A medida que los nuevos sistemas inalámbricos de próxima generación como el Wi-Fi 6 y el 5G se están desplegando en nuestras ciudades, nuevas aplicaciones y funcionalidades se están desarrollando que harán que los actuales anchos de banda se vean saturados. Todo ello obliga a buscar nuevas alternativas que permitan servir grandes volúmenes de datos en entornos con un gran número de clientes. Es por ello, que nuevas investigaciones están evaluando el uso de comunicaciones con frecuencias más altas, así como la utilización de activos urbanos, como son las farolas del alumbrado público, para su despliegue masivo.
Un ejemplo de ello es el proyecto internacional Telecom Infra Project, el cual está dando un fuerte impulso a la banda sin licencia de 60 GHZ para el desarrollo de un WiFi público en entornos urbanos, mediante la instalación de puntos de acceso en postes de luz.
Para ayudar a garantizar el buen funcionamiento de estas redes, investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnologías (NIST) han desarrollado y verificado un novedoso modelo que ayudará a los proveedores de comunicaciones inalámbricas a analizar la altura a la que deben fijarse los equipos Wi-Fi en los poste de luz.
En general, el equipo del NIST descubrió que la altura óptima depende de la frecuencia de transmisión del diseño de la antena. Fijar el equipo a un altura de menos de 4 metros, es mejor para los sistemas inalámbricos convencionales con antenas omnidireccionales, mientras que ubicaciones más altas, de entorno a 6 o 9 metros, son mejor para los sistemas más recientes, como el 5G, que utilizan frecuencias más altas de ondas milimétricas y antenas de haz estrecho.
Wi-Fi a frecuencias de 60 GHz
Tradicionalmente las redes WiFi trabajan en rangos de frecuencia por debajo de los 6 GHz. Estas bandas tienen que lidiar con una demanda cada vez mayor de tasa de datos en un espectro de radio cada vez más saturado. Todo ello obliga a buscar nuevas alternativas que permitan servir grandes volúmenes de datos en entornos con un gran número de clientes, como puede ser la banda de 60 GHz.
Uno de los principales retos del WiFi en la banda de frecuencias de los 60 GHz, es que las señales en esta banda, mucho más altas que las de los teléfonos móviles tradicionales, son escasas y tienden a dispersarse por las superficies rugosas.
Hasta ahora, las mediciones de los canales urbanos de 60 GHz han producido datos limitados. El NIST ha desarrollado un modelo de canal para el seguimiento de las transmisiones que reconoce las características de dispersión y dispersión de estas señales y utiliza un novedoso algoritmo para analizar las trayectorias medidas que va más allá de los parámetros habituales de retrasos y ángulos de la señal para incluir las ubicaciones de los receptores. La precisión de la predicción del modelo es comparable a la de métodos más complicados.
Los investigadores del NIST se desplazaron al centro de Boulder (Colorado) para probar su modelo con las mediciones reales del canal. Las mediciones se registraron a 4, 6 y 9 metros de altura de la antena para investigar las compensaciones, ajustándose muy bien a las mediciones en el mundo real.
«Hemos logrado verificar el modelo que desarrollamos realizando mediciones en el centro de la ciudad. Este trabajo demuestra que, utilizando nuestro modelo, alguien como un proveedor de telefonía móvil puede dar cuenta de varias ventajas y desventajas de los puntos de acceso de 60 GHz y de las señales en los postes de luz en entornos urbanos”, explica Derek Caudill, ingeniero electrónico que trabajó en el proyecto en el NIST.
El equipo utilizó un equipo personalizado del NIST denominado sonda de canal, con un transmisor fijo montado en un mástil y un receptor móvil en el techo de una furgoneta. Tanto el transmisor como el receptor están provistos de un conjunto de antenas conmutadas electrónicamente con patrones de radiación 3D definidos. La sonda puede medir con precisión muchas características de los canales de radio y tiene una capacidad única para medir la dinámica temporal (cómo cambian las propiedades de las ondas con el tiempo a medida que el receptor se mueve), de un canal de ondas milimétricas incluso cuando está en movimiento.
Los investigadores estaban especialmente interesados en los datos sobre la propagación de las señales en el espacio físico. Las grandes dispersiones suelen considerarse malas, ya que indican que se reciben múltiples señales y que hay más interferencias. Por lo general, es mejor tener un solo camino claro para la comunicación.
«Nuestros datos muestran que esas dispersiones son más amplias a mayor altura. Esto significa que con menos obstrucciones entre el transmisor y el receptor, la potencia está más distribuida en el espacio”, explica la ingeniera del NIST Jelena Senic.
En el caso de los sistemas inalámbricos convencionales con antenas omnidireccionales, es preferible una menor dispersión para evitar interferencias, lo que significa que los equipos Wi-Fi deben montarse a menor altura en las farolas.
“Sin embargo, los sistemas inalámbricos de próxima generación operarán en frecuencias de ondas milimétricas y deberán emplear antenas altamente direccionales con haces muy estrechos. Con esta configuración, el transmisor y el receptor dirigirán sus haces estrechos para encontrar el mejor enlace posible; es decir, la trayectoria de propagación que tenga la máxima potencia. En este caso, es preferible una mayor dispersión angular porque proporcionará diversidad en el espacio; es decir, los transceptores tendrán la capacidad de dirigir los haces en más direcciones para encontrar el mejor enlace«.
Los investigadores del NIST dieron un paso más y registraron los datos de las mediciones en el campus del NIST para validar que el nuevo modelo podía aplicarse a diferentes entornos. Los resultados en el campus fueron comparables a los del centro de la ciudad, lo que demuestra que el modelo puede generalizarse a diferentes entornos y casos de uso.
Puede acceder al paper de la investigación en el siguiente enlace:
https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3171503
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