120

9. Exposición electromagnética de sistemas

WIMAX

Durante los últimos años se han creado expectativas y realidades en torno al ac-ceso de banda ancha de última milla. El cableado representa altos costes de instalación que no siempre justifican su tendido hasta áreas rurales o geográficamente inaccesibles. Llevar servicios ADSL a estas áreas no es económicamente efectivo para los operadores de telefonía. El operador de cable tradicional aún se encuentra en el proceso de transi-ción hacia el transporte de datos. La tecnología móvil, presente (UMTS), sólo permite tasas de velocidad limitadas.

Estas y otras limitaciones tecnológicas y topográficas junto con la rápida adop-

ción del acceso a Internet, han motivado el desarrollo de un estándar inalámbrico lla-mado WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) que llegue a un ma-yor número de usuarios y propicie la introducción de nuevos y mejores servicios de tele-comunicaciones.

La tecnología estandarizada por el IEEE bajo el apelativo 802.16, comúnmente

conocida como WiMAX, es un concepto parecido a WIFI pero cualitativamente diferen-te como veremos en sus características. WiMAX fue diseñado como alternativa a dos grandes aplicaciones, las dos propias de operadores de telecomunicaciones, y no de usuarios finales. Por una parte, WiMAX está destinado a ser la evolución del LMDS (Sistema de Distribución Local Multipunto) y el MMDS (Servicio de Distribución Mul-tipunto por Microondas) para la implementación de radioenlaces punto a punto. Por otra parte, WiMAX es una tecnología adecuada para dar servicio de acceso fijo; es de-cir, puede utilizarse como competidor o sustituto de la red de acceso fija (DSL y cable) en determinados entornos, especialmente en entornos rurales, donde el despliegue de soluciones cableadas es muy costoso y los radioenlaces punto-multipunto se presentan como una alternativa flexible y más barata. Lógicamente, si las aplicaciones están orientadas a operadores de telecomunicaciones, no tiene sentido utilizar bandas de fre-cuencias no reguladas y por lo tanto susceptibles de interferencias. Es también por eso que el estándar incluye mecanismos de seguridad y QoS, ya que éstos son requisitos obligatorios para un servicio que es de categoría comercial.

Vista su orientación como servicio de distribución y de backhaul (conexión de

redes entre sí), el alcance era un parámetro importante para WiMAX. Originalmente, se utilizaron frecuencias elevadas, que permitían coberturas de decenas de kilómetros (10 � 66���). El precio que hacía falta pagar es que estas frecuencias necesitan una visión directa entre el emisor y el(s) receptor(s), así como equipamientos mayores y pesados, adecuados para ubicaciones fijas, pero no para ser transportados en laptops o PDA.

121

El WiMAX, por su parte, introdujo mejoras para el soporte de la movilidad (y no sólo de la itinerancia), a velocidades de hasta 120�/ . También introdujo la posi-bilidad de complementar las redes “mesh” y mejoró el uso en interiores de edificios. En definitiva, evoluciones que permitieron a WiMAX promocionarse también como alter-nativa a las redes móviles convencionales en términos de ubicuidad, alcance y funciona-lidad, como las redes de telefonía móvil 2G y 3G. Sin embargo, esto produjo un despla-zamiento hacia bandas de frecuencias más bajas (2 � 11���), que permiten las trans-misiones sin línea de vista.

9.1. Topología de redes WiMAX

Las topologías propias de una red WiMAX pueden ser:

• De distribución: análogo a las redes de infraestructura WIFI. La estación base ocupa el rol del punto de acceso y centraliza el acceso de los usuarios dis-tribuidos por la celda en la red fija y a la salida hacia Internet. Además, se ocu-pa de gestionar el canal y distribuir los recursos en función de las necesidades de calidad de cada usuario.

• Malladas: análogo a las redes ad hoc, permiten la comunicación directamen-te entre estaciones móviles sin necesidad de pasar por una estación base. La ges-tión de los recursos es entonces distribuida. Un inconveniente de esta última ca-racterística es que, por razones de compatibilidad en los sistemas de gestión, a menudo todos los equipos han de ser del mismo fabricante.

