Introducción
A principios de marzo de 2020, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) puso a disposición 280 MHz de espectro de banda media para su uso flexible en los Estados Unidos, con el fin de responder a la necesidad crítica de espectro desocupado para el despliegue de los servicios inalámbricos 5G [1]. Otra parte del espectro de banda media, la comprendida entre 4,2 y 4,4 GHz, está reservada para su uso por los altímetros de radar que operan en aeronaves de todo el mundo. Los altímetros de radar son de vital importancia para la navegación, especialmente durante las aproximaciones con sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) en condiciones de baja visibilidad a las pistas de los aeropuertos, y son relativamente vulnerables a las interferencias. Al liberar la porción de ancho de banda entre 3,7 y 3,98 GHz para su uso flexible, la FCC garantizó que existiera un intervalo de banda de guarda de 220 MHz entre las futuras emisiones 5G y el espectro de los altímetros de radar. Aunque la FCC había determinado que la banda de guarda de 220 MHz era suficiente para mitigar las interferencias del 5G en los altímetros de radar, un estudio elaborado por la Comisión Técnica de Radio para la Aeronáutica (RTCA, Inc.), utilizando datos empíricos de altímetros de radar representativos de los modelos actualmente desplegados en aeronaves civiles [1], concluyó que sus resultados «revelan un riesgo importante de que los sistemas de telecomunicaciones 5G en la banda de 3,7–3,98 GHz causen interferencias perjudiciales a los altímetros de radar en todo tipo de aeronaves civiles» [2]. Aunque el sector de las comunicaciones inalámbricas y las empresas (AT&T y Verizon) que ganaron la subasta del espectro liberado han cuestionado ciertas metodologías y conclusiones del estudio de la RTCA [3, 4], todas las partes interesadas llegaron a un acuerdo a principios de enero de 2022 para restringir y/o limitar temporalmente las emisiones de las estaciones base 5G en zonas de amortiguación alrededor de 50 aeropuertos designados de EE. UU. (véase la figura 1) con el fin de disponer de tiempo para resolver las cuestiones pendientes relacionadas con los equipos de altímetro de radar [5, 6].
Figura 1. Zonas de restricción para las emisiones 5G en los alrededores de los aeropuertos estadounidenses, vigentes hasta el 5 de julio de 2022.
Está previsto que dichas restricciones finalicen el 5 de julio de 2022. Sin embargo, tal y como declaró el secretario del Departamento de Transporte de EE. UU., Pete Buttigieg, ante la Comisión de Asignaciones del Senado a finales de abril de 2022, la solución tecnológica a largo plazo que consiste en la modernización o sustitución de los altímetros de radar [7] en toda la flota estadounidense «no estará completamente resuelta para este verano» [8, 9].
1 Los datos empíricos para modelos representativos de altímetros de radar fueron facilitados a la RTCA por el Instituto de Sistemas de Vehículos Aeroespaciales (AVSI).
El 17 de junio de 2022, la Administración Federal de Aviación (FAA) anunció que Verizon y AT&T habían acordado voluntariamente retrasar parte del uso del 5G en la banda C hasta julio de 2023 para permitir que concluyera el proceso de adaptación de los aviones [10]. No obstante, Verizon señaló que el acuerdo permitirá a los operadores de telefonía móvil «levantar las limitaciones voluntarias sobre el despliegue de nuestra red 5G en los alrededores de los aeropuertos de forma gradual a lo largo de los próximos meses» [11]. Por lo tanto, en los próximos meses será necesario determinar con precisión, para cada emplazamiento concreto, en qué medida la interferencia del 5G con los altímetros de radar heredados supone un riesgo para las aproximaciones de aterrizaje en los aeropuertos de EE. UU., de modo que las estaciones base 5G situadas dentro de las zonas anteriormente restringidas puedan ponerse en funcionamiento garantizando al mismo tiempo la seguridad.
Descripción del estudio
Interferencias en el altímetro de radar provocadas por emisiones fundamentales y/o espurias de 5G
La interferencia entre las emisiones 5G y los altímetros de radar puede producirse de dos maneras (véase la figura 3). (1) Las emisiones fundamentales 5G (en la banda de 3,7 a 3,98 GHz) podrían superar el filtro de banda de paso del receptor del altímetro (línea discontinua verde en la figura 3), lo que provocaría la saturación del amplificador de entrada. (2) Las emisiones espurias de 5G que caen directamente dentro de la banda de 4,2 a 4,4 GHz pueden provocar lecturas erróneas del altímetro o impedir que este devuelva una lectura. Dado que los altímetros de radar se utilizan para el aterrizaje por instrumentos en condiciones de baja visibilidad, dicha interferencia podría tener consecuencias devastadoras.
Figura 3. Asignación del espectro en la banda media y riesgo de interferencias con los altímetros de radar 5G.
Máscaras de tolerancia a la interferencia según lo establecido por AVSI
Para evaluar qué constituye un nivel potencialmente peligroso de potencia recibida en el altímetro de radar, el estudio de la RTCA se basó en las máscaras de tolerancia a las interferencias (ITM) proporcionadas por AVSI, que a su vez se basaban en datos empíricos y supuestos de escenarios para configurar el entorno de prueba. Las ITM tienen por objeto identificar un umbral de interferencia especificado en términos de densidad espectral de potencia (PSD), medida en el receptor del altímetro de radar, por encima del cual las interferencias procedentes de las emisiones 5G se vuelven peligrosas. A medida que la señal devuelta al altímetro se hace más fuerte a medida que la aeronave se aproxima al suelo, el nivel del umbral de interferencia aumenta en consecuencia. Por lo tanto, la máscara de tolerancia a la interferencia es una función tanto de la altitud como de la frecuencia.
