Modelo de propagación para la tecnología CDMA 450 en enlaces rurales.

Suárez Rosales Eduardo Alejandro, eduardo.suarez@ieee.org Profesional en formación Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones

Universidad Técnica Particular de Loja Resumen– La tecnología CDMA 450 es una tecnología emergente para servicios de telecomunicaciones en poblaciones o sectores rurales por su gran cobertura, mayor tamaño de sus celdas, ahorro en equipos por la frecuencia de trabajo y el uso eficiente del espectro. CDMA 450 es una tecnología de tercera generación y por lo tanto puede ofrecer servicios como voz, SMS, MMS, tráfico de datos de banda ancha, TV móvil, servicios de emergencia, etc. con alta fidelidad en áreas de baja densidad poblacional como sectores rurales. Su modelado se basa en la propagación de ondas de Hata – Okumura añadido al modelado de interiores (indoor propagation) en un caso de estudio para el cantón Loja para dar el servicio de voz hacia la población de Malacatos.

I. INTRODUCCIÓN

CDMA2000 es la familia de tercera generación de las comunicaciones celulares estándares CDMA que soportan voz y tráfico de datos, con la capacidad de compatibilidad con CDMAOne para proveer una transición equitativa desde redes 2G a 3G. Un aspecto importante de dicha compatibilidad es la habilidad de soportar tanto las redes CDMA2000 y CDMAOne en el mismo espectro. El más reciente estándar para datos llamado CDMA1xEVDO (Evolution Data Optimized) añade el servicio de transmisión de datos de alta velocidad a CDMA 2000 desarrollando un segundo par de canales para el switcheo de paquetes en la transmisión de datos. La primera versión se llamó Release 0 y ofrece un máximo en velocidad de datos de 2.44 Mbps en transmisión (estación base - móvil) y 153 kbps de subida (móvil – estación base). La nueva versión

conocida como Revision A ofrece velocidades superiores de hasta 3.1 Mbps de downlink y 1.8 Mbps para uplink. La UIT reconoció la banda de 450 – 470 MHz para IMT (International Mobile Telecommunications - 2000). CITEL recomienda el uso de 410 – 430 MHz y 450 – 470 MHz para servicios de comunicaciones digitales fijos y móviles, particularmente en áreas de baja densidad poblacional.

II. CARACTERÍSTICAS DE LA

TECNOLOGÍA CDMA 450

CDMA 450 aprovecha todas las ventajas y características de la versión de CDMA 1xEVDO como la tasa de transmisión de datos y de voz operando en la banda de 450 MHz lo que implica un sustancial ahorro en equipos por la frecuencia de trabajo, mejor propagación en espacio libre (outdoor), menores pérdidas por propagación y celdas de cobertura más grandes. Ventajas de CDMA 450 Existen muchas razones para el uso de la tecnología CDMA 450, que además de su frecuencia de trabajo posee ventajas competitivas principalmente en economías emergentes de zonas rurales. a. Mayor cobertura (tamaño de celdas)

La principal razón para inclinarse por CDMA 450 es sus características superiores de propagación y su alto porcentaje de penetración (in - builiding), donde se realiza el 70% de las conexiones de banda ancha inalámbrica, comparado con las frecuencias (800, 900, 1800, 1900 MHz) con una diferencia considerable. Como resultado tenemos celdas de cobertura más grandes y por lo tanto se puede reducir

el número de estaciones base (BTS) necesarias para cubrir una determinada área. Tabla 1 Radio de celda con respecto a la frecuencia1

Frecuencia (MHz)

Radio de la celda

(km)

Área de la celda (km2)