Figura 24. Esquema de tecnología WIMAX.

122

9.2. Estándar WiMAX

Originalmente, el estándar 802.16 se finalizó en el año 2001 y comprendía las funcionalidades básicas de WiMAX. Trabajaba en la banda de los 10 a los 66���, que exigía visibilidad directa para la comunicación. Con canales muy anchos (hasta 28���) y modulaciones eficientes, el estándar permitía capacidades teóricas de hasta 134����. En el año 2003, se publica un estándar complementario, el 802.16a, que bá-sicamente extiende el estándar original a bandas de frecuencias más bajas, que permiten la comunicación sin visibilidad directa, mejora la cobertura dentro de edificios y permi-te establecer redes donde los mismos terminales WiMAX actúan como repetidores (mesh networks). El estándar 802.16d, unifica ambos estándares en uno de solo, y ade-más, incorpora algunas correcciones sobre los estándares originales. Éste es el estándar de referencia actualmente. Con posterioridad se diseña el estándar 802.16e, que incluye soporte para la movilidad con velocidades de hasta 120�/ , así como soporte para la itinerancia, en la banda de frecuencias inferiores de las utilizadas por WiMAX.

Esta enorme flexibilidad en términos de bandas de frecuencia, anchuras de ca-

nal, velocidades, etc. sólo se consiguió mediante un estándar de gran complejidad y con un gran número de parámetros y configuraciones posibles, muchas incompatibles entre sí. Además, aunque fuera técnicamente posible trabajar en este rango de frecuencias y canalizaciones, la regulación de los diferentes países no necesariamente lo permite.

9.3. WIMAX. Conceptos teóricos

Propagación NLOS/LOS. El canal radio de un sistema de comunicación inalámbrico es a menudo descrito como LOS o NLOS. En un enlace LOS, una señal viaja a través de un camino directo y sin obstáculos desde el transmisor al receptor. El enlace LOS requiere que la mayor parte de la primera zona de Fresnel esté libre de cualquier obstrucción. Si este criterio no se cumple, entonces se produce una significati-va reducción en el nivel de intensidad de la señal recibida.

En un enlace NLOS, una señal alcanza el receptor a través de reflexiones, di-

fracciones y dispersiones. La señal que llega al receptor está formada por una composi-ción de señales que llegan a través de las anteriores formas de propagación (reflexiones, dispersiones y difracciones). Estas señales tienen diferentes retardos, atenuaciones, pola-rizaciones y estabilidad relativa frente a la señal que transmite por el camino directo. El fenómeno del multipath puede causar también que la polarización de la señal cam-bie. Así el rehúso de frecuencias, que normalmente se hace en los despliegues LOS, pue-de ser problemático en el caso de los NLOS.

Sin embargo hay varias ventajas que hacen los despliegues NLOS deseables. Por

ejemplo, estrictos requerimientos de planificación y restricciones en la altura. La tecno-logía NLOS también reduce los gastos de instalación debido a la facilidad de ubicación

123

de los CPE. La tecnología NLOS y las características mejoradas en WiMAX hacen po-sible el uso de equipos de interior "CPE" (Customer Premise Equipment). Esto tiene dos principales retos; primeramente superar las pérdidas de penetración y segundo, cu-brir distancias razonables con transmisores de baja potencia.

Tecnología OFDM. La tecnología por multiplexación por división en frecuen-cia ortogonal (OFDM), proporciona al operador, en términos de eficiencia, llegar a su-perar los retos de la propagación en entorno NLOS. La señal OFDM ofrece la ventaja de ser capaz de operar con un retardo de ensanchamiento más grande en el ambiente NLOS. Gracias al tiempo de símbolo OFDM y al uso de un prefijo cíclico, la forma de onda OFDM elimina los problemas de interferencia Inter simbólico (ISI) y la compleji-dad de la ecualización adaptativa.

