Diseño y Desarrollo de Mapas de Entorno Radio en Redes Móviles Celulares

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1 Diseño y Desarrollo de Mapas de Entorno Radio en Redes Móviles Celulares Juan Antonio ROMO ARGOTA Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad del País Vasco Euskal Herriko Unibertsitatea BILBAO, E-48014, ESPAÑA juanantonio.romo@ehu.es Ignacio FERNÁNDEZ ANITZINE Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad del País Vasco Euskal Herriko Unibertsitatea BILBAO, E-48014, ESPAÑA RESUMEN La actual penetración en la población de los servicios de comunicaciones móviles e inalámbricas y el masivo despliegue de redes de acceso radio, tanto en bandas licenciadas como no licenciadas, lleva asociado una elevada cantidad de infraestructura de estaciones fijas. Los nuevos productos, tecnologías y aplicaciones en redes inalámbricas exigirán un mayor número de estaciones base y un despliegue de emplazamientos que en muchos casos se solaparán en parte con los existentes. En este proyecto se pretende identificar y estructurar la información sobre las infraestructuras radioeléctricas en lo relativo a la caracterización de la utilización del espectro radioeléctrico, desarrollando un sistema de información, soportado en bases de datos geolocalizadas, que posibilite caracterizar y registrar los parámetros radioeléctricos de dichas infraestructuras y permita su integración en un Mapa de Entorno Radio (MER), necesario para la implementación de las emergentes Radios Cognitivas. Palabras Claves: Comunicaciones móviles, Sistemas inalámbricos, Mapa de entorno radioeléctrico, Geolocalización, Sistemas de Información Geográfica, Espectro radioeléctrico, Redes Cognitivas.. 1. INTRODUCCIÓN Desde hace varias décadas los ciudadanos han venido disfrutando los servicios de radiodifusión de televisión y radio de manera generalizada en su vida cotidiana. Para ello se ha requerido la instalación de emisores radioeléctricos de potencia elevada que posibilitasen la prestación de tales servicios. La introducción de la competencia en el sector de las telecomunicaciones, se ha traducido en una mayor diversidad en la oferta de servicios para empresas y ciudadanos, especialmente en los servicios de telefonía móvil e inalámbrica. Las políticas de regulación del espectro radioeléctrico que se han venido aplicando hasta la fecha han sido de dos tipos: Bandas licenciadas, en las que se asigna derechos en exclusividad a los operadores. Bandas no licenciadas, en las que se permite el uso libre por parte de los operadores y/o usuarios particulares. La gran diversidad de oferta tanto en bandas licenciadas como no licenciadas y sus niveles de calidad y cobertura asociados, requiere la existencia de un elevado número de instalaciones radioeléctricas. De esta forma se ha estado asistiendo en los últimos años a una proliferación indiscriminada de antenas de radio sobre soporte fijo en entornos urbanos y rurales. Este proceso no ha llegado ni mucho menos a su final. En estos momentos estamos en pleno proceso de despliegue de redes con nuevas tecnologías móviles de tercera generación (3G) y de nuevos sistemas inalámbricos como WiFi o WIMAX. Los nuevos productos, tecnologías y aplicaciones en las redes inalámbricas precisarán un mayor número de estaciones fijas y de estructuras radiantes, con un despliegue de emplazamientos que en muchos casos se superpondrá en parte al de las redes actuales. En este contexto se hace necesario una mayor actuación directa de las Administraciones reguladoras en materias de telecomunicaciones en el control, inspección, registro y armonización del despliegue del parque de infraestructuras, actual y previsto, de los distintos agentes involucrados. Las políticas actuales de asignación de bandas licenciadas conllevan una asignación estática del espectro disponible, con un uso no optimizado del mismo y con unos elevados costes de obtención de licencias. En las bandas no licenciadas, la eficiencia espectral es reducida, debido en gran medida a la ausencia de coordinación entre usuarios y a los elevados niveles de interferencia. Todo ello ha conducido a la aparición de una nueva política de asignación de recursos radioeléctricos, más flexible y dinámica, bajo