Tal y como se describe en el informe de la RTCA [2], las ITM se basaron en pruebas empíricas de nueve modelos de altímetros de radar de cinco fabricantes diferentes, pero también se basaron en cálculos teóricos y supuestos ambientales para establecer los parámetros utilizados en dichas pruebas. Las hipótesis incorporadas en la configuración de la prueba incluyen estimaciones del peor caso posible de las propiedades de reflexión del terreno, el hecho de que la aeronave pudiera encontrarse en un giro pronunciado que redujera la ganancia operativa de la antena del altímetro, y la posible presencia de otros altímetros de radar en la misma aeronave o de aeronaves rodando por la pista que contribuyeran a la interferencia dentro de la banda del altímetro de radar. Teniendo en cuenta estas estimaciones y para una altitud de prueba determinada, se aplicó un factor de atenuación, un retardo de fase y un nivel de interferencia de fondo adecuados a la señal generada por el puerto de salida de un modelo de altímetro de radar concreto antes de realimentarla al puerto de entrada del altímetro. El umbral de tolerancia a la interferencia de un altímetro determinado se pudo determinar entonces aplicando una señal de interferencia adicional de amplitud creciente, ya fuera en la frecuencia de funcionamiento fundamental de 5 GHz o en el centro de la banda del altímetro de radar, hasta que comenzaron a registrarse lecturas erróneas del altímetro. Este procedimiento permitió a AVSI realizar pruebas de «caja negra» de los nueve modelos de altímetro y evitar un conocimiento detallado del funcionamiento interno de un altímetro determinado, como el diseño del filtro de banda de paso de la etapa de entrada. La máscara de tolerancia a la interferencia en función de la altitud y para una frecuencia determinada (ya sea 3,85 GHz o 4,3 GHz —en el centro de la banda de 5G o de la banda del altímetro de radar, respectivamente—) comunicada por AVSI es el umbral del peor caso (es decir, el más bajo) medido para los nueve altímetros probados. Aunque AT&T y Verizon, así como el sector de las comunicaciones inalámbricas en general, han criticado ciertas hipótesis utilizadas para generar estas ITM por ser excesivamente conservadoras [3, 4], empleamos estas ITM para permitir una comparación directa con los resultados de la RTCA, que son el centro de atención del presente estudio.
Patrones de ganancia de las antenas de las estaciones base 5G para emisiones fundamentales y espurias
Los expertos del sector de las comunicaciones inalámbricas indicaron al grupo de trabajo del estudio de la RTCA que la tecnología de matriz en fase del sistema de antenas activas (AAS), tal y como se describe en la ref. [13], sería la más probable para las futuras estaciones base 5G, con el fin de aprovechar las mejoras de capacidad que se pueden obtener gracias a los haces de alta ganancia orientables dinámicamente y a la multiplexación espacial. Estos expertos del sector también proporcionaron al grupo de trabajo las características específicas de las estaciones base AAS que probablemente se desplegarían en diversos entornos.
Para el trabajo sobre el escenario de aproximación y aterrizaje del ILS, se asumió una antena de matriz en fase AAS adecuada para un entorno urbano. En este caso, la AAS consta de una rejilla rectangular de 16 x 16 elementos de antena con una separación horizontal de 0,5 λ y una separación vertical de 0,7 λ, donde λ es la longitud de onda de las emisiones fundamentales de 5G (por ejemplo, correspondiente a 3,85 GHz). Las fórmulas matemáticas para el patrón de ganancia de los elementos se proporcionan en la ref. [13]. Los parámetros utilizados para este estudio especifican una ganancia de elemento de 6,4 dBi, un ancho de haz horizontal de 3 dB de 90 grados, un ancho de haz vertical de 3 dB de 65 grados y una relación de ganancia entre la parte delantera y la trasera de 30 dB. El patrón de ganancia obtenido con la rejilla rectangular de 16x16 elementos viene dado por la expresión estándar del factor de ganancia para matrices rectangulares uniformes que se encuentra en la ref. [14] y que se reproduce en la ref. [13]. El factor de ganancia máximo de la matriz es de 24,08 dBi, alcanzado para una matriz orientada lateralmente con una inclinación electrónica de 0° hacia arriba/abajo. Cuando se combina con la ganancia del elemento, esto da una ganancia total de la antena de matriz en fase de 30,5 dBi.
Se supone que la potencia conducida máxima por elemento es de 25 dBm, lo que da una potencia de salida total para la matriz de 256 elementos de 49,1 dBm. Al combinarse con la ganancia máxima de la antena de matriz en fase, la potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) máxima es de 79,6 dBm. Se supone que esta potencia se distribuye uniformemente a lo largo de un ancho de banda de enlace descendente de 100 MHz, lo que da una densidad espectral de potencia de salida (PSD) máxima para la EIRP de 59,6 dBm/MHz. Esto es coherente con, y ligeramente inferior a, la EIRP máxima permitida dentro de la banda de 3,7 – 3,98 GHz autorizada por la orden de la FCC, que especifica una PSD máxima para las emisiones radiadas dentro de la banda autorizada de 62 dBm/MHz para entornos no rurales [1]. Además, para las simulaciones del escenario de aproximación de aterrizaje ILS que se describe a continuación, la potencia se reduce en 3 dB para representar el factor de actividad estimado del 50 % para las comunicaciones de enlace descendente desde la estación base. Los parámetros de la matriz AAS descritos anteriormente se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1. Características de la estación base 5G para una matriz AAS de 16x16
Se supone que la matriz en fase puede barrerse electrónicamente en dirección vertical desde una inclinación hacia abajo de 20° con respecto a la línea de visión de la matriz disparando de costado hasta alcanzar una inclinación hacia arriba de hasta 10°. Cuando se combina con una inclinación mecánica hacia abajo supuesta de 10°, el haz puede barrerse en dirección vertical desde 30° por debajo de la horizontal hasta quedar perfectamente horizontal. El patrón de ganancia de la antena para las emisiones fundamentales de una estación base 5G se muestra en el panel izquierdo de la Figura 4. Para el patrón de ganancia mostrado, se supone una inclinación electrónica máxima hacia abajo de 20°, además de una inclinación mecánica hacia abajo de 10°. El patrón de ganancia y la matriz rectangular asociada de elementos de antena se muestran tal y como se han renderizado en la herramienta de propagación Wireless InSite® de Remcom [15], que se utiliza en el contexto de este artículo para modelar la propagación en un entorno urbano al aire libre, incluyendo reflexiones del terreno y reflexiones y difracciones de estructuras de edificios. La estación base 5G de matriz en fase mostrada está rodeada de carreteras y estructuras de edificios importadas de OpenStreetMap para la geometría que rodea el Aeropuerto Internacional O’Hare. Sin embargo, la matriz rectangular de elementos se muestra a una escala muy exagerada para que la matriz sea visible en la escena.
