Recomendaciones sobre parámetros técnicos de operación y análisis de interferencia para sistemas de comunicaciones VHF y UHF en Colombia

Universidad de Valladolid E.T.S.I de Telecomunicación Trabajo Final de Máster Máster en Ingeniería de Telecomunicación Recomendaciones sobre parámetros técnicos de operación y análisis de interferencia para sistemas de comunicaciones VHF y UHF en Colombia Autor: Carmen Martín Gallo Tutor: Alfonso Bahillo Martínez 30 de marzo de 2024 TÍTULO: Recomendaciones sobre parámetros técnicos de operación y análisis de interferencia para sistemas de comunicaciones VHF y UHF en Colombia AUTOR: Carmen Martín Gallo TUTOR: Alfonso Bahillo Martínez DEPARTAMENTO: Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática TRIBUNAL PRESIDENTE: D. Ramón J. Durán Barroso SECRETARIO: D. Ramón de la Rosa Steinz VOCAL: D. Juan C. Aguado Manzano PRESIDENTE SUPLENTE: D. Rubén M. Lorenzo Toledo SECRETARIO SUPLENTE: D.ªPatricia Fernández Reguero VOCAL SUPLENTE: D. Ignacio de Miguel Jiménez FECHA: 9 de abril de 2024 CALIFICACIÓN: Resumen El presente Trabajo Fin de Máster comprende el análisis de interferencia co-canal y de canal adyacente realizado para las bandas de frecuencia VHF y UHF en los Departamentos del Cauca y Valle del Cauca, Colombia. Este estudio proporciona a la Agencia Nacional del Espectro (ANE) unas recomendaciones que colaboran a mejorar la eficiencia espectral en las bandas de estudio. Para cumplir con este objetivo, desde la Universidad del Cauca realizamos una serie de pruebas de laboratorio y pruebas de campo que nos permitieron evaluar los parámetros técnicos esenciales (entre los que destaca la relación de protección de radiofrecuencia) y obtener los modelos de propagación particulares del territorio analizado diferenciando tres escenarios de propagación: valle, andino y urbano. A partir de los resultados obtenidos, se procede a evaluar el aislamiento mínimo requerido entre estaciones trabajando en la misma frecuencia o en canales cercanos mediante la aplicación de métodos numérico-analíticos, considerando distintos anchos de banda y tecnologías tanto digital como analógica para las dos bandas en cuestión. Las comparativas derivadas de las pruebas de laboratorio y campo, junto con los valores obtenidos de las estimaciones deterministas y probabilísticas, conforman un conjunto de pautas de especial interés para la ANE, en concordancia con los estándares de seguridad y la normativa actual. Palabras Clave: Análisis de interferencia, relación de protección de radiofrecuencia, modelo de propagación, VHF, UHF. vi Abstract This Master’s thesis comprises the co-channel and adjacent channel interference analysis carried out for the VHF and UHF frequency bands in the Departments of Cauca and Valle del Cauca, Colombia. This study provides the National Spectrum Agency (ANE) with recommendations to help improve spectral efficiency in the study bands. To meet this objective, the University of Cauca carried out a series of laboratory and field tests that allowed us to evaluate the essential technical parameters (including the radio frequency protection ratio) and to obtain the propagation models particular to the analysed territory, differentiating among three propagation scenarios: valley, andean and urban. Based on the results obtained, the minimum isolation required between stations working on the same frequency or on nearby channels is evaluated by applying numericalanalytical methods. We considered different bandwidths and both digital and analog technologies for the two bands. The comparisons derived from the laboratory and field tests, together with the values obtained from the deterministic and probabilistic estimations, form a set of guidelines of special interest for the ANE, in accordance with safety standards and current regulations. Keywords: Interference analysis, radio frequency protection ratio, propagation model, VHF, UHF. Universidad de Valladolid Agradecimientos A Alfonso Bahillo Martínez, por ser un referente y modelo a seguir, por hacer posible mi aventura colombiana y por brindarme en todo momento apoyo, asesoramiento y ayuda. A la Universidad del Cauca y al grupo de investigación GRIAL, por hacerme partícipe como una integrante más en este proyecto repleto de crecimiento laboral y personal, además de colaborar activamente a que Colombia se quede a vivir por siempre en mi corazón. A la Universidad de Valladolid por fomentar los convenios y programas de ayuda internacional para jóvenes estudiantes. A mi familia, tanto de sangre como de corazón, por toda la confianza y ánimos recibidos; a pesar de la distancia, a pesar de las dificultades. A todos ellos, gracias por hacer que cada día el sol luzca más bonito. Índice general Índice de Figuras xv Índice de Tablas xix 1 Introducción 1 1.1 Motivación................................... 2 1.2 Introducción al proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Fases de desarrollo y recursos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Objetivos ................................... 7 1.4.1 Objetivoprincipal........................... 7 1.4.2 Objetivos secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Aportaciones de este TFM y mi rol en el equipo de trabajo del proyecto . 11 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia 13 2.1 Introducción.................................. 15 2.2 Parámetros técnicos esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Bandas de frecuencia de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Ancho de banda del canal (BW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 Potencia de transmisión (Pt)..................... 18 2.2.4 Máscaraespectral........................... 19 2.2.5 Selectividad y factor de forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.6 Relación de protección (RFPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.7 Sensibilidad de los receptores radioeléctricos (Pmin)........ 22 2.2.8 Ganancia de antena repetidora ( Gr ) y ganancia de antena móvil ( Gt ) 23 2.2.9 Altura de antena repetidora (hr) y altura de antena móvil (ht) . . 23 xvi Índice de Figuras Figura 2.17 Geometría de dos obstáculos aislados con despeje positivo predominando un obstáculo [47] ......................... 46 Figura 2.18 Geometría de los obstáculos en el método de Deygout . . . . . . . . . 48 Figura 2.19 Clasificación de obstáculos según el criterio de clasificación LOS-NLOS 51 Figura 2.20 Clasificación de obstáculos en LOS según el criterio de clasificación . 51 Figura 2.21 Modelo general del sistema para E-MCL [22].............. 55 Figura 2.22 Diagrama de flujo del método numérico de Monte Carlo [22] . . . . . 60 Figura 2.23 Separación en frecuencia de los distintos canales en el estudio de la interferencia de canal adyacente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Figura 3.1 Programación de un radio móvil HM786 en el software Hytera CPS . 68 Figura 3.2 Configuración del canal mixto en una estación repetidora RD986 . . . 68 Figura 4.1 Rutas de medición y emplazamientos de las estaciones repetidoras . . 83 Figura 4.2 Ruta seguida para la comparación de potencia recibida entre comunicaciones de tipo analógico y digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Figura 4.3 Comparación entre niveles de potencia de señales recibidas para tecnologías CLMR digitales y analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Figura 4.4 Mapa de cobertura de un equipo de radio móvil (color negro) y uno portátil (color violeta) estableciendo comunicación con la estación repetidora de Siloé o Popayán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 4.5 Rutas de medición para la banda VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Figura 4.6 Topología de la red VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Figura 4.7 Recursos de SmartPTT Dispatch relacionados con las mediciones realizadas ................................. 91 Figura 4.8 Promediado espacial de valores de RSS mediante cuadrados de 15 m delado................................... 93 Figura 4.9 Promediado espacial de RSS en conjuntos cuadrados de 500 m de lado 94 Figura 4.10 Topología de la red UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Figura 4.11 Rutas VHF de la zona urbana de Popayán . . . . . . . . . . . . . . . 99 Figura 4.12 Rutas VHF de las rutas por Totoró & Piendamó . . . . . . . . . . . . 99 Figura 4.13 Rutas VHF de las rutas de Puracé & Coconucos (izquierda) y El Tambo & El Bolsón (derecha) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Figura 4.14 Rutas VHF de las rutas por Paispamba y alrededores . . . . . . . . . 100 Figura 4.15 Rutas VHF de las rutas por Timbío & Rosas . . . . . . . . . . . . . . 101 Figura 4.16 Rutas VHF de las rutas por Provitec & Las Huacas . . . . . . . . . . 101 Figura 4.17 Rutas VHF de las rutas por el Departamento del Valle del Cauca . . 102 Universidad de Valladolid Índice de Figuras xvii Figura 4.18 Rutas realizadas en el Departamento del Cauca en la banda UHF mostradas con el software UHF Hytera Smart Dispatch Plus . . . . . 105 Figura 4.19 Rutas realizadas en el Departamento del Cauca en la banda UHF mostradas con un mapa de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Figura 4.20 Rutas realizadas en el Departamento del Valle del Cauca en la banda UHF....................................106 Figura 4.21 Perfil de terreno radioeléctrico, distancia y pérdidas por difracción entre los diferentes puntos de medición y la estación repetidora . . . 110 Figura 4.22 Pérdidas por difracción y características de los obstáculos principales para las mediciones obtenidas en el Departamento del Cauca . . . . . 111 Figura 4.23 Aplicación del criterio LOS-NLOS sobre los datos experimentales . . 112 Figura 4.24 Características de propagación para cada punto experimental . . . . 113 Figura 4.25 Ejemplo de la influencia del factor dispersivo (N(0,σ2)) .......114 Figura 4.26 Modelos de propagación en la banda VHF . . . . . . . . . . . . . . . 116 Figura 4.27 Modelos de propagación en la banda VHF . . . . . . . . . . . . . . . 117 Figura 4.28 Comparativa de los modelos de propagación en las bandas VHF y UHF 118 Figura 5.1 Método E-MCL para la banda VHF con máscaras espectrales tipo B y tipo D [21] ...............................125 Figura 5.2 Método E-MCL para la banda UHF con máscaras espectrales tipo B y tipo D [21] ...............................125 Figura 5.3 Método Rec. ITU SM.337 alternativo para la banda VHF [21] . . . . 126 Figura 5.4 Método Rec. ITU SM.337 alternativo para la banda UHF [21] . . . . 126 Figura 5.5 Escenario de implementación considerado en la aplicación del método numérico de Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Figura 5.6 Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 12.5 kHzenVHF................................131 Figura 5.7 Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 25 kHzenVHF................................131 Figura 5.8 Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 12.5 kHzenUHF................................132 Figura 5.9 Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 25 kHzenUHF................................132 Figura 5.10 Esquema de pruebas para diferentes canales y anchos de banda . . . 133 Figura 5.11 Canales analógicos utilizados en las bandas VHF (izquierda) y UHF (derecha) operando con un BW de 12.5 kHz . . . . . . . . . . . . . . 135 Universidad de Valladolid xviii Índice de Figuras Figura 5.12 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores analógicos operando simultáneamente con BW de 12.5 kHz en canales inmediatamente adyacentes en VHF (izquierda) y UHF (derecha) . . . . . . . 136 Figura 5.13 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores analógicos operando simultáneamente con BW de 12.5 kHz y una separación de 1 canal para las bandas VHF (izquierda) y UHF (derecha) . . . . . . 136 Figura 5.14 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores analógicos operando simultáneamente con BW de 12.5 kHz con una separación de 2 canales para las bandas VHF (izquierda) y UHF (derecha) . . . 137 Figura 5.15 Canales analógicos utilizados en las bandas VHF (izquierda) y UHF (derecha) operando con un BW de 25 kHz . . . . . . . . . . . . . . . 138 Figura 5.16 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores analógicos operando simultáneamente con BW de 25 kHz en canales inmediatamente adyacentes en VHF (izquierda) y UHF (derecha) . . . . . . . . 139 Figura 5.17 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores analógicos operando con BW de 25 kHz y una separación de 1 canal para la bandaVHF................................139 Figura 5.18 Efectos de intermodulación producidos por dos repetidores digitales operando simultáneamente con BW de 12.5 kHz en canales inmediatamente adyacentes en VHF (izquierda) y UHF (derecha) . . . . . . . 141 Universidad de Valladolid Índice de Tablas Tabla 2.1 Factor de forma de las máscaras de emisión para radio móvil . . . . . . 21 Tabla 2.2 Resumen de pérdidas por difracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Tabla 3.1 Equipos VHF [21].............................. 67 Tabla 3.2 Equipos UHF [21].............................. 67 Tabla 3.3 Resultados de medida de sensibilidad analógica obtenidos para la banda VHF..................................... 71 Tabla 3.4 Resultados de medida de sensibilidad analógica obtenidos para la banda UHF..................................... 71 Tabla 3.5 Resultados de potencia de transmisión obtenidos . . . . . . . . . . . . . 72 Tabla 3.6 Resultados de la ACRRHIGH y la ACRRLOW .............. 73 Tabla 3.7 Umbrales de rechazo de canal adyacente . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Tabla 3.8 Valores de RFPR obtenidos experimentalmente para las bandas VHF y UHF..................................... 76 Tabla 4.1 Rutas realizadas en la banda VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Tabla 4.2 Rutas realizadas en la banda UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Tabla 4.3 Modelos de propagación, RMSE y σ2en la banda VHF . . . . . . . . . 115 Tabla 4.4 Modelos de propagación, RMSE y σ2en la banda UHF . . . . . . . . . 115 Tabla 5.1 Parámetros de radio móvil utilizados para el análisis de aislamiento mediante la aplicación de métodos analíticos . . . . . . . . . . . . . . . 123 Tabla 5.2 Aislamiento mínimo en VHF y UHF diferenciando espaciados entre canales según la máscara espectral empleando el método E-MCL . . . . 125 xx Índice de Tablas Tabla 5.3 Aislamiento mínimo en VHF y UHF diferenciando espaciados entre canales según la máscara espectral empleando el método Rec.ITU SM.337 alternativo..................................126 Tabla 5.4 Parámetros de radio móvil utilizados para el análisis de aislamiento mediante la aplicación del método numérico de Monte Carlo . . . . . . 128 Tabla 5.5 Resultados de la aplicación del método numérico de Monte Carlo en la bandaVHF .................................131 Tabla 5.6 Resultados de la aplicación del método numérico de Monte Carlo en la bandaUHF .................................132 Tabla 5.7 Distancias promedio entre un transmisor interferente y un receptor víctima de interferencia según el método de Monte Carlo para las bandas VHFyUHF.................................133 Tabla 6.1 Distancia promedio mínima que debe existir entre sistemas CLMR que operan en la misma frecuencia para asegurar un aislamiento adecuado . 145 Tabla 6.2 Distancia promedio mínima que debe existir entre sistemas CLMR a medida que se incrementa la separación en frecuencia . . . . . . . . . . 146 Universidad de Valladolid CAP´ ITULO 1 Introducción 1.1 Motivación................................... 2 1.2 Introducción al proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Fases de desarrollo y recursos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Objetivos ................................... 7 1.4.1 Objetivoprincipal........................... 7 1.4.2 Objetivos secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Aportaciones de este TFM y mi rol en el equipo de trabajo del proyecto . 11 2Capítulo 1 Introducción ‘En la era de las telecomunicaciones, quien mejor comunica sigue siendo quien es capaz de mirar a los demás a los ojos.’ - Rafael Vídac, 2019 1.1 Motivación Colombia, conocida como el país más bello del mundo, cautiva por sus impresionantes paisajes y apasionante cultura. Sin embargo, esta joya de biodiversidad y terrenos desafiantes cuenta con una gran extensión y una amplia gama de condiciones topográficas. Esta diversidad le convierte en un tesoro universal, pero también representa un desafío para la conectividad. Este pequeño gran refugio de naturaleza, que abarca 1.141.749 km 2 con sus imponentes cordilleras, cadenas volcánicas, ríos y playas, supone un reto para la comunicación entre sus habitantes, especialmente en zonas rurales que presentan una densa cobertura vegetal y una infraestructura muy limitada. Por esta razón, las bandas de frecuencia muy alta (Very High Frequency, VHF) y ultraalta (Ultra High Frequency, UHF) se han convertido en mecanismos indispensables, altamente demandados y ampliamente aceptados en servicios como emergencias, policía, taxistas u organizaciones marítimas, entre otros. Estas bandas se caracterizan por su alcance extendido al trabajar en frecuencias con longitudes de onda relativamente cortas en comparación con otras frecuencias. Esta característica, junto con sus propiedades de propagación que les permiten circundar obstáculos al difractarse alrededor de ellos, las convierte en un gran aliado para combatir la frondosidad colombiana en un amplio rango de kilómetros. En este contexto, las instituciones nacionales muestran un interés particular en maximizar el aprovechamiento y garantizar el uso adecuado del recurso natural limitado, el espectro de frecuencias. En respuesta a esta necesidad, la Agencia Nacional del Espectro (ANE) de Colombia está trabajando en mejorar la regulación y asignación del espectro, haciendo uso de estudios detallados de propagación e interferencia en estas bandas de estudio. En este sentido, la Universidad del Cauca se posiciona como un aliado fundamental para encontrar soluciones o recomendar prácticas óptimas para el uso eficiente del espectro dado su perfil idóneo para participar en proyectos de investigación, análisis y estudio, contando con equipos de medición especializados y expertos capacitados. Universidad de Valladolid 1.2 Introducción al proyecto 3 1.2 Introducción al proyecto Respondiendo a la necesidad de realizar un estudio detallado sobre la optimización espectral, la Universidad del Cauca, a través de su reconocido grupo de investigación GRIAL, comienza su andadura en colaboración con la ANE para embarcarse en un proyecto de varias fases donde se explora, primeramente, el estado del arte de los sistemas de comunicaciones operando en VHF y UHF en función de la frecuencia y la distancia para evaluar, seguidamente, la influencia y causas de la interferencia de sistemas de Radio Móvil Terrestre Convencional (Conventional Land Mobile Radio, CLMR) en el territorio colombiano para el que se pretende particularizar el análisis. • La ANE es una entidad que asesora desde el año 2009 al Ministerio de Tecnologías de la Información y Comunicaciones en la planeación, atribución, vigilancia y control del espectro radioeléctrico en Colombia [ 2 ]. Su logo se muestra en la Figura 1.1a. (a) Logo de la ANE (b) Escudo de la Universidad del Cauca Figura 1.1: Entidades implicadas en el proyecto • La Universidad del Cauca es una universidad pública de Colombia cuyo campus se encuentra en la ciudad de Popayán y cuyo escudo compone la Figura 1.1b. • Popayán, con una elevación de 1.760 m y población de aproximadamente 340.000 habitantes, se trata de la capital del departamento del Cauca, donde se encuentra la sede principal del desarrollo del proyecto. • El Departamento del Cauca es uno de los treinta y dos departamentos que conforman la República de Colombia. Está ubicado al suroccidente del país entre las regiones andina y pacífica. Cuenta con una superficie de 29.308 km 2 , lo que representa el 2.56% del territorio nacional. Allí nacen las cordilleras central y occidental de Colombia al igual que los dos grandes ríos interandinos colombianos, el Cauca y el Magdalena [8]. Universidad de Valladolid 4Capítulo 1 Introducción • El Departamento del Valle del Cauca, con una extensión de 22.195 km 2 y una altitud promedio