Número de celdas

relativas 450 48.9 7521 1 850 29.4 2712 2.8 950 26.9 2269 3.3

1800 14.0 618 12.2 1900 13.3 553 13.6 2500 10.0 312 24.1

Es razonable pensar que cuando se dobla la frecuencia, se cuadriplica el número de estaciones requeridas; y por lo tanto, resulta en términos económicos eficiente el uso de CDMA 450 para zonas rurales en donde la densidad poblacional es baja y el territorio que se debe cubrir es extenso. Para corroborar lo expuesto, Celedonio van Wuthenau, director de América Latina y El Caribe del CDMA Development Group (CDG) afirma que: “La ventaja de utilizar los 450 MHz es la gran propagación de la señal con la utilización de una sola estación base. Se calcula que sin ningún obstáculo una estación base CDMA2000 en los 450 MHz podría cubrir hasta 80 kilómetros en la práctica” b. Mayor flexibilidad en el tamaño de celdas

La tecnología CDMA maneja la relación entre su capacidad y la cobertura por medio del control de su mecanismo de potencia y la dinámica del tamaño de sus celdas, por ejemplo cuando su capacidad máxima no sea utilizada es posible brindar servicio a más usuarios, o caso contrario entregar el máximo de capacidad cuando el rango máximo de cobertura no lo requiera. Este efecto dinámico de las celdas se lo

1 IEEE Communications Magazine, January 2007, Vol. 45 Nº1, pag 130

cataloga como “cell breathing” o “celda respirando” y sucede cuando más usuarios se conectan a la estación base, se reduce el rango de efectividad de la celda. Este aparente problema por lo general no se presenta en escenarios rurales por su densidad poblacional y por las exigencias propias del lugar; en contraste a un escenario urbano en donde la cobertura y su capacidad es un factor primordial y por lo tanto sus celdas se reducen considerablemente. c. Uso del espectro

En muchos países como Argentina, México, Perú, Surinam, Venezuela e incluyendo el Ecuador, el canal de los 450 MHz fue utilizado para la transmisión de portadoras de celular para comunicaciones analógicas y actualmente está fuera de uso. Este canal que se encuentra libre, puede ser concesionado de manera más exequible que otras frecuencias con varios actores en disputa. Por esta razón países como Belice, Bolivia, Brasil, Colombia, El Salvador, Guatemala, Honduras, Jamaica, Nicaragua, Panamá, Paraguay y República Dominicana han expresado su interés en el uso del espectro para esta tecnología. d. Servicios y aplicaciones

CDMA 450 como red de tercera generación posee las mismas aplicaciones de CDMA2000 como por ejemplo: servicios de voz, SMS, MMS, datos de banda ancha, bajada de videos, bajada de música, push-to-talk (PTT), servicios de localización, TV móvil, servicios de emergencia, seguridad nacional, tele-educación y tele-medicina. e. Una tecnología comprobada y estable

La tecnología CDMA es una tecnología respaldada por empresas protagonistas en el campo de las telecomunicaciones como Qualcomm, Huawei, ZTE, Alcatel – Lucent, UTStarcom y Nortel por mencionar algunas; además su implementación está enfocado en economías emergentes y en desarrollo. Actualmente existen más de 15 millones de suscriptores CDMA 450 en 55 países en el mundo, utilizando servicios ofrecidos por 100 operadores, de los cuales 95 tienen

redes comerciales CDMA2000 1x, 42 EV-DO Release 0 y 14 EV-DO Rev A. III. MODELADO DE PROPAGACIÓN PARA

EL SISTEMA DE COMUNICACIÓN BASADO EN TECNOLOGÍA CDMA 450

a. Degradación de edificios

Los edificios crean 3 tipos de degradación en una comunicación: • Crean espacios de sombra cuando la estación base y el terminal del usuario están en lados opuestos. • Las superficies reflexivas verticales crean enlaces de radio alternativos y se suman a los problemas de propagación multitrayecto. • Los usuarios dentro de edificios deben mantener la comunicación aunque no posean línea de vista directa por causa de paredes, ventanas, puertas y otros obstáculos. Las llamadas en el interior de los edificios crean verdaderos problemas porque las paredes y las ventanas producen cambios rápidos en los enlaces de radio, ambos factores en intensidad y en multiplicidad. Esto produce un inapropiado servicio a los clientes, pérdidas de llamadas, y una pobre calidad en la voz. Para calcular las pérdidas aproximadas de todo el sistema de comunicación CDMA se recurre a aplicar modelos de propagación de manera que se pueda prevenir posibles inconvenientes o mejorar alguno existente.

