En este apartado se va a discutir las posibilidades reales que puede ofrecernos cada tecnología en cuanto a espectro se refiere.
Con 3GPP LTE se tienen varias opciones:
• Se pueden usar bandas de frecuencia reservadas para 3GPP LTE, que son licencias normalmente asignadas a operadoras de telefonía móvil que las han comprado. Como se ha estudiado, el ancho de banda de 3GPP LTE podía llegar hasta 100 MHz con agregación de bandas, pero en la realidad lo que se hace es: o bien comprar parte del espectro a una operadora, que podría ceder (por su correspondiente precio) por ejemplo 10 MHz para tener una red LTE privada, o bien ser un cliente normal de una operadora y competir con el resto de los clientes por los recursos, en este caso se dispondría de los 20 MHz que suele tener una operadora (estos anchos de banda disponibles habría que dividirlos entre los diferentes canales que fuesen necesarios para dar cobertura a las vías y evitar interferencias, como se verá más adelante).
• O bien, se pueden usar bandas de frecuencia libres, utilizando LTE-U Multefire, en este caso se utiliza sobre todo la banda de 5GHz con 500 MHz disponibles, y se podrían utilizar canales de hasta 100 MHz, e incluso combinar estos canales de frecuencias libres con canales de frecuencias con licencia. El problema de LTE Multefire es que está muy limitado en potencia (23 dBm de PIRE máxima en China [22] frente a los 36 dBm de IEEE 802.11 [21] y los 58 dBm en 3GPP LTE [30]), por lo que se incrementaría demasiado el número de eNB a instalar. Por lo tanto, se va a descartar utilizar esta tecnología.
Por otro lado, IEEE 802.11 tiene todas las bandas de frecuencias libres para usar, tanto la de 2.4 GHz para el estándar n como la de 5 GHz para los estándares ac y n.
Una vez se tiene claro el espectro disponible para cada diferente tecnología hay que decidir cómo se utiliza dicho espectro en el espacio, dividiéndolo en las diferentes celdas. Para que no haya interferencia entre las celdas contiguas, éstas deben operar en frecuencias distintas, por lo que habrá que dividir el espectro:
Página 43
• Para el caso de LTE 3GPP en el que tengamos una red LTE privada de 10 MHz tendríamos dos rangos de frecuencia de 5MHz cada uno usando bandas en modo no pareado TDD como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Cobertura LTE modo TDD.
• Y para el modo pareado FDD necesitaríamos 4 rangos de frecuencia con la ventaja de que podemos emitir a la vez tanto de forma ascendente como descendente, el inconveniente es que no podemos hacer canales de 2.5 MHz de ancho de banda en 3 GPP LTE por lo que tendríamos que dividir en canales de 1.4 MHz ganando en número de canales, pero perdiendo en ancho de banda por canal. La cobertura se muestra en la figura 13.
Figura 13. Cobertura LTE modo FDD.
• En el caso de compartir los recursos con el resto de los clientes, tendríamos 20 MHz para utilizar, lo que daría el doble de ancho de banda en cada celda (10MHz en modo TDD y 5 MHz en modo FDD).
• En el caso de IEEE 802.11 al tener todo el espectro disponible, tendremos un mayor ancho de banda.
o En la banda de 2.4 GHz, tendríamos 3 canales que no se solapen entre sí,
de 20 MHz cada uno. La cobertura se muestra en la figura 14.
Figura 14. Cobertura IEEE 802.11 n (Banda de 2.4 GHz).
o Y en la banda de 5 GHz podemos conseguir dos canales de 160 MHz no
solapables entre sí, fruto de agregar los canales 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60, y 64 por un lado, y 100, 104, 108, 112, 116, 120, 124y 128 por otro. La cobertura se muestra se la figura 15.
Uplink: f1 Downlink: f2 Uplink: f3 Downlink: f4 Uplink: f1 Downlink: f2 Uplink: f3 Downlink: f4
C1
C6
C11
C1
C6
C11
C1
f1
f2
f1
f2
Página 44
Figura 15. Cobertura IEEE 802.11 ac (Banda de 5 GHz). En la tabla 2 queda resumida una comparación de cada opción analizada:
Tecnología 3GPP LTE propia de la línea de metro en modo TDD 3GPP LTE propia de la línea de metro en modo FDD 3GPP LTE compartida con el resto de los usuarios de la operadora en modo TDD 3GPP LTE compartida con el resto de los usuarios de la operadora en modo FDD IEEE 802.11 n en la banda de 2.4 GHz IEEE 802.11 ac en la banda de 5 GHz Ancho de banda total disponible 10 MHz 10 MHz 20 MHz 20 MHz 100 MHz 555 MHz Ancho de banda por celda 5 MHz 1.4 MHz 10 MHz 5 MHz 20 MHz 160 MHz Subportadoras por celda 301 73 601 301 56 484 Tasa de velocidad de datos nominal dentro de la celda 25 Mbps 6 Mbps 50 Mbps 25 Mbps 72 Mbps 867 Mbps Eficiencia espectral por celda ( 𝑬 =𝑹(𝒃𝒑𝒔) 𝑩(𝑯𝒛)) 5 bps/Hz 4.28 bps/Hz 5 bps/Hz 5 bps/Hz 3.6 bps/Hz 5.42 bps/Hz
Tabla 2. Comparación de las tecnologías 1.