Gracias a que la señal OFDM está compuesta por una multitud de portadoras de banda estrecha ortogonales, la selección del "fading" se localiza en un conjunto de portadoras que son relativamente fáciles de ecualizar. Un ejemplo de esto se muestra a continuación, donde se compara entre la señal OFDM y una simple señal portadora, como la información se manda en paralelo por la OFDM y en serie para la señal simple. La habilidad para superar el retardo de ensanchamiento, el multitrayecto y la interfe-rencia inter simbólica es una eficiente manera que permite unos más altos "throughput". Como por ejemplo, es más fácil ecualizar portadoras individuales OFDM que ecualizar una simple portadora ensanchada.

Los esquemas de diversidad son usados para obtener una ventaja del multitra-yecto y las reflexiones de la señal que ocurren en condiciones de NLOS. La diversidad es una característica opcional en WIMAX. Los algoritmos de diversidad ofrecidos por WiMAX, tanto en transmisión como en recepción incrementan la disponibilidad del sistema. La opción de transmisión en diversidad en WiMAX utiliza la codificación en espacios de tiempo para proporcionar una fuente de transmisión independiente, esto reduce el fading y combate la interferencia. Para la diversidad en recepción, varias téc-nicas se combinan para mejorar la disponibilidad del sistema.

Las técnicas de modulación adaptativa de los sistemas WiMAX permiten ajus-

tar el esquema de modulación de la señal dependiendo de las condiciones de la señal de ruido (SNR) que existen en el enlace radio. Cuando el enlace radio presenta una alta calidad, la más alta modulación es usada, dando el sistema la mayor capacidad. Duran-te un desvanecimiento de la señal, el sistema WiMAX puede desplazar a la señal a un esquema de modulación menor para mantener la calidad y estabilidad del enlace. Esta característica permite al sistema superar los desvanecimientos selectivos en el tiempo.

Técnicas de corrección de errores. Las técnicas de corrección de errores han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requerimientos de la relación señal ruido. El FEC (Strong Reed Solomon), la codificación convolutiva y otros algoritmos son usa-dos para detectar y corregir errores, mejorando el caudal. Estas técnicas de corrección ayudan a recuperar tramas erróneas que pueden haber sido perdidas por desvaneci-

124

mientos selectivos de frecuencia o ráfagas de errores. El ARQ (Automatic repeat re-quest) es usado para corregir errores que no pueden ser corregidos por el FEC. Esto mejora significativamente el BER para similares niveles umbrales.

Los algoritmos de corrección de errores son usados para mejorar el rendimiento

del sistema, estos son implementados por la estación base, la cual manda información sobre el control de potencia a cada CPE para que se regule su nivel de potencia de transmisión, de forma que el nivel recibido en la estación base sea un nivel predetermi-nado. En ambientes con cambios dinámicos por fading este nivel predeterminado signi-fica que el CPE sólo puede transmitir suficiente potencia para llegar a este requerimien-to. Lo opuesto sería que el CPE transmitiese el nivel basándose en las condiciones peo-res. Para LOS la potencia transmitida por el CPE es aproximadamente proporcional a la distancia a la estación base. Para NLOS esto depende altamente del nivel de obsta-culización existente.

Los sistemas "Adaptative Array Antenna" son una parte opcional del estándar

802.16. Estos sistemas representan la más avanzada tecnología de antenas inteligentes (Smart Antenna) a día de hoy. Estos, tienen propiedades de "beamforming" que permi-ten conducir el haz principal de la antena hacia una determinada localización. Esto significa que mientras están transmitiendo, la señal puede ser limitada a la dirección requerida por el receptor. Estos sistemas también tienen propiedades de supresión de la interferencia co-canal desde otras localizaciones con lo cual consiguen además mejorar la relación señal ruido SNR.