la denominación de Radios Cognitivas (CR, del inglés Cognitive Radios). Los dispositivos cognitivos tienen la capacidad de medir la ocupación espectral de determinadas bandas frecuenciales, determinar cuáles están siendo utilizadas y reconfigurar de manera apropiada los parámetros de transmisión para aprovechar los huecos espectrales. Para el soporte de las funciones de conocimiento, aprendizaje y toma de decisiones, requieren disponer de una información actualizada sobre las redes de su entorno. El conocimiento en tiempo real de la ocupación espectral se basa en bases de datos geolocalizadas de los parámetros radioeléctricos de las instalaciones, para entornos tanto interiores como exteriores. El órgano regulador de Estados Unidos, FCC (Federal Communication Commission), en decisión de Noviembre de 2008, ha autorizado el uso de dispositivos cognitivos en los canales libres de la banda de televisión, requiriendo el acceso a base de datos, informando de su posición para así recabar información de canales

2 libres. Está en marcha el proceso de selección de las entidades que gestionarían dicha base de datos. En Europa, aunque el proceso regulador de las radios cognitivas va a un ritmo más lento, cabe esperar que, del mismo modo, se priorice el uso de bases de datos geolocalizadas frente a otros esquemas de monitorización o sensado espectral. Con este trabajo se pretende aportar las bases de diseño y desarrollo de un sistema de información de los parámetros radioeléctricos internos a la red y de redes externas que facilite un soporte estructurado para la construcción de Mapas de Entorno Radio. Los requisitos básicos del Sistema de Información se pueden resumir en: Registrar en bases de datos la información radioeléctrica relacionada con la caracterización de la ocupación del espectro de los transmisores. Los datos de información radioeléctrica deben tener una información geográfica añadida y estar almacenada en base de datos. Integrar, almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar la información geográficamente referenciada, con accesos flexibles desde diferentes formatos y terminales. El sistema debe ser concebido como una herramienta dinámica, en oposición a los mapas estáticos, permitiendo incluir o eliminar elementos de análisis de forma sencilla. 2. TIPOLOGÍAS DE ESTACIONES DE RADIO Dentro de las bandas licenciadas, los sistemas más utilizados se pueden clasificar en los siguientes servicios: Radiodifusión Sonora: existen tres tipos, diferenciados en frecuencias de trabajo de khz para la onda media, 3-30 MHz para onda corta y MHz para frecuencia modulada. Emplean potencias muy altas, de varios kilovatios con sistemas radiantes de baja ganancia en general, salvo en los emisores de FM que pueden emplear antenas directivas de ganancia media. GSM, Global System for Mobile Communications, principalmente en Europa. ITU IS-95, también conocido como CDMAOne, extendido en EEUU y Asia IS-136 o D-AMPS, en EEUU. La Tercera Generación de comunicaciones móviles o 3G representa el conjunto de estándares diseñados con el objetivo de implantar redes que soportan mayor capacidad para la transmisión de datos en movilidad, suponiendo la llegada de la banda ancha a las comunicaciones móviles. Las tecnologías más implantadas de 3G, definidas por IMT-2000 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, son: Estándar UMTS (Universal Mobile Telephone System), basado en la tecnología W-CDMA, en Europa y Japón. Estándar CDMA2000, compatible con el estándar IS-95B (CDMAOne). Estándar UWC-136, compatible con los sistemas IS-136. Las Bandas no licenciadas más utilizadas son las atribuidas a nivel mundial para aplicaciones Industriales, Científicas y Médicas (ICM), bandas de 2.4 GHz ( MHz) y 5.8 GHz ( MHz). Como ejemplo de utilización de estas bandas se pueden citar los estándares IEEE (WIMAX) y IEEE (WiFi). La cuarta generación de tecnologías de telefonía móvil, o 4G se contempla como un conjunto de protocolos y tecnologías basados totalmente en IP, con tecnología de acceso radio OFDMA, que ofrecerá el máximo rendimiento con velocidades de acceso entre 100 Mbps (movimiento) y 1 Gbps (reposo), QoS, alta seguridad y mínimo coste posible. En la siguiente figura se representa un