Como se puede observar los anchos de banda de canal y las tasas de transferencia de datos más altos se obtienen con la tecnología IEEE 802.11, no así el mayor número de subportadoras por canal ni la eficiencia espectral que son mejores con 3 GPP LTE. Además, se puede deducir que las mejores opciones para cada tecnología en cuanto a los
Página 45
resultados de la tabla 2 son la banda de 5 GHz de IEEE 802.11 y 3GPP LTE usado como un cliente normal de una operadora en modo TDD.
Pero estos resultados corresponden a una cobertura de la vía sin ningún tipo de redundancia, y como algunos de los servicios que se van a prestar son muy críticos en cuanto a seguridad, es interesante tener redundancia en la cobertura como ya se había adelantado, de tal forma que si se cae una estación base no desaparezca la cobertura en ningún punto de la vía. Esto va a implicar que haya que acercar las estaciones base y que por tanto necesitemos más de dos canales para evitar interferencias entre celdas contiguas. Con lo cual la cobertura de las vías de tren quedará como se muestra en los siguientes esquemas:
• 3GPP LTE compartida con el resto de los usuarios de la operadora en modo TDD, tendrá 4 rangos de frecuencia distintos de 5 MHz cada uno. La cobertura se muestra en la figura 16.
Figura 16. Cobertura 3GPP LTE con redundancia en modo TDD.
• IEEE 802.11 en la banda de 5 GHz, puede tener 5 canales que no se solapen de 80 MHz. La cobertura se muestra en la figura 17.
Figura 17. Cobertura IEEE 802.11 ac con redundancia. Se comparan nuevamente los valores en la tabla 3:
Tecnología 3GPP LTE compartida
con el resto de los usuarios de la operadora en modo TDD
IEEE 802.11 en la banda de 5 GHz
Ancho de banda total
disponible
20 MHz 400 MHz
Ancho de banda por celda 5 MHz 80 MHz
Subportadoras por celda 301 242
Tasa de transferencia de datos dentro de la celda 25 Mbps 433 Mbps
f1
f2
f3
f1
f3
f1
f3
f4
f2
f4
f2
f4
f1
f2
f3
f5
f2
f4
f1
f4
f1
f3
f5
f2
Página 46
Eficiencia espectral por celda (
𝑬 =𝑹(𝒃𝒑𝒔)
𝑩(𝑯𝒛))
5 bps/Hz 5.41 bps/Hz
Tabla 3. Comparación de las tecnologías 2.
Como era de esperar al tener que dividir el espectro en más celdas, las prestaciones han empeorado. A la vista de los resultados y teniendo en cuenta que el objetivo es dar cobertura a una línea de metro que es completamente subterránea (todo túnel), es interesante comentar lo siguiente:
• En los túneles rectos, la atenuación de la señal de radio disminuye con una frecuencia incrementada, mientras que en los túneles curvados aumenta. Por lo que en túneles las frecuencias altas tienen una mejor propagación en condiciones de LOS, lo que da una ventaja a la tecnología IEEE 802.11 que opera en frecuencias más altas, a no ser que la tecnología IEEE 802.11 se compare con LTE-U en cuyo caso están en igualdad de condiciones al emitir en la misma banda de 5GHz.
• Por otro lado, es interesante que las celdas que utilicen el mismo rango de frecuencias estén lo más separadas posible entre ellas para que la señal se haya atenuado lo máximo posible y evitar así interferencias cocanal, para lo cual también tiene ventaja la tecnología IEEE 802.11 en la banda de 5 GHz con respecto a la tecnología 3 GPP LTE como podemos ver comparando las figuras 16 y 17 (IEEE 802.11 ac posee más canales), aunque de la misma manera, si lo comparamos con LTE-U se estaría en igualdad de condiciones. • El gran inconveniente de la tecnología IEEE 802.11 así como de LTE-U, con
respecto a 3GPP LTE es el nivel de interferencias que va a sufrir por dispositivos tanto de la red como ajenos a la red, ya que al emitir en las bandas libres tiene que convivir con muchos más dispositivos emitiendo en dichas bandas. Por el contrario, la gran ventaja es que no hay que pagar una licencia para poder emitir.
• Por último, si se comparan los resultados obtenidos en la tabla 3, se puede ver que la tecnología IEEE 802.11 en la banda de 5 GHz ofrece unas prestaciones mejores tanto en velocidad de datos como en eficiencia espectral y ancho de banda que 3 GPP LTE.