https://doi.org/10.37815/rte.v36n1.1178

Artículos originales

Evaluación de Interferencias en Escenarios Urbanos Interiores en Bandas
Inferiores a 6 GHz

Interference Assessment in Indoor Urban Scenario in sub-6GHz bands

Eduardo
Chancay1 https://orcid.org/0000-0002-8102-1537,

Manuel
Montaño1  https://orcid.org/0000-0001-6816-0439, María Antonieta
Alvarez1 https://orcid.org/0000-0002-4017-2718, Francisco
Novillo1 https://orcid.org/0000-0003-4278-2867

1Escuela
Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil,
Ecuador

[email-masked], [email-masked], [email-masked], [email-masked]

Enviado:         2024/05/28

Aceptado:       2024/06/27

Publicado:
2024/06/30

Resumen

En un mundo cada vez más interconectado, las bandas
de frecuencia no licenciadas de 2.4 y 5 GHz han sido fundamentales para el
desarrollo de aplicaciones inalámbricas como Wi-Fi (dispositivos IoT),
domótica, streaming de medios, entre otras. Sin embargo, en entornos urbanos
altamente poblados, como la ciudad de Guayaquil-Ecuador, la administración
eficiente de estas franjas de espectro es un desafío crítico que permite el
desarrollo de ciudades inteligentes y sostenibles. La falta de estudios
exhaustivos sobre interferencias en estas bandas en ambientes interiores densos
hace que exista deterioro en la confiabilidad de las redes, limitando la
capacidad de utilizar esquemas de modulación (MCS) más elevados, esenciales
para aplicaciones que requieren mayores velocidades de conexión. Este estudio
se enfoca en la recolección precisa de mediciones del espectro radioeléctrico
en el centro de la ciudad de Guayaquil, específicamente en las bandas de 2.4 y
5 GHz, con el propósito de evaluar los niveles de interferencia y la
disponibilidad de canales en estos entornos urbanos densamente poblados. Los
resultados revelan una saturación más acentuada en la banda de 2.4 GHz,
subrayando la urgente necesidad de una gestión más efectiva del espectro en
áreas urbanas densamente pobladas para garantizar una conectividad sólida.

Palabras clave: Modelado de interferencias, detección de
espectro, banda sin licencia, ciudades inteligentes, capacidad del canal.

Sumario: Introducción,
Materiales y Métodos, Resultados y Discusión y Conclusiones.

Como citar: Chancay,
E., Montaño, M., Alvarez, M. A. & Novillo, F. (2024). Evaluación de
Interferencias en Escenarios Urbanos Interiores en Bandas Inferiores a 6
GHz. Revista Tecnológica - Espol, 36(1), 44-56. https://rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/1178

Abstract

In an increasingly interconnected
world, the unlicensed 2.4 and 5 GHz frequency bands have been essential for
developing wireless applications such as Wi-Fi (IoT devices), home automation,
and media streaming, among others. However, in highly populated urban
environments, such as Guayaquil,Ecuador, the efficient administration of these
spectrum swaths is a critical challenge that allows the development of smart
and sustainable cities. The lack of comprehensive studies on interference in
these bands in dense indoor environments causes a deterioration in network
reliability, limiting the ability to use higher modulation schemes (MCS) which
are essential for applications that require higher connection speeds. This
study focuses on the precise collection of radio spectrum measurements in
Guayaquil, specifically in the 2.4 and 5 GHz bands, to evaluate interference
levels and channel availability in these densely urban environments. The
results reveal more pronounced saturation in the 2.4 GHz band, underscoring the
urgent need for more effective spectrum management in densely populated urban
areas to ensure robust connectivity.

Keywords: Interference Modeling, Spectrum Sensing,
Unlicensed Band, Smart Cities, Channel Capacity.