Figura 4. Patrón de ganancia de la antena para las emisiones fundamentales (izquierda) y parásitas (derecha) de las estaciones base 5G.
El análisis anterior describe el patrón de ganancia utilizado para las emisiones dentro de banda de las estaciones base 5G (es decir, a 3,85 GHz), en el que las fases relativas entre los elementos se ajustan electrónicamente con el fin de orientar la emisión fundamental 5G a 3,85 GHz hacia determinadas direcciones preferentes. Al considerar las emisiones espurias de 5G, que están fuera de banda para la estación base 5G pero dentro de banda para el altímetro de radar (por ejemplo, a ≈4,3 GHz), se supone que las fases relativas entre los elementos ya no estarán adecuadamente correlacionadas para dirigir los haces en las direcciones preferidas. Bajo el supuesto de fases completamente incorrelacionadas entre los elementos, el valor esperado de la ganancia de la matriz en fase se promediaría simplemente en 0 dB. Por lo tanto, en el caso de emisiones espurias, se supone que la matriz en fase no proporciona ningún factor de ganancia adicional y la ganancia es simplemente la del diagrama de radiación de un solo elemento. Al igual que en el estudio de la RTCA, el presente estudio asume, por lo tanto, que el diagrama de radiación de la matriz en fase del AAS cuando opera en frecuencias de emisión espuria vendrá dado por el diagrama de radiación de un solo elemento. Dicho diagrama de radiación se muestra en el panel derecho de la Figura 4.
En cuanto a la magnitud del PSD que debe utilizarse para simular las emisiones espurias de una estación base 5G a ≈4,3 GHz, la orden de la FCC especifica que las emisiones conducidas de una estación base 5G no deben superar los -13 dBm/MHz en frecuencias superiores a 3,98 GHz. Sin embargo, dado que las emisiones de los equipos siguen disminuyendo más allá de los 3,98 GHz, los expertos del sector inalámbrico recomendaron al grupo de trabajo de la RTCA que un PSD reducido por debajo de -13 dBm/MHz sería adecuado para evaluar las emisiones espurias a 4,3 GHz. A efectos del estudio, la RTCA optó por asumir una PSD para las emisiones conducidas de -20 dBm/MHz a una frecuencia de 4,3 GHz al evaluar la interferencia de las emisiones espurias. Para alinear el presente estudio con las condiciones asumidas en el estudio de la RTCA, aquí también se utiliza una PSD para las emisiones conducidas de -20 dBm/MHz.
Patrones de ganancia del altímetro de radar para señales dentro y fuera de banda del RA
Para evaluar las interferencias tanto de las emisiones fundamentales de 5G (≈3,85 GHz) como de las emisiones espurias de 5G (≈4,3 GHz), se necesita el patrón de ganancia de antenas representativas utilizadas en aeronaves civiles, tanto para las frecuencias dentro de la banda (≈4,3 GHz) como fuera de la banda (≈3,85 GHz) del altímetro de radar. Como parte del estudio de la RTCA, se midió el patrón de ganancia de dos antenas representativas en cada una de estas frecuencias y se informó de una media suavizada de los dos patrones medidos, que se utilizó para el análisis posterior del estudio. Los patrones de ganancia aparecen en la Figura 6-11 (para 3,85 GHz) y en la Figura 6-12 (para 4,3 GHz) de la Ref. [2]. Estos patrones de ganancia se digitalizaron directamente a partir de la Ref. [2] y se utilizaron para el presente estudio.
Figura 5. Patrones de ganancia de la antena para el funcionamiento fuera de banda (izquierda) y dentro de banda (derecha) del altímetro de radar.
Los diagramas de ganancia para cada una de estas frecuencias, tal y como se representan en Wireless InSite, se muestran en la figura 5. Los diagramas se representan en una ubicación típica de los altímetros de radar en los aviones Boeing 757. La geometría del Boeing 757 representada es solo para fines de visualización y no tiene relación alguna con los análisis de propagación de radio realizados en este estudio.
La ganancia máxima a 3,85 GHz es de solo 1,375 dBi, ya que se trata de una frecuencia fuera de banda para el altímetro, mientras que la ganancia máxima a 4,3 GHz, el centro de la banda del altímetro de radar, es de 9,397 dBi.
Resumen de la trayectoria de vuelo del sistema ILS y ubicaciones estimadas de las estaciones base 5G
El escenario de aproximación de aterrizaje ILS analizado en el informe de la RTCA consideraba el aterrizaje de una aeronave en la pista 27L del Aeropuerto Internacional O’Hare (ORD) de Chicago, Illinois. La ubicación del umbral de la pista se encuentra a una latitud de 41°59’02” N, una longitud de 87°53’21” O y una altitud de 654 pies sobre el nivel medio del mar (MSL). La trayectoria de vuelo asumida se basa en la carta oficial de aproximación ILS Cat II/III para la pista 27L, que especifica una pendiente de planeo de 3°, un rumbo hacia el oeste y un toque de ruedas a 1040’ (317 metros) más allá del umbral de la pista. Para simular un escenario realista de interferencia 5G antes de la existencia de despliegues de estaciones base 5G, el informe de la RTCA optó por identificar las estaciones base 4G LTE (Long Term Evolution) existentes cercanas a la trayectoria de vuelo y suponer que las futuras estaciones base 5G se instalarían en estas mismas torres de telefonía móvil. El informe de la RTCA identificó cinco de estas estaciones base, que se muestran en la Tabla 2, cuyas ubicaciones se han verificado utilizando la herramienta de búsqueda del Registro de Estructuras de Antenas (ASR) de la FCC [16]. Estas torres de telefonía móvil también son visibles en las imágenes de Google Earth [17], que se utilizaron en el presente estudio para ajustar ligeramente las ubicaciones de las torres y localizarlas con precisión en relación con las estructuras de los edificios.
Tabla 2. Ubicaciones previstas para las estaciones base 5G cercanas a la trayectoria de vuelo.