de aproximadamente 1.500 m, se distingue por un relieve de menor elevación que el del Departamento del Cauca y considerablemente más estable. Se incorpora en los estudios del marco del proyecto debido al contraste topográfico que ofrece en comparación con el Departamento del Cauca, contrastando valle con territorio andino, respectivamente. A continuación, se muestran las Figuras 1.2 y 1.3 representando la orografía de los dos departamentos de estudio, primeramente el Departamento del Valle del Cauca, seguido por el Departamento del Cauca. Nótese la diferencia de altitud entre territorios, así como la mayor ausencia de accidentes geográficos en el Departamento del Valle del Cauca, el cual se extiende hacia el norte con una altitud constante característica de la llanura a lo largo de toda su extensión. Figura 1.2: Orografía del Departamento del Valle del Cauca [45] Universidad de Valladolid 1.6 Aportaciones de este TFM y mi rol en el equipo de trabajo del proyecto 11 1.6 Aportaciones de este TFM y mi rol en el equipo de trabajo del proyecto Seguidamente, se resaltan las principales aportaciones de este TFM, tanto el impacto de mi participación como colaboradora en el proyecto de la Universidad del Cauca, como desde la perspectiva única que ofrece este documento: − En cuanto a mis aportaciones como miembro del equipo, mis responsabilidades principales abarcaron el contenido del Capítulo 4, donde un correcto modelado de los datos para hallar modelos de propagación válidos fue el objetivo principal. Aun siendo responsable de este bloque, la totalidad de la segunda fase del proyecto se ha caracterizado por un gran trabajo en equipo, por lo que ofrecí mi ayuda en las diversas áreas expuestas en este TFM, al igual que recibí apoyo en el desempeño de mis tareas principales. Cabe destacar que en el proceso de adquisición de datos descrito en ese Capítulo 4 yo he permanecido en la universidad gestionando los software de monitoreo de los sistemas CLMR, verificando la correcta recepción de los datos producto de las mediciones y comunicándome por radio con mis compañeros; sin la posibilidad de viajar en el vehículo encargado de movilizar los radios móviles reportando información. Este hecho se debe a la inseguridad actual que implica recorrer la zona rural del Departamento del Cauca, lo que ha supuesto en más de una ocasión la alteración y/o cancelación de rutas planificadas durante el transcurso del proyecto. − Por otro lado, de manera más específica, se realizaron pruebas de laboratorio adicionales a las mencionadas en esta memoria, redactando en este escrito únicamente aquellas más relevantes en las que participé. Además, desempeñé un papel significativo en el análisis de la interferencia del canal adyacente, contribuyendo activamente tanto en la realización de pruebas como en las discusiones y los resultados obtenidos. − A la hora de aplicar los métodos numérico-analíticos, mi participación fue más superficial, ya que mi labor consistió en la revisión de los scripts implementados en la primera fase del proyecto desarrollada en años anteriores: cuatro ojos ven más que dos para verificar si todos los parámetros introducidos concuerdan con los extraidos de las pruebas de laboratorio y campo. Universidad de Valladolid 12 Capítulo 1 Introducción Con base en los párrafos anteriores, optaría por definir mi TFM como un compendio del marco teórico explorado en la primera fase previa del proyecto -en la cual no participé-, que sirve como precursor de las pruebas y contenido analizado en la segunda fase donde mi participación ha sido una ayuda sustancial para el cumplimiento de los nuevos objetivos establecidos. Esta memoria resume de forma efectiva pero precisa los procedimientos y resultados encontrados, incluyendo una visión completa del estudio de interferencia realizado por la Universidad del Cauca. Además, ofrece una reflexión crítica sobre los desafíos encontrados durante el desarrollo del proyecto y sugiere posibles áreas de mejora para investigaciones futuras en el ámbito de la interferencia de co-canal y de canal adyacente. Universidad de Valladolid CAP´ ITULO 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia 2.1 Introducción.................................. 15 2.2 Parámetros técnicos esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Bandas de frecuencia de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Ancho de banda del canal (BW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 Potencia de transmisión (Pt)..................... 18 2.2.4 Máscaraespectral........................... 19 2.2.5 Selectividad y factor de forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.6 Relación de protección (RFPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.7 Sensibilidad de los receptores radioeléctricos (Pmin)........ 22 2.2.8 Ganancia de antena repetidora ( Gr ) y ganancia de antena móvil ( Gt ) 23 2.2.9 Altura de antena repetidora (hr) y altura de antena móvil (ht) . . 23 2.2.10 Margen de operación para sistemas con múltiples portadoras ( MCINT ) 23 2.2.11 Factor de ajuste de ancho de banda (dBBW )............ 24 2.2.12 Factor de disponibilidad del sistema interferido (N)........ 25 2.3 Modelos de propagación teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.1 Modelo de pérdidas de propagación de Espacio Libre . . . . . . . 27 2.3.2 Modelo de pérdidas de propagación de Dos Rayos . . . . . . . . . 28 14 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia 2.3.3 Modelo de pérdidas de propagación de Pendiente Única . . . . . . 29 2.3.4 Modelo de pérdidas de propagación de Egli . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.5 Modelo de pérdidas de propagación de Okumura-Hata . . . . . . 30 2.3.5.1 Zonaurbana ........................ 31 2.3.5.2 Zona suburbana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.5.3 Zonarural.......................... 32 2.4 Modelos de propagación experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.1 Adquisición de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.2 Análisis de los datos: Obtención de pérdidas . . . . . . . . . . . . 35 2.4.2.1 Sistema de Información Geográfico . . . . . . . . . . . . 35 2.4.2.2 Perfil del terreno para cada punto . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.2.3 Distancia .......................... 36 2.4.2.4 Obstáculos ......................... 38 2.4.2.5 Pérdidas por difracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.2.6 Condiciones de LOS y NLOS . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4.3 Modelado de las pérdidas: Modelos de propagación . . . . . . . . 51 2.5 Métodosanalíticos .............................. 53 2.5.1 Método de Mínimas Pérdidas de Acoplamiento . . . . . . . . . . . 54 2.5.2 Método de Mínimas Pérdidas de Acoplamiento Mejorado . . . . . 54 2.5.2.1 Método de la recomendación ITU-R SM.337-6 . . . . . . 56 2.6 Métodosnuméricos.............................. 58 2.6.0.1 Método numérico de Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . 59 2.7 Interferenciaco-canal............................. 62 2.8 Interferencia de canal adyacente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.8.1 Metodología de evaluación de la interferencia de canal adyacente . 64 Universidad de Valladolid 2.1 Introducción 15 Este segundo capítulo ofrece una descripción detallada a nivel teórico de diversas metodologías empleadas para calcular las pérdidas de propagación en sistemas CLMR. Comienza con la contextualización de los parámetros técnicos esenciales relacionados con esta problemática. Luego, se adentra en el análisis de las pérdidas de propagación desde una perspectiva teórica en un sistema con un único transmisor y un único receptor. Posteriormente, avanza hacia la evaluación de este sistema mediante el cálculo de un balance de enlace basado en datos experimentales. A continuación, se aborda una estimación más avanzada lograda a través de métodos numérico-analíticos, donde se incluyen múltiples transmisores interferentes para establecer relaciones entre distancia, frecuencia y/o aislamientos mínimos requeridos entre estaciones repetidoras. Por último, y tomando como base este análisis de la propagación, se examina la principal problemática derivada de este suceso: la interferencia. El objetivo final radica en analizar el impacto de cada tipo de interferencia en la optimización del uso del espectro radioeléctrico. 2.1 Introducción La propagación es un fenómeno esencial en los sistemas de comunicación, ya que determina la forma en que las señales electromagnéticas viajan desde el transmisor hasta el receptor. Este fenómeno, influenciado por diversos factores como la distancia, el terreno y la presencia de obstáculos, puede afectar significativamente la calidad y la fiabilidad de la comunicación. Comprender cómo se comportan las ondas electromagnéticas permite anticipar y mitigar problemas como la atenuación de la señal, el desvanecimiento y la interferencia, aspectos fundamentales para garantizar una comunicación efectiva en entornos variados y en constante evolución. Este capítulo se enfoca en un procedimiento analítico que parte de premisas básicas de propagación para luego incluir supuestos y aproximaciones a la realidad. A medida que aumenta esta complejidad, se vuelve necesario abordar la problemática resultante de la propagación: la interferencia. Universidad de Valladolid 16 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Comenzando por el supuesto más sencillo, donde se parte de la premisa de que un sistema de comunicaciones está formado por un único transmisor y un único receptor, la propagación puede ser modelada mediante un conjunto de expresiones matemáticas que permiten estimar el nivel de señal recibido en un receptor ubicado a una distancia específica de una antena transmisora. Tras analizar la propagación y sus desafíos en el escenario más básico, surge la pregunta de cómo se comportaría un sistema más complejo, donde no existe un único transmisor interferente para un receptor afectado por interferencia. La evaluación de este proceso en la realidad resulta costosa debido al elevado costo de implementar una red completa para llevar a cabo pruebas experimentales. Es por ello que la simulación y los algoritmos matemáticos se convierten en herramientas fundamentales para abordar esta cuestión de manera viable. Estos métodos, tanto analíticos como numéricos, proporcionan información sobre las relaciones entre la distancia y la frecuencia que deben existir entre los transmisores interferentes para mitigar la interferencia en un receptor víctima de interferencia, una problemática inherente a la propagación. Los métodos analíticos y numéricos (determinísticos y probabilísticos, respectivamente) permiten evaluar el aislamiento mínimo requerido en sistemas de comunicación inalámbricos más complejos y completos, asegurando así su funcionamiento dentro de la región aceptable e intentando minimizar la distancia entre estaciones trabajando en la misma frecuencia. Estos métodos proporcionan el valor mínimo de aislamiento requerido entre las fuentes y los receptores afectados por interferencias, considerando tanto la distancia geográfica entre sistemas que operan en la misma frecuencia como la separación mínima entre canales de sistemas concurrentes en un mismo lugar. Uno de los principales desafíos a la hora de abordar esta metodología es la necesidad de contar con todos los parámetros técnicos esenciales. En el contexto del proyecto, es importante garantizar precisión al definir estos parámetros, que serán utilizados en las simulaciones tanto de métodos determinísticos como probabilísticos, puesto que en última instancia se pretende lograr una correspondencia precisa con la realidad para satisfacer una necesidad. En esta primera sección, se describen estos parámetros técnicos esenciales y se relata su importancia y repercusión en la propagación y la interferencia de la señal para, más adelante, embarcarse en el estudio de la propagación comenzando con sistemas que cuentan con un único transmisor y receptor, para finalizar describiendo metologías de evaluación de sistemas más complejos basadas en los principios establecidos en los casos más simples. Universidad de Valladolid 2.2 Parámetros técnicos esenciales 17 2.2 Parámetros técnicos esenciales La masificación de servicios de comunicaciones en las bandas de frecuencias de 138 a 470 MHz ha generado una congestión del espectro radioeléctrico en dicho rango frecuencial, por lo que es necesario definir criterios que faciliten el análisis de la distribución de canales con el fin de lograr una mayor eficiencia espectral y satisfacer todas las demandas de servicios de comunicación. Todo esto debe realizarse sin perturbar los servicios existentes ni comprometer los futuros debido a la interferencia [22]. La utilización eficiente del espectro dependerá, en gran parte, de los parámetros y características del sistema a implementar, así como del escenario elegido. Por esta última razón, es importante garantizar unos niveles de interferencia admisibles 1 tanto para el nuevo sistema de comunicación como para los sistemas ya operativos. Las normas existentes garantizan un adecuado aislamiento ante interferencia cuando se cumple con los parámetros técnicos esenciales de operación. La optimización del uso de los recursos radioeléctricos en las bandas de 138 a 470 MHz requiere una cuidadosa consideración de los parámetros técnicos de diseño y especificación de los sistemas de radio licenciados, con el objetivo de evitar tanto la interferencia causada por los licenciatarios como la recibida de otros usuarios. En Colombia, la entidad encargada de asesorar al Ministerio de Tecnologías de la Información y Comunicaciones en la planeación, atribución, vigilancia y control del espectro radioeléctrico es la ANE, por lo que analizar el impacto de los parámetros técnicos esenciales en el análisis de la propagación y la interferencia es de gran importancia para esta organización. En el estudio preciso de la propagación de la señal así como de sus pérdidas asociadas, se consideran las más exigentes características de los sistemas de comunicación vía radio para el análisis de aislamiento o interferencia. Por ello, es importante identificar, seleccionar y caracterizar los parámetros de análisis considerando el peor de los casos, es decir, teniendo en cuenta parámetros con valores extremos (máximos o mínimos) que garanticen el mayor aislamiento de los sistemas frente a la interferencia. 1 Se considera interferencia admisible aquella que satisface los criterios cuantitativos de interferencia y de compartición que figuran en el Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la ITU, en Recomendaciones ITU-R o en acuerdos especiales según lo previsto en dicho Reglamento [43]. Universidad de Valladolid 18 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia A continuación, se presentan de manera general conceptos y parámetros esenciales en la aplicación de estos métodos [22]: 2.2.1 Bandas de frecuencia de operación En Colombia, el Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de Frecuencias (CNABF) [ 13 ] es la entidad encargada de definir las bandas de frecuencia de operación del servicio de radio móvil. Para el análisis de aislamiento mostrado en el presente TFM, se consideran las bandas con los valores en frecuencia más bajos y más altos dentro de la banda de interés destinada a ’servicios de radiocomunicaciones móviles y fijos’ según las tablas 3A y 13 establecidas por el CNABF, siendo dichos rangos de frecuencia 138 – 174 MHz y 440 – 470 MHz, pertenecientes a las bandas VHF y UHF, respectivamente. 2.2.2 Ancho de banda del canal (BW) En los sistemas de radio móvil terrestre que operan en la banda de frecuencia de 138 a 470 MHz, existen 6 valores de ancho de banda o BW: 6.25 kHz, 12.5 kHz, 25 kHz, 3 MHz, 5 MHz y 10 MHz. Sin embargo, en el presente TFM se consideran únicamente BW relevantes para el estudio de la ANE, es decir, relacionados con servicios de radio móvil profesional o los denominados sistemas de comunicación de misión crítica. Dichos BW son 6.25 kHz, 12.5 kHz, y 25 kHz. 2.2.3 Potencia de transmisión (Pt) Se refiere al valor medio de potencia suministrado por un transmisor a la línea de transmisión que conecta con la antena, evaluado durante un intervalo de tiempo mayor en comparación con el periodo correspondiente a la componente de frecuencia más baja de la señal moduladora [ 42 ]. Particularmente, en sistemas de radio móvil, las potencias de transmisión pueden tomar valores entre 1 W y 50 W, siendo los valores típicos para estaciones repetidoras o estaciones base de 20 W y 40 W [14]. Universidad de Valladolid 2.2 Parámetros técnicos esenciales 19 2.2.4 Máscara espectral Las máscaras espectrales son un conjunto de líneas definidas matemáticamente que limitan los niveles de transmisión de las señales radio o sus componentes en frecuencia en función de la separación en frecuencia de cada componente con respecto a la frecuencia central del canal. Busca limitar la interferencia por limitación de la radiación excesiva fuera del BW de canal por medio de la atenuación de emisiones no deseadas -emisiones fuera de banda y emisiones parásitasrealizada generalmente con un filtro pasabanda (BPF, Band Pass Filter) sintonizado a la frecuencia central del canal. La máscara espectral se define en términos del BW de los canales o de la separación entre canales y establece el límite de potencia para las emisiones dentro y fuera de banda que son admisibles [46]. En los sistemas de radio móvil existen máscaras espectrales para cada uno de los anchos de banda de canal, siendo la máscara de emisión tipo B para los sistemas con canales de BW igual a 25 kHz cuyos límites se representan en la Figura 2.1; la máscara de tipo D presente en la Figura 2.2 para los sistemas con canales de BW igual a 12.5 kHz y la máscara de emisión tipo E para los sistemas con canales de BW igual a 6.25 kHz representada en la Figura 2.3 [5] [7] [24]. Figura 2.1: Máscara de emisión tipo B Figura 2.2: Máscara de emisión tipo D Universidad de Valladolid 20 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Figura 2.3: Máscara de emisión tipo E 2.2.5 Selectividad y factor de forma La selectividad de un receptor se define como la capacidad que tiene el mismo para seleccionar la señal deseada de un conjunto de señales interferentes a partir de filtros [ 27 ]. El grado de selectividad de un filtro se puede analizar por medio del factor de calidad del filtro ( Q ), parámetro que relaciona el valor de la frecuencia portadora o frecuencia central de la señal deseada a nivel de radiofrecuencia con respecto al BW del filtro, lo cual, matemáticamente, se define como: Q=fc BW−3dB (2.1) donde fc es la frecuencia portadora de la señal deseada medida en Hz y BW−3dB es el BW del filtro medido en Hz considerando como límite aquellos puntos donde la potencia máxima cae 3 dB. El factor de forma es otra manera de describir la selectividad de un receptor de RF y corresponde a la relación entre los anchos de banda en los puntos de -60 dB y los puntos de potencia mitad -3 dB, tal como se define a continuación [27]: Factor de forma =BW−60dB BW−3dB (2.2) Por lo tanto, es posible calcular el factor de forma correspondiente a las máscaras de emisión para los sistemas de radio móvil definidas anteriormente, como se muestra en la Tabla 2.1: Universidad de Valladolid 2.3 Modelos de propagación teóricos 27 2.3 Modelos de propagación teóricos La propagación de ondas electromagnéticas se modela haciendo uso de las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, debido a la complejidad de los canales inalámbricos por fenómenos de propagación tales como reflexión, difracción y dispersión de las señales transmitidas, el análisis basado en las ecuaciones de Maxwell es intrincado e impráctico. En el rango de frecuencias de 138 a 470 MHz, se deben tener en cuenta los efectos de la dispersión troposférica y la difracción causada por obstáculos, incluyendo la curvatura de la tierra, los perfiles de terreno y las edificaciones, lo que da lugar al uso de modelos que tengan en cuenta estos factores y aproximen de forma práctica y sencilla el análisis propagativo inviable mediante las ecuaciones de Maxwell. Los modelos de propagación omodelos de pérdidas de propagación son un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos que permiten estimar el nivel de señal radio recibido en un receptor ubicado a una distancia determinada desde una antena transmisora. Permiten calcular la reducción de la potencia de la señal de radiofrecuencia, normalmente alterada por el entorno a través del cual se propaga la onda electromagnética, teniendo en cuenta parámetros geoclimáticos, datos sobre el terreno, la frecuencia de operación o las alturas de las antenas, entre otros. Los métodos empíricos proporcionan una estimación de la pérdida básica de propagación o, alternativamente, del valor de potencia recibida o intensidad de campo eléctrico incidente en cualquier punto alrededor de un transmisor. Estos modelos son de utilización sencilla y su exactitud puede ser mejorada al considerar medidas reales de campo. En esta sección, se describen algunos de los modelos más importantes para estimar las pérdidas de propagación teóricas en el rango de frecuencias de 138 a 470 MHz. 2.3.1 Modelo de pérdidas de propagación de Espacio Libre Este modelo permite estimar las mínimas pérdidas de propagación en un escenario de exteriores o abierto -sin obstrucciones, sin reflexiones, sin difracciones-. Se considera que la señal se dispersa en diferentes direcciones desde la antena transmisora y que una muy pequeña parte de la energía radiada puede ser captada por la antena receptora. Este modelo no tiene en cuenta los efectos del clima o la atenuación que puede sufrir la señal por absorción de energía en la atmósfera. Universidad de Valladolid 28 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas se calculan utilizando la siguiente expresión matemática: Lfs =32,45 +20 log10(d) + 20 log10(f)(2.6) donde d es la distancia expresada en km entre el transmisor y el receptor y f es la frecuencia de operación medida en MHz. Este modelo, aunque simple, ofrece una aproximación relevante para estimar las pérdidas de propagación en distancias en la que la onda viaja en línea directa desde la fuente hasta el receptor, sin obstrucciones significativas entre el transmisor y el receptor, es decir, en condiciones de Línea de Vista (LOS). Debido a su carácter básico y fundamental, el modelo de pérdidas en espacio libre se utiliza como una herramienta para determinar los límites teóricos de operación en escenarios con interferencia, lo que permite estimar la cobertura y la mínima separación en distancia entre estaciones operando en la misma frecuencia. 