esquema de convergencia de tecnologías hacia la cuarta generación. Radiodifusión de Televisión: trabajan principalmente en la banda de UHF, de 400 a 800 MHz. Emplean potencias muy altas, de decenas de Kw, y antenas que pueden llegar a ser bastante directivas. Comunicaciones Móviles: Son las más comunes y abundantes; trabajan en frecuencias de 900MHz y 1800 MHz para GSM y en MHz para otros sistemas como UMTS. Estas estaciones emplean potencias de emisión de decenas de vatios, con conjuntos de antenas de alta ganancia, cuya disposición varía mucho en función del lugar de instalación y las necesidades de cobertura. Los sistemas de comunicaciones móviles 2G o de Segunda Generación representan un conjunto de familias de estándares móviles digitales de banda estrecha. Los principales estándares por su presencia en el mercado son: Fig. 1 Convergencia de tecnologías hacia las redes 4G Las estaciones radioeléctricas que posibilitan la prestación de todos estos servicios actuales y previstos se pueden clasificar según la siguiente tipología: ER1: Estaciones radioeléctricas compuestas por instalaciones con mástiles o estructuras soportes directamente sobre el terreno, con una potencia isotrópica radiada equivalente superior a 10 vatios, proporcionando

3 cobertura de tipo macrocelular a entornos suburbanos, rurales, carreteras y poblaciones cercanas. Fig. 4 Estación radioeléctrica de tipo ER4 para picocélulas 3. CARACTERIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS RADIOELÉCTRICOS Fig. 2 Estación radioeléctrica de tipo ER1 ER2: Estaciones radioeléctricas ubicadas en suelo urbano, que utilizan instalaciones con mástiles soportados sobre los tejados o azoteas de edificios, con potencia isotrópica radiada equivalente superior a 10 vatios. Se utilizan para dar cobertura en zonas urbanas de gran tamaño y densas en cuanto a población y tráfico. Las antenas de estas estaciones se sitúan por encima de los tejados de los edificios, en zonas dominantes en altura para conseguir el máximo alcance radioeléctrico y evitar las pérdidas por obstrucción en edificios cercanos. Las pérdidas de propagación en el enlace radioeléctrico están determinadas principalmente por la difracción y la dispersión en los tejados de los edificios cercanos al móvil. Para la caracterización de los elementos radioeléctricos que afectan al mapa de entorno radio, se han definido las siguientes entidades básicas: A. Estaciones Transmisoras: Contiene información de los transmisores, caracterización de la utilización del espectro. ER3: Estaciones radioeléctricas ubicadas en las fachadas de edificios o en elementos ornamentales viales, como pueden ser farolas, tratando de integrase como un elemento más de la vía pública. Se usan principalmente para ofrecer cobertura en zonas de ciudades con elevada densidad de tráfico y penetración en interiores de edificios, donde la zona de cobertura es aproximadamente una calle o un conjunto de edificios en dichos entornos. ER4: Estaciones radioeléctricas ubicadas dentro de edificios, con potencia isotrópica radiada equivalente inferior o igual a 10 vatios. Están orientadas específicamente a dar cobertura en interiores o en zonas exteriores próximas, con un servicio de acceso público y colectivo. En este apartado se incluirían las estaciones radioeléctricas que proporcionan cobertura celular de picocélulas y femtocélulas. a la Los atributos esenciales que forman la entidad son los siguientes: Tipo de asignación: licenciada o no licenciada, y en su caso operador de la red de acceso. Tipo de Estación. Servicio para que se utiliza esa estación Tipo de modulación. Portadoras moduladas disponibles del espectro canalizado. Potencia Máxima por Portadora. Código de la antena a la que se conecta. Fecha_Alta: es la fecha en la que la estación comenzó a funcionar. Fecha_Baja: fecha en la que la estación dejó de ser operativa. Fig. 3 Estación radioeléctrica de tipo ER2 asociada B. Antenas: Contiene las características de las estructuras radiantes utilizadas. Tipo de antena Ganancia nominal de la antena para cada banda frecuencial. Ángulo de inclinación mecánico o eléctrico. Apertura horizontal del haz a 3 db. Apertura vertical del haz a 3 db. Relación lóbulo principal a lóbulo secundario.