El uso de estas antenas va ligado normalmente al empleo de la tecnología MI-

MO (Multiple Input/Multiple Output). Esta tecnología presenta una serie de ventajas del procesado de diferentes señales espaciales. La principal es la diversidad de las ante-nas y el multiplexado espacial. Al usar varias antenas, MIMO ofrece la capacidad de recibir datos coherentemente desde varios caminos o rutas (multipath), mediante ante-nas receptoras separadas espacialmente, esta información es procesada gracias al uso de DSP's (Digital Signal Processing) con elevadas capacidades de procesamiento. [68]

9.4. WIMAX. Impacto medioambiental

En este sentido, el estado y las diferentes delegaciones autonómicas y munici-

pales han desarrollado varias normativas específicas de los sistemas de radiocomunica-ción en cuanto al medioambiente se refiere. A nivel estatal se ha desarrollado el Real Decreto 1066/2001 que establece las condiciones mínimas de seguridad sobre la salud de los sistemas radioeléctricos.

La tecnología WiMAX permite minimizar los posibles efectos negativos al me-

dioambiente tomando en cuenta algunas de las siguientes recomendaciones:

125

• El cumplimiento de la normativa vigente, expresada en las ordenanzas mu-nicipales, leyes autonómicas, nacionales e internacionales. • Utilizar, cuando sea posible, infraestructuras y edificios existentes, permi-tiendo la compartición de las instalaciones con otras operadoras, siempre que no existan imposibilidades técnicas. • Definir estrategias adecuadas para la reutilización, el reciclaje y la recupera-ción de los equipos y materiales utilizados, lo cual permite reducir el consumo energético y la generación de residuos. • Ubicar los equipos de forma que se impida su visión desde la calle y no se di-ficulte la circulación por la azotea y utilizar técnicas de camuflaje o mimetiza-ción, permite reducir el impacto visual y urbanístico. En cuanto a las emisiones electromagnéticas, la potencia radiada por las esta-

ciones base WiMAX es del orden de 50 veces menor que la radiada por las estaciones base del sistema ���900���.

Los organismos reguladores han propuesto diferentes límites de absorción elec-tromagnética. En la figura siguiente, se pueden observar estos límites.

Figura 25. Límites de radiación propuestos por distintos organismos reguladores.

A los valores de potencia de emisión actuales a las distancias calculadas reco-

mendadas y sobre las bases de la evidencia científica disponible, las antenas WiMAX no representan peligro para la salud pública.

9.5. Adecuación de los sistemas WiMAX a los límites

de exposición

Con carácter general puede afirmarse que los actuales sistemas de telefonía mó-vil cumplen los requisitos de exposición exigidos por las normativas. Para ello pueden utilizarse procedimientos teóricos o resultados obtenidos experimentalmente en las nu-

126

merosas campañas de medidas realizadas por administraciones y operadores de varios países y que están recogidos en numerosas publicaciones.

A continuación consideraremos los diferentes tipos de entornos en que pueden instalarse las antenas de las estaciones base WIMAX desde el punto de vista de accesi-bilidad de las personas a sus proximidades.

Para ello utilizaremos los siguientes conceptos:

Distancia de referencia (����). Es la distancia en la dirección principal de emisión de la fuente a la que los niveles de campo producido coinciden con los límites establecidos por la norma. Su valor depende de la consideración o no de la reflexión sobre el suelo u otros obstáculos y en condiciones de campo lejano se calcula mediante una de las siguientes expresiones.

Sin reflexión:

���� � � � !"4 # $ # ����

%&/'

Con reflexión:

���� � � � # � !"4 # $ # ����

%&/'

siendo ���� el límite de exposición en términos de densidad de potencia esta-blecido por la norma a la frecuencia de trabajo y M un valor dependiente de cada em-plazamiento, según una estimación de las posibles reflexiones de la energía radiada por el haz principal que se producen en las proximidades de la antena (en torno a ����).

Perfil crítico de accesibilidad. Se define como la densidad de potencia, en función de la distancia a la vertical de la antena, producida por una fuente a lo largo de la línea de mayor exposición. Esta línea es la contenida en un plano de accesibilidad (por donde pueden caminar personas) que pasa por los puntos donde el diagrama de radiación de la fuente es máximo. Se calcula mediante la expresión,

�(�) � � � !"4 # $ # !'% # *(+, ∅)

donde x es la distancia (en horizontal) a la fuente, ! la distancia entre el cen-tro de la antena y el punto de la línea de mayor exposición y *(+, ∅) es el diagrama de radiación normalizado de la antena.

