Modelización de ondas electromagnéticas y provisión de cobertura de IoT de banda estrecha mediante satélites en órbita terrestre baja

Kenneth M. O’Hara y Gregory J. Skidmore, Remcom Inc., State College, Pensilvania.

Este artículo describe la modelización de un enlace SATCOM, concretamente el caso de uso en el que se recurre a una red satélite complementaria para ampliar la continuidad del servicio a los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) en una zona rural con escasa cobertura.

Las redes inalámbricas no terrestres (por ejemplo, constelaciones de satélites o plataformas de gran altitud) presentan ventajas únicas —una amplia cobertura de servicio y fiabilidad a largo plazo— que las convierten en componentes importantes del sistema global heterogéneo de redes 5G. Es probable que las redes no terrestres (NTN) desempeñen un papel fundamental a la hora de prestar servicio en lugares no cubiertos por las redes 5G terrestres, como zonas rurales y remotas, plataformas móviles y zonas afectadas por catástrofes. Un caso de uso de las NTN es garantizar la continuidad del servicio para dispositivos máquina a máquina (M2M) o del IoT cuando se salen de la cobertura de la red 5G terrestre^.1 Esto es especialmente importante para los dispositivos M2M/IoT que proporcionan comunicaciones críticas (por ejemplo, aplicaciones en eSalud o seguimiento de activos vitales).

IoT de banda estrecha

Los requisitos de las comunicaciones M2M e IoT pueden diferir considerablemente de los de la transmisión de voz y datos: los caudales de datos suelen ser mucho menores. Una característica destacada de los dispositivos M2M e IoT es la necesidad de un bajo consumo energético. Afortunadamente, estos aspectos de las comunicaciones M2M/IoT pueden satisfacerse simultáneamente mediante una red de área amplia (WAN) de ancho de banda reducido y bajo consumo. El IoT de banda estrecha (NB-IoT) es un ejemplo de uno de estos estándares de red, incorporado en la versión 13 del 3GPP y mejorado aún más en las versiones 15 y 16 para garantizar la capacidad de funcionar dentro de un ecosistema 5G. La baja potencia de señal de estos dispositivos se adapta al menor ancho de banda del estándar NB-IoT, lo que ayuda a reducir el ruido de RF. Afortunadamente, este requisito de ancho de banda estrecho es coherente con las bajas velocidades de datos aceptables para estas comunicaciones.

NB-IoT se basa en un estándar LTE simplificado con un ancho de banda máximo de 200 kHz, que se transmite bien en bandas dedicadas, bien en banda dentro de las portadoras LTE o 5G NR, o bien dentro de sus bandas de guarda. Las velocidades máximas de bajada y subida utilizando todo el ancho de banda son de 250 kbps; los sistemas con un rendimiento de datos inferior pueden utilizar subportadoras individuales.

Figura 1: Un satélite en órbita terrestre baja (LEO) puede comunicarse con dispositivos del Internet de las cosas (IoT) en zonas rurales o remotas.

Satélites LEO

Aunque las redes de satélites ofrecen las ventajas de una amplia cobertura de servicio y una gran fiabilidad, sus enlaces de comunicación adolecen inevitablemente de latencias relativamente elevadas y pérdidas de propagación. Para minimizar ambas, se pueden utilizar constelaciones de satélites en órbita terrestre baja (LEO) para comunicarse con dispositivos NB-IoT en tierra (véase la figura 1). Por ejemplo, la latencia de ida y vuelta para un satélite LEO que orbita a 1000 km es inferior a 10 ms cuando el satélite se encuentra directamente sobre el punto de referencia. La pérdida de propagación en espacio libre (FSPL) viene dada por la fórmula de transmisión de Friis:

donde d es la distancia y λ la longitud de onda. La FSPL es el factor que más contribuye a las pérdidas en el balance de enlace del satélite y se minimiza gracias a las distancias de propagación más cortas asociadas a un satélite LEO y al uso de longitudes de onda más largas. Para λ = 14 cm (una portadora de 2,1 GHz) y d = 1000 km, la FSPL es de 159 dB para un satélite situado directamente sobre la cabeza (elevación = 90 grados). La trayectoria de propagación aumenta para ángulos de elevación más bajos debido a la mayor distancia oblicua al satélite asociada a la propagación en línea de visión (LOS) con refracción y absorción en la atmósfera terrestre. El uso de portadoras de banda L y S, en lugar de frecuencias más altas, mantiene la absorción atmosférica relativamente baja.

Los satélites LEO tienen el inconveniente de que el canal de comunicaciones se ve complicado por desplazamientos Doppler relativamente grandes. Para mantener su órbita, un satélite LEO situado a una altitud de 1000 km debe tener una velocidad, v, de 7,4 km/s. El desplazamiento Doppler debido a este movimiento viene dado por:

donde k⃗ es el vector de onda de la señal de radio en la posición del satélite. El vector de onda tiene una magnitud de k = 2π/λ.