4 Relación delante detrás: relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta. Código del mástil. Altura en el mástil. C. Mástil Está entidad hace referencia a los mástiles en los que se encuentran las antenas de las estaciones, con atributos como cota base del terreno y altura total. D. Infraestructura_Radioeléctrica: Contiene toda la información relativa a las características físicas y geográficas del emplazamiento. Mediante esta entidad se posibilita la geolocalización de las estaciones radioeléctricas E. Simulación de la Propagación y Cobertura Radioeléctrica: La cobertura radioeléctrica de un transmisor es la zona en la cual la intensidad de campo, es mayor o igual que un umbral determinado que permite el correcto funcionamiento del servicio de radiocomunicaciones. Se han implementado modelos de propagación que permiten predecir los niveles de señal recibida procedente de una fuente caracterizada en la base de datos o de varias fuentes simultáneas. Para ello se utilizan en simulaciones de exteriores modelos cartográficos de la altimetría del terreno y de los obstáculos de edificios, en 3 dimensiones. Para entornos de interiores se emplean planos detallados de los edificios. Los cálculos de la propagación en exteriores se realizan con modelos derivados del Método de propagación COST Walfisch- Ikegami. Para interiores se utilizan diversos modelos empíricos y de trazado de rayos. F. Medidas Radioeléctricas de Banda Ancha: Estas medidas se corresponden con niveles de emisión que permiten caracterizar ambientes radioeléctricos de forma rápida, aunque no ofrecen información de cada componente espectral. Para la realización de estas medidas se utilizan equipos de medida de banda ancha con sondas isotrópicas. Los atributos incluidos en la base de datos sobre las medidas de banda ancha, son las siguientes: Coordenadas UTM del punto de medida, recogida por medio de un receptor GPS. Intensidad de campo eléctrico de la señal recibida en voltios por metro. Densidad de potencia en vatios por metro cuadrado. Fecha de la medida: especifica el momento en que se toma la medida. Instrumentación: hace referencia a los equipos utilizados para realizar las medidas. G. Medidas Radioeléctricas de Banda Estrecha: Las medidas en banda estrecha son mediciones de señal correspondientes a cada canal radioeléctrico radiado por una fuente transmisora. Los canales dependen del servicio transmitido, por lo que se debe recoger datos con atributos diferentes para cada servicio y banda espectral de medida. Para estas medidas se emplean analizadores de espectro o receptores de banda ancha selectivos en frecuencia y antenas calibradas con el factor de antena correspondiente para cada banda de trabajo. Para cada medida se definen atributos de potencia recibida o intensidad de campo, coordenadas del punto de medida, tipo de instrumentación y momento de la medida, similares a los descritos para la entidad de medidas de banda estrecha. H. Geolocalización: Un aspecto fundamental en la definición del sistema de información es el tratamiento que se da a la geolocalización del mapa de entorno radio. El enfoque propuesto se basa en un Sistema de Información Geográfica, SIG, que es un sistema de hardware, software y procedimientos elaborados para facilitar la obtención, gestión, manipulación, análisis, modelado, representación y salida de datos referenciados espacialmente. De este modo, se posibilita la extracción de relaciones, tendencias o patrones que no se distinguen en el formato de tablas o listas. El SIG funciona como una base de datos con información geográfica (datos alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador común a los objetos gráficos de un mapa digital. De esta forma, señalando un objeto se conocen sus atributos e, inversamente, preguntando por un registro de la base de datos se puede saber su localización en la cartografía. El sistema permite la gestión de información espacial, separando la información en diferentes capas temáticas y facilitando la posibilidad de su relación a través de la topología de los objetos. La información geométrica (gráfica) y de atributos (no gráfica) se guarda en lo que se denomina almacén. El programa permite ver varios conjuntos de datos de diferentes almacenes en diversos formatos en un único GeoWorkspace. Esto significa que se pueden realizar análisis espaciales de datos de distintas procedencias en formatos diferentes mediante las zonas de influencia, consultas espaciales y visualizaciones temáticas.