2.3.2 Modelo de pérdidas de propagación de Dos Rayos Este modelo, también conocido como modelo de tierra plana, describe analíticamente las pérdidas de propagación al considerar un rayo directo y un rayo reflejado en tierra entre una antena transmisora y una antena receptora, tal como se muestra en la Figura 2.6. Figura 2.6: Componentes de la señal en el modelo de propagación de Dos Rayos La señal recibida tiene dos componentes: la componente LOS, que es la señal transmitida a través del espacio libre; y una componente o rayo reflejado, que corresponde a la señal reflejada en la superficie terrestre y que modela la multitrayectoria [18]. Universidad de Valladolid 2.3 Modelos de propagación teóricos 29 Las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas, Lb , se calculan utilizando la siguiente expresión matemática: Lb=40log10(d)−20 log10(ht)−20 log10(hr)(2.7) donde d es la distancia expresada en km entre el transmisor y el receptor, y ht y hr son las alturas en metros de las antenas de transmisión y recepción, respectivamente, con respecto a la altura promedio del escenario. La estimación de las pérdidas de propagación es válida sólo cuando des mayor que la distancia crítica, definida como: d > dc=4hthr λ(2.8) donde λ es la longitud de onda medida en metros. En este caso, la potencia recibida es independiente de la frecuencia y decae con una potencia de cuatro con respecto a la distancia. 2.3.3 Modelo de pérdidas de propagación de Pendiente Única Es uno de los modelos básicos para la estimación de pérdidas de propagación en el cual la expresión matemática de dichas pérdidas sólo depende de la distancia: Lb=L0+10nlog10 d d0!(2.9) donde n corresponde al exponente de propagación y d0 es una distancia de referencia en la cual se conoce la pérdida de propagación L0 . Los valores de d0 , L0 y n se pueden obtener experimentalmente y dependen de las características del escenario. Los valores sugeridos por la literatura se muestran a continuación: n= 3 y Lo= 70 dB n= 4 y Lo= 100 dB 2.3.4 Modelo de pérdidas de propagación de Egli Este modelo estima la pérdida de propagación en un enlace punto a punto o punto a multipunto y es adecuado para transmisiones con línea de vista sobre terrenos ligeramente ondulados, es decir, con variaciones en alturas no mayores a 15.24 m. Universidad de Valladolid 30 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas se calculan utilizando la siguiente expresión matemática: Lb=40log10(d) + 20log10(f)−20 log10(ht) + Lm(2.10) donde Lmse define como: Lm=     76,3 −10log10(hr)si hr≤10 85,9 −20log10(hr)si hr>10 (2.11) siendo d la distancia expresada en km entre el transmisor y el receptor; ht y hr son las alturas medidas en metros de las antenas de transmisión y recepción, respectivamente, con respecto a la altura promedio del escenario; y f es la frecuencia de operación en MHz. El rango de valores para los cuales el modelo de Egli es aplicable es el siguiente: 40 ≤f≤1000 1≤d≤60 2.3.5 Modelo de pérdidas de propagación de Okumura-Hata El modelo de propagación de Okumura-Hata es un modelo basado en una amplia campaña de medidas en escenarios urbanos, compuesto por una serie de curvas [ 34 ] y sus correspondientes expresiones matemáticas [19]. Las curvas normalizadas de Okumura corresponden a valores de la intensidad de campo, para diferentes alturas efectivas de antenas de transmisión en bandas de frecuencia de 50 MHz, 450 MHz y 900 MHz, para una Potencia Radiada Aparente (PRA) de 1 KW y una altura de antena en recepción de 1.5 m. Hata, posteriormente, elaboró una serie de expresiones basadas en las curvas de Okumura para estimar las pérdidas de propagación. Este esfuerzo buscaba ofrecer variantes del modelo que se ajustaran a diferentes condiciones de escenario, con el objetivo de simplificar la predicción de propagación. Las fórmulas básicas de pérdidas de propagación de Hata según el tipo de escenario se muestran a continuación: Universidad de Valladolid 2.3 Modelos de propagación teóricos 31 2.3.5.1 Zona urbana Si el receptor se encuentra en en una zona urbana, las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas, Lb,urbano, son las siguientes: Lb,urbano =69,55 +26,26log10(f)−13,82log10(ht) −a(hr) + [44,9 −6,55log10(ht)]log10(d) b (2.12) donde: d: Distancia expresada en km entre el transmisor y el receptor; ht,hr: Alturas medidas en metros de las antenas de transmisión y recepción, respectivamente, con respecto a la altura promedio del escenario; f: Frecuencia de operación en MHz; b: Parámetro adimensional que se calcula mediante la Ecuación 2.13 e incluye el efecto de curvatura de la tierra en el modelo para aquellas distancias mayores a 20 km; a(hr): Factor de corrección por altura de la antena de recepción descrito mediante las siguientes Ecuaciones 2.14 y 2.15 según el tipo de ciudad. Donde el parámetro bes igual a: b=     1d≤20 1+(0,14 +0,000187f+0,00107h′ t) [log10(0,05d)]0,8 d > 20 (2.13) con h′ t=htq1+0,000007h2 t; y siendo a(hr), dependiendo del tipo de ciudad: •Para ciudades pequeñas o medianas: a(hr) = (1,1 log10(f)−0,7)hr−(1,56 log10(f)−0,8)(2.14) •Para ciudades grandes: a(hr) =      8,29 [log10(1,54hr)]2−1,10 si f≤300 3,2 [log10(11,75hr)]2−4,97 si f > 300 (2.15) Universidad de Valladolid 32 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia 2.3.5.2 Zona suburbana Si el receptor se encuentra en una zona suburbana, caracterizada por edificaciones de baja altura y calles relativamente anchas, las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas, Lb,suburbano se expresan como: Lb,suburbano =Lb,urbano −2"log10 f 28!#2 −5,4 (2.16) 2.3.5.3 Zona rural Si el receptor se encuentra en una zona rural, abierta, y sin obstrucciones en su entorno inmediato, las pérdidas de propagación en unidades logarítmicas, Lb,rural, son: Lb,rural =Lb,urbano −4,78log10(f)2+18,33log10(f)−K(2.17) donde K puede tomar valores desde 35.94 a 40.94 dependiendo del tipo de escenario, siendo dichos extremos campo y desierto, respectivamente. Los rangos de valores para los cuales el modelo de Okumura-Hata es aplicable son: 150 ≤f≤1500 1 ≤d≤100 30 ≤ht≤100 1 ≤hr≤10 En la actualidad, Okumura-Hata es uno de los modelos más usados por su sencillez, razonable precisión y versatilidad. Sin embargo, se debe tener en cuenta que, dado que las medidas se tomaron en Tokio, la correlación entre las medidas reales y la predicción es muy dependiente de la similitud con el escenario de dicha ciudad. La selección de un modelo de pérdidas de propagación adecuado puede tener un alto impacto en el estudio de la propagación y la interferencia, hasta el punto de confundir un escenario con interferencia perjudicial en uno sin interferencia significativa y viceversa. Todo estudio de interferencia requiere que se utilicen varios modelos de propagación además de una posterior interpretación de resultados. Por esa razón, los modelos explicados anteriormente serán considerados para realizar comparativas teóricoprácticas junto con datos adquiridos de forma experimental en el Departamento del Cauca, Colombia. Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 33 2.4 Modelos de propagación experimentales Continuando el análisis de las pérdidas de propagación, surge la interrogante sobre qué modelo es más adecuado para evaluar una zona específica con el fin de implementar mejoras efectivas. En ocasiones, las aproximaciones matemáticas derivadas de los métodos teóricos expuestos en la sección 2.3 pueden no resultar efectivas para optimizar el uso del espectro en una determinada región. Por este motivo, este proyecto incluye una segunda fase de ejecución puramente práctica, en la cual se busca obtener una representación más precisa del terreno colombiano de estudio. El objetivo es desarrollar un modelo de propagación aplicable tanto a métodos analíticos como numéricos, que ofrezca recomendaciones de distancia-portadora para optimizar el uso del espectro de frecuencias. Para llevar a cabo un análisis experimental de las pérdidas de propagación, es necesario realizar una fase de adquisición de datos que permita construir una base de datos suficiente para obtener la tendencia de las pérdidas de propagación encontradas para poder extraer conclusiones sobre la ejecución de los métodos analíticos y numéricos, y comparar los resultados empleando tanto los modelos de propagación teóricos como los prácticos. El balance de enlace a partir del cual se derivan las pérdidas de propagación se incluye a continuación: Lprop =Pt+Gt+Gr−Lt−Lr−Pr(2.18) donde todos los términos son parámetros conocidos una vez realizada la adquisición de los datos con los equipos apropiados: Lprop: Pérdidas de propagación generalmente expresadas dB; Pt: Potencia de transmisión medida en dBm; Gt,Gr: Ganancias de las antenas de transmisión y recepción, respectivamente; Lt,Lr: Pérdidas de transmisión y recepción, respectivamente, medidas en dB. Incluye pérdidas por cableado, conectores, atenuación y obstaculización de la señal, entre otros factores; Pr: Potencia de la señal recibida (Received Signal Strength, RSS) expresada en dBm; Este último parámetro, Pr, se obtiene a partir de pruebas de campo. Universidad de Valladolid 34 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Así pues, dentro del marco del proyecto, se describen las pautas a seguir para realizar las pruebas de campo que darán lugar a los modelos de pérdidas de propagación necesarios para analizar la interferencia co-canal en el territorio colombiano de estudio. 2.4.1 Adquisición de los datos En un estudio de interferencia en una región específica, los niveles de señal, determinados por la geografía y la topología de la red, son fundamentales para definir modelos de propagación efectivos. En ausencia de datos adecuados, es conveniente realizar mediciones en campo para recopilar información uniforme y útil que incluya la RSS en dBm, así como detalles sobre la ubicación, el entorno y la distancia a las estaciones repetidoras. Una serie de criterios apropiados para definir una nueva base de datos formada por valores RSS de señales de radiofrecuencia se exponen a continuación: 1. Financiación: Es necesario contar con un importe económico que permita conformar la nueva base de datos en su totalidad cubriendo todos los gastos asociados sin consumir los recursos -ya sean monetarios o temporalesdel resto del proyecto. 2. Topología de la red: Diseñar una red de comunicación que satisfaga las necesidades del estudio ajustándose a la capacidad económica. 3. Equipamiento adecuado: Una correcta elección de los equipos y antenas que conforman la red es de vital importancia para obtener información aprovechable. En caso de ser necesario un medio de transporte o material de protección para los trabajadores, deberá también adquirirse. 4. Planificación de rutas: Establecer rutas que permitan caracterizar de la forma más realista posible el patrón de radiación obtenido con la antena de estudio. 5. Software de gestión y monitoreo: Utilizar herramientas software adecuadas que permitan registrar información con precisión y rapidez facilitará el proceso de adquisición de datos. 6. Uniformidad de los datos: Realizar mediciones de potencia en un intervalo de tiempo o distancia fijos. Es aconsejable establecer un criterio fijo en la fase previa a las pruebas de campo para asegurar dicha estabilidad de medición. Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 35 7. Personal de trabajo: Contar con personal capacitado, tanto en campo como verificando que la información se registra adecuadamente y bajo los estándares establecidos con anterioridad. 8. Organización del tiempo: Establecer marcos temporales y un plan de pruebas permitirá que el proyecto cumpla con sus objetivos en el tiempo estipulado. Teniendo en cuenta todos estos aspectos, el siguiente paso una vez conformada una buena base de datos será extraer los modelos de propagación necesarios para aplicar los métodos analíticos y numéricos y realizar un análisis de interferencia y propagación. Para poder obtener las pérdidas de propagación que permitan modelar los datos, se requiere contar con el valor de potencia recibida en dBm para cada medición y la localización precisa de dicho punto. Con estos dos factores y conociendo las coordenadas de la estación repetidora con la que se ha establecido la comunicación, puede definirse el perfil del terreno necesario para clasificar correctamente los puntos según las condiciones de propagación en las que se encuentren, obteniendo también parámetros tan importantes como la distancia entre transmisor y receptor, los obstáculos presentes en la comunicación así como el nivel de obstrucción de estos y las pérdidas por difracción. 2.4.2 Análisis de los datos: Obtención de pérdidas Una de las preguntas más importantes sobre la interferencia es, a menudo, ¿qué ubicaciones podrían verse afectadas? En la mayoría de los casos, esto implica analizar la propagación de las señales radio a lo largo de una línea o en un área alrededor de las estaciones de transmisión mediante el uso de herramientas de estimación de cobertura, las cuales permiten a los operadores y entes de regulación dimensionar la complejidad de las soluciones de radio móvil o analizar la compatibilidad electromagnética entre las emisiones que comparten el espectro radioeléctrico. 2.4.2.1 Sistema de Información Geográfico A menudo, las herramientas de estimación de cobertura son utilizadas por grandes empresas de telecomunicaciones, que emplean modelos de pérdidas de propagación adaptados a escenarios específicos. Algunas de estas herramientas son costosas, de caracter privativo y no pueden modificarse fácilmente para adaptarse a las características de propagación en los diferentes tipos de escenarios colombianos. Universidad de Valladolid 36 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia En este contexto, han surgido alternativas en forma de Sistemas de Información Geográfica (GIS) de código abierto, que permiten al usuario utilizar datos del terreno para calcular, predecir y visualizar aspectos como la cobertura radioeléctrica. Un GIS libre y de código abierto permite: •Representar la ubicación geográfica de las estaciones base o repetidoras; • Proporcionar la información suficiente para modelar el escenario en el que se produce la propagación de la señal (orografía del terreno, edificios, vegetación, etc.); •Visualizar los resultados de cobertura. 2.4.2.2 Perfil del terreno para cada punto Como aventurábamos previamente, un GIS calcula la potencia recibida utilizando los diferentes modelos de pérdidas de propagación a los cuales se ha agregado el principio de curvatura de la tierra, el principio de refracción en la atmósfera y el principio de difracción debido a obstáculos presentes a lo largo de la trayectoria. Para realizar estos cálculos de pérdidas asociadas a la comunicación, es imprescindible analizar el perfil del terreno entre el transmisor y el receptor, ya que de ello depende el valor de las pérdidas. Por tanto, es requierido proporcionarle al GIS sus emplazamientos con rigurosa exactitud, así como trabajar sobre un mapa preciso del terreno de estudio. Se identifican tres aspectos esenciales: la distancia entre estaciones y dispositivos, obstáculos presentes en la comunicación que atenúan la señal, y las pérdidas por difracción alrededor de obstáculos que determinan las condiciones del enlace. 2.4.2.3 Distancia La distancia se refiere a la separación en unidades espaciales que existe entre dos puntos -en este caso, transmisor y receptortrazando una línea recta entre ellos. Las señales de radio, inicialmente, se propagan en línea recta, pero pueden ser desviadas por la refracción atmosférica resultando en una curvatura del haz expresado mediante el factor K o índice troposférico. Para incorporar este fenómeno en el análisis del perfil del terreno, se multiplica K por el radio terrestre, generando una curvatura relativa que se puede visualizar comparando la tierra plana con el haz curvo. Usualmente, se considera K=4/3para condiciones atmosféricas normales. Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 43 •Pérdidas por difracción con dos obstáculos Siendo el primer obstáculo denotado con subíndice 1 y el segundo con subíndice 2, distinguimos cuatro casos distintos dependiendo de si los obstáculos interfieren o no con el rayo directo entre transmisor y receptor como muestra la Figura 2.14. En caso de bloqueo, el valor de despejamiento hserá positivo. Figura 2.14: Método de cálculo de pérdidas por difracción para dos obstáculos en función del despejamiento A continuación, se detallan los métodos adecuados para calcular las pérdidas por difracción en un escenario con dos obstáculos, diferenciando cada caso según la geometría de dichos obstáculos: h1<0,h2<0|h1>0,h2<0|h1<0,h2>0 1. Método EMP Este método se utiliza cuando el rayo directo no corta a ningún obstáculo pero existe despejamiento insuficiente en ambos ( − 0 , 7 ≤v≤ 0), o bien cuando uno de los obstáculos predomina sobre otro bloqueando la línea de vista directa, es decir, cuando uno de los obstáculos tiene despeje h positivo y el otro negativo. Un ejemplo de este primer escenario se muestra en la Figura 2.15. Universidad de Valladolid 44 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Figura 2.15: Geometría de dos obstáculos aislados con despeje negativo [36] La suma de las pérdidas por difracción individuales constituye el total de pérdidas por difracción, LdiffEMP , del radioenlace. Los dos obstáculos se modelan de forma independiente como obstáculos aislados. LdiffEMP =Ldiff1+Ldiff2(2.29) siendo Ldiff1 y Ldiff2 las pérdidas por difracción expresadas en dB de cada uno de los obstáculos calculadas mediante 2.28 teniendo en cuenta que hes el despejamiento: altura entre obstáculo y rayo directo. h1>0,h2>0 Los dos obstáculos cortan el rayo directo. En este caso, se añade un factor de corrección que completa las pérdidas a pesar de seguir modelando los obstáculos como aislados/filo de cuchillo con h igual al despejamiento con el rayo directo o bien sobre el subtrayecto, dependiendo de la geometría de los obstáculos, como mostraba la Figura 2.14 en color morado. 