Introducción

En una sociedad moderna donde el acceso a
la red inalámbrica móvil es un recurso de uso cotidiano, ha provocado la
congestión en el acceso al espectro radioeléctrico, siendo este un recurso que
permite la conectividad en gran parte de las actividades del día a día. En
particular, las bandas de frecuencia de 2.4 GHz y 5 GHz desempeñan un papel
crucial en la transmisión de datos, respaldando una amplia variedad de
servicios esenciales. Estas incluyen las redes Wi-Fi tradicionales, la
comunicación con vehículos no tripulados (UAV) (Zang et al., 2022), redes de
sensores industriales (Wang et al., 2023; OBrien et al., 2023), y la realidad
extendida (XR) (Lopez-Perez et al., 2019). Sin embargo, en entornos urbanos
densamente poblados, con proyecciones de crecimiento alto como la ciudad de
Guayaquil-Ecuador, la gestión eficaz de estas bandas de espectro se convierte
en un desafío que cobra más importancia en la actualidad.

El acceso a internet en la ciudad de
Guayaquil se da mayormente por medios inalámbricos, como lo reflejan los datos
estadísticos de la Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones,
donde un 62.35% de cuentas Internet por cada 100 habitantes, utilizan medios
móviles (ARCOTEL, 2024), debido a este rápido crecimiento de la demanda de
acceso a internet móvil, las ciudades enfrentan una presión creciente para la
mejora en la infraestructura de telecomunicación. La proliferación de
dispositivos conectados y aplicaciones que requieren de una red densa que
permita una alta capacidad y baja latencia, como los servicios de realidad
aumentada (AR) y virtual (VR), está llevando las bandas de 2.4 y 5 GHz a sus
límites. Esto ha generado una necesidad urgente de explorar nuevas soluciones y
tecnologías que puedan ofrecer un rendimiento superior y una mejor gestión del
espectro.

Existen varias investigaciones que analizan
las interferencias en diferentes entornos, el trabajo de (Chounos et al., 2022)
se centra en la predicción de niveles de interferencia en redes basadas en el
estándar IEEE 802.11, subrayando la importancia de comprender y gestionar la
interferencia en redes inalámbricas. Este estudio respalda la necesidad de
medir y evaluar las interferencias en entornos urbanos densos para asegurar la
eficiencia y confiabilidad de las redes. Los trabajos de Su et al., 2023; Wang et
al., 2023 analizan estadísticas de interferencia en bandas con y sin licencia,
resaltando la relevancia de medir la interferencia en diferentes bandas y
contextos. Estos estudios están en sintonía con la presente investigación
enfocada en las bandas de 2.4 y 5 GHz. Además, Hou et al., 2021 utiliza
mediciones del espectro para estudiar la duración de estados ocupados e
inactivos, proporcionando perspectivas valiosas sobre cómo las interferencias
afectan la conectividad en redes inalámbricas. Por último, el trabajo de Shiba
et al., 2022 presenta un monitor de espectro compacto para IoT inalámbrico,
subrayando la importancia de contar con herramientas de medición adecuadas en
diversos entornos inalámbricos. En conjunto, estos trabajos relacionados
respaldan y contextualizan la investigación en la creciente demanda de
conectividad en diferentes entornos, como los urbanos densos.

En esta investigación se evalúa el estado
de la red inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.11ac. Para ello, se
recopilaron mediciones exhaustivas del espectro radioeléctrico en ambientes
interiores de zonas urbanas densas, lo que permite comprender en detalle el
comportamiento de las interferencias presentes en las bandas de 2.4 y 5 GHz.
Estas mediciones no solo proporcionan una comprensión detallada de las
condiciones actuales de la red, sino que también sirven como base para futuras
investigaciones y desarrollos tecnológicos en algoritmos de predicción que
minimicen el censado del espectro. De tal manera que los dispositivos optimicen
el acceso a la red y se disminuya el consumo de energía en dispositivos
móviles, y a su vez se pueda garantizar la conectividad y una baja latencia en
entornos urbanos densos que contribuye a la mejora de la capacidad y el acceso
a las redes inalámbricas en escenarios futuros. Un entorno urbano denso es un
área con alta concentración de usuarios y dispositivos, mayor interferencia, y
desafíos significativos para mantener una cobertura y calidad de servicio
óptimas debido a la complejidad del entorno físico y la alta demanda de
capacidad de red.  Kamel et al., 2016
define el entorno urbano denso cuando el número de puntos de acceso es mayor
que el número de usuarios activos.

