comportamiento y rendimiento de las comunicaciones...
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COMPORTAMIENTO Y RENDIMIENTO DE LAS COMUNICACIONES DIRECTAS
AIRE – TIERRA DE BANDA ANCHA (BDA2GC) BASADAS EN LAS NUEVAS
TECNOLOGÍAS DE RADIO 5G
Autor: JAVIER ENRIQUE MÉNDEZ GÓMEZ
Director: Ing. ELVIS EDUARDO GAONA GRACÍA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS MAESTRÍA EN TELECOMUNICACIONES MÓVILES
BOGOTÁ – COLOMBIA 2018
2
Nota de Aceptación:
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Bogotá (30-04-2018)
3
Dedicatoria Dedico este trabajo de investigación de maestría primeramente al regalo más
grande que Dios me ha dado, mi hija Sofía y mi esposa Lorena, por convertirse en
el motor de mi vida y ser una motivación para que día a día los deseos de superación
y crecimiento familiar se mantengan fortalecidos.
A mis padres Carlos y Nereida por su amor incondicional, junto a ellos a mis
hermanas Patricia, Neila y Saudy, por ser partícipes de mi formación e inculcar en
mí valores de familia que me han permitido alcanzar grandes logros a nivel personal
y profesional.
A mis suegros Omaira y Darío, mi cuñada Paola, por acogerme y hacerme parte de
su familia, por sus consejos en momentos no tan fáciles y ser un apoyo fundamental
en los proyectos emprendidos.
4
Agradecimientos Agradezco al cuerpo de docentes de la Maestría en Telecomunicaciones Móviles
de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por compartir sus
conocimientos y aportar a mi formación profesional durante el desarrollo del
proyecto curricular.
Un agradecimiento especial a los docentes MsC. Elvis Gaona García y PhD(c). José
Palacios Osma por su orientación a nivel metodológico y técnico durante el
desarrollo del trabajo de investigación, permitiendo de esto modo alcanzar los
objetivos propuestos.
A mis compañeros de trabajo del equipo Tibará, Luvirton, Edgardo, Germán y Felipe por convertirse en voces de aliento y darme el apoyo en aquellos momentos en los cuales los resultados no eran los esperados.
5
Tabla de contenido
Dedicatoria ............................................................................................................... 3
Agradecimientos ...................................................................................................... 4
Lista de figuras ......................................................................................................... 8
Lista de tablas .......................................................................................................... 9
1. Introducción .................................................................................................... 10
2. Planteamiento del problema ........................................................................... 14
3. Objetivos ......................................................................................................... 18
3.1. Objetivo general .............................................................................................. 18
3.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 18
4. Justificación .................................................................................................... 19
5. Estado del arte ................................................................................................ 22
6. Marco teórico .................................................................................................. 27
6.1. Definiciones .................................................................................................... 27
6.2. Principio de funcionamiento ............................................................................ 27
6.3. Clasificación de los sistemas de comunicación aire-tierra .............................. 28
6.3.1. Sistemas de comunicaciones de corto alcance ........................................... 29
6.3.2. Sistemas de comunicaciones de largo alcance ........................................... 30
6.3.3. Sistemas de comunicaciones satelitales ...................................................... 30
6.3.4. Sistemas de comunicaciones directas aire-tierra ......................................... 30
6.4. Identificación de sistemas BDA2GC ............................................................... 31
6.4.1. Sistemas BDA2GC en la Región 1 (Europa) ................................................ 32
6.4.1.1. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 054 ......................................................... 32
6.4.1.2. Sistema BDA2GC ETSI TR 101 599 ......................................................... 35
6.4.1.3. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 108 ......................................................... 37
6.4.2. Sistemas BDA2GC en la Región 2 (Norte América) .................................... 39
6.4.3. Sistemas BDA2GC en la Región 3 (Asia) .................................................... 40
6.4.3.1. Sistema BDA2GC en China ...................................................................... 40
6
6.4.3.2. Sistema BDA2GC en Japón ...................................................................... 42
6.5. Evolución tecnológica hacia 5G ...................................................................... 44
6.6. Casos de uso para 5G .................................................................................... 46
6.7. Objetivos técnicos de 5G ................................................................................ 48
6.8. Nuevas tecnologías de radio (NR) 5G ............................................................ 50
7. Algoritmos y técnicas en modelos de simulación link- level ............................ 52
7.1. Modelo de pérdidas por trayectoria ................................................................. 56
7.1.1. Pérdidas por trayectoria de espacio libre ..................................................... 56
7.1.2. Pérdidas por absorción de oxígeno ............................................................. 57
7.1.3. Atenuación por lluvia .................................................................................... 58
7.2. Modelo de canal para sistema MIMO multipath .............................................. 59
7.3. Estimación del canal ....................................................................................... 61
7.3.1. Estructura de la señal de referencia ............................................................ 62
7.3.2. Estimación del canal por mínimos cuadrados .............................................. 63
7.4. Codificación turbo y LDPC .............................................................................. 64
7.5. Beamforming por descomposición en valores singulares ............................... 66
7.6. Modulación por división de frecuencias ortogonales ....................................... 68
7.6.1. F-OFDM ....................................................................................................... 69
7.6.2. W-OFDM ...................................................................................................... 71
7.7. Estimación y compensación del efecto Doppler .............................................. 72
7.8. Parámetros de simulación............................................................................... 74
7.8.1. Modelado de la antena ................................................................................ 74
7.8.2. Parámetros del sistema ............................................................................... 76
8. Análisis de resultados ..................................................................................... 77
8.1. Diversidad de receptores ................................................................................ 77
8.2. Diversidad de transmisores ............................................................................. 79
8.3. Esquemas de modulación ............................................................................... 81
8.4. Técnicas de multiplexación ............................................................................. 85
8.5. Estimación de canal ........................................................................................ 88
8.6. Efecto Doppler ................................................................................................ 89
7
8.7. Comportamiento de la capacidad del enlace .................................................. 91
9. Conclusiones .................................................................................................. 94
10. Trabajos futuros ............................................................................................... 97
11. Bibliografía ...................................................................................................... 98
12. Apéndices ..................................................................................................... 102
12.1. Algoritmos para link-level simulation ........................................................... 102
8
Lista de figuras
Figura 1. Sistema de comunicaciones aire-tierra (A2G). ....................................... 28
Figura 2. Opciones de conexión de sistemas de comunicaciones aire-tierra (A2G).
............................................................................................................................... 31
Figura 3. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 054. ........................................ 33
Figura 4. Arquitectura de prueba sistema BDA2GC ETSI 103 054 ........................ 34
Figura 5. Arreglo de antenas de tres beams por cuadrante sistema BDA2GC ETSI
101 599. ................................................................................................................. 36
Figura 6. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 108. ........................................ 38
Figura 7. Arquitectura de red de un sistema aire-tierra IMT-2000 CDMA multicarrier.
............................................................................................................................... 40
Figura 8. Arquitectura sistema BDA2GC en China. ............................................... 41
Figura 9. Arquitectura sistema BDA2GC banda de 40 GHz en Japón. .................. 43
Figura 10. Programas globales de desarrollo en 5G. ............................................. 46
Figura 11. Casos de uso para 5G. ......................................................................... 47
Figura 12. Mejora de las capacidades de 5G respecto a 4G. ................................ 49
Figura 13. Escenarios LOS y NLOS en DA2GC. ................................................... 52
Figura 14. Diagrama de bloques del sistema a implementar. ................................ 53
Figura 15. Atenuación específica por lluvias en función de la frecuencia. ............. 59
Figura 16. Estructuras de la señal de referencia.................................................... 62
Figura 17. Diagrama de bloques de un encoder para turbo códigos. .................... 66
Figura 18. Respuesta en frecuencia para el filtro F-OFDM. ................................... 70
Figura 19. Respuesta en frecuencia filtro F-OFDM alrededor del borde de la banda
de paso. ................................................................................................................. 71
Figura 20. Símbolo OFDM con prefijo y sufijo cíclico adicional. ............................ 72
Figura 21. Modelo de la antena. ............................................................................ 75
Figura 22. Comportamiento del BER con diversidad de receptores. ..................... 77
Figura 23. Comportamiento del BER con diversidad de transmisores. .................. 79
Figura 24. Comportamiento del BER ante diferentes esquemas de modulación. .. 82
Figura 25. Espectro de formas de onda W-OFDM y F-OFDM. .............................. 84
Figura 26. Ancho de bando ocupado por una forma de onda OFDM. ................... 85
Figura 27. Comportamiento del BER ante diferentes técnicas de multiplexación. . 86
Figura 28. Comportamiento del BER ante estimación de canal por mínimos
cuadrados. ............................................................................................................. 88
Figura 29. Comportamiento del BER bajo diferentes desplazamientos de frecuencia
Doppler. ................................................................................................................. 90
Figura 30. Comportamiento de la capacidad del enlace. ....................................... 92
9
Lista de tablas
Tabla 1. Pérdidas de oxigeno dependientes de la frecuencia. ............................... 57
Tabla 2. Parámetros del modelo de antena. .......................................................... 75
Tabla 3. Parámetros del sistema. .......................................................................... 76
10
1. Introducción El espectro radioeléctrico es un recurso natural no renovable y es en mayor medida
el alma de la tecnología celular. Los retos establecidos por la tecnología 5G
exacerbaran este paradigma, prometiendo una gama muy amplia de casos de uso
y aplicaciones relacionadas, se incluyen en estas el streaming de video 8K, realidad
aumentada, distintas formas de compartir datos y diversas formas de aplicación tipo
máquina (seguridad vehicular, sensores y control en tiempo real) que requieren una
latencia ultra baja. La demanda de tráfico de datos inalámbricos tiene proyectado
un crecimiento 10.000 veces mayor al actual en los próximos 20 años y, sin un
nuevo espectro adecuado para esta tecnología, será difícil lograr el pleno desarrollo
e implementación de todos los casos de uso y aplicaciones prometidas. Actualmente
la industria celular está explorando desde distintos puntos de vista la forma de
abordar estos desafíos, una ruta prometedora es la utilización del espectro de
frecuencias de ondas milimétricas junto con la densificación de redes. Por su
naturaleza, las frecuencias altas proporcionan mucho más ancho de banda que el
espectro por debajo de 6 GHz que se está utilizando actualmente en
comunicaciones móviles, y las ondas milimétricas hacen más favorable el
despliegue de pequeñas celdas.
Dentro de los ambiciosos objetivos de rendimiento que se ha planteado la tecnología
5G cabe resaltar un aumento entre 10 y 100 veces mayores tasas típicas de datos
de usuario, 10 a 100 veces más dispositivos interconectados, 10 veces menos
consumo de energía en la red, menos de 1 milisegundo de latencia de extremo a
extremo y 10.000 veces mayor tráfico de datos móviles por zona geográfica [1, 2].
Los sistemas de comunicación 5G que se espera que tengan una estructura de red
heterogénea deben estar diseñados de tal manera que proporcionen servicio no
sólo para las personas como usuarios reales, sino también para diversos tipos de
equipos. Al diseñar el sistema de esta manera, se debe tener en cuenta que las
características para cada usuario, tales como longitud de paquetes, velocidades de
datos, frecuencias de transmisión de datos y capacidades, serían diferentes. Esta
variedad de necesidades por parte de los usuarios, dan lugar a una serie de
cuestiones a resolver, tales como la sincronización en tiempo y frecuencia. Con el
fin de superar eficientemente las necesidades surgidas, se requiere del diseño de
nuevas técnicas capaces de utilizar el espectro de manera más eficiente, con
mayores tasas de datos, con menor consumo de energía, y latencia [3, 4].
11
Soportado por la visión de la tecnología 5G de “todo en todas partes y siempre
conectado” con “percepción de capacidad infinita”, y de acuerdo a lo consignado en
el documento NGMN (Next Generation Mobile Networks) White Paper [5], la
movilidad se refiere a la capacidad del sistema para proporcionar una experiencia
de servicio sin interrupciones a los usuarios que se encuentren en movimiento.
Además de los usuarios móviles, los casos de uso 5G identificados muestran que
las redes 5G tendrán que soportar un segmento cada vez más grande de usuarios,
dispositivos estáticos y nómadas. Por lo tanto, las soluciones 5G no deben asumir
soporte de movilidad para todos los dispositivos y servicios, sino más bien
proporcionar movilidad a petición sólo a aquellos dispositivos y servicios que lo
necesiten. En otras palabras, debería apoyarse la movilidad a la carta, desde la
movilidad muy elevada, como los trenes de alta velocidad y los aviones, hasta los
dispositivos de baja movilidad o estacionarios, como los contadores inteligentes.
Bajo los lineamientos establecidos por la ITU en el reporte ITU-R M.2280-0 [6], un
sistema de Comunicaciones Directas Aire-Tierra de Banda Ancha (BDA2GC)
constituye una aplicación para diversos tipos de servicios de telecomunicaciones,
tales como acceso a internet y servicios multimedia móviles, durante los vuelos. Su
objetivo es facilitar el acceso a los servicios de comunicación de banda ancha
durante los vuelos de aeronaves a escala continental. La conexión con los
terminales de usuario de los pasajeros a bordo de los aviones se realiza a través de
los sistemas de comunicaciones móviles ya disponibles en las aeronaves. Aunque
el principal campo de aplicación son las comunicaciones para los pasajeros, un
sistema DA2GC de banda ancha podría también prestar apoyo a los servicios de
comunicaciones administrativas de las aerolíneas y, por lo tanto, mejorar la
operación de las aeronaves, lo que se traduce, en particular, en un menor gasto
operativo para las compañías aéreas. No se pretende cubrir con este sistema las
comunicaciones relevantes para la seguridad en vuelo, tales como el Control de
Tráfico Aéreo (ATC) y los servicios relacionados.
De acuerdo a estadísticas de la Aeronáutica Civil de Colombia, el número de
pasajeros aerotransportados en el país durante el año 2016 fue de unos 67 millones
de usuarios nacionales y extranjeros [7], potencial suficiente para generar una
demanda de millones de horas de conectividad durante este periodo de tiempo, por
tanto, la conectividad a bordo de las aeronaves es un creciente e importante futuro
mercado para el sector de las telecomunicaciones móviles.
12
Hoy día a nivel global, siendo Colombia una excepción de esa globalización, los
pasajeros de las aerolíneas comerciales tienen la posibilidad de utilizar sus
dispositivos móviles para conexiones de banda ancha móvil con una tasa de datos
muy limitada cuando están a bordo de la aeronave. Varias compañías aéreas
ofrecen acceso Wi-Fi después de la fase de despegue, sin embargo, esta tecnología
proporciona un bajo rendimiento si el número de usuarios por punto de acceso es
alto y requiere alguna configuración del dispositivo del usuario final. Además, la
capacidad de enlace de backhaul, que se suministra principalmente a través de
enlaces satelitales vigentes, no es actualmente lo suficientemente alta como para
proporcionar velocidades de banda ancha simultáneamente a cientos de pasajeros.
En aras de garantizar que las estimaciones de rendimiento durante un despliegue
real, y el diseño de los sistemas requeridos por un sistema BDA2GC soportado por
tecnología inalámbrica 5G sean lo más acertado posible; el trabajo de investigación
que se presenta a continuación tiene como fin principal la evaluación del
comportamiento y rendimiento del BDA2GC a nivel de enlace (link-level simulation),
los modelos deben ser precisos e intuitivos, y deben basarse en mediciones
repetibles de cómo se comportan estos en la realidad. Mejor aún, los modelos
también deberían tener alguna base en la física fundamental, ya que las leyes de la
física gobiernan la propagación de las ondas de radio y ayudan a reforzar la
comprensión universal de los fundamentos del canal sobre el amplio espectro de
las ondas milimétricas [8].
Particularmente, bajo la evaluación a nivel de enlace (link-level simulation), se
proporcionan las bases de referencia para el principio de diseño del futuro enlace
A2G (Air to Ground) basado en NR (New Radio), se proporciona una estimación
para el rendimiento de la relación señal a interferencia-ruido (SINR) por sus siglas
en inglés con diferentes parámetros de despliegue. Por otra parte, se analiza el
desempeño de la tasa de error de bit (BER) y capacidad del sistema bajo estándares
5G, para ello, se determinan nuevos esquemas de modulación y diversas técnicas
de antenas tendientes a comprobar la posible forma de mejorar el rendimiento del
enlace aire – tierra.
13
El documento se desarrolla inicialmente con el planteamiento del problema,
sucedido por los objetivos que se desean alcanzar con el desarrollo de la propuesta
de investigación, posteriormente se presenta la justificación de la propuesta de
investigación con su respectivo soporte desarrollado en el marco teórico. En la parte
final del documento se plantea el enfoque metodológico del trabajo de investigación
y se exponen las actividades a desarrollar durante la misma con su respectivo costo,
referenciado en el presupuesto del proyecto.
14
2. Planteamiento del problema El flujo de pasajeros que se movilizan vía aérea en Colombia al igual como viene
sucediendo a nivel mundial, ha mantenido en la última década una tendencia de
crecimiento. Soportado por las estadísticas de la Aeronáutica Civil de Colombia,
durante el año 2016 se movilizaron un total de 35.77 millones de pasajeros en el
formato origen-destino, lo que representa un incremento del 4.81% con relación al
año 2015, equivalente a 1.64 millones de personas [9]. Dada la masificación que
han tenido las comunicaciones móviles, por lo menos el 90% del total de usuarios
referenciados en las estadísticas cuentan con un terminal móvil, comúnmente usado
para su conexión a una red celular estándar, así, solo en Colombia 32,20 millones
de personas son el potencial que demanda conectividad a bordo de las aeronaves
en las cuales se transportan.
Con el incremento continuo del número de usuarios, las aerolíneas han iniciado una
competencia enfocada en ofrecer los mejores servicios de vuelo en su clase, lo
anterior con el fin de atraer una mayor cantidad de pasajeros y generar mayores
dividendos por los servicios ofrecidos, uno de los servicios clave en esta
competencia es la conectividad de banda ancha a bordo de las aeronaves durante
un vuelo rutinario. Hoy día todas las personas están acostumbradas a las
conexiones de banda ancha en cualquier lugar, 24/7, impulsado esto por la
necesidad de los usuarios de mantenerse en contacto con sus familias, disfrutar del
entretenimiento, aplicaciones multimedia y mantener comunicaciones comerciales
críticas. Así, durante un vuelo los pasajeros desean tener una conectividad de
banda ancha igual a la que experimentan cuando están conectados a la red celular
terrestre o cualquier punto de acceso a través de Wi-Fi, dichas expectativas están
aumentando la demanda de conexiones rápidas e ininterrumpidas en las aeronaves
hasta el punto en que la capacidad de banda ancha en vuelo que una aerolínea
pueda brindar a sus usuarios se ha convertido en una ventaja competitiva
diferencial.
Actualmente, la mayor parte de la conectividad en vuelo utiliza un backhaul por
satélite por lo general operando en banda Ku o Ka, y en algunos casos como en
Estados Unidos se provee conexión a través de servicios móviles terrestres 3G o
4G. Para los vuelos continentales cortos y medianos, categoría en la que clasifican
la mayoría de los vuelos que operan las aerolíneas en territorio colombiano, estos
15
sistemas de conectividad vía satélite facilitados por un proveedor externo tienden a
ser voluminosos y considerablemente costosos. Adicionalmente, la capacidad
actual es limitada y presenta alta latencia, especialmente cuando se soporta el
servicio a un gran número de aviones continentales en un área geográfica limitada.
A pesar de que los sistemas aire – tierra basados en una conexión satelital y los
híbridos que combinan satélites y redes móviles terrestres coexistentes hoy en día,
y haciendo claridad que ninguna de estas opciones se encuentra disponible en las
aerolíneas colombianas para brindar conectividad a sus usuarios, todavía no existe
una solución rentable para conectividad de banda ancha en vuelo, especialmente
para satisfacer necesidades de pasajeros que demandan video y comunicaciones
multimedia a bordo de las aeronaves.
