97

Radiopropagation simulations comparison in millimeter waves frequencies for fifth generation (5G) mobile networks

Comparación de simulaciones de radiopropagación en frecuencias de ondas milimétricas para redes móviles de quinta generación (5G)

Kevin Eliu Requena B.1, Diana Marcela Rozo M.2, Javier Enrique Arévalo P.3 1diana.rozo@fuac.edu.co, 2kevin.requena@fuac.edu.co, 3javier.arevalo@fuac.edu.co

Fundación Universidad Autónoma de Colombia Bogotá, Colombia

Artículo de investigación

Abstract

Actually many research is currently working towards the evolution of fifth generation (5G) mobile broadband wireless communications driven by increasing demands for capacity to obtain higher transmission speeds and the future vision for the Internet of Things (IoT). The inclusion of this new technology will require access to a new spectrum and a series of bands that can support the various telecommunications services that will be offered there. It is thus that in the coming years Colombia will continue with the deployment of mobile networks and will have methodologies for planning and development of wireless technologies appropriate to new standards of fifth generation (5G) taking into consideration the characteristics of radio propagation. Thus, a study of the behavior of propagation models is important for the design in bands of millimeter wave frequencies (mmWaves) tending to the implementation of 5G networks. In this case, the frequencies of 28GHz, 38GHz, 60 GHz and 73 GHz have been taken to perform propagation simulations using the ICS Telecom software in an urban setting in the historical center of the city of Bogotá DC, evidencing the behavior of the level of Power received for each frequency and the influence of atmospheric conditions. Likewise, the improvements in the received power level obtained when using in the network massive MIMO systems (Massive MIMO) are evidenced.

Keywords: 5G mobile networks, propagation models, radio propagation simulations, millimeter waves, Massive MIMO Systems. Resumen

En la actualidad muchas investigaciones están trabajando hacia la evolución de las comunicaciones inalámbricas de banda ancha móvil de quinta generación (5G) impulsadas por las crecientes demandas de capacidad para obtener mayores velocidades de transmisión y la visión futura hacia el internet de las cosas (IoT). La inclusión de esta nueva tecnología requerirá el acceso a un nuevo espectro y una serie de bandas que puedan dar soporte a los diversos servicios de telecomunicaciones que allí se ofrecerán. Es así, que en los próximos años Colombia continuará con el despliegue de redes móviles y se deberá contar con metodologías de planeación y desarrollo de tecnologías inalámbricas adecuadas a nuevos estándares 5G teniendo en consideración las características de radio propagación. De tal forma, que un estudio del comportamiento de modelos de propagación es importante para el diseño en bandas de frecuencias de ondas milimétricas (mmWaves) tendientes a la implementación de redes 5G. En este caso, se han tomado las frecuencias de 28GHz, 38GHz, 60 GHz y 73 GHz, para realizar simulaciones de propagación empleando el software ICS Telecom en un escenario urbano del centro histórico de la ciudad de Bogotá, evidenciando el comportamiento del nivel de potencia recibida para cada frecuencia y la influencia que tienen las condiciones atmosféricas. Así mismo, se evidencian las mejoras en el nivel de potencia recibida obtenidas al emplear en la red sistemas MIMO masivo (Massive MIMO).

Palabras clave: Redes móviles 5G, modelos de propagación, simulaciones de radiopropagación, ondas milimétricas, sistemas MIMO Masivo.

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 97-105, 2017

http://fundacioniai.org/actas

98

1. Introducción

Las capacidades de acceso inalámbrico para las redes 5G se extienden mucho más allá de las anteriores generaciones de comunicaciones móviles. Estas capacidades incluyen velocidades de datos muy altas, una latencia muy baja, alta fiabilidad, eficiencia energética y un alto número de dispositivos externos, que será realizado por el desarrollo de LTE (Long Term Evolution) en combinación con las nuevas tecnologías de acceso de radio. La tecnología clave para ello es la inclusión de equipos en bandas de alta frecuencia, la integración de acceso y red de retorno, la comunicación de dispositivo a dispositivo, comunicaciones dúplex flexibles, el uso adecuado del espectro y el empleo de múltiples antenas de transmisión [1].

El objetivo general de 5G es proporcionar conectividad ubicua para cualquier tipo de dispositivo y en cualquier tipo de aplicación que puedan beneficiarse de estar conectados a ella. Las redes 5G no se basan en una tecnología de acceso por radio específica, en cambio son un conjunto de soluciones de acceso y conectividad que abordaran las demandas y necesidades de comunicación móvil más allá del año 2020 [2].

Los requisitos de espectro para el uso de las redes 5G surgen principalmente de la combinación del aumento previsto en las demandas de capacidad de tráfico y el soporte para nuevos casos de uso que estarán habilitados para todo el entorno de 5G. Los requisitos técnicos de 5G para dar soporte a los casos de uso (por ejemplo, una tasa de datos máxima mayor a los 10 Gbps, tasa de datos en el borde de la celda de 100 Mbps y latencia de 1 milisegundo de extremo a extremo) potencialmente podrán lograrse en una variedad de frecuencias de operación [3]. De esta manera, los sistemas 5G en el futuro tendrán una amplia gama de requisitos para diferentes servicios [4].

