La explotación de espacios blancos de televisión en México

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Published on December 14, 2016

Author: AcademiaDeIngenieriaMx

Source: slideshare.net

1. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 1 Trabajo de Ingreso LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Subespecialidad: Comunicaciones Inalámbricas Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC Cesar Vargas Rosales Ingeniero Mecánico Electricista, Especialidad en Sistemas Digitales, Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, Doctorado en Ingeniería Eléctrica (Comunicaciones y Procesamiento de Señales) 28 Junio 2016 Monterrey, Nuevo León.

2. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 2 Contenido Resumen Ejecutivo 3 1.- INTRODUCCIÓN 5 2.- LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MEXICO 7 2.1.- Internet de las Cosas 7 2.2.- 5G 8 2.3.- Radio Cognitivo y Espacios Blancos 9 2.4.- Espacios Blancos de TV 10 2.5.- Inicios de los Espacios Blancos 14 2.5.1.- Definición de Espacios Blancos 14 2.6.- Contribuciones 16 2.7.- Evaluación de Espacios Blancos en México 17 2.8.- Análisis de los Espacios Blancos de TV en México 19 2.9.- Trabajo Futuro 24 3.- CONCLUSIONES 26 4.- REFERENCIAS 27 5.- BIBLIOGRAFÍA 28

3. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 3 RESUMEN EJECUTIVO Los servicios de banda ancha para comunidades rurales siempre han sido un reto y una prioridad para los gobiernos. Más de la mitad de la población mundial se encuentra en estas zonas aisladas con una carencia substancial de infraestructura de acceso a la información. Actualmente, la mayoría del espectro radio eléctrico está concesionado a servicios primarios o licenciados lo que genera una escasez de frecuencias evitando el despliegue de nuevos sistemas. El rápido crecimiento tecnológico, provoca un problema porque más aplicaciones compiten por espectro, limitando la evolución de nuevas tecnologías debido a regulaciones sobre la operación del espectro concesionado. Por la escasez de frecuencias, diversas organizaciones han propuesto soluciones donde sistemas primarios puedan compartir el espectro con sistemas secundarios aprovechando los espacios subutilizados, como en las bandas de TV (VHF-UHF). En un esfuerzo por ayudar en este problema, los sistemas de Radio Cognitivo y los “Espacios Blancos (White Spaces)” de TV basados en el estándar IEEE802.22 han sido presentados como una solución. En este trabajo se presenta la factibilidad de un sistema de comunicación de radio cognitivo que usa los espacios blancos de TV en la República Mexicana para proveer servicios de banda ancha. Este sistema permitirá una conectividad eficiente y la expansión del acceso de banda ancha utilizando Redes Inalámbricas de Área Regional (WRAN) bajo la norma IEEE802.22 para radios cognitivos. ABSTRACT Broadband communication services for rural communities have always been a challenge and a priority for Governments in the world. More than half of the world's population is located in these remote areas with an important deficit of information access infrastructure. Currently, most of the radio spectrum is licensed to primary services which creates a shortage of frequencies that prevents the deployment of new systems. With the rapid growth of wireless technologies, this has come to be a serious problem as more and more applications compete for the spectrum use, and thus severely limiting the development of new technologies due to regulations on the operation of the spectrum. Because of the scarcity of frequencies, various organizations have started to recommend solutions where primary systems share the spectrum with secondary systems by taking advantage of the free spectrum spaces that are under-utilized, as it is the case of the TV (VHF- UHF) bands. In an effort to help in this problem, cognitive Radio systems and the use of " TV White spaces" based on the IEEE 802.22 standard have been presented as a solution. This document presents the feasibility of a communications system of cognitive radio using TV white spaces in Mexico to provide broadband service to rural or underserved areas. This system will enable efficient connectivity and expansion of the broadband access using wireless Regional Area (WRAN) IEEE 802.22 standard for cognitive radios. Palabras clave: Espacios blancos de TV, Radio cognitivo, interferencia, receptores óptimos, WRAN, banda ancha Objetivo: Presentar la factibilidad de un sistema de comunicaciones de radio cognitivo que utilice los espacios blancos de TV en la República Mexicana. Este sistema permitirá una

4. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 4 conectividad eficiente y a menor costo, junto con la expansión del acceso de banda ancha a comunidades rurales o marginadas con eventual aplicación de la norma IEEE 802.22 para Radios Cognitivos. Se muestra también el inicio del estudio de los impedimentos del canal para este sistema, sobre todo de la interferencia que genera. Alcances: Se presenta la factibilidad de un sistema de comunicaciones de banda ancha para zonas rurales o suburbanas que se fundamenta en el concepto de radio cognitivo. La factibilidad se establece desde la perspectiva de la disponibilidad del número de canales de TV disponibles por zonas geográficas de la República Mexicana junto con la capacidad por persona y por Km2 alcanzable. Se presentan los inicios del estudio de interferencia para este sistema.

5. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 5 1. INTRODUCCIÓN. En Febrero 2013, el Tecnológico de Monterrey hizo una visita de trabajo a la Universidad de California en Berkeley. Como acuerdo en esa ocasión se determinó la realización de una estancia de investigación de verano en esa universidad por parte de dos profesores. En verano 2013 ya trabajando en el área de redes de sensores para sistemas de agua, se tuvo la oportunidad de tener reuniones con el profesor Anant Sahai, quien en ese momento estaba a la mitad de un proyecto con sus estudiantes donde estaban identificando y cuantificando los espacios blancos de TV en Estados Unidos. Nos reunimos los investigadores de México y uno de Egipto e iniciamos el trabajo de los espacios blancos, en principio definiendo metodologías para la cuantificación de los mismos independientemente del país. La idea principal era cuantificar los espacios blancos de TV, y proponer un sistema que pudiera explotarlos sin ser costoso y que no fuera necesaria la modificación de las líneas de producción existentes de dispositivos actuales. Se trabajó en generar una propuesta y posteriormente en que cada uno de nosotros lo hiciera en sus respectivos países. Una de las ideas principales también era la obtención y documentación de la información de las estaciones de TV. En México no tenemos problemas ya que esa información se encuentra disponible, pero en otros países puede ser difícil obtenerla. Para resolver este problema, se hizo un estudio estadístico en Estado Unidos a través de encuestas donde por via telefónica se les preguntaba a las personas qué canales de TV recibían. Se completó ese estudio con significancia estadística y después se correlacionó con la información que se tenía de las antenas transmisoras en el territorio Estadounidense y se llegó a la conclusión de que la similitud era extraordinaria. Esto nos proporcionó la seguridad de que la metodología que pudiéramos generar podría ser aplicada en diversos países sin la necesidad de que el gobierno realizara esos estudios. Para el verano 2015 ya se habían hecho los programas que calculaban los espacios blancos, y análisis de costos de algunas soluciones propuestas y personalmente inicie con la tarea de obtener los espacios blancos de TV para México y presentarlos con el uso de diferentes consideraciones. Esto se realizó durante la segunda estancia de investigación en la Universidad de California en Berkeley. El resultado de ese trabajo es el que se presenta en este documento. Este trabajo ha generado dos estudiantes graduados de maestría, Joaquín Arellanos y Jacqueline Martínez y un artículo en revista indizada enviado en 2016. En general, se obtuvo la información de las estaciones de TV en México y en varias ocasiones tuvimos que hacer actualizaciones de la misma. La última publicada y que es la que utilizamos para este documento es de Agosto 2015. De INEGI se obtuvo la información para los mapas junto con la información demográfica. De CONAPO y de IFT obtuvimos información del uso de Internet en México. Los programas están fundamentados en los que ya se tenían en la Universidad de California y que se modificaron para que pudieran manipular la información de México. Los programas leen la información y utilizan un modelo de propagación recomendado por la UIT para las frecuencias de TV. Se generan mapas de 200 x 300 pixeles de resolución y se cuantifica por pixel la cantidad de canales de TV que no se están ocupando. En un pixel en particular se tienen 114.7 Km2 de área. Pixel por pixel se aplica el modelo de propagación para todos los canales de TV. Se determina qué canales de TV son recibidos con una potencia mayor que -114 dBm y todos esos canales cuya potencia recibida es inferior al umbral

6. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 6 mencionado y que satisfacen el criterio de canales adyacentes (más adelante se explica), forman parte de los espacios blancos de TV. El trabajo de los espacios blancos de TV para México está en sus inicios. Lo que se muestra en este documento es solo la cuantificación de los espacios y la factibilidad de utilizarlos para servicios de banda ancha al conocer su potencial en cuanto a la velocidad de datos que se puede alcanzar por Km2 y por persona. En la Sección del Desarrollo del Tema, se presenta primero un panorama de los avances tecnológicos y el futuro en materia de sistemas y redes de comunicaciones inalámbricas. Esta parte permite establecer brevemente los intereses en los que se concentra la investigación y desarrollo en estas áreas, así como define las líneas que representan un interés para nuestra comunidad. Posteriormente se presentan los antecedentes de los espacios blancos y se describe el contexto de las comunicaciones inalámbricas. Se platica brevemente de sistemas y soluciones que se han propuesto o implementado y los detalles en regulación que son determinantes para los espacios blancos de TV. Después se introduce el concepto de espacio blanco y se muestra el mismo a través de un mapa de México, se establecen las protecciones necesarias para considerar la disponibilidad de espacios blancos y brevemente se presentan las contribuciones del trabajo. Se continúa con la presentación de los mapas de disponibilidad de espacios blancos con diferentes consideraciones y su cuantificación en número de canales, y en MHz. En la subsección de Análisis se explica el cálculo de la capacidad de los espacios blancos en términos de velocidad de datos alcanzable y se presenta por unidad de área y por persona. El documento continúa con una explicación breve de lo que se está realizando en este momento que es el modelado de la interferencia causada por los dispositivos secundarios. Se obtendrá un modelo que también considerará la geometría irregular de las áreas generadas de cobertura. Finalmente se presenta el conjunto de trabajos futuros que se ha planeado en esta temática de radio cognitivo en espacios blancos de TV.

7. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 7 2. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Durante los últimos 20 años se ha presenciado un crecimiento exponencial en la demanda de servicios de comunicaciones que solo ha podido ser mitigada por las tecnologías inalámbricas, pero esto ha generado a nivel mundial una revolución donde se contemplan escenarios solo vistos en ciencia ficción con una cantidad de dispositivos inmensa y con una posibilidad de aplicaciones aún no vistas. Este paradigma de contar con dispositivos para todas las actividades, equipados con sensores de múltiples clases supervisando numerosas variables y generando información al medir diversos parámetros, impondrá una exigencia en la infraestructura de comunicaciones y en el diseño de sistemas de última milla nunca antes visto. El actual paradigma de acceso a través de enlaces asimétricos, donde generalmente la demanda de bajar información es mayor, está terminando y necesita ahora cambiar a un paradigma donde las personas generan una cantidad inmensa de información que necesita ser comunicada. Esto está haciendo que se generen nuevas perspectivas tecnológicas que sean eficientes, sustentables y con carácter evolutivo para satisfacer la demanda que en un futuro cercano se avecina. Tecnológicamente hablando, los paradigmas que se están gestando para acomodar toda esa demanda son Internet de las Cosas (IoT), la siguiente generación de comunicación móvil 5G y la tecnología que utiliza inteligencia para adaptarse al medio ambiente que la rodea Radio Cognitivo (CR). De estas tendencias tecnológicas a continuación se presentará brevemente su concepto para IoT y para 5G, y más adelante para CR ya que este trabajo se concentra en esta última tecnología. 2.1.- Internet de las Cosas Por lo general, se visualizan conjuntos de dispositivos heterogéneos comunicándose para realizar sus tareas programadas. Esta comunicación se contempla de forma inalámbrica por la necesidad de no tener una dependencia de infraestructura física a través de cables y contar con esa independencia de portabilidad y movilidad. Cada vez más fabricantes generarán sensores miniaturizados que podrán ser utilizados en las personas, en ropa, en nuestro mismo cuerpo de formas intrusivas y no intrusivas, en nuestra casa, trabajo y en la ciudad. Este escenario es lo que se conoce como Internet de las Cosas (IoT) que contempla que el número de cosas que necesitarán de conectividad a través de Internet crecerá a un estimado de 50,000 millones de dispositivos. En paralelo se están generando otras aplicaciones donde también crecerá el número de equipos que requerirán de esa conectividad. Por ejemplo, en el escenario vehicular se estima que 250 millones de vehículos para el 2020 necesitarán conectarse, así como un estimado de 27,000 millones de conexiones entre máquinas será necesario lograr. Esta necesidad de dispositivos a conectarse viene junto con la reducción de los costos de los sensores, de ancho de banda, de procesamiento y de almacenamiento. El paradigma de IoT tendrá una fuerte influencia en la vida del ser humano al proponer soluciones con tecnología a problemas de carácter social, ambiental y productivo. Necesidades de apoyo para la educación tanto a niños y adolescentes como adultos y adultos mayores, eficientar procesos de almacenamiento y distribución de la energía, del agua, de alimentos serán de la

8. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 8 vida cotidiana. La supervisión con aplicaciones en salud, tanto del cuerpo humano como de las variables de interés como niveles de contaminación por ozono o dióxido de carbono entre otros, son algunas de las actividades que cada vez más se transformarán para hacerse más eficientes. El paradigma IoT es la conectividad de dispositivos inteligentes, de sistemas de dispositivos inteligentes, y de sistemas de sistemas inteligentes, que necesitarán de bajos costos de fabricación y de conectividad junto con cobertura amplia universal y de largo plazo. Esto se traduce a la necesidad de mayor ancho de banda, tiempos de respuesta más rápidos, consumo de energía mínimo y bajos costos. 2.2.- 5G El concepto fundamental de 5G es la interconectividad de una cantidad inmensa de dispositivos inteligentes, a través de tecnologías de acceso por radio frecuencias, hacia la infraestructura de red y a la nube. Algunas empresas se concentran en esa conectividad de extremo a extremo del dispositivo hasta la nube otras estarán concentradas en la interfase de aire definiendo los estándares para el acceso inalámbrico. Los requerimientos y retos de ingeniería y diseño que se definirán a la tecnología 5G (Andrews, 2014), son:  Alta Velocidad. La necesidad de proporcionar alta velocidad a los usuarios es la directriz principal de 5G, con una meta de aproximadamente 100 Mbps para el 95% de los usuarios. Esto impone factores multiplicativos de 100 y de 1000 con respecto a la tecnología actual de 4G.  Latencia. Actualmente en 4G se tienen latencias de viaje redondo entre extremos de la red del orden de 15 ms, pero se espera que para 5G la latencia esté por debajo de 1 ms de viaje redondo. Esto debido a aplicaciones como realidad aumentada y virtual, dispositivos con interacción táctil entre otras.  Costo y uso eficiente de Energía. Debido al incremento en las velocidades de transmisión, se espera que el consumo de energía se disminuya en la misma proporción (100 veces) para que al menos permanezca en los niveles actuales.  Dispositivos. Se espera un crecimiento de hasta 10,000 veces en el número de dispositivos, sobre todo los que requerirán de bajas velocidades. Esto requiere de cambios substanciales a la base tecnológica de 4G que no se diseñó pensando en esas cantidades y diversidad de subscriptores. Los puntos anteriores podrán ser satisfechos con nuevas ideas y mejoras a las tecnologías actuales. El crecimiento masivo del número de dispositivos a conectarse o densificación, deberá ser atacado desde la perspectiva de la eficiencia espectral por área con una visión para incrementar el número de dispositivos atendidos por unidad de área y por Hz ocupado. El uso de otras frecuencias será esencial, sobre todo en 5G que se está contemplando que utilice frecuencias por debajo de 6 GHz y las de 30 y 70 GHz, es decir, moverse a las señales con ondas de tipo milimétrico. También para incrementar la velocidad de datos, será útil implementar sistemas de MIMO masivos que incrementan la eficiencia espectral de bps por cada Hz ocupado.

9. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 9 Actualmente en este 2016 se han iniciado fuertemente los esfuerzos de estandarización para 5G dentro del grupo de trabajo de Acceso por Radio a la Red (RAN) de 3GPP, donde a la interfase de radio se le ha nombrado ahora el Nuevo Radio (NR). Se espera que NR esté completado para el primer cuarto del año 2017. 3GPP trabaja en paralelo lo relacionado con IMT2020. Para 5G se planea presentar la tecnología a través de una demostración en las Olimpiadas de Invierno de 2018, y para 2020 se espera que pueda 5G estar comercialmente disponible. Tecnológicamente hablando, en la actualidad y para este 2016, 3GPP trabaja en el modelo del canal de 6 GHz, y para el primer cuarto del año 2017 se espera contar también con las formas de onda, la codificación de canal y otros aspectos de la interfase de aire. Los casos de estudio que se consideran para el diseño de 5G son el de Banda Ancha Móvil Mejorada (eMBB), Comunicaciones Ultra-Confiables y de Baja Latencia (URLLC), y Comunicaciones Masivas Tipo Máquinas (mMTC). eMBB atenderá situaciones de hotspots tanto en ambientes exteriores como interiores, así como el cumplimiento de incrementar la velocidad al menos en 10 veces la de LTE-APro. mMTC se concentra en mejorar la cobertura, tener bajos costos y mejorar el tiempo de duración de las baterías, y así atenderá casos de estudio como de la movilidad, las comunicaciones V2X, dispositivos de uso en personas (wearables), interoperabilidad de dispositivos, etc. URLLC es el de casos de estudio potenciales de mayor importancia para el futuro donde se busca satisfacer los requerimientos de ancho de banda y baja latencia. Entre los casos se encuentran la realidad aumentada, la realidad virtual, nubes de robots/drones, automatización de industrias, vehículos autónomos, drones autónomos, aplicaciones en salud, etc. En cuanto a las bandas de frecuencia a utilizar, se espera que el escenario urbano tanto a nivel macro como por su alta densidad de dispositivos sea operado en las bandas por debajo de 6 GHz y en la banda de 30 GHz. El escenario rural será para las bandas por debajo de 6 GHz esperando coberturas de 2 Km típicamente. La banda de 70 GHz se utilizará para los hotspots en ambientes interiores con coberturas de hasta 20m. 2.3.- Radio Cognitivo y Espacios Blancos En los últimos años, el desarrollo de tecnología inalámbrica, ha producido una creciente demanda de espectro, siendo regulada por el estado que es el encargado de administrar y asignar las bandas de frecuencias según lo dispuesto en el reglamento de Radiocomunicaciones por la U.I.T., regulado de manera local mediante el cuadro nacional de atribución de frecuencias (CNAF). Existen estudios como (Cabric, 2004) sobre el uso de las frecuencias en alguna localización específica y tiempo, en el cual demuestran que existen bandas de frecuencia ocupadas, parcialmente ocupadas y otras desocupadas por un largo tiempo. Debido al desaprovechamiento del espectro, surge el desarrollo de nuevas tecnologías que puedan administrar y hacer un uso más eficiente del espectro radioeléctrico disponible. El concepto de radio cognitivo (RC), fue definido por (Mitola, 1999) siendo desarrollado como una de las soluciones al problema de la saturación espectral. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), menciona que el radio cognitivo puede cambiar los parámetros del transmisor basado en la interacción con su entorno. Estos son radios inteligentes que toman decisiones de forma autónoma utilizando la información recopilada sobre el entorno de radiofrecuencia a través del razonamiento basados en modelos aprendidos

10. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 10 o plantear de acuerdo a su experiencia pasada. Esta tecnología emergente permite el desarrollo flexible, construye, produce, envía y despliega radios altamente adaptables que se basa en tecnología de radio definida por software. Los RC hacen que la tecnología se adapte a una solución de conectividad para áreas suburbanas y rurales utilizando como un medio los espacios blancos de las bandas de TV. Los RC contribuyen a la mejora de sistemas existentes de comunicaciones inalámbricas, siendo aplicadas en 4 áreas, definidas de la siguiente forma, red inalámbrica de recursos y optimización de aplicaciones, mejora de la calidad de las comunicaciones, aplicaciones que permitan la interoperabilidad y servicio de aplicaciones específicas, (Martinez, 2015), véase Figura 1. Estas aplicaciones pueden beneficiar unos a otros, superponerse o ya sea por separado o juntos trabajar en equipo para mejorar la comunicación inalámbrica. Figura 1. Clasificación de las aplicaciones de Radio Cognitivo 2.4.- Espacios Blancos de TV En la actualidad, la mayor parte del espectro está concesionado lo cual ha generado una escasez de frecuencias para nuevos sistemas emergentes. Con el rápido crecimiento de las tecnologías inalámbricas, la escasez actual del espectro ha sido un serio problema a medida que más y más aplicaciones compiten por lo poco que aún queda del espectro. Esto ha afectado seriamente la evolución de nuevas tecnologías debido a las limitaciones regulatorias actuales sobre la operación del espectro concesionado, como es el caso de las bandas de TV. En el 2003, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) mostro que la utilización del espectro por los usuarios licenciados o primarios en un momento del tiempo y en una zona geográfica específica oscila en un rango del 15% al 85%, permitiendo la posibilidad de reutilizar estas bandas de frecuencias libres en un instante del tiempo (huecos espectrales o espacios blancos), dando origen a la red de radio cognitiva como una solución a esta problemática y que es definida por la FCC como un radio que puede cambiar los parámetros del transmisor basado en la interacción con el entorno en que este opera. Desafortunadamente el espectro es un recurso escaso y de alta demanda debido a la gran cantidad de tecnologías y sistemas que se han venido implementando para proporcionar acceso a internet desde diferentes dispositivos móviles. Lamentablemente este no se está

11. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 11 utilizando de una forma racional ni lo eficientemente posible ocasionando que existan diferentes espacios subutilizados en ciertas bandas, conocidos como espacios blancos, en especial, en el rango de frecuencias bajas por debajo de los 3 GHz. Por otro lado, el espectro concesionado a aplicaciones como la televisión, telefonía celular y seguridad pública muestran poco uso en diferentes localidades geográficas a nivel global, razón por la cual diversas organizaciones se han dado a la tarea de proponer diferentes soluciones para aprovechar estas bandas o huecos espectrales a raíz de que en Noviembre del 2008, la FCC emitió la reglamentación para permitir la operación de dispositivos no licenciados o secundarios utilizando estos huecos espectrales. El utilizar los espacios blancos de TV no es tan simple como se menciona, es importante mantener la operación de los dispositivos secundarios dentro de normas de operación que no interfieran con los dispositivos primarios, para ello la FCC emitió las reglas de operación para asegurar la convivencia de los dispositivos secundarios. La evolución de los dispositivos inalámbricos ha hecho que cada vez más gente tenga la necesidad de estar conectado y comunicado pero debido al rezago en servicios de banda ancha que se tiene en el país y más específico, en zonas rurales, ha hecho difícil el poder llegar con servicios de Internet a lugares alejados, por lo caro que implica el despliegue de redes alámbricas. Una de las principales razones por la cual existe una diferencia tan significativa en la penetración de servicios y dispositivos entre zonas rurales y urbanas es la densidad de población, relativamente baja para zonas rurales y que, por cuestiones demográficas, limita la cobertura. Para los principales operadores de telecomunicaciones en el país es claro que no tienen un interés en desplegar servicios de banda ancha a poblaciones con menos de 100 habitantes ya que su cobertura no suele ser considerada como atractiva desde el punto de vista económico, sin embargo, su importancia es fundamental en términos sociales como está sucediendo con Microsoft y Google que han buscado la manera de hacer llegar servicios de banda ancha a poblaciones marginadas de África. En el marco del seminario “Transformación Digital en México”, organizado por el CIDE Telecom, Hector Olavarría, subsecretario de Comunicaciones de la SCT en 2011, comentó que México enfrenta un déficit “alarmante” en materia de infraestructura de banda ancha que mantiene a 94% de las zonas rurales marginadas de los servicios, lo cual significa que de 192,000 localidades rurales únicamente 6,000 cuentan con infraestructura, esto es, en las comunidades rurales de entre 500 y dos mil 500 habitantes, solo el 6.0 por ciento tiene infraestructura de banda ancha. Definitivamente esto refleja una cruda realidad en materia de infraestructura en servicios de banda ancha en el país y muestra en gran medida el atraso digital que viven las comunidades remotas de México pues mientras que en 87% de las 630 localidades consideradas urbanas con más de 15,000 habitantes existe infraestructura, las zonas rurales presentan un déficit en la materia. Otro factor que se ha considerado respecto al tema de conectividad es el proveer a las comunidades rurales servicios de Internet por medio de servicios celulares, desafortunadamente las grandes compañías de telecomunicaciones no acceden a estos municipios porque están en un lugar remoto y la cantidad de población y el consumo, no es viable para su modelo de negocio.

12. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 12 Tal es el caso de los pobladores de Talea de Castro, una comunidad de la Sierra Norte de Oaxaca quienes tuvieron que pagar un equipo de $300,000 pesos para acceder a su propia red comunitaria instalando una radio base celular interna que opera en banda de 900 MHz de uso libre en México, es decir, una red privada que no requiere permiso o concesión; que se conecta a un proveedor de internet y que contrata con un operador VoIP las llamadas salientes. La banda de frecuencia sobre la que opera actualmente el servicio en Talea no es idónea y es por ello que se solicitó a la Comisión Federal de Telecomunicaciones (Cofetel) una concesión para experimentar el comportamiento de equipos en la banda de 850 MHz. Debido a que no existen muchas alternativas tecnológicamente y económicamente viables en el mercado que puedan proporcionar conectividad a zonas rurales, en este trabajo propondremos instrumentar un sistema que dé impulso a la provisión de servicios de banda ancha a zonas rurales a través de redes inalámbricas comunitarias utilizando los llamados huecos espectrales de las bandas de Televisión conocidos como Espacios Blancos (White Spaces) para que dispositivos Secundarios o de Radio Cognitivo puedan operar de forma simultánea con dispositivos Primarios o licenciados usando frecuencias libres de operación como se explicara en el desarrollo de este trabajo. Muchos países del mundo están buscando implementar soluciones basadas en tecnologías de “Espacios Blancos” que les permitan utilizar eficientemente las bandas de frecuencias libres para proporcionar servicios inalámbricos a zonas marginadas, tal es el caso de la India donde el Gobierno en conjunto con el Instituto de Tecnología de la India (IIT) están planeando utilizar “Espacios Blancos” como una oportunidad de incrementar la disponibilidad del espectro. En un amplio estudio del espectro realizado en IIT Delhi para entender el uso real de las bandas de TV arrojó que mucho del espectro de frecuencias (470- 698 MHz) está libre mostrando claramente que solo 10 MHz de la banda de frecuencia está ocupado contrario a lo que sucede en Europa y US donde todas las bandas de TV disponibles están siendo usadas. La regulación juega un importante papel en todo esto, y se deben estar gestando las nuevas ideas o realizando las modificaciones que adapten a lo ya existente al cambio tecnológico. Ideas generales en regulación del espectro son las siguientes:  Parece que ya no tenemos espectro utilizable  Espectro con licencias para su uso tiene un costo muy alto tanto en tiempo como en dinero  Se requiere más espectro sin licenciar para detonar crecimiento económico  Se requiere más espectro para proporcionar servicios de acceso a Internet y banda ancha en áreas rurales  La coexistencia inteligente ha sido demostrada en la misma banda de frecuencias  Tenemos espacio en el uso actual del espectro para que lo usen otros dispositivos Los gobiernos están reestructurando sus recursos espectrales con el fin de ofrecer mejor servicio, incrementar e impulsar el desarrollo económico y social de sus países por lo cual han decidido implementar estrategias y políticas para la liberación de espectro que den solución al actual estado de saturación. Por lo tanto estrategias como el apagón analógico son ampliamente adoptadas, el cual consiste en el aprovechamiento de tecnologías digitales para

13. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 13 la transmisión de señales de TV, que reducen su ancho de banda liberando frecuencias para que sean aprovechadas por otras tecnologías. La transición a la Televisión Digital Terrestre (TDT) puede realizarse siguiendo las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (U.I.T.), en el cual se ofrecen algunos comentarios para la introducción de sistemas digitales que sustituyan a los analógicos con el fin de liberar frecuencias para su uso con otros fines. De esta manera, se propicia que se subdividan las bandas de frecuencia, que designan una porción del espectro radioeléctrico con base en criterios técnicos relacionados con los servicios. Dichas recomendaciones consisten en 5 capas funcionales: vigilancia y regulación, apagón analógico, desarrollo de mercados y negocios, desarrollo de redes y mapas para su desarrollo. El apagón analógico es una estrategia en proceso de implementación en varios pases como Canadá, España y Mexico, otros pases ya han culminado este proceso como Alemania, Finlandia, Holanda, Luxemburgo y Suecia entre otros por su parte, los pases latinoamericanos tienen planeado aplazar el apagón hasta el 2020. La tendencia de utilizar tecnología inalámbrica en el mundo muestra que Mexico, según el reporte sobre estadística mundial de consumo de la Internet World Stats (IWS) (30 Junio de 2014), cuenta con 120,286,655 personas, de las cuales 59,200,000 son usuarios de internet teniendo una penetración de internet en 49.2%. Es por ello que la República Mexicana ejecuta el Plan Nacional de Desarrollo 2013-2018 desarrollado por el gobierno Federal de México, en la cual propone el objetivo de “Fomentar el uso óptimo de las bandas de 700 MHz y 2.5 GHz bajo principios de acceso universal, no discriminatorio, compartido y continuo,” por lo cual se desarrollará un sistema que de manera óptima, que utilice y comparta las bandas de TV (400 a 700 MHz). El Instituto Federal de Telecomunicaciones (IFT), organismo autónomo, encargado del desarrollo eficiente de las telecomunicaciones, junto con la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT), publica un documento llamado Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF), donde señala los usos de cada sección del espectro radioeléctrico. Con respecto a la liberación de espectro en el apagón analógico que fue iniciado por su organismo antecesor, la Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL), la cual comenzó en la ciudad fronteriza de Tijuana, BC en el 2013; Monterrey, Ciudad Juárez, Nuevo Laredo, Reynosa y Matamoros siguieron sus pasos el 29 de mayo de 2014. Para noviembre del 2014, la conversión digital llega a la Ciudad de México, Guadalajara, Cuernavaca, Puebla, Querétaro, Veracruz, Mérida, Mexicali, León, Celaya, Torreón, Jocotitlán, San Luis Potosí, Villahermosa y Jalapa. Teniendo como fecha límite el 31 de Diciembre del 2015 su culminación en el territorio mexicano según programación inicial. La estrategia gubernamental busca colocar en el mercado diversas bandas del espectro radioeléctrico aptas para el despliegue y complemento de las redes de acceso inalámbrico, con el objeto de promover el desarrollo de la banda ancha en Mexico y de satisfacer las crecientes demandas de este recurso, siempre en función de la disponibilidad tecnológica con la finalidad de liberar recursos que puedan ser aprovechados por aplicaciones como la televisión en alta definición las comunicaciones móviles y comunicación inalámbrica de banda ancha beneficiando las zonas rurales y semiurbanas. En particular en México se está trabajando en el proyecto de la Red Compartida que utilizará la banda de 700 MHz proporcionando servicios de banda ancha a zonas rurales y suburbanas. La infraestructura se planea sea de fibra óptica proporcionada por CFE, y el

14. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 14 acceso de forma inalámbrico con tecnología 4G. Se tendrán proveedores de servicio privados para que los usuarios tengan su acceso a esta banda ancha. Se espera que esta red esté operando en el 2018. Una pregunta que se debe plantear es, por qué se selecciona 4G para el 2018 siendo que para el 2020 ya se tendrá comercialmente disponible 5G? Sería importante conocer como afecta esta decisión en la preparación para nuestras futuras generaciones de ingenieros y como es importante entrar a esas oportunidades en el momento adecuado para detonar la independencia tecnológica. 2.5.- Inicios de los Espacios Blancos Las ideas generales del uso del espectro junto con otras han contribuido a un interés creciente en las estrategias para compartir dinámicamente el espectro. Uno de los momentos importantes en esto fue en 2008 cuando la FCC legaliza las bandas de televisión para ser compartidas, con modificaciones y mejoras en 2010 y 2012. En 2015 Canadá y el Reino Unido adoptan la política de los espacios blancos de TV. En Estados Unidos, esto se replica para las bandas de 5 GHz y 3.6 GHz en 2014 y 2015, respectivamente. 2.5.1.- Definición de Espacios Blancos El término Espacios Espectrales Blancos se refiere a recursos que no son utilizados desde la perspectiva de tres dimensiones, la temporal, la espectral y la espacial. La Figura 2 muestra el uso de un solo canal de TV en todo el país, donde se puede observar la cobertura de las estaciones de TV y las áreas territoriales donde no se utiliza ese canal. Todo lo mostrado de color gris representa que ese canal en particular es un espacio blanco para ese lugar. Figura 2. Mapa de México mostrando el uso del canal 2 y del canal 40 Los espacios blancos se encuentran de dos formas, la primera fuera de las áreas de servicio de los proveedores principales y la segunda en frecuencias que no son utilizadas. Los proveedores principales del servicio de TV serán referidos como primarios, reflejando así la prioridad dentro de la banda de frecuencias. El área de servicio primario y su calidad

15. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 15 de servicio deberán preservarse dentro de ciertos límites. En una situación ideal, el primario no debe percatarse de que está compartiendo la banda de frecuencias. Los usuarios o sistemas que no pertenecen al servicio primario, y que tienen autorización de utilizar la banda de frecuencias del servicio primario, se denotarán como dispositivos, usuarios o sistemas secundarios. Los secundarios deberán satisfacer un conjunto de reglas que tienen la intención de proteger al servicio primario. Esto puede significar el sacrificar aspectos de calidad de servicio para evitar causar interferencia a los primarios. El área de servicio de cada una de las estaciones de TV se protege en dos dimensiones, la espacial y la espectral. La dimensión espacial se refiere al uso de un excedente a la cobertura de la zona de servicio. La Figura 3 muestra un anillo que se agrega al círculo que representa la zona de cobertura de la estación de TV. Este anillo depende del tipo de dispositivo, la altitud donde se encuentre y la región, en Estados Unidos puede ser de 4 km y hasta 32 km de ancho. Este excedente garantiza una distancia mínima entre usuarios primarios y los transmisores secundarios. La dimensión espectral se refiere a no permitir el uso en ese mismo espacio protegido de los canales adyacentes superior e inferior a la frecuencia utilizada por el servicio primario. Esto permite proteger a los primarios de los transmisores secundarios que tengan emisiones que no satisfagan las condiciones necesarias. De esta manera, las huellas de cobertura de los primarios pueden ser vistas por los secundarios a través de las dos dimensiones como versiones ligeramente más amplias de las huellas de cobertura originales de los primarios y de hasta tres canales de frecuencia. Las áreas fuera se esta representación mostrada en la Figura 3, es lo que se conoce como Espacios Blancos de TV, (Sahai, 2009), (Harrison, 2010). Los dispositivos secundarios no tienen permisos para transmitir dentro de esos espacios y bandas de frecuencias. Los dispositivos secundarios tienen potencia limitada que depende del tipo de dispositivo (fijo, personal, portátil). También los dispositivos secundarios deberán tener alguna forma de determinar qué canales se pueden utilizar. Figura 3. Anillo de protección a servicio primario

16. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 16 La forma en que los canales de espacios blancos puedan ser utilizados o explotados por sistemas secundarios, puede verse como un caso especial de los dispositivos de radio cognitivo. 2.6.- Contribuciones La contribución principal de este trabajo es la cuantificación de la oportunidad que se puede tener de crecimiento si se abren los espacios blancos de TV para ser usados por sistemas secundarios. Se reunió información de las estaciones transmisores de señales de TV (Agosto 2015), la población del país (INEGI y CONAPO) y modelos de propagación para poder responder preguntas como:  Cuántos espacios de canales de TV de 6 MHz se encuentran disponibles para su uso por secundarios? Esto se muestra en la Figura 4 en un mapa de colores  Si tratamos a las señales de TV como ruido desde la perspectiva de los secundarios, cuál es la capacidad teórica para un par transmisor-receptor secundario?  Cuando se tenga un número mayor de secundarios y que se puedan producir interferencia entre ellos mismos, cuál es la capacidad del sistema?  Como sería la organización de los secundarios? en forma de celdas o utilizando algoritmos de acceso al medio? Este trabajo muestra que se pueden hacer estudios a nivel nacional y que son esenciales en la investigación y desarrollo de los espacios blancos de TV. Que el análisis cuantitativo para la toma de decisiones regulatorias es esencial. Aunque los espacios blancos de TV son los más estudiados en la actualidad, existen muchos otros en otras partes del espectro, como el de las comunicaciones móviles en la banda de 800 MHz y 1800/1900 MHz. Abrir estos espacios para uso secundario proporcionaría una situación de ganar-ganar a los primarios, secundarios y a la regulación. En este aspecto, la regulación debe ser flexible, de tal forma que no imponga restricciones innecesarias a los diseños de dispositivos o sistemas. También debe ser estudiada cuantitativamente para ver las consecuencias de las decisiones regulatorias. Figura 4. Canales de 6 MHz disponibles para uso secundario en México

17. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 17 2.7.- Evaluación de espacios blancos en México En esta sección se muestra la cuantificación de los espacios blancos de TV que pueden ser explotados por dispositivos secundarios dentro de un marco regulatorio para así abrir las oportunidades de crecimiento. El uso y explotación de espacios blancos de TV se fundamenta en la creación por regulación de las áreas disponibles en las bandas de TV en las que dispositivos sin licencias tienen permiso para operar. Estos dispositivos tienen el permiso de transmitir mientras se encuentren separados a cierta distancia de la torre de TV del canal en cuestión. Junto con aspectos de consideración del medio ambiente como ruido de la señal de TV, los dispositivos secundarios que operen en los espacios blancos deben considerar la altura de las antenas de TV y el rango de cobertura de las mismas Este rango, muchas veces depende de la densidad poblacional que rodea a la antena siendo una relación inversa. También, los secundarios deben tratar la interferencia posible de otros dispositivos secundarios y mitigarla. Esto puede ser a través de técnicas de acceso múltiple al medio. De acuerdo a la FCC en Estados Unidos, los dispositivos secundarios que puedan explotar los espacios blancos se clasifican en:  Fijos: adquieren una lista de canales disponibles mediante una base de datos que contiene esa información  Portátiles o Modo 1: Adquiere una lista de canales disponibles de un dispositivo fijo o de un dispositivo Modo 2. o Modo 2: Adquiere una lista de canales disponibles poniéndose en contacto directo con la base de datos. Las restricciones que los dispositivos secundarios deben satisfacer de acuerdo a la FCC son los siguientes:  Fijos o Potencia máxima de 1 W entregada a la antena o Altura máxima de 30 m o Ganancia direccional de antena máxima de 6 dBi  Portátiles o Canales 2-20 no se pueden utilizar o No hay límite de altura o Modo 1  Satisfacer requerimiento de canales adyacentes  EIRP máxima de 100 mW o Modo 2  No necesita satisfacer requerimiento de canales adyacentes  EIRP máxima de 40 mW

18. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 18 Adicionalmente, la FCC establece que los secundarios no podrán usar los canales 3, 4 (en uso por equipos como VCR y DVDs) y 37 (en uso para radioastronomía y telemetría médica) sean fijos o portátiles. Algunas de estas restricciones se espera sean modificadas en regulaciones posteriores. También los dispositivos secundarios no deberán transmitir en la huella de cobertura de las estaciones de TV agregándole el anillo de protección como se mostraba anteriormente. Aunque la cobertura se ha mostrado como un área circular o un anillo de protección, estas formas geométricas son solamente ilustrativas, ya que en el escenario real, estas regiones de cobertura y protección están definidas por la potencia de recepción de la señal de TV que varía de acuerdo a las características locales del terreno. Debido a que las torres de las antenas de TV son localizadas en áreas de concentración de población, y la presencia de una estación de TV evitará el uso de ese canal por dispositivos secundarios en el área, es razonable concluir que existen menos canales disponibles de TV en las grandes ciudades. Para verificar este último comentario, obtuvimos la información de las torres transmisoras en México para evaluar esto. Se hizo un programa que utiliza la exclusión por canales adyacentes así como la propagación de la señal de TV y las condiciones del terreno. En la Figura 5 se muestran dos mapas. El primero ya se había presentado anteriormente en este documento y consiste en condiciones de un territorio plano con todas las antenas siendo de 30 m de altura. La propagación se considera sin condiciones de desvanecimientos por la presencia de múltiples trayectorias entre transmisor y receptor. También en ese primer mapa solo se consideran los canales de acuerdo a la regulación en Estados Unidos por la FCC. En el segundo mapa de la misma Figura 5, se muestra ya la República Mexicana como un mapa de colores, pero la diferencia es que ya se incluye el estudio de la propagación de la señal de TV junto con la información de las alturas de las antenas, por eso se puede ver el cambio sobre todo en las zonas metropolitanas más grandes del país que ya no se encuentran tan bien definidas por los efectos de la propagación. Figura 5. Canales disponibles de espacios blancos de TV En la Figura 6 se presenta el mismo mapa de la República Mexicana pero ahora ya considerando todos los aspectos del canal de comunicaciones incluyendo los eventos

19. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 19 aleatorios que son de la propagación de la señal, de los desvanecimientos causados por el canal inalámbrico, las alturas de las antenas, las condiciones del terreno y las restricciones de los canales adyacentes. Se puede observar que en las zonas metropolitanas se cuenta con una disponibilidad de 20 a 30 canales de espacios blancos, mientras en algunas de las zonas rurales se puede observar que los canales que están disponibles son al menos 60. Figura 6. Canales disponibles de espacios blancos de TV 2.8.- Análisis de los Espacios Blancos de TV en México En términos de ancho de banda disponible, de los resultados podemos ver que en las zonas metropolitanas se tendrían de 120 a 180 MHz. Es importante mencionar que para un dispositivo secundario del operando en el modo 2 como indica la clasificación de la FCC, aunque tuviera acceso a 180 MHz en diferentes zonas conforme se va moviendo, los canales que constituyen los espacios blancos de zona a zona no necesariamente serían los mismos, por lo que en algunas situaciones se deberá definir una arquitectura de la red secundaria para que puedan existir algunas transferencias de sesiones de los dispositivos entre diferentes canales y que sea transparente para el usuario secundario. Otro aspecto importante que se debe considerar es que no todos los canales de espacios blancos de TV son iguales debido a que las señales de TV definen áreas de cobertura caprichosas y eso incrementa el piso de ruido a usuarios secundarios en las dimensiones espacial, temporal y espectral. Por eso, una simple acumulación de canales disponibles a los secundarios no es suficiente para evaluar los espacios blancos. También, los usuarios estarán más interesados en la velocidad de datos entregable que en la cantidad de espectro disponible. En canales de uso exclusivo, la velocidad de datos entregable y la cantidad de espectro disponible están relacionados linealmente, pero cuando las bandas de frecuencia se comparten esta propiedad no se cumple. Los usuarios secundarios tendrán velocidades de datos que son afectadas por los primarios al producir ruido a los secundarios y por restricciones de la dimensión espacial que define las exclusiones.

20. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 20 Para cuantificar la velocidad de datos alcanzable o capacidad, Cj, de un canal disponible de espacio blanco j, se utiliza la ecuación de la teoría de información de Shannon sobre la capacidad de un canal dada por Cj=W log2(1+SNR), (1) donde W es el ancho de banda disponible del canal y SNR es la razón de la potencia recibida de la señal deseada a la potencia recibida de ruido. En los espacios blancos de TV, el ancho de banda de un solo canal es de W=6 MHz y la velocidad de datos puede acumularse de varios canales. Para los dispositivos secundarios que comparten espectro con primarios, tienen que operar con interferencia de los primarios sin conocer con certeza la procedencia y características de esa señal y cuando se trata de una banda sin licenciar con espacios blancos, los secundarios también tendrán que operar con interferencia de esos dispositivos primarios que aunque las transmisiones son de menor potencia, el secundario tampoco conoce las características de la señal y la situación espacial. Además no tienen control sobre otros secundarios para mitigar la interferencia de ellos. El mapa que se presenta tiene una resolución de 200 x 300 pixeles. Cada pixel representa un área de 114.70 km2 del territorio nacional, y el mapa de la República Mexicana comprende un total de 17,201.38 pixeles. Si repartimos la población total uniformemente, tendremos 6,531 personas por pixel o 56.94 personas por km2 . En una región que tenga 60 canales disponibles, esto nos da un ancho de banda por persona de 60 x 6 / 6531 = 0.05512173 MHz = 55.121 kHz. Asumiendo que los dispositivos secundarios tienen las características necesarias para atenuar la interferencia de estaciones de TV hasta en 50 dB, (Harrison, 2010), entonces la ecuación de la capacidad de Shannon nos da el resultado de C= (55,121) log2(1+1050/10 )=915,540 bps/persona. Este resultado de la velocidad de datos entregada por persona es una aproximación. Hay que considerar que es una cantidad entregada las 24 horas del día a todas las personas al mismo tiempo. Este número se modifica de acuerdo a las estadísticas de uso de Internet en México que podemos resumir en los siguientes puntos  La penetración de internet actual es de 0.619  Proporción de horas de uso de Internet es 0.75 que representa de las 06:00 a las 00:00 horas.  Se asume que el 60% de la población activa en internet lo hace utilizando algún tipo de dispositivos inalámbrico.  Se asume que el sistema será utilizado por la población que tenga edades entre 15 y 65 años. Estos datos son proporciones que dividen el resultado de 915,540 bps/persona, y que proporciona un resultado final de 5.6 Mbps/persona. Recuerde que este dato fue obtenido considerando una población uniformemente distribuida y que el ancho de banda disponible se reparte por igual a todos las personas. Uno de los estudios planeado a futuro es obtener esta capacidad efectiva por pixel con los datos poblacionales de INEGI de acuerdo a la

21. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 21 densidad del sitio particular. Para esto se tendrá que aumentar la resolución del mapa para disminuir el tamaño del pixel y tener una mayor exactitud. Otra forma de visualizar la información de la capacidad disponible es a través de la velocidad de datos alcanzable por Km2 en el mapa. Esto se encuentra mostrado en la Figura 7. El cálculo de estas cantidades es de la siguiente forma. Para la zona del centro del país, podemos observar en la Figura 6 que tiene alrededor de 20 canales de espacios blancos de TV disponibles que representan un ancho de banda de W=20 x 6 = 120 MHz. Este ancho de banda en la Ecuación (1) con un sistema secundario con SNR de 50 dB proporciona una capacidad de C=1.9932 Gbps, si se considera la proporción del número de horas en uso del día de 0.75, esto da una capacidad de 2.657 Gbps. Esta última cantidad se divide entre el área del pixel de la imagen que es de 114.7 Km2 y la capacidad en el centro del país es de 23 Mbps/Km2 . De la misma manera se pueden calcular los valores en el mapa para observar que la máxima capacidad es superior a 70 Mbps/Km2 . Figura 7. Capacidad disponible de espacios blancos de TV por Km2 . La propuesta de sistema, sobre todo en las zonas rurales, trata de minimizar costos, por lo que la idea central sería contar con dispositivos de radio cognitivo que seleccionen los canales de espacios blancos de TV más apropiados en la zona que se encuentren. Estos canales de TV serían utilizados para que los dispositivos secundarios establezcan una topología de red tipo ad-hoc que a través de algoritmos de ruteo puedan proporcionar el servicio de Internet alcanzando el servidor o ruteador de entrada más cercano a ellos. Los usuarios utilizarían tecnologías ya disponibles tipo WiFi con las que se comunicarían al punto de acceso secundario. En un futuro, estos enlaces podrían ser de espacios blancos de TV con asistencia de una infraestructura secundaria para la selección de canales libres. La información de los canales disponibles incluiría parámetros de comunicación para disminuir situaciones de interferencia y ruido excesivo causado a sistemas primarios. Estos dispositivos secundarios que se comunican entre ellos a través de los espacios blancos, también podrían ser utilizados a lo largo de carreteras para crear una infraestructura con la

22. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 22 que en un futuro se pueda proporcionar un servicio de transporte inteligente donde se contemplen los escenarios de comunicación de Vehículos a Infraestructura (V2I). Para lograr lo que se acaba de mencionar, y sobre todo en zonas rurales en las que se pueden tener eventualidades como problemas climatológicos, vandalismo y falta de alimentación de energía, sería prudente contar con alimentación solar para estos dispositivos secundarios, así como que tengan lo suficiente para poder ser capaces de auto-localizarse debido a que esa información la utilizarán para conocer los canales disponibles y seleccionar el adecuado. Ante eventualidades es posible que tengan que trabajar con información de espacios blancos que no es actual, pero es más crítico que no conozcan su localización ya que de ser así, estarían intentando utilizar canales de espacios blancos que podrían estar no disponibles en sus zonas. También la localización es esencial para la operación ya que podría representar un medio a través del cual se puedan determinar estrategias de control de potencia, junto con estrategias de conectividad de la red. Si los dispositivos no son capaces de auto-localizarse, entonces deben contar con procedimientos de sensado que les ayude a determinar una gama de espacios blancos en su localidad. En esta situación es importante que los dispositivos contengan la definición de espacio blanco y de cómo se asociarían a esos canales para no interferir a los que estén siendo usados por un sistema primario. Para esto, en la Figura 8 mostramos el inicio de un estudio que se está realizando acerca de los niveles de interferencia causados por los usuarios secundarios y las reglas con las que deben funcionar. Se presentan en la figura dos escenarios donde se aprecian de color rojo aquellos usuarios secundarios que alcanzan a percibir una señal de TV proveniente de una estación de TV que se encuentra en el centro del área. En la misma figura se aprecia un círculo en el centro y que los usuarios en su interior están de color negro, significando que esos usuarios han detectado la señal con la potencia tal que han determinado que se encuentran dentro del radio de protección de la estación de TV y que no podrán utilizar ese canal en particular. Lo importante del inicio de este estudio es la geometría irregular que se forma de las zonas donde la señal de TV puede ser recibida por los usuarios secundarios y que determina también la característica aleatoria de la interferencia percibida por los usuarios primarios y los otros secundarios. El estudio estará centrado en esas regiones geométricas y la caracterización estocástica de la interferencia obteniendo la influencia que tengan los vecinos más cercanos a los radios de protección y que hacen que las distribuciones de probabilidad se comporten de forma de cola pesada. El escenario de la Figura 8 se ha desarrollado para obtener expresiones matemáticas de las distribuciones y densidades de probabilidad de la interferencia causada por el dispositivo secundario al sistema primario que se encuentre más cercano al círculo definido por el radio de protección del usuario primario. Estas funciones de densidad de probabilidad han sido obtenidas analíticamente y se ha mostrado con simulaciones su exactitud para diferentes escenarios caracterizados por la densidad de usuarios secundarios por Km2 definida por , y la estrategia de control de potencia utilizada por los secundarios. Este comportamiento se observa en la Figura 9 donde se muestra la función de densidad de probabilidad resultado del análisis matemático. Esta función de densidad de probabilidad tiene características de cola pesada y su forma tiende a la de una distribución Weibull que es la distribución de valores extremos correspondiente a la interferencia causada por el usuario más cercano. En la Figura 9 se muestra un escenario donde la potencia de transmisión es constante para todos los nodos secundarios junto con otro escenario donde los nodos secundarios transmiten a una potencia

23. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 23 que se encuentra dentro de un intervalo dado por una potencia máxima y una mínima (control de potencia). Figura 8. Dependencia geométrica de la propagación En la Figura 9 se aprecia que para el escenario de control de potencia, el peso de la cola aumenta conforme la densidad de usuarios se incrementa, con lo que se concluye que la agregación de la señal de los usuarios secundarios si contribuye de cierta forma significativamente a la interferencia percibida por los del sistema primario. Este mismo comportamiento se encuentra para el caso del escenario con potencia de transmisión constante, solo que el peso de la cola de la función de densidad es mayor que en el escenario de control de potencia. En otras palabras, la cantidad de interferencia se disminuye cuando se utiliza una política de control de potencia. Figura 9. Función de densidad de probabilidad de interferencia, modelo analítico

24. LA EXPLOTACIÓN DE ESPACIOS BLANCOS DE TELEVISIÓN EN MÉXICO Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Comunicaciones Inalámbricas, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: TIC 24 La Figura 10 muestra la exactitud del modelo matemático cuando se compara a simulaciones del escenario. La figura contiene tanto la función de distribución como la de densidad de probabilidad y se puede observar el comportamiento del modelo matemático que es de una buena exactitud para describir la interferencia. Ambas figuras tienen en el eje horizontal la cantidad de Watts de interferencia recibida por el sistema primario. Respecto a la figura de la densidad de probabilidad, se tiene un poco de diferencia para valores pequeños de Watts y que se puede atribuir al algoritmo que obtiene la densidad de forma empírica de los datos arrojados por la simulación. Figura 10. Distribución y densidad de probabilidad de interferencia 2.9.- Trabajo Futuro Dentro de los aspectos importantes y líneas de investigación que este proyecto de espacios blancos de TV seguirá desarrollando están los siguientes:  Capacidad: Resultados de capacidad por persona con mayor exactitud o Modelo de la entropía espacial dependiendo de los canales disponibles, la densidad poblacional y las características del terreno o Mayor resolución del mapa para poder tener una mejor descripción de zonas o municipios individuales o Modelo estadístico de lo que sería el usuario típico secundario o Modelo de tráfico generado por los usuarios o Modelo de densidad poblacional de acuerdo a datos de INEGI y CONAPO o Análisis presupuestales de enlaces y propagación.  Disponibilidad: Estadísticas de disponibilidad de espacios blancos de TV o Modelos de las distribuciones de probabilidad del número de canales disponibles de acuerdo a la densidad poblacional o Incluir modelos de compresión de TV y su impacto en los espacios blancos

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