La trayectoria de vuelo utilizada tanto en el estudio de la RTCA como en el presente estudio se muestra en la figura 6, tal y como aparece representada en Wireless InSite. La trayectoria de vuelo viene indicada por los cuadrados rojos, que marcan la ubicación de los altímetros de radar en puntos equidistantes a lo largo de la trayectoria. En el extremo izquierdo de la representación se observa una parte del Aeropuerto Internacional O’Hare y se aprecia que la trayectoria de vuelo termina en la pista 27L.
Figura 6. Vista general de la trayectoria de vuelo de la aproximación de aterrizaje ILS y ubicación estimada de las estaciones base 5G.
Las ubicaciones exactas de las cinco estaciones base utilizadas en el estudio se indican mediante pequeños cuadrados verdes, junto a los cuales figura, en texto naranja, el número de registro de la FCC. La gran mayoría de los datos geométricos relativos a las estructuras de los edificios, las carreteras, la vegetación y los elementos acuáticos se obtuvieron de OpenStreetMap [12]. En OpenStreetMap faltaba un pequeño número de edificios residenciales en las proximidades de la trayectoria de vuelo. Estos edificios se completaron con estructuras residenciales adecuadas basándose en la visualización de las zonas residenciales en Google Earth [17]. Cabe señalar, sin embargo, que la incorporación de estos edificios no afectó de manera significativa a las conclusiones principales del estudio.
Resultados del estudio
Reproducción de los resultados del escenario de aproximación ILS del informe de la RTCA
A diferencia del estudio que se describe más adelante —en el que se utiliza Wireless InSite para modelar la propagación de las ondas de radio en un entorno urbano al aire libre, teniendo en cuenta la geometría del terreno, la vegetación, los elementos acuáticos y la estructura de los edificios que se muestran en la figura 6—, el estudio de la RTCA sobre el escenario de aproximación de aterrizaje ILS solo tuvo en cuenta la propagación en línea de visión entre la estación base 5G y el altímetro de radar. Para garantizar que pudiéramos reproducir los resultados del informe de la RTCA en Wireless InSite, realizamos la simulación con ubicaciones idénticas de todas las antenas de las estaciones base y los puntos de ruta del receptor del altímetro de radar, pero con las características geométricas que representan el terreno, las estructuras de los edificios, etc., desactivadas. Esto garantizó que en esta simulación inicial solo se incluyera la propagación en línea de visión entre las estaciones base y el altímetro de radar. Al demostrar que podemos reproducir los resultados del estudio de la RTCA, verificamos que las características sutiles de los patrones de ganancia de las antenas y las ubicaciones relativas de estas antenas están correctamente representadas en Wireless InSite. Además, establecemos una línea de referencia a partir de la cual se pueden identificar fácilmente los cambios debidos a las interacciones con el terreno y las estructuras de los edificios.
Para reproducir los resultados sobre interferencias del informe de la RTCA, era evidentemente importante que la disposición geométrica de las antenas se ajustara lo más posible a la utilizada en el informe, así como implementar fielmente los patrones precisos de ganancia de las antenas y los niveles de potencia especificados tal y como se definieron en el informe. Sin embargo, hubo otros dos aspectos fundamentales para reproducir los resultados. En primer lugar, la polarización asumida para la antena del altímetro de radar no era constante en cada punto de referencia a lo largo de la trayectoria de vuelo, sino que se eligió para que coincidiera exactamente con la del campo de radiación incidente en la línea de visión procedente de la estación base 5G. Esto garantizó que se tuviera en cuenta el peor de los casos en cada punto a lo largo de la trayectoria de vuelo. En segundo lugar, la orientación azimutal de la estación base se eligió para obtener la mayor potencia recibida en la antena del altímetro de radar. Una vez más, esto garantiza una evaluación del peor de los casos y tiene en cuenta el hecho de que se desconoce la orientación azimutal de la matriz AAS de una futura estación base 5G instalada en esta torre de telefonía móvil, así como el hecho de que la matriz AAS permite el control azimutal electrónico de las emisiones 5G en ángulos arbitrarios que cubren un sector. Al implementar ambas hipótesis en la simulación de Wireless InSite, se obtienen fácilmente resultados que se aproximan mucho a los comunicados en el estudio de la RTCA.
Figura 7. Interferencia de emisión fundamental de 5G simulada en Wireless InSite únicamente para propagación en línea de visión.
La figura 7 muestra el resultado de la simulación de Wireless InSite, que calcula la densidad espectral de potencia de las emisiones fundamentales de 5G, tal y como las mide la antena del altímetro de radar, en función de la altitud de la aeronave en fase de aterrizaje. La densidad espectral de potencia recibida se muestra mediante trazos codificados por colores para cada una de las cinco ubicaciones de las estaciones base. El caso mostrado considera un escenario de aterrizaje en el que todas las estaciones base tienen una inclinación descendente electrónica de 20°, lo que corresponde a una inclinación descendente total (mecánica + eléctrica) de 30°. A modo de comparación, la máscara de tolerancia a la interferencia para el centro de la banda de emisiones fundamentales 5G, y en función de la altitud del altímetro, se muestra como la curva negra continua. La región sombreada en rojo que se extiende por debajo de la ITM representa un factor de seguridad adicional de 6 dB recomendado en el Manual de la OACI sobre requisitos de espectro para la aviación civil. La ITM mostrada en esta figura se ha tomado directamente del informe de la RTCA, ya que no podemos reproducir fácilmente los datos empíricos recopilados por AVSI utilizados para generar estas curvas. Lo que se ha reproducido de forma independiente en la simulación de Wireless InSite es la densidad espectral de potencia medida en el puerto del receptor del altímetro de radar. Estas curvas de PSD mostradas en la Figura 7 coinciden casi exactamente con las presentadas en la Figura D-15 del informe de la RTCA. Las discrepancias muy leves entre ambos resultados pueden deberse a diferencias menores en la posición geométrica de las antenas de la estación base y, tal vez, a ligeras diferencias en el patrón de ganancia de la antena del altímetro de radar, ya que este patrón no se definió matemáticamente, sino que se reprodujo digitalizando el patrón de ganancia de la publicación del informe de la RTCA. Cabe destacar que, para este análisis, que solo tiene en cuenta la propagación en línea de visión, no se supera ni el ITM en sí mismo ni el margen de seguridad asociado de 6 dB.