1. Método de Epstein-Peterson con corrección basada en Millington Se aplica este método cuando el rayo corta los dos obstáculos y éstos tienen alturas similares. En vez de trabajar sobre el despejamiento h se trabaja sobre h′ referido a la altura del obstáculo sobre el subtrayecto formado con el obstáculo adyacente. Se ilustra la geometría de los obstáculos requerida para utilizar la metodología de Epstein-Peterson en la Figura 2.16. Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 45 Figura 2.16: Geometría de dos obstáculos aislados comparables con despeje positivo [47] Las pérdidas por difracción totales del método de Epstein-Peterson, LdiffEP , serán: LdiffEP =L′ diff1+L′ diff2(2.30) siendo L′ diff1 y L′ diff2 las pérdidas por difracción expresadas en dB de cada uno de los obstáculos calculadas mediante 2.28 teniendo en cuenta que h es ahora la altura del obstáculo sobre el subtrayecto denotada por h′. Millington demostró que el método de Epstein-Peterson de la Ecuación 2.30 está sujeto a errores de ±3 dB. Millington propuso un factor de corrección, LcMillington , que puede utilizarse con estos trayectos para mejorar la exactitud [39]. Este término de corrección aditivo se calcula como: LcMillington =10log[(a+b)(b+c) b(a+b+c)](2.31) siendo LcMillington el factor de corrección expresado en dB y a , b y c las distancias resultantes causadas por el bloqueo de los obstáculos siguiendo la notación de la Figura 2.16. Las pérdidas por difracción totales del método de Epstein-Peterson añadiendo esta corrección, L′ diffEP , serán, por tanto: LdiffEP =L′ diff1+L′ diff2+LcMillington (2.32) Cabe destacar que, aunque el método de Epstein-Peterson es adecuado para cualquier número de aristas, esta corrección no es recomendable para trayectos con tres o más aristas [ 39 ]. Además, solo es válido si tanto L′ diff1 como L′ diff2 son mayores a 15 dB [47]. Universidad de Valladolid 46 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia El método de Epstein-Peterson modela las pérdidas de cada obstáculo considerando los subtrayectos, por lo que, en el cálculo de Ldiffn para cada elemento (siendo n el subíndice asociado al obstáculo), se utiliza la altura del obstáculo en función del subtrayecto en vez de emplear el rayo directo como referencia. La notación para este despejamiento alternativo es h′. 2. Método de la Rec. 526 ITU-R Se utiliza esta metodología cuando existe un obstáculo claramente dominante con despejamiento positivo v > 0. El método consiste en aplicar sucesivamente la teoría de la difracción en una arista en filo de cuchillo a los dos obstáculos. En primer lugar, la mayor relación h/r determina el obstáculo principal, M , donde h es la altura de la arista medida desde el trayecto directo T R como muestra la Figura 2.17. Figura 2.17: Geometría de dos obstáculos aislados con despeje positivo predominando un obstáculo [47] Seguidamente se utiliza h′ 2 que es la altura del obstáculo no dominante sobre el subtrayecto MR , para calcular las pérdidas causadas por este obstáculo secundario. Se debe restar un factor de corrección LcITU , para tener en cuenta la separación entre las dos aristas así como su altura. El factor de corrección expresado en dB para un obstáculo dominante, LcITU , puede calcularse mediante la siguiente ecuación: LcITU ="12 −20log10 2 1−α π!#v2 v12v1(2.33) Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 47 siendo α=arctan sb·(a+b+c) a·c (2.34) Para el código de la herramienta de cobertura, se considera que existe un obstáculo dominante si |v2−v1|>0,5 Finalmente, las pérdidas por difracción totales del método propuesto por la ITU, LdiffITU , teniendo en cuenta el factor LcITU son: LdiffITU =Ldiff1+L′ diff2−LcITU (2.35) calculando Ldiff1 con la altura total del obstáculo principal, h1 , y L′ diff2 con h 2 ′ siendo la diferencia de altura del segundo obstáculo secundario desde su punto máximo hasta el subtrayecto MR. •Pérdidas por difracción con tres o más obstáculos El método de Deygout es apropiado para modelar las pérdidas por difracción con tres o más obstáculos debido a su capacidad para considerar la interacción entre ellos y sus efectos acumulativos en las pérdidas por difracción. El método de Deygout opera mediante el cálculo individual de las pérdidas para cada arista sin considerar la presencia de las demás e independientemente del signo de h . La arista que produce la mayor pérdida se identifica como la arista principal. Posteriormente, esta arista principal se trata como un terminal y los subtrayectos a cada lado se analizan de manera similar. Este proceso continúa hasta que se han considerado todas las aristas, y la pérdida total del trayecto se obtiene como la suma de las pérdidas individuales de todas las aristas (en dB) [39]. Un ejemplo de la geometría del enlace se adjunta en la Figura 2.18. Universidad de Valladolid 48 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Figura 2.18: Geometría de los obstáculos en el método de Deygout El método de Deygout tiende a sobrestimar las pérdidas en trayectos con múltiples aristas. Por lo tanto, se pueden aplicar factores de corrección para mejorar su precisión, como el de Causebrook (máximo tres aristas) o el de López, proporcionando resultados más precisos en ciertos escenarios [39]. Las pérdidas por difracción estimadas por el método de Deygout, LdiffDeygout , son: LdiffDeygout =LDifp+T·(LDift+LDifr+C)(2.36) donde: LdiffDeygout : Pérdida total de difracción en el trayecto; LDifp: Pérdida de difracción asociada con el obstáculo principal; T: Factor de corrección para mejorar la precisión del cálculo; T=1−e− LDifp 6,0 (2.37) LDift: Pérdida de difracción adicional en el subtrayecto desde la fuente hasta el punto máximo; LDifr: Pérdida de difracción adicional en el subtrayecto desde el punto máximo hasta el receptor; C: Parámetro adicional para mejorar la precisión del cálculo. C=10 +0,04 dT xRx 1000 !(2.38) Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 49 Una vez descritos todos los métodos utilizados en la obtención de las pérdidas por difracción, como se resume de manera esquemática en la Tabla 2.2, el siguiente paso es analizar los perfiles del terreno para realizar una clasificación dependiendo de si la potencia recibida se registró en condiciones de LOS o NLOS. Tabla 2.2: Resumen de pérdidas por difracción Obstáculos Condición Método h Ldiff Restricción 1 - - h1Ldiff(v)[2.28] - h1<0,h2<0 2h1>0,h2<0EMP h1,h2Ldiff-nEMP [2.29] −0,7 ≤vn≤0 h1<0,h2>0 2h1>0,h2>0EP* h′ 1,h′ 2L′ diff-nEP [2.31] L′ diff-nEP ≤15 dB h1>0,h2>0ITU h1,h′ 2Ldiff-nITU (′)[2.35] |v2−v1|>0,5 3 o más - Deygout hnLdiff-nDeygout [2.36] - *EP: Método de Epstein-Peterson. siendo el subíndice nel identificador del obstáculo. Posteriormente, el paso final es determinar las pérdidas de propagación derivadas de la comunicación, cerrando así el círculo que se inició en la explicación de la sección 2.3. 2.4.2.6 Condiciones de LOS y NLOS ¿Por qué es importante todo el proceso descrito, empleando una herramienta de visualización de perfiles de terreno radioeléctrico y hallando distancias, obstaculización y pérdidas por difracción, cuando se pueden obtener matemáticamente las pérdidas de propagación a partir de la Ecuación 2.18 teniendo en cuenta las altitudes en función del terreno, ¿Por qué no es posible simplificar este proceso? La respuesta reside en la dependencia de las pérdidas de propagación con el escenario y las condiciones de propagación, por lo que realizar una clasificación en LOS y NLOS es crucial para la validez de los futuros modelos. Esta clasificación depende de la distancia, los obstáculos y las pérdidas por difracción, previamente descritos en esta sección. Universidad de Valladolid 50 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia En condiciones de LOS, la señal se propaga principalmente a través de una trayectoria directa sin obstrucciones significativas, mientras que en condiciones de NLOS, la señal puede experimentar reflexiones y bloqueos debido a obstáculos presentes en el entorno, lo que provoca un deterioro de la señal recibida. Para determinar si un radio móvil está en condiciones de LOS o NLOS con la estación repetidora, se emplea la altura de despeje ( h(x) ) de los obstáculos interceptados, donde h > 0indica bloqueo del rayo directo entre transmisor y receptor (despeje positivo), mientras que h≤0indica que el rayo pasa por encima del obstáculo (despeje negativo) pero no garantiza ausencia total de obstrucción. Por lo tanto, se requiere un análisis adicional de otros factores para clasificar los puntos con precisión en LOS o NLOS. Tras un estudio basado en la simulación, observación y análisis de múltiples perfiles de terreno, el equipo de trabajo de este proyecto establece el siguiente criterio de clasificación para diferenciar las condiciones de LOS y NLOS a partir de la altura de despeje de los obstáculos en el perfil del terreno y de las pérdidas por difracción. Se considera que: • El radio móvil se encuentra en condiciones de NLOS con la estación repetidora cuando la altura de despeje, h , sobre al menos uno de los obstáculos presentes en el perfil del terreno, es igual o mayor a cero. •El punto de medición está en condiciones de LOS cuando: 1. El valor h(x) de los tres obstáculos más significativos 5 presentes en el radioenlace debe ser negativo; 2. Las obstrucciones no bloquean más del 70 % de la primera zona de Fresnel; 3. Las pérdidas por difracción no superan los 10 dB. Un ejemplo de la aplicación del criterio establecido se presenta en la Figura 2.19, donde se observan diferentes obstáculos con despejamiento positivo por lo que, según el criterio establecido, el punto de medición se clasifica como NLOS. 5Obstáculos que interceptan la primera zona de Fresnel e incrementan las pérdidas por difracción. Universidad de Valladolid 2.4 Modelos de propagación experimentales 51 Figura 2.19: Clasificación de obstáculos según el criterio de clasificación LOS-NLOS Por otra parte, en la Figura 2.20 se observan varios obstáculos, todos ellos con despejamiento negativo y sin alcanzar a bloquear el 70% de la zona Fresnel. Si se cumple que las pérdidas por difracción calculadas para estos obstáculos son menores a 10 dB el punto de medición se clasifica como LOS con respecto a la estación repetidora. Figura 2.20: Clasificación de obstáculos en LOS según el criterio de clasificación Una vez establecido el criterio de clasificación en LOS o NLOS y calculadas las pérdidas de propagación para cada uno de estos dos casos, se procede a obtener la tendencia de estas pérdidas. Como resultado, obtenemos dos ecuaciones distintas, dependiendo de las condiciones de visión del terreno en las que se han categorizado los puntos. 2.4.3 Modelado de las pérdidas: Modelos de propagación En continuidad con la línea de abordaje del estudio, se presenta un enfoque sistemático para desarrollar un modelo de pérdidas a partir de los datos experimentales y pérdidas de propagación calculadas. Este enfoque se fundamenta en el uso de técnicas de regresión con la finalidad de identificar la curva óptima que se ajuste a los datos proporcionados. La regresión es una herramienta estadística fundamental que permite investigar y modelar la relación entre variables. En este contexto, se consideran distintos tipos de regresión, tales como la regresión lineal, la regresión polinomial y la regresión logarítmica, con el fin de ajustar de manera precisa la tendencia de las pérdidas en función de la distancia. Los tipos de regresión considerados se exponen a continuación: Universidad de Valladolid 52 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Regresión Lineal: Lprop =α+βd Regresión Polinómica: Lprop =α+β1d+β2d2 Regresión Logarítmica: Lprop =α+β·10log10(d) Se observa una dependencia tanto en α como en β para todos los tipos de regresión considerados, donde α representa un término independiente constante que influye significativamente en los valores iniciales, mientras que β está relacionada con la distancia y representa el crecimiento de las pérdidas, actuando como el exponente de propagación. En el caso de la regresión polinómica, se limita la búsqueda de coeficientes a valores crecientes de β para modelar las pérdidas de propagación. Sin embargo, aunque esta técnica puede ajustar favorablemente las pérdidas, la expresión de la curva no produce resultados significativos o comparables a otros modelos teóricos, con una única dependencia con la distancia. Por esta razón, esta regresión queda excluida del estudio. Finalmente, se opta por emplear exclusivamente la técnica de regresión logarítmica para determinar los coeficientes αyβasociados a las expresiones matemáticas que modelan las pérdidas de propagación. Este enfoque se seleccionó debido a su capacidad para facilitar comparaciones analíticas con los modelos teóricos de pérdidas de propagación. RMSE como criterio de elección Para evaluar la calidad de ajuste de los coeficientes obtenidos mediante las técnicas de regresión, se emplea el Root Mean Square Error (RMSE) como criterio principal. Esta métrica permite medir la discrepancia entre los valores predichos por el modelo y los valores observados en los datos experimentales. Por lo tanto, la elección de los coeficientes se basa en aquellos que resultan en un RMSE mínimo, asegurando así un modelo de regresión óptimo que se ajuste adecuadamente a los datos disponibles. El modelo de propagación práctico estimado será la expresión con mínimo RMSE que describa de manera adecuada las pérdidas de propagación para cada escenario. Universidad de Valladolid 2.6 Métodos numéricos 59 2.6.0.1 Método numérico de Monte Carlo El método numérico de Monte Carlo es una herramienta basada en algoritmos computacionales que aprovechan la aleatoriedad para abordar problemas complejos que resultan difíciles de resolver con enfoques determinísticos. Cada realización implica el uso de variables aleatorias como el nivel de interferencia, la intensidad de la señal deseada, la potencia de transmisión y la frecuencia del receptor, entre otros [17]. Este método se puede utilizar en el análisis de la mayoría de las situaciones de interferencia de RF, con una alta flexibilidad gracias a la forma en que se definen los parámetros del sistema, los cuales se pueden analizar considerando su función de distribución estadística. Analizando un número considerable de simulaciones de la red, es factible generar un histograma que ilustra la interferencia en el receptor víctima [4]. Este enfoque permite explorar diversas situaciones de interferencia y obtener una tendencia estadística que facilita la evaluación de la probabilidad de eventos específicos y la comprensión del comportamiento del sistema. Además, es posible derivar distribuciones de probabilidad para eventos como la relación señal-interferencia deseada del receptor o la potencia de transmisión de la fuente de interferencia. También se puede cuantificar el efecto de emisiones no deseadas y el bloqueo del receptor, que son análogos a los métodos MCL y E-MCL. En cada realización, se crea una representación instantánea del escenario, como ilustra el diagrama de flujo de la Figura 2.22 considerando de manera general los pasos del método numérico de Monte Carlo en una simulación. Universidad de Valladolid 60 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia Figura 2.22: Diagrama de flujo del método numérico de Monte Carlo [22] Se aplican las mismas consideraciones que para el método E-MCL, lo que garantiza una coherencia en el análisis de los datos. Universidad de Valladolid 2.6 Métodos numéricos 61 Además, para determinar la relación señal-interferencia (C/I) a la entrada del receptor, es imprescindible evaluar meticulosamente los niveles de señal deseada y no deseada en el receptor víctima de interferencia en cada instancia de la simulación. En situaciones donde hay múltiples transmisores móviles potenciales, pero solo algunos están activos simultáneamente y emiten señales no deseadas dentro del ancho de banda del receptor víctima de interferencia, se parte del supuesto de que la interferencia se origina principalmente a partir de emisiones no deseadas del transmisor más influyente, debido a sus bajas pérdidas de propagación en comparación con el receptor víctima. Para evaluar el método numérico de Monte Carlo, se utiliza SEAMCAT (Spectrum Engineering Advanced Monte Carlo Analysis Tool). Desarrollada por la Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones (CEPT) en colaboración con el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) y organismos científicos internacionales, SEAMCAT es una herramienta informática de código abierto que emplea el método numérico de Monte Carlo para evaluar interferencias potenciales entre sistemas de radiocomunicaciones. Con SEAMCAT, es posible modelar diversos escenarios de interferencia, incluyendo sistemas de radiodifusión, punto a punto, punto a multipunto, radar, redes móviles, redes aeronáuticas y satélites. Su objetivo es facilitar el estudio de la compatibilidad electromagnética y promover un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. En resumen, tanto los métodos analíticos como el numérico desempeñan un papel importante en el estudio de la interferencia dada su utilidad obteniendo resultados que relacionan la distancia con la frecuencia. Los enfoques analíticos proporcionan una comprensión profunda y teórica del fenómeno, mientras que los métodos numéricos permiten realizar simulaciones detalladas y evaluar escenarios complejos. Al integrar ambos enfoques, la comprensión y mitigación eficaz de la interferencia co-canal aumenta, allanando el camino para una transmisión de señales más eficiente y confiable en el territorio caucano. Tras completar la exposición de la metodología empleada para el análisis de la interferencia co-canal, se concluye con una descripción del impacto de los dos tipos de interferencia considerados, la interferencia co-canal y de canal adyacente, marcando así el cierre del estudio sobre interferencias y propagación. Universidad de Valladolid 62 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia 2.7 Interferencia co-canal La interferencia co-canal es causada por la presencia de señales deseadas e interferentes dentro del ancho de banda deseado en el amplificador de frecuencia intermedia (FI). El nivel de interferencia depende de las características de rechazo co-canal del receptor y de las características de emisión del transmisor interferente. De acuerdo con las normas y regulaciones para los sistemas de telecomunicaciones en Estados Unidos, más específicamente, en el Título 47, Capítulo I, subcapítulo D, Parte 90 (§90.355 [ 16 ]) del Código Federal de Regulaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones, se establece que para servicios CLMR 6 ) que operan en frecuencias por debajo de los 512 MHz y hacen uso de anchos de banda menores a 25 kHz, la mínima separación entre estaciones CLMR co-canal debe ser 120 km para un modo de operación de una sola frecuencia (simplex) o 56 km (35 millas) para un modo de operación a dos frecuencias (dúplex) [16]. Este hecho es respaldado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones, UIT o ITU, que establece que para el servicio LRM las estaciones co-canal deben estar separadas entre sí una distancia no menor a 120 km en el peor de los casos. Esta distancia puede variar considerando las características del escenario de implementación y las frecuencias de operación [ 41 ]. Dicho margen variable en función del entorno y las frecuencias empleadas, podría implicar una reducción en la distancia entre estaciones repetidoras. Este aspecto es de especial interés para el proyecto, ya que se enfoca en la optimización espectral: el objetivo primordial para la ANE. Pero... ¿Cómo obtener una relación distancia-frecuencia que evite la interferencia co-canal? Dado que realizar pruebas de interferencia variando el emplazamiento de las antenas transmisora y receptora conlleva a un coste económico y social inasumible e inviable, la respuesta a dicha incógnita reside en las matemáticas y la probabilidad: la aplicación de métodos analíticos y numéricos para simular distintos escenarios, teniendo en cuenta la gran relevancia de los parámeteos técnicos esenciales y los modelos de propagación expuestos a lo largo de este capítulo. 