Las soluciones satelitales de banda Ku y Ka para proveer el enlace actual entre los
servicios digitales y la aeronave son eficientes para vuelos de larga distancia en
rutas intercontinentales sobre los océanos, al menos en términos de cobertura. Sin
embargo, en lo que respecta a las desventajas de operación para los vuelos
continentales de corta y media distancia, una solución basada en satélites además
de ser relativamente costosa, presenta la desventaja de que el equipo requerido en
la aeronave es pesado, voluminoso y caro, se estima que los costos de equipos
requeridos son de 400.000 dólares por aeronave más 100.000 dólares de
instalación [10]; a todo esto, se suma el hecho de que la latencia es alta en regiones
con mayor densidad de tránsito aéreo (500 ms en una red de satélites GEO y 30 ms
en LEO, con trayectorias de transmisión de 36000 Km y 1500 Km respectivamente),
un obstáculo general para cualquier servicio de latencia critica.
Entendiendo un sistema de Comunicaciones Directas Aire – Tierra de Banda Ancha
(BDA2GC) como la combinación de dos subsistemas, uno de ellos instalado en la
aeronave llamado Aircraft Station (AS) y otro en tierra denominado Ground Station
(GS) [12], que permiten establecer un enlace de conectividad directo entre una radio
base y una aeronave en vuelo, cuyo fin principal es proveer comunicaciones de
banda ancha a los potenciales usuarios con un alto factor de calidad de servicio
(QoS); se infiere entonces que para cumplir estos requerimientos de forma óptima,
la tecnología sobre la que se despliegue el sistema de comunicación aire - tierra
16
requiere un mayor espectro, mejor eficiencia espectral y una administración de
redes más optimizada en comparación a lo que se ofrece actualmente.
Partiendo de esta apreciación, la selección y definición de parámetros a nivel de la
capa física correspondiente a la tecnología inalámbrica sobre la cual se soportarán
los sistemas BDA2GC son aspectos determinantes, en este sentido los criterios de
diseño dependen de las demandas de los potenciales usuarios, los criterios
tecnológicos, el sistema y los métodos previstos para generar las señales a
transmitir desde el transmisor y recibir al lado del receptor a través de un canal. Por
tanto, el comportamiento y rendimiento de las tecnologías de radio a nivel de capa
física cambian con respecto a una nueva generación, hecho que impacta
frontalmente las prestaciones del sistema de comunicación directa aire - tierra. Así,
las técnicas de generación de formas de onda, los esquemas de modulación, la
configuración del sistema de antenas, el análisis del comportamiento de canal y
demás factores que se puedan considerar en las tecnologías móviles 2G/3G/4G, no
pueden satisfacer las demandas de las redes inalámbricas de próxima generación,
hecho que supone la generación de nuevos métodos para abordar, analizar y
caracterizar de forma adecuada los requerimientos nacientes con 5G.
Referentes del interés y los esfuerzos de la industria para desarrollar de forma
continua los sistemas de comunicaciones aire-tierra, están Gogo Inc. que ya ha
desplegado más de 200 estaciones terrestres DA2GC en los Estados Unidos y
Canadá basadas en CDMA2000 [13]. Sin embargo, este servicio tiene bajas
velocidades de datos debido a limitaciones de ancho de banda (hasta 9.8
Mb/s/celda). Adicionalmente, Deutsche Telekom e Inmarsat desplegaron la Red
Europea de Aviación (EAN) instalando 300 estaciones terrestres en Europa para
proporcionar conectividad A2G hasta 75 Mb/s/celda [14]. Basados en ensayos
realizados en Europa, LTE típicamente puede alcanzar una tasa promedio de datos
de 26 – 30 Mb/s/celda en el enlace directo tierra-aire [14,15]. Dado que los clientes
esperan una conexión a bordo de varios Mb/s, en las aeronaves se requieren
enlaces de Gb/s para proporcionar tales niveles de datos, condicionando así un
sistema BDA2GC con más espectro, mayor eficiencia espectral y mejoras mediante
técnicas de comunicación como las provistas en 5G.
17
Ante la necesidad de brindar una solución de conectividad eficiente de banda ancha
a los usuarios durante un vuelo continental a un precio asequible y la introducción
de nuevas tecnologías de comunicaciones móviles, viables económica y
tecnológicamente para las aerolíneas en Colombia, se requiere de un estudio
riguroso en el cual se contemplen todos los factores que tengan incidencia sobre el
despliegue de un sistema de comunicación directa aire – tierra de banda ancha
(BDA2GC) que supla esta necesidad. De forma general se han comentado las
limitaciones que presentan actualmente las soluciones de este tipo soportadas por
sistemas satelitales o hibrido satélite – estaciones terrestres, las mismas realmente
no ofrecen las velocidades de conexión esperadas por el costo al que son ofrecidas;
por tanto, los esfuerzos de la investigación se concentran en el estudio y
caracterización de las posibles alternativas de solución basadas en tecnologías de
comunicación de última generación con el fin de proveer herramientas para el
análisis, diseño e implementación de una arquitectura de comunicación directa aire
– tierra con prestaciones de banda ancha. Así, el objeto de la presente propuesta
de investigación es: ¿Cuál es el comportamiento y rendimiento de un sistema de
comunicaciones directas aire – tierra de banda ancha (BDA2GC) soportado en las
nuevas tecnologías de radio 5G?
18
3. Objetivos La necesidad de evaluar el comportamiento y rendimiento de un sistema de
comunicaciones directas aire–tierra de banda ancha (BDA2GC) soportado en las
nuevas tecnologías de radio 5G, bajo la perspectiva de una caracterización a nivel
de enlace (link-level simulation) implementando beamforming, mayor ancho de
banda y mayores ganancias de antenas, se delimita dentro de la propuesta de
investigación los objetivos que se relacionan a continuación:
3.1. Objetivo general
Caracterizar a nivel de enlace (link-level simulation) el comportamiento y
rendimiento de un sistema de comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha
(BDA2GC) soportado en las nuevas tecnologías de radio 5G.
3.2. Objetivos específicos
Determinar parámetros relevantes para el despliegue de un enlace BDA2GC
(diversidad de transmisores y receptores, esquemas de modulación, técnicas
de multiplexación, estimación de canal, efecto Doppler) y su influencia en la
evaluación del BER a nivel de enlace (link-level simulation) en 5G.
Identificar el modelo de canal adecuado para el despliegue de un sistema
BDA2GC sobre 5G.
Evaluar el impacto de las distintas técnicas avanzadas de antenas
(beamforming) sobre el comportamiento del BER en un enlace BDA2GC en
5G.
Analizar el comportamiento de la capacidad del enlace del sistema BDA2GC
con base en la estimación BER en link level simulation.
19
4. Justificación La conectividad de banda ancha en vuelo es un mercado abierto significativo para
operadores de redes móviles, considerando que más de 35 millones de pasajeros
fueron atendidos por las aerolíneas en Colombia durante el año 2016. Los servicios
de banda ancha a bordo se proporcionan a través de la conexión aire-tierra (A2G),
comunicación directa A2G (DA2GC) y comunicación vía satélite A2G (SA2GC). Los
sistemas de conectividad disponibles a bordo tienen limitaciones significativas: alta
latencia en SA2GC y baja capacidad en DA2GC. La expectativa del cliente es
conexión de múltiples Mb/s en cada asiento, lo que conlleva a las aeronaves a
cumplir con requisitos de capacidad en el orden de Gb/s. La creación de
conectividad de banda ancha en vuelo de alta capacidad requiere una interacción
colaborativa entre la línea investigativa de la academia y la industria. Por tal motivo,
se investigan en profundidad en este trabajo las arquitecturas A2G desde el punto
de vista ingenieril, analizando los diferentes componentes del sistema, definiendo
roles para cada uno de ellos y proponiendo modelos de despliegue integrables al
ecosistema A2G, haciendo énfasis en la futura generación de comunicaciones
móviles 5G.
Los operadores de satélites GEO generalmente utilizan satélites de banda Ku
debido a su disponibilidad y amplia cobertura. Algunos de los proveedores de
comunicaciones aire-tierra como Gogo-2Ku y Panasonic soportan sus servicios con
satélites de banda Ku, SA2GC en banda Ku puede proporcionar niveles de
capacidad de hasta 70 Mb/s por aeronave, y con satélites de alto rendimiento (HTS)
la velocidad de datos alcanzable puede llegar hasta 100 Mb/s con reutilización de
frecuencias y tecnologías de haz puntual [16, 17]. Las iniciativas de satélites de
banda ancha de baja órbita terrestre (LEO), por ejemplo, OneWeb, podrían ser una
solución alternativa para la conectividad de baja latencia y alta capacidad A2G con
su órbita terrestre cercana (≈ 1200-1500 Km) [16]. Sin embargo, el primer sistema
de satélites de banda ancha LEO no estará operativo antes de 2022. Por lo tanto,
se mantiene la proyección de que las comunicaciones aire-tierra de banda ancha
serán proporcionadas por SA2GC a través de satélites GEO y, si es posible, por
BDA2GC a través de estaciones base en tierra tecnología 5G en un futuro próximo,
objeto de estudio de este trabajo de investigación.
20
Por su parte, un sistema DA2GC utiliza estaciones base en tierra para conectar la
aeronave en vuelo con la red terrestre. De esta manera, los problemas de latencia
de los servicios de banda ancha a bordo que presenta SA2GC pueden aliviarse
debido a que el rango de celdas estará entre 50 y 100 km basado en la distancia
entre sitios (ISD), y se pueden conseguir RTTs de 5 a 10 ms [5]. En comparación
con los satélites GEO (36000 Km y 500 ms RTT) y LEO (1500 Km y 30 ms RTT),
DA2GC ofrece una mejora significativa en la latencia y permite ofrecer aplicaciones
con requisitos de QoS moderado. Bajo esta configuración la capacidad es
compartida por el número de aeronaves en la celda, y entonces la capacidad
resultante por avión es compartida por los pasajeros a bordo.
Con base en un informe publicado por la Conferencia Europea de Administraciones
Postales y de Telecomunicaciones (CEPT) [15], pruebas adelantadas por las
empresas Deutsche Telekom, Nokia y Airbus para proveer servicios DA2GC en
Europa, configurando estaciones terrenas basadas en LTE con 100 Km de ISD,
mostraron resultados para un enlace A2G a 2.6 GHz (ancho de banda 2 x 10 MHz)
de 26 – 30 Mb/s en el enlace de subida (tierra-aire) y 17 Mb/s en el enlace de bajada
con una latencia inferior a 60 ms. Sin embargo, un sistema BDA2GC requiere
mayores recursos de espectro para proporcionar altas velocidades de datos que le
permitan ser una alternativa de solución rentable y efectiva para SA2GC.
En 5G, las frecuencias de onda milimétrica (mmWave) son de considerable atención
en la investigación debido a la cantidad disponible de ancho de banda de
aproximadamente 500 MHz y más. Con longitudes de onda bajas de mmWave, se
pueden emplear arreglos de antena grandes para proporcionar ganancias mayores
que permitan compensar los valores elevados de pérdidas de trayectoria. Los
arreglos de antenas de estas dimensiones también permiten la aplicación de
técnicas avanzadas, como la formación de haces multiusuario y la cancelación de
interferencias. Por lo tanto, se pueden mantener altas eficiencias espectrales con
sistemas mmWave mediante esquemas de modulación tales como 256QAM,
1024QAM y 4096QAM (8, 10 y 12 bits/símbolo, respectivamente). Sin embargo,
para utilizar las frecuencias mmWave, se requiere un análisis de factibilidad para
DA2GC considerando, por ejemplo, los efectos de la lluvia y las atenuaciones
atmosféricas.
21
Por tanto, un estudio formal y organizado que permita caracterizar y evaluar el
rendimiento de un sistema BDA2GC, es de necesaria obligatoriedad para poder
determinar la hoja de ruta a seguir durante el diseño e implementación de una red
estaciones en tierra 5G y su contraparte en las aeronaves con las cuales se
pretende establecer el enlace de comunicación directo aire-tierra. Con el desarrollo
del trabajo de investigación se identifican claramente factores que puedan afectar
el desempeño y rendimiento del BDA2GC y su relación con factores externos.
La evaluación planteada dentro del trabajo de investigación permite determinar
entonces una serie de factores influyentes en el comportamiento del sistema a nivel
de capa física (link-level simulation), dentro de ellos cabe destacar el modelo de
canal tridimensional utilizado, identificación apropiada del modelo para caracterizar
las pérdidas de trayectoria en ambientes específicos, definir las características de
elementos físicos tales como el tipo y configuración del arreglo de antenas,
ganancias en las etapas del sistema, ancho de banda, esquemas de modulación y
otra serie de variables que se analizan en profundidad durante el desarrollo del
trabajo de investigación. Pasar por alto el estudio de comportamiento y rendimiento
de un sistema de comunicación directa aire-tierra de banda ancha (BDA2GC) sobre
5G, al tratarse de una nueva plataforma tecnológica incurrirá en el diseño y posterior
implementación de un sistema que no es funcional para satisfacer las necesidades
de conectividad de alta capacidad requeridas por los usuarios a bordo de las
aeronaves, con altos índices de latencia y discontinuidad en la conexión, un sistema
cuyos componentes no son integrables al ecosistema en que se pretende realizar
el despliegue, lo que finalmente conlleva a una malversación de recursos y asumir
costos mayores durante la reconfiguración del sistema de comunicación A2G
instalado inicialmente.
22
5. Estado del arte La historia de las comunicaciones aire-tierra se remonta a los inicios de la aviación
a nivel mundial, siempre que una aeronave despegaba y se alejaba de su centro de
operaciones se hacía necesario un control en vuelo que permitiera conocer el
desarrollo del mismo, situaciones de emergencia, coordinaciones en tierra y demás
aspectos propios de un vuelo, este hecho potencializó la combinación de las
telecomunicaciones y la aviación. Inicialmente se desarrollaron e instalaron equipos
a bordo de las aeronaves cuyo fin principal era el de proveer comunicaciones entre
la aeronave y un centro de control, a través del cual se canalizaba cualquier
requerimiento y se suministraban las instrucciones a las partes involucradas. Sin
embargo, esta situación fue cambiando y de la mano con la evolución de las
tecnologías inalámbricas y los requerimientos de movilidad de las personas, se hizo
necesario el desarrollo de sistemas capaces de proveer cobertura y brindar el
acceso a las redes de comunicación sin importar las condiciones de tiempo y lugar.
Así, la evolución de las comunicaciones directas aire-tierra (DA2GC) ha sido
paralelo a la tecnología inalámbrica de turno (2G/3G/4G) que soporta las
comunicaciones inalámbricas a través de la red terrestre, bajo esta perspectiva la
tecnología venidera se ha denominado 5G y será esta la autopista sobre la cual de
desplieguen los nuevos sistemas de comunicaciones directa aire-tierra de banda
ancha (BDA2GC).
Actualmente se cuenta con material bibliográfico disponible de varios autores que
abordan la temática de comunicaciones directas aire-tierra desde diferente óptica
en sus trabajos de investigación, de forma simultánea diferentes grupos de trabajo
a nivel industrial adelantan proyectos en los cuales se están integrando los
resultados producto de dichas investigaciones con la implementación de estaciones
terrenas y equipos en las aeronaves para establecer el enlace de comunicación
directo; a continuación se presenta una síntesis de los trabajos más importantes en
relación con el objeto de estudio del presente trabajo de investigación.
Un trabajo interesante fue el realizado en el año 2004 por investigadores del Instituto
de Comunicación y Navegación del DLR (German Aerospace Center), trabajo
publicado en el IEEE Communications Society [17]. En este trabajo, los autores
presentan los resultados de una simulación de varios servicios para pasajeros con
diferentes QoS, considerando varios tipos de aeronave en rutas de largo radio
cruzando el Atlántico Norte. En el mismo se realizan simulaciones utilizando
23
modelos de usuario que toman como referencia un modelo de usuario de ETSI de
1998, y que modifican para actualizarlo y ajustarlo a los diferentes servicios que
simulan en las diferentes aeronaves comerciales de tipo “wide body” (Airbus A340,
A380, Boeing 747, 767, 777). Los autores concluyeron que empleando un sistema
de comunicación aire-tierra satelital (SA2GC), para garantizar calidad de servicio
durante el 99% del tiempo de vuelo (fase de crucero) se precisa un canal satélite de
al menos 204 Kbps para un Airbus A380, 159 Kbps para un Boeing 777 y 130 Kbps
para un Airbus A340.
Conceptualmente los sistemas de comunicaciones aire-tierra en un inicio fueron
concebidos para operar de forma única con un backhaul satelital, sin embargo,
autores como Terrys D. (2012), enfocaron sus estudios en el planteamiento de una
arquitectura de red flexible o hibrida, operando con un enlace satelital en zonas
intercontinentales y conmutando a una red terrestre en zonas donde se pueda
brindar cobertura [18]. En el trabajo se destacan teóricamente las ventajas del
sistema, pero no se relaciona resultado alguno que de forma estadística demuestre
dichas bondades.
En trabajos más recientes la comunidad investigadora y distintos grupos industriales
ha mostrado un interés creciente en el estudio de los sistemas de comunicación
directa aire-tierra, de especial atención ha sido lo concerniente a la disminución de
la latencia del enlace, reducción de costos y facilidad de acceso por parte de los
usuarios. Para el año 2012, la empresa de telecomunicaciones Nokia y la casa
fabricante de aeronaves Airbus, realizaron en Europa los primeros vuelos de
comprobación operando un sistema de comunicaciones aire-tierra mixto, el mismo
combinaba backhaul por satélite operando en banda S (Europasat) y otra parte
soportada por la red celular terrestre, denominada en el documento de referencia
como “Europe-wide S-band ground network’’ [11]. Los resultados de los vuelos
realizados son resumidos de forma general en el documento, y los mismos fueron
tomados como referencia para la definición de un modelo de negocio para las
aerolíneas europeas que posteriormente quisieron implementar en su flota de
aviones el sistema propuesto por Nokia y Airbus.
En Asia, de forma paralela a las pruebas que se adelantaban en Europa, la Civil
Aviation Flight University of China en 2011 inició las pruebas de su sistema de
24
comunicaciones aire-tierra de banda ancha, de forma general la investigación y la
propuesta tecnológica implementada consistía en el despliegue de una red de
estaciones terrenas a lo largo de una aerovía denominada “test route” que se
interconectaba con una estación móvil aerotransportada. Cada estación terrena se
conectaba a una red IP y configuraba múltiples puertas de enlace para proveer una
interface entre el sistema desarrollado y la red celular terrestre que operaban las
compañías de telefonía celular comercialmente en su momento (GSM, CDMA,
PSTN). Para el año 2012 se presentaron los primeros resultados después de varios
vuelos de pruebas, se logró brindar acceso a internet de forma simultánea a dos
aeronaves en vuelo, ofrecer video en calidad HD (high definition), realizar llamadas
VOIP en vuelo y establecer una videoconferencia aire-aire-tierra [19]. La
investigación adelantada sentó las bases para el desarrollo de nuevos sistemas,
con mejores prestaciones, mayor capacidad, velocidad de datos superior y múltiples
usuarios, en gran medida, gracias a este tipo de trabajos iniciados como
investigaciones desde la academia, hoy día Asia y Europa son los continentes con
mayor desarrollo tecnológico en el área de las comunicaciones directas aire-tierra
de banda ancha.
Teniendo en cuenta que a nivel de arquitectura se han definido dos líneas
fundamentales para las comunicaciones directas aire-tierra, una de ellas basada en
satélite y la otra una combinación de estos con la red terrestre; recientemente los
trabajos de investigación han fijado su atención en la optimización del sistema
mediante la aplicación de diferentes tecnologías a nivel de capa física, en especial
para el sistema soportado por la red celular terrestre. El investigador Shun-Ping C.
(2014) en su trabajo muestra las mejoras que se obtienen en el rendimiento del
enlace con el uso apropiado de esquemas de coordinación de interferencia, distintos
esquemas de modulación y antenas con patrones de radiación y ángulos de uptilt
apropiados. Las métricas obtenidas como resultados de las simulaciones de la
arquitectura propuesta sobre tecnología LTE, mostraron las mejoras en cobertura,
incremento en la tasa de datos y disminución de la interferencia entre estaciones
base próximas [20].