En el caso de un satélite LEO en órbita polar, la figura 2a muestra el desplazamiento Doppler en función del tiempo para las frecuencias portadoras de enlace descendente y ascendente cercanas a los 2 GHz, donde t = 0 es el instante en el que el satélite pasa directamente por encima. Los ángulos de elevación correspondientes se muestran en el eje superior. Las señales de enlace ascendente (UL) (1,7 GHz) y de enlace descendente (DL) (2,1 GHz) experimentan desplazamientos diferentes debido a sus distintas longitudes de onda. Para tener en cuenta con precisión la dirección del vector de onda de la señal k⃗ en la ubicación del satélite, se ha utilizado un modelo interno de propagación tierra-satélite basado en las normas ITU-R P.676-112 e ITU-R P.834-83 para tener en cuenta la refracción en la atmósfera (que desvía la onda de radio hacia la superficie de la Tierra) en comparación con la propagación directa en línea de visión (LOS). La tasa de variación temporal del desplazamiento Doppler se muestra en la figura 2b. Para evitar la interferencia entre bandas, el componente de modo común del desplazamiento debe ser compensado dinámicamente por el satélite, mientras que el desplazamiento diferencial restante en toda el área de cobertura debe ser compensado por el equipo de usuario (UE).⁴

Figura 2: Desplazamiento Doppler (a) y velocidad de deriva Doppler (b) de un satélite en órbita LEO.

Otros factores que afectan a los balances de enlace entre el satélite y tierra incluyen la atenuación por lluvia, la centelleo ionosférico y troposférico, el enmascaramiento por el terreno, la atenuación por el follaje y los efectos de trayectos múltiples. En el caso de las portadoras de banda L y S, que se emplean habitualmente en las comunicaciones NB-IoT, los efectos de la atenuación por lluvia y del centelleo troposférico son relativamente reducidos.^5-6 La centelleo ionosférico, por otro lado, puede provocar desvanecimientos profundos dependientes del tiempo durante las horas posteriores a la puesta del sol para los UE situados a menos de 20 grados del ecuador o en latitudes altas cerca de los polos.⁷ Los presupuestos de enlace para los UE situados en estas regiones pueden requerir márgenes de al menos 25 dB, especialmente durante períodos de alta actividad solar. En otras latitudes, la centelleo ionosférico suele ser insignificante. Para tener en cuenta el enmascaramiento del terreno, la atenuación por el follaje y los efectos de trayectos múltiples, especialmente en un escenario bien caracterizado, se pueden emplear técnicas de trazado de rayos.

Modelización de la cobertura satelital en zonas rurales

A continuación, analizamos el caso de uso consistente en ampliar la continuidad del servicio a los dispositivos móviles NB-IoT en zonas rurales (véase la figura 3). La imagen muestra zonas urbanas y suburbanas con buena cobertura terrestre, con una región rural entre ellas. El extremo norte de la zona urbana situada al sur cuenta con dos estaciones base terrestres, cada una con una potencia de transmisión de 40 dBm en un ancho de banda de 20 MHz. La zona suburbana situada al norte cuenta con una estación base de 40 dBm. En cuanto a la zona rural situada entre ambas, la cobertura se proporciona mediante un satélite LEO.

Figura 3: Escenario urbano-suburbano-rural utilizado para modelar la cobertura terrestre y por satélite.

En primer lugar, consideremos la cobertura que proporcionan las estaciones base terrestres a los dispositivos NB-IoT situados en cualquier punto del escenario. Para tener en cuenta el enmascaramiento del terreno, el sombreado de la vegetación y los efectos de trayectos múltiples en las señales que viajan desde las estaciones base hasta los dispositivos NB-IoT, empleamos un modelo de trazado de rayos utilizando la suite Wireless InSite® de Remcom.^⁸ Este modelo incluye la propagación por trayectos múltiples a través de la parte exterior del escenario, incluyendo los trayectos que se reflejan y difractan en el terreno y las estructuras. Este método incorpora efectos de multitrayectoria 3D completos, incluyendo polarización y fase. En este escenario, se supone que las estaciones base tienen polarización vertical, mientras que se supone que los receptores NB-IoT tienen antenas de polarización lineal de 0 dBi, con sus ejes de polarización girados 45 grados respecto a la horizontal. Los receptores NB-IoT tienen una figura de ruido de 9 dB y se supone que el ruido de fondo de RF ambiental es de −167 dBm/Hz, lo que concuerda con las mediciones de ruido de RF a 1,7 y 2,1 GHz en entornos urbanos, suburbanos y rurales.⁹