El despliegue de Wi-Fi 7, también conocido
como IEEE 802.11be, presenta una solución innovadora para estos problemas.
Wi-Fi 7 introduce características avanzadas como la operación en la banda de 6
GHz, ofrece grandes tasas de datos que pueden llegar a alcanzar los 30 Gbps,
entre otras características avanzadas como la conexión multiusuario (MU-MIMO)
por medio de técnicas beamforming, mayor ancho de banda por canal, y técnicas
de modulación más eficientes (ANRITSU, 2022). Estas mejoras no solo aumentan la
velocidad y capacidad de la red, sino que también reducen la interferencia con
otros dispositivos, facilitando una conectividad más estable y robusta en
entornos urbanos saturados. En este estudio, no se analizan las características
técnicas de Wi-Fi 7 dado que en Ecuador la banda de 6 GHz esta designada para
sistemas de red fija por satélite acorde al plan nacional de frecuencias, pero
se estudia la disponibilidad del espectro que ya se ha asignado en otras partes
del mundo (ARCOTEL, 2021).

A medida que las ciudades como Guayaquil
continúan creciendo y evolucionando hacia entornos más inteligentes y
conectados, es esencial que las infraestructuras de comunicación se mantengan a
la par. Las tecnologías emergentes, como Wi-Fi 7, ofrecen un camino prometedor
para superar los desafíos actuales y futuros, asegurando que las redes
inalámbricas puedan soportar las demandas de una sociedad digital en constante
expansión. La investigación y el desarrollo continuos en este campo son
cruciales para proporcionar soluciones sostenibles y eficientes.

El artículo está organizado como sigue.
Sección 2 presenta en detalle el lugar y franja horaria de medición, el montaje
de las antenas, y configuración del equipo analizador espectral. En la Sección
3 se procesa la data y se modela estadísticamente la interferencia para las
bandas y sus canales. Finalmente, con el modelo de la relación señal-ruido de
interferencia, se concluye acerca del estado de la red en la Sección 4.

Materiales y Métodos

Para llevar a cabo la campaña de medición,
se seleccionó un departamento en el segundo piso de un edificio situado en el
centro de la ciudad de Guayaquil, Ecuador. Esta área urbana se caracteriza por
edificios altos y las estructuras densamente agrupadas, también por una alta
densidad de puntos de acceso inalámbricos, tanto públicos, provistos por el
Municipio de Guayaquil, como privados, pertenecientes a comercios y
residencias. Los puntos de acceso distribuidos en la zona de medición operan en
las bandas de 2.4 y 5 GHz, proporcionando acceso a internet. La elección de
este entorno permite analizar el caso de mayor congestión por condiciones de
tráfico e interferencia en redes inalámbricas en un contexto urbano denso, como
se muestra en la Figura 1. La gran mayoría de estos puntos de
acceso operan bajo el estándar IEEE 802.11ac, que permiten el acceso a la banda
de 2.4 o 5 GHz de manera no concurrente, acorde a las características
especificadas por el fabricante para el modelo de los equipos que se detectan
operativos durante la medición, tanto al interior como en el exterior del
edificio.

Figura 1

Mapa
del sitio de medición

Nota: Los puntos rojos
indican la ubicación de los diferentes puntos de acceso que actúan como
interferencia en el receptor. Para más información:
https://www.telconet.net/holdingtelconet/wifi

Para la medición se utilizó un equipo
analizador espectral ANRITSU modelo MS2713E, al que se le conectó una antena
SIRIO 3000 con una ganancia de 0 dB para realizar mediciones en la banda de 2.4
GHz, y una antena ALTELIX AU5G13M2 con una ganancia de 2.5 dBi para las
mediciones en la banda de 5 GHz. Ambas antenas se conectaron al analizador
espectral a través de un cable coaxial con una pérdida promedio de 3dB/100 m.,
asegurando la precisión en la captura de datos (ver Figura 2). Estos equipos se dispusieron en un
trípode cerca de la ventana de uno de los departamentos seleccionados para la
medición, permitiendo una buena recepción de las señales y minimizando posibles
obstrucciones.

