La evolución a 5G incluye la posibilidad de utilizar frecuencias por encima de 6 GHz, en particular en las bandas de ondas milimétricas. Aunque las frecuencias concretas no serán atribuidas por la UIT hasta la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones en 2019, existen ya estudios previos en marcha y una primera atribución realizada en Estados Unidos por la FCC, en la que se han atribuido algunas bandas próximas a 28 y 38 GHz para su utilización en el servicio móvil.

En estas frecuencias se producen efectos de propagación causados por la atmósfera (atenuación por gases o lluvia) y otros debidos al entorno físico. Los primeros están ya incorporados en las herramientas de planificación, ya que afectan también a los radioenlaces fijos de microondas que utilizan también frecuencias en las bandas de microondas y ondas milimétricas. Por tanto, su incorporación a los nuevos cálculos es relativamente sencilla.

En cuanto a los efectos del entorno, en los últimos años se ha producido una actividad muy intensa de investigación en todo el mundo para modelar la propagación en bandas milimétricas en sistemas móviles. Hay medidas publicadas por universidades europeas y norteamericanas, además de empresas y organismos de investigación de todo el mundo.

Diversos autores consideran que el modelo CI (más sencillo y con una base física) es suficiente para describir la propagación en condiciones LOS. Sin embargo, este modelo no describe bien los primeros metros para condiciones NLOS.

Los modelos CIF y ABG son considerados como multi-frecuenciales y permiten realizar extrapolaciones a distintas frecuencias de operación. Ellos tienen además variantes de doble pendiente, que se pudieran interpretar como una generalización. Sin embargo, la utilidad de su empleo en contraste con la complejidad que introducen puede ser cuestionada, una vez que solo algunas campañas de medición han mostrado una marcada tendencia de doble pendiente. Estos modelos asumen la existencia de un punto de inflexión (break point distance) en las medidas.

La implementación de todos ellos en las herramientas de planificación pueden ser de gran utilidad, permitiendo al usuario que seleccione cuál desea emplear en cada caso. Se estudiará también la literatura técnica disponible para identificar otros modelos disponibles.

Los modelos presentados a continuación han sido desarrollados específicamente para operar a frecuencias milimétricas, aunque su rango de operación puede llegar a frecuencias menores.

Se denomina como modelo 5GCM el propuesto por un grupo de universidades y empresas, presentado en [2]. El modelo del 3GPP es el recogido en el Informe 3GPP TR 38.901 [3]. Los modelos METIS [4] y mmMAGIC [5] han sido elaborados en dichos proyectos europeos.

Los escenarios analizados son el Urban Microcell (UMi) (Tabla 1), el Urban Macrocell (UMa) (Tabla 2) y el Rural Macrocell (RMa) (Tabla 3). En algunos de estos casos existen condiciones más específicas como el cañón urbano (Urban canyon) conformado por zonas con edificios altos y la plaza (Open-square).

En el caso de células rurales, solo el modelo de la NYU (New York University) previamente presentado en la Tabla 3 ha sido desarrollado específicamente para frecuencias milimétricas. Los modelos del Informe UIT-R M.2135-1 [8] y del 3GPP TR 38.900 [9] han sido adoptados por la UIT-R y el 3GPP respectivamente para frecuencias milimétricas. Estos no fueron desarrollados para dichas frecuencias ni para condiciones rurales, por lo que su utilización es cuestionable [6].

MODELO FLOATING INTERCEPT (FI)

El modelo FI se utilizó en el desarrollo de los modelos de canal WINNER II y 3GPP. Se trata de un modelo sin referencia física que simplemente busca la línea que mejor se ajusta a los datos medidos utilizado un método de regresión por mínimos cuadrados. Este modelo cuenta con dos parámetros y su expresión es la siguiente:

Donde PL representa las pérdidas de propagación (Path Loss) con la distancia d. Los parámetros α y β permiten el ajuste del modelo y es una variable aleatoria con distribución gaussiana y desviación estándar σSF.

MODELO ALPHA-BETA-GAMMA (ABG)

Este modelo se basa en el FI pero añade un nuevo parámetro γ para tener en cuenta la variación con la frecuencia:

Además, cuenta con una opción de doble pendiente, en el caso de existir un punto de inflexión en las medidas a la distancia dBP:

MODELO CLOSE-IN FREE SPACE REFERENCE (CI)

El modelo CI se trata de un modelo sencillo que únicamente necesita un parámetro para describir las pérdidas de trayecto sobre todas las frecuencias y distancias. Se basa en principios físicos fundamentales y puede ser empleado en enlaces con o sin visión directa. Resulta fácil de implementar respecto a los modelos actuales 3GPP por medio de una sutil modificación, consistente en reemplazar la constante flotante β por una constante dependiente de la frecuencia que representa las pérdidas en espacio libre en el primer metro de distancia:

El parámetro α se identifica ahora con el exponente n de la ley potencial de pérdidas (dicho parámetro se denomina comúnmente como path loss exponent, PLE), ya que las pérdidas de propagación son proporcionales a dn cuando se expresa en unidades naturales. El parámetro d0 es el ancla de distancia, normalmente igual a 1 m. La variable aleatoria tiene distribución gaussiana con desviación estándar σSF.

MODELO CLOSE-IN FREE SPACE REFERENCE FREQUENCY DEPENDANT (CIF)

A partir del modelo CI, se incorpora un nuevo parámetro b que permite contemplar una variación del parámetro n con la frecuencia, en relación a una frecuencia de referencia f0.

Donde f0 es una frecuencia de referencia y se puede calcular como:

Donde K es el número de frecuencias únicas, Nk es el número de puntos de medidas correspondientes a cada frecuencia única fk . Otra posible aproximación es tomar f0 como la menor frecuencia de los datos [1].

Este modelo también cuenta con una variante de doble pendiente:

REFERENCIAS

[1] S. Piersanti, L.A. Annoni, and D. Cassioli, "Millimeter Waves Channel Measurements and Path Loss Models," in IEEE ICC 2012 - Wireless Communications Symposium, Otawa, Canada, 2012, pp. 4552-4556.

[2] Aalto University et al., "5G Channel Model for bands up to 100 GHz," Technical Report, October 2016. http://www.5gworkshops.com/5GCM.html.

[3] 3GPP. "Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz," TR 38.901 v14.3.0, Dec. 2017. https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3173

[4] METIS, "METIS Channel Models," Deliverable D1.4 v3 Project Number ICT-317669, 2015.

[5] mmMAGIC. (May, 2017). "Measurement Results and Final mmMAGIC Channel Models," H2020-ICT-671650-mmMAGIC/D2.2 v2.0. https://5g-mmmagic.eu/results/

[6] G.R. MacCartney Jr. and T.R. Rappaport, "Rural Macrocell Path Loss Models for Millimeter Wave Wireless Communications," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 35, no. 7, pp. 1663-1678, July 2017.

[7] T.S. Rappaport et al., "Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networks - With a Focus on Propagation Models," IEEE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 65, no. 12, pp. 6213-6230, December 2017.

[8] ITU-R Report M.2135-1, "Guidelines for the evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced," ITU Radiocommunication Bureau, Geneva, Switzerland, 2009.

[9] 3GPP, "Technical specification group radio access network; channel model for frequency spectrum above 6 GHz (Release 14)," 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TR 38.900 v14.2.0 Dec. 2016.

[10] Rec. ITU-R P. 1411-8, "Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz," ITU Recommendation Bureau, Geneva, Switzerland, 2015.