b. Modelo Hata – Okumura El modelo Hata – Okumura es un modelo de pérdidas desarrollado en la ciudad de Tokyo. El valor de estimación es muy cercano a los valores reales medidos. Este modelo divide los ambientes o

escenarios en “ciudad larga”, “ciudad mediana-pequeña”, “suburbana” y “abiertas”2

La fórmula básica del modelo Hata-Okumura es: 𝐿𝐿0 = 69.55 + 26.16𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑓𝑓 − 13.82 logℎ𝑏𝑏 − 𝛼𝛼(ℎ𝑚𝑚) +(44.9 − 6.55 logℎ𝑏𝑏) log 𝑟𝑟 En donde: L= pérdidas de enlace (dB) f= frecuencia central (MHz) hb= altura de la estación base (m) hm= altura del teléfono receptor (m) r= distancia del enlace (km) α(hm)= factor de corrección de la altura de la antena móvil. Para una ciudad mediana-pequeña: 𝛼𝛼(ℎ𝑚𝑚) = (1.1 log(𝑓𝑓) − 0.7)ℎ𝑚𝑚 − (1.56 log(𝑓𝑓) − 0.8) Como este modelo fue propuesto bajo el escenario de la ciudad de Tokyo, asumo que, para el caso de estudio la fórmula para áreas suburbanas se relaciona con el escenario propuesto. Para áreas suburbanas: 𝐿𝐿𝑠𝑠𝑠𝑠𝑏𝑏𝑠𝑠𝑟𝑟𝑏𝑏𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙 = 𝐿𝐿0 − 4.78((log 𝑓𝑓)2) + 18.33(log 𝑓𝑓) −40.94 • Calculo de pérdidas para el escenario

propuesto: Factor de corrección de alturas: 𝛼𝛼(ℎ𝑚𝑚) = (1.1 log(𝑓𝑓) − 0.7)ℎ𝑚𝑚 − (1.56 log(𝑓𝑓) − 0.8) 𝛼𝛼(ℎ𝑚𝑚) = (1.1 log(450 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) − 0.7)(2 𝑚𝑚) −(1.56 log(450 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) − 0.8)

𝛼𝛼(ℎ_𝑚𝑚 ) = 1.098 𝑑𝑑𝑑𝑑

2 Estos nombres son la traducción al español de los nombres en inglés: “large city”, “medium-small city”, “suburban” y “open”

Pérdidas bajo la fórmula general: 𝐿𝐿0 = 69.55 + 26.16 log 𝑓𝑓 − 13.82 log ℎ𝑏𝑏 −𝛼𝛼(ℎ𝑚𝑚) + (44.9 − 6.55 log ℎ𝑏𝑏) log 𝑟𝑟 𝐿𝐿0 = 69.55 + 26.16 log(450 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) − 13.82 log(20 𝑚𝑚) −1.098 + (44.9 − 6.55 log〖(20 𝑚𝑚 〗)) log(15.38 𝑘𝑘𝑚𝑚)

𝐿𝐿0 = 163.059 𝑑𝑑𝑑𝑑 Para áreas suburbanas: 𝐿𝐿𝑠𝑠𝑠𝑠𝑏𝑏𝑠𝑠𝑟𝑟𝑏𝑏𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙 = 𝐿𝐿0 − 4.78((log 𝑓𝑓)2) + 18.33(log 𝑓𝑓) −40.94 𝐿𝐿𝑠𝑠𝑠𝑠𝑏𝑏𝑠𝑠𝑟𝑟𝑏𝑏𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙 = 163.059 − 4.78((log 450 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀)2) +18.33(log 450 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) − 40.94