5 Todas las entidades de una base de Datos que utilicen datos geométricos, deben tener asociado un sistema de coordenadas. Este sistema de coordenadas se establece al definir las entidades de la base de Datos. La aplicación desarrollada utiliza una base de datos SQL Server en la que se recogen los datos pertenecientes a las infraestructuras radioeléctricas (emplazamientos), medidas de niveles de emisión y simulaciones de la propagación radioeléctrica. En la ventana de mapa las entidades se representan por geometrías y, en la ventana de datos, por atributos. Las ventanas están vinculadas; por tanto, los cambios realizados en una se reflejan en la otra de manera automática. 4. MODELO DE DATOS Se ha generado un Modelo de Datos que recoge toda la información de la aplicación y su flujo. Este modelo permite la modificación de la aplicación generada, además de reflejar todo el flujo de información y sus relaciones. Las relaciones entre las entidades se reflejan en el siguiente diagrama. Fig. 6 Imagen de simulación de propagación en la aplicación desarrollada Para el desarrollo se ha utilizado el lenguaje C#.NET sobre Windows Vista Enterprise con GeoMedia Professional como herramienta GIS de visualización de información raster. 5. CONCLUSIONES En este trabajo se ha propuesto un modelo de sistema de información de parámetros radioeléctricos relacionados con la utilización del espectro por estaciones fijas, que pueda servir como soporte a las Administraciones regulatorias para el control de las instalaciones y la asignación de emisiones. Asimismo se pretende sirva de soporte en el desarrollo de las futuras radios cognitivas como mapa de entorno radioeléctrico, compuesto por bases de datos integradas de información multidominio tal como las características geográficas, servicios disponibles, regulación del espectro y localización y funcionamiento de las estaciones de radio. Fig. 5 Relaciones entre entidades radioeléctricas Una infraestructura radioeléctrica está compuesta por varias estaciones o equipos transmisores/receptores. Cada estación pertenece a un operador y presta un servicio. Cada estación lleva asociada una antena (en el caso de estructuras MIMO se considera a efectos de parametrización que cada antena se asocia a una estación, pudiéndose enviar la misma información por varias estaciones), que tendrá una serie de atributos de antena. Una misma antena puede emplearse para varias estaciones (antenas duales o tribanda). Cada antena está asociada a un único mástil, con los atributos del mástil. Cada mástil estará asociado a un único emplazamiento o infraestructura radioeléctrica. Para conseguir las relaciones anteriores se definen atributos de identificación que permiten relacionar una entidad con otra relacionada. El sistema propuesto se ha desarrollado e implementado con los datos radioeléctricos de la ciudad de Bilbao, en España. La complejidad de la información geolocalizada puede hacer aconsejable la adopción de varios niveles de mapas de entorno radioeléctrico, reduciéndose con ello latencias en los accesos y capacidades de memoria involucradas. Un nivel global proporcionaría una visión general de la red, mientras que en el nivel local se almacenarían informaciones detalladas sobre elementos de red y cartografía de planos de edificios en zonas más reducidas. Necesariamente debería de existir un intercambio de información entre mapas de distintos niveles con objeto de mantener la información actualizada. Un aspecto importante en la implementación de este sistema reside en la seguridad de acceso y actualización de la información, debiéndose abordar más en profundidad las políticas de protección de datos, privacidad y fiabilidad de la información almacenada. 6. REFERENCIAS [1] Youping Zhao, Morales L., Gaeddert, J., Bae K.K, Jung-Sun Um, Reed J.H. Applying Radio Environment Maps to Cognitive Wireless Regional Area Networks. New Frontiers

6 in Dynamic Spectrum Access Networks, DySPAN nd IEEE International Symposium on April [2] Youping Zhao, Bin Le and Jeffrey H. Reed1Gaeddert. Network Support: The Radio Environment Map. Cognitive Radio Technology, Capítulo 11. Elsevier Inc [3] Juha Korhonen. Introduction to 3G mobile communications. Artech House, 2003 [4] Federal Communication Committee (FCC), Facilitating Opportunities for Flexible, Efficient, and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies, FCC NAO 05-57, March 11, [5]