6 Medio de comunicación push-to-talk bidireccional que está disponible en 30-50 MHz (banda VHF baja), 150-172 MHz (banda VHF alta) y 450-470 (UHF) [30]. Universidad de Valladolid 2.8 Interferencia de canal adyacente 63 2.8 Interferencia de canal adyacente La interferencia de canal adyacente se produce cuando una señal interferente opera en un canal adyacente o cuando señales no deseadas de un transmisor interfieren con la recepción. Estas señales pueden ser generadas fuera de la banda de interés o transmitidas por el propio transmisor interferente, lo que resulta en ruido que se superpone a la banda de recepción del receptor afectado. Las señales no deseadas están conformadas por emisiones fuera de banda, es decir, componentes en frecuencia fuera del ancho de banda, así como espurias. Los efectos de la interferencia de canal adyacente son el resultado de la interacción entre las señales deseadas, la interferencia y las características del receptor para varias frecuencias y separaciones, por lo que dichos efectos pueden expresarse en términos de frecuencia-distancia. Si tomamos un valor fijo de potencia de interferencia máxima aceptable en un receptor, IM , la siguiente desigualdad delimita el área de funcionamiento aceptable del receptor. L(d) + F DR >=Pt+Gt+Gr−IM(2.44) donde FDR es el factor de rechazo dependiente de la frecuencia 7 y L(d) se refiere a las pérdidas de propagación del enlace medidas en dB en función de la distancia entre transmisor interferente y receptor víctima de interferencia. Dicha ecuación relaciona la operabilidad del sistema con la relación frecuencia-distancia. La distorsión de intermodulación surge de la interacción entre dos o más señales dentro de un dispositivo no lineal, generando señales no deseadas en su salida. Estos productos de intermodulación se originan cuando las señales interactúan en canales adyacentes, a diferencia de la interferencia co-canal de intermodulación, donde el fenómeno se debe a las no linealidades de componentes activos o pasivos operando en el mismo canal. Considerando que a la entrada del dispositivo no lineal se tienen dos señales RF f1 y f2 , a la salida se producirán productos de intermodulación a frecuencias suma y diferencia de múltiplos de las frecuencias originales, es decir [48]: fIM =±mf1±nf2(2.45) 7 Es una medida de rechazo medida en dB producida por la curva de selectividad de un receptor sobre una transmisión no deseada. Universidad de Valladolid 64 Capítulo 2 Marco teórico - Parámetros técnicos esenciales y análisis de interferencia donde m y n son números naturales. El orden de la distorsión no lineal queda determinado por la suma de m y n , haciendo que los productos de intermodulación de tercer orden del tipo 2 f1 - f2 y2 f2 - f1 sean los más perjudiciales, ya que operan muy cerca de las señales de interés, con potencia elevada y de filtrado difícil. En general, conforme aumenta el orden de la distorsión, el nivel de los productos de intermodulación a la salida del dispositivo disminuye. Es por ello por lo que los productos de intermodulación de tercer orden deben ser tenidos en cuenta en el análisis de interferencia de canal adyacente. 2.8.1 Metodología de evaluación de la interferencia de canal adyacente Para las pruebas de interferencia de canal adyacente, se deben utilizar varias repetidoras dispuestos en la misma ubicación geográfica o emplazamiento, cada uno de ellos separado en frecuencia en un número determinado de canales. Específicamente, utilizando tres repetidoras, la configuración adecuada de los canales para estudiar el impacto de la interferencia de canal adyacente se muestra en la Figura 2.23. Figura 2.23: Separación en frecuencia de los distintos canales en el estudio de la interferencia de canal adyacente Con base en esta configuración, es posible realizar pruebas entre dos sistemas que operan en dos canales contiguos (N, N+1), dos sistemas que operan con un canal de separación entre ellos (N+1, N+3) y dos sistemas que operan con dos canales de separación (N, N+3), con el objetivo de determinar de manera experimental qué tan separados en frecuencia deben estar dos sistemas CLMR para que puedan operar libremente sin interferencias mutuas. Universidad de Valladolid CAP´ ITULO 3 Preparación - Equipamiento y relación de protección 3.1 Equiposutilizados............................... 66 3.1.1 EquiposVHF............................. 67 3.1.2 EquiposUHF............................. 67 3.2 Programación de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3 Validación de equipos y obtención de parámetros . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.1 Sensibilidad.............................. 70 3.3.1.1 Sensibilidad VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.1.2 Sensibilidad UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3.2 Potencia de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2.1 Potencia de transmisión VHF . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.3 Relación de rechazo de canal adyacente . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.3.1 Relación de rechazo de canal adyacente VHF . . . . . . 73 3.4 Relación de protección de radiofrecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4.1 RFPRradiadaVHF ......................... 74 3.4.2 RFPR conducida en VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.3 RFPR conducida en UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5 Conclusiones.................................. 77 66 Capítulo 3 Preparación - Equipamiento y relación de protección Este capítulo se centra en la fase inicial de preparación de las pruebas de campo, un paso importante en el proceso de estudio que involucra la verificación y extracción de parámetros esenciales -los cuales servirán como referencia y guía, asegurando coherencia y consistencia en la recopilación de datos a lo largo del proyectoutilizando los equipos VHF y UHF adquiridos. Durante esta etapa, se establecen las bases necesarias para garantizar la precisión y fiabilidad de los equipos, llevando a cabo una serie de comprobaciones, ajustes y programaciones para asegurar una configuración correcta durante las pruebas. 3.1 Equipos utilizados En el marco del proyecto se trabaja con un sistema capaz de transmitir tanto en analógico como en digital empleando el estándar DMR 1 . A continuación, se presentan las definiciones asociadas a los equipos empleados. Radio móvil → Radiotransmisor DMR. Produce, envía y recibe ondas portadoras de señales y es capaz de trabajar tanto en analógico como en digital. Estación repetidora → Aparato electrónico que permite retransmitir señales en las mismas o diferentes frecuencias en tiempo real. Radio portátil → Radio Digital DMR. Transmisor y receptor portátil de radio que sirve para comunicaciones de corta distancia operando tanto en canales digitales como analógicos. Se utilizaron dos radiocanales 2 de comunicación digital formando un sistema FDMA/TDMA, 4FSK, half-duplex con un BW igual a 12.5 kHz de cada canal en cada sentido de la comunicación (un ancho de banda de 12.5 kHz se divide en dos intervalos de tiempo o slots logrando una eficiencia espectral equivalente a 6.25 kHz por canal), siendo cada radiocanal asignado a un repetidor específico [21]. Todas las antenas de los radios móviles y estaciones repetidoras son omnidireccionales. 1 DMR son las siglas de Radio Móvil Digital, y es un estándar internacional especialmente definido para radios de dos vías que operan en la banda VHF y UHF. 2 Un radiocanal corresponde a la pareja de canales en frecuencia que se utilizan para la comunicación móvil-repetidor y viceversa [21]. Universidad de Valladolid 3.1 Equipos utilizados 67 3.1.1 Equipos VHF Entre los equipos de comunicación proporcionados por el PRST se encuentran equipos radio móviles, repetidores y radio portátiles operando en la banda de VHF, algunos de ellos de la marca Motorola, cuyas características principales se describen en la Tabla 3.1. Tabla 3.1: Equipos VHF [21] Tipo de equipo Características Cables Antenas Referencia PtSensibilidad* Referencia Pérdidas** Referencia Ganancia Radio móvil DGM 4100+ 25 W -119.3 dBm Belden RG58 0.25 dB MAXRAD 5800 5/8 3 dBi DGM 8000 -120.1 dBm 0.17 dB Estación repetidora SLR5100 25 W -120.1 dBm Belden RG58 1.05 dB Hustler G7-150-2 7 dBi Belden RG58 0.95 dB Andrew 4 Dipolos 8.1 dBi Heliax Flex 1/2 0.76 dB Andrew 4 Dipolos 8.1 dBi Duplexor - + 0.8 dB Radio portátil DGP 8550e 5 W -120 dBm - PMAD4118 1 dBi * Sensibilidad medida a 12.5 kHz. ** Las pérdidas varían en función de los metros de cable del equipo y emplazamiento. 3.1.2 Equipos UHF Para la banda UHF los equipos adquiridos son de la marca Hytera, con características de funcionamiento similares a los en la banda VHF, como muestra la Tabla 3.2. Tabla 3.2: Equipos UHF [21] Tipo de equipo Características Cables Antenas Referencia PtSensibilidad* Referencia Pérdidas** Referencia Ganancia Radio móvil HM786 G 25 W -121.88 dBm Belden RG58 0.2 dB TXAM43050 5 dBi MD786 G -120.14 dBm Estación repetidora Amphenol TWB-4001 2.66 dB Hustler G7-150-2 7 dBi RD 986 25 W -120.14 dBm Belden RG58 0.95 dB Comet GP-3 8.1 dBi Heliax Flex 1/2 0.76 dB Andrew 4 Dipolos 6.5 dBi Duplexor Sinclair Q3220-E + 0.8 dB Radio portátil PD 686 G 5 W -120.14 dBm - AN0485H05 2.15 dBi PD 786 G 5 W -117.45 dBm - AN0460H12 2.15 dBi * Sensibilidad medida a 12.5 kHz. ** Las pérdidas varían en función de los metros de cable del equipo y emplazamiento. Universidad de Valladolid 68 Capítulo 3 Preparación - Equipamiento y relación de protección 3.2 Programación de equipos La programación de los equipos DMR involucra aspectos muy interesantes que permiten mejorar el rendimiento, la cobertura y la calidad de las transmisiones, ampliando el alcance y facilitando la prevención de colisiones gracias a la tecnología digital. Lamentablemente, en la banda VHF no tuvimos acceso a la programación de los equipos, ya que el encargado de este proceso fue el PRST local. Por el contrario, en la banda UHF se contrató únicamente el equipamiento electrónico e interfaces de programación, por lo que la configuración de los equipos quedó a entera disposición del grupo de trabajo. En las Figuras 3.1 y 3.2 se presenta un ejemplo de la programación de varios de estos equipos, empleando para su configuración el software Hytera CPS (Customer Programming Software) y las interfaces de programación apropiadas para cada aparato. (a) Interfaz y canales (b) Programación de un canal analógico Figura 3.1: Programación de un radio móvil HM786 en el software Hytera CPS Figura 3.2: Configuración del canal mixto en una estación repetidora RD986 Universidad de Valladolid 3.4 Relación de protección de radiofrecuencia 75 Una vez la señal de audiofrecuencia deseada dejó de ser distinguible, se registró la diferencia de potencia entre las dos señales de RF, dando lugar a la RFPR. En este contexto experimental, se estableció que la RFPR mínima debe ser de 10 dB para asegurar un funcionamiento óptimo del receptor radio móvil. RFPR radiada en UHF: Se omite esta verificación, optando únicamente por hallar la RFPR en UHF de forma conducida por su mayor fiabilidad. Se extrapola la comparativa radiada-conducida realizada en la banda VHF a la banda UHF. 3.4.2 RFPR conducida en VHF La prueba se realizó de manera conducida utilizando el radio DGM 4100+ de Motorola operando en modo analógico. En este caso, a diferencia de en la prueba de sensibilidad, el proveedor de los equipos VHF programó el radio móvil en los dos anchos de banda de estudio -12.5 kHz y 25 kHzdebido a la importancia de este parámetro a la hora de aplicar los métodos analíticos y numérico para el análisis de interferencia. La señal RF deseada fue generada mediante un equipo Rigol DSG 800, mientras que la señal RF no deseada fue generada por un equipo de referencia Hewlett Packard 8656B, al igual que en el caso radiado. Para la red de combinación, se utilizó un combinador de señales de RF modelo 2532 de Channel Plus. Inicialmente, los generadores se configuraron al mismo nivel de potencia (-51.4 dBm para VHF) y a la frecuencia de operación del receptor de radio móvil bajo prueba, cada uno modulado por un tono configurado al 60 % de la máxima desviación en frecuencia permitida, es decir, 1.5 kHz y 3 kHz para un BW de 12.5 kHz y 25 kHz, respectivamente. Para determinar el valor de RFPR se aplicaron dos criterios de medición: 1. Percepción auditiva o capacidad de escucha: En cuanto a la percepción auditiva, se utilizó un tono de audiofrecuencia de 1 kHz para la señal deseada y un tono de 400 Hz para la señal interferente, lo cual garantizó que durante la recepción cada generador produjera un sonido diferente, facilitando así la discriminación entre las dos señales. La potencia de la señal RF no deseada o interferente fue aumentando gradualmente hasta que predominó sobre la señal RF deseada, afectando negativamente su calidad en el receptor. Una vez la señal deseada dejó de ser perceptible, se registró la diferencia de potencia entre las dos señales de RF, permitiendo así el cálculo de la RFPR [21]. Universidad de Valladolid 76 Capítulo 3 Preparación - Equipamiento y relación de protección 2. Mediante la función squelch: Por su parte, el squelch cumple la función de mitigar el ruido de fondo en un receptor cuando no está recibiendo una señal deseada. En el contexto de esta medida, cuando las dos señales se combinan y están configuradas con características similares -como niveles de señal aproximados-, el radio se silencia. Por esta razón, ambas señales se configuran con el mismo tono de 1 kHz y se procedió a aumentar gradualmente el nivel de la señal interferente, hasta alcanzar un nivel en el cual el circuito squelch permite que la señal de audiofrecuencia puede ser escuchada. 3.4.3 RFPR conducida en UHF La medición de la RFPR conducida en la banda UHF sigue el mismo procedimiento descrito para la banda VHF, utilizando el radio móvil UHF HM 786G de Hytera y configurando los generadores a un mismo nivel de potencia igual a -47.7 dBm. En la Tabla 3.8 se presenta el resumen de las RFPR obtenida a nivel de laboratorio, sumando 1 dB a los resultados obtenidos como margen de seguridad para garantizar un mayor aislamiento de los sistemas CLMR ante interferencia [21]. Tabla 3.8: Valores de RFPR obtenidos experimentalmente para las bandas VHF y UHF Radio Banda Ancho de banda 12.5 kHz 25 kHz DGM 4100+ VHF 9 dB 7 dB HM 786G UHF 10 dB 6 dB Podemos observar que el valor de la RFPR en la banda VHF para un ancho de banda de 12.5 kHz es inferior a los 10 dB obtenidos mediante la prueba radiada. Esta diferencia se atribuye, principalmente, a la mayor fiabilidad de la prueba conducida en comparación con la radiada, lo que proporciona un resultado más preciso y menos conservador. Sin embargo, es importante destacar que el valor conducido considera un margen de seguridad de 1 dB, lo que resulta en una diferencia de medición de 2 dB. Este hecho subraya la importancia de llevar a cabo las pruebas de manera meticulosa, ya que cuanto menor sea este valor de relación de protección, más cercanas podrán estar las estaciones entre sí debido a la reducción de la dependencia entre la frecuencia y la distancia. Universidad de Valladolid 3.5 Conclusiones 77 3.5 Conclusiones Las pruebas de laboratorio se centraron en validar las especificaciones del fabricante de los equipos de radio móviles, con un enfoque particular en la sensibilidad. Estas pruebas aseguraron que los equipos tienen las capacidades de generar y recibir señales de manera efectiva, cumpliendo con los estándares establecidos por los organismos internacionales. Al centrarse en la sensibilidad, se garantiza la capacidad de los equipos de radio móviles para mantener una recepción confiable y de calidad, lo cual es fundamental para lograr una comunicación efectiva en diversos escenarios y condiciones [21]. La RFPR es un parámetro crítico en sistemas CLMR, ya que garantiza la integridad y claridad de la señal deseada en presencia de una señal interferente. En las pruebas realizadas, se incluyó primeramente la aproximación de RFPR radiada para la banda VHF con BW igual a 12.5 kHz, obteniendo un valor de 10 dB que, posteriormente, se complementó realizando las mediciones de forma conducida. La medida conducida realizada para la banda VHF ofreció valores de RFPR de 8 dB y 6 dB para sistemas CLMR analógicos con un ancho de banda de 12.5 kHz y 25 kHz, respectivamente. Asimismo, se llevaron a cabo mediciones conducidas en la banda de UHF considerando los mismos anchos de banda, obteniendo valores de 9 dB y 5 dB. Estos resultados indican que, si bien los sistemas demuestran una buena capacidad de protección, se ha decidido sumar posteriormente un margen adicional de 1 dB a esos valores para asegurar una protección adecuada (los valores finales tras añadir este margen de seguridad son los mostrados en la Tabla 3.8). De esta manera, al ofrecer un margen significativo pero preciso entre la señal deseada y la señal no deseada o interferente, se logra una comunicación confiable y efectiva, garantizando la calidad de la señal deseada y reduciendo la probabilidad de interferencia, garantizando la transmisión o recepción efectiva de la información [21]. Universidad de Valladolid CAP´ ITULO 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.1 Python: simplicidad y versatilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2 Adquisicióndedatos ............................. 81 4.2.1 Emplazamiento de las estaciones repetidoras, planificación de rutas ytiposdeescenario.......................... 82 4.2.2 Procedimiento de recolección de datos . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2.3 Correlación analógico-digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2.4 Comparación radio móvil-radio portátil . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.5 Adquisición de datos en VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.5.1 Topología de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.5.2 Software de gestión radio VHF . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.5.3 Preprocesado y cruce de datos . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.5.4 Promediado espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.6 Adquisición de datos en UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.6.1 Topología de la red UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.6.2 Software de gestión radio UHF . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.7 Glosarioderutas ........................... 97 4.2.7.1 Rutas finales realizadas en la banda VHF . . . . . . . . 97 4.2.7.2 Rutas finales realizadas en la banda UHF . . . . . . . . 104 80 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales . . . . . . . . . . . 107 4.3.1 Pérdidas de propagación reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.1.1 QGIS: Sistema de Información Geográfica . . . . . . . . 107 4.3.1.2 Separación de los datos según el tipo de escenario . . . . 108 4.3.1.3 Perfil del terreno: Distancia, obstaculización y pérdidas pordifracción........................110 4.3.1.4 Clasificación en LOS y NLOS . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.3.1.5 Pérdidas de propagación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.3.2 Modelos de propagación según el tipo de escenario . . . . . . . . . 114 4.3.2.1 Modelos de propagación en la banda VHF . . . . . . . . 116 4.3.2.2 Modelos de propagación en la banda UHF . . . . . . . . 117 4.3.2.3 Comparativa VHF-UHF de los modelos de propagación . 118 4.4 Conclusiones..................................120 Universidad de Valladolid 4.1 Python: simplicidad y versatilidad 81 Este capítulo aborda la ejecución de las pruebas de campo realizadas con los equipos descritos en las secciones 3.1.1 y 3.1.2 del capítulo anterior, que darán lugar a los modelos de propagación utilizados en la implementación de métodos analíticos y numéricos para el análisis de cobertura y la mejora del espectro en el Departamento del Cauca, así como en su extensión al Departamento del Valle del Cauca, ambos ubicados en Colombia. Este bloque es de vital importancia para el análisis de la interferencia, ya que comprende la creación de una nueva base de datos específica para el territorio caucano que dará lugar a modelos de propagación diferenciados según el escenario. 