Performance Indicator Low Frequency Line-of-Sight Long Term Evolution Long Term Evolution-Advanced Machine to Machine Medium Access Control MATrix LABoratory Mobile Broad Band Modelo Digital de Terreno Mobile Edge Contents and Computing Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Infomation Society.

(10) MHz MIMO MMSE MTC mMTC MNO MUSA NF NFV/SDN NLoS NOMA OFDM PDMA PFG PLE QoS RUD RF SCMA SNR SUI TDT UFMC UIT UL uMTC UMTS xMBB. Megahertz Multiple-Input Multiple-Output Minimum Mean Square Error Machine-Type Communications Massive Machine-Type Communications Mobile Network Operator Multi-User Shared Access Noise Figure Network Functions Virtualization/Software-Defined Networking Non-Line-of-Sight Non-Orthogonal Multiple Access Orthogonal Frequency Division Multiplexing Pattern Division Multiple Access Proyecto de Fin de Grado Path Loss Exponent Quality of Service Redes Ultra Densas Radio Frequency Sparse Code Multiple Access Signal to Noise Ratio Stanford University Interim Televisión Digital Terrestre Universal Filtered Multi-Carrier Unión Internacional de Telecomunicaciones Uplink Ultra-reliable MTC Universal Mobile Telecommunications System Extreme Mobile Broad Band.

(11) FIGURAS Figura 1. Concepto de IoE .............................................................................................. 24 Figura 2. Escenarios de propagación en entornos urbanos ........................................... 29 Figura 3. Definición de los parámetros del caso NLoS1 ................................................ 30 Figura 4. Definición de parámetros del caso NLoS2 ..................................................... 30 Figura 5. Evolución de las conexiones MBB .................................................................. 36 Figura 6. Evolución del throughput medio por usuario ................................................. 36 Figura 7. Huella de cobertura GSM ............................................................................... 38 Figura 8. Huella de cobertura HSUPA........................................................................... 38 Figura 9. Huella de cobertura LTE-A............................................................................. 39 Figura 10. Evolución de los clientes en las principales tecnologías .............................. 40 Figura 11. Verticales de negocio del IoT ....................................................................... 41 Figura 12. Diferencias entre los modelos de comunicación IoP e IoT .......................... 42 Figura 13. Penetración de las comunicaciones M2M en 2014 ...................................... 42 Figura 14. Framework de la interfaz radio de IMT-2020 .............................................. 44 Figura 15. Escenarios de uso de MIMO masivo IMT-2020 ........................................... 45 Figura 16. Apuestas tecnológicas para RUD IMT-2020 ................................................ 46 Figura 17.Funcionamiento del SCMA ............................................................................ 47 Figura 18. Funcionamiento del PDMA .......................................................................... 48 Figura 19. Funcionamiento del MUSA ........................................................................... 48 Figura 20. Flexibilidad de servicios con las nuevas formas de onda IMT-2020 ........... 49 Figura 21. Técnicas de modulación y codificación IMT-2020 ....................................... 50 Figura 22. Dúplex flexible IMT-2020 ............................................................................. 51 Figura 23. Mitigación de la interferencia IMT-2020 ..................................................... 51 Figura 24. Concepto de reutilización de frecuencias IMT-2020 .................................... 52 Figura 25. Arquitectura lógica de la red 5G IMT-2020 ................................................. 53 Figura 26. Características de los planos de la red 5G IMT-2020 ................................. 54 Figura 27. Mapa de ruta IMT-2020 ................................................................................ 56 Figura 28. Escenarios METIS 2020 ............................................................................... 58 Figura 29. Formas de onda FBMC (arriba) y UFMC (abajo) ....................................... 62 Figura 30. Cambios en la capa MAC METIS 2020 ........................................................ 63 Figura 31. Mapa de ruta METIS 2020............................................................................ 64 Figura 32. Atenuación por lluvia en dB/km .................................................................... 67 Figura 33. Posición de los Tx y Rx (Rappaport) ............................................................ 68 Figura 34. Valores obtenidos en las medidas a 28 GHz en Nueva York tomando como referencia las pérdidas por espacio libre a 5 m (Rappaport)......................................... 68 Figura 35. Máxima distancia de cobertura a 28 GHz en función del PLE (Rappaport) 69 Figura 36. Valores obtenidos a 28 GHz en Austin (Rappaport)..................................... 70 Figura 37. Posición de un Tx y sus Rx en Austin (MacCartney) .................................... 71 Figura 38. Posición de los Tx y Rx en Nueva York (MacCartney) ................................. 72.