Figura 2

Configuración
del equipo de medición en el edificio

Nota: Configuración de
las conexiones las antenas con el equipo analizador espectral. La antena SIRIO
3000 es utilizada para realizar las mediciones en la banda de 2.4 GHz, y la
antena ALTELIX AU5G13M2 para las mediciones en la banda de 5 GHz.

Se estableció un nivel de referencia a -30 dBm
para poder observar las ráfagas de información en la banda de medición con
claridad. Esta configuración fue crucial para detectar señales débiles y
asegurar la captura de todas las transmisiones relevantes en las bandas de 2.4
GHz y 5 GHz. Además, se calibró el nivel de corriente continua (DC) del
dispositivo, que permite una operación estable y precisa del equipo. La
resolución de ancho de banda (RBW) se ajustó a 300 KHz, lo que permite obtener
más muestras por barrido y, en consecuencia, observar el tráfico de alta
velocidad con mayor detalle. Esta configuración específica facilitó la
detección de todas las ráfagas de subida y bajada de la red, capturando tanto
las señales de transmisión como las de recepción, como se describe en detalle
en la Tabla 1.

Tabla 1

Parámetro de configuración del equipo de
medición

Parámetro

Símbolo

Valor

Frecuencia de
inicio 2.4 GHz

2401 MHz

Frecuencia de parada 2.4 GHz

2473 MHz

Frecuencia de
inicio 5 GHz

5000 MHz

Frecuencia de
parada 5 GHz

6000 MHz

Ancho de banda IF

300 kHz

Resolución del ancho de
banda

RBW

300 kHz

Ancho de banda de video

VBW

300 kHz

Altura Tx/Rx

1.6 m

Nivel de
referencia

-30 dBm

Durante un mes se
realizó la campaña de medición en la banda de 2.4 GHz y 5 GHz, se tomaron
mediciones desde de 0:00 hasta las 23:59 en el centro de Guayaquil, con estas
mediciones se determinó que las horas de mayor tráfico se encontraban entre las
12:00 – 13:00 en el día y entre las 19:00 – 23:00 en la noche.  Debido a limitaciones técnicas, se optó por
medir el nivel de potencia durante una de las franjas horarias de mayor tráfico
en la red, comprendido entre las 12:00 a 13:00 horas. Con lo que se pretende
modelar el peor escenario de interferencia, se destinaron 30 min. para la
recolección en la banda de 2.4 GHz y otros 30 min. en la banda de 5 GHz. Para
ambos casos, la frecuencia de muestreo es fs = 4200
muestras/s., durante una semana.

Para las
mediciones realizadas en la banda Wi-Fi de 2.4 GHz, se consideró su operación
desde 2.412 MHz (canal 1) hasta 2.472 MHz (canal 13). Lo que implica tener un
canal cada 5 MHz, distribuidos en aproximadamente 70 MHz asignados por
regulación del espectro, debido a esto existe solapamiento entre los
canales.  Otra consideración que se debe
tener presente es el hecho de que se puede hacer uso de anchos de canal entre
20 MHz o 40 MHz, como se ve en la Tabla 2, un solo usuario VR avanzado requiere de
una tasa de datos de 400 Mbps y una latencia de 20 ms para garantizar la buena
experimente de los usuarios. Por esta razón, se optó analizar únicamente los
canales no solapados con anchos de 20 MHz (1, 6, 11) y un canal de 40 MHz (Figura 3).

Figura 3

Distribución de los canales para la banda
de 2.4 GHz en el estándar IEEE 802.11ac

Nota: Distribución de los
canales no solapados en la banda de 2.4 GHz, con anchos de 20 MHz (1, 6, 11) y
canal de 40 MHz.