𝐿𝐿𝑠𝑠𝑠𝑠𝑏𝑏𝑠𝑠𝑟𝑟𝑏𝑏𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙 = 137.103 𝑑𝑑𝑑𝑑 En la ilustración 1 se observa como la curva de pérdidas se comporta con respecto a la frecuencia de trabajo y está claro que a 450 MHz las pérdidas son menores que trabajando a 900 MHz 0 1800 MHz, típicas frecuencias de operación de otros sistemas de comunicación con tecnología CDMA, aunque a partir de los 1800 MHz en adelante las variaciones no son considerables.

Ilustración 1 Pérdidas de enlace dependiendo la

frecuencia de operación

c. Modelo de Edificios (indoor propagation) Dentro de las edificaciones, el modelo de propagación es diferente que el modelo Hata – Okumura porque las consideraciones son distintas. Normalmente en los pisos de las casas o edificaciones se comienza por una atenuación de 10 dB por causa del material del concreto y las tejas en el techo con tuberías encima. Si el techo tiene paneles de cualquier material (zinc, plástico), se puede considerar una mayor atenuación. La atenuación de la señal en las paredes depende del material del mismo, y se puede considerar un decremento de 2 dB a 450 MHz, siempre y cuando el espesor no exceda a los 20 cm. IV. SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE

COMUNICACIÓN DE VOZ APLICANDO TECNOLOGÍA CDMA 450

Consideraciones: • La transmisión directa entre Loja y Malacatos se

debe realizar haciendo un salto a través del cerro Colambo para que actúe como repetidor porque no existe línea visible entre estas dos localidades.

• El enlace de microondas se lo realizará entre los equipos de transmisión y recepción ubicados en el Cerro Huachichambo y el Cerro Colambo respectivamente utilizando las frecuencias de 890 MHz a 910 MHz.

• En el cerro Colambo se ubicarán tanto el equipo para el enlace de microondas con su respectiva antena y el equipo destinado para CDMA450 con su respectiva antena.

• Para el usuario final se considera un teléfono móvil que trabaja en la frecuencia de 450 MHz.

ENLACE COLAMBO – MALACATOS

EQUIPO FIJO CDMA450

Características: Frecuencia Transmisión: 463 MHz – 467,475 MHz Frecuencia Recepción: 453 MHz – 457,475 MHz

Potencia del equipo: 20 W Ganancia Antena: 8 dBi Altura de la Antena: 20 metros Tipo de antena: omnidireccional Marca de la antena: BCD – 4506

EQUIPO MÓVIL

Características: Frecuencia Recepción: 463 MHz – 467,475 MHz Frecuencia Transmisión: 453 MHz – 457,475 MHz Potencia del equipo: 500 mW Ganancia Antena: 5 dBi Umbral de Recepción: -80 dBm Altura de la Antena: 2 metros Tipo de antena: omnidireccional Marca de la antena: Propia del móvil

CONSIDERACIONES PARA EL DOWN Y UP LINK

El escenario contiene los tipos de sistemas denominados Down – Link y Up – Link, que permiten la comunicación desde la estación fija en el cerro Colambo hasta el móvil y viceversa, por lo tanto se toma en cuenta la potencia de los equipos, las ganancias de las antenas y sus respectivas alturas.