(12) Figura 39. Pérdidas de trayecto para las medidas en Nueva York, para el transmisor situado a una altura de 7 m y 17 m, y antenas de 24.5 dBi (MacCartney)..................... 72 Figura 40. Pérdidas de trayecto para las medidas en Austin a 38 GHz, para el Tx situado a 8 m, 23 m y 36 m y antenas de 13.3 dBi (MacCartney) .................................. 73 Figura 41. Pérdidas de trayecto para las medidas en Austin a 38 GHz, para el Tx situado a 8 m y 36 m y antenas de 25 dBi (MacCartney) ............................................... 73 Figura 42. Comparativa entre las medidas, el modelo SUI y el modelo SUI modificado de Sulyman ...................................................................................................................... 76 Figura 43. Estudio de cobertura a 900 MHz y 28 GHz (Sulyman) ................................ 77 Figura 44. Ubicaciones de Tx y Rx (Ghosh) ................................................................... 79 Figura 45. Pérdidas de trayecto a 73 GHz (Ghosh) ....................................................... 79 Figura 46. Distribución de los puntos de acceso. Los recuadros representan bloques de viviendas, formados por varios edificios que bloquean la señal. Para el escenario 1 las cruces verdes representan las antenas, para el escenario 2 las cruces verdes y los puntos azules y finalmente, para el escenario 3, tanto los símbolos anteriores como los círculos rojos representan puntos de acceso .................................................................. 80 Figura 47. Pérdidas de trayecto en función de la distancia, para las medidas a 28 GHz y 79 GHz en la ciudad de Nueva York (Akdeniz) ........................................................... 82 Figura 48. Parámetros para la simulación atmosférica en Madrid ............................... 86 Figura 49. Atenuación específica atmosférica en Madrid desde 1 a 200 GHz .............. 87 Figura 50. Atenuación atmosférica total en Madrid para trayectos de 1 a 1000 m ...... 88 Figura 51. Parámetros de configuración en Sudán del Sur ........................................... 88 Figura 52. Atenuación específica atmosférica en Sudán del Sur desde 1 a 200 GHz .... 89 Figura 53. Atenuación atmosférica total en Sudán del Sur para trayectos de 1 a 1000 m ......................................................................................................................................... 90 Figura 54. Parámetros de configuración en la Antártida .............................................. 90 Figura 55. Atenuación específica atmosférica en la Antártida desde 1 a 200 GHz ....... 91 Figura 56. Atenuación atmosférica total en la Antártida para trayectos de 1 a 1000 m92 Figura 57. Parámetros de configuración en Indonesia .................................................. 92 Figura 58. Atenuación específica atmosférica en Indonesia desde 1 a 200 GHz .......... 93 Figura 59. Atenuación atmosférica total en Indonesia para trayectos de 1 a 1000 m ... 94 Figura 60. Parámetros de configuración en EE. UU. .................................................... 94 Figura 61. Atenuación específica atmosférica en EE .UU. desde 1 a 200 GHz............. 95 Figura 62. Atenuación atmosférica total en EE.UU. para trayectos de 1 a 1000 m ...... 96 Figura 63. Atenuación específica atmosférica total según climas ................................. 96 Figura 64. Parámetros de configuración para la simulación radioeléctrica................. 99 Figura 66. Parámetros de configuración de las BS...................................................... 100 Figura 67. Simulación radioeléctrica en Madrid a 28 GHz ......................................... 100 Figura 65. Leyenda de simulación radioeléctrica ........................................................ 100 Figura 68. Simulación radioeléctrica en Barcelona a 28 GHz .................................... 101 Figura 69. Simulación radioeléctrica en Valencia a 28 GHz....................................... 101 Figura 70. Simulación radioeléctrica en Sevilla a 28 GHz .......................................... 102 Figura 71. Simulación radioeléctrica en O Barco a 28 GHz ....................................... 102 Figura 72. Simulación radioeléctrica en Tres Cantos a 28 GHz ................................. 103.

(13) Figura 73. Simulación radioeléctrica en Valdefuentes a 28 GHz ................................ 103 Figura 74. Simulación radioeléctrica en Quiruelas de Vidriales a 28 GHz ................ 104 Figura 75. DAFO tecnológico 5G ................................................................................ 105 Figura 76. Mapa de ruta 5G ......................................................................................... 106 Figura 77. Pantalla principal GUI ............................................................................... 111 Figura 78. Resultados tras calcular en pantalla principal GUI ................................... 112 Figura 79. Pantalla de resultados GUI ........................................................................ 113 Figura 80. Resultados tras hacer el estudio GUI ......................................................... 113.