4.1 Python: simplicidad y versatilidad Se ha seleccionado Python como el lenguaje de programación principal para las tareas de análisis y tratamiento de datos presentes en el desarrollo de la fase de campo del proyecto tras una exhaustiva evaluación y comparación de distintos entornos y lenguajes disponibles. Esta elección se fundamenta en varias razones clave primando, en primer lugar, la capacidad de todos los miembros del equipo para utilizar Python. Además, el éxito y la popularidad de este lengujae han dado lugar a una gran cantidad de recursos y ayudas en línea disponibles en la actualidad, lo que constituye una ventaja significativa. Asimismo, la flexibilidad es un requisito fundamental para enfrentar los desafíos y contratiempos inherentes al desarrollo del proyecto, especialmente cuando se trabaja con plazos ajustados y planificación modular. Por ello, Python destaca por su capacidad para amoldarse a cambios inesperados y para afrontar diversos escenarios con eficacia. 4.2 Adquisición de datos Como se anticipó en el Capítulo 2, para obtener resultados efectivos y aplicables al entorno real, es necesario realizar un análisis detallado, exhaustivo y personalizado de la cobertura y propagación en la zona específica de estudio. Por lo tanto, como parte integral de este proceso de optimización del espectro, se lleva a cabo una fase de pruebas de campo que se inicia con la recopilación de datos sobre la región de interés. Universidad de Valladolid 82 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.2.1 Emplazamiento de las estaciones repetidoras, planificación de rutas y tipos de escenario Dependiendo de la zona de estudio, se busca analizar aspectos distintos. Por ejemplo, las zonas caracterizadas por su planicie son aptas para evaluar de forma muy acertada el mayor alcance de la señal debido a la ausencia de desniveles y/u obstáculos. Por el contrario, si la zona es montañosa, será más interesante analizar el comportamiento propagativo de la señal según la altitud y el perfil del terreno a cierta distancia para encontrar patrones que asocien la distancia con esos accidentes geográficos. Por esa razón, se distinguen tres escenarios de propagación distintos, los cuales se modelan de forma independiente y son [21]: 1. Escenario de propagación andino: involucra mediciones realizadas en zonas rurales del Departamento del Cauca, caracterizadas por su geografía montañosa. 2. Escenario de propagación valle: involucra mediciones en áreas rurales del norte del Departamento del Cauca y sur del Departamento del Valle del Cauca, donde prevalecen extensiones de tierra relativamente planas. 3. Escenario de propagación urbano 1 : involucra mediciones efectuadas en Popayán, ciudad considerada de densidad intermedia, superando los 500 hab./km 2 y con zona urbana comprendida en un radio de no más de 8 km desde el centro de la ciudad. A partir de esta distinción, se considera que los mejores emplazamientos para las estaciones repetidoras son las ciudades de Popayán y Santander de Quilichao, ambas pertenecientes al Departamento del Cauca. De esta forma, desde el centro urbano de la capital del departamento, Popayán, se puede evaluar tanto el escenario de propagación urbano como rutas concéntricas a lo largo del territorio caucano. A continuación, se definen 10 rutas de medición para los escenarios andinos yurbano, todas ellas con punto de partida la Universidad del Cauca, punto cercano a la estación repetidora situada en Popayán; lo que permite realizar dichas rutas de forma concéntrica para comparar la asemejanza de los datos registrados al diagrama de radiación omnidireccional de la antena utilizada. Estas 10 rutas y el emplazamiento de la estación repetidora de Popayán se ilustran en la Figura 4.1 (a). 1 Aunque en el análisis sólo se incluya la ciudad de Poapyán como parte del escenario urbano, a la hora de separar los datos según el entorno, se excluyen los centros urbanos considerados como ’ciudad’. De esta forma, los escenarios valle yandino están compuestos únicamente por zonas rurales. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 83 A mayores, en la Figura 4.1 (b) se muestran las 5 rutas de medición realizadas en campo para el repetidor de la ciudad de Santander de Quilichao para encontrar coberturas máximas y analizar las pérdidas en terrenos de propagación favorables. (a) Departamento del Cauca (b) Departamento del Valle del Cauca Figura 4.1: Rutas de medición y emplazamientos de las estaciones repetidoras Nótese que las rutas se presentan en color morado para las mediciones captadas por la estación repetidora de Popayán (ubicado en el cerro de Siloé, por lo que en la Figura 4.1 (a) aparece descrito con la etiqueta Repetidor Siloé) y en color rojo las rutas asociadas al repetidor de Santander de Quilichao (etiqueta Repetidor Santander en la Figura 4.1 (b)). Los emplazamientos de las dos estaciones repetidoras se rodeadan en color amarillo en ambas figuras, incluyendo su respectiva etiqueta. En el caso de la Figura 4.1 (b), al analizar los límites del Departamento del Cauca y adentrarse en terreno de valle en el Departamento del Valle del Cauca, el escanario de propagación cambia, primando realizar rutas lineales que permitan encontrar distancias máximas y relacionar la distancia y la frecuencia de forma más estable al tratarse de escenarios planos que cuentan con mejores condiciones de propagación y considerando un mayor número de puntos en condiciones de LOS. La combinación de escenario de valle y condición de LOS será el punto más importante de estudio dado que pueden aparecer interferencias entre transmisores situados a grandes distancias a causa de las condiciones favorables de propagación. Universidad de Valladolid 84 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.2.2 Procedimiento de recolección de datos Las rutas propuestas en la Figura 4.1 se recorrieron dos veces en diferentes días para garantizar redundancia de datos y obtener tendencias estadísticas de las medidas. Las rutas realizadas desglosadas por días, diferenciando las bandas VHF y UHF e incluyendo mapas de cobertura de dichas rutas, se mostrarán en posteriores secciones (4.2.7.1 y 4.2.7.2). Las rutas se realizaron en un vehículo especialmente equipado para transportar tanto equipos radio móviles como portátiles. Se estableció un convenio por el cual, para minimizar los cambios de canal que fomentan la pérdida de información, cada radio móvil permanecía fijo en un canal asociado a una repetidora específica. Estos equipos estaban programados para enviar su ubicación geográfica a los repetidores cada segundo, siempre que las condiciones del canal lo permitieran, registrando tanto la ubicación de los equipos como la potencia de la señal recibida en los repetidores. La velocidad del vehículo durante el proceso de medición osciló entre los 50 km/h y los 70 km/h, con el fin de obtener la mayor cantidad de medidas posibles a lo largo de las rutas establecidas. Además, mientras el vehículo avanzaba, se establecieron comunicaciones con los repetidores activando los equipos radio móviles y portátiles, proporcionando información adicional sobre la ubicación de los equipos y la potencia recibida [21]. 4.2.3 Correlación analógico-digital Uno de los compromisos establecidos en el contrato con la ANE era llevar a cabo el estudio tanto para la tecnología digital como para la analógica. Sin embargo, debido a las limitaciones de los diferentes software de gestión utilizados tanto para VHF como para UHF, no fue posible obtener informes de datos analógicos. Esto se debe a que sólo se mostraban los niveles de RSS en el canal analógico mediante la activación manual de un botón en tiempo real sin ser registrados en una base de datos; a diferencia de los datos digitales, que eran almacenados y podían ser consultados a través de informes automáticos generados por el software de gestión. Por esta razón, se realizó una recogida de datos manual anotando cada variación del estado del canal durante una hora de medición. El periodo de actualización, aunque no configurable, es variable, con un tiempo medio de 10 segundos entre valores de RSS. Esto resulta en un total de 320 muestras consideradas datos útiles, excluyendo los instantes de comunicación nula. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 91 determinar la ubicación geográfica de los equipos mediante sistemas de posicionamiento GNSS integrados en los equipos[21]. La plataforma SmartPTT Dispatch registra datos como la RSS, el identificador del radio, el repetidor al que está conectado el equipo, el tipo de evento y la fecha, únicamente para las comunicaciones digitales y no para las comunicaciones analógicas. La única forma de medir los niveles de RSS en el canal para los radios analógicos es manualmente, actualizando los valores mediante un botón de estado del canal. 4.2.5.3 Preprocesado y cruce de datos Uno de los principales problemas que surgieron en la adquisición de los datos para la banda VHF fueron las limitaciones del software de gestión proporcionado por el PRST. Para el desarrollo del proyecto, era imprescindible contar con los valores de RSS obtenidos en función de la distancia, por lo que la localización juega un papel crucial. SmartPTT Dispatch, lamentablemente, aunque registra en su base de datos tanto los valores de potencia recibidos como la localización de estos, el usuario no puede acceder a ambos recursos de forma simultánea y/o enlazados: los valores de localización se enlazan internamente para visualizar mapas de cobertura. (a) Información relevante del Monitoring Report (b) Ejemplo de mapa de cobertura Figura 4.7: Recursos de SmartPTT Dispatch relacionados con las mediciones realizadas Es importante destacar que cada valor de RSS en el Monitoring Report aparece triplicado debido a que la acción de replicamiento está activada en las repetidoras para la escucha de la comunicación en el radio móvil de la universidad, independientemente de la localización del radio móvil ejecutando las pruebas de campo, siempre y cuando alguna de las estaciones repetidoras del sistema CLMR ofrezca servicio al radio empleado. Las estaciones se comunican entre sí mediante la red interna del PRST. Universidad de Valladolid 92 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación SmartPTT Dispatch pone a disposición del usuario dos reportes independientes: Monitoring Report, incluido en la Figura 4.7 (a), que contiene información sobre las características de cada paquete de información recibido en los repetidores -fecha y hora de la comunicación, identificadores de la estación repetidora y el equipo móvil que establecen dicha comunicación, RSS medido en el repetidor, etc.- y Location Report, con formato similar al Monitoring Report, que registra la ubicación geográfica de los equipos a medida que se desplazan por las rutas y a partir de la cual se generan los mapas de cobertura, como por ejemplo el de la Figura 4.7 (b). Por lo tanto, es necesario realizar un proceso previo de purga de datos que permita seleccionar únicamente la información necesaria (eliminación de columnas irrelevantes y filas duplicadas por el eco de las repetidoras) así como una asociación o cruce de datos para relacionar adecuadamente en un único reporte todos los eventos provenientes de los equipos radio móviles con su ubicación geográfica, principalmente, la información del nivel de RSS y coordenadas de localización [21]. Para lograr lo anterior, se comparó la hora de registro de cada fila del Monitoring Report con la hora de registro de cada fila del Location Report, asociando los registros de RSS y localización más cercanos en tiempo [ 21 ]. Además, para contar con más datos de localización, se incluyó en el Location Report pares temporal-espacial medidos con aplicaciones de geolocalización externas utilizadas de forma activa en el proceso de medición: el informe de monitoreo y rastreo del vehículo proporcionado por el PRST junto con la aplicación móvil MyTracks, la cual brindó información de localización a partir del GPS de un teléfono celular. Los datos proporcionados por estas aplicaciones se compararon con el reporte Monitoring Report para obtener una mayor precisión en el cruce de datos, asociando a cada medida de RSS la localización más precisa de entre las tres fuentes de datos de localización (para cada fila del Monitoring Report se consideró la mejor fuente de localización aquella con un dato de localización con fecha más próxima a la fecha de registro de potencia teniendo en cuenta el tiempo de procesamiento del software y la coherencia temporal, así como la congruencia entre identificadores de radios y repetidoras activos en la comunicación y los valores anteriores y posteriores asociados, intentando minimizar el error de asociación o diferencia entre fechas asociadas global) de forma rigurosa y respetando la coherencia de medición. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 93 4.2.5.4 Promediado espacial Una vez que los datos han sido asociados y preprocesados para eliminar la información irrelevante, se observa que la sobrerecurrencia de algunas rutas, especialmente aquellas más cercanas a la universidad debido a su presencia en múltiples caminos, junto con la inestabilidad en el envío de la ubicación GPS, genera una notable disparidad en la densidad de información útil. Los equipos radio móviles estaban configurados para transmitir su ubicación geográfica cada segundo, siempre que las condiciones del canal lo permitiesen, y dado que las rutas fueron recorridas al menos dos veces, se identificaron zonas con un exceso de registros de medidas de potencias recibidas. Por lo tanto, se optó por promediar los valores de potencia recibida en puntos cercanos, agrupando así la información en unidades lineales. Este proceso consistió en dividir el área total de la zona analizada en cuadrados de longitud configurable, de manera que todos los puntos dentro de un mismo cuadrado compartieran un único valor de RSS igual a su promedio tanto en potencia como en localización. Tras analizar exhaustivamente el conjunto de datos y realizar simulaciones con distintos tamaños de cuadrados, se determinó que una longitud de 15 m por lado proporcionaba un equilibrio entre el número de datos totales y una gran fiabilidad entre las potencias recibidas y los valores promediados. La Figura 4.8 muestra el resultado de esta agrupación en cuadrados de 15 m de lado. En este ejemplo se aprecia cómo en el parqueadero de la Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca hay demasiadas mediciones dado que es el origen y destino final de la mayor parte de las rutas establecidas en el Cauca. Figura 4.8: Promediado espacial de valores de RSS mediante cuadrados de 15 m de lado El proceso se aplicó a la totalidad de los datos recopilados en campo. Universidad de Valladolid 94 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación La Figura 4.9 corresponde a las rutas de medición en el Departamento del Cauca tras aplicar un promediado con cuadrados de 500 m de lado. Esta figura se incluye sólo con fines visuales, ya que el proceso real se efectúo con cuadrados de 15 m. Se ejemplifica cómo la agrupación y el promedio de los valores de potencia resulta en un conjunto de medidas más simplificado que logra describir de forma precisa las rutas realizadas ofreciendo información más manejable e uniforme siendo igual de reprsentativa. Figura 4.9: Promediado espacial de RSS en conjuntos cuadrados de 500 m de lado Esta figura, aunque adjunta con fines ilustrativos del promediado espacial, es un ejemplo representativo de la separación de rutas según el escenario: las rutas mostradas son las referidas al escenario andino tras extraer el escenario urbano (ciudad de Popayán). Se describe esta separación de escenarios en el posterior bloque 4.3.1.2. 4.2.6 Adquisición de datos en UHF Una vez finalizadas las mediciones en la banda VHF, se realiza la adquisición de los datos en la banda UHF, siguiendo las mismas rutas y pautas trazadas y descritas para la banda VHF, con algunas particularidades comentadas a continuación. 4.2.6.1 Topología de la red UHF La primera diferencia reside en la propia topología de la red que, como aventurábamos en secciones anteriores, estaba dotada de una estación repetidora menos con respecto a VHF y fue gestionada y programada en su totalidad por el equipo de trabajo, haciendo uso, no obstante, de los mismos emplazamientos y red de intercomunicación entre repetidoras contratados con el PRST local para la banda VHF aun trabajando con un nuevo proveedor para la adquisición de los equipos. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 95 Para la banda UHF, el nuevo proveedor puso a disposición del equipo de trabajo: • Dos radios móviles de referencias HM786 G y MD786 G, uno para las pruebas de campo y el restante para el punto de control situado en la Universidad del Cauca. • Dos estaciones repetidoras con referencia RD 986 situadas en Siloé, Popayán, y Santander de Quilichao. • Dos radios portátiles de referencias PD 686 G y PD 786 G, manteniendo uno de ellos en la Universidad del Cauca. De forma análoga a la Figura 4.6, se incluye la Figura 4.10 que ilustra la topología de la red UHF prescindiendo de la estación repetidora situada en el cerro de Munchique. Figura 4.10: Topología de la red UHF También el número de equipos radio cambia ya que, con base en la topología UHF, una sóla unidad de radio móvil es suficiente para cubrir las necesidades del proyecto en esta banda al existir una zona montañosa que incomunica Popayán y Santander de Quilichao pudiendo hacer uso del mismo aparato cambiando únicamente el canal de comunicación. Universidad de Valladolid 96 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.2.6.2 Software de gestión radio UHF Se adopta Hytera XNMS como plataforma de gestión de redes profesionales para las estaciones repetidoras que, al combinarse con el software Hytera Smart Dispatch Plus, permite tanto realizar ajustes y configuraciones sobre los repetidores, como visualizar y monitorear las comunicaciones en las rutas realizadas. La red privada del PRST local y la Universidad del Cauca se interconectan a través de una Red Privada Virtual (VPN) habilitada por el propio PRST. Es esencial garantizar la correcta configuración de las estaciones repetidoras, incluyendo la alineación de direcciones IP, máscaras de red y puertos con la infraestructura de la red local y los parámetros de los software utilizados. La falta de concordancia podría resultar en el aislamiento o inutilización de las estaciones, lo que comprometería la operatividad de toda la red. La programación inicial de las estaciones repetidoras en la Universidad del Cauca y su posterior instalación en los emplazamientos constituyen un proceso crítico, ya que cualquier error en esta etapa conlleva un costo significativo en tiempo y recursos económicos al requerir el desmontaje y reconfiguración de las estaciones. Una vez la red está operativa, se utiliza Hytera Smart Dispatch Plus para la visualización, configuración y monitoreo en tiempo real. Los niveles de potencia recibida en los repetidores provenientes del equipo radio móvil, así como la ubicación geográfica de los mismos, se almacenaron automáticamente en la base de datos de la plataforma Smart Dispatch Plus de Hytera, la cual tiene la ventaja de proporcionar los datos de potencia recibida y localización en un único reporte, facilitando el procesamiento de los mismos [ 21 ]. Este software proporciona datos de potencia asociados con una única ubicación, eliminando duplicados al configurar cada estación repetidora como slave. No obstante, a pesar de todas las ventajas que ofrece Hytera Smart Dispatch Plus frente a la herramienta SmartPTT Dispatch utilizada en VHF, este software empleado para la adquisición de valores RSS en la banda UHF tiene una gran limitación: establece un límite superior de -59 dB que escapa a nuestras opciones de cambio. Para la banda UHF no es necesario realizar cruces de datos ni preprocesamiento, lo que convierte a las herramientas elegidas en un recurso idóneo que simplifica y se adapta perfectamente a las necesidades del proyecto, reduciendo considerablemente el tiempo necesario para la adquisición de datos en comparación con las tareas realizadas en VHF. No obstante, los datos quedan limitados a un límite de -59 dB establecido por Hytera Smart Dispatch Plus. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 97 4.2.7 Glosario de rutas Tras detallar el procedimiento, los métodos y las herramientas empleadas para la adquisición de datos, concluyo esta sección proporcionando un registro detallado de las rutas recorridas en el vehículo siguiendo la planificación inicial. Además, se incluye la representación gráfica de estas rutas junto con su mapa de cobertura, diferenciando claramente entre las bandas VHF y UHF mediante secciones: 4.2.7.1 Rutas finales realizadas en la banda VHF La organización por días de estas rutas se muestra en la siguiente Tabla 4.1, donde se distinguen, para las bandas VHF y UHF, las horas totales realizadas cada día, la figura en la cual se muestra la cobertura de cada ruta y los problemas técnicos que surgieron en este proceso. El promedio de horas diarias es de 7 horas y 40 minutos. La disparidad de horas/día se debe bien a los problemas técnicos enfrentados durante el proceso, o bien a la longitud de las rutas o tráfico variable en cada zona. Las rutas que presentaron fallos se repitieron para asegurar la recursividad, haciendo horas extra en muchos casos para cumplir el objetivo. Aquellas rutas que no se repitieron (la ruta de Puracé & Coconuco y las de El Tambo & El Bolsón), fue debido a la seguridad y logística o por los altos costes y limitación de tiempo, ya que cada día en el que el vehículo salía a campo ascendía la cuota a pagar al PRST local. Más concretamente: • La ruta de Puracé & Coconuco cuenta con procesos de gestión de tráfico llamados comunmente pare y siga -la vía es de sentido único entre puntos de control donde se bloquea el acceso y dicho sentido de la vía se alterna en periodos de tiempo fijosy es una zona donde, además, las comunidades indígenas se manifiestan impidiendo los accesos y la circulación de vehículos. No se realizó esta ruta por cuestiones de seguridad. • Las rutas de El Tambo y El Bolsón no se volvieron a realizar por ser El Bolsón zona de paso hacia Santander de Quilichao. Ante la falta de recursos económicos y temporales, se prescindió de realizar esta ruta una segunda vez. Universidad de Valladolid 98 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación Tabla 4.1: Rutas realizadas en la banda VHF Día Ruta Horas Figura Comentarios 14 Sep. Zona urbana Popayán 8 horas 4.11 Aprendizaje sobre software de gestión, funcionamiento canales de los radios, pruebas de conexión universidad-vehículo. 15 Sep. Totoró & Piendamó 8 horas 4.12 El vehículo sólo contó con 1 radio móvil operativo: 4 horas canal Siloé, 4 horas canal Munchique. 19 Sep. Puracé & Coconuco 8 horas 4.13 4 horas canal Siloé, 4 horas canal Munchique. 20 Sep. Paispamba 5 horas 4.14 El vehículo se queda varado; no se logra finalizar el retorno de la última ruta. 3 horas-Siloé, resto Munchique. 21 Sep. Timbío & Rosas 5 horas 4.15 El vehículo se avería fallando el embrague; las rutas se realizan a mayor velocidad. 22 Sep. Provitec & Las Huacas 3h. 30min. 4.16 Se incorpora un nuevo radio móvil: conexión con Siloé y Munchique de forma simultánea -cada radio móvil fijo en un canal-. El vehículo sigue en el taller más de lo previsto y se retrasa el inicio de las rutas unas horas. 23 Sep. El Tambo & El Bolsón 6 horas 4.13 - 25 Sep. Zona urbana Popayán 9 horas 4.11 Para compensar el primer día de adaptación, horas extra para cumplir recursividad. 26 Sep. Totoró & Piendamó 5h. 30min. 4.12 - 27 Sep. Paispamba 7 horas 4.14 - 28 Sep. Santander de Quilichao & Cali 10 horas 4.17 Cuando se pierde conexión con Siloé, se cambia ese radio al canal de la estación de Santander de Quilichao. A partir de Morales la nueva repetidora empieza a reportar. 29 Sep. Palmira & Buga 8 horas 4.17 Se llegan a los límites del Departamento del Valle del Cauca. La conexión se pierde en Presidente. Se regresa a Popayán por Santander de Quilichao. 02 Oct. Provitec & Las Huacas 7 horas 4.16 - 04 Oct. Timbío & Rosas 11 horas 4.15 Extensión hasta límites del Departamento del Cauca hacia el sur. Máxima cobertura en Patía (muy inestable, puntos aislados) 05 Oct. Santander de Quilichao & Cali & Buga 10.h 30min. 4.17 - 06 Oct. Palmira 10 horas 4.17 Se regresa a Popayán pasando por Santander de Quilichao. Universidad de Valladolid 4.2 Adquisición de datos 99 A continuación, se presentan las imágenes de las rutas realizadas en la banda VHF extraídas del software de monitoreo y gestión SmartPTT Dispatch. Las Figuras 4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16 y 4.17 muestran los grupos de rutas realizados en diferentes días, con el objetivo de ofrecer una visión conjunta de la cobertura obtenida para ambos canales. En otras palabras, se exhibe la cobertura para una misma ruta en dos días distintos, con canales diferentes entre sí, para resaltar las diferencias de cobertura entre las distintas estaciones repetidoras para una misma ruta. (a) 14 Sep. Canal Munchique (b) 22 Sep. Canal Siloé Figura 4.11: Rutas VHF de la zona urbana de Popayán (a) 15 Sep. Canal Munchique (b) 26 Sep. Canal Siloé Figura 4.12: Rutas VHF de las rutas por Totoró & Piendamó Universidad de Valladolid 100 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación (a) 19 Sep. Canal Siloé (b) 23 Sep. Canal Munchique Figura 4.13: Rutas VHF de las rutas de Puracé & Coconucos (izquierda) y El Tambo & El Bolsón (derecha) (a) 20 Sep. Canal Siloé (b) 27 Sep. Canal Munchique Figura 4.14: Rutas VHF de las rutas por Paispamba y alrededores La Figura 4.14 (a) incluye únicamente la ruta a Paispamba debido a la avería del vehículo. Por otro lado, en la Figura 4.14 (b) se optó por visitar Timbío dado que el día 21 de septiembre esa ruta se realizó a gran velocidad por nuevos fallos en el vehículo. Además, se aprecia cómo se tomó un desvío desde Timbío en vez de retornar directamente a Popayán. Dicha variación se debió a un problema de seguridad; se retornó posteriormente a Popayán deshaciendo la ruta realizada. Universidad de Valladolid 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales 107 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales Una vez establecida la nueva base de datos con las muestras de niveles de potencia recibida para el territorio caucano, el objetivo es identificar una curva que represente la tendencia de las pérdidas de propagación asociadas a los datos registrados. El primer paso implica la extracción de las pérdidas de propagación asociadas a partir de las medidas de RSS para cada punto, considerando las características orográficas en las cuales se ha realizado cada medición. La metodología que aborda este procedimiento se detalla en la sección 2.4 del capítulo previo 2. 4.3.1 Pérdidas de propagación reales Comenzando esta búsqueda de modelos de propagación, se debe trabajar con un software adecuado que permita obtener la información asociada al perfil del terreno de las mediciones para evaluar el comportamiento propagativo de la señal en cada caso. 4.3.1.1 QGIS: Sistema de Información Geográfica Como se aventuraba en 2.4.2.1, se toma como base un GIS libre y de código abierto llamado QGIS que permite adaptar distintas herramientas disponibles para evaluar el perfil del terreno en base a nuestras necesidades. QGIS es un Sistema de Información Geográfica de Código Abierto licenciado bajo GNU - General Public License . Corre sobre Linux, Unix, Mac OSX, Windows y Android y soporta numerosos formatos y funcionalidades de datos vector, datos ráster y bases de datos [1]. El presente TFM se apoya en una herramienta de estimación de cobertura radioeléctrica de código abierto, desarrollada previamente en la Universidad del Cauca [ 33 ], que utiliza un sistema de información geográfica adaptado para evaluar el alcance de cobertura de las estaciones base de sistemas de radio móvil mediante principios generales de propagación y la incorporación de información sobre componentes y parámetros de los sistemas de radio móvil. Al emplear un Modelo Digital de Elevación (DEM) que representa la topografía del país, la estimación de cobertura se realiza calculando perfiles de terreno desde la estación base hasta cada punto circundante del DEM, considerando diversas pérdidas de propagación y efectos atmosféricos. Universidad de Valladolid 108 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación Dicha herramienta calcula la propagación para cada punto de manera independiente teniendo en cuenta elementos como la reflexión en el suelo, la refracción en la atmósfera y la difracción debido a obstáculos. No obstante, es necesario realizar un proceso de adaptación de este recurso para satisfacer las necesidades actuales del proyecto: se requieren ajustes que incluyan el cálculo y exportación de las pérdidas de propagación reales basadas en mediciones de campo. La herramienta de análisis de perfiles de terreno radioeléctricos permite calcular distancias y pérdidas por difracción según el perfil del terreno y los emplazamientos del radio móvil y la estación repetidora. El perfil de terreno se calcula entre cada punto de medida y la estación repetidora con la que se establece la comunicación. 4.3.1.2 Separación de los datos según el tipo de escenario Finalizada la fase de adquisición de datos realizada durante las pruebas de campo, se obtiene un reporte de valores RSS para cada una de las bandas de análisis de forma independiente. Esta ristra de datos compone la base de datos en VHF y en UHF que se utilizará para la extracción de los modelos de propagación. Por esta razón, es de vital importancia definir un procedimiento de separación de los datos en función del tipo de escenario para obtener de la forma más sencilla, ordenada y práctica posible un modelo de propagación según el tipo de escenario y condición de propagación diferenciando LOS o NLOS. El procedimiento para realizar esta separación consta de los siguientes pasos: 1. Con ayuda de Python, se cargan y visualizan los valores de RSS sobre mapas. La representación se realiza únicamente con fines visuales para la comprobación de correctas localizaciones de rutas y/o verificación de la separación posteriormente. 2. Primeramente, se extrae la información asociada al escenario urbano del resto de mediciones. Se consideran zonas urbanas aquellas poblaciones catalogadas como ciudad. Se trazan círculos 4 de radio variable, centrado y acomodado a la extensión de la zona a extraer mediante la determinación de la localización (latitud y longitud) del centro del círculo que abarca la zona urbana, así como del radio de este. 4 Se emplean círculos por facilidad de ejecución y ausencia de rutas en las vecindades que hacen que esta forma geométrica sea adecuada en la mayor parte de los casos. Pueden requerirse varios círculos para abarcan una zona urbana. Universidad de Valladolid 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales 109 3. Los círculos asociados a la ciudad de Popayán se guardan en una variable auxiliar, ya que dichos puntos componen el escenario urbano del análisis del proyecto. El resto de datos presentes en el interior de los círculos se eliminan del total de la información, para evitar que zonas urbanas interfieran con el resto de escenarios teniendo en cuenta, además, que únicamente se estudia la ciudad de Popayán como escenario urbano debido a la magnitud de datos adquiridos en dicho área. 4. Se procede de igual forma para distinguir el escenario andino y el escenario de valle, trazando una línea divisoria que separa ambos tipos de terreno sobre la información una vez eliminadas las zonas urbanas (incluida Popayán, almacenada en una variable temporal). Cada tipo de escenario se guarda en una variable diferente. 5. Finalmente, se guardan los datos de cada escenario en un archivo independiente a partir de las tres variables que contienen la información de valle,andino y la ciudad de Popayán como escenario urbano). Por tanto, la base de datos para cada una de las bandas fue desglosada según el tipo de escenario en el que dicha medición fue tomada a partir del procedimiento descrito, haciendo un total de tres reportes preparados para su introducción en la herramienta de información geográfica elegida. Estos archivos son: Valle_Santander.shp Andino_Siloe_Munchique_Santander.shp Urbano_Siloe_Munchique.shp Nótese que la extensión de los archivos que comprenden los valores RSS según el tipo de escenarioes formato shapefile, que se trata de un formato de representación vectorial que consta de un número variable de archivos con diferentes extensiones. Cada uno tiene una función específica y almacena un tipo de información, pero no almacenan ni topología ni características de la representación [ 25 ]. Para trabajar con un GIS, convertir los datos a este formato es requisito indispensable. La herramienta QGIS será, tomando estos archivos en formato shapefile como entrada, la encargada de calcular el perfil del terreno teniendo en cuenta la estación repetidora con la cual se estableció la comunicación. Universidad de Valladolid 110 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación Es importante remarcar que este paso de separación según el tipo de escenario se puede realizar indistintamente antes o después de obtener el perfil del terreno y calcular las pérdidas de propagación para cada uno de los datos, ya que depende de la localización y no de la propagación. Se ha optado por realizarlo previamente para poder paralelizar en varios equipos los procesos de ejecución de cálculo de pérididas en QGIS. 4.3.1.3 Perfil del terreno: Distancia, obstaculización y pérdidas por difracción La herramienta de información geográfica adaptada por el equipo de trabajo es capaz de trazar la línea de comunicación que une un determinado punto con la estación repetidora teniendo en cuenta los obstáculos que interfieren en la comunicación, la distancia que une dichos puntos y las pérdidas por difracción que aminorizan la intensidad de potencia recibida en el receptor. Un ejemplo de estas funcionalidades se muestra en la Figura 4.21 que ejemplifica un caso real particular para uno de los puntos desde el cual se ha registrado un valor RSS hasta la estación con la cual se estableció la comunicación. Figura 4.21: Perfil de terreno radioeléctrico, distancia y pérdidas por difracción entre los diferentes puntos de medición y la estación repetidora En esta Figura 4.21 se observa el trazado del perfil donde ninguno de los accidentes geográficos interfiere en la primera zona de Fresnel, por lo que no son considerados como obstáculos. Puesto que la distancia no es muy grande y se encuentra en condiciones de LOS, las pérdidas por difracción son nulas. Universidad de Valladolid 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales 111 Con ayuda de QGIS y mediante scripts diseñados específicamente para este propósito, se pueden obtener parámetros como las distancias, pérdidas por difracción e influencia de los obstáculos a partir de cálculos matemáticos. Estos datos se integran al archivo de excel original, en el cual cada punto de medición se complementa con sus respectivas características propagativas. Un ejemplo de este procedimiento se observa en la Figura 4.22 donde las columnas en color azul son: Figura 4.22: Pérdidas por difracción y características de los obstáculos principales para las mediciones obtenidas en el Departamento del Cauca Distance[m]: Distancia entre el punto y la repetidora medida en metros; L_Difr[dB]: Pérdidas por difracción expresadas en dB; NºObst: Número de obstáculos que interfieren en la primera zona de Fresnel; h_obstn: Altura de despeje del obstáculo. Se incluye este parámetro para tres obstáculos principales junto con el porcentaje de obstrucción asociado. En caso de no existir el obstáculo n , este parámetro se establece como −; %_obstn: Porcentaje de obstrucción de la primera zona de Fresnel. Si el despejamiento de ese obstáculo es positivo, el porcentaje de obstrucción se establece como + debido a la gran magnitud de la obstrucción. Si no existe el obstáculo n, este porcentaje se establece como −. Universidad de Valladolid 112 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.3.1.4 Clasificación en LOS y NLOS Existen casos donde las condiciones de propagación no son tan favorables como en la Figura 4.21 por la influencia de la distancia, la existencia de obstáculos predominantes o factores externos puntuales que provoquen un crecimiento en las pérdidas por difracción. En estos supuestos, el punto deja de ser considerado LOS y se categoriza como NLOS. El criterio definido por el equipo de trabajo y contextualizado en 2.4.2.6 como parte de la sección 2.4.2 del Capítulo 2, define que: • El radio móvil se encuentra en condiciones de NLOS con la estación repetidora cuando la altura de despeje, h , sobre al menos uno de los obstáculos presentes en el perfil del terreno, es igual o mayor a cero. •El punto de medición está en condiciones de LOS cuándo: 1. El valor h(x)de los tres obstáculos más significativos debe ser negativo; 2. Las obstrucciones no bloquean más del 70 % de la primera zona de Fresnel; 3. Las pérdidas por difracción no superan los 10 dB. Siguiendo este criterio, la Figura 4.23 muestra un ejemplo de los puntos que serían considerados en condiciones de LOS señalándolos con una flecha verde. Figura 4.23: Aplicación del criterio LOS-NLOS sobre los datos experimentales Universidad de Valladolid 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales 113 Si observamos detenidamente, se distingue cada una de las condiciones del criterio con distintos colores y patrones. En primer lugar, el valor hn(x) positivo se muestra con color de fuente rojo, por lo que dichos puntos quedan excluidos. Por otro lado, aunque este despejamiento sea negativo, si el porcentaje de obstrucción % _obstn es mayor a 70% el punto también será considerado NLOS, por lo que esos obstáculos se colorean con fondo rojo, quedando en color verde únicamente aquellos obstáculos que cumplan los requisitos hn(x) negativo con % _obstn menor o igual a 70%. La información de los tres obstáculos principales debe estar coloreada en verde para ser considerado candidato a LOS. Por último, se verifica que las pérdidas por difracción sean inferiores a 10 dB. Los candidatos que cumplan también esta última premisa recuadrada en verde conforman la versión definitiva de puntos en LOS. 4.3.1.5 Pérdidas de propagación La Figura 4.24 muestra el resultado final del excel de extrada que contenía las mediciones experimentales. Por un lado, en color azul, se incluye la información asociada al perfil del terreno -distancia, obstáculos y pérdidas por difracciónque permite clasificar las mediciones en dos conjuntos diferentes: LOS o NLOS; por otro lado, en color amarillo, se encuentran los resultados de evaluar los modelos teóricos descritos en 2.3 así como el cálculo de las pérdidas de propagación reales calculadas con [2.18] para cada punto. Estas pérdidas son las que darán lugar a los modelos de propagación buscados, diferenciando condiciones de LOS y NLOS. Figura 4.24: Características de propagación para cada punto experimental Universidad de Valladolid 114 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación Para simplificar el proceso y facilitar su ejecución, se realiza este procedimiento de forma individual para cada estación repetidora. Este proceso resulta en la creación de múltiples archivos excel que detallan la información completa de las pérdidas de propagación, dividiendo los resultados por estación y clasificación según las condiciones de LOS o NLOS. Estos informes abarcan tanto las pérdidas estimadas por los diversos modelos teóricos utilizados como las pérdidas reales calculadas, convirtiéndose así en el punto de partida fundamental para la obtención de modelos de propagación adaptados a los diferentes escenarios y condiciones de propagación en la región colombiana de estudio. 