RESULTADOS DEL ESCENARIO PROPUESTO. RADIOMOBILE VERSIÓN 9.9.3

Ilustración 2 Enlace completo entre

Huachichambo y Malacatos

En la ilustración 2 se puede observar el enlace entre el transmisor ubicado en el cerro Huachichambo, el repetidor en el cerro Colambo y los puestos de los usuarios representados en un punto dentro del sector de Malacatos. Mediante un enlace vía microondas desde los dos cerros, se puede observar pérdidas por el terreno con un valor de -3dB debido a la obstrucción de la vegetación en los puntos de enlace, es por esto que las antenas se encuentran a una altura de 20 metros para evitar que las pérdidas sean mayores. Debido a la posición estratégica de estos cerros, no presentan otro tipo de obstrucción y por lo tanto la potencia del transmisor y el umbral de recepción pueden bajar considerablemente abaratando los precios de los equipos que se van a emplear. Para el servicio de voz y datos en la banda de los 450 MHz, se ha empleado dos sistemas distintos tanto para downlink como para uplink, ya que los equipos no poseen la misma potencia de transmisión (Ilustración 3) ni tampoco el mismo umbral de recepción (Ilustración 4).

En el sistema entre el cerro Colambo y la población de Malacatos para la trasmisión de datos downlink se presentan pérdidas por obstrucción representado con 8,3 dB de pérdidas y por motivo de bosque, pérdidas de 1 dB. En cambio en el sistema de transmisión de datos de subida (uplink) el escenario es distinto (Ilustración 3), porque las potencias en el trasmisor, en este caso

Ilustración 3 Enlace entre el repetidor Colambo y la población de Malacatos para el sistema

los teléfonos portátiles, son más bajas que su receptor ubicado en el cerro Colambo. Las pérdidas por obstrucción varían en 8,4 dB, mayor que en el sistema downlink, y los niveles de recepción también cambian en razón de -9,6 dB. Como conclusión de este escenario podemos concluir que la tecnología CDMA trabajando en la frecuencia de 450 Mhz ofrece mayor sensibilidad en cuanto a los niveles de recepción de equipos, mayor cobertura con un solo repetidor, menor potencia de transmisión para cubrir extensas áreas y altos niveles de recepción en largas distintas con menores celdas.

Ilustración 4 Enlace Colambo y población en Malacatos en transmisión uplink

V. CONCLUSIONES

• Utilizando el modelo de propagación de Hata-

Okumura podemos afirmar que las pérdidas por enlace para un sistema de comunicación CDMA trabajando en la frecuencia de 450 MHz es menor que trabajando en otros valores típicos como 900, 1800 o 2500 MHz, frecuencias usuales.

• La cobertura de las celdas utilizando tecnología CDMA450 garantiza que sus usuarios obtengan una buena calidad de servicio debido a que en zonas rurales o suburbanas la densidad poblacional es reducida y lo importante es brindar una amplia cobertura.

• Comparando el modelo de propagación Hata-Okumura y el modelo Longley-Rice utilizado en

el simulador RadioMobile Deluxe se puede afirmar que el primer modelo permite crear un sistema de comunicación más robusto con las mismas consideraciones de diseño.

• La propagación en interiores no causa demasiados desvanecimientos ni retardos en la señal trabajando a 450 MHz, porque la frecuencia de operación no es alta comparado con tecnologías que trabajan a 2.4 GHz o 3.5 GHz en donde las pérdidas por desvanecimiento o bloqueos son mayores y de consideración.

VI. BIBLIOGRAFÍA

• Henry Schulze and Christian Luders, Theory and Applications of OFDM and CDMA: Wideband Wireless Communications, , John Wiley & Sons, 2005

• Tarmo Anttalainen, Telecommunications Network Engineering, Second Edition, Artech House, Boston – London.

• McGraw-Hill Companies, CDMA Capacity and Quality Optimization, 2004 www.digitalengineeringlibrary.com.

• Christopher Haslett, Essential Of Radio Wave Propagation, Cambrigde Wireless Essentials Series, 2008

• Kazimierz Siwiak and Yasaman Bahreini, Radiowave Propagation And Antennas For Personal Communications, Third Edition, Artech House, 2007

• J. D. Parsons, The Mobile Radio Propagation Channel, Second Edition, 2000