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(15) TABLAS Tabla 1. Entornos de funcionamiento físico Degradaciones de la propagación......... 27 Tabla 2. Entornos de funcionamiento físico Velocidad típica del móvil ..................... 28 Tabla 3. Definición de tipos de célula ............................................................................ 28 Tabla 4. Parámetros simulación GSM ............................................................................ 38 Tabla 5. Parámetros simulación HSUPA ....................................................................... 38 Tabla 6. Parámetros simulación LTE-A ......................................................................... 39 Tabla 7. Espectro utilizado en comunicaciones móviles convencionales ....................... 40 Tabla 8. Obtención de KPI tras simulaciones METIS 2020 ........................................... 59 Tabla 9. Distribución del espectro METIS 2020 ............................................................ 60 Tabla 10. Comparativa de modelos de canal METIS 2020 ............................................ 61 Tabla 11. Frecuencias propuestas en los estudios contemplados .................................. 66 Tabla 12. Alturas de las EB y los móviles (MacCartney) ............................................... 72 Tabla 13. Resultados de las medidas para 28 GHz, a diferentes alturas de Tx y diferentes ganancias de antena (Sulyman) ..................................................................... 75 Tabla 14. Resultados de las medidas para 38 GHz, a diferentes alturas de Tx y diferentes ganancias de antena (Sulyman) ..................................................................... 75 Tabla 15. Resultados de las simulaciones (Ghosh) ........................................................ 80 Tabla 16. Resultados para el primer escenario, utilizando un array 4x4 y un array 8x8 (Ghosh)............................................................................................................................ 80 Tabla 17. Atenuación atmosférica total en Madrid ........................................................ 87 Tabla 18. Atenuación atmosférica total en Sudán del Sur .............................................. 89 Tabla 19. Atenuación atmosférica en la Antártida ......................................................... 91 Tabla 20. Atenuación atmosférica en Indonesia ............................................................. 93 Tabla 21. Atenuación atmosférica en EE.UU. ................................................................ 95 Tabla 22. Comparativa entre atenuación atmosférica total según climas ..................... 97 ?. @.