Figura 8. Interferencias por emisiones espurias de 5G simuladas en Wireless InSite únicamente para propagación en línea de visión.
Además de simular las interferencias debidas a las emisiones fundamentales de 5G procedentes de las distintas estaciones base, también simulamos las interferencias debidas a las emisiones espurias de 5G procedentes de esas mismas estaciones base. Los resultados se muestran en la figura 8 y se aproximan mucho a los resultados correspondientes obtenidos por la RTCA, que aparecen en la figura 10-34 de su informe. Una vez más, ni el ITM ni el margen de seguridad asociado se superan en ningún punto de la trayectoria de vuelo.
Comparación de resultados al añadir el terreno y las estructuras de los edificios
En marcado contraste con el estudio de la RTCA sobre el escenario de aproximación y aterrizaje del ILS, que solo tuvo en cuenta la propagación en línea recta desde las estaciones base hasta el altímetro, el uso de sofisticadas herramientas de propagación de ondas de radio, como Wireless InSite de Remcom, permite obtener modelos de alta fidelidad de la propagación de ondas de radio en entornos urbanos al aire libre. Wireless InSite utiliza el trazado de rayos tridimensional para modelar la propagación en entornos exteriores y puede tener en cuenta las trayectorias de los rayos que sufren múltiples interacciones de reflexión y difracción tanto con el terreno como con las estructuras de los edificios.
Figura 9. Interferencias de las emisiones fundamentales de 5G, incluyendo las interacciones con el terreno y la estructura de los edificios.
Para el escenario de aproximación de aterrizaje ILS que aquí se analiza, se utilizó Wireless InSite para modelar la propagación de la onda de radio en presencia de la geometría que se muestra en la figura 6, partiendo de supuestos razonables sobre las propiedades de los materiales y teniendo en cuenta trayectorias de rayos con hasta 4 reflexiones y 1 difracción a lo largo del recorrido. Las características de los materiales utilizadas para el terreno se basan en los gráficos de permitividad eléctrica y conductividad en función de la frecuencia, tal y como recomienda la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) en la ref. [18] para suelo húmedo, evaluados cerca de las frecuencias de interés para el estudio. Se optó por suelo húmedo en lugar de suelo medio seco al considerar que dichas condiciones eran adecuadas para situaciones en las que se requiere una aproximación ILS CAT II/III. Para aproximarse a un terreno realista, se utilizó un coeficiente de reflexión de superficie rugosa según la ref. [19], suponiendo una desviación estándar en la altura de la superficie de 1 cm. La corrección de rugosidad aplicada reduce modestamente la energía reflejada en la dirección especular para tener en cuenta la rugosidad estocástica de la superficie. Se supuso que toda la geometría de los edificios, las carreteras y las pistas de aterrizaje consistía en estructuras de hormigón, en las que la permitividad y la conductividad dependientes de la frecuencia se basan en las fórmulas recomendadas por la UIT para materiales de construcción presentadas en la ref. [20]. En este caso no se aplicó ninguna corrección por rugosidad de la superficie, ya que las estructuras de los edificios pueden considerarse relativamente lisas en las longitudes de onda de la banda C.
La figura 9 muestra la densidad espectral de potencia medida en el puerto del receptor del altímetro de radar en función de la altitud de la aeronave, tal y como la predice Wireless InSite cuando se incluyen el terreno, las estructuras de edificios, la vegetación y los elementos acuáticos. Se observan varios cambios notables en los resultados en comparación con el caso de línea de visión directa mostrado en la figura 7. El más destacado es el hecho de que la PSD interferente ha aumentado significativamente en varios puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo en comparación con el caso de línea de visión directa. De hecho, en cuatro ubicaciones a lo largo de la trayectoria de vuelo, las interacciones con los elementos añadidos han aumentado la PSD interferente hasta el punto de que se supera el margen de seguridad recomendado por la OACI. En dos de estas ubicaciones, debido a la interferencia de ASR 1280620 y ASR 1058071, que se encuentran ambas fuera de las zonas restringidas mostradas en la figura 1, el margen de seguridad de la OACI apenas se incumple en menos de 1,2 dB. Sin embargo, en otros dos puntos de la trayectoria de vuelo, debido a las emisiones fundamentales de 5G de la estación base ASR 1256593 —la única estación base dentro de la zona restringida que se muestra en la figura 1—, la PSD interferente se aproxima al propio ITM. Esto demuestra la importancia de utilizar herramientas de propagación de radio de alta fidelidad para modelar la propagación multitrayectoria al evaluar la interferencia del altímetro de radar 5G, ya que las interacciones con el terreno y las estructuras de los edificios pueden redirigir la energía hacia la antena del altímetro de radar y producir niveles de potencia de interferencia más altos que los previstos por el análisis de línea de visión por sí solo.
Figura 10. Interferencias de emisiones espurias de 5G, incluyendo las interacciones con el terreno y la estructura de los edificios.
Además de los resultados relativos a la interferencia procedente de las emisiones fundamentales de 5G, también hemos simulado la propagación de las ondas de radio en presencia de terreno, estructuras de edificios, etc., para predecir los niveles de interferencia derivados de las emisiones espurias de 5G. Los resultados se muestran en la figura 10. Se observan diferencias notables entre estos resultados, en los que se han incluido las interacciones con el terreno y las estructuras de edificios, y los resultados de la figura 8, que solo tiene en cuenta la propagación en línea de visión. Concretamente, en determinados puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo, la interferencia medida en el altímetro aumenta ligeramente en comparación con el mismo punto de la trayectoria de vuelo que se muestra en la figura 8. Además, a lo largo del registro de datos se observa que la interferencia medida fluctúa mucho más rápidamente en función de la altitud de la aeronave. Este rápido desvanecimiento se debe a que en los resultados de la figura 10 se ha tenido en cuenta la propagación por trayectorias múltiples. Sin embargo, a diferencia de los resultados para las emisiones fundamentales de 5G que incluyen la propagación más allá de la línea de visión, no hay ningún punto a lo largo de la trayectoria de vuelo en el que la interferencia prevista de las emisiones espurias de 5G aumente por encima del margen de seguridad recomendado por la OACI o del propio ITM. Estos resultados siguen respaldando la conclusión del informe de la RTCA de que las emisiones espurias de las estaciones base 5G no suponen una amenaza significativa para el funcionamiento del altímetro de radar en la Categoría de Uso 1 (aeronaves de transporte aéreo comercial), a diferencia de las emisiones fundamentales 5G.