En cuanto a la
banda de 5 GHz, hay 21 canales de 20 MHz que no se encuentran solapados, a
diferencia de lo que sucede en la banda de 2.4 GHz, lo que disminuye la
interferencia entre canales adyacentes. Esta disposición de canales permite una
mayor eficiencia y menor interferencia en la transmisión de datos. Además, esta
banda ofrece la posibilidad de utilizar canales extendidos con anchos de banda
de 40 MHz, 80 MHz y hasta 160 MHz (Figura 4). Al emplear estos canales más amplios,
la diferencia en el rendimiento es notable. Usando el doble o hasta cuatro
veces el ancho de banda estándar, se logra hasta una mejora del 50% en la tasa
de datos percibida. Esta capacidad de transmisión aumentada es particularmente
beneficiosa para aplicaciones que requieren altas velocidades de datos, como la
transmisión de video en alta definición y el gaming en línea.

Tabla 2

Requerimientos
de ancho de banda y latencia para sistemas VR (Wong et al., 2022)

Realidad Virtual

Resolución

Resolución equivalente de TV

Ancho de banda

Latencia

VR Inicial

1K x 1K @ visual field 2D_30fps_8bit_4K

240p

25 Mbps

40 ms

VR
Estable

2K x 2K @
visual field 2D_30fps_8bit_8K

SD

100 Mbps

30 ms

VR Avanzado

4K x 4K @ visual field 2D_60fps_10bit_12K

HD

400 Mbps

20 ms

VR Futuro

8K x 8K @ visual field 3D_120fps_12bit_24K

4K

2.35 Gbps

10 ms

Sin embargo, una
de las desventajas de la banda de 5 GHz es que presenta áreas de cobertura más
pequeñas en comparación con la banda de 2.4 GHz. Esto se debe a la mayor
atenuación por propagación en la frecuencia de operación de la banda, lo que
implica que las señales se debilitan más rápidamente con la distancia. Como
resultado, los dispositivos que operan en esta banda pueden necesitar más
puntos de acceso para cubrir la misma área que cubriría un solo punto de acceso
en la banda de 2.4 GHz. Esta limitación debe ser considerada al planificar y
desplegar redes inalámbricas, especialmente en entornos grandes o con múltiples
obstáculos físicos.

Figura 4

Distribución de los canales para la banda
de 5 GHz en el estándar IEEE 802.11ac

Nota: Distribución de los canales extendidos en la banda
de 5 GHz, con anchos de banda de 40 MHz, 80 MHz, y hasta 160 MHz.

Resultados y Discusión

Para el análisis de los resultados, se procesaron
los datos para cada banda aplicando las asignaciones de canales conforme al
estándar IEEE 802.11ac en 2.4 GHz y 5 GHz, para los diferentes anchos de canal
(20, 40, 80 y 160 MHz) disponibles en la banda. La medición de la banda se
realizó de forma concurrente con un analizador de espectro (como se detalla en
la Sección Materiales y Métodos) y, posteriormente, se procedió al
procesamiento de los datos para los diferentes anchos de canal.

Dado que la variable de interferencia es aleatoria
se hace uso de la distribución Kernel (no paramétrica) de la función de
densidad de probabilidad (PDF) de una variable aleatoria para poder describir
adecuadamente los datos y evitar realizar suposiciones acerca de su
distribución.

La distribución Kernel se define mediante una
función de suavizado y un valor de ancho de banda, que controlan la suavidad de
la curva de densidad resultante (Bowman,
1997). El estimador de densidad del Kernel es la función de probabilidad
estimada de una variable aleatoria. Para cualquier valor real de x, la
fórmula del está dada por:

Donde

son
muestras aleatorias de una distribución desconocida, n es el tamaño de
la muestra, K(·) es el suavizador Kernel y h es el ancho de
banda. El estimador Kernel para la función de distribución acumulada (CDF),
para cualquier valor real de x está dada por:

Donde

Para determinar el comportamiento de uso de la
banda de 2.4 GHz en un periodo de 24 horas, se realizó mediciones del tráfico
de la red. En la Figura 5
se observa que el mayor congestionamiento sucede en la mañana y el pico máximo
se encuentra situado entre las 12h00 y 13h00 del día en cuestión. Con este
valor obtenido se puede decir que la banda tiene un nivel de interferencia de
-80 dBm mayormente concentrado en el canal 1.