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(17) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Índice. A. E. B. C. J. D. K. E. A. F. L. G. M. G. G. N. J. K. A. L. _. ^. _. ^. M. J. K. A. `. `. . . . . . . `. E. J. K. M. A. . _. ^. `. . . . . . . . . . N. i. [. s. j. ^. ^. g. ^. [. . . ^. . . . . ». Z. ¿. ¿. t. U. \. V. d. X. G. . Z. V. F. U. n. ¼. . X. j. W. U. X. L. r. w. _. . Ä. . ×. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. ^. B. L. O. \. n. Y. \. f. ~. . . . . . . µ. ¶. ©. Z. µ. d. Z. f. j. w. P. D. È. ^. Ã. ^. É. ^. Æ. Ê. Ç. 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(18) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G E. J. K. A. L. J. W. X. s. Z. w. k. ^. `. T. U. V. U. W. X. s. Z. . k. ^. g. T. U. V. U. W. X. s. Z. |. k. ^. k. T. U. V. U. W. X. s. Z. |. k. ^. °. T. U. V. U. W. X. s. Z. ^. {. °. ^. °. ^. N. D. ]. t. Z. . . . . . . . . . . . . . . . . ¬. ¼. N. f. . . . . . . . . . . . . . . . . . ¬. . . . . . . . . . . . . . . . . \. [. U. V. j. Z. X. \. [. . U. §. V. j. Z. X. \. [. X. j. G. J. l. ]. E. U. A. J. i. f. [. §. V. U. i. . . . f. ª. Z. N. §. V. n. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. G. 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(21) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Capítulo 1. Introducción Este PFG (Proyecto Fin de Grado) versa sobre la próxima generación de comunicaciones móviles 5G (5th Generation), sobre qué prestaciones y funcionalidades pretende proveer al usuario final así como de aproximar los nuevos mecanismos y especificaciones necesarios para implementar esta nueva tecnología. En este capítulo se muestra una visión general de la idea del Proyecto, tratando de identificar los objetivos y la estructura del Proyecto.. Visión general. 1.1. La sociedad se encuentra inmersa en un proceso de evolución hacia un mundo cada vez más interconectado. Este proceso, con el crecimiento exponencial de los sistemas de comunicación inalámbricos que lleva asociado, provoca que los proveedores de estas tecnologías estén sometidos a una presión continua para mejorar e innovar tanto en tecnologías como en servicios. La evolución de los sistemas de comunicación es innegable. Desde finales del siglo XX y durante casi treinta años, la comunicación inalámbrica estuvo prácticamente limitada a servicios de voz y mensajería, cubriendo así las necesidades de instantaneidad y ubicuidad. Una vez que se consiguió una comunicación de voz estable, segura y fiable, las necesidades de comunicación se tornaron al mundo de transmisión de información en forma de datos hasta el punto que actualmente este aspecto ha 4. 5. 6. 7. 8. 9. :. ;. :. 5. <. =. 9. :. 7. >. <. ?. @. A. B. >. :. >. B. <. A. 6. 7. 8. <. C. D. <. ;. >. <. A. B. A. E. 6. A. F. 6. 7. >. :. A. F. B. 5. :. 5. 6. 7. 5. 6. 5. :. F. <. 7. F. C. :. A. 7. ?. B. F. B. 5. :. 7. por todo el mundo, y con la necesidad del usuario de transmitir/recibir más y mejores contenidos audiovisuales principalmente. Esto es lo que se conoce como IoP (Internet of People). Desde 2012 aproximadamente, ha nacido y evolucionado hasta límites insospechables un modelo de comunicaciones con nuevos protagonistas, los objetos de nuestra vida diaria. radicalmente distintas a las de las personas, y por ende, hacen vital adaptar un nuevo modelo de comunicaciones a sus requerimientos. Esto es lo que se conoce como IoT (Internet of Things). 7. F. <. 7. 4. A. @. 6. D. <. 7. =. @. 7. @. :. C. B. <. 7. F. B. 6. A. 6. A. @. A. :. 7. A. 6. >. 6. 7. B. 5. :. 5. 6. 7. 5. 6. >. <. ?. @. A. B. >. :. >. B. H. A. G. La convergencia plena prevista para 2020 del IoP e IoT dará lugar al nacimiento de la comunicación total que englobará todas las líneas de servicio necesarias para mantener un mundo completamente conectado y permitir tener una completa experiencia de Sociedad de la Información. Esto es lo que se conocerá como IoE (Internet of Everything).. #. $. %. &. '. (. ). *. +. ,. -. .. '. /. *. 0. (. 1. 1. 2. 3. ..

(22) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Figura 1. Concepto de IoE. Esta heterogeneidad de servicios y soluciones no hacen más que congestionar el limitado espectro de frecuencias, y hacer necesario la recolocación espectral para la coexistencia de las nuevas tecnologías con las actuales, como hemos comprobado recientemente con el LTE (Long Term Evolution) y la TDT (Televisión Digital Terrestre) en el Dividendo Digital. Una solución que se plantea es usar de manera simultánea bandas milimétricas (30 a 300 GHz) dónde no se ofrecen servicios globales de manera masiva, y en la que sería posible abarcar un gran ancho de banda de transmisión para poder transmitir un mayor número de información. Esa tecnología, junto a otras soluciones, conformaría la próxima generación de comunicaciones móviles, 5G.. Objetivos. 1.2. Bajo este contexto, el principal objetivo de este Proyecto es aportar una visión esclarecedora de en qué posición nos encontramos actualmente, y las líneas de desarrollo previstas para los próximos años. Por ello, creemos necesario observar las tendencias en las tecnologías de comunicaciones móviles, para tratar de identificar aspectos comunes de evolución y posibilitar una visión más completa de la solución 5G. Posteriormente, trataremos de conocer los grupos actuales de investigación de esta tecnología, y aproximar sus ideas de cómo llevar a cabo esta solución. También trataremos de caracterizar las bandas milimétricas en términos de atenuación atmosférica de la señal radioeléctrica. Para finalizar, realizaremos simulaciones en frecuencias concretas para conocer la propagación en exteriores, y trataremos de aproximar un mapa temporal de próximos pasos de organizaciones internacionales como 3GPP (3rd Generation Partnership Project) [1], UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) [2] o europeas como METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Infomation Society) [3].. I. J. K. L. M. N. O. P. Q. R. S. T. M. U. P. V. N. W. W. X. Y. T.