Con el fin de apoyar el aumento de la capacidad de tráfico y permitir que el ancho de banda de transmisión necesario pueda soportar muy altas velocidades de datos, las redes 5G ampliaran la gama de frecuencias utilizada para la comunicación móvil. Esto incluye nuevo espectro en bandas de frecuencias superiores a 6 GHz, que permiten una combinación de una mayor capacidad de ancho de banda, baja latencia, y un número exponencial de dispositivos interconectados [5]

Los sistemas de comunicación inalámbrica de ondas milimétricas emergentes (mmWaves) representan una gran evolución en las comunicaciones actuales [6]. Un espectro específico para la comunicación móvil en las bandas de ondas milimétricas aún está en estudio por el UIT-R o por los organismos reguladores individuales y la industria móvil como fabricantes de dispositivos, desarrolladores de infraestructura realizan sus trabajos en un espectro radioeléctrico de hasta 100 GHz aproximadamente [7, 8]. No obstante, en frecuencias de ondas milimétricas aparecen problemas de propagación que deben ser estudiados. Es así, que el principal propósito de este trabajo es presentar una comparación de simulaciones de radio propagación en frecuencias de ondas milimétricas para una red móvil 5G en un escenario metropolitano en el centro histórico de la

ciudad de Bogotá ubicado en la localidad de La Candelaria, considerando a su vez atenuaciones atmosféricas y a través de la evaluación de desempeño de diferentes modelos de propagación en el entorno determinado.

El capítulo se divide de la siguiente manera. En la sección 2 se presentan los requisitos para las aplicaciones de redes 5G y las necesidades de espectro radioeléctrico, en la sección 3 se muestran los elementos del proceso de simulación, en la sección 4 se presentan los resultados de las simulaciones considerando los efectos atmosféricos, en la sección 5 se indica el impacto de emplear sistemas MIMO Masivo y en la última sección se presentan las conclusiones.

2. Requisitos para aplicaciones 5G y necesidades de

espectro radioeléctrico En el futuro, se espera que se desarrollen muchas

aplicaciones para 5G, pero también varias de las que estarán disponibles serán optimizaciones de las ya existentes en las redes 4G. Para habilitar dichas aplicaciones es indispensable contar con los requisitos técnicos a implementarse para el diseño de la interface de radiofrecuencia de la red 5G ya que las aplicaciones requieren diferentes características para el acceso a rangos de frecuencias apropiados [9]. En la Tabla 1 se resumen los aspectos de diversas aplicaciones en el diseño de la interfaz de radio y el espectro. Varias de estas aplicaciones serán soportadas por el sistema 4G con las modificaciones de espectro pertinente y existente [9].

Los requisitos expuestos en la Tabla 1 tienen implicaciones importantes no solo en el diseño de la interfaz aérea, sino que también en el tipo y cantidad de espectro necesarios para la operación óptima. Para ilustrar los factores que afectan la cantidad de espectro, por ejemplo, se podría decir que para lograr conexiones de ultra alta velocidad por el orden de los gigabits, por segundo se requeriría el uso de anchos de banda de portadora ultra amplios en el orden de hasta varios cientos de MHz o más. En la Tabla 2 se enumeran potenciales implicaciones vinculadas al espectro de los diversos requisitos de alto nivel para futuros sistemas de 5G [3, 10]. 3. Elementos de simulación

3.1 Software de simulación ICS Telecom y

cartografía digital La herramienta de planificación ICS Telecom es un

producto de la compañía francesa ATDI que permite planificar las redes de comunicaciones de radio y administrar el espectro de las frecuencias. Este software es capaz de modelar cualquier tipo de red de radio, sin importar cuál sea su tamaño, desde redes locales hasta redes nacionales. Permite realizar evaluación de tecnologías, dimensionar infraestructuras, realizar planificación de red, efectuar optimización del espectro, entre otros. Este software incluye estudios de coexistencia entre diferentes tecnologías como es el caso de redes 5G [11].

99

Tabla 1. Escenarios de uso y requisitos para aplicaciones 5G

Escenarios de uso Aplicación Requisitos de alto nivel

Banda ancha móvil optimizada

Video UHD (4K, 8K), video 3D (incluso servicios de radiodifusión)

Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Baja latencia (video en tiempo real)

Realidad virtual Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Ultra baja latencia

Realidad aumentada Enlaces de radiocomunicaciones de ultra alta velocidad Baja latencia

Internet táctil Ultra baja latencia

Juegos en la nube Enlaces de radiocomunicaciones de ultra alta velocidad Baja latencia

Quioscos de banda ancha Enlaces de radiocomunicaciones de ultra alta velocidad Corto alcance

Vehicular (autos, buses, trenes, estaciones aéreas, etc.)

Enlaces de radiocomunicaciones de ultra alta velocidad. Rango corto a largo Soporte para entornos desde bajo hasta alto doppler

Comunicaciones ultra confiables

Automatización industrial

Enlaces de radiocomunicaciones de alta confiabilidad Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Latencia baja a ultra baja Corto a largo alcance Operación en entornos congestionados

Aplicaciones críticas de misión, como salud electrónica, entornos peligrosos, misiones de rescate, etc.