Figura 5

Espectro
del promedio de interferencia por horas

(a)
(b)

Nota: Medición del tráfico de la red por hora en la banda
de (a) 2.4 GHz y (b) 5GHz.

Para comprobar que la red de corto alcance opere
de tal forma que el usuario no experimente desconexiones o una alta latencia en
el enlace físico se modela la interferencia haciendo uso del Kernel en la ec.
(1), donde se puede observar los niveles de interferencias presentes en las
bandas y la congestión que tienen los canales. Para modelar la relación señal a
interferencia más ruido (SINR), se debe calcular la potencia que captaría el
dispositivo a una distancia D dentro de un ambiente interior para el caso de
línea de vista (LOS) (ec. (4)), y para el caso de que no haya línea de vista
(NLOS) (ec. (6)), para ello se hacer uso del modelo 3GPP (Merias, 2022) que considera
una propagación con consideraciones tridimensionales y los parámetros de
distribución para ambiente interiores:

Donde PLLOS denota la pérdida de
trayectoria en la línea de vista de comunicación directa entre el transmisor y
el receptor, d3D representa la distancia tridimensional (en metros)
entre el transmisor y el receptor de 1 a 150 m., fc es la frecuencia
portadora del equipo transmisor (AP) con un valor de 20 dBm, PLNLOS
representa la pérdida de trayectoria sin línea de vista debido a obstáculos en
ambientes interiores. El presupuesto del enlace se calcula como se muestra en
la ec. (7) para determinar la potencia que recibiría el dispositivo (PRx)
dentro de un área de cobertura en un ambiente interior:

PAP es la potencia de transmisión del
AP, GTx y GRx son la ganancia de transmisión del AP y la
ganancia de recepción del dispositivo receptor, respectivamente, y PLindoor
puede ser la pérdida de ruta definida en (4) y (6).

Teniendo en cuenta los niveles de interferencia
modelados, y de esta forma haciendo uso de una distribución normal para la
potencia que genera el AP, se puede comparar con la distribución de la
interferencia y obtener una distribución aproximada del SINR (ec. (8)), que se modela:

N es el ruido del
ambiente, n son las muestras tomadas en la campaña de medición, Ii, es la i-ésima interferencia detectada en los puntos de
medición. Es crucial identificar las áreas donde las redes inalámbricas pueden
sufrir degradación y ofrecer un enlace de baja calidad. basándonos en el
análisis del SINR. Como resultado, se puede determinar si las tasas de
modulación se ven comprometidas, produciendo que la velocidad de los datos se
vea limitada por la interferencia. La Tabla 3
muestra la tasa de datos para diferentes modulaciones y codificación que se
puede ofrecer en un entorno con interferencias.

Tabla 3

Tasa de datos por nivel de modulación para el estándar IEEE 802.11ac
(WirelessLAN, P., 2023)

MCS

Modulación

Codificación

20 MHz

40 MHz (Mbps)

80MHz (Mbps)

160 MHz (Mbps)

Rate
(Mbps)

SNR
(dB)

Rate
(Mbps)

SNR
(dB)

Rate
(Mbps)

SNR
(dB)

Rate
(Mbps)

SNR

(dB)

0

BPSK

1/2

7.2

2

15

5

32.5

8

65

11

1

QPSK

1/2

14.4

5

30

88

65

11

130

14

2

QPSK

3/4

21.7

9

45

12

97.5

15

195

18

3

16-QAM

1/2

28.9

11

60

14

130

17

260

20

4

16-QAM

3/4

43.3

15

90

18

195

21

390

24

5

64-QAM

2/3

57.8

18

120

21

260

24

520

27

6

64-QAM

3/4

65

20

135

23

292.2

26

585

29

7

64-QAM

5/6

72.2

25

150

28

325

31

650

34

8

256-QAM

3/4

86.7

29

180

32

390

35

780

38

9

256-QAM

5/6

NA

31

200

34

433

37

866.7

40

Resultado
de las mediciones en 2.4 GHz

En las mediciones realizadas durante el lapso
de una semana (lunes a viernes), en las horas de mayor tráfico comprendida
entre las 12h00 – 13h00 del día en cuestión, se realizó la captura y
modelamiento de la red para toda la banda de 2.4 GHz. En la Figura 6 se
muestra la función de distribuciones acumulada (CDF) para la banda de 2.4 GHz,
para dos anchos de canal: i) 20 MHz distribuidos desde el canal 1 hasta el 11
(2401 - 2473 MHz), que son los canales disponibles para América Latina; y ii)
canales extendidos de 40 MHz. Contrario a lo que se puede apreciar en el
estudio del espectro por horas, temporalmente la CDF demuestra que los canales
6 y 11 tiene menos disponibilidad, donde los niveles de relación señal
interferencia se encuentran cerca de 10 dB, con un canal de 40 MHz la máxima
tasa de datos ofrecida es de 45 Mbps, con una probabilidad de ocurrencia del
50%. Son niveles significativos que degradan la calidad del enlace y reducen
las tasas de datos. Para el canal 1 se puede aprecia que la banda se encuentra
con niveles alrededor de los 20 dB, con lo cual se alcanzarían tasas de datos
de 120 Mbps, que son niveles más manejables para el sistema sin comprometer la
experiencia del usuario esperada.

Para el caso de canales extendidos de 40 MHz,
se muestra un nivel de relación señal interferencia alrededor de 10 dB para una
probabilidad del 40%. Esto limita el canal en los niveles de modulación que
puede ofrecer el enlace, lo que presenta que en la banda de 2.4 GHz es muy
limitado en capacidad de canal y tasa de datos, por lo que no es una elección
para sistema de nueva generación que requieran altas velocidades de
transmisión, donde los requerimientos superan los 2 Gbps, para los sistemas de
realidad aumenta AR/VR (ver Tabla 2) que
están tomando relevancia, no solo en la industria de los video juegos, sino
también en aplicaciones relacionadas con la quinta revolución industrial  (Profesional, 2023).

Figura 6

Distribución
de probabilidad acumulada del SINR en la banda 2.4 GHz

Nota: Función de distribución
acumulada del SINR en la banda de 2.4 GHz para los anchos de canal de 20 MHz
distribuidos desde el canal 1 hasta el 11, y canales extendidos de 40 MHz.

Resultados
de las mediciones en 5 GHz

En el caso de la banda de 5 GHz, a diferencia de
la banda de 2.4 GHz, los canales de 20 MHz no se superponen y se dividen en
tres bandas denominadas como Unlicensed National Information Infrastructure
UNII-(1,2,3) (ver Figura 4).
Para los canales de 20 y 40 MHz la disponibilidad está sometida a alto niveles
de interferencia superiores a los -50 dBm. Es por
ello, que analizaremos los canales de 80 MHz y 160 MHz (Figura 7), que
al tener más disponibilidad de espectro el efecto de la interferencia se
distribuye en todo el ancho de banda.

Para el caso de los canales con ancho de banda
de 80 y 160 MHz, se muestra un nivel de relación señal interferencia de 10 dB
con lo que un canal de 160MHz podría alcanzar una tasa de datos de 65 Mbps, con
una probabilidad acumulada del 60%, lo que ocasiona un aumento en la latencia
del sistema debido a la colisión de los usuarios por los tienes de acceso más
cortos que provoca que no puedan acceder al canal, en consecuencia, la calidad
de servicio que se experimenta en la banda no satisface a los requerimientos de
los usuarios modernos. Entre los cuales se puede ejemplificar el video en alta
definición, streaming, y juegos en línea, que generan una demanda creciente de
ancho de banda. Esto lleva a una mayor utilización de los canales más amplios,
como los son de 80 y 160 MHz, con el fin de satisfacer estas necesidades de
rendimiento, aunque es mínimo debido a los altos niveles de interferencia.