Distancia de campo próximo (�.�). Es la distancia a la antena, a partir de la cual la estimación de campos con la hipótesis de campo lejano es razonablemente correcta, su valor viene dado por,

127

�/0 � 1 # �

siendo D la dimensión física más grande de la antena.

El valor de 1 se puede tomar como 1 para antenas en que: 0,1 # 2 3 � 3 50 # 2.

El significado físico de este parámetro también es muy claro: es el radio de la es-fera en que se cumple la hipótesis utilizada para encontrar ����. Se pueden dar dos situaciones:

- Si �.� 5 ����, la distancia de referencia es correcta.

- Si �.� 6 ����, los cálculos basados en campo lejano no son válidos.

En la figura siguiente se muestran las dos situaciones más usuales que se pueden presentar en los sistemas WiMAX:

Figura 26. Esquema �.� 7 ���� en diferentes situaciones de antena.

Podemos poner un ejemplo, la micro estación base WIMAX utiliza una antena integrada de 15 89: y las unidades suscriptoras (SU) utilizan antenas integradas de 21 89:. Trabajan en la banda de frecuencias de 5470 – 5725 ��� y su potencia � !" no sobrepasa 1 =.

Así, el cálculo es el siguiente:

� � 4 �>?@A � 1 =

���� � 10 =/�'

Distancia de seguridad � 18 .�.

128

� Cálculo de volúmenes de protección en sistemas WiMAX

Si las antenas de la instalación están situadas sobre mástiles u otras estructuras similares que las alejan de cualquier zona de uso permanente en cualquier dirección, se puede garantizar el cumplimiento de la norma sin más que determinar que la distancia de referencia es inferior a la mínima distancia desde la antena a dichas zonas.

La distancia de referencia (����) se calcula mediante las expresiones anteriores. Las expresiones anteriores suponen que ���� es suficientemente elevada como para que se pueda suponer que se está en condiciones de campo lejano. Si la PIRE es baja puede ocurrir que el límite de exposición se alcance en un punto muy próximo a la an-tena, en el que aún no se haya formado el frente de ondas característico de dicha situa-ción. En este caso puede definirse ���� por caracterización experimental o por esti-maciones teóricas basadas en simulaciones electromagnéticas.

Una solución, cuando la distancia de referencia calculada por las expresiones an-teriores sea menor que la distancia de campo próximo, �.�, es tomar como distancia de referencia,

���� � �.� � 8:�BC�:óC��7EF8BG��CHBC�.

ya que los niveles de potencia emitidos fuera de esta distancia coinciden sensi-blemente con los calculados mediante el diagrama de radiación, aunque la estructura de campo lejano no esté formada.

Paralelepípedo de referencia

Una superficie de protección fácil de calcular es el paralelepípedo que contiene a la superficie límite. Para los sistemas WiMAX viene definido por cuatro cantidades:

- Profundidad en la dirección de radiación JKL. - Profundidad en la dirección opuesta: JKM. - Anchura: JN. - Altura hacia arriba: JOL. - Altura hacia abajo: JOM.

129

Figura 27. Paralelepípedo de referencia. [69]

Su cálculo es inmediato a partir del diagrama de radiación de la antena. Para ello, se determinan, numérica o gráficamente, los ángulos +P, +Q, +R&y +R' en que la proyección sobre el eje del corte correspondiente del diagrama de radiación es máxima figura siguiente. Las expresiones a utilizar son,

S�& � ����

S�' � ���� # T�(+Q) # cos(+Q)

SP � 2 # ���� # T�(+P) # sen(+P)

SR& � ���� # T�(+R&) # sen(+R&)

SR' � ���� # T�(+R') # sen(+R')

siendo ���� el radio de la esfera de referencia y �(+) la ganancia de potencia de la antena normalizada. [69]

a) Corte en el plano horizontal.

130

b) Corte en el plano vertical

Figura 28. Cálculo del paralelepípedo de referencia a partir del diagrama de radiación de la antena. (Diagramas de campo normalizados en unidades naturales).