Enlaces de radiocomunicaciones de alta confiabilidad Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Latencia baja a ultra baja Rango corto a largo Operación en entornos congestionados Penetración de suelos / obstáculos

Vehículos sin conductor

Radiocomunicaciones de ultra alta confiabilidad Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Latencia baja a ultra baja Rango corto a largo Operación en entornos congestionados Operación cerca de obstáculos en rápido movimiento

Comunicaciones tipo maquina masivas

Hogar inteligente Operación en entorno congestionado Penetración de obstáculos

Oficina inteligente Operación en entorno congestionado Penetración de obstáculos Enlaces de radiocomunicaciones de alta confiabilidad

Ciudad inteligente

Rango corto a largo Operación en entorno congestionado Operación cerca de obstáculos en rápido movimiento Enlaces de radiocomunicaciones de alta confiabilidad Penetración de suelos / obstáculos

Redes de sensores (industrial, comercial, etc.)

Rango corto a largo Operación en entorno congestionado Operación cerca de obstáculos en rápido movimiento Penetración de suelos / obstáculos Redes en malla

Tabla 2. Requisitos 5G de alto nivel e implicaciones en el espectro

Requisito de alto nivel Potenciales implicaciones vinculadas al espectro Enlaces de radiocomunicaciones de ultra alta velocidad Anchos de banda de portadora ultra amplios. Por ejemplo, 500 MHz de

fronthaul/backhaul de múltiples gigabits Enlaces de radiocomunicaciones de alta velocidad Anchos de banda de portadora amplios. Por ejemplo, 100 MHz de

fronthaul/backhaul en gigabits Soporte para entorno de bajo a alto doppler Depende del requisito de velocidad de transmisión Latencia ultra baja Implicancias de corto rango Baja latencia Implicancias de rango medio-corto Enlaces de radiocomunicaciones de confiabilidad ultra alta Severo impacto de la lluvia y otros efectos atmosféricos sobre la

disponibilidad de enlaces en las frecuencias superiores, como las ondas milimétricas para operaciones a la intemperie

Enlaces de radiocomunicaciones de alta confiabilidad Impacto de lluvia y otros efectos atmosféricos sobre la disponibilidad de enlaces en las frecuencias superiores. Por ejemplo las ondas milimétricas para operaciones a la intemperie

Rango corto Frecuencias más altas. Por ejemplo, ondas milimétricas Rango largo Frecuencias más bajas. Por ejemplo, sub-3 GHz Penetración de suelos / obstáculos Frecuencias más bajas. Por ejemplo, sub-1 GHz

Operación en entorno congestionado Entorno dominado por difracción en frecuencias más bajas Entorno dominado por reflexión en frecuencias más altas

Operación cerca de obstáculos en rápido movimiento Canales de desvanecimiento (fading) con selección de frecuencias

Redes en malla Backhaul inalámbrico distribuido de alta velocidad operando en o fuera de banda

ICS Telecom también ofrece una alta capacidad de generar informes automatizados que pueden ser exportados en cualquier formato o base de datos para

más procesamiento: presentación de datos técnicos y parámetros (estaciones de base, listas de vecinos, información de tráfico), mapas (cobertura efectiva, mejor

100

servidor, tráfico, traspaso, margen, interferencia, multilateración, análisis de perfiles, presupuesto de ruta e informes estadísticos detallados [11].

Para el desarrollo de las simulaciones se dispuso de una cartografía de alta resolución, para ser usada en la herramienta ICS Telecom. Los archivos necesarios para crear el proyecto son la capa .GEO (modelo digital del terreno), la capa .PAL (paleta de colores), la capa .SOL (capa clutter) y por último la capa .IMG (imagen de mapa). Además de estas cuatro capas también se utilizaron otras capas como la .BLG (capa de edificios) y .VEC (capa vector). Adicionalmente, el archivo clutter contiene información administrativa, alturas y atenuaciones de diferentes zonas específicas dentro de un mapa. El uso de clutter es importante para el desarrollo de las simulaciones, ya que junto con el archivo de campaña de mediciones permite realizar un tunning a las simulaciones. Para el desarrollo de las simulaciones se utilizó un clutter compuesto por 19 zonas establecidas según el uso del suelo proporcionado por la empresa TES América Andina Ltda.

3.2 Escenario de estudio y estaciones base Para la realización de las simulaciones con el

software ICS Telecom se tienen en cuenta las ubicaciones estaciones base ya existentes en la zona de La Candelaria. Para determinar la ubicación de dichas estaciones base, se tiene como referencia trabajos anteriores realizados en la Fundación Universidad Autónoma de Colombia (FUAC) [12], [13]. En la Tabla 3 se presentan las coordenadas de las estaciones base y en la Figura 1 se muestran las ubicaciones geográficas.

Tabla 3. Coordenadas estaciones base Barrio La Candelaria

Estación Base

Dirección Coordenadas de referencia

1 Carrera 5 Calle 15 -74.04190, 4.36020 2 Carrera 8 Calle 12 -74.04260, 4.35550 3 Carrera 8 Calle 10 -74.04360, 4.35510 4 Carrera 4 Calle 13 -74.04160, 4.35540 5 Carrera 3 Calle 18 -74.04049, 4.36079 6 Carrera 8 Calle 17 -74.04223, 4.36149 7 Carrera 2 Calle 12 -74.04139, 4.35420

Figura 1. Ubicación geográfica estaciones base Barrio La

Candelaria

Hasta ahora no existe una definición típica y detallada

de 5G a nivel de enlace. Por tanto, como paso intermedio, la simulación de nivel de enlace 5G se puede hacer sobre la base de un simulador de nivel de enlace LTE. Esta etapa intermedia facilitará el desarrollo de una metodología similar para la simulación de una tecnología 5G completamente detallada. Por lo cual, los parámetros de las estaciones base están configurados a nivel de LTE [10]. Además de las ubicaciones de las estaciones base es

indispensable conocer otros parámetros del transmisor como la potencia de transmisión, la configuración del sistema radiante y la PIRE.