Las interacciones con el terreno y las estructuras de los edificios provocan interferencias excesivas
Los resultados de la sección anterior relativos a las emisiones fundamentales de 5G indicaron que la interferencia medida en el receptor del altímetro de radar puede, en determinados puntos de la trayectoria de vuelo, aumentar lo suficiente debido a las interacciones con el terreno, las estructuras de los edificios, etc., como para que se incumpla el margen de seguridad recomendado por la OACI o se alcance el propio ITM (para la categoría de uso 1) de la aeronave. En esta sección examinamos con más detalle las condiciones de propagación de las ondas de radio que existen en los puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo donde se producen las infracciones.
Figura 11. Representación de las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia en el punto de la trayectoria de vuelo en el que la interferencia fundamental de 5G procedente de la estación base ASR 1280620 alcanza su máximo.
En primer lugar, consideramos el punto de máxima interferencia debido a la interferencia fundamental de 5G procedente de la estación base ASR 1280620, que se produce cuando la aeronave en aproximación se encuentra a 1429 pies sobre el nivel del suelo, medido en el umbral de la pista (véase el pico de la curva verde en la figura 9). La figura 11 muestra las condiciones en este punto con la orientación azimutal de la estación base ajustada para las condiciones de interferencia del peor de los casos. La representación de la figura 11 muestra las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia que contribuyen a la señal de interferencia en el altímetro de radar.
La figura principal muestra el recorrido completo del rayo a medida que se desplaza entre la estación base y el altímetro del avión. El recuadro muestra una vista ampliada de las interacciones del recorrido del rayo cerca de la estación base, que dirigen la energía hacia el altímetro de radar. Cabe destacar que existe una interacción con el terreno que contribuye a un PSD recibido mayor que la propia propagación en línea de visión. Además, existen numerosas trayectorias de rayos que interactúan tanto con el suelo como con las estructuras de los edificios, o que se difractan directamente en las propias estructuras de los edificios, lo que redirige la radiación hacia el altímetro de radar. Estas múltiples trayectorias se suman de forma coherente en el altímetro de radar para dar como resultado el PSD medido de la radiación interferente.
Este escenario ofrece un ejemplo notable de cómo la inclusión del terreno y las estructuras de los edificios, así como las interacciones de las ondas de radio con estos elementos en el análisis de propagación, puede mejorar drásticamente el nivel de interferencia previsto. En este caso, el nivel de interferencia previsto aumentó en 16 dB por encima del esperado si se tuviera en cuenta únicamente la propagación en línea de visión. En el escenario simulado, el aumento principal se debe exclusivamente a las interacciones con el terreno, mientras que las interacciones relacionadas con la geometría de los edificios contribuyen en mucha menor medida. Esta situación podría cambiar significativamente si se dispusiera de un conocimiento detallado de la composición de los materiales de construcción y se incorporara a la simulación. Como se ha señalado anteriormente, se asumió simplemente que todas las estructuras de los edificios consistían en estructuras de hormigón. Si se supiera que algunas de estas estructuras están compuestas de metal en lugar de hormigón, el peor escenario posible para la interferencia medida podría aumentar sustancialmente. Aun así, el escenario mostrado ya indica un aumento sustancial de la interferencia prevista, de tal manera que se incumple el margen de seguridad recomendado por la OACI para las aeronaves de la Categoría de Uso 1 una vez que se tienen en cuenta las trayectorias de rayos más allá de la línea de visión.
Como segundo ejemplo que pone de relieve la importancia de incluir el terreno y las estructuras de los edificios, y de ir más allá del análisis de propagación en línea de visión, consideramos el punto a lo largo de la trayectoria de vuelo en el que la interferencia medida en el receptor del altímetro alcanza su máximo debido a las emisiones fundamentales de 5G procedentes de la estación base ASR 1058071. Este punto se produce cuando la aeronave se encuentra a una altitud de 1398 pies sobre el nivel del suelo, medida desde el umbral de la pista (véase el pico de la traza naranja en la Figura 9). En este caso, las trayectorias de los rayos para la estación base orientada azimutalmente en el peor de los casos se muestran en la Figura 12. Aquí, de nuevo, la figura principal muestra las trayectorias de los rayos desde la estación base hasta el altímetro de radar, mientras que el recuadro muestra una vista ampliada de las interacciones de los rayos cerca de la estación base que redirigen la energía hacia el altímetro de radar. Al igual que en el caso anterior, el nivel de interferencia previsto ha aumentado drásticamente con la inclusión de las características del terreno y los edificios y las interacciones de ondas de radio asociadas. En comparación con el análisis de propagación en línea de visión, el análisis de trayectos múltiples predice un aumento del nivel de interferencia de algo más de 15 dB en este punto de la trayectoria de vuelo. Una vez más, el trayecto de rayos principal responsable de este aumento implica un único reflejo del terreno. Sin embargo, de la figura 12 se desprende claramente que otras trayectorias de rayos que implican interacciones con estructuras de carreteras y edificios también contribuyen, pero a un nivel mucho más modesto. Al igual que antes, a efectos de esta simulación se supone que todas las estructuras de edificios son de hormigón, al igual que las carreteras. Una vez más, el aumento de la interferencia, una vez incluida la propagación más allá de la línea de visión, es lo suficientemente significativo como para que se incumpla el margen de seguridad recomendado por la OACI para las aeronaves de la categoría de uso 1.
Figura 12. Representación de las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia en el punto de la trayectoria de vuelo donde la interferencia fundamental de 5G procedente de la estación base ASR 1058071 alcanza su máximo.
