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¿Coexistencia de 5G en un entorno de satélite?

El actual espectro por debajo de los 6 GHz está saturado, es complejo, está congestionado y tiene poco espectro disponible. Por el contrario, las bandas de frecuencias de ondas centimétricas y milimétricas ofrecen potencial para disponer de franjas más amplias de espectro contiguo para las aplicaciones de alta velocidad de datos de 5G. Por este y muchos otros motivos, las autoridades están abriendo más espectro. Por ejemplo, en julio de 2016, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos asignó 11 GHz de espectro para banda ancha wireless en el espectro de banda alta para acelerar el desarrollo y el despliegue de las tecnologías y los servicios 5G de próxima generación. Esto incluye 3,85 GHz de espectro bajo licencia y 7 GHz de ondas aéreas sin licencia: servicio de uso flexible de microondas superiores (UMFUS) en las bandas de 28 GHz (de 27,5 a 28,35 GHz), 37 GHz (de 37 a 38,6 GHz) y 39 GHz (de 38,6 a 40 GHz); y una nueva banda sin licencia a entre 64 y 71 GHz.

Compartir el espectro bajo licencia es un elemento fundamental de las políticas futuras, como puso de manifiesto el anuncio que realizó la FCC en julio de 2016. La banda de 28 GHz es una banda bajo licencia existente para servicios fijos por satélite (FSS) destinada a aplicaciones tierra a espacio. La posibilidad de que las aplicaciones de satélite y las aplicaciones de 5G compartan espectro suscita dudas sobre cómo pueden coexistir pacíficamente. Investigar la coexistencia entre formas de onda candidatas para 5G y formas de onda de satélite puede convertirse en un campo de investigación cada vez más importante para obtener información sobre posibles problemas de coexistencia. Un banco de pruebas flexible para explorar numerosos escenarios de coexistencia de señales diferentes en un entorno de laboratorio de I+D podría resultar beneficioso antes de realizar pruebas sobre el terreno y desplegar sistemas de hardware.

Este artículo describe un banco de pruebas que se puede usar en la banda de frecuencia de 28 GHz para explora posibles escenarios de coexistencia entre ondas de 5G y satelitales. Usando software de simulación combinado con equipo de pruebas de alta frecuencia y amplio ancho de banda se consigue flexibilidad para generar escenarios de señales. Se explorará un estudio de caso con formas de onda candidatas para 5G y formas de onda de satélite en la banda de frecuencia de 28 GHz para evaluar su coexistencia en varios escenarios distintos. Aunque no se explica detalladamente en este artículo, el banco de pruebas es ampliable, y también se puede usar para estudios de caso de coexistencia a 6 GHz así como para aplicaciones de ondas milimétricas.

Banco de pruebas para coexistencia

Banco de pruebas que se usará para el estudio de caso de 28 GHz. Para generar las señales de prueba de satélite y candidatas para 5G de 28 GHz de banda ancha, se utiliza un PSG vectorial con entradas IQ de banda ancha combinado con un generador de formas de onda arbitrarias (AWG) de precisión de amplio ancho de banda. El AWG genera I y Q, que se modula en las frecuencias portadoras de 28 GHz aproximadamente utilizando el PSG vectorial. Esta combinación del AWG y el PSG vectorial puede generar señales de prueba de hasta 44 GHz con hasta 2 GHz de ancho de banda de modulación. Las señales de prueba se analizan utilizando, o bien un analizador de señales de 50 GHz con 1 GHz de ancho de banda, o bien un osciloscopio de 33 GHz. El software de simulación de diseños está instalado en el controlador integrado para el AWG. Se usará para generar el escenario de coexistencia que se examinará a continuación.