En la Tabla 4 se observa la configuración de los parámetros generales de una de las estaciones base, teniendo en cuenta el tipo de señal de transmisión, la potencia nominal, la frecuencia de trabajo, las pérdidas totales, la PIRE, entre otros. Los parámetros son iguales en las siete estaciones base ubicadas en el área de estudio exceptuando las frecuencias de operación para cada uno de los casos de estudio y el patrón de radiación de las antenas transmisoras que cambian de orientación de acuerdo al sector.

Tabla 4. Parámetros generales de las estaciones base

Trasmisor Valor Nombre de la estación LTE Frecuencia 28 GHz, 38GHz, 60 GHz, 73 GHz Ubicación de la Estación Barrio La Candelaria Altura (msnm) 2665 Altura de la Antena (m) 4 Modulación 64QAM Umbral de Cobertura (dBµV/m) 35 Señal LTE FDD Potencia Nominal Tx (W) 10 Ganancia Antena Tx/Rx (dB) 23 Pérdidas Conexiones y Lineas (dB) 5 PIRE 630,9573 Antena 2D H+V (1 polarización)

Patrón de Radiación Elemento Unitario

Cada estación base cuenta con tres sectores

proporcionando para proporcionar cobertura sobre el área de servicio. Dentro de la base de datos de ICS Telecom se encuentran varios tipos de patrones de radiación horizontal y vertical y se escogió un tipo de patrón de radiación típico para las redes celulares en este caso para la tecnología LTE, que es usado para las simulaciones. También se tiene en cuenta la ganancia de las antenas y su configuración MIMO en la que se escoge un sistema multiantena MU-MIMO 4x4.

3.3 Frecuencias de operación y modelos de propagación

En ICS Telecom pueden simularse todas las tecnologías de radio actuales, tanto fijas como móviles, comprendidas en la gama de frecuencia de 10 KHz a 450 GHz. Considerando que las ondas milimétricas tienen un rango de 30 GHz a 300 GHz y que los estudios de propagación están enfocados en el momento en frecuencias hasta 100 GHz para ser utilizadas para la nueva tecnología 5G [16], se han elegido cuatro frecuencias para el desarrollo de las simulaciones: 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz y 73 GHz [6], [10].

En el mismo sentido, teniendo en cuenta los modelos de propagación suministrados por el software ICS Telecom y tomando en consideración las frecuencias de operación, se eligen las recomendaciones de la ITU-R 525/526 e ITU-R 452. Además, se consideran modelos de geometría de difracción y atenuación de subruta para las simulaciones proporcionadas por el software ICS

101

Telecom. De igual forma, se cuenta con las recomendaciones ITU-R 676, ITU-R 840, ITU-R 838 e ITU-R 530 para registrar el efecto de las condiciones atmosféricas:

1. Recomendación ITU-R 525/526: presenta las ecuaciones para estimar las pérdidas por espacio libre y las ecuaciones para estimar el cálculo de las intensidades de campo en trayectos de propagación por difracción en la intensidad de campo recibida. Este modelo también presenta los distintos tipos de terreno [15].

2. Recomendación ITU-452: describe un método de predicción para evaluar coberturas entre estaciones situadas en la superficie de la Tierra a frecuencias desde unos 0.1 GHz a 50 GHz, teniendo en cuenta los mecanismos de interferencia por dispersión debida a los hidrometeoros y en cielo despejado [16].

3. Recomendación ITU-R 676: define métodos para evaluar la atenuación causada por los gases atmosféricos en trayectos terrenales y oblicuos válidos para la gama de frecuencias de 1 GHz a 1000 GHz [17].

4. Recomendación ITU-R 840: facilita métodos para predecir la atenuación debida a las nubes y a la niebla en los trayectos tierra-espacio [18].

5. Recomendación ITU-R 838: presenta ecuaciones para estimar el cálculo de la atenuación producida por la lluvia a partir de valores de intensidad de lluvia conocidos [19].

6. Recomendación ITU-R 530: proporciona métodos de predicción para los efectos de propagación que deben tenerse en cuenta de cara al diseño de enlaces fijos digitales con visibilidad directa, tanto en condiciones de cielo despejado como con lluvia. También se proporcionan orientaciones para el diseño de enlaces mediante procedimientos bien definidos paso a paso, incluyendo la utilización de técnicas de reducción de la interferencia con objeto de minimizar las degradaciones de propagación [20].

En las Tablas 5 y 6 se presenta la selección de los distintos modelos de propagación de ICS Telecom que más se ajustan al entorno metropolitano de Bogotá según las recomendaciones ITU-R y opciones del simulador para frecuencias de ondas milimétricas. En la Tabla 5 se muestran los modelos y métodos de propagación utilizados para las frecuencias de 28 GHz y 38 GHz y la Tabla 6 para las frecuencias de 60 GHz y 73 GHz. La distinción se realiza debido a que el modelo ITU – R 452 es adecuado para estudios por debajo de 50 GHz.