Para los receptores NB-IoT situados en cualquier punto de la escena, la figura 4 muestra la relación señal-ruido (SNR) tanto para la señal de subida (UL, 1,7 GHz) como para la de bajada (DL, 2,1 GHz), con un ancho de banda de 180 kHz. Se observan SNR de hasta 57 y 66 dB para DL y UL, respectivamente, en las zonas urbanas y suburbanas cercanas a las estaciones base terrestres. Sin embargo, en las zonas rurales, la SNR suele caer muy por debajo de los 0 dB (mostrada en transparente), debido al enmascaramiento del terreno y al sombreado de la vegetación. Wireless InSite modela la atenuación causada por la vegetación mediante la implementación del modelo de Weissberger.¹⁰

Figura 4: Relación señal-ruido (SNR) de NB-IoT para un enlace descendente y ascendente terrestre.

La cobertura en las zonas rurales para los dispositivos NB-IoT puede restablecerse mediante una red complementaria por satélite. La señal del satélite se simula en Wireless InSite y se complementa con un modelo interno, colocando un transmisor isotrópico en Wireless InSite a un ángulo de elevación aparente y una altitud determinados a partir de los cálculos realizados con el modelo de propagación del satélite a tierra descrito anteriormente. De este modo se tiene en cuenta el aumento de la pérdida de señal debido a la refracción en la atmósfera.

Para modelar la cobertura DL, el transmisor isotrópico tiene una potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) de 66 dBm, menos la pérdida de potencia debida a la absorción atmosférica, determinada por el modelo de propagación entre el satélite y la superficie terrestre.¹¹ A continuación, se desactiva la absorción atmosférica en Wireless InSite para los enlaces por satélite, ya que esta ya se tiene en cuenta en dicha EIRP reducida. La EIRP de 66 dBm supone que el satélite puede proporcionar una potencia de transmisión de 36 dBm en un ancho de banda de 180 kHz y tiene una ganancia de antena de 30 dBi. Se supone que la antena del satélite tiene polarización circular, lo cual es típico en las comunicaciones por satélite (SATCOM) para eliminar la rotación de polarización debida al efecto Faraday. Se supone una figura de ruido de 3 dB para la antena del satélite, así como una temperatura de ruido de 290 K para el UL,12 lo que da como resultado una potencia de ruido de −174 dBm/Hz. El DL mantiene la suposición de una figura de ruido de 9 dB y un umbral de ruido de RF de −167 dBm/Hz, adecuado para las comunicaciones terrestres en las bandas de frecuencia utilizadas en este escenario.

La figura 5 muestra las relaciones señal-ruido (SNR) de bajada (DL) y subida (UL) del satélite para la escena de la figura 3, en diferentes ángulos de elevación del satélite sobre el horizonte. Las SNR inferiores a 0 dB son transparentes. La SNR máxima se alcanza cuando el satélite se encuentra directamente sobre la cabeza (es decir, con un ángulo de elevación de 90 grados), ya que así se minimizan la pérdida en la trayectoria de propagación y la absorción atmosférica. A ángulos de elevación más bajos, la SNR se ve afectada por el sombreado provocado por la vegetación y el terreno. A pesar de estas pérdidas, se puede mantener una SNR superior a 0 dB en la mayor parte de la escena para ángulos de elevación de 25 grados o más. A pesar de la menor potencia de transmisión de los dispositivos NB-IoT (se asume 23 dBm para este análisis), la SNR para el UL es aproximadamente 2 dB más alta de media que para el DL, ya que la figura de ruido del receptor del satélite es 6 dB más baja que la de los dispositivos NB-IoT de bajo coste. El ruido ambiental para el satélite es de −174 dBm/Hz (aproximadamente 7 dB inferior al de los sistemas terrestres) y la pérdida en la trayectoria de propagación de la señal de enlace ascendente se reduce en 2 dB a un ángulo de elevación de 90 grados en relación con el enlace descendente, debido a la diferencia de longitud de onda.

Figura 5: Relación señal-ruido (SNR) de NB-IoT para enlaces con satélites LEO en función de los ángulos de elevación.

Para caracterizar cuantitativamente la mejora en la cobertura obtenida con la superposición satelital, la figura 6 compara la función de distribución acumulativa (CDF) de los valores de SNR para la estación base terrestre y el satélite a diferentes ángulos de elevación. Para centrarnos en la zona rural, la CDF se calcula para los dispositivos NB-IoT situados en los dos tercios centrales de la escena mostrada en la figura 3. Según la CDF de las estaciones base terrestres, más del 60 % de las ubicaciones de los receptores/transmisores tienen SNR inferiores a 0 dB. Por el contrario, casi el 100 % de las ubicaciones de los dispositivos simulados tienen SNR superiores a 0 dB para la transmisión satelital UL/DL con ángulos de elevación de tan solo 25 grados. Cuando el satélite se encuentra en el cenit, la mayor parte de la zona alcanza SNR de 10 dB o superiores.