Estudio de caso de coexistencia de 28 GHz

El diagrama de simulación de diseño se utilizó para generar el escenario de señales de coexistencia de 28 GHz. Para este escenario de coexistencia, como ejemplo de forma de onda de satélite se empleó una forma de onda de modulación por desplazamiento de fase y de amplitud (APSK) de banda ancha. La fuente de la señal de simulación APSK se muestra en la parte superior izquierda de la Figura 2. Para la forma de onda candidata para el 5G, se utilizó una forma de onda de multiplexión por división de frecuencias ortogonales (OFDM) personalizada de banda ancha, tal como se puede ver en la parte inferior izquierda. En ambas fuentes de simulación, existen varios parámetros que pueden establecerse para configurar las características de la forma de onda. Se eligieron estos dos tipos de forma de onda para ilustrar un concepto de escenario de coexistencia, pero el usuario puede sustituirlos por otros tipos de formas de onda para la aplicación real en la que trabaje. En el software de simulación de diseños se utiliza un elemento combinador de señales para remuestrear y combinar la forma de onda de satélite y la forma de onda candidata para 5G. Este elemento permite combinar varias formas de onda de entrada con diferentes frecuencias, anchos de banda y velocidades de muestreo centrales para crear una única forma de onda de salida compuesta que puede descargarse en el equipo de pruebas para generar señales de prueba de coexistencia.

El elemento para descargas del AWG se muestra en la parte derecha del diagrama de simulación. La I y la Q de la forma de onda compleja compuesta se descargan automáticamente al AWG al finalizar la simulación. Las salidas I y Q del AWG se dirigen a las tomas IQ del panel posterior de banda ancha del generador de señales PSG vectorial para modularlas en una frecuencia portadora de 28 GHz aproximadamente. La señal de prueba resultante se muestra en la Figura 3. La forma de onda OFDM personalizada se muestra en la parte izquierda de la pantalla de espectro, mientras que la señal APSK de satélite se muestra en la parte derecha. Para este escenario, las frecuencias y los anchos de banda centrales establecidos permitían que hubiera suficiente banda de guarda entre las dos señales. La coexistencia para este escenario se demuestra utilizando un software de analizador vectorial de señales en el equipo de pruebas para demodular la forma de onda OFDM personalizada. En el caso de este escenario, la constelación de OFDM parece relativamente nítida, lo que indica una buena coexistencia entre las dos formas de onda.

A continuación, este escenario de señales se modifica cambiando la separación de frecuencia entre las dos señales. En la Figura 4 se observa que la señal de satélite se superpone con la forma de onda OFDM personalizada y que hay una banda de guarda insuficiente entre las dos señales. La repercusión del comportamiento de la coexistencia de este escenario puede observarse en la medida del VSA. La constelación muestra una gran dispersión como consecuencia de la interferencia que recibe de la señal de satélite. Se puede obtener un examen más detallado de esta interferencia midiendo la EVM frente a la subportadora, como se ve en la Figura 5. En la pantalla del VSA de la izquierda, la EVM frente a la subportadora que se ve en la esquina superior derecha muestra la repercusión de la señal de satélite, en especial en las subportadoras próximas al extremo superior de la banda. El resultado de la EVM que se ve en la esquina inferior derecha de la pantalla del VSA de la izquierda muestra una EVM relativamente elevada, lo que indica que hay una mala coexistencia entre la forma de onda OFDM personalizada candidata para 5G y la forma de onda de satélite para este escenario.

Esta cifra de EVM es una media entre el tiempo de adquisición total y el ancho de banda de la señal, pero el software de VSA puede proporcionar un desglose de los errores frente a la frecuencia (o subportadora) o de los errores frente al tiempo (o símbolos). En la pantalla del VSA de la derecha, el eje X se ha escalado para ampliar las subportadoras afectadas por la interferencia de la señal de satélite. La traza blanca es la media de la EVM frente a subportadora. Se puede ver que aumenta considerablemente en el extremo superior de la banda donde la señal de satélite interfiere con la señal OFDM candidata para 5G. Las líneas verticales azul y verde representan la distribución de los resultados de la EVM en cada subportadora frente al símbolo. La coexistencia puede cobrar cada vez mayor importancia a medida que evolucionan tanto el estándar 5G como la política de espectros. En este artículo se ha expuesto un banco de pruebas flexible que se puede usar para investigar posibles problemas de coexistencia en varios escenarios de pruebas.

Aunque para estos escenarios se combinó un software de simulación con equipo de pruebas de amplio ancho de banda, se pueden evaluar escenarios solo con simulación (por ejemplo, repercusión de la coexistencia en una tasa de error de bit simulada). Si bien no se muestra en este artículo, este banco de pruebas también se ha empleado para generar escenarios de coexistencia de señales en la banda de frecuencia de 39 GHz. Se puede ver un vídeo de demostración en el enlace siguiente: www.keysight.com/find/5G.

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