(23) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Estructura. 1.3. Durante los primeros capítulos, se ofrece una visión teórica englobando una evolución de las comunicaciones móviles hasta hoy, la base teórica necesaria para los siguientes capítulos en forma de recomendaciones de la UIT y los resultados de grupos de investigación. Los últimos capítulos, corresponden a la parte práctica del Proyecto, con casos prácticos de medidas, así como simulaciones realizadas por nosotros. El Proyecto se organiza en ocho capítulos de la siguiente manera: · Capítulo 1 Se realiza una breve introducción del Proyecto, tratando de contextualizarlo así como definir los principales objetivos y la organización del Proyecto. · Capítulo 2 Se aportan fundamentos teóricos de recomendaciones de la UIT que posibilitarán caracterizar posteriormente la atenuación atmosférica en las bandas milimétricas. · Capítulo 3 Se contempla una evolución en las tecnologías de comunicaciones móviles digitales más importantes hasta la fecha, pensadas para prestar un servicio general de manera global. También se muestran coberturas en un mismo punto para diferentes tecnologías tratando de identificar la tendencia de exigencia del servicio. · Capítulo 4 Se listan y describen los principales grupos de investigación y desarrollo actuales que están trabajando en la estandarización del 5G para poder hacerlo realidad. · Capítulo 5 Se recogen los principales estudios prácticos con medidas realizadas para aproximar un modelo de propagación en la banda de frecuencias propuesta. · Capítulo 6 Se muestran los resultados de las simulaciones realizadas para caracterizar las bandas milimétricas en términos de atenuación atmosférica en puntos seleccionados previamente. · Capítulo 7 Se muestran los resultados de las simulaciones realizadas para caracterizar la propagación radioeléctrica en la banda de frecuencias propuesta en exteriores, en concreto, en entornos urbanos, suburbanos y rurales. · Capítulo 8 Se recogen las conclusiones de todo el Proyecto, y se enumera una lista de los principales próximos pasos en los próximos años.. Z. [. \. ]. ^. _. `. a. b. c. d. e. ^. f. a. g. _. h. h. i. j. e.

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(25) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Capítulo 2. Fundamentos teóricos de propagación En este capítulo se listarán brevemente las recomendaciones de la UIT que hemos seguido tanto para realizar las simulaciones de propagación como la GUI (Graphical User Interface) desarrollada en MATLAB (MATrix LABoratory) para caracterizar la atenuación atmosférica.. 2.1. Modelo de propagación. UIT-R P.1411-7. En la Recomendación UIT-R P.1411-7 [4] se cubren las características de propagación en exteriores para sistemas de radiocomunicación, trabajando en frecuencias comprendidas entre 300 MHz y 100 GHz, para trayectos inferiores a 1 km, tanto como con visibilidad directa LoS (Line of Sight) como sin ella NLoS (Non Line of Sight). Al trabajar en trayectos inferiores a 1 km, la orografía del terreno deja de tener tanta importancia, siendo los principales factores que afectan a la propagación la presencia de edificios y de vegetación. En la Recomendación se describen cinco posibles entornos y lo que provoca una degradación de propagación en cada uno de ellos, como se ve en la tabla 1, la velocidad típica del móvil en los distintos escenarios, factor importante a la hora de calcular la deriva Doppler y los distintos tamaños de célula para cada tipo de entorno, con los lugares típicos de colocación de la antena. Tabla 1. Entornos de funcionamiento físico. Entorno. Descripción y degradaciones de la propagación significativas. Urbano de construcción muy alta. Valle urbano profundo con una gran actividad, caracterizado por avenidas con edificios de alta densidad y varias decenas de pisos, hecho que da como resultado un valle urbano profundo Los edificios de alta densidad y los rascacielos se alternan, hecho que da como resultado trayectos de propagación con abundante dispersión sin visibilidad directa Las hileras de edificios altos hacen posible la existencia de retardos muy largos de trayecto El tráfico intenso y el elevado flujo de visitantes en la zona actúan como reflectores, lo que añade una deriva Doppler a las ondas reflejadas Los árboles y las calles proporcionan un ensombrecimiento dinámico. r. r. r. r. r. -. Urbano de construcción alta. Valle urbano, caracterizado por avenidas con edificios altos de varios pisos La altura de los edificios reduce la probabilidad de una contribución significativa de la propagación que pasa por encima de los tejados Las hileras de edificios altos hacen posible la existencia de largos retardos de trayecto El gran número de vehículos en movimiento en la zona actúa como reflector, lo que añade una deriva Doppler a las ondas reflejadas. -. Z. [. \. ]. ^. _. `. a. k. c. l. Degradaciones de la propagación. q. _. e. g. [. m. n. e. ^. a. o. ^. n. j. f. i. h. a. o. g. n. \. f. a. \. [. p. [. h. i. j. e.