Tabla 5. Modelos y métodos de propagación utilizados para 28 GHz y 38 GHz

Frecuencia Modelo Geometría de

Difracción Atenuación de

Subruta

28 GHz y 38 GHz ITU-R 525/526

Sin pérdidas Sin pérdidas Deygout 94 Estándar Bullington Estándar

ITU-R 452 Deygout 452 ITU-R 452 Deygout 526

Tabla 6. Modelos y métodos de propagación utilizados para 60 GHz y 73 GHz

Frecuencia Modelo Geometría de Difracción Atenuación de Subruta

60 GHz y 73 GHz ITU-R 525/526 Sin pérdidas Sin pérdidas Deygout 94 Estándar Bullington Estándar

4. Metodología de simulación

Es necesario tener una metodologí a de simulacio n en el trabajo te cnico 5G para asegurar la consistencia de los resultados obtenidos, a trave s de las simulaciones. Por esta razo n, se debe obtener un procedimiento para calibrar el simulador, pautas para evaluar y un mecanismo que soporte y controle la validez de las simulaciones realizadas. Para ello y teniendo en cuenta la experiencia de distintos autores en el trabajo de simulacio n realizado en el marco de la definicio n de Telecomunicaciones Mo viles Avanzadas (IMT-Advanced) y en METIS (Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society) [21, 22]. El procedimiento de simulacio n con ICS Telecom se efectu a en te rminos generales y se ajusta al estudio realizado de la siguiente manera [23]:

Zona de Trabajo: Se establece el a rea de estudio cargando los mapas cartogra ficos. En este caso se cuenta con cartografí a digital de Bogota .

Diseño: Sobre la zona de trabajo se realiza el disen o topolo gico de la red o del enlace; se

especifican los para metros te cnicos de la tecnologí a de comunicacio n inala mbrica objeto de estudio en las estaciones base y por u ltimo los patrones de radiacio n de las antenas. El disen o topolo gico de la red esta en el barrio La Candelaria, los para metros te cnicos corresponden a una red LTE y los patrones de radiacio n de las antenas sectorizadas son de tipo directivo.

Tipo de Simulación: Se escoge el tipo de simulacio n de acuerdo al ana lisis que se desee realizar y se configuran las caracterí sticas del ana lisis. En este caso se escoge realizar simulaciones de cobertura radioele ctrica.

Ejecución de la Simulación: Una vez efectuada la caracterizacio n del sistema se procede a ejecutar la simulacio n para obtener los resultados deseados. El en estudio se efectu an las simulaciones de cobertura con cada uno de los modelos de propagacio n seleccionados.

Resultados: Cuando termina el proceso de simulacio n se obtienen los resultados en tres

102

formas. La primera forma y ma s comu n corresponde a un resultado gra fico visualizado en una capa superior de la zona de trabajo. La segunda forma en un resultado nume rico que es presentado en tablas o en un indicador nume rico por medio del cursor en el mapa. Y la tercera forma, son diagramas y gra ficas con estimativos de comportamiento. A partir de estos resultados se toman entonces decisiones sobre los disen os efectuados. Para este caso, se analizan los resultados gra ficos para mostrar los valores nume ricos presentados a enseguida.

5. Resultados simulaciones

A continuación, se presentan los resultados de las diferentes simulaciones ejecutadas con el software ICS Telecom realizadas para frecuencias de 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz y 73 GHz. Para la realizacio n del ana lisis de las coberturas obtenidas se genero una ma scara que delimita el a rea urbana a evaluar para realizar un ana lisis puntual alrededor de la Fundacio n Universidad Auto noma de Colombia en el centro histo rico de la ciudad de Bogota D.C. El a rea total evaluada es de 1.352 Km2.El valor de los resultados en ICS Telecom tiene como unidad de medida dBµV/m, sin embargo, el software ofrece un cambio de unidades a dBm que sera la unidad de medida

para realizar la comparacio n y el desempen o entre los modelos de propagacio n.

5.1 Simulaciones sin condiciones atmosféricas

En el ana lisis de resultados de las simulaciones, no se tiene en cuenta los casos el modelo utilizado sin perdidas de difraccio n y sin perdidas de sub-trayectoria, debido a que son resultados o ptimos de la simulacio n que permite u nicamente observar co mo se comportarí a la propagacio n en un estado ideal de los modelos.

En la Tabla 7 se presenta el porcentaje de cobertura en cada uno de los modelos implementados y a su vez, se indican los valores de error promedio y desviación estándar obtenidos en las distintas simulaciones. Se observa que, para las distintas frecuencias empleadas, el modelo que presenta el menor valor de error promedio y desviación estándar es el ITU-R 452; sin embargo, es el que menor porcentaje de área total cubierto presenta. Por esta razón, el modelo que mejor resultados y por ende mayor desempeño obtuvo fue el ITU-R 525/526, teniendo en cuenta las respectivas configuraciones usadas en este trabajo, con cálculo de difracción geométrica Bullington y para la atenuación de subtrayecto el método Estándar. Con una cobertura total del 100 % en 28 GHz, 99.99 % en 38 GHz, 99.98 % en 60 GHz y 99.976 % en 73 GHz.