Esto evidencia que, en áreas urbanas densamente
pobladas, como lo es el centro de la ciudad de Guayaquil, la densidad de redes
Wi-Fi es significativamente alta. La falta de canales disponibles lleva a que
múltiples redes compartan los mismos canales, dando lugar a una competencia por
el espectro de frecuencia y, como resultado, a una interferencia co-canal.  En última instancia, la saturación de los
canales se traduce en latencia elevada y conexiones inestables. Los usuarios
pueden experimentar conexiones más lentas y dificultades para mantener una
comunicación con su propio AP.

Figura 7

Distribución
de probabilidad acumulada del SINR en la banda 5 GHz

Nota: Función de distribución
acumulada del SINR en la banda de 5 GHz para diferentes canales con ancho de
banda de 80 y 160 MHz.

Conclusiones

Los resultados obtenidos
a partir de las mediciones realizadas en las bandas de 2.4 y 5 GHz indican una
marcada diferencia en cuanto a la disponibilidad de canales y la congestión del
espectro que no se podría extrapolar a escenarios fuera de Guayaquil dada la
escasa cantidad de puntos de medición ejecutados. La banda de 2.4 GHz presenta
un alto tráfico debido a que muchos dispositivos activos no disponen de
receptores para la banda de 5 GHz. Esta banda, a menudo saturada, es utilizada
por dispositivos de baja a media capacidad, como cámaras de seguridad, routers
domésticos, y electrodomésticos inteligentes. Además, los dispositivos que
utilizan esta banda suelen emplearse en aplicaciones de alta velocidad, como el
Cloud Gaming y la transmisión de video en alta resolución, lo cual incrementa
aún más la congestión y reduce la tasa de datos a una velocidad de 120Mbps,
debido a los niveles de interferencia.

Por otro lado, como se
vio en la Figura 7, la banda de 5 GHz muestra una congestión notable en todos
sus canales, lo cual puede atribuirse a la creciente demanda de dispositivos
que soportan el estándar IEEE 802.11ac. Esta banda es crucial para aplicaciones
que requieren un alto ancho de banda y menor latencia, como videoconferencias
en alta definición, streaming 4K, y entornos de trabajo colaborativo en línea
dado que en condiciones ideales no podría ofrecer un enlace de 866.7 Mbps, pero
debido a la alta interferencia solo se puede aprovechar una mínima tasa de
datos de 65 Mbps. A medida que más dispositivos adopten el estándar 802.11ac,
la necesidad del uso de nuevas tecnologías como el IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6), se
espera que esta banda enfrente una mayor demanda, lo que da paso al desarrollo
de algoritmos de radio cognitiva que aprovechen mejor el uso del espectro para
evitar futuros problemas de congestión a través de una gestión dinámica del
espectro.

Uno de los aspectos
más relevantes a futuro de esta investigación es su potencial impacto en la
viabilidad de servicios AR/VR en entornos interiores, dado que estos sistemas
estarán presentes en aplicaciones industriales, vehiculares y de ocio como una
herramienta para la expansión a las limitaciones físicas que tienen las
pantallas. Con los datos recopilados, se podrá modelar la capacidad del canal y
determinar si es factible ofrecer servicios de calidad bajo estas condiciones.
La realidad aumentada y virtual requiere una conexión de alta velocidad y baja
latencia para proporcionar una experiencia de usuario satisfactoria. Este
modelamiento permitirá estimar los requisitos necesarios para brindar un
servicio AR/VR confiable y sentará las bases para futuras investigaciones en
este campo. Además, se podrán desarrollar estrategias de minimización de
interferencias por medio de modelos de Machine Learning que permita predecir la
disponibilidad de los canales sin tener que censarlos previamente, de tal
manera que se asegure la calidad de los servicios AR/VR en entornos urbanos
densos, marcando un avance significativo hacia la conectividad del futuro.

Reconocimientos

Los autores agradecen a la Escuela Superior
Politécnica del Litoral y al Departamento de Investigación por el apoyo a
través del proyecto de investigación denominado " Análisis de los niveles
de ruido e interferencia en la banda ISM y evaluación de desempeño para
sistemas de telecomunicaciones de corto y largo alcance, en zonas rurales y
urbanas para la aplicabilidad de la banda no licenciada de 6GHz en Ecuador”.

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