Por último, analizamos en detalle las situaciones en puntos concretos a lo largo de la trayectoria de vuelo en los que se aproxima mucho el ITM para aeronaves de la categoría de uso 1 debido a las emisiones fundamentales de 5G procedentes de la estación base ASR 1256593. Se trata de la única estación base del estudio situada dentro de la zona de emisión restringida de 5G cuya existencia se acordó desde enero de 2022 hasta el 5 de julio de 2022. El primer máximo de interferencia se produce cuando la aeronave se encuentra a una altitud de 319 pies sobre el nivel del suelo, medida en el umbral de la pista (véase el primer máximo alcanzado a lo largo de la trayectoria de vuelo para la traza morada en la figura 9). La representación de las trayectorias de los rayos para este caso se muestra en la figura 13. La vista principal muestra las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia que contribuyen a la interferencia en toda la trayectoria del rayo desde el transmisor hasta el receptor. El recuadro muestra una vista ampliada que destaca las interacciones más importantes que redirigen las ondas de radio 5G hacia el altímetro. En esta ubicación concreta, el nivel de interferencia previsto para el caso de trayectos múltiples es 26 dB mayor que el nivel de interferencia en la misma ubicación cuando solo se considera la propagación en línea de visión.
Figura 13. Representación de las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia en el punto de la trayectoria de vuelo en el que la interferencia fundamental de 5G procedente de la estación base ASR 1256593 alcanza un máximo local.
Este aumento tan considerable de la interferencia se debe principalmente a las interacciones con el terreno, pero también, en parte, a la coincidencia de que la trayectoria de línea de visión discurre a lo largo de un mínimo local del patrón de ganancia de la antena de la estación base 5G. Las reflexiones y difracciones en las estructuras de los edificios que rodean la estación base ASR 1256593 contribuyen en un grado relativamente menor en comparación con los dos ejemplos anteriores de interacciones, ya que son el terreno y las carreteras los que dominan la señal de interferencia.
Se produce un segundo máximo de interferencia debido a la estación base ASR 125653 a lo largo de la trayectoria de vuelo cuando la aeronave se encuentra a 256 pies sobre el nivel del suelo, medido en el umbral de la pista (véase el máximo de interferencia más cercano al aterrizaje de la aeronave en la curva morada de la figura 9). Una vez más, el nivel de interferencia se aproxima mucho al ITM para aeronaves de categoría de uso 1 en esta ubicación. Las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia que contribuyen a esta señal de interferencia se muestran en la figura 14. Al igual que en el ejemplo anterior, las contribuciones dominantes a la señal de interferencia se deben a interacciones con el terreno y las carreteras, mientras que las interacciones con estructuras de edificios contribuyen en un grado mucho menor. En esta ubicación concreta a lo largo de la trayectoria de vuelo, el nivel de interferencia previsto para el análisis de trayectos múltiples supera la predicción de la propagación en línea de visión en solo 25 dB. Una vez más, esta gran diferencia entre los resultados se debe a fuertes interacciones con el terreno y las carreteras y, en menor medida, con las estructuras de los edificios, pero también es una coincidencia que el rayo en línea de visión se encuentre a lo largo de un mínimo local del patrón de ganancia de la antena de la estación base 5G.
Figura 14. Representación de las 20 trayectorias de rayos de mayor potencia en el punto de la trayectoria de vuelo donde la interferencia fundamental de 5G procedente de la estación base ASR 1256593 alcanza su máximo.
Variaciones en las características del terreno
Dado que las infracciones más graves del margen de seguridad recomendado por la OACI para el escenario elegido se deben principalmente a las interacciones con el terreno, resulta interesante investigar en qué medida varían estos resultados cuando se adoptan diferentes supuestos sobre las propiedades materiales de los elementos del terreno. Para el análisis anterior, se supuso que el terreno estaba formado por tierra húmeda, ya que es probable que haya precipitaciones recientes o en curso cuando se requiere una aproximación de aterrizaje ILS CAT II/III. Además, se hizo una suposición realista sobre el terreno al incluir también un factor de corrección de rugosidad, suponiendo una desviación estándar de la altura de la superficie respecto a la media de 1 cm. Esta corrección de rugosidad actúa reduciendo la energía de la reflexión especular del terreno, lo que podría reducir la cantidad de energía redirigida hacia el altímetro de radar.
Figura 15. Variación de la interferencia de las emisiones fundamentales de 5G en función de las características del terreno.
Dado que conviene tener en cuenta escenarios realistas en el peor de los casos a la hora de evaluar los riesgos de seguridad, resulta interesante considerar el caso en el que el terreno se describe como tierra lisa y húmeda, ya que tendría un coeficiente de reflexión moderadamente más alto y podría dirigir más energía desde las estaciones base 5G hacia el altímetro de radar. En el otro extremo, también podríamos considerar las propiedades del terreno que cabría esperar en un día normal, es decir, tierra rugosa y medianamente seca.
Con este fin, hemos vuelto a ejecutar las simulaciones anteriores suponiendo que el terreno se describe como un material de tierra lisa y húmeda, en el que se ignora la corrección de la rugosidad de la superficie al coeficiente de reflexión, así como como una tierra rugosa y medianamente seca, en la que se supone que la rugosidad de la superficie tiene una desviación estándar de 1 cm en altura, como antes, pero ahora la permitividad y la conductividad se basan en la recomendación de la UIT para suelo medianamente seco [18]. Los resultados se muestran en la Figura 15. Aquí, la traza azul resume los resultados anteriores suponiendo una tierra húmeda y rugosa, y la región sombreada en morado, que en ocasiones se extiende fuera de la traza azul, describe los extremos en la variación de la PSD de la interferencia cuando se supone que los materiales de superficie de tierra rugosa y medianamente seca o de tierra húmeda y lisa describen el terreno. En cada punto a lo largo de la trayectoria de vuelo, se elige la mayor interferencia de cualquiera de las estaciones base para describir el punto de datos de la PSD de interferencia al construir estas curvas. Para la mayor parte de los datos, la variación de las propiedades de los materiales del terreno no afecta de forma apreciable a los resultados.
Sin embargo, en algunos puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo, y en particular en aquellos en los que se incumple el margen de seguridad debido a una importante contribución de los reflejos del terreno, se observa que la PSD de interferencia se extiende por encima y, en ocasiones, ligeramente por debajo de la de la curva azul. En concreto, en los puntos en los que el margen de seguridad solo se había superado ligeramente debido a la interferencia de ASR 1280620 y ASR 1058071, la superación es más significativa en el caso en que el terreno se describe como tierra lisa y húmeda, ya que la PSD de interferencia ha aumentado en aproximadamente 3 dB en estos puntos. Además, en los puntos donde el margen de seguridad ya se había sobrepasado significativamente debido a la interferencia del ASR 1256593, la PSD de interferencia en el caso de un terreno descrito por suelo liso y húmedo ha aumentado lo suficiente como para que ahora se sobrepase ligeramente el propio ITM. Por lo tanto, vemos que puede ser importante incluir variaciones de las propiedades de los materiales que incorporen escenarios realistas del peor caso a la hora de evaluar posibles fuentes de interferencia. En este escenario, un cambio moderado en las hipótesis sobre el material de la superficie del terreno dio lugar a un aumento de 3 dB en la interferencia en los puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo donde los reflejos del terreno dirigían una energía significativa hacia el altímetro de radar.
Observaciones finales
En este artículo hemos vuelto a analizar el escenario de aproximación de aterrizaje ILS Cat II/III que se consideró en el estudio de la RTCA sobre las interferencias del altímetro de radar en la tecnología 5G. A diferencia del análisis de la RTCA, que solo tuvo en cuenta la propagación en línea de visión para el escenario de aterrizaje, las simulaciones aquí descritas incluyen la propagación por trayectorias múltiples de las ondas de radio y la dispersión por el terreno y las estructuras de los edificios. Hemos demostrado que la inclusión de dicho análisis de trayectos múltiples en la evaluación de los niveles de interferencia del altímetro de radar 5G es crucial, ya que se observó que los niveles de interferencia aumentaban sustancialmente en determinadas ubicaciones a lo largo de la trayectoria de vuelo. En ocasiones, la interferencia superó el margen de seguridad de la OACI y, dependiendo de las hipótesis formuladas sobre las propiedades de los materiales del terreno, se acercó o incluso superó la máscara de tolerancia a la interferencia publicada por la RTCA/AVSI para aeronaves de categoría de uso 1.
Concretamente, tanto en este estudio como en el informe de la RTCA se consideró el escenario de aproximación de aterrizaje ILS Cat II/III para la pista 27L del Aeropuerto Internacional O’Hare. Para el presente análisis, se importaron a Wireless InSite, la herramienta de propagación de Remcom, los datos específicos del terreno, las carreteras, los elementos acuáticos y las estructuras de edificios que rodean el aeropuerto y se encuentran bajo la trayectoria de vuelo, a partir de la geometría de OpenStreetMap. Esto permitió utilizar Wireless InSite para estimar de forma realista la magnitud de la densidad espectral de potencia de las señales interferentes de 5G que llegaban al receptor del altímetro de radar a medida que la aeronave avanzaba por su trayectoria de vuelo. En consonancia con las conclusiones del informe de la RTCA, se constató que la interferencia debida a las emisiones espurias de 5G se situaba por debajo tanto del ITM para aeronaves de categoría de uso 1 como del margen de seguridad recomendado por la OACI asociado a este. Sin embargo, en el caso de que las estaciones base 5G a lo largo de la trayectoria de vuelo tengan una inclinación descendente electrónica de 20° (30° en total, electrónica + mecánica, inclinación descendente), el análisis de trayectos múltiples realizado con Wireless InSite indica que se supera el margen de seguridad y que se aproxima mucho al propio ITM en determinados puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo, mientras que el estudio de la RTCA no informó de tales infracciones, ya que solo se consideró la propagación en línea de visión para el escenario de aterrizaje.
En el análisis de propagación por trayectorias múltiples realizado en este estudio, se pronosticó que se infringiría el margen de seguridad debido a las emisiones procedentes de una estación base 5G instalada en una torre de telefonía móvil situada fuera de la zona de restricción de emisiones 5G que se acordó mantener alrededor de las pistas del aeropuerto hasta el 5 de julio de 2022. Cabe destacar que se se acercó mucho al ITM en el caso de una estación base 5G instalada en una torre de telefonía móvil situada dentro de la zona restringida. Como se ha mencionado anteriormente, la geometría específica del emplazamiento utilizada para realizar estas predicciones se importó de OpenStreetMap. Se aplicaron supuestos realistas sobre la composición de los materiales del terreno, las carreteras, los elementos acuáticos, la vegetación y las estructuras de los edificios a esta geometría para llevar a cabo las simulaciones. Sin embargo, podrían producirse niveles de interferencia aún mayores si se utilizaran otros materiales o geometrías más precisas para características específicas (por ejemplo, estructuras de edificios de metal en lugar de hormigón). De hecho, al realizar cambios modestos en las hipótesis sobre el terreno, concretamente modelándolo como tierra lisa en lugar de accidentada, la interferencia medida en el altímetro de radar aumentó en aproximadamente 3 dB en ciertos puntos a lo largo de la trayectoria de vuelo en el presente escenario.
Para obtener los mejores resultados, se debe realizar un estudio detallado de la geometría de los edificios y elementos, así como de la composición de los materiales que rodean una estación base 5G desplegada, de forma específica para cada emplazamiento, junto con un análisis de trazado de rayos multitrayecto, con el fin de evaluar adecuadamente los niveles de interferencia que podrían estar presentes en el receptor del altímetro de radar de la aeronave que aterriza. Se puede realizar fácilmente un análisis más exhaustivo (más allá del único caso de inclinación electrónica hacia abajo de 20° considerado aquí) tan pronto como se especifiquen la orientación mecánica y las capacidades de barrido electrónico de una estación base 5G concreta, ya sea antes o después de su despliegue.
Los resultados presentados anteriormente ponen de relieve la necesidad de realizar un análisis de propagación de ondas de radio específico para cada emplazamiento, que incluya los efectos de trayectos múltiples, con el fin de evaluar con precisión el grado en que las emisiones fundamentales de 5G pueden interferir con los altímetros de radar. Este análisis es especialmente importante para permitir la activación segura de las estaciones base 5G en zonas anteriormente restringidas, dado que los altímetros de radar, que son muy susceptibles a las interferencias fuera de banda, seguirán desplegados en las aeronaves a principios del verano de 2022.
Referencias
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