Las investigaciones más recientes y que actualmente se encuentran en desarrollo
son las dirigidas por Instituto Europeo de Innovación y Tecnología (EIT), como una
organización líder en investigación y desarrollo de nuevas tecnologías, tiene como
objetivo principal la transformación digital de la Unión Europea. Bajo el nombre de
25
ICARO-EU, la división EIT-Digital adelanta todas las actividades de investigación y
puesta en funcionamiento de un sistema integrado de comunicaciones aire-tierra de
alta capacidad a través de la red celular terrestre, sin pérdida de conexión ni
intervención del usuario. Este ambicioso proyecto cuenta con dos actores
principales, Ericsson Telecomunicaciones como proveedor de toda la conectividad
de radio y Airbus como integrador de los equipos necesarios en las aeronaves. Se
espera que el sistema brinde capacidad de 2 a 3 Mbps a cada usuario y un total de
400 Mbps por aeronave, y se prevé que los vuelos de comprobación del sistema
inicien en el año 2018 [21].
Como se puede notar la mayoría de los estudios adelantados en comunicaciones
directas aire-tierra tienen su mayor cuota en Asia y Europa, el aporte del continente
americano a excepción de América del Norte es prácticamente nulo. A nivel de
Latinoamérica, para el caso específico de Colombia, no se encuentran trabajos de
investigación relacionados con las comunicaciones directas aire-tierra de banda
ancha. Por su parte, los trabajos más aproximados en este campo se han
desarrollado en lo concerniente a plataformas de gran altitud (HAP), concebidas
estas como estaciones ubicadas a una altitud de 20 a 50 Km y en un punto nominal,
fijo y especificado con respecto a la tierra, características que lo hacen claramente
diferenciable de un sistema comunicaciones directas aire-tierra en el cual la estación
móvil (aeronave) se encuentra a menor altura y moviéndose a gran velocidad con
respecto a un punto sobre la superficie terrestre. De este modo se deja el
precedente que la bibliografía producto de investigaciones sobre los sistemas
DA2GC en Colombia es muy limitada, lo anterior se ve soportado igualmente por el
hecho de que solo a finales del año 2016 las aerolíneas nacionales que operan
vuelos continentales mostraron su interés por la adopción y futura instalación (sin
fecha definida) de un sistema de comunicaciones directas aire-tierra soportado por
satélites para brindar conectividad en vuelo a sus usuarios.
Los trabajos relacionados anteriormente muestran el amplio campo de acción que
se tiene para el desarrollo de investigaciones relacionadas con las comunicaciones
directas aire-tierra de banda ancha (BDA2GC), desde enfoques conceptuales hasta
el planteamiento de mejoras con la implementación de técnicas avanzadas de
antenas, tratamiento de señales y demás factores propios y aplicables a cada una
de las generaciones de tecnología inalámbrica. En todos los trabajos se parte del
enfoque básico de un sistema de comunicaciones aire-tierra, el cual tiene como
26
finalidad principal brindar un canal que permita a los pasajeros de una aeronave
establecer comunicación y tener acceso a los servicios ofrecidos por los operadores
de red en tierra. De forma general, este concepto es el punto de partida para
desarrollar el objeto del presente trabajo de investigación, el análisis del
comportamiento y rendimiento de las comunicaciones directas aire – tierra de banda
ancha (BDA2GC) basadas en las nuevas tecnologías de radio 5G.
27
6. Marco teórico
6.1. Definiciones
Según [ETSI TR 103 054] [22], documento de referencia en temas de compatibilidad
electromagnética y radioespectro, los componentes básicos de un sistema de
comunicaciones aire-tierra se definen de la siguiente manera:
Direct Air-to-Ground (DA2G): enlace directo de radio entre una Aircraft
Station (AS) y una Ground Station (GS).
Aircraft Station (AS): entidad a bordo de una aeronave que proporciona las
funciones de radio, control y telecomunicaciones para la comunicación DA2G
de banda ancha.
Ground Station (GS): entidad en tierra que proporciona las funciones de
radio, control y telecomunicaciones para la comunicación DA2G de banda
ancha.
Forward Link (FL): dentro del sistema de comunicación DA2G, corresponde
al enlace desde la Ground Station (GS) a la Aircraft Station (AS).
Reverse Link (RL): dentro del sistema de comunicación DA2G, corresponde
al enlace desde la Aircraft Station (AS) a la Ground Station (GS).
Partiendo de estas definiciones la función de las entidades que conforman un
sistema de comunicaciones directa aire-tierra (DA2G), es en esencia establecer y
mantener una conexión de datos entre una aeronave (AS) y la estación terrena
(GS), dentro del sistema el intercambio de información bidireccional se realiza a
través del enlace de subida (FL) y el enlace de bajada (RL), respectivamente.
6.2. Principio de funcionamiento
Con el fin de explicar el principio de funcionamiento de un sistema de
comunicaciones aire-tierra (A2G) en general, se parte del hecho que sin especificar
la tecnología sobre cual se soporta el sistema, su operación es bastante simple: las
28
estaciones de radio base en tierra (GS) están conectadas a una antena instalada
en el fuselaje de una aeronave (AS), transmitiendo datos a una velocidad
determinada mientras el avión se encuentra en vuelo a una altitud de hasta 12 Km.
Posteriormente la señal se distribuye en la aeronave a través de distintos puntos de
acceso, en la Figura 1 se ilustra de forma general lo descrito anteriormente.
Figura 1. Sistema de comunicaciones aire-tierra (A2G).
Fuente: In-Flight Broadband Connectivity.
6.3. Clasificación de los sistemas de comunicación aire-tierra
29
Hoy día uno de los más importantes atributos de clasificación de un sistema de
comunicación aire-tierra es el rango de operación. Por consiguiente, los sistemas
pueden ser divididos en dos grupos principales: sistemas de corto alcance y
sistemas de largo alcance o rango extendido.
6.3.1. Sistemas de comunicaciones de corto alcance
Se consideran sistemas de corto alcance aquellos que operan en un rango menor
al posible obtener con línea de vista (LOS), basados en el radio efectivo de la tierra,
el alcance máximo es:
𝑅𝐿𝑆 ≈ 4.1(√ℎ𝑇 + √𝐻𝐴) 𝐾𝑚 (6.3.1.1)
Donde ℎ𝑇 y 𝐻𝐴 son la altura de la torre de la estación terrena y la altitud de la
aeronave respectivamente en metros. En caso de que ℎ𝑇 ≪ 𝐻𝐴, la ecuación
(6.3.1.1) se puede escribir de la siguiente forma:
𝑅𝐿𝑆 ≈ 4.1√𝐻𝐴 𝐾𝑚 (6.3.1.2)
Por ejemplo, para una altitud de 12000 m (cercana al máximo posible para
aeronaves de tipo comercial) el rango de línea de vista será de 449 Km. Sin
embargo, en la práctica el alcance de las comunicaciones se reduce a un rango
alrededor de 320 Km en las bandas de UHF/VHF.
Desde que el contacto radio entre una estación terrena y las aeronaves es realizado
en onda con línea de vista, los sistemas de comunicaciones de corto alcance operan
en las bandas de UHF/VHF. En particular, se ha destinado el rango de frecuencias
118 – 136.975 MHZ para los sistemas de control de tráfico aéreo y comunicaciones
entre aeronaves civiles, esta banda es conocida como banda aérea. La totalidad de
la banda aérea es dividida en canales separados de 25 KHz.
Concerniente a la potencia radiada por aeronaves en comunicaciones de corto
alcance, estos valores son relativamente pequeños, en un rango de 5 – 30 W.
30
6.3.2. Sistemas de comunicaciones de largo alcance
Sistemas operando a distancias mayores que el alcance de línea de vista (LOS) y
por lo tanto más allá del horizonte de radio, son frecuentemente denominados
sistemas de largo alcance. Este largo alcance de operación motiva la selección de
frecuencias de portadoras para estos sistemas tales como la banda de frecuencias
HF (3 – 30 MHz). Comunicaciones sobre largas distancias son posibles a las
múltiples reflexiones ionosfera – superficie terrestre de las ondas HF. Como una
desventaja, largas distancia y múltiples reflexiones requieren trasmisores de alta
potencia, para aeronaves en un rango de 100 – 400 W, para estaciones terrestres
varían entre 300 – 1000 W.
6.3.3. Sistemas de comunicaciones satelitales
Los sistemas de comunicaciones satelitales son considerados como otra clase
especial de los sistemas de largo alcance. En este caso, una estación satelital
terminal es instalada sobre una plataforma en movimiento (aeronave en particular).
Como una estación terminal utiliza un arreglo de antenas relativamente pequeño
con sistemas avanzados de seguimiento para proveer la exactitud suficiente en
orientación hacia un satélite particular evitando la interferencia a otros satélites o
con otros sistemas, y lo más importante, mantener el enlace energético requerido.
Estos sistemas permiten una tasa media de datos desde orbitas geoestacionarias
(GSO) o no-geoestacionarias (non-GSO), una conexión de aproximadamente 1.5
Mbps.
Las bandas de frecuencias usadas para sistemas de comunicación satelitales
existentes, incluyendo el enlace de bajada y subida de acuerdo a definiciones de
IEEE, son banda L (~1.6 GHz), banda C (4.2 – 4.6 GHz), banda X (7.25 – 8.4 GHz),
banda Ku (11.7 – 14.5 GHz) y banda Ka (17.7 – 31 GHz) [23].
6.3.4. Sistemas de comunicaciones directas aire-tierra
Como se describió anteriormente en el apartado de principio de funcionamiento,
esencialmente una aeronave puede conectarse a estaciones terrenas directamente
(DA2G), vía satélite (SA2G) o mediante la combinación de las formas mencionadas
31
anteriormente. En la Figura 2, se referencian los sistemas descritos, haciendo
énfasis en que cada una de las opciones señaladas define y tiene una arquitectura
diferente dados los requerimientos del enlace. El interés principal del trabajo de
investigación se centra en los sistemas de comunicación directa aire-tierra,
resaltado por un recuadro en la misma figura.
Figura 2. Opciones de conexión de sistemas de comunicaciones aire-tierra (A2G).
Fuente: Air-Ground Channels and Models.
6.4. Identificación de sistemas BDA2GC
A nivel mundial se han desarrollado distintas iniciativas en lo que a sistemas de
comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha se refiere, sin embargo, es
posible identificar los sistemas BDA2GC que cumplen con los estándares
establecidos por la ITU en el documento “Systems for public mobile communications
with aircraft” [6], en el documento de clasifican los sistemas por regiones y se
destacan los aspectos más relevantes de la arquitectura de cada uno de ellos. A
continuación, se presenta una síntesis de esta clasificación como aspecto
importante para el desarrollo del objeto del trabajo de investigación.
32
6.4.1. Sistemas BDA2GC en la Región 1 (Europa)
En Europa, un sistema de comunicaciones directas aire-tierra (DA2GC) de banda
ancha constituye una aplicación para diversos tipos de servicios de
telecomunicaciones, tales como acceso a internet y servicios multimedia móviles,
durante los vuelos. Su objetivo es facilitar el acceso a los servicios de comunicación
de banda ancha durante los vuelos continentales a escala europea. La conexión
con los terminales de usuario de los pasajeros a bordo de los aviones se realiza
mediante los sistemas de comunicaciones móviles ya disponibles a bordo de los
aviones. Para esta región, se han identificado tres arquitecturas principales cada
una de ellas asociada a un reporte técnico de la ETSI.
6.4.1.1. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 054
Este sistema DA2GC de banda ancha está basado en 3GPP LTE Rel. 8 +
especificaciones. En particular, los algoritmos de sincronización, así como la
potencia máxima de transmisión de la unidad de a bordo (OBU) deben modificarse
en comparación con el uso de la radio móvil terrestre para hacer frente al alto
desplazamiento de frecuencia Doppler causado por la velocidad de la aeronave y el
tamaño de las celdas grandes. Además, el ajuste de antena de la estación terrena
(GS) debe ser igualado para cubrir altitudes típicas de los aviones entre 3 y 12
kilómetros mediante la adaptación de diagramas verticales incluyendo la inclinación
de la antena. Esta solución es capaz de proporcionar servicios móviles de voz y
banda ancha de servicios de comunicación de datos en vuelo [22].
Los principales bloques de la arquitectura de extremo a extremo se detallan en la
Figura 3, así:
33
Figura 3. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 054.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
En aspectos de espectro, esta arquitectura emplea un espectro pareado de 2 x 10
MHz para la operación FDD. El espectro no pareado de 20 MHz para la operación
TDD también es una opción, pero el rendimiento del sistema sufriría ligeramente
debido a los intervalos de tiempo de guarda requeridos para tamaños de celdas
grandes. El espectro por encima de 6 GHz no se considera apropiado para tal
aplicación debido a aspectos de propagación de ondas (por ejemplo, pérdida de
trayectoria incrementada, desplazamiento Doppler).
Para este sistema, los vuelos experimentales con prototipo de equipo se realizaron
con éxito en Alemania dentro de las bandas FDD de 2.6 GHz (utilizables sólo para
ensayo, pero no disponibles para el despliegue de DA2GC debido al despliegue
previsto de LTE para telefonía móvil terrestre) con un ancho de banda de señal de
2×10 MHz. La configuración de la arquitectura de prueba se conformaba
básicamente de los siguientes elementos:
Dos sitios con una distancia inter-sitio de unos 100 km fueron equipados con
sistemas basados en LTE DA2GC, que consiste en una unidad de banda
34
base (BBU), un cabezal de radio remoto (RRH) y antenas con tres sectores
(up-tilt), conectados con un núcleo de paquetes evolucionado LTE (EPC) y
servidores de medición y seguimiento de datos a través de una red de
transporte de datos de banda ancha.
Un avión Airbus A320, equipado con una OBU DA2GC con una potencia de
transmisión máxima de 37 dBm y con dos antenas DA2GC por debajo del
fuselaje de la aeronave (2 Rx / 1 Tx).
Figura 4. Arquitectura de prueba sistema BDA2GC ETSI 103 054
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Durante el vuelo de prueba, la aeronave sobrevoló a velocidades entre 500 y más
de 800 Km/h a diferentes altitudes entre 4000 m y 10000 m. Las maniobras de vuelo
incluyeron fases con transferencias inter e intra-sitio (sector) así como fases con
grandes distancias a los sitios. Los resultados del ensayo se resumen así:
El radio enlace entre la estación terrena (GS) y la estación móvil (AS) se
estableció a distancias de más de 100 Km, la aeronave volaba a velocidades
superiores a 800 Km/h y altitudes de hasta 10000 m.
Ground Station 2
SGW PGW MME PCRF
Test Center
Evolved Packet Core
OMC Measurement &Trace Servers
SGW PGW MME PCRF
Test Center
Evolved Packet Core
OMC Measurement &Trace Servers
Data
Transport
Network
Data
Transport
NetworkGround Station 1
BBU
A320 Trial AircraftDA2GC Antennas
DA2GC OBUMeasurement & Trace
Servers (incl. flight data)
LTE-basedDA2GC
Radio Links
RRH
BBU
Antenna
RRH
Antenna
35
Se alcanzaron velocidades máximas de datos de hasta 30 Mbps en el forward
link (tierra-aire) y 17 Mbps en el reverse link (aire-tierra).
Además del alto tráfico de datos, se estableció una videoconferencia entre
los equipos de la aeronave y el centro de pruebas que permitió seguir las
fases de vuelo en tiempo real y demostrar la baja latencia del sistema DA2GC
(tiempo de ida y vuelta <50 milisegundos) en comparación con los sistemas
basados en satélites.
Cabe señalar que dentro de la arquitectura dispuesta el equipo de la estación
terrena utilizado (excepto el ajuste de antena) era básicamente equipo de LTE de
última generación para el despliegue de telefonía móvil celular terrestre de 2.6 GHz.
Sólo se modificó la OBU para permitir que el sistema global funcionara en el entorno
aeronáutico con grandes rangos de celdas y altas velocidades de aeronave.
6.4.1.2. Sistema BDA2GC ETSI TR 101 599
Este sistema DA2GC de banda ancha utiliza antenas adaptativas de formación de
haces (beamforming) para conseguir el rendimiento deseado del sistema,
manteniendo al mismo tiempo niveles de potencia de transmisión inferiores a los
que de otro modo serían necesarios. Esta característica facilita el compartir co-
frecuencia con otros sistemas minimizando la interferencia en otros servicios y, al
mismo tiempo, reduciendo el impacto de la interferencia entrante en el rendimiento
alcanzable del enlace. La decisión de utilizar la tecnología de formación de haces
en esta arquitectura del sistema DA2GC de banda ancha también fue influenciada
por la política actual en Europa, reconociendo la creciente demanda de recursos de
espectro finito y fomentando la distribución del espectro mediante el uso de
tecnologías inteligentes [24].
Una característica de este sistema DA2GC de banda ancha es el uso simultáneo de
cuatro transceptores de radio integrados (transceivers) y arreglos de antenas
(phased array) en la estación terrestre. Tal disposición permite que cada estación
terrestre cubra todo el espacio de aire visible, de horizonte a horizonte, en todos los
azimuts. Cada conjunto integrado de antenas de ocho elementos es capaz de
producir simultáneamente múltiples beams co-frecuencia para lo cual se necesita
36
mantener una separación espacial suficiente para evitar la autointerferencia, de
manera que tres haces simultáneos por sector (o cuadrante) o doce haces por
estación terrestre pueden ser asumidos operacionalmente. Esto se muestra
esquemáticamente en la Figura 5.
Figura 5. Arreglo de antenas de tres beams por cuadrante sistema BDA2GC ETSI 101 599.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
El uso de beamforming permite la producción de haces conformados y direccionales
dinámicamente tanto en las direcciones de forward (tierra-aire) como de reverse link
(aire-tierra), permitiendo así mantener los objetivos de rendimiento del sistema
deseados mientras el avión hace una ruta especificada, al mismo tiempo, minimiza
la interferencia en otros sistemas de co-frecuencia. Esto se logra a través de los
beneficios de patrones de radiación adaptados que pueden optimizarse para reducir
la interferencia y permitir el funcionamiento a potencias de transmisión inferiores (en
tierra y aire) de lo que sería necesario si se desplegaran antenas fijas
convencionales.
37
Con respecto a los esquemas de modulación y codificación subyacentes utilizados,
el sistema utiliza OFDM/TDMA y tiene mucho en común con otras tecnologías de
backhaul de banda ancha móvil existentes y propuestas.
Actualmente esta arquitectura se ha optimizado para su uso en bandas de
frecuencias alrededor de 2.4 GHz y 5.8 GHz. Sin embargo, la tecnología es capaz
de operar en cualquier banda de frecuencia dentro del rango de 790 MHz a 6 GHz
y el sistema puede operar con anchos de banda variables en cualquier sub-banda
dentro del rango de frecuencias relevante. Para un rendimiento óptimo, en el modo
de división de tiempo (TDD), el sistema requiere un bloque contiguo de espectro de
20 MHz. Estos requerimientos de espectro son impulsados por la necesidad de
suministrar suficiente capacidad para servir a los pasajeros y a la tripulación a bordo
de la aeronave con la gama deseada de servicios de banda ancha.
6.4.1.3. Sistema BDA2GC ETSI TR 103 108
Este sistema DA2GC de banda ancha es un sistema UMTS TDD basado en equipos
comerciales que cumplen con los estándares 3GPP Release 7. Se utiliza un
convertidor de frecuencia independiente para soportar el funcionamiento en la
banda 5855 - 5875 MHz, aunque se ha demostrado la operación en otras bandas.
Las características de la señal en el espacio se ajustan a estas normas, aparte de
la banda de frecuencia de operación, la compensación de desplazamiento Doppler
y las técnicas de timming extendido permiten obtener rangos mayores [25].
Cualquier interferencia de co-canal se minimiza utilizando el control de antena de
estación terrestre, por lo que los sectores no requeridos por la aeronave en un
momento dado no están iluminados (es decir, el transmisor está inhibido).
Los principales bloques que conforman parte de la arquitectura del sistema de
extremo a extremo, incluyen la cabina de mando y el acceso WLAN de la cabina,
un backhaul IP aire-tierra dedicado y una función de control de red que
proporcionan, entre otras cosas, seguridad. La arquitectura general del sistema de
extremo a extremo del sistema DA2GC de banda ancha se ilustra en la Figura 6.
38
Figura 6. Arquitectura sistema BDA2GC ETSI 103 108.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
El sistema puede usar anchos de banda seleccionables por conmutador de 5 o 10
MHz. Aunque la operación de un solo canal es posible, el uso de canales adicionales
reduce la interferencia entre celdas potenciales y también cualquier interferencia a
otros sistemas. El espectro requerido es de 20 MHz, permitiendo así canales de
2x10 MHz o 4x5 MHz. El sistema no requiere espectro contiguo. ETSI TR 103 108
propone que este sistema funcione en la banda 5855 -5875 MHz. Sin embargo, el
sistema puede operar dentro de la banda extendida de 790 MHz a 6 GHz, por
ejemplo, en las bandas 1900 - 1920 MHz y 2010 - 2025 MHz que fueron designadas
para sistemas móviles terrestres basados en la tecnología UMTS-TDD.
Una serie de vuelos de prueba que utilizan la tecnología 3G se han completado
usando dos tipos de aviones turborreactores. Estos demostraron un sólido enlace
aire-tierra en diferentes bandas de espectro, a saber, VHF (comunicaciones
aeronáuticas), 2 GHz y 5 GHz. El video en vivo desde la cabina de vuelo y la cabina
fue transmitido a la estación en tierra. Simultáneamente una llamada de voz
39
internacional fue hecha por un pasajero mientras que otro navegó en internet y miró
un vídeo que fluía de un servidor en tierra. Se alcanzaron rangos de más de 250
Km, lo que es operacionalmente importante para mantener la cobertura, por
ejemplo, del Mar Mediterráneo.
6.4.2. Sistemas BDA2GC en la Región 2 (Norte América)
El caso más representativo en esta región de un sistema aire-tierra está actualmente
desplegado y operando en Estados Unidos continentales y parte de Alaska. Opera
en las bandas 849 – 850.5 MHz y 894 – 895.5 MHz y ofrece servicios de banda
ancha en vuelo a todos los portátiles, notebooks y teléfonos inteligentes habilitados
para Wi-Fi. Utiliza una versión modificada de la red multiportadora CDMA IMT-2000
para proporcionar una conexión de alta velocidad directamente desde la aeronave
a tierra. Algunas de las características de esta red son: alta capacidad de 300 Kbps
a 500 Kbps con velocidades máximas de 3.1 Mbps, tamaño de celda muy grande
(hasta 400 Km de radio), modificaciones a la interfaz de aire IMT-2000 CDMA Multi-
Carrier1xEV-DO para lograr la cobertura celular extendida a la velocidad de la
aeronave, despliegue utilizando componentes fuera de la plataforma tales como
redes de acceso por radio (RAN) y controladores de red de radio (RNC) [6].
Cada red de acceso de radio (RAN) admite una portadora y seis sectores. Cada
sector puede generar un rendimiento máximo de 2.2 Mbps. Los usuarios finales
dentro del avión están en una red de acceso local 802.11 conectada a un punto de
acceso (AP). El AP está conectado a una tarjeta 1x EV-DO, que es el terminal de
acceso (AT) para la red 1xEV-DO y se establece una sesión de protocolo punto a
punto (PPP) entre el AT y el PDSN. Además de los datos, VoIP también puede ser
apoyado. Una picocelda 2G/3G en cabina se puede desplegar para permitir a los
pasajeros sacar y recibir llamadas de voz en sus propios teléfonos celulares
personales. El servidor de autenticación, autorización y contabilidad (AAA), uno o
más RNC, nodo de servicio de datos de paquetes (PDSN), pasarelas de medios
(MGW), softswitch que controla las MGW, servidor/registrador SIP pueden estar
ubicados en una misma locación. En la Figura 7 se ilustra la arquitectura de extremo
a extremo de este sistema de comunicaciones aire-tierra.
40
Figura 7. Arquitectura de red de un sistema aire-tierra IMT-2000 CDMA multicarrier.
IP Leased Backhaul Network
RAN
T3 link
AAA Server
RNC
PDSN
SIP SERVER/REGISTRAR
Internet
PSTN
MSC(Softswitch)
One or more MGWs
CDMA 1x EVDO AT 802.11 AP
SIP Phone
802.11 local network
End users inside airplane(VoIP + data traffic
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
6.4.3. Sistemas BDA2GC en la Región 3 (Asia)
Actualmente en los países de la Región 3 se reconocen principalmente dos sistemas
para proveer comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha, los mismos se
encuentran desplegados en China y Japón respectivamente, a continuación, se
presenta una reseña de cada uno de ellos.
6.4.3.1. Sistema BDA2GC en China
Para satisfacer la creciente demanda de la actual y futura comunicación aérea de
banda ancha, China ha hecho un esfuerzo significativo en la planificación, desarrollo
y despliegue de los sistemas de comunicación aire-tierra (ATG) con aeronaves. El
sistema se basa en el estándar de acceso inalámbrico de banda ancha SCDMA de
la Recomendación UIT-R M.1801. El sistema de acceso de banda ancha
inalámbrica SCDMA ATG contiene estaciones base y terminales. Las estaciones
base son desplegadas para cubrir todo el trayecto de vuelo y comunicarse con las
terminales aerotransportadas para lograr la comunicación de banda ancha aire-
41
tierra. Los sistemas han sido probados con éxito en vuelos de prueba en la gama
de frecuencias de 1.785-1.805 GHz. La arquitectura básica del sistema es la que se
muestra en la Figura 8.
Figura 8. Arquitectura sistema BDA2GC en China.
System Control Center
Internet/PSTN
Airborne Terminal
BTS
BTS
Hub/AP
UE
UE
Hub/AP
UE
UE
Hub/AP
UE
UE
Hub/AP
UE
UE
Airborne Terminal
Airborne Terminal
Airborne Terminal
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Las funciones básicas del sistema son las siguientes:
El sistema incluye estaciones base (BTS) en tierra conectadas a PTSN,
internet y terminales aéreos con interfaces a otros dispositivos de a bordo
como hubs cableados, routers WiFi, picoceldas, entre otros.
La capa de acceso de radio, proporciona las funciones de acceso de radio
entre el BTS y los terminales aerotransportados, realiza funciones básicas de
acceso de radio tales como acceso aleatorio, paginación, comunicaciones de
voz, comunicaciones de datos y funciones de voz troncales.
La capa de control del núcleo proporciona las funciones de control, como
transferencia, itinerancia, autenticación de terminal y de usuario,
conmutación de llamadas de voz y enrutamiento de datos. Se encuentra
entre el BTS y otros equipos del núcleo de red, tales como conmutadores de
42
datos y enrutadores, conmutadores de software, pasarelas de medios,
servidores AAA (Autenticación, Autorización y Contabilidad), servidores de
facturación y HLR (Home Location Register).
Toda esta red de comunicaciones ATG, incluyendo todas las capas, soporta
la separación de diferentes flujos de datos y también proporciona una
protección adecuada en los datos.
La interfaz de radio SCDMA soporta un ancho de banda de canal de un múltiplo de
1 MHz hasta 5 MHz. La subcanalización y la extensión de código, especialmente
definidas dentro de cada ancho de banda de 1 MHz, proporcionan diversidad de
frecuencias y capacidad de observación de interferencias para la asignación de
recursos de radio con una granularidad de ancho de banda de 8 Kbps. La
canalización también permite asignaciones de canales dinámicos coordinadas entre
celdas para evitar eficazmente la interferencia mutua. El sistema emplea TDD para
separar la transmisión de enlace ascendente y de enlace descendente.
6.4.3.2. Sistema BDA2GC en Japón
En Japón, también se está estudiando el sistema de comunicación aire-tierra (ATG)
con aeronaves, que alcanza velocidades de transmisión de más de 100 Mbps. En
el sistema, la banda de 40 GHz facilita las comunicaciones inalámbricas de banda
ancha aire-tierra. Como se muestra en la Figura 9, los aviones sobrevuelan las
antenas de seguimiento en tierra dispuestas a intervalos regulares. Cuando la
aeronave sobrevuela las estaciones en tierra, las antenas permiten el hand over de
servicio una tras otra a la aeronave en vuelo. La banda de 40 GHz no se utiliza en
gran medida en aplicaciones comerciales y se espera que facilite el sistema de
comunicación de banda ancha.
43
Figura 9. Arquitectura sistema BDA2GC banda de 40 GHz en Japón.
Fuente: Systems for public mobile communications with aircraft.
Las bandas de frecuencias de los enlaces ascendentes y descendentes utilizan el
rango de frecuencias de 40 GHz y se dan provisionalmente en bandas de 44 y 46
GHz, respectivamente, para el desarrollo del prototipo. El sistema utiliza el método
multiplex de división de frecuencia (FDD) para la comunicación. Teniendo en cuenta
las características de la onda milimétrica y la eficiencia del espectro, tanto la antena
aérea como la terrestre rastrean cada posición de la antena. Por lo tanto, el sistema
de antena debe considerar las características de la onda milimétrica y las
dimensiones geográficas. Por ejemplo, la antena de seguimiento en tierra debe
realizar un seguimiento continuo de la aeronave con un alto grado de precisión.
Mientras tanto, la antena aerotransportada debe rastrear la antena terrestre en base
a la actitud y posición del avión, y también debe ser compacta y ligera. Los
resultados de comprobación del sistema indicaron que se estableció comunicación
para una distancia horizontal de 2380 m y una altitud de vuelo de 1816 m, por lo
que la distancia de comunicación fue de aproximadamente 3 Km [6]. Esto indica que
aún es un sistema con limitaciones, que se afecta mucho por los fenómenos
meteorológicos y la posición relativa de las estaciones que conforman el sistema.
Ground station
Fly over the route
Hand over
Backbone network
Link of millimeter wave communication
44
6.5. Evolución tecnológica hacia 5G
Una generación de tecnología inalámbrica (G) generalmente se refiere a un cambio
en la naturaleza del sistema, la velocidad, la tecnología y la frecuencia. Cada
generación tiene algunos estándares, capacidades técnicas y nuevas
características que lo diferencian de la anterior. Dado que el trabajo de
investigación pretende la evaluación del comportamiento y rendimiento de un
sistema de comunicaciones directas aire-tierra da banda ancha (BDA2GC)
soportado por las nuevas tecnologías de radio 5G, se hace conveniente una síntesis
de las tecnologías inalámbricas a partir de las cuales se ha gestado el desarrollo de
las comunicaciones móviles.
El despliegue de 5G es un hecho y está a punto de iniciar su primera fase de
implementación, es una tecnología que se construirá a partir de millones de ideas,
métodos, algoritmos y procesos. Así como 4G LTE se hizo disponible cuando las
tecnologías anteriores, como HSPA, podría ser mejorado, 5G entra en el escenario
cuando la hoja de ruta para LTE no se ha agotado. Y así como 2G coexiste hoy con
3G y 4G, 5G coexistirá con generaciones anteriores de tecnologías inalámbricas.
Para el contexto histórico, "1G" se refiere a las tecnologías celulares análogas que
se hizo disponible en la década de 1980. "2G" denota sistemas digitales iníciales
que estuvieron disponibles en la década de 1990 y que introdujeron servicios tales
como mensajes cortos y datos de baja velocidad. La Unión Internacional de
Telecomunicaciones (UIT), como parte del proyecto internacional de telefonía móvil
2000 (IMT-2000), especificó los requisitos de “3G” para los que se hacía hincapié
en la mejora significativa de la capacidad de voz y las redes digitales debían
proporcionar un rendimiento de 144 Kbps a velocidades móviles, 384 Kbps a
velocidades peatonales y 2 Mbps en ambientes interiores. UMTS-HSPA y
CDMA2000 son las principales tecnologías 3G. Las tecnologías 3G comenzaron a
desplegarse a principios de la década pasada.
En 2008, la UIT emitió requisitos para IMT-Advanced, que muchas personas
utilizaron inicialmente como una definición de “4G”. El enfoque en 4G fue mejorar la
cobertura de los datos, la capacidad y la calidad de la experiencia. Los requisitos
incluían la operación en canales de radio de hasta 40 MHz y una eficiencia espectral
45
extremadamente alta. La ITU requirió una eficiencia espectral máxima de 15 bps/Hz
y una operación recomendada en canales de radio de hasta 100 MHz, lo que dio
como resultado una tasa de rendimiento teórico de 1.5 Gbps. En 2009 y 2010, el
término 4G se asoció con las tecnologías de banda ancha móvil desplegadas en
ese momento, como HSPA+, WiMAX e implementaciones iniciales de LTE. Hoy en
día, 4G normalmente se refiere a HSPA + o LTE.
Aunque la industria se está preparando para 5G, las capacidades LTE seguirán
mejorando en LTE-Advanced Pro durante el resto de la década. Muchas de estas
mejoras vendrán a través de inversiones incrementales en la red. Dado el alcance
de la infraestructura inalámbrica global, medida en cientos de miles de millones de
dólares, ofrecer a los usuarios el servicio más asequible requiere que los operadores
aprovechen las inversiones que ya han hecho. 5G jugará un eventual papel
importante, pero debe ser temporizado apropiadamente de modo que el salto en
capacidad justifique la nueva inversión.
Son distintos los organismos de estandarización que investigan la arquitectura y los
requisitos inalámbricos de próxima generación 5G, se incluyen entre otros, la Unión
Internacional de Telecomunicaciones (UIT), la Asociación Público-Privada (5G PPP)
de la Unión Europea, que es el marco de varios proyectos, incluido METIS II
(Comunicaciones Móviles e Inalámbricas para la Veinticincoava Sociedad de la
Información), y Redes Móviles de Próxima Generación (NGMN). Finalmente, 5G
Américas participa activamente en el desarrollo de la visión y los requerimientos de
5G para América del Norte, Central y del Sur; 5G Américas firmó un acuerdo
interinstitucional para colaborar con 5G-PPP. Otras iniciativas a que se han iniciado
a nivel local pero alineadas con los objetivos de otros programas globales se
adelantan en China, Corea y Japón. En la Figura 10 se muestra la distribución de
los grupos de estandarización que actualmente se encuentran trabajando en 5G a
nivel global.
46
Figura 10. Programas globales de desarrollo en 5G.
Fuente: 5G Mobile and Wireless Communications Technology.
6.6. Casos de uso para 5G
Dadas las proyecciones de los casos de uso que se vislumbran para las futuras
redes móviles, se hace necesario el desarrollo de una nueva generación de
comunicaciones móviles que permita satisfacer las exigencias en lo que respecta a
latencia, tasas y cantidad de dispositivos soportados por la red. La UIT, en sus
recomendaciones divide los casos de uso en tres categorías principales [26], así:
Banda ancha móvil mejorada (eMBB): eMBB es la extensión más obvia de
la capacidad LTE, proporcionando velocidades más altas para aplicaciones
como streaming, acceso a la Web, videoconferencia y realidad virtual. Las
velocidades más altas se producirán en celdas pequeñas con una velocidad
de movimiento limitada de los usuarios finales, como son los peatones.
Dentro de esta categoría se enmarcan los sistemas de comunicaciones
directas aire-tierra de banda ancha (BDA2GC), objeto de estudio del trabajo
de investigación, con un reto enorme que es la corrección del efecto Doppler
debido a la velocidad relativa de las estaciones que hacen parte de la
arquitectura de red.
Comunicaciones masivas tipo máquina (mMTC): las comunicaciones
masivas de tipo máquina amplían las capacidades de Internet de las cosas
de LTE (por ejemplo, NB-IoT) para soportar un gran número de dispositivos
con costos más bajos, cobertura mejorada y larga duración de la batería.
47
Como se describe más adelante en los objetivos de la UIT, a continuación,
5G apoyará diez veces más dispositivos en un área a como hoy día lo hace
LTE.
Comunicaciones ultra-confiables y de baja latencia (URLLC): de las tres
categorías, URLLC permite aplicaciones inalámbricas nunca antes posibles.
Impulsado por la alta fiabilidad y el tiempo de recorrido de red
extremadamente corto, URLLC, también conocido como "misión crítica" de
comunicaciones, permitirá la automatización industrial, control de drones,
nuevas aplicaciones médicas y vehículos autónomos. Estos tipos de
aplicaciones son potencialmente las que ofrecerán los mayores beneficios
sociales. Esta categoría también se conoce como comunicaciones críticas
tipo máquina (cMTC).
Figura 11. Casos de uso para 5G.
Fuente: Recomendación ITU-R M.2083-0.
48
6.7. Objetivos técnicos de 5G
Se prevé una amplia variedad de capacidades, estrechamente acopladas con los
escenarios de uso previstos y las aplicaciones para 5G. Diferentes escenarios de
uso junto con las tendencias actuales y futuras resultarán en una gran variedad de
requisitos. Los principios clave del diseño son la flexibilidad y la diversidad para
servir a muchos casos de uso y escenarios, para los cuales las capacidades de 5G,
descritas en los párrafos siguientes, tendrán diferente relevancia y aplicabilidad.
Además, habrá que considerar las limitaciones del consumo de energía de la red y
los recursos del espectro. Los siguientes ocho parámetros se consideran
capacidades clave de 5G [26]:
Velocidad máxima de datos: tasa de datos máxima alcanzable en
condiciones ideales por usuario/dispositivo (en Gbit/s).
Tasa de datos experimentada por el usuario: tasa de datos alcanzable
disponible en toda el área de cobertura a un usuario/dispositivo móvil (en
Mbit/s o Gbit/s).
Latencia: la contribución de la red de radio al tiempo, desde el momento en
que la fuente envía un paquete hasta cuando el destino lo recibe (en ms).
Movilidad: velocidad máxima a la que se puede alcanzar (en Km/h) una QoS
definida y una transferencia continua entre los nodos de radio que pueden
pertenecer a diferentes capas y/o tecnologías de acceso por radio
(multicapa).
Densidad de conexión: número total de dispositivos conectados y/o
accesibles por unidad de área (por Km2).
Eficiencia energética: la eficiencia energética considera dos aspectos;
respecto a la red, la eficiencia energética hace referencia a la cantidad de
bits de información transmitidos/recibidos de los usuarios, por unidad de
consumo de energía de la red de acceso de radio (RAN) (en bit/Joule). De
otra parte, en el lado del dispositivo, la eficiencia energética se refiere a la
cantidad de bits de información por unidad de consumo de energía del
módulo de comunicación (en bit/Joule).
49
Eficiencia espectral: promedio de rendimiento de datos por unidad de
recurso de espectro y por celda (en bit/s/Hz).
Capacidad de tráfico de área: rendimiento total del tráfico por área
geográfica (en Mbit/s/m2).
Se espera que 5G proporcione una experiencia de usuario que coincida, en la
medida de lo posible, con las redes fijas. La mejora se realizará mediante un
aumento de la velocidad de datos experimentada por el usuario y el pico máximo de
datos, una mayor eficiencia del espectro, una latencia reducida y un mejor soporte
de movilidad. En la Figura 12 se muestra la comparación de los aspectos claves en
5G con su respectivo antecesor 4G.
Figura 12. Mejora de las capacidades de 5G respecto a 4G.
Fuente: Recomendación ITU-R M.2083-0.
50
Además de la comunicación convencional humano-humano o humano-a-máquina,
5G permitirá el internet de las cosas (IoT) conectando una amplia gama de
dispositivos inteligentes, máquinas y otros objetos sin intervención humana. 5G
deberá ser capaz de proporcionar estas capacidades sin una carga indebida sobre
el consumo de energía, el coste del equipo de red y el coste de despliegue para
hacer que las futuras tecnologías sean sostenibles y asequibles.
6.8. Nuevas tecnologías de radio (NR) 5G
El 3GPP aún se encuentra definiendo aspectos de las nuevas tecnologías de radio
5G [27] en el Release 15, se tiene previsto una nueva versión programada para el
primer trimestre de 2018 y la parte complementaria de la misma para septiembre de
2018. Esta versión agregará funciones adicionales a la radio, como soporte para
URLLC. A pesar de que las especificaciones no se han finalizado en su totalidad, la
siguientes son algunas de las capacidades planificadas y las características de NR
en el Release 15:
Capacidad de operar en cualquier banda de frecuencia, incluyendo bandas
baja, media y alta.
La red puede soportar tanto LTE como 5G NR, incluyendo la conectividad
dual con la que los dispositivos tienen conexiones simultáneas a LTE y NR.
Agregación de portadoras para múltiples portadoras de NR.
Rendimiento máximo de 5 Gbps en las versiones iníciales, aumentando a 50
Gbps en versiones posteriores.
OFDMA en enlace descendente y enlace ascendente, con acceso múltiple
por división de frecuencia de portadora simple (SC-FDMA) para enlace
ascendente.
MIMO masivo y beamforming.
Capacidad para soportar modos FDD o TDD para bandas de radio 5G.
Numerología de 2Nx15 KHz para espaciamiento de subportadoras de hasta
120 KHz o 240 KHz. Este enfoque, soporta tanto canales de radio estrechos
51
(por ejemplo, 1 MHz) como amplios (por ejemplo, 400 MHz). La Fase 1
probablemente soportará un ancho de banda máximo de 400 MHz con
espaciamiento de subportadoras de 240 KHz.
Corrección de errores a través de códigos de paridad de baja densidad
(LDPC), que son computacionalmente más eficientes que los turbo códigos
LTE a velocidades de datos más altas.
Intervalos de tiempo de transmisión escalables con intervalos de tiempo
cortos para la latencia baja e intervalos de tiempo más largos para una mayor
eficiencia espectral.
Soporte de QoS utilizando un nuevo modelo.
Coexistencia dinámica con LTE en los mismos canales de radio.
De todos los aspectos señalados anteriormente, los que se consideran de mayor
relevancia por el impacto que tienen sobre el rendimiento de un sistema de
comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha (BDA2GC) son expuestos con
mayor detalle en los siguientes párrafos. Esto teniendo en cuenta que las nuevas
tecnologías de radio (NR) 5G al apoyar distintos escenarios, no necesariamente
debe agrupar las características descritas de forma simultánea en un mismo caso
de uso. Así, mientras que una aplicación de IoT puede requerir soportar un gran
número de dispositivos a tasas de rendimiento bajas, no es el caso para una
aplicación de comunicaciones aire-tierra BDA2GC en la cual se requiere alta
movilidad y baja latencia.
52
7. Algoritmos y técnicas en modelos de simulación link-
level En este capítulo se exponen los diferentes aspectos de la teoría subyacente
utilizada en las simulaciones de link level. Inicialmente se detallarán los bloques
correspondientes al transmisor y de forma seguida lo que concierne al receptor del
modelo.
Como punto de partida, para calcular la perdida de propagación para un canal de
comunicación móvil, el primer paso es determinar si la propagación es LOS o NLOS.
Como se muestra en la Figura 13, un modelo de perdida de propagación de espacio
libre es suficiente para un escenario A2G como el estudiado en el trabajo de
investigación ya que, al tratarse de aeronaves comerciales su altitud de vuelo
garantiza LOS entre el transmisor y el receptor. Otro caso es el que se presenta con
los objetos voladores de órbita baja (drones, aeronaves de bajo rendimiento) que
podrían ser bloqueados por cualquier obstáculo en la trayectoria si la distancia de
transmisión es demasiado larga, para este caso se requiere de un modelo de
probabilidad LOS basado en el ángulo de elevación.
Figura 13. Escenarios LOS y NLOS en DA2GC.
Fuente: Elaboración propia.
53
Una vez definido que para el sistema BDA2GC en estudio, es aplicable la condición
de existencia de línea de vista directa (LOS) entre el trasmisor y el receptor, en la
Figura 14, se muestra el diagrama de bloques del sistema a implementar mediante
algoritmos en Matlab.
Figura 14. Diagrama de bloques del sistema a implementar.
Fuente: Elaboración propia.
De forma general el modelo implementado se compone a la entrada de un bloque
de retrasmisión hibrido de datos tipo HARQ, este emplea una técnica de corrección
de errores llamada soft combining que no descarta los paquetes de datos que no
son decodificados correctamente, en su lugar, la señal recibida con errores se
almacena en un buffer y se combina con la próxima retransmisión, es decir, dos o
más paquetes recibidos, cada uno con SNR insuficiente para permitir la
decodificación individual puede combinarse de tal manera que se pueda decodificar
la señal total.
Seguidamente se encuentra un módulo que implementa el canal PDSCH (Physical
Downlink Shared Channel) que transmite habitualmente información de usuario,
contiene la información entregada por la MAC mediante el canal de transporte
DLSCH (Downlink Shared Channel), no es un canal dedicado y sólo se asigna al
usuario cuando éste tiene algún tipo de información que recibir en el enlace
HARQ
Q
DLSCH PDSCH MODULACIÓN
5G
CANAL MIMO
MULTIPATH
SINCRONIZACIÓN DEMODULACIÓN
5G
DEMODULACIÓN
PDSCH
DECODIFICACIÓN
DLSCH
ESTIMACIÓN DE
CANAL
Indicador
HARQ
Decodificación
LDPC / Turbo
Ecualización
MIMO
Codificación
LDPC / Turbo
Entrada
Salida
Beamforming
SVD
54
descendente. Hasta LTE consideraba los esquemas de modulación QPSK, 16-QAM
y 64-QAM, sin embargo, la librería de Matlab 5G empleada para el desarrollo del
modelo adiciona el esquema de modulación superior 256-QAM. En esta sección se
determina una única matriz de precodificación para toda la asignación de PDSCH
utilizando SVD (Singular value decomposition) promediando la estimación del canal
en todos los PRB (Physical resource block) de PDSCH asignados.
El bloque contiguo dentro del modelo corresponde a la modulación propiamente
dicha en 5G, aquí tiene lugar la configuración del PDSCH y del gNodeB (Next
generation NodeB) que agrupa todo lo referente a la red de acceso en 5G de
acuerdo al Release 15. Parámetros importantes en la configuración a tener en
cuenta son:
Ancho de banda en bloques de recursos (12 subportadoras por bloque de
recurso)
Espaciamiento entre subportadoras: 15, 30, 60, 120, 240, 480 KHz
Formas de onda: CP-OFDM, F-OFDM y W-OFDM
Codificación de canal: Tubo y LDPC
Esquemas de modulación: QPSK, 16-QAM, 64-QAM y 256-QAM
Modelo de canal de propagación: TDL y CDL
Número de antenas de recepción y transmisión
Una vez parametrizada la modulación 5G, se procede a configurar y parametrizar el
bloque de modelo de canal, Matlab permite la selección entre los dos modelos de
canal propuestos en el informe técnico 3GPP TR 38.900, de forma paralela se
configuran en este segmento todas las variables para la aplicación de técnicas de
beamforming dentro de la simulación.
Para determinar el comportamiento del BER y rendimiento en cada punto de SNR,
los datos de PDSCH se analizan por instancia de transmisión aplicando los
siguientes pasos:
55
Actualización del proceso HARQ actual: el proceso HARQ realiza una
transmisión o una retransmisión de datos de transporte, enviados
previamente dependiendo del acuse de recibo de datos positivo (ACK) o
negativo (NACK). Este proceso es manejado por el planificador HARQ,
hHARQScheduling.m. Los datos PDSCH se actualizan con base al estado
HARQ.
Generación de la grilla de recursos: los datos generados por el proceso
HARQ experimentan codificación de canal y modulación en el PDSCH por
las funciones h5gDLSCH y ltePDSCH. La operación de precodificación
también se realiza en este paso.
Generación de la forma de onda: la grilla generada en el paso anterior es
entonces modulada en OFDM de acuerdo a la opción seleccionada dentro
de las tres posibles (CP-OFDM, W-OFDM y F-OFDM).
Modelado de canal ruidoso: la forma de onda generada se pasa a través de
un canal CDL o TDL con desvanecimiento, adicionando AWGN y agregando
las pérdidas de trayectoria comentadas en el numeral 7.1.
Sincronización y demodulación OFDM: la información devuelta por el canal
se usa para una sincronización perfecta. La señal sincronizada es luego
demodulada OFDM.
Estimación de canal: se realiza una estimación de canal perfecta o ideal,
durante las fases de despegue y aterrizaje se aplica una estimación de canal
por mínimos cuadrados dado que las condiciones de la aeronave cambian
considerablemente.
Cálculo de la matriz de precodificación: se obtiene la matriz de
precodificación para la siguiente iteración en trasmisión, la matriz se calcula
aplicando descomposición de valores singulares (SVD). Se obtiene una
matriz única para la asignación completa promediando las condiciones de
canal.
Decodificación del PDSCH: los símbolos PDSCH recuperados para todos los
pares de antena de transmisión y recepción, junto con la estimación de ruido,
son demodulados y decodificados por la función h5gPDSCHDecodes para
obtener una estimación de las palabras de código recibidas.
56
Decodificación del DLSCH y almacenamiento del bloque de error CRC para
un proceso HARQ: el vector de bits decodificados se trata con la función
h5gDLSCHDecode que decodifica la palabra de código y devuelve el bloque
de error CRC utilizado para determinar el rendimiento del sistema.
Finalizado todo el proceso descrito anteriormente, la última etapa comprende lo
referente al cálculo del rendimiento máximo posible del enlace dados los recursos
disponibles para la transmisión de datos, se estima el BER y la afectación sobre el
mismo de acuerdo a parámetros del sistema tales como diversidad de receptores,
diversidad de transmisores, esquemas de modulación, técnicas de multiplexación,
estimación del canal y efecto Doppler.
7.1. Modelo de pérdidas por trayectoria
El modelo de pérdidas de trayectoria se puede experimentar en dos escenarios
como se ha comentado anteriormente, LOS y NLOS. Para el escenario LOS que es
el caso de análisis del trabajo de investigación, el modelo de pérdidas por trayectoria
podría expresarse simplemente como pérdidas de espacio libre más algunos
componentes adicionales como absorción de oxígeno y atenuación debida a la
lluvia.
7.1.1. Pérdidas por trayectoria de espacio libre
El modelo de pérdidas por trayectoria de espacio libre (FSPL) es el componente principal del cálculo de pérdidas por trayectoria de un sistema BDA2GC en un escenario LOS.
57
𝐹𝑆𝑃𝐿(𝑑𝐵) = 20𝑙𝑜𝑔10(𝑑) + 20𝑙𝑜𝑔10(𝑓) + 32.45 (7.1.1.1)
donde 𝑑 es la distancia en kilómetros y 𝑓 es la frecuencia de la portadora en Megahertz.
7.1.2. Pérdidas por absorción de oxígeno
Dado que la distancia de propagación en un sistema BDA2GC es relativamente
grande, se debe tener en cuenta la perdida por absorción de oxígeno. El modelo de
pérdidas por absorción de oxigeno ya ha sido especificado por 3GPP en el informe
técnico TR 38.900-V14.3.1.
Tabla 1. Pérdidas de oxigeno dependientes de la frecuencia.
Frecuencia 𝑓(𝐺𝐻𝑧)
𝛼(𝑓) [𝑑𝐵/𝐾𝑚]
0 – 52 0
53 1
54 2.2
55 4
56 6.6
57 9.7
58 12.6
59 14.6
60 15
61 14.6
62 14.3
63 10.5
64 6.8
65 3.9
66 1.9
67 1
68 - 100 0
Fuente: Elaboración propia.
De acuerdo con la Tabla 1, las pérdidas por absorción de oxígeno sólo tienen una
influencia significativa en las pérdidas por trayectoria cuando la frecuencia de la
58
portadora es superior a 52 GHz. Teniendo en cuenta que la distancia de
propagación en un es escenario BDA2GC es considerable, se elegirán una
frecuencia de portadora por debajo de 52 GHz para evitar la posible alta absorción
de oxígeno.
7.1.3. Atenuación por lluvia
La atenuación por lluvia, causada por dispersión y absorción por parte de las gotas
de lluvia, es una limitación importante en el desarrollo de un sistema de
comunicaciones directas aire-tierra BDA2GC, causando grandes variaciones en la
potencia de la señal recibida, con escasa probabilidad de predecirla y con muchos
cambios repentinos, llegando hasta la interrupción total de la comunicación.
De acuerdo con el 5G White Paper [28], para una frecuencia superior a 5 GHz, la
atenuación debida a la lluvia debe incluirse en los cálculos de diseño, ver Figura 16.
Especialmente para escenarios DA2GC, una gran distancia de propagación sufriría
una importante atenuación debida a la lluvia.
En la Figura 15, se aprecia de forma general la atenuación específica causada por
la lluvia en función de la frecuencia y la intensidad de lluvia. Como puede
observarse, la atenuación específica crece rápidamente para frecuencias por
encima de 10 GHz. Para una tasa de precipitación de R = 50 mm/h se obtienen
valores de atenuación específica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores
a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de comunicaciones
que operen a frecuencias milimétricas como es el caso del sistema BDA2GC objeto
de estudio en el trabajo de investigación.
59
Figura 15. Atenuación específica por lluvias en función de la frecuencia.
Fuente: Tecnologías Inalámbricas y Diseño de Radioenlaces.
De acuerdo con la Recomendación UIT-R P.530-17 [29], se introdujo un modelo
estadístico para estimaciones a largo plazo de la atenuación debida a la lluvia sobre
trayectos oblicuos en un determinado punto para frecuencias de hasta 55 GHz. El
modelo implementado en Matlab para la estimación de dicha atenuación se basa en
el modelo planteado en [29], la tasa o intensidad de lluvia especificada en [30] y los
coeficientes de atenuación debidos a la lluvia definidos en [31].
7.2. Modelo de canal para sistema MIMO multipath
Para simular el rendimiento de un sistema BDA2GC en link-level, uno de los
aspectos más importantes es modelar un canal de comunicación adecuado. Para el
escenario especial de A2G, existe una pequeña diferencia entre el enlace
descendente y el enlace ascendente. Dado que una aeronave de tipo comercial
generalmente vuela a 12 kilómetros de altitud, normalmente se presentarán
obstáculos entre la estación base y la aeronave. Así, sólo una trayectoria fuerte de
línea de vista (LOS) sería la adecuada para el enlace directo (desde la estación
base hasta la aeronave). En cuanto al enlace inverso (desde la aeronave hasta la
estación base), se pueden presentar múltiples trayectorias debido a la reflexión
desde la superficie terrestre. Para representar la respuesta al impulso de un canal
multitrayectoria, se introduce un modelo de línea de retardo con derivación de la
siguiente manera:
60
ℎ(𝑡, 𝜏) = ∑𝐶𝑖
𝑁
𝑖=1
(𝑡)𝛿(𝜏 − 𝜏𝑖) (7.2.1)
donde 𝐶𝑖(𝑡) son los coeficientes de la matriz de canal, los cuales varían con el
tiempo. 𝑁 es el número de retardos. La matriz de coeficientes 𝐶 puede describirse
así:
𝐶𝑅𝑟𝑋𝑅𝑡=
[ 𝐶11 𝐶12 … 𝐶1𝑅𝑡
𝐶21 𝐶22 … 𝐶2𝑅𝑡
⋮ ⋮ ⋱ ⋮𝐶𝑅𝑟1 𝐶𝑅𝑟2 … 𝐶𝑅𝑟𝑅𝑡]
donde 𝑅𝑡 es el número de antenas transmisoras y 𝑅𝑟 es el número de antenas
receptoras. 𝐶𝑅𝑟𝑅𝑡 es el coeficiente del canal entre la antena transmisora 𝑅𝑡 y la
antena receptora 𝑅𝑟.
El informe técnico 3GPP TR 38.900 [32] define dos tipos de modelo de canal para
las evaluaciones de link-level en el rango de 500 MHz a 100 GHz, así:
Tapped Delay Line (TDL)
Clustered Delay Line (CDL)
Esos canales admiten una señal con ancho de banda de hasta 2 GHz. TR 38.900
define cinco perfiles típicos para cada canal:
CDL/TDL-A, CDL/TDL -B, y CDL/TDL -C, aplican para sistemas sin línea de
vista (NLOS)
CDL/TDL-D y CDL/TDL-E, aplican para sistemas con línea de vista (LOS)
Cada perfil CDL incluye la dirección de salida y llegada en azimut y elevación, así
como una dispersión angular para cada una de esas características, CDL es un
canal 3D.
61
Una diferencia clave con los modelos anteriores de LTE, como ETU y EVA, es que
cada perfil solo define los retardos de tap normalizados. Los retardos de tap pueden
escalarse (linealmente) para lograr la dispersión de retardo deseada. TR 38.900
sugiere que los márgenes de retardo pueden variar desde 10 ns (dispersión de
retardo muy corta) hasta 1000 ns (dispersión de retardo muy larga), con 100 ns
representando un diferencial de retardo nominal.
Los modelos TDL se obtienen de los modelos correspondientes de CDL asumiendo
antenas isotrópicas, pero TR 38.900 también hace estimaciones para antenas no
isotrópicas. Además, para soportar mejor el procesamiento MIMO, TR 38.900
también define la posibilidad de escalar y trasladar ángulos.
El espectro Doppler para cada tap se caracteriza por una forma de espectro clásica
(Jakes) y un desplazamiento Doppler máximo 𝑓𝐷 = |�̅�|/𝜆0. Dada la presencia de
una trayectoria con línea de vista, el primer tap en TDL-D y TDL-E sigue una
distribución de desvanecimiento tipo Rician. Para esos tap el espectro Doppler
contiene adicionalmente un pico en el desplazamiento Doppler 𝑓𝑠 = 0.7𝑓𝐷 con una
amplitud tal que la distribución de desvanecimiento resultante tiene el factor 𝐾
especificado. Finalmente, el factor 𝐾 para los modelos LOS también es posible
modificarlo.
7.3. Estimación del canal
En un sistema BDA2GC, la estimación del canal puede emplearse para estimar la
dirección de llegada (DOA) cuando se aplican soluciones del tipo beamforming. Hay
muchos métodos para la estimación del DOA, tales como MUSIC, ESPRIT y Matrix
Pencil [33]-[35], podrían ser utilizados para sistemas multi-antenas.
En cuanto a la comunicación entre la estación base y la aeronave, debido a que la
posición de la estación base y los aviones se conoce entre sí, la estimación del canal
o del DOA se considerarán una condición inicial. Además, dado que la velocidad y
la altitud de la aeronave son relativamente estables durante el vuelo, se asumirá la
estimación del canal ideal para la evaluación de la simulación en link-level. Sin
embargo, para las fases de despegue y aterrizaje, las condiciones de la aeronave
62
varían rápidamente lo que implica la necesidad de un método de estimación del
canal altamente confiable.
7.3.1. Estructura de la señal de referencia
Una señal de referencia debe ser enviada para hacer la estimación del canal en la
comunicación inalámbrica. Para el caso de la evaluación del sistema DA2GC se
tomarán como referencia dos tipos principales de estructura de la señal como se
muestra a continuación.
Figura 16. Estructuras de la señal de referencia.
Fuente: 5G Mobile and Wireless Communications Technology.
En la Figura 16, la estructura de señal que se muestra en la parte superior es similar
a la que emplea LTE actualmente, donde la señal de referencia es distribuida tanto
en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo.
63
Por otra parte, en lo que refiere al subframe de la parte inferior de la Figura 16, la
cual fue propuesta por Ericcson [36], la señal de referencia solo se distribuye en el
dominio de la frecuencia. Debido a la corta duración del subframe bajo el concepto
de 5G, el canal es relativamente estable en un subframe.
7.3.2. Estimación del canal por mínimos cuadrados
En [37], se ha derivado un método de estimación de canal por mínimos cuadrados,
que puede emplearse para un sistema MIMO-OFDM. El modelo de transmisión de
datos para un sistema MIMO-OFDM de una antena de recepción especifica 𝑟 puede
describirse como:
𝑌𝑟 = ∑𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑋𝑡)𝐹ℎ𝑡,𝑟
𝑁𝑡
𝑡=1
+ 𝑁 (7.3.2.1)
donde 𝑋𝑡 es la cadena de símbolos transmitida por la antena 𝑡, 𝐹 es la transformada
discreta de Fourier (DFT) como una matriz, ℎ𝑟 es la matriz de coeficientes del canal
en el dominio del tiempo, 𝑁 es el ruido gaussiano (AWGN) y 𝑑𝑖𝑎𝑔(. ) denota la matriz
diagonal de un vector.
De la sección anterior sabemos que hay dos tipos diferentes de estructura de la
señal de referencia, lo que significa que el vector de símbolos transmitidos podría
consistir en un símbolo de datos y un símbolo de referencia. Así, la ecuación
(7.3.2.1) puede reescribirse como:
𝑌𝑟 = ∑𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐷𝑡)𝐹ℎ𝑡,𝑟
𝑁𝑡
𝑡=1
+ ∑𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑅𝑡)𝐹ℎ𝑡,𝑟
𝑁𝑡
𝑡=1
+ 𝑁 = 𝑇ℎ𝑟 + 𝐴ℎ𝑟 + 𝑁 (7.3.2.2)
donde 𝐷𝑡 es la cadena de símbolos de datos y 𝑅𝑡 es la cadena de símbolos de
referencia.
𝑇 = [𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐷1(0))𝐹 ⋯ 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐷𝑁𝑡(0))𝐹
⋮ ⋱ ⋮𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐷1(𝑔 − 1))𝐹 … 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝐷𝑁𝑡(𝑔 − 1))𝐹
]
64
𝐴 = [𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑅1(0))𝐹 ⋯ 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑅𝑁𝑡(0))𝐹
⋮ ⋱ ⋮𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑅1(𝑔 − 1))𝐹 … 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑅(𝑔 − 1))𝐹
]
Asumiendo que se han transmitido 𝑔 símbolos OFDM continuados, y ℎ𝑟 =
[ℎ1,𝑟 , … , ℎ𝑁𝑡,𝑟]. Entonces el estimador de mínimos cuadrados (LS) por sus iniciales
en inglés, se puede escribir como:
ℎ̂𝑟 = 𝐴 + 𝑌𝑟 (7.3.2.3)
donde 𝐴+denota la matriz pseudoinversa de 𝐴.
𝐴+ = (𝐴𝐻𝐴)−1𝐴𝐻 (7.3.2.4)
7.4. Codificación turbo y LDPC
En un sistema BDA2GC la transmisión de datos entre la estación base y la aeronave
sufre alteraciones debidas a los errores de comunicación causados por el ruido, la
interferencia o la baja potencia de la señal. Con el fin de corregir estos errores de
comunicación, los sistemas BDA2GC al igual que los sistemas de comunicación
celular usan los códigos de canal. Más específicamente, se utiliza un codificador de
canal en el transmisor para convertir cada bloque de datos que comprende 𝐾 bits
de datos en un bloque codificado más largo que comprende 𝑁 > 𝐾 bits codificados,
que se transmiten. En el receptor, los bits adicionales (𝑁 − 𝐾) proporcionan al
decodificador de canal, información que le permite detectar y corregir errores de
comunicación dentro de los bits de datos 𝐾 originales.
Sí el ruido, la interferencia o la baja potencia de la señal son particularmente graves,
entonces se requerirá una tasa de codificación baja 𝑅 = 𝐾/𝑁 para que el
decodificador de canal detecte y corrija con éxito todos los errores de transmisión.
Sin embargo, una baja tasa de codificación implica la transmisión de un alto número
𝑁 de bits codificados, que consumen energía de transmisión y ancho de banda. Por
lo tanto, los buenos códigos de canal son los que permiten la detección y corrección
exitosa de errores de transmisión a velocidades de codificación 𝑅 que son lo más
cercana posible al límite teórico impuesto por la capacidad del canal [38].
65
En las últimas décadas, han surgido varios códigos de canal de capacidad cercana,
incluidos los turbo códigos que se adoptan en los estándares de banda ancha móvil
3G y 4G, los códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) que se
adoptan en estándares WiFi, así como los códigos polares más recientes. Los turbo
códigos y LDPC emplean un proceso de decodificación iterativo, en el que cada
intento de descodificación sucesivo informa al siguiente, hasta que el proceso
converge. Por el contrario, los códigos polares usan un proceso de decodificación
de cancelación sucesiva, en el que la decodificación de cada bit sucesivo informa la
descodificación de la siguiente. Como el decodificador de canal debe superar la
incertidumbre introducida por el ruido, la interferencia y la baja intensidad de la
señal, normalmente tiene una complejidad mucho mayor que el codificador de canal.
Debido a esto, es el decodificador de canal el principal motivo de preocupación
cuando se diseña un código de canal.
La técnica para permitir la diversidad de transmisión en las comunicaciones
inalámbricas es una forma de lograr mayor capacidad al aumentar la SNR. El
concepto de códigos de espacio-tiempo se introdujo en [39]. La codificación Trellis
espacio-tiempo propuesta funciona muy bien en entornos de desvanecimiento lento,
por otro lado, el aumento de números de antenas también aumentará
exponencialmente la complejidad de la decodificación.
Los turbo códigos se introdujeron por primera vez en 1993 por Berrou, Glavieux y
Thitimajshima [40], donde se describe un esquema que logra una probabilidad de
error de bit de 10−5 utilizando una velocidad de código de 1 2⁄ sobre un canal con
ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) y modulación BPSK con un 𝐸𝑏 𝑁0⁄ de 0.7
dB. Los códigos se construyen utilizando dos o más códigos de componentes en
diferentes versiones intercaladas de la misma secuencia de información.
En la actualidad estos códigos compiten con los códigos de verificación de paridad
de baja densidad (LDPC, Low Density Parity Check), que producen un rendimiento
similar. La implementación de los turbo códigos se logra mediante una
concatenación paralela de dos códigos de codificador convolucional sistemático
recursivo que dependen de la permutación pseudoaleatoria (Interleaver). El
66
codificador genera un frame de información de bit largo. El interleaver produce la
permutación del frame de bit de entrada. El primer codificador RSC1 codifica la
entrada original y el frame intercalado (frame permutado) está codificado por RSC2.
Luego, los dos bits codificados se fusionan con los bits de entrada reales para
producir la salida. Solo se utiliza una de las salidas sistemáticas de los dos
codificadores, esto se debe a que la salida sistema del codificador de otro
componente es simplemente una versión permutada de la salida sistemática
elegida, en la Figura 17 se describe de forma gráfica el principio de funcionamiento
expuesto anteriormente.
Figura 17. Diagrama de bloques de un encoder para turbo códigos.
Fuente: Performance of turbo encoder and turbo decoder for LTE.
7.5. Beamforming por descomposición en valores singulares
Beamforming es una técnica de procesamiento de señal utilizada en arreglos de
sensores para la transmisión y recepción de señales direccionales [41], [42]. El
método de beamforming basado en descomposición en valores singulares (SVD)
podría aplicarse cuando la información de estado del canal (CSI) es conocida tanto
para el transmisor como para el receptor en un sistema de comunicación MIMO. La
idea de beamforming en SVD es descomponer un canal MIMO en varios canales
independientes de entrada y salida única (SISO) y lograr la multiplexación de datos
sin interferencia [43].
La cadena de símbolos transmitidos pasan por un canal MIMO 𝑅𝑟 𝑋 𝑅𝑡 en el dominio
de la frecuencia que se puede representar mediante:
67
[
𝑌1
𝑌2
⋮𝑌𝑅𝑟
] =
[ 𝐻11 𝐻12 ⋯ 𝐻1𝑅𝑡
𝐻21 𝐻22 ⋯ 𝐻2𝑅𝑡
⋮ ⋮ ⋱ ⋮𝐻𝑅𝑟1 𝐻𝑅𝑟2 ⋯ 𝐻𝑅𝑟𝑅𝑡]
[
𝑋1
𝑋2
⋮𝑋𝑅𝑡
] + [
𝑁1
𝑁2
⋮𝑁𝑅𝑟
] (7.5.1)
donde 𝑋 es el vector de símbolos de entrada, 𝐻 es la matriz del canal, 𝑁 es un
vector de AWGN y 𝑌 es el vector de símbolos de salida. En resumen, la ecuación
(7.5.1) puede escribirse así:
𝑌 = 𝐻𝑋 + 𝑁 (7.5.2)
La SVD de la matriz del canal puede escribirse como:
𝐻 = 𝑈𝑆𝑉𝐻 (7.5.3)
donde 𝑈 es una matriz unitaria real o compleja, 𝑆 es la matriz diagonal rectangular
𝑅𝑡 𝑋 𝑅𝑡 con números reales no negativos en la diagonal, y 𝑉 es una matriz unitaria
real o compleja 𝑅𝑡 𝑋 𝑅𝑡. 𝑉𝐻 denota la conjugada transpuesta de 𝑉.
En el lado del transmisor, si se usa 𝑉 como la matriz de beamforming, la cadena de
símbolos recibida se convertirá en:
𝑌 = 𝐻. 𝑉. 𝑋 + 𝑁
= 𝑈. 𝑆. 𝑉𝐻. 𝑉. 𝑋 + 𝑁
= 𝑈. 𝑆. 𝑋 + 𝑁 (7.5.4)
Luego se usa la conjugada transpuesta de 𝑈 como matriz de combinación en el lado
del receptor, la transmisión recibida será:
𝑌 = 𝑈𝐻. (𝑈𝑆𝑋 + 𝑁) (7.5.5)
= 𝑆𝑋 + 𝑈𝐻𝑁
68
La solución de beamforming basada en SVD propuesta en las ecuaciones anteriores
se implementará en la simulación de link-level para mejorar el rendimiento del BER
para antenas múltiples tanto en recepción como en transmisión.
7.6. Modulación por división de frecuencias ortogonales
La creciente demanda de capacidad de transmisión en los sistemas de
comunicación inalámbricos ha señalado la necesidad de emplear diferentes
técnicas de transmisión para aumentar la eficiencia espectral. OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplex) es una técnica que divide un canal de frecuencia en
un número determinado de bandas de frecuencia equiespaciadas, donde en cada
banda se transmite una subportadora que a su vez transporta una porción de
información del usuario.
OFDM es una técnica que se basa en la multiplexación por división de frecuencia
(FDM), pero con el hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite
que el espectro de cada una este traslapado y no exista interferencia, por lo cual
aumenta la eficiencia de uso del espectro debido a que no utilizan banda de
separación entre subportadoras.
Para 5G se han definido o considerado cuatro formas de onda, todas ellas basadas
multiplexación por división de frecuencia (OFDM):
OFDM con prefijo cíclico tradicional (CP-OFDM)
Acceso múltiple por división de frecuencia de una sola portadora (SC-FDMA)
OFDM con ventana (W-OFDM o WOLA-OFDM)
OFDM filtrada (F-OFDM)
Para el análisis de sistemas BDA2GC no se analiza SC-FDMA, ya que se entiende
que es un esquema adecuado para el enlace ascendente con una relación de
69
potencia pico promedio reducida (PAPR), además de SC-FDMA, OFDM ahora
también se selecciona para el enlace ascendente.
CP-OFDM es el esquema de modulación utilizado en LTE. Mientras ofrece una
protección perfecta entre símbolos (ISI) e interferencia de portadoras (ICI) con
sincronización ideal, CP-OFDM adolece de malas características de emisión fuera
de banda (OOBE). Los esquemas de modulación alternativos como F-OFDM y W-
OFDM especifican un procesamiento adicional que compensa la reducción de
OOBE versus la complejidad, retardos, y protección ICI / ISI. Estos esquemas
también prometen aumentar la eficiencia espectral más allá del límite del 90% que
se eligió para LTE.
7.6.1. F-OFDM
En este esquema, la señal generada después de la IFFT inversa para una cantidad
de bloques de recurso (RBs), se filtra con un filtro pasa banda con las siguientes
características: transición aguda, características planas en la banda de paso y alto
rechazo fuera de banda.
El diseño considerado es un pasa bajo perfecto ponderado por una ventana de
Hamming. Se sabe que la respuesta en frecuencia de una función 𝑠𝑖𝑛𝑐 truncada
(pasa bajo ideal truncado) exhibe cierta ondulación alrededor de los bordes de la
banda. Por lo tanto, el ancho de banda del pasa bajo perfecto se puede extender en
ambos lados (se muestra en rojo en la Figura 18) en una pequeña cantidad, llamada
compensación de tono. Esto asegura que el ripple esté ubicado fuera de la banda
de paso deseada.
El filtro se caracteriza por dos parámetros principales, la longitud del filtro y la
compensación de tono que indica el número de subportadoras adicionales para
incluir en la banda de paso cuando se diseña el filtro. La Figura 18 muestra la
respuesta en frecuencia del filtro F-OFDM para una señal de 100 RB con longitud
de filtro de 513 y dos valores de compensación de tono: 0 y 12 subportadoras.
70
Figura 18. Respuesta en frecuencia para el filtro F-OFDM.
Fuente: Analysis of candidate waveforms for 5G cellular systems.
Por otra parte, la Figura 19 muestra un detalle del borde de la banda de paso. Se
puede observar que el ripple (ondulación) más alta se desplaza fuera de la banda
de paso de señal cuando la compensación de tono se establece en 12.
71
Figura 19. Respuesta en frecuencia filtro F-OFDM alrededor del borde de la banda de paso.
Fuente: Analysis of candidate waveforms for 5G cellular systems.
7.6.2. W-OFDM
En W-OFDM, el procesamiento se realiza al principio y al final de cada símbolo
OFDM después del cálculo de IFFT. Un prefijo cíclico (CP) y un sufijo cíclico (CS)
se agregan al símbolo OFDM calculado, y el escaneado (coseno elevado) se realiza
de forma que la amplitud de la ventana sea de -3 dB al comienzo y al final del
símbolo OFDM. Esto permite la reconstrucción perfecta del símbolo OFDM cuando
se agrega CS al comienzo y CP al final.
La Figura 20 muestra la ventana del coseno elevado para esta configuración: la
amplitud del primer y último símbolo OFDM de las muestras (en azul) se ve afectada
por la ventana para una longitud total correspondiente a las longitudes de prefijo y
sufijo.
72
Figura 20. Símbolo OFDM con prefijo y sufijo cíclico adicional.
Fuente: Analysis of candidate waveforms for 5G cellular systems.
Es de tener en cuenta que, contrariamente a CP-OFDM, donde típicamente se
descarta el prefijo cíclico, W-OFDM se basa en combinar el CS y el CP de nuevo
con el símbolo OFDM original para reconstruir un símbolo OFDM completo (en azul)
con amplitud constante de 1. La ventana se caracteriza por un parámetro principal
denominado factor de reducción para la ventana (Alpha).
7.7. Estimación y compensación del efecto Doppler
El efecto Doppler (o desplazamiento Doppler) es el cambio en la frecuencia para un
observador que se mueve en relación con su fuente. La relación entre la frecuencia
𝑓 recibida y la frecuencia portadora transmitida 𝑓0 puede describirse de la siguiente
manera:
𝑓 = (1 +∆𝑣
𝑐) 𝑓0 (7.7.1)
donde ∆𝑣 es la velocidad relativa entre el receptor y el transmisor, que es positiva
cuando el transmisor y el receptor se mueven el uno hacia el otro. 𝐶 es la velocidad
de la luz y 𝑓0 es la frecuencia emitida. Así, la variación de frecuencia viene dada por:
∆𝑓 =∆𝑣
𝑐𝑓0 (7.7.2)
En un sistema BDA2GC, la velocidad de crucero típica para un avión comercial de
pasajeros de larga distancia es de alrededor de 250 m/s. La variación de frecuencia
Doppler podría ser muy alta con una frecuencia de portadora de 10 GHz, lo que
73
causaría un grave problema de interferencia interportadora (ICI) para el sistema
OFDM. Por tanto, se necesita una estimación de efecto Doppler y técnicas de
compensación adecuadas para el sistema BDA2GC.
Para un sistema de comunicaciones basado en OFDM, el símbolo recibido en la
subportadora 𝑘 en el dominio de la frecuencia se puede describir como [44]:
𝑌(𝑘) = 𝑋(𝑘)𝑆(0) + ∑ 𝑋(𝑙)𝑆(𝑙 − 𝑘) + 𝑛𝑘 , 𝑘 = 0,1, … ,𝑁 − 1 (7.7.3)
𝑁−1
𝑙=0,𝑙≠𝑘
donde 𝑁 es el número total de subportadoras, 𝑋(𝑘) es el símbolo de transmisión de
la subportadora 𝑘th y 𝑛𝑘 es ruido blanco gaussiano. El coeficiente ICI 𝑆(𝑙 − 𝑘)
representa el término ICI de la subportadora 𝑙th a la subportadora 𝑘th, que podría
expresarse como:
𝑆(𝑙 − 𝑘) =𝑠𝑖𝑛(𝜋(𝑙 − 𝑘 + 𝜖))
𝑁𝑠𝑖𝑛((𝜋 𝑁)(𝑙 − 𝑘 + 𝜖))⁄𝑒𝑥𝑝 (𝑗𝜋 (1 −
1
𝑁) (𝑙 − 𝑘 + 𝜖)) (7.7.4)
donde 𝜖 es la variación de frecuencia Doppler normalizada de acuerdo con el
espaciado de la subportadora OFDM. Para simplificar la ecuación (7.7.3) y (7.7.4),
se introdujo una ecuación aproximada en [45]:
𝑌(𝑘) ≈ 𝑋(𝑘)𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖) + [−𝑋(𝑘 − 1) − 𝑋(𝑘 + 1)]𝜖𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖) + [𝑋(𝑘 − 2) + 𝑋(𝑘 + 2)]𝜖
2𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖) (7.7.5)
donde 𝑆(0) se puede aproximar como 𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖), y solo las pocas subportadoras
vecinas se tendrán en cuenta. Entonces la estimación del efecto Doppler puede ser
como:
𝐸[𝑌(𝑘) 𝑋(𝑘)⁄ ] ≈ 𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖) (7.7.6)
Para compensar el efecto Doppler en el dominio de la frecuencia, es suficiente
dividir los símbolos recibidos por 𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖) antes de la demodulación.
𝑌𝑐(𝑘) = 𝑌(𝑘) 𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖)⁄ (7.7.7)
74
donde 𝑌𝑐(𝑘) la compensación de símbolos recibidos en el dominio de la frecuencia.
En [46], el efecto Doppler de la aeronave para la transmisión de 10 GHz se midió
en situaciones prácticas. La variación de frecuencia Doppler no excederá
aproximadamente 1KHz cuando los anchos de haz de la antena estén limitados a
alrededor de 3 grados bajo la condición de 600 Km ISD. Cuando la aeronave inicia
su despegue o aterrizaje, se producirá un desplazamiento en la frecuencia Doppler,
pero generalmente alrededor de 70 Hz. Por lo tanto, se experimentarán varios
cambios de frecuencia Doppler para verificar el rendimiento del enlace en diferentes
condiciones.
7.8. Parámetros de simulación
Una vez se han definido todas las variables inmersas en un sistema de
comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha BDA2GC, se hace necesario
establecer una serie de parámetros que regirán el sistema durante el análisis de
comportamiento y rendimiento, los mismos se detallan de forma específica en los
siguientes apartados.
7.8.1. Modelado de la antena
El modelo de antena correspondiente para la BS es un arreglo uniforme en forma
de panel rectangular, que comprende 𝑀𝑔𝑁𝑔 paneles, en la Figura 21 se ilustra dicha
configuración de acuerdo a lo recomendado en el reporte técnico 3GPP TR 38.900
[32]. En la misma se especifican los siguientes parámetros:
- 𝑀𝑔 es el número de paneles en una columna.
- 𝑁𝑔 es el número de paneles en una fila.
- Los paneles de antena están uniformemente espaciados en la dirección
horizontal con un espaciado de 𝑑𝑔,𝐻 y en la dirección vertical con un
espaciado 𝑑𝑔,𝑉.
75
- En cada panel de antena, los elementos de antena se instalan tanto en
dirección vertical como horizontal, donde 𝑁 es el número de columnas, 𝑀 es
la cantidad de elementos de antena con la misma polarización en cada
columna.
Figura 21. Modelo de la antena.
Fuente: Technical Report 3GPP TR 38.900.
De igual forma, los parámetros de configuración del modelo de antena mostrado en
la Figura 21, se detallan en la Tabla 2 con base a las recomendaciones descritas en
3GPP TR 38.900 [32].
Tabla 2. Parámetros del modelo de antena.
PARÁMETRO VALOR
Ancho del haz 𝜙 = 3𝑑𝐵 plano horizontal y vertical 65° Espaciado de elementos de antena 𝑑𝐻 y 𝑑𝑉 0.5𝜆
Ganancia direccional máxima de un elemento de antena 8 𝑑𝐵𝑖 Número de elementos de antena en dirección horizontal 1, 2, 4, 8
Número de elementos de antena en dirección vertical 1, 2, 4, 8, 16
Fuente: Technical Report 3GPP TR 38.900.
76
7.8.2. Parámetros del sistema
Con el fin de experimentar y generar un análisis del comportamiento y rendimiento
del sistema de comunicaciones directas aire-tierra de banda ancha BDA2GC sobre
nuevas tecnologías de radio 5G, se toma como base lo concerniente a los supuestos
para la calibración de sistemas de banda ancha y un arreglo de antenas de tamaño
considerable propuestos en el reporte técnico 3GPP TR 38.900 [32]. En la Tabla 3
se detallan los valores correspondientes a las variables más significativas.
Tabla 3. Parámetros del sistema.
PARÁMETRO VALOR
Frecuencia de portadora 10 GHz y 30 GHz
Ancho de banda 200 MHz
Modo de duplexación FDD
Fuente: Technical Report 3GPP TR 38.900.
De la Tabla 3, la frecuencia de portadora por debajo de 52 GHz se eligió para evitar
la alta absorción de oxígeno y la atenuación debida a la lluvia de acuerdo a lo
descrito en la sección 7.1., sin embargo, se cumple con el requerimiento de trabajar
con frecuencias superiores a 6 GHz como frecuencia baja establecida para 5G.
77
8. Análisis de resultados En este capítulo se presenta el análisis de los resultados obtenidos como producto
de la implementación del modelo en Matlab, el objetivo principal es proyectar la
capacidad del sistema en función de la SNR. El análisis se realiza evaluando el
impacto de parámetros relevantes para el despliegue de un enlace BDA2GC
(diversidad de transmisores y receptores, esquemas de modulación, técnicas de
multiplexación, estimación de canal, efecto Doppler) y su influencia en la evaluación
del BER a nivel de enlace (link-level simulation) en 5G.
8.1. Diversidad de receptores
Con el fin de evaluar el impacto de la diversidad de receptores en un sistema
BDA2GC, se han variado la cantidad de antenas en la etapa de recepción. Para
ello, se ha considerado una estimación de canal ideal, los resultados obtenidos se
muestran en la Figura 22.
Figura 22. Comportamiento del BER con diversidad de receptores.
Fuente: Elaboración propia.
78
La diversidad de antena, también conocida como diversidad espacial, es una técnica
en la cual, si las antenas se instalan lo suficientemente separadas entre sí, las
señales sufrirán desvanecimiento de forma casi independiente. En el caso particular
del análisis de un sistema BDA2GC con diversidad de receptores, se configura bajo
esta técnica un sistema SIMO (Single Input Multiple Output), lo que se pretende de
esta manera es asegurar que la información llegue al receptor por canales
estadísticamente independientes, así la probabilidad de que el número de antenas
con que se ha configurado el BDA2GC estén a la vez en un desvanecimiento
profundo es baja, menor que la probabilidad de que una sola antena esté es
desvanecimiento profundo. De este modo, la diversidad mejora la SNR a la entrada
del receptor.
De la Figura 22 se puede inferir que un número mayor de antenas de recepción
mejora significativamente el comportamiento del BER del sistema. Tomando como
referencia un valor de BER de 10−3, se puede notar que con un número de 64
antenas en recepción se logra obtener el BER objetivo con un menor valor de SNR,
en un punto intermedio se encuentra la configuración de 16 antenas en recepción
para la cual se requiere un incremento aproximadamente de 6 dB en SNR para
alcanzar el BER propuesto, finalmente con un número de 4 antenas en recepción
es necesario una SNR de 18 dB para un BER objetivo de 10−3.
Una vez analizados los resultados representados en la Figura 22, de forma general
se puede establecer que para lograr un BER de 10−3 (un bit erróneo por cada 1000
bits transmitidos), a medida que el factor de número de antenas se disminuye en un
factor de 4, se requiere por lo menos un incremento de 6 dB en la SNR para lograr
el BER objetivo. De este modo, la configuración de 64 antenas en recepción es la
que presenta un mejor rendimiento en cuanto al BER permitiendo lograr valores
cercanos a 10−7 con una SNR de 10 dB, con 16 antenas y SNR de 14 dB se obtienen
valores de BER cercanos a 10−5, y con una configuración de 4 antenas y una SNR
de 18 dB escasamente se logra un valor de BER de 10−3.
La diversidad es más eficiente cuando los diferentes canales de transmisión llevan
copias independientes de la misma señal. El límite teórico de la diversidad es
infinito, ya que la diversidad se hace infinita cuando conseguimos una probabilidad
de desvanecimiento (es decir, la probabilidad de que la SNR sea muy cercana a
79
cero) igual a cero. Este es el caso para los canales fijos (también llamados canales
AWGN), puesto que la SNR es fija y, por tanto, nunca se puede hacer cero. En
canales móviles como el que se configura en un sistema BDA2GC se puede lograr
que esta probabilidad sea cero en dos escenarios distintos: o bien teniendo un canal
multiusuario con infinitos usuarios, o simplemente, teniendo una transmisión
adaptativa. Ésta última consiste en que cuando el canal sea muy malo, no transmita
nada. En estos escenarios tenemos diversidad infinita y las prestaciones en
términos de SNR vs BER son mucho mejores que para el caso de un canal Rayleigh.
8.2. Diversidad de transmisores
En la Figura 23 se muestran los resultados obtenidos en el comportamiento del BER
del sistema BDA2GC. El resultado se ha logrado estableciendo la condición de una
estimación de canal ideal, beamforming SVD, un esquema de modulación 64-QAM,
y el número de antenas en el transmisor se ha incrementado en un factor de 2.
Figura 23. Comportamiento del BER con diversidad de transmisores.
Fuente: Elaboración propia.
80
Estableciendo un BER deseado de 10−5, de la Figura 23 es factible deducir que en
una configuración de 8 antenas transmisoras el sistema BDA2GC presenta el mejor
comportamiento en lo que respecta a esta variable, así al duplicar el número de
antenas de transmisión con respecto a las configuraciones de 4 y 2 antenas, el
comportamiento del BER mejoró y se ha agregado una ganancia de
aproximadamente 2 dB a la SNR del sistema, la cual varía de 12 dB a 10 dB y de
10 dB a 8 dB para diversidad de antenas de transmisión de 2, 4 y 8 respectivamente.
Los resultados mostrados en la Figura 23 son semejantes a los obtenidos con la
diversidad de antenas en recepción, sin embargo, se presentan dos diferencias
importantes, la primera de ellas es que para un BER objetivo de 10−5 observado en
los límites de la gráfica hay una disminución de la SNR media de recepción en un
factor igual al factor del número de antenas que se han configurado en el receptor,
esto porque en el caso de recepción se combinan ganancias de agrupación y de
diversidad, mientras que en transmisión la potencia disponible se distribuye en las
𝑁 antenas transmisoras, por tanto sólo se obtiene ganancia por diversidad,
haciéndolo menos eficiente en términos de potencia media. La segunda diferencia
radica en que se requiere conocer el estado del canal en el extremo transmisor lo
que agrega una complejidad al sistema con considerable impacto práctico, hecho
por el cual para la simulación de link-level se ha establecido una estimación de canal
ideal para no causar afectaciones en la evaluación del comportamiento del BER
ante la diversidad de transmisores.
Agrupando las técnicas de diversidad de recepción y trasmisión (diversidad
espacial), es posible lograr una solución óptima para un sistema BDA2GC
conociendo el estado del canal en ambos extremos, aplicando la descomposición
en valores singulares del canal MIMO. Este esquema de diversidad espacial óptima
combinado (trasmisión y recepción) es equivalente a utilizar sólo uno de los canales
paralelos que un sistema MIMO puede proveer y corresponde al canal con mayor
ganancia de potencia.
Para el caso de la diversidad espacial los beneficios que proporciona esta técnica
se pueden apreciar en la ganancia que se obtiene en la tasa de error (BER),
respecto de la relación promedio de señal a ruido (SNR). En general, a mayor
número de antenas y/o mayor SNR se tiene mayor ganancia relativa, medida como
81
la disminución en la SNR requerida respecto a un sistema sin diversidad para un
determinado BER. Igualmente, independientemente de que se tenga diversidad en
trasmisión o en recepción, el número de antenas sólo define la pendiente asintótica
con la que decae la tasa de error (BER), y que en el caso de diversidad en recepción
hay una ganancia adicional de antena, lo que indica que la ganancia total puede
descomponerse en un factor de diversidad y otro de antena. Para el caso de
diversidad en trasmisión la ganancia de antena es 1, obteniendo de este modo
exclusivamente ganancia de diversidad en el sistema. Finalmente cabe resaltar que
el límite de ganancia por diversidad es el canal Gaussiano (1x1) una antena en
transmisión y una en recepción, es decir que, para un número de antenas
suficientemente grande, la fluctuación de la señal producto de los desvanecimientos
del canal tienen a desaparecer cuando se aplican técnicas de diversidad.
8.3. Esquemas de modulación
A partir de los resultados mostrados anteriormente, se pudo concluir que un mayor
arreglo de antenas podría compensar la baja SNR en gran medida debido esto a la
alta ganancia del arreglo. A continuación, se presenta el rendimiento del BER de
diferentes esquemas de modulación QAM de nivel superior, bajo la misma
configuración de antena para los tres casos propuestos, en la simulación se han
considerado 8 antenas en transmisión y 16 antenas en recepción.
La Figura 24 resume los resultados del comportamiento del BER del sistema
BDA2GC en función del orden del esquema de modulación seleccionado, fijando un
BER objetivo de 10−5, para un esquema de modulación de orden inferior como 16-
QAM un valor de SNR un poco mayor a 2 dB permite alcanzar el BER requerido.
Haciendo la transición a un esquema de modulación 64-QAM que implica menor
separación entre símbolos, se requieren aproximadamente 6 dB más en la SNR, es
decir 8 dB, para lograr el BER objetivo de 10−5; por último la selección de un
esquema de modulación de orden superior 256-QAM requiere una SNR cercana a
los 14 dB, 12 dB más que el esquema de modulación de orden inferior 16-QAM para
igualar el valor del BER establecido.
82
Figura 24. Comportamiento del BER ante diferentes esquemas de modulación.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 24 se proporciona una visión general sobre la influencia de diferentes
esquemas de modulación QAM en el comportamiento del BER. Un esquema de
modulación de nivel superior indica que la separación entre los símbolos de QAM
adyacentes es menor, lo que demuestra que cuando la potencia de ruido es mayor,
es más complejo demodular correctamente los símbolos de QAM. De la misma
forma, de la Figura 24 se puede definir el esquema de modulación adecuado bajo
un valor umbral del BER aceptable al momento de diseñar el sistema BDA2GC.
Durante el diseño e implementación de un sistema BDA2GC soportado en nuevas
tecnologías de radio 5G, resulta fundamental la disponibilidad de variantes de
esquemas de modulación que permitan la modulación adaptativa basada en las
condiciones del canal. Cuando el enlace de radio está relativamente limpio, es decir,
la SNR es alta, se pueden emplear esquemas de modulación con constelaciones
densas como 256-QAM que facilitan un incremento en el rendimiento del sistema.
Sin embargo, si el canal se torna más ruidoso se debe utilizar un esquema de
modulación que tenga más separación entre cada símbolo (16-QAM O 64-QAM),
83
este cambio implica una reducción en el número de bits por cada símbolo, pero
también reduce la probabilidad de error.
Un orden de modulación superior tiene la ventaja de enviar mayor cantidad de bits
por símbolo con respecto a una modulación de orden inferior, pero a su vez la
susceptibilidad al ruido incrementa debido a que la probabilidad de error es
dominada por la mínima distancia entre símbolos, bajo esta premisa con un canal
de transmisión que presente calidad óptima es factible el empleo de una modulación
de orden superior que facilite en el receptor la distinción de la señal transmitida. Por
lo tanto, a mayor orden de la modulación, la potencia de transmisión requerida será
mayor con el fin de obtener la menor cantidad de bits erróneos.
Por otra parte, en lo que respecta a las formas de onda analizadas durante las
simulaciones de link-level, fueron considerados los dos casos descritos en la
sección 7.6, F-OFDM y W-OFDM. En la Figura 25 se muestran las características
espectrales de las formas de onda mencionadas, las mismas se analizan en
términos de la cantidad de potencia filtrada a las bandas vecinas y la calidad de la
forma de onda, bajo condiciones de linealidad.
De acuerdo a lo que se ha planteado 5G empleará OFDM con prefijo cíclico como
esquema de modulación. Para aumentar la eficiencia espectral, las emisiones fuera
de banda deben ser controladas. Actualmente LTE implementa filtros y ventanas
para controlar la fuga espectral, sin embargo, en LTE, un límite de ocupación de
ancho de banda del 90% es obligatorio. Así, para un ancho de banda de 20 MHz,
se transmite una señal LTE usando 100 bloques de recursos (RB), que ocupan un
total de un total de 100 ∗ 12 ∗ 153 = 18 𝑀𝐻𝑧, esto significa 12 portadoras de 100 RB
con un espaciado entre portadoras de 15 KHz. En 5G, la limitación de ocupación
del ancho de banda del 90% no se aplica, lo que potencialmente permite un
aumento en la eficiencia espectral.
Los resultados presentados en la Figura 25 muestra el espectro en el borde de la
banda ocupada por una señal de 20 MHz (100 RB para CP-OFDM y 108 para W-
OFDM y F-OFDM), es de anotar que la señal CP-OFDM ya ha sido filtrada para
cumplir con los requisitos de relación de potencia de fuga de canal adyacente
84
(ACLR) establecidos. Igualmente se observa que las formas de onda W-OFDM y F-
OFDM usan más ancho de banda, hecho que puede incrementar la eficiencia
espectral. En la parte derecha de la figura se representa el espectro de la señal que
se filtra a la banda vecina de 5 MHz contigua a la banda de interés, es decir, entre
10 MHz y 15 MHz en un espectro de doble cara para un canal de 20 MHz. Se extrae
como resultado importante el hecho de que F-OFDM presenta un mejor
comportamiento que W-OFDM dado que reduce en mayor medida la cantidad de
emisiones fuera de banda, sin embrago, la operación de filtrado F-OFDM puede dar
como resultado una mayor complejidad computacional cuando se compara con la
ventana de dominio de tiempo W-OFDM.
Figura 25. Espectro de formas de onda W-OFDM y F-OFDM.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 26 con fines de comprobación, se muestra el ancho de banda ocupado
con una asignación de 270 bloques de recursos y una separación de subportadoras
de 60 KHz. Esto da como resultado un ancho de banda ocupado de 194.4 MHz, es
decir, un 97.2% de ocupación de ancho de banda para un global disponible de 200
MHz.
85
Figura 26. Ancho de bando ocupado por una forma de onda OFDM.
Fuente: Elaboración propia.
8.4. Técnicas de multiplexación
La evaluación de las técnicas de multiplexación sobre el comportamiento del BER
del sistema, es una simulación relativamente aproximada. Lo que se pretende es
analizar la diafonía entre dos polarizaciones ortogonales influenciada por un ángulo
de desacople. Como parámetros básicos de la simulación se asume una estimación
de canal ideal, modulación 64-QAM y una configuración de 8 antenas en transmisión
y 16 en recepción. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 27,
analizando el caso ideal y posteriormente un ángulo de desacople de 10° y 20°
respectivamente.
86
Figura 27. Comportamiento del BER ante diferentes técnicas de multiplexación.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 27 se resumen tres condiciones que condicionan el comportamiento
del BER del sistema BDA2GC bajo diferente ángulo de desacople. A partir de las
distancias entre cada una de las líneas que representan los casos analizados, es
posible establecer que el comportamiento del BER sufre variaciones abruptas ante
incrementos graduales de 10° en el ángulo de desacople. El caso ideal, es decir con
un acople perfecto, con una SNR de 10 dB es posible tener un BER un poco mayor
a 10−7, sin embargo, cuando se tienen ángulos de desacople no es posible alcanzar
este valor de BER aun cuando se presenten aumentos considerables en la SNR,
mayores a 6 dB. La línea magenta corresponde al comportamiento del BER con un
ángulo de desacople de 10°, caso para el cual con 16 dB de SNR no es posible
siquiera lograr un BER de 10−6; el peor de los casos es representado por la línea
de color rojo que corresponde a un ángulo de desacople de 20°, el BER tiende a
mantenerse constante en un valor cercano a 10−1 y no mejora su comportamiento
ante incrementos considerables en la SNR.
87
La creciente demanda de capacidad de transmisión en los sistemas BDA2GC ha
señalado la necesidad de emplear diferentes técnicas de transmisión para aumentar
la eficiencia espectral. Adicional a un esquema de modulación QAM superior y
modulación tipo OFDM, casos analizados en el numeral 8.3, otra técnica utilizada
para mejorar la eficiencia espectral de los sistemas de comunicación inalámbricos
es la multiplexación por división de polarización (PDM), también empleado en
comunicaciones ópticas y cuyo comportamiento fue representado en la Figura 27.
Dado que la multiplexación consiste en mejorar la capacidad del enlace,
manteniendo el espectro y, por tanto, mejorando la eficiencia espectral, se
aprovechan las antenas disponibles para formar distintos subcanales que se
transmiten en paralelo en la misma banda de frecuencias. En el receptor del sistema
BDA2GC se discriminan los subcanales que no van dirigidos a él quedándose con
la información requerida. Este método proporciona un incremento de la capacidad
sin necesidad de aumentar el ancho de banda para multiplexar más usuarios.
En el sistema se utiliza un combinador de polarización para combinar dos cadenas
de símbolos OFDM ortogonales, así, para recibir una señal con la máxima potencia,
en el receptor se emplea un divisor de polarización el cual debe tener una
polarización que coincida con la del combinador. Para lograr este aumento de
capacidad es necesario que el número de antenas receptoras sea igual o mayor
que las antenas transmisoras, razón que justifica la configuración de 8 antenas en
transmisión y 16 en recepción durante la simulación, es el receptor el encargado de
invertir el efecto del canal sobre la señal transmitida para recuperar el flujo original
que está dirigido hacia él. Con el empleo de técnicas de modulación cruzada, dos
flujos ortogonales podrían transmitirse simultáneamente, lo que significa que el
rendimiento de la transmisión se duplica, sin olvidar el problema de diafonía de
polarización residual que se presenta.
En un sistema real la combinación perfecta es solo un caso ideal, lo que significa
que siempre se producirá diafonía entre dos polarizaciones ortogonales, además de
ello el ángulo de desacople nunca será ideal (0°). Esto significa que cuando la
modulación de multiplexación por división de polarización desee implementarse en
un sistema BDA2GC, se necesita un algoritmo de detección robusto y preciso para
corregir el ángulo de desacople y de forma simultánea anular las señales no
88
deseadas, de lo contrario el rendimiento del enlace podría verse seriamente
afectado.
8.5. Estimación de canal
Dado que la velocidad y la altitud de la aeronave son relativamente estables durante
el vuelo, se asumirá la estimación del canal ideal para la evaluación de la simulación
en link-level. Sin embargo, para las fases de despegue y aterrizaje, las condiciones
de la aeronave varían rápidamente lo que implica la necesidad de un método de
estimación del canal. Para tal fin se ha establecido el método de estimación de canal
por mínimos cuadrados (LS), el sistema BDA2GC se ha parametrizado con un
esquema de modulación 64-QAM y una configuración de antenas 4 x 8. Teniendo
en cuenta lo anterior, en la Figura 26 se muestran los resultados del comportamiento
del BER ante la estimación del canal por mínimos cuadrados aplicando una señal
de referencia de la forma NX descrita anteriormente en la sección 7.3.1.
Figura 28. Comportamiento del BER ante estimación de canal por mínimos cuadrados.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 28 la línea de color azul representa una estimación de canal ideal, la
misma es la que se establece para las simulaciones de link-level del sistema
89
BDA2GC en fases distintas al despegue y aterrizaje de la aeronave, con respecto a
la misma se puede notar la mejora del comportamiento del BER en función de un
incremento en el valor de la SNR, para un SNR de 0 dB el BER del sistema se
inicializa en 10−1 y gradualmente se obtienen mejores prestaciones hasta lograr un
BER aproximado a 10−8 con una SNR de 18 dB. Para la estimación de canal
durante el aterrizaje y despegue de la aeronave, se aplica el método de mínimos
cuadrados combinado con una señal de referencia NX propuesta para mejorar la
latencia en sistemas 5G, la línea color magenta describe el comportamiento del BER
posterior a estimación del canal, se infiere claramente que el comportamiento del
mismo es similar al logrado con una estimación de canal ideal, aunque presenta una
desviación por encima de la estimación ideal no se requieren aumentos
significativos en la SNR del sistema para obtener el BER requerido.
El empleo de una señal de referencia del tipo NX o de “nuevo espectro” garantiza
una baja latencia dada la corta duración del subframe (100 – 200 𝑢𝑠), la misma
permite crear intervalos de transmisión más largos mediante la agregación de
múltiples subframes. La estructura del frame que ahora contiene la señalización de
referencia y control al inicio de la estructura, facilita la decodificación con un retardo
de procesamiento bajo y de alta fiabilidad.
8.6. Efecto Doppler
El efecto Doppler, como se mencionó en la sección 7.7, es uno de los factores más
importantes que puede influir en el rendimiento de un sistema BDA2GC,
especialmente para las condiciones de despegue y aterrizaje. Con el fin de verificar
el impacto de la variación de frecuencia Doppler de forma aislada, se ajustan los
parámetros de simulación con un esquema de modulación 64-QAM, una estimación
de canal por mínimos cuadrados y una configuración de antenas 8 x 16. En la Figura
29 se agrupan los resultados obtenidos a través de la simulación, el comportamiento
del BER se analiza inicialmente sin considerar algún desplazamiento en frecuencia,
posteriormente se presentan los casos de desplazamiento Doppler de 100 Hz y
1000 Hz, con y sin compensación respectivamente.
90
Figura 29. Comportamiento del BER bajo diferentes desplazamientos de frecuencia Doppler.
Fuente: Elaboración propia.
De los resultados mostrados en la Figura 29, se puede observar un resultado
interesante y es el comportamiento similar del BER ante diferentes condiciones de
desplazamiento Doppler. No hay mucha diferencia en los valores del BER sin
importar si se considera o no el efecto Doppler, con o sin la estimación del
desplazamiento y la respectiva compensación.
Existen dos razones principales relacionadas con los resultados que se muestran
en la Figura 29. La primera de ellas es el gran espaciamiento de las subportadoras,
con un espaciado de subportadoras de 60 KHz, que se ha considerado debido al
requisito de la numerología 5G, la compensación de frecuencia Doppler
normalizada 𝜖 (descrita en la sección 7.7) es relativamente pequeña incluso
considerando la alta frecuencia y velocidad de la portadora. Esto conlleva a una
interferencia interportadora soportable, que es una de las ventajas de la aplicación
de 5G en sistemas BDA2GC. La segunda razón que justifica estos resultados es
que la aplicación de códigos espacio-tiempo, estos esquemas cuasi-ortogonales
complejos permiten alcanzar máxima velocidad y diversidad total al mismo tiempo
con un número mayor a dos antenas transmisoras.
91
Para el caso específico de una configuración de antenas 8 x 16 (8 en transmisión y
16 en recepción), los mismos símbolos modulados se codifican en diferente forma
y se transmiten a través de las 8 antenas. De acuerdo con la sección 7.7, el efecto
principal de la variación de frecuencia Doppler es aproximadamente un cambio de
fase en la constelación, que puede expresarse mediante un factor 𝑒𝑥𝑝(𝑗𝜋𝜖), donde
𝜖 es el desplazamiento de frecuencia normalizado. Ignorando el ruido blanco
Gaussiano (AWGN) y aplicando técnicas de beamforming SVD, los símbolos
recibidos se pueden combinar y promediar, así, el símbolo recibido puede verse
como el símbolo original multiplicado por un factor 𝑐𝑜𝑠(𝜋𝜖), lo que significa que el
desplazamiento de fase en la constelación ha sido compensado. La configuración
del sistema BDA2GC toma en consideración un espaciamiento de 60 KHz entre
subportadoras y un desplazamiento de frecuencia Doppler máximo de 1 KHz, el
factor de escala es de 𝑐𝑜𝑠(𝜋𝜖) equivalente a 0.9986 ≈ 1, lo que explica la razón por
la cual no hay una diferencia notable entre todas las condiciones incluso sin
estimación de desplazamiento Doppler y compensación.
8.7. Comportamiento de la capacidad del enlace
Después de considerar el impacto de las distintas configuraciones de antena,
esquemas de modulación, técnicas de multiplexación y el efecto Doppler sobre el
comportamiento del BER del sistema BDA2GC, la capacidad del enlace se presenta
en función de los resultados de BER mostrados anteriormente. La configuración del
sistema para la simulación de link-level se ha establecido con diferentes
configuraciones de antena 4 x 32 y 8 x 32, se considera un esquema de modulación
256-QAM y un Doppler aleatorio por debajo de 1000 Hz. En la Figura 30 se resumen
los resultados obtenidos para casos particulares simulados bajo las condiciones
descritas anteriormente.
De forma general el concepto de capacidad de canal o del enlace, representa la
tasa binaria máxima que se puede transmitir con códigos ideales y probabilidad de
error relativamente baja, se mide en bps/Hz y depende de su ancho de banda y de
la SNR. La capacidad de canal limita la cantidad de información que puede transmitir
la señal que se envía a través del mismo.
92
Figura 30. Comportamiento de la capacidad del enlace.
Fuente: Elaboración propia.
Los resultados presentados en la Figura 30 se analizan en dos grupos principales,
el primero de ellos correspondiente a la trasmisión de un stream bajo una
configuración de antenas de 4 x32 y 8 x 32 mostrado en la parte inferior de la gráfica,
el segundo grupo corresponde a la transmisión de dos stream bajo la misma
configuración de antenas y se visualiza en la parte superior de la gráfica.
Para el primer grupo, cuando se transmite un stream con una configuración de
antenas 4 x 32, para 0 dB de SNR la capacidad del enlace se establece en un valor
aproximado de 7.5 bps/Hz y sigue una tendencia de incremento gradual hasta un
valor de SNR de 8 dB, después de dicho valor aun incrementando el valor de la
SNR la capacidad del enlace se establece en 8 bps/Hz y no presenta variación
alguna. Cambiando la configuración de antenas a 8 x 32, para una SNR de 0 dB la
capacidad del enlace se fija en 7.7 bps/Hz, un valor un poco mayor al logrado con
la configuración inicial, posteriormente se presenta una tendencia suave de
incremento en el valor de la capacidad del enlace hasta que la SNR alcanza un valor
estimado de 7 dB, a partir de este punto al igual que en el caso anterior, el valor de
93
la capacidad del enlace se centra en 8 bps/Hz sin incremento alguno ante
incrementos graduales de la SNR.
La segunda parte de los resultados corresponde a la transmisión de dos stream bajo
una configuración de antenas 4 x 32 y 8 x 32, para la primera configuración la
capacidad del enlace es de 15 bps/Hz para una SNR de 0 dB, incrementa
gradualmente y cuando la SNR es de 12 dB se alcanza un valor máximo de 16
bps/Hz en la capacidad del enlace; bajo la segunda configuración de antenas la
capacidad del enlace presenta su mejor desempeño dentro de los cuatro casos
descritos, con 0 dB de SNR la capacidad del enlace toma un valor de 15.4 bps/Hz
aproximadamente, posteriormente mantiene su tendencia al incremento y a 10 dB
de SNR logra establecerse en el valor máximo de capacidad del enlace, 16 bps/Hz.
94
9. Conclusiones El comportamiento y rendimiento del sistema de comunicaciones directas aire–tierra
de banda ancha (BDA2GC) soportado en las nuevas tecnologías de radio 5G, se
abordó bajo la perspectiva de la caracterización del comportamiento del BER y
capacidad del enlace a través de simulación link-level, analizando factores como la
diversidad de transmisores y receptores, esquemas de modulación, técnicas de
multiplexación, estimación de canal y efecto Doppler aplicados al sistema BDA2GC.
Mediante la combinación de técnicas de diversidad de recepción y trasmisión
(diversidad espacial), es posible lograr una solución óptima para un sistema
BDA2GC conociendo el estado del canal en ambos extremos. Este esquema
proporciona beneficios que se pueden apreciar en la ganancia obtenida en la tasa
de error (BER), respecto de la relación promedio de señal a ruido (SNR). En general,
a mayor número de antenas y/o mayor SNR se tiene mayor ganancia relativa,
medida como la disminución en la SNR requerida respecto a un sistema sin
diversidad para un determinado BER. Independientemente de que se tenga
diversidad en trasmisión o en recepción, el número de antenas sólo define la
pendiente asintótica con la que decae la tasa de error (BER).
Referente a los distintos esquemas de modulación aplicables en un sistema
BDA2GC, un orden de modulación superior tiene la ventaja de enviar mayor
cantidad de bits por símbolo con respecto a una modulación de orden inferior, pero
a su vez la susceptibilidad al ruido incrementa debido a que la probabilidad de error
es dominada por la mínima distancia entre símbolos, bajo esta premisa con un canal
de transmisión que presente calidad óptima (canal limpio) es factible el empleo de
una modulación de orden superior que facilite en el receptor la distinción de la señal
transmitida, sin embargo, si el canal se torna más ruidoso se debe utilizar un
esquema de modulación que tenga más separación entre cada símbolo (16-QAM O
64-QAM), este cambio implica una reducción en el número de bits por cada símbolo,
pero también reduce la probabilidad de error.
Además de un esquema de modulación QAM superior y modulación tipo OFDM,
con el empleo de técnicas de modulación cruzada para un aumento de la eficiencia
espectral, dos flujos ortogonales pueden transmitirse simultáneamente, lo que
95
significa que el rendimiento de la transmisión se duplica, sin olvidar el problema de
diafonía de polarización residual que se presenta. Esto significa que cuando la
modulación de multiplexación por división de polarización desee implementarse en
un sistema BDA2GC, se necesita un algoritmo de detección robusto y preciso para
corregir el ángulo de desacople y de forma simultánea anular las señales no
deseadas, de lo contrario el rendimiento del enlace podría verse seriamente
afectado.
Al transmitir con múltiples antenas, el receptor debe estimar la matriz de canal, ya
sea para ejecutar una decodificación, o para discriminar las señales transmitidas y
cancelar interferencias en sistemas sin codificación. Para el caso del sistema
BDA2GC se aplicó el método de mínimos cuadrados para la estimación del canal
con el fin de caracterizar el comportamiento del sistema durante las fases de
despegue y aterrizaje, se logró establecer que el comportamiento del mismo es
similar al logrado con una estimación de canal ideal, aunque presenta una
desviación por encima de la estimación ideal no se requieren aumentos
significativos en la SNR del sistema para obtener el BER requerido.
Dadas las variaciones de velocidad y altura de la aeronave con respecto a un punto
de referencia, con base en los resultados de la simulación se estableció que ante
las variaciones en la frecuencia Doppler, el comportamiento del BER del sistema
BDA2GC no se afecta considerablemente, se mantiene casi que constante debido
a que la compensación de la frecuencia Doppler normalizada es relativamente
pequeña, propiciando una interferencia interportadora soportable, que es una de las
ventajas de la aplicación de 5G en sistemas BDA2GC.
Después de analizar los resultados obtenidos sobre el comportamiento del BER, se
puede inferir de forma teórica que los canales MIMO ofrecen la posibilidad de un
incremento lineal de la capacidad del enlace del sistema BDA2GC cuando se
emplean técnicas de procesamiento espacio-tiempo, a medida que aumenta el
número de elementos del arreglo de antenas en uno o ambos extremos del enlace.
Así como la capacidad del enlace es un proceso dependiente del número de
elementos de antenas en los array, factores como el nivel de potencia transmitida,
la potencia de ruido, el número de canales y sus ganancias asociadas tienen una
influencia importante sobre el comportamiento del mismo. Para los sistemas
96
BDA2GC soportados en las nuevas tecnologías de radio 5G, la posibilidad de
aumentar la capacidad del enlace incrementando el número de antenas en el
transmisor y receptor en un orden de decenas a cientos, perfilándose de este modo
un MIMO masivo, es una de las principales líneas de acción para lograr mayor
capacidad del enlace.
97
10. Trabajos futuros Tomando como punto de partida que los resultados del trabajo de investigación se
obtienen mediante la implementación y pruebas de un modelo en Matlab, se hace
necesario que en futuras investigaciones una vez se haya estandarizado totalmente
5G, se incluyan detalles que no se contemplaron por no encontrarse definidos en
su totalidad y se realicen mediciones reales que permitan generar un principio de
diseño del sistema BDA2GC convincente.
Por otra parte, dado que el análisis del sistema se realizó a nivel de link-level (un
único sistema), una futura línea de acción es analizar el comportamiento del sistema
BDA2GC mediante simulaciones de system-level, es decir, simulaciones en las que
se consideren muchas aeronaves con sistemas BDA2GC interactuando en un
espacio aéreo concurrido en el que la demanda de capacidad del enlace sea mayor
y se requiera un mejor planeamiento para el diseño y distribución de las estaciones
terrenas.
Finalmente, se propone que además de las técnicas evaluadas en el presente
trabajo de investigación, se profundice en la investigación de otras técnicas de
beamforming, esquemas de modulación, técnicas de multiplexación y demás
factores con el fin de lograr combinaciones de estas técnicas que faciliten un
incremento en la capacidad del sistema sin incurrir en un mayor costo de
implementación.
98
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102
12. Apéndices
12.1. Algoritmos para link-level simulation
A continuación, se muestran las líneas de código correspondientes a la
implementación del modelo propuesto en la Figura 14. La configuración inicial del
modelo, en la cual se predefine la duración de la simulación en términos de número
de frames y los valores de SNR a simular se establece de la siguiente manera:
simParameters = []; % Inicializar la variable simParameters
simParameters.NFrames = 2; % Número de frames
simParameters.SNRIn = [0:2:20]; % Rango de SNR
A continuación, se muestra el bloque de código implementado haciendo usa de la
librería con el cual se establecen los parámetros que agrupan todo lo referente a la
red de acceso en 5G de acuerdo al Release 15, así:
% Configurar forma de onda y numerología PDSCH
simParameters.NDLRB = 100; % Ancho de banda en Número de bloques de recurso
simParameters.SubcarrierSpacing = 15; % 15, 30, 60, 120, 240, 480 (kHz)
simParameters.WaveformType = 'CP-OFDM'; % 'CP-OFDM', 'W-OFDM' o 'F-OFDM'
simParameters.CyclicPrefix = 'Normal'; % Prefijo cíclico 'Normal' or 'Extended'
simParameters.UseDCSubcarrier = 'On';
simParameters.NCellID = 1;
% Definición del canal de propagación y Número de antenas en recepción
simParameters.ChannelType = 'TDL'; % Tipo de canal 'CDL' o 'TDL'
simParameters.NRxAnts = 2; % Número de antenas en recepción
% Parámetros específicos de W-OFDM
simParameters.Alpha = 0.0125;
% Parámetros específicos de F-OFDM
simParameters.FilterLength = 513;
simParameters.ToneOffset = 2.5;
% Creación del gNodeB y configuración de la estructura 'gnb' y PDSCH
gnb = simParameters;
pdsch = simParameters.PDSCH;
[~,~,~,pdschIndicesInfo] = h5gPDSCHResources(gnb,pdsch);
Xoh_PDSCH = 0;
tbs = h5gPDSCHTBS(pdsch,pdschIndicesInfo.NREPerPRB-Xoh_PDSCH);
103
trBlkSizes = tbs*ones(1,10);
Configuración y parametrización del bloque de modelo de canal, de forma paralela
se configuran en este segmento todas las variables para la aplicación de técnicas
de beamforming dentro de la simulación:
nTxAnts = simParameters.PDSCH.NTxAnts;
nRxAnts = simParameters.NRxAnts;
if strcmpi(simParameters.ChannelType,'CDL')
channel = nr5gCDLChannel; % Creación del objeto canal tipo CDL
% Modelo de canal CDL-C
channel.DelayProfile = 'CDL-C';
channel.DelaySpread = 300e-9;
% Convertir el número total de antenas de transmisión en una geometría especifica
% de panel array
% Tabla de configuración del panel array
% M: # de filas en cada panel de antena
% N: # de columnas en cada panel de antena
% P: # de polarizaciones (1 or 2)
% Mg: # de filas en los paneles array
% Ng: # de columnas en los paneles array
% Formato: [M N P Mg Ng]
antarrays = ...
[1 1 1 1 1; % 1 antena
1 1 2 1 1; % 2 antenas
2 1 2 1 1; % 4 antenas
2 2 2 1 1; % 8 antenas
2 4 2 1 1; % 16 antenas
4 4 2 1 1; % 32 antenas
4 4 2 1 2; % 64 antenas
4 8 2 1 2; % 128 antenas
4 8 2 2 2; % 256 antenas
8 8 2 2 2; % 512 antenas
8 16 2 2 2]; % 1024 antenas
antselected = 1+fix(log2(nTxAnts));
channel.TransmitAntennaArray.Size = antarrays(antselected,:);
% Configuración de la geometría de la antena receptora
if nRxAnts == 1
% En las siguientes configuraciones, el número de filas en el array
% de antenas, el número de columnas, polarizaciones, filas en el panel
% array y columnas del panel array son todos 1
channel.ReceiveAntennaArray.Size = ones(1,5);
104
else
% En esta configuración el número de filas en el array de antenas es
% nRxAntennas/2, el número de columnas en el array de antenas es 1, el
% número de polarizaciones es 2, el número de filas y columnas en el
% panel array es 1. Los valores se pueden modificar para generar las
% configuraciones de antenas requeridas
channel.ReceiveAntennaArray.Size = [fix(nRxAnts/2),1,2,1,1];
end
elseif strcmpi(simParameters.ChannelType,'TDL')
channel = nr5gTDLChannel; % Objeto para tipo de canal TDL
% Configurar la geometría del canal
channel.DelayProfile = 'TDL-C';
channel.DelaySpread = 300e-9;
channel.NumTransmitAntennas = nTxAnts;
channel.NumReceiveAntennas = nRxAnts;
channel.PathGainsOutputPort = true;
else
error('ChannelType parameter field must be either CDL or TDL');
end
waveformInfo = h5gOFDMInfo(gnb);
channel.SampleRate = waveformInfo.SamplingRate;
chInfo = info(channel);
maxChDelay = ceil(max(chInfo.PathDelays*channel.SampleRate)) +
chInfo.ChannelFilterDelay;
Para determinar el comportamiento del BER y rendimiento en cada punto de SNR,
los datos de PDSCH se analizan por instancia de transmisión aplicando los
siguientes pasos:
Actualización del proceso HARQ actual: el proceso HARQ realiza una
transmisión o una retransmisión de datos de transporte, enviados
previamente dependiendo del acuse de recibo de datos positivo (ACK) o
negativo (NACK). Este proceso es manejado por el planificador HARQ,
hHARQScheduling.m. Los datos PDSCH se actualizan con base al estado
HARQ.
Generación de la grilla de recursos: los datos generados por el proceso
HARQ experimentan codificación de canal y modulación en el PDSCH por
105
las funciones h5gDLSCH y ltePDSCH. La operación de precodificación
también se realiza en este paso.
Generación de la forma de onda: la grilla generada en el paso anterior es
entonces modulada en OFDM de acuerdo a la opción seleccionada dentro
de las tres posibles (CP-OFDM, W-OFDM y F-OFDM).
Modelado de canal ruidoso: la forma de onda generada se pasa a través de
un canal CDL o TDL con desvanecimiento, adicionando AWGN y agregando
las pérdidas de trayectoria comentadas en el numeral 7.1.
Sincronización y demodulación OFDM: la información devuelta por el canal
se usa para una sincronización perfecta. La señal sincronizada es luego
demodulada OFDM.
Estimación de canal: se realiza una estimación de canal perfecta o ideal,
durante las fases de despegue y aterrizaje se aplica una estimación de canal
por mínimos cuadrados dado que las condiciones de la aeronave cambian
considerablemente.
Cálculo de la matriz de precodificación: se obtiene la matriz de
precodificación para la siguiente iteración en trasmisión, la matriz se calcula
aplicando descomposición de valores singulares (SVD). Se obtiene una
matriz única para la asignación completa promediando las condiciones de
canal.
Decodificación del PDSCH: los símbolos PDSCH recuperados para todos los
pares de antena de transmisión y recepción, junto con la estimación de ruido,
son demodulados y decodificados por la función h5gPDSCHDecodes para
obtener una estimación de las palabras de código recibidas.
Decodificación del DLSCH y almacenamiento del bloque de error CRC para
un proceso HARQ: el vector de bits decodificados se trata con la función
h5gDLSCHDecode que decodifica la palabra de código y devuelve el bloque
de error CRC utilizado para determinar el rendimiento del sistema.