4.3.2 Modelos de propagación según el tipo de escenario Avanzando en la ejecución del proyecto, el paso final antes de aplicar los métodos numéricoanalíticos es la adquisición de los modelos de propagación. Se optó por calcular aquellas curvas que mejor describan las pérdidas de propagación con base en la Ecuación 2.39 presentada en el Capítulo 2 haciendo uso nuevamente de Python para el cálculo y ajuste de las regresiones logarítmicas. Recordemos esta ecuación a continuación: Lprop =α+β·10log10(d) + N(0,σ2) donde α representa un término independiente constante que influye significativamente en los valores iniciales; β está relacionada con la distancia y representa el crecimiento de las pérdidas actuando como el exponente de propagación; y N( 0, σ2) es una variable aleatoria con distribución normal que modela la dispersión, con media igual a cero y desviación estándar σ2 , pudiendo obviar este término aleatorio en los resultados. Un ejemplo comparativo donde se aprecia la influencia de este factor dispersivo se muestra en la Figura 4.25: (a) Modelo de propagación sin el factor dispersivo (b) Modelo de propagación con el factor dispersivo Figura 4.25: Ejemplo de la influencia del factor dispersivo (N(0, σ2)) Universidad de Valladolid 4.3 Obtención de modelos de propagación experimentales 115 Se recopilan y presentan en las Tablas 4.3 y 4.4 las ecuaciones de los modelos de propagación para las bandas VHF y UHF, respectivamente. Estas ecuaciones, derivadas de la regresión logarítmica de los datos, están organizadas según los diferentes entornos, incluyendo valores RMSE y coeficientes del modelo, lo que permite una comparación clara del comportamiento de las curvas en función de la distancia para distintos escenarios. Tabla 4.3: Modelos de propagación, RMSE y σ2en la banda VHF - VHF - Modelo de propagación RMSE σ2 Andino LOS Lprop =103,35 + 2.25 ·10 log10(d)8.34 8.34 NLOS Lprop =108,74 + 2.36 ·10 log10(d)11.26 10.66 Valle LOS Lprop =83,12 + 3 ·10 log10(d)6.04 5.99 NLOS Lprop =71,36 + 3.9 ·10 log10(d)8.55 8.47 Urbano* Popayán** Lprop =101,73 + 4.11 ·10 log10(d)10.69 10.69 * El escenario urbano se considera de forma independiente, sin distinguir condiciones de LOS o NLOS. ** Urbe de tamaño medio que abarca un radio de 8 km con edificios de baja altura. Tabla 4.4: Modelos de propagación, RMSE y σ2en la banda UHF - UHF - Modelo de propagación RMSE σ2 Andino LOS Lprop =105 + 2.63 ·10 log10(d)9.3 9.22 NLOS Lprop =118 + 2.66 ·10 log10(d)10.90 10.82 Valle LOS Lprop =89,36 + 3.33 ·10 log10(d)7.77 7.63 NLOS Lprop =83,8 + 4 ·10 log10(d)11.70 11.14 Urbano Popayán Lprop =107,51 + 4.28 ·10 log10(d)11.27 11.03 La desviación estándar de los modelos se encuentra en línea con la literatura -entre 4 y 12 dB- [21], aumentando en torno a 2 dB en UHF respecto a VHF. Cabe destacar que los valores de σ2 y RMSE tienen un orden de magnitud similar debido a que el RMSE refleja, principalmente, la dispersión inherente de los datos representada por σ2 incluyendo a mayores las posibles desviaciones no completamente caracterizadas por las ecuaciones del modelo. Para cumplir con este cometido, se dio mayor peso a las últimas 50 muestras, lo que asegura una mejor caracterización de la tendencia de las pérdidas. Universidad de Valladolid 116 Capítulo 4 Pruebas de campo: Adquisición de datos y modelos de propagación 4.3.2.1 Modelos de propagación en la banda VHF A continuación, se presentan en la Figura 4.26 de manera gráfica los modelos de propagación en la banda VHF, acompañados de sus respectivas ecuaciones. (a) Modelo de propagación VHF andino LOS Lprop =103,35 +2,25 ·10 log10 (d) + N(0, 8,34) (b) Modelo de propagación VHF andino NLOS Lprop =108,74 +2,36 ·10 log10 (d) + N(0, 10,66) (c) Modelo de propagación VHF valle LOS Lprop =83,12 +3·10 log10 (d) + N(0, 5,99) (d) Modelo de propagación VHF valle NLOS Lprop =71,36 +3,9 ·10 log10 (d) + N(0, 8,47) (e) Modelo de propagación VHF urbano Lprop =101,73 +4,11 ·10 log10 (d) + N(0, 10,69) (f) Resumen de los modelos de propagación en VHF Figura 4.26: Modelos de propagación en la banda VHF Universidad de Valladolid 5.1 Análisis de interferencia co-canal 123 Para el análisis de aislamiento, se consideraron los modelos de pérdidas de propagación obtenidos de manera experimental en el Capítulo 4 mediante el proceso de medidas en campo, tanto para VHF como UHF, correspondientes a los modelos de pérdidas de propagación andinos en condiciones de LOS y NLOS; el modelo de pérdidas de propagación de valle en condiciones de LOS y NLOS; y el modelo de pérdidas de propagación urbano. Así como también se consideraron las RFPR obtenidas a nivel de laboratorio presentadas en la Tabla 3.8 donde se presenta el resumen de las RFPR obtenidas a nivel de laboratorio considerando 1 dB de seguridad sobre los resultados obtenidos como margen de operación. En la Tabla 5.1 se presentan los parámetros generales utilizados en el análisis de aislamiento mediante la aplicación de los métodos analíticos E-MCL e ITU SM.337. Tabla 5.1: Parámetros de radio móvil utilizados para el análisis de aislamiento mediante la aplicación de métodos analíticos Potencia de transmisión (PINT )−→ 25 W | 43.98 dBm Sensibilidad del receptor móvil (SV ICT )−→ -120 dBm Ganancia de la antena repetidora (GINT )−→ 10 dBi Ganancia de la antena móvil (GV ICT )−→ 3 dBi Frecuencia de trabajo (f)−→ VHF: 138 MHz UHF: 470 MHz Margen de operación para sistemas (MCINT )−→ 0 dB con múltiples portadoras Factor de ajuste de ancho de banda (dBBW )−→ 0 dB Factor de disponibilidad del sistema (N)−→ 10 dB interferido Máscara espectral - −→ Tipo B (BW=25 kHz) Tipo D (BW=12.5 kHz) Relación de protección (RF P R)−→ VHF: 7 dB|BW=25kHz 9 dB|BW=12,5kHz UHF: 6 dB|BW=25kHz 10 dB|BW=12,5kHz A continuación, se muestran los resultados obtenidos para los dos métodos evaluados -método E-MCL y método alternativo de la Recomendación ITU SM.337para los distintos parámetros de la Tabla 5.1. Universidad de Valladolid 124 Capítulo 5 Resultados - Aplicación de métodos analíticos y numérico y estudio de interferencia de canal adyacente Para la ejecución de estos métodos, se utiliza un valor de N =10 dB y se varía la frecuencia de operación para evaluar las dos bandas de estudio, tomando f = 138 MHz para VHF y f = 470 MHz para UHF. Además, se consideran las máscaras espectrales tipo B y tipo D para evaluar el desempeño distancia-frecuencia para distintos anchos de banda: 25 kHz y 12.5 kHz, respectivamente. Al considerar un factor de disponibilidad del sistema de N igual a 10 dB se garantiza una menor cobertura o alcance de los sistemas con un mayor porcentaje de cobertura zonal, lo que permite reducir la distancia mínima de separación o de aislamiento entre el transmisor interferente y el receptor víctima de interferencia cuando los sistemas operan en frecuencias iguales o cercanas [ 21 ]. Los resultados fruto de la ejecución de los dos métodos analíticos de estudio para los parámetros expuestos se muestran primeramente en las Figuras 5.1 y 5.2 distinguiendo las bandas VHF y UHF, respectivamente, para el método E-MCL, seguido por las Figuras 5.3 y 5.4 correspondientes al método Rec. ITU SM.337 alternativo y las bandas VHF y UHF, respectivamente. Además de las gráficas representativas de ambos métodos determinísticos, se resumen los resultados de aislamiento mínimo expresados en km para distintas separaciones de canal y tipo de máscara espectral en las Tablas 5.2 y 5.3 asociadas a los métodos E-MCL y Rec.ITU SM.337 alternativo, respectivamente. Universidad de Valladolid 5.1 Análisis de interferencia co-canal 125 5.1.1.1 Aplicación del método E-MCL A continuación, se presentan los resultados del método analítico E-MCL: Figura 5.1: Método E-MCL para la banda VHF con máscaras espectrales tipo B y tipo D [ 21 ] Figura 5.2: Método E-MCL para la banda UHF con máscaras espectrales tipo B y tipo D [ 21 ] Tabla 5.2: Aislamiento mínimo en VHF y UHF diferenciando espaciados entre canales según la máscara espectral empleando el método E-MCL E-MCL Máscara espectral tipo B (BW = 25 kHz) Máscara espectral tipo D (BW = 12.5 kHz) ∆f=0 kHz ∆f=25 kHz ∆f=50 kHz ∆f=0 kHz ∆f=12.5 kHz ∆f=25 kHz Valle LOS 210.09 km 30.83 km 11.81 km 242.61 km 10.21 km 5.35 km F Andino LOS 179.32 km 13.88 km 3.86 km 217.25 km 3.18 km 1.34 km H Valle NLOS 141.88 km 30.83 km 14.19 km 159.19 km 12.62 km 7.53 km V Andino NLOS 88.69 km 7.61 km 2.41 km 106.63 km 1.85 km 0.81 km Urbano 22.67 km 5.09 km 2.40 km 25.35 km 2.15 km 1.33 km Valle LOS 93.94 km 15.43 km 6.25 km 123.17 km 6.24 km 3.4 km F Andino LOS 90.32 km 8.75 km 2.72 km 128.13 km 2.71 km 1.24 km H Valle NLOS 65.49 km 14.10 km 6.55 km 82.45 km 6.53 km 3.9 km U Andino NLOS 27.86 km 2.77 km 0.87 km 39.39 km 0.87 km 0.4 km Urbano 13.90 km 3.31 km 1.62 km 17.24 km 1.61 km 0.99 km Universidad de Valladolid 126 Capítulo 5 Resultados - Aplicación de métodos analíticos y numérico y estudio de interferencia de canal adyacente 5.1.1.2 Aplicación del método alternativo de la Rec. ITU SM.337 A continuación, se presentan los resultados del método alternativo de la Rec. ITU SM.337: Figura 5.3: Método Rec. ITU SM.337 alternativo para la banda VHF [21] Figura 5.4: Método Rec. ITU SM.337 alternativo para la banda UHF [21] Tabla 5.3: Aislamiento mínimo en VHF y UHF diferenciando espaciados entre canales según la máscara espectral empleando el método Rec.ITU SM.337 alternativo Rec. ITU SM.337 Máscara espectral tipo B (BW = 25 kHz) Máscara espectral tipo D (BW = 12.5 kHz) alternativo ∆f=0 kHz ∆f=25 kHz ∆f=50 kHz ∆f=0 kHz ∆f=12.5 kHz ∆f=25 kHz Valle LOS 242.61 km 7.24 km 2.46 km 280.16 km 17.70 km 0.58 km F Andino LOS 217.25 km 2.02 km 0.48 km 263.20 km 6.62 km 0.15 km H Valle NLOS 159.19 km 9.59 km 4.05 km 178.62 km 19.60 km 1.27 km V Andino NLOS 106.63 km 1.19 km 0.30 km 128.20 km 3.74 km 0.15 km Urbano 25.35 km 1.65 km 0.71 km 28.36 km 3.30 km 0.23 km Valle LOS 107.56 km 3.95 km 1.43 km 141.03 km 10.48 km 0.42 km F Andino LOS 107.56 km 1.50 km 0.40 km 152.72 km 5.30 km 0.08 km H Valle NLOS 73.48 km 4.43 km 1.87 km 92.51 km 10.15 km 0.66 km U Andino NLOS 33.13 km 0.48 km 0.13 km 46.83 km 1.69 km 0.03 km Urbano 15.48 km 1.12 km 0.50 km 19.20 km 2.43 km 0.19 km Universidad de Valladolid 5.1 Análisis de interferencia co-canal 127 De las Figuras 5.1 y 5.2, el método E-MCL obtiene que se requieren menores distancias de separación cuando los sistemas operan en un BW igual a 25 kHz (máscara tipo B) con respecto a sistemas que operan en un BW igual a 12.5 kHz (máscara tipo D) debido, principalmente, a la RFPR obtenida de manera experimental. Este hecho se constata con los valores obtenidos en la Tabla 5.2 comparando las distancias para un mismo desplazamiento frecuencial sobre la máscara espectral ( ∆f ) y se verifica igualmente en las Figuras 5.3, 5.4 y Tabla 5.3 para el método Rec. ITU SM.337 alternativo. Las mayores distancias de separación en sistemas operando a la misma frecuencia cocanal, tanto para VHF como UHF en ambos métodos analíticos, se obtienen al considerar los modelos de propagación de valle yandino en condiciones de LOS. Sin embargo, el comportamiento cambia cuando los sistemas se separan en frecuencia al menos un canal para ambos BW: la separación en distancia se vuelve más exigente cuando se consideran los modelos de propagación de valle LOS y valle NLOS, tal como presenta la Tabla 5.2. Se observa que empleando el método E-MCL para sistemas operando con un BW igual a 25 kHz se requieren al menos dos canales de separación en frecuencia para que los sistemas puedan operar en distancias cercanas sin generar interferencias perjudiciales entre ellos; mientras que, utilizando ese mismo método, los sistemas operando con un BW igual a 12.5 kHz requieren al menos un canal de separación en frecuencia (las columnas Tipo B| ∆f= 50 kHz -dos canales de BW = 25 kHzy Tipo D| ∆f= 12 , 5kHz -un canal de BW = 12.5 kHzde la Tabla 5.2 son comparables). En cambio, este comportamiento no se mantiene al aplicar el método ITU SM.337 alternativo. El método ITU SM.337 alternativo es más demandante con respecto al aislamiento cuando los sistemas operan con una separación en frecuencia menor a ∆f= 15 kHz para cada una de las frecuencias de trabajo y las dos máscaras espectrales consideradas. Por otra parte, para valores de ∆f superiores a 15 kHz, las curvas de separación en distancia decaen más rápidamente en comparación con el método E-MCL, obteniendo distancias menores a medida que aumenta la separación en frecuencia entre los sistemas considerados. Lo anterior ratifica el hecho de que para sistemas operando en VHF y UHF con BW igual a 12.5 kHz y 25 kHz se requieren al menos dos canales de separación en frecuencia para que los sistemas puedan operar sin interferencias en un mismo emplazamiento. Para el análisis, se considera el método E-MCL y el modelo de propagación de valle LOS, ya que proporcionan el máximo aislamiento en términos generales, debido a que se trabaja con el método analítico y el modelo de propagación más conservadores. Universidad de Valladolid 128 Capítulo 5 Resultados - Aplicación de métodos analíticos y numérico y estudio de interferencia de canal adyacente 5.1.2 Aplicación del método numérico de Monte Carlo En esta sección, se presenta la aplicación del método numérico para la estimación del aislamiento entre sistemas CLMR conocido como método de Monte Carlo. Dicho método estadístico, descrito en la sección 2.6 del Capítulo 2, permite evaluar la probabilidad de interferencia y el uso simultáneo de frecuencias en distintos escenarios en función de la distancia mínima de separación entre sistemas [21]. Para la aplicación del método de Monte Carlo se consideran las más exigentes características y valores extremo de los sistemas CLMR, para garantizar el mayor aislamiento frente a la interferencia. Los parámetros fijos están relacionados con la frecuencia de operación, la máxima potencia de transmisión y las ganancias, entre otros, y los parámetros variables dependen de la distancia de los transmisores interferentes con respecto al receptor víctima de interferencia y la consideración de un factor aleatorio de desvanecimiento lento, el cual permite modelar efectos de degradación por obstrucciones y depende del modelo de propagación considerado [21]. La Tabla 5.4 presenta los parámetros generales de sistemas CLMR utilizados en el análisis de aislamiento mediante la aplicación del método numérico de Monte Carlo [ 21 ]. Tabla 5.4: Parámetros de radio móvil utilizados para el análisis de aislamiento mediante la aplicación del método numérico de Monte Carlo Escenario valle LOS Potencia de transmisión (PINT )−→ 25 W | 43.98 dBm Ganancia de la antena repetidora (GINT )−→ 10 dBi Ganancia de la antena móvil (GV ICT )−→ 3 dBi Frecuencia de trabajo (f)−→ VHF: 138 MHz UHF: 470 MHz Relación de protección (RF P R)−→ VHF: 7 dB|BW=25kHz 9 dB|BW=12,5kHz UHF: 6 dB|BW=25kHz 10 dB|BW=12,5kHz Nºde transmisores interferentes - −→ 1 Para el análisis de aislamiento, se empleó únicamente el modelo de propagación experimental del escenario de valle en condición de LOS, debido a que es el modelo de propagación que alcanza el máximo rango de distancias (de hasta 140 km). Universidad de Valladolid 5.1 Análisis de interferencia co-canal 129 Además, es el modelo que brinda las mejores condiciones de propagación, por lo que los resultados obtenidos garantizan un aislamiento adecuado entre sistemas CLMR en las bandas de frecuencia de VHF y UHF al considerar el peor caso en cuanto a propagación más favorable. El método de Monte Carlo considera un único receptor víctima de interferencia ubicado en el centro del escenario de implementación, un transmisor deseado ubicado a una distancia de 20 km del receptor, y un único transmisor interferente distribuido aleatoriamente alrededor del receptor víctima de interferencia, tal y como se muestra en la Figura 5.5. El tamaño inicial del escenario de implementación tiene una dimensión de 240 km de largo x 240 km de ancho, el cual se va modificando con el fin de obtener el valor medio de distancia entre transmisor interferente y receptor víctima de interferencia que garantice una probabilidad de interferencia co-canal admisible [21]. Figura 5.5: Escenario de implementación considerado en la aplicación del método numérico de Monte Carlo El análisis de aislamiento se inicia calculando el balance del enlace radioeléctrico de la señal deseada en el receptor víctima de interferencia, utilizando para ello el modelo de pérdidas de propagación de valle en LOS y los parámetros de los componentes del sistema. Luego, se ubica el transmisor interferente en el escenario de manera aleatoria siguiendo una distribución uniforme alrededor del receptor víctima de interferencia. Después, se calcula la distancia y el balance del enlace radioeléctrico de la señal interferente en el receptor víctima de interferencia, teniendo en cuenta el efecto del desvanecimiento lento y los valores límites de los parámetros que garanticen el mayor aislamiento posible de los sistemas frente a interferencia. Tras determinar los niveles de potencia de la señal recibida deseada y la señal recibida interferente en el receptor, se calcula la Relación Portadora a Interferencia (CIR, Carrier to Interference Ratio) de la realización. Universidad de Valladolid 130 Capítulo 5 Resultados - Aplicación de métodos analíticos y numérico y estudio de interferencia de canal adyacente El proceso se repitió 100.000 veces con el fin de obtener un número considerable de realizaciones del sistema y con ello obtener una tendencia estadística de los resultados, lo que permitió evaluar la probabilidad de que el receptor víctima de interferencia logre la RFPR requerida. Los resultados se presentan como histogramas de la CIR y la Función de Distribución Acumulativa (CDF, Cumulative Distributive Function), obteniendo estas últimas a partir de los histogramas de la CIR y extrayendo la probabilidad de interferencia perjudicial en el receptor. En sistemas de comunicación, un criterio de interferencia aceptable, compatibilidad o de calidad de servicio, consiste en asegurar que la probabilidad de interferencia del sistema sea inferior o igual al 10%, es decir, que se obtengan valores de la CIR en el receptor víctima de interferencia mayores a la RFPR establecida en al menos el 90% de los casos. Las Figuras 5.6 y 5.7 referidas a la banda VHF para BW igual a 12.5 kHz y 25 kHz, respectivamente, junto con las Figuras 5.8 y 5.9 referidas a la banda UHF para BW igual a 12.5 kHz y 25 kHz, respectivamente, presentan los resultados de aplicación del método de Monte Carlo considerando un único transmisor interferente y el modelo de propagación de valle en condiciones de LOS. Las figuras están compuestas por dos imágenes, donde en la parte izquierda se presentan los histogramas de la CIR, mientras que en la parte derecha se presenta la CDF. El eje horizontal del histograma representa el rango de posibles valores de la CIR que pueden ser obtenidos en cada iteración de la simulación aplicando un truncamiento para obtener únicamente el número natural en dB. Por otra parte, el eje horizontal de la CDF, al igual que en el histograma de la CIR, representa el rango de posibles valores de la CIR que pueden ser obtenidos, mientras que el eje vertical representa la probabilidad de que la CIR sea menor o igual al rango considerado en el eje horizontal [21]. Universidad de Valladolid 5.1 Análisis de interferencia co-canal 131 Figura 5.6: Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 12.5 kHz en VHF Figura 5.7: Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 25 kHz en VHF En la Tabla 5.5 se presentan los resultados de la aplicación del método de Monte Carlo para la banda VHF. En ella, se contemplan los valores de la media y desviación estándar de la variable aleatoria CIR, junto con el valor de distancia promedio que garantiza una probabilidad de interferencia co-canal para la banda VHF menor o igual al 10%, es decir, Pr(CIR ≤9 dB)≤ 0 , 1para BW = 12.5 kHz y Pr(CIR ≤7 dB)≤ 0 , 1para BW = 25 kHz, empleando las RFPR obtenidas en las pruebas de laboratorio para los distintos BW. Tabla 5.5: Resultados de la aplicación del método numérico de Monte Carlo en la banda VHF VHF Media CIR Desviación Probabilidad Tamaño Distancia Valle LOS estándar interferencia escenario promedio BW = 12.5 kHz 20.81 dB 8.98 0.096 285 x 285 108.65 km BW = 25 kHz 18.62 dB 8.97 0.098 240 x 240 92.08 km Universidad de Valladolid 132 Capítulo 5 Resultados - Aplicación de métodos analíticos y numérico y estudio de interferencia de canal adyacente Figura 5.8: Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 12.5 kHz en UHF Figura 5.9: Histograma de la CIR (izquierda) y la CDF (derecha) con BW = 25 kHz en UHF En la Tabla 5.6 se presentan los resultados de la aplicación del método de Monte Carlo para la banda UHF, donde se contemplan los valores de la media y desviación estándar de la variable aleatoria CIR, junto con el valor de distancia promedio que garantiza una probabilidad de interferencia co-canal para la banda UHF menor o igual al 10%, es decir, Pr(CIR ≤10 dB)≤ 0 , 1para BW = 12.5 kHz y Pr(CIR ≤6 dB)≤ 0 , 1para BW = 25 kHz, empleando las RFPR obtenidas en las pruebas de laboratorio para los distintos BW. Tabla 5.6: Resultados de la aplicación del método numérico de Monte Carlo en la banda UHF UHF Media [dB] Desviación Probabilidad Tamaño Distancia Valle LOS estándar interferencia escenario promedio BW = 12.5 kHz 21.51 dB 9.47 0.096 255 x 255 94.86 km BW = 25 kHz 18.73 dB 9.44 0.096 210 x 210 80.60 km Universidad de Valladolid