(26) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. -. Urbano de construcción baja/Suburbano. Típicamente calles anchas Las alturas de los edificios suelen ser inferiores a tres pisos, lo que hace probable la difracción por los tejados Pueden producirse en ocasiones reflexiones y ensombrecimientos producidos por los vehículos en movimiento Los efectos principales son: retardos grandes y pequeñas derivas Doppler. -. Zona residencial. Rural. -. Construcciones de uno y dos pisos Las calles suelen ser de doble dirección con vehículos estacionados a ambos lados Es posible que haya vegetación densa a ligera Tráfico motorizado generalmente ligero. -. Pequeñas casas rodeadas de amplios jardines Influencia de la altura del terreno (topografía) Posibilidad de vegetación densa a ligera Tráfico motorizado ocasionalmente elevado. Tabla 2. Entornos de funcionamiento físico. . Velocidad de los usuarios peatonales (m/s). Entorno. Velocidad típica del móvil. Velocidad de los usuarios en vehículos. Urbano de construcción muy alta/ Urbano de construcción alta. 1,5. Velocidades típicas del centro de la ciudad del orden de 50 km/h (14 m/s). Urbano de construcción baja/ Suburbano. 1,5. Unos 50 km/h (14 m/s) En autopistas hasta 100 km/h (28 m/s). Residencial. 1,5. Unos 40 km/h (11 m/s). Rural. 1,5. 80-100 km/h (22-28 m/s). Tabla 3. Definición de tipos de célula. Radio de la célula. Tipo de célula Microcélula. Microcélula urbana densa. 0,05 a 1 km. Exteriores; montada por encima del nivel medio de los tejados; las alturas de algunos edificios circundantes pueden ser superiores a la de la antena de la estación de base. 0,05 a 0,5 km. Exteriores; montada por debajo del nivel medio de los tejados. Picocélula. s. t. u. v. w. x. y. z. Posición típica de la antena de la estación de base. Hasta 50 m. {. |. }. x. ~. . t. . . ~. w. z. . w. . . . . z. . Interiores o exteriores (montada por debajo del nivel máximo de los tejados). . . u. . z. u. t. . t. . . ~.

(27) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. En la Recomendación, también se detallan las distintas ubicaciones posibles para la estación base, que puede estar por encima de los tejados, por debajo de los tejados pero por encima del nivel del suelo y al nivel del suelo, y las distintas situaciones de propagación posibles en función del nivel al que esté la misma. En la figura 2 se muestran las situaciones típicas de propagación en zonas urbanas, siendo A una estación montada al nivel de los tejados, D una estación montada bajo el nivel de los tejados pero sobre el nivel de la cabeza y B, C, E y F estaciones montadas al nivel del suelo. B(L3). A(L1) D(L2). E(L3). C(L3). F(L3). P.1411-01. Figura 2. Escenarios de propagación en entornos urbanos. Para trayectos NLoS tenemos dos situaciones típicas. La primera es la propagación por encima de los tejados sin visibilidad directa, denominada NLoS1 en la Recomendación, que es el caso típico para células en zonas residenciales y rurales, y para microcélulas en entornos suburbanos y urbanos de altura reducida. Este caso es el que corresponde a la propagación entre A y B en la figura 3. En la figura 4 podemos ver cuáles son los parámetros del caso y la situación de las estaciones.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(28) ESTUDIO DE MODELOS DE PROPAGACIÓN EN BANDAS MILIMÉTRICAS PARA SU FUTURA UTILIZACIÓN EN REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES 5G. Figura 3. Definición de los parámetros del caso NLoS1. La segunda situación de propagación NLoS definida en la Recomendación es la propagación por cañones urbanos, que se corresponde con el enlace entre D y E en la figura 4. Este será el caso típico de microcélula urbana densa, en entornos urbanos con edificios altos y picocélulas en entornos de construcción baja. Esta situación se denominará NLoS2.. x2. w2 x1. w1. EST2. a. EST1 P.1411-03. Figura 4. Definición de parámetros del caso NLoS2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .