Compartición del Espectro Radioeléctrico entre Tecnologías Inalámbricas de Última Generación en la Banda de la Televisión Digital Terrestre

Abstract

La presente tesis aborda la problemática de la convivencia entre las redes de la televisión digital terrestre y móvil de cuarta generación en la banda del primer dividendo digital (banda de 700 MHz), en Sudamérica. Además, se proponen dos potenciales casos de uso de compartición de espectro para el uso futuro de la banda de televisión después de los dividendos digitales, como modo de acceso eficiente y flexible para el uso del espectro radioeléctrico.

Para garantizar la convivencia entre las tecnologías de televisión y móviles en la banda del primer dividendo digital en Sudamérica, se evalúa tanto el impacto de las redes móviles sobre las de televisión, así como el caso contrario, las redes de televisión sobre las móviles, teniendo en cuenta los parámetros técnicos de operación de cada una de las redes implicadas, los cuales son definidos por organismos de estandarización o parámetros reales de redes implementadas por cada país. Dentro de los parámetros técnicos de operación que se definieron para las redes podemos citar: márgenes de protección entre las señales de televisión y móviles; distancias de protección entre el transmisor interferente y el receptor víctima; banda de guarda requeridas entre las dos tecnologías; límites de emisiones interferentes fuera de banda; niveles de atenuación adicionales en las máscaras espectrales; evaluación de técnicas de mitigación de interferencias, entre otros. Es importe resaltar, que las principales diferencias entre los estudios de convivencia en Sudamérica respecto a Europa son: la banda de guarda en Sudamérica son 5 MHz mientras en Europa son 9 MHz; el ancho de banda de un canal de televisión en Sudamérica es 6 MHz respecto a 8 MHz en Europa; el estándar de televisión adoptados en casi toda Sudamérica es ISDB-Tb, a excepción de Colombia que adopto DVB-T2.

Asimismo, en el ámbito de esta tesis, se proponen dos potenciales casos de estudio para el uso futuro de la banda de TV, promoviendo la compartición de espectro como un modo de acceso eficiente: El primer caso de estudio, propone un nuevo concepto de espacios en blanco llamado µ-TV-White-Space, los cuales son aquellas zonas geográficas en los interiores de una vivienda y/o oficina que no son cubiertas por el servicio de televisión digital terrestre, ya sea por la ausencia de cobertura o por obstáculos. El escenario propuesto es una red DVB-T2 ofreciendo cobertura en recepción fija sobre tejado, como servicio primario, y, femtoceldas LTE-A en interiores de un hogar u oficina, como servicio secundario. Los resultados obtenidos proporcionan restricciones técnicas para que las femtoceldas LTE-A puedan operar correctamente en espectro compartido con los servicios de televisión. Específicamente, se define la Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (PIRE) máxima que podrían transmitir las femtoceldas, en función de la separación en frecuencia con los servicios de televisión. El segundo caso de estudio, propone el uso de los espacios en blanco para la compartición de espectro entre los servicios de internet de las cosas bajo el estándar NB-LTE-IoT, como servicio secundario, y servicios de televisión digital terrestre bajo el estándar DVB-T2, como servicio primario. Se define la máxima potencia transmisible por los nodos y dispositivos IoT sin interferir al servicio primario. Además, se evalúa el impacto del ciclo de trabajo de los dispositivos considerando que existirá diversidad de aplicaciones. La importancia de esta propuesta se fundamenta en dos contribuciones: por un lado, se optimiza el uso de la banda de televisión mediante el acceso secundario de dispositivos de baja potencia en los espacios en blanco, siempre garantizando los servicios de televisión, como servicio primario, por otro lado, se contribuye con nuevas frecuencias para las tecnologías móviles de última generación, con el objetivo de aumentar la capacidad de las redes que soportarán tanto

This thesis deals with the issue about coexistence between television and fourth generation mobile networks within the band of the first digital dividend (700 MHz band), in South America. Moreover, two potential cases of sharing spectrum for future use of the television band after the digital dividends are suggested as an efficient and flexible way for usage of the radio spectrum.

In order to ensure the coexistence between the television and mobile technologies within the band of the first digital dividend in South America, the impact of the mobile networks as well as the opposite case are assessed. The technical operation parameters for each of the involved networks defined by standardizing organisms or real parameters from implemented networks in each country are considered. Among the technical parameters that were defined for the networks, we can mention: protection ratio between television and mobile signals; protection distances between the interfering transmitter and the victim receiver; required guard bands between both technologies; maximum power of the interfering out-of-band emissions in adjacent channels; additional attenuation levels in the spectrum emission mask in transmission and reception; assessing of interference mitigation techniques, among others. It is important to highlight that the main differences between the coexistence studies for South America and Europe are: the guard bands in South America are 5 MHz whereas in Europe are 9 MHz; bandwidth for a channel in South America is 6 MHz in contrast with the 8 MHz of Europe; the television standard adopted in almost all South America is ISDB-Tb, except Colombia and the French Guiana, which adopted DVB-T2.

Additionally, within the scope of this thesis, two potential study cases for future usage of the TV band are proposed, promoting sharing spectrum as an efficient access way: The first study we go a step beyond coexistence, since the aim is to exploit the unused radio spectrum in those geographical zones that are not covered because the useful signal is obstructed by the environment or it has a limited coverage by the network design. Those areas can be called "micro-TVWS" (µ-TV-White-Space). The most representative cases of our definition of µ-TV-White-Space are those indoor environments in areas where DTT received power is below the required sensitivity because a TV channel is broadcasted to rooftop reception. The proposed scenario considers a DTT network offering fixed rooftop reception as a primary service, and a LTE-A femtocell giving coverage within the interior of a home or office as a secondary service. Our results provide the technical restrictions of the LTE-A Femtocell, mainly on the maximum allowable Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) that could transmit on the DTT band in terms of carrier separation, from co-channel to adjacent band. The second study case, suggests the use of white spaces for spectrum sharing among the Internet of Things (IoT) services, under the NB-LTE-IoT standard, as secondary service, and digital terrestrial television services under the DVB-T2 standard, as primary service. The maximum transmissible power by the nodes and IoT devices without interfering the primary service is defined. Besides, the impact of the duty cycle of the devices is assessed considering that there will be a great diversity of applications, and thus, a great diversity of operation requirements. The significance of this proposal is due to two contributions: on the aone hand, the usage of the television band is optimized through secondary access of low power devices within the white spaces, always ensuring television services as primary service. On the other hand, new frequencies for last generation mobile technologies are given, with the aim at increasing the network capacity, which will bear mobile services as well as IoT, regarding the high challenge of offering connectivity to millions of devices during the next decade.

La present tesi aborda la problemàtica de la convivència entres les xarxes de la televisió digital terrestre i mòbil de quarta generació en la banda del primer dividend digital (banda de 700 MHz), en Sud-Amèrica. A més, es proposen dos potencials casos d'ús compartit d'espectre per a l'ús futur de la banda de televisió després dels dividends digitals, com a mode d'accés eficient i flexible per a l'ús de l'espectre radioelèctric.

Per tal de garantir la convivència entre les tecnologies de televisió i mòbils en la banda del primer dividend digital en Sud-Amèrica, s'avalua tant l'impacte de les xarxes mòbils sobre les de televisió, com el cas contrari, les xarxes de televisió sobre les mòbils, tenint en compte els paràmetres tècnics d'operació de cadascuna de les xarxes implicades, els quals són definits per organismes d'estandardització o paràmetres reals de xarxes implementades per cada país. Dins dels paràmetres tècnics d'operació que es van definir per a les xarxes podem citar: marges de protecció entre els senyals de televisió i mòbils; distàncies de protecció entre el transistor interferent i el receptor víctima; banda de guarda entre ambdós tecnologies; límits de les emissions interferents fora de banda; nivells d'atenuació addicionals en les màscares espectrals; avaluació de tècniques de mitigació d'interferències, entre d'altres. És important destacar, que les principals diferències entre els estudis de convivència en Sud-Amèrica respecte d'Europa són: la banda de guarda en Sud-Amèrica són 5 MHz mentre que a Europa són 9 MHz; l'amplària de banda d'un canal de televisió en Sud-Amèrica és de 6 MHz respecte dels 8 MHz a Europa; l'estàndard de televisió adoptat en quasi tota Sud-Amèrica és ISDB-Tb, excepte Colòmbia i la Guaiana Francesa que van adoptar DVB-T2. A Europa quasi tots els països tenen adoptats els estàndards DVB-T de primera i segona generació.

Així mateix, en l'àmbit de la tesi, es proposen dos potencials casos d'estudi per a l'ús futur de la banda de TV, de manera que es promoga la compartició d'espectre com un mode d'accés eficient: El primer cas d'estudi, proposa un nou concepte d'espais en blanc anomenat µ-TV-White-Space, els quals són aquelles zones geogràfiques que no són cobertes pel servei de televisió digital terrestre, ja siga per l'absència de cobertura o per obstacles. L'escenari proposat és una xarxa DVB-T2 que ofereix cobertura en recepció fixa sobre terrat, com a servei primari, i femtocel·les LTE-A en interiors d'una llar o oficina, com a servei secundari. Els resultats obtinguts proporcionen restriccions tècniques per tal que les femtocel·les LTE-A puguen operar correctament en espectre compartit amb els serveis de televisió. Específicament, es defineix la Potència Isotròpica Radiada Equivalent (PIRE) màxima que podrien transmetre les femtocel·les, en funció de la separació en freqüència amb els serveis de televisió. El segon cas d'estudi, proposa l'ús d'espais en blanc per a la compartició d'espectre entre els serveis d'internet de les coses (Internet of Things o IOT, en anglès), sota l'estàndard NB-LTE-IoT, com a servei secundari, i serveis de televisió digital terrestre sota l'estàndard DVB-T2, com a servei primari. Es defineix la màxima potència transmissible pels nodes i dispositius IoT sense interferir al servei primari. A més, s'avalua l'impacte del cicle de treball dels dispositius considerant que existirà diversitat d'aplicacions, i, per tant, diversitat de requeriments d'operació. La importància d'aquesta proposta es fonamenta en dues contribucions: per una banda, s'optimitza l'ús de la banda de televisió mitjançant l'accés secundari de dispositius de baixa potència als espais en blanc, sempre garantint els serveis de televisió, com a servei primari. Per altra banda, es contribueix amb noves freqüències per a les tecnologies mòbils d'última generació, amb l'objectiu d'a