Figura 6: Distribución acumulativa de la relación señal-ruido (SNR) para el enlace descendente (a) y el enlace ascendente (b), comparando las estaciones base terrestres con un satélite LEO en distintos ángulos de elevación.

Para una relación señal-ruido (SNR) y un esquema de modulación y codificación determinados, es posible calcular el caudal de datos. Cuando se utiliza todo el ancho de banda de 180 kHz, tanto el DL como el UL en el estándar NB-IoT utilizan QPSK. La figura 7 muestra el rendimiento alcanzado por los dispositivos NB-IoT en diferentes ubicaciones de la escena, donde la estimación del rendimiento se basa en la fórmula proporcionada en 3GPP TS 38.30613 y se limita a las modulaciones QPSK de orden inferior. La figura 7a muestra el rendimiento de DL y UL solo con las estaciones base terrestres; la figura 7b muestra el rendimiento cuando las estaciones base terrestres se complementan con cobertura satelital, suponiendo que el satélite se encuentra en un ángulo de elevación de 25 grados. Para el UL, la superposición satelital proporciona una cobertura completa en toda la escena, incluso con un satélite a 25 grados. La cobertura es casi completa para el DL. A medida que el satélite se desplaza a elevaciones más altas, el rendimiento global sigue aumentando y alcanza un rendimiento máximo en toda la zona cuando el satélite se encuentra en posición cenital.

Figura 7: Rendimiento de enlace descendente y ascendente de NB-IoT, comparando las estaciones base terrestres (a) con la red satélite superpuesta (b), con el satélite a una elevación de 25°.

Conclusión

Este estudio de caso muestra cómo se puede modelar la cobertura satelital mediante simulación predictiva. Estos modelos permiten simular el canal SATCOM, captando efectos importantes como el enmascaramiento del terreno, el sombreado debido al follaje y el desvanecimiento por trayectos múltiples, que son esenciales para una evaluación adecuada del presupuesto de enlace. Además, se pueden utilizar modelos de trazado de rayos para identificar casos en los que la cobertura terrestre debe complementarse con una superposición de satélites LEO para mejorar la cobertura NB-IoT en zonas rurales. Estos satélites LEO pueden proporcionar cobertura con una latencia relativamente baja, aunque esto conlleva una mayor complejidad del canal de comunicaciones, ya que los grandes desplazamientos Doppler deben ser compensados por el satélite y/o el UE.

Referencias

1. «Estudio sobre el uso del acceso por satélite en 5G»,3GPP, TR 22.822, V16.0.0, junio de 2018
2. «Atenuación por gases atmosféricos», Unión Internacional de Telecomunicaciones, Recomendación UIT-R P.676-11, agosto de 2019.
3. «Efectos de la refracción troposférica en la propagación de las ondas de radio», Unión Internacional de Telecomunicaciones, Recomendación UIT-R P.834-8, septiembre de 2016.
4. O. Kodheli, S. Andrenacci, N. Maturo, S. Chatzinotas y F. Zimmer, «Enfoque de asignación de recursos para la reducción del efecto Doppler diferencial en NB-IoT a través de satélites LEO», 9. ª Conferencia de la ASMS y 15.º Taller de la SPSC, octubre de 2018
5. R. E. Sheriff y Y. F. Hu, «Mobile Satellite Communications Networks, primera edición», Wiley, 12 de noviembre de 2001.
6.  A. K. Maini y V. Agrawal, «Tecnología satelital: principios y aplicaciones, segunda edición», Wiley, 1 de noviembre de 2010.
7. «Datos sobre propagación ionosférica y métodos de predicción necesarios para el diseño de servicios y sistemas de satélites», Unión Internacional de Telecomunicaciones, Recomendación UIT-R P.531-13, septiembre de 2016.
8. «Wireless InSite», Remcom Inc., octubre de 2019.
9.  R. Leck, «Resultados de las mediciones del entorno de radiofrecuencia ambiental y del ruido de fondo realizadas en los Estados Unidos en 2004 y 2005», Informe de la Organización Meteorológica Mundial, marzo de 2006.
10. M. A. Weissberger, «Resumen crítico inicial de los modelos para predecir la atenuación de las ondas de radio por los árboles», Informe final del Centro de Análisis EMC, julio de 1982.
11. H. J. Liebe, «Un modelo actualizado para la propagación de ondas milimétricas en aire húmedo», Radio Science, septiembre de 1985
12. D. Roddy, «Comunicaciones por satélite, cuarta edición», McGraw-Hill Education, 10 de febrero de 2006.
13. «Capacidades de acceso radioeléctrico del equipo de usuario (UE) (Versión 15)», 3GPP, Especificación técnica 38.306 V15.7.0, septiembre de 2019.