Tabla 7. Desempen o de los modelos de propagacio n

Modelo Utilizado Área Total Cubierta %

Desviación Estándar (dBm)

Error Promedio (dBm)

28 GHz ITU-R. 452 Deygout 525/526 26.07 1.38 0.29 ITU-R. 452 Deygout 452 79.95 4.02 0.83 ITU-R. 525/526 Deygout 94, Estándar 99.98 6.26 1.30 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 100 5.79 1.20

38 GHz ITU-R. 452 Deygout 525/526 24.21 1.27 0.26 ITU-R. 452 Deygout 452 78.51 4.04 0.84 ITU-R. 525/526 Deygout 94, Estándar 99.98 6.26 1.30 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 99.99 5.78 1.20

60 GHz ITU-R. 525/526 Deygout 94, Estándar 99.96 6.29 1.31 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 99.98 5.79 1.20

73 GHz ITU-R. 525/526 Deygout 94, Estándar 99.94 6.28 1.31 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 99.97 5.79 1.20

5.2 Simulaciones con condiciones atmosféricas

El software ICS Telecom automatiza el proceso del cálculo de fiabilidad enfocándose en diferentes condiciones ambientales para obtener simulaciones más realistas de este porcentaje. De esta forma y usando las opciones disponibles en el software de simulación se establecen atenuaciones por gases, lluvia y niebla en las distintas simulaciones. Los valores hPa (presión atmosférica) y temperatura son valores reales y típicos del área de estudio. En Bogotá, la variación de esta variable durante el año, se caracteriza por poseer un solo máximo y un solo mínimo. El máximo se presenta en julio y agosto con 752.1 hPa y el mínimo en diciembre con 751.1 hPa [24, 25].

En la Tabla 8, se presenta el porcentaje de cobertura de cada uno de los modelos simulados y a su vez se indican los valores de error promedio y desviación estándar obtenidos en las distintas simulaciones.

Se observa que, para las distintas frecuencias empleadas, el modelo con menor valor de error promedio y desviación estándar con atenuación atmosférica es el ITU-R452; sin embargo, es el que menor porcentaje de área total cubierto tiene. Por esta razón, el modelo con mejor resultado y desempeño fue el ITU-R 525/526, teniendo en cuenta las configuraciones, el cálculo de difracción geométrica Bullington y el método Estándar y pérdidas por gases, lluvia y niebla. Con una cobertura total del 99.81% en 28 GHz, 98.48% en 38 GHz, 84,46% en 60 GHz y 87.87% en 73 GHz.

También se puede apreciar que a medida que aumenta la frecuencia y se adiciona atenuación atmosférica, se afecta la potencia de recepción (dBm) y el porcentaje de área total cubierto, presentando mayores pérdidas, a pesar de que los modelos empleados con atenuación atmosférica presentan menor valor de desviación estándar y error promedio. Por ejemplo, es el caso a 28 GHz del modelo de propagación ITU-R. 452 con

103

Deygout 452-14 que presenta una cobertura de 79.95% en relación con la suma de atenuación atmosférica, que presenta un 73,47% y el modelo de propagación ITU-R.

525/526 Bullington, Estándar con una cobertura total del 100% en relación con la suma de atenuación atmosférica, que tiene cobertura del área, del 99.81%.

Tabla 8. Desempeño de los modelos de propagación considerando condiciones atmosféricas

Modelo Utilizado Área Total Cubierta %

Desviación Estándar (dBm)

Error Promedio (dBm)

28 GHz ITU-R. 452 Deygout 452 79.95 4.02 0.83 ITU-R. 452 Deygout 452+Atenuación Atmosférica 73.47 3.59 0.74 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 100 5.79 1.20 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar+Atenuación Atmosférica 99.81 5.54 1.15

38 GHz ITU-R 452 Deygout 452 78.51 4.04 0.84 ITU-R 452 Deygout 452+Atenuación Atmosférica 67.05 3.34 0.69 ITU-R 525/526 Bullington, Estándar 99.99 5.78 1.20 ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar+Atenuación Atmosférica 98.48 5.45 1.13

60 GHz ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 99.98 5.79 1.20 ITU-R 525/526 Bullington, Estándar+Atenuación Atmosférica 84.46 5.13 1.07

73 GHz ITU-R. 525/526 Bullington, Estándar 99.97 5.79 1.20 ITU-R 525/526 Bullington, Estándar+Atenuación Atmosférica 87.87 5.28 1.10

6. Impacto de MIMO Masivo En este estudio se ha utilizado el análisis de

propagación de señales según la potencia recibida y el marco de cobertura en el área de estudio propuesto utilizando los datos de los modelos integrados en el software ICS Telecom para obtener un análisis de desempeño realista y una validación de los modelos desarrollados. Sin embargo, algunos modelos simulados en este trabajo como el ITU-R 452 no muestra resultados muy satisfactorios y para asegurar la aplicabilidad de dichos modelos, debe existir una mejor interacción entre los desarrolladores de los modelos y los usuarios finales del modelo. Aunque actualmente no existe una tecnología 5G implementada para comparar valores medidos con valores de campo, este tipo de simulaciones ayudan al predecir el comportamiento de dichas señales en un terreno como lo sería la ciudad de Bogotá.

Con base en lo anterior y en aras de obtener mejores resultados, se implementó un sistema MIMO Masivo a las simulaciones, con el fin de observar el comportamiento del sistema en el área de estudio propuesto. La tecnología actual 4G dará soporte a la transición de una tecnología a otra (LTE a 5G), por esta razón el estudio en antenas de LTE, como las MIMO, son de vital importancia para el surgimiento de esta nueva tecnología. Actualmente, los avances tecnológicos han llevado a que los sistemas MIMO, equipados con decenas o cientos de antenas, emerjan como una tecnología prometedora para las redes inalámbrica de quinta generación (5G) [26].

La simulación del sistema MIMO Masivo obtuvo nuevos resultados de simulación implementando en esta ocasión un sistema multiantena MU-MIMO 100x100, que

es el número máximo disponible por el software de simulación utilizado. También se tiene en cuenta otro tipo de parámetros como la ganancia de las antenas que se actualiza automáticamente al cambiar el número de antenas, en este caso, paso de 23 dB a 53 dB. Para el desarrollo de esta simulación el método de cálculo se configuro de la siguiente manera: para las pérdidas de espacio libre se utilizó el modelo ITU-R 452 con pérdidas de difracción Deygout 452. Se ha elegido este modelo de propagación para comparar los resultados menos favorables obtenidos con la nueva configuración.

En la Tabla 9 se presenta el porcentaje de cobertura en cada uno de los modelos implementados con el sistema MIMO Masivo y a su vez se muestran los valores de error promedio y desviación estándar obtenidos en las distintas simulaciones. En esta tabla se observa que para las frecuencias empleadas y el modelo de propagación ITU-R 452 con sistema MIMO Masivo, el porcentaje de área total cubierto presenta un considerable cambio en comparación al modelo empleado sin el sistema planteado. Los resultados obtenidos, demuestran que tanto para la desviación estándar como el error promedio del modelo con el sistema implementado es menor y presenta mejores potencias de recepción en el área de estudio. Por esta razón, el modelo ITU-R 452 con sistema MIMO Masivo presenta mejor resultados y por ende mayor desempeño que el modelo ITU-R 452 sin sistema MIMO Masivo, teniendo en cuenta las respectivas configuraciones usadas en este estudio, con cálculo de difracción Deygout 452 el sistema presenta una cobertura total del 93.75% en 28 GHz y 92,59 % en 38 GHz.

Tabla 9. Desempeño del modelo de propagación ITU-R 452 con el sistema MIMO Masivo

Modelo Utilizado Área Total Cubierta %

Desviación Estándar (dBm)

Error Promedio (dBm)

28 GHz ITU-R 452 Deygout 452 79.95 402 0.83 ITU-R 452 Deygout 452+MIMO Masivo 93.75 3.26 0.61

38 GHz ITU-R 452 Deygout 452 78.51 4.04 0.84 ITU-R 452 Deygout 452+MIMO Masivo 92.59 3.12 0.59

104

7. Conclusiones

El uso en ondas milimétricas para las redes 5G es de interés debido a su gran ancho de banda. Sin embargo, es afectada por fenómenos meteorológicos, donde la lluvia es el principal factor climático de atenuación. Por esta razón para poder determinar la conveniencia de utilizar estas tecnologías con ciertas características y en una localidad especifica se debe tener conocimiento de las propiedades climáticas de la región.

En las frecuencias de ondas milimétricas las pérdidas de espacio libre son importantes dado que la misma aumenta como cuadrado de la frecuencia. Sin embargo, por lo general las antenas empleadas en estos rangos poseen ganancias importantes y contrarrestan un poco este efecto. Además, la señal es afectada principalmente por la intensidad de lluvia y en algunas bandas por el vapor de agua y el oxígeno presentes en la atmosfera.

Con base en las simulaciones de cobertura para frecuencias de 28 GHz y 38 GHz se determinó que el modelo de propagación de los cuatro evaluados, el que presenta un mejor desempeño es el ITU-R. 525/526 con geometría de difracción Bullington y atenuación de subruta Estándar, con un valor de error promedio de 1.20dB y una desviación estándar 5.79 dBm para 28 GHz, y un valor de error promedio de 1.20 dBm y una desviación estándar 5.78 dBm para 38 GHz. Las simulaciones para frecuencias de 60 GHz y 73 GHz, se obtuvo un comportamiento similar en el desempeño de los modelos, siendo nuevamente el modelo ITU-R 525/526 el que tuvo menor valor de error y de desviación estándar, los valores encontrados son de 1.20 dBm de error promedio con una desviación estándar de 5,79 dBm para 60 GHz y 1.20 dBm de error promedio con una desviación estándar de 5.79 dBm para 73 GHz.

De acuerdo con las simulaciones de cobertura con atenuación atmosférica para frecuencias de 28 GHz y 38 GHz se determinó que el modelo de propagación que presenta un mejor desempeño es el ITU-R. 525/526 con geometría de difracción Bullington y atenuación de subruta Estándar, con un valor de error promedio de 1.15 dBm y una desviación estándar 5.49 dBm para 28 GHz, y un valor de error promedio de 1.13 dBm y una desviación estándar 5.45 dBm para 38 GHz. Las simulaciones para frecuencias de 60 GHz y 73 GHz, se tuvo en cuenta únicamente el modelo ITU-R 525/526 con el fin de observar su comportamiento con el modelo de mejor desempeño. Los valores encontrados son de 1.07 dBm de error promedio con una desviación estándar de 5.136 dBm para 60 GHz y 1.10 dBm de error promedio con una desviación estándar de 5.28 dBm para 73 GHz.

Los resultados en las simulaciones de cobertura con MIMO Masivo, para frecuencias de 28 GHz y 38 GHz, y modelo ITU-R 452, se observa los beneficios de cobertura e intensidad de potencia de recepción, con valor de error promedio 0.61 dBm y una desviación estándar 3.26dBm para 28 GHz, y un error promedio de 0.59 dBm y desviación estándar 3.12 dBm para 38 GHz.

Al diseñar la red con varios transmisores y un sistema Massive MIMO en el área de estudio, fue posible obtener coberturas cercanas al 100% con el modelo de propagación ITU-R 452. Los niveles de potencia son muy

bajos (entre los 10W para el caso de este estudio), pero con una ganancia de antena de 53dB; 30 dB más de ganancia comparado a los resultados obtenidos sin la implementación Massive MIMO. Esta configuración aumento considerablemente el porcentaje de cobertura aproximadamente en un 13% y potencia de recepción en 30 dBm.

Los resultados de este trabajo fueron enfocados a un entorno urbano con morfología principalmente plana, para futuros trabajos se considera conveniente realizar análisis sobre otros tipos de terreno para poder evaluar el desempeño de cada uno de los modelos de propagación en otras condiciones. Así mismo, el propósito será realizar mediciones de campo destinadas a efectuar una correlación de datos con las simulaciones ya realizadas para determinar los mejores modelos de propagación en el rango de frecuencias de ondas milimétricas para lo cual se requiera contar con herramientas de hardware y software especializadas.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Sistema Unificado de Investigaciones – SUI de la Fundación Autónoma de Colombia por el apoyo económico para el desarrollo de este proyecto. De igual forma, agradecen a la empresa TES América Andina Ltda., por el soporte técnico en el desarrollo de la investigación que condujo a los resultados presentados en este trabajo.

Referencias [1] Ericcson (2016). 5G Radio Access. Informe Técnico.

Ericcson AB. [2] Ericcson (2015). 5G Energy Performance. Informe

Técnico. Ericcson AB. [3] 5G Américas (2015). Recomendaciones sobre espectro

para la 5G. Documento de trabajo. 5G Americas. [4] Tercero, M., Sharma, S. & Coldrey, M. (2016). Coexistence

between 5G and fixed services. 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference.

[5] Kusume, K. & Fallgren, M. (2015). Updated scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system with recommendations for future investigations. Seventh Framework Programme.

[6] Rappaport, T. et al. (2016). Millimeter Wave Wireless Communications. USA: Prentice Hall.

[7] Ericcson (2015). Ericsson Mobility Report. Informe Técnico. Ericsson AB.

[8] Rappaport, T. (2013). Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! Samsung DMC R&D Communications.

[9] 5G Americas (2015). Technology Evolution Recommendations. Documento de trabajo. 5G Americas.

[10] Silva, I. (2015). Tight integration of new 5G air interface and LTE to fulfill 5G requeriments. 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference.

[11] ATDI (2016). ICS Telecom: The ultimate radio network planning tool. Manual técnico ATDI.

[12] Delgado, D. (2012). Estudio y análisis de modelos de radiopropagación para redes móviles celulares 4G: escenario urbano Bogotá. Trabajo de Grado. Fundación Universidad Autónoma de Colombia.

[13] Daza, F. (2015). Análisis de desempeño de una red LTE-A en diferentes escenarios de propagación. Trabajo de Grado. Fundación Universidad Autónoma de Colombia.

[14] Ericcson (2016). 5G Systems. Informe Técnico. Ericcson.

105

[15] UIT-R (2014). Recomendación UIT-R P.526. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[16] UIT-R (2009). Recomendación UIT-R P.452. Procedimiento de predicción para evaluar la interferencia entre estaciones situadas en la superficie de la tierra a frecuencias superiores a unos 0.1 GHz. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[17] UIT-R (2013). Recomendación UIT-R P.676. Atenuación debida a los gases atmosféricos. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[18] UIT-R (2013). Recomendación UIT-R P.840. Atenuación debida a las nubes y a la niebla. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[19] UIT-R (2005). Recomendación UIT-R P.838. Modelo de la atenuación específica debida a la lluvia para los métodos de predicción. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[20] UIT-R (2015). Recomendación UIT-R P.530. Datos de propagación y métodos de predicción necesarios para el

diseño de sistemas terrenales con visibilidad directa. Recomendación técnica. Unión Internacional de Telecomunicaciones.

[21] METIS (2015). Final report on architecture. Documento de trabajo. METIS project.

[22] Osseiran, A., Monserrat, J. & Marsch, P. (2016). 5G Mobile and Wireless Communications Technology. Cambridge: Cambridge University Press.

[23] Arévalo, J. (2016). Radio Propagación en Redes 4G-LTE: Simulacion de Modelos para Sistemas Multiantena MU-MIMO. Fundacion Universidad Autónoma de Colombia.

[24] IDEAM (2010). Carácteristicas climatológicas de ciudades principales y municipios turísticos. Informe técnico IDEAM.

[25] IDEAM & FOPAE (2012). Estudio de la Caracterización Climática de bogotá y cuenca alta del río Tunjuelo. Informe técnico IDEAM.

[26] Wu, S. (2015). Massive MIMO Channel Modelling for 5G Wireless Communication Systems. Tesis Doctoral. Heriot-Watt University.