Comparison of Path Loss Models for Vehicular Communications in TV White Spaces Tomás Lara* Adriana Arteaga* Sandra Céspedes*† tomas.lara@ing.uchile.cl aarteaga@ing.uchile.cl scespedes@ing.uchile.cl *Departamento de Ingeniería Eléctrica,Universidad de Chile, Chile. †NIC Chile Research Labs, Chile. vehicular. Este aumento puede no ser tolerable en cier- tas aplicaciones críticas de seguridad vial como la di- Abstract fusión de mensajes de advertencia o alertas, lo que lleva a pensar en medidas para mitigar estos proble- This work presents the main observations ob- mas y garantizar la fiabilidad de las comunicaciones. tained from the study of several path loss Una alternativa que permite disminuir la saturación models in the context of vehicular communi- de las bandas de frecuencias establecidas para comu- cations that employ frequency bands of TV nicaciones vehiculares corresponde al uso de Acceso White Spaces. We have simulated vehicular Dinámico de Espectro (DSA) con el objetivo de ocu- communications in different urban and subur- par otras bandas de frecuencia de manera oportunista ban scenarios in order to compare the mag- [Alt11][Che15]. En este sentido, las frecuencias uti- nitude of the losses exhibited by the follow- lizadas en la transmisión de televisión son de especial ing models: Okumura-Hata, COST-Walfisch- interés, tanto por ser bandas de mayor longitud de Ikegami, Xia-Bertoni, WINNER+, and ITM onda, como por su disponibilidad, puesto que la tran- (Longley-Rice), for both V2I and V2V interac- sición desde la televisión análoga a digital liberó es- tions. Results show important differences be- pectro en esta zona, además de que su ocupación varía tween these models and demonstrate the need con la geografía, lo que genera espacios de frecuen- for a standard model for vehicular communi- cia no utilizados, conocidos como TV White Spaces cations employing TV frequency bands. (TVWS). El uso oportunista de estas frecuencias ha sido permitido progresivamente por distintos países, 1 Introducción donde una de las principales restricciones corresponde Los escenarios de comunicación entre vehículos (V2V) a evitar la interferencia con los usuarios titulares, tam- y entre vehículos y elementos de infraestructura (V2I) bién denominados usuarios primarios [Che15]. corresponden a un eje fundamental en el desarrollo Con el fin de aprovechar estas frecuencias de manera de los Sistemas de Transporte Inteligente (ITS), con oportunista, es importante estudiar su potencial dadas aplicaciones que van desde la difusión de mensajes de las condiciones existentes en comunicaciones V2V y alerta, al entretenimiento [Kar11]. Actualmente, los V2I, tales como antenas de baja altura instaladas en cuerpos reguladores de distintos países han establecido vehículos (aprox.1.5 metros de altura), además de ele- rangos de frecuencias a utilizar en este tipo de inter- mentos de infraestructura que puedan estar instalados acciones, como la tecnología DSRC (Dedicated Short a alturas considerablemente más bajas que las ante- Range Communication) en la banda de 5.9 GHz, con nas típicas de televisión, como es el caso de antenas alcances de hasta 300 metros para comunicación V2V ubicadas en postes de alumbrado público, semáforos, y hasta un kilómetro en V2I. entre otros. La masificación de este tipo de comunicación, con el Con el objetivo de determinar las condiciones de consiguiente aumento en el tráfico de datos y el trá- propagación en estas frecuencias, así como para fico vehicular, podría generar un aumento del nivel de cumplir la restricción de no interferir con los usuarios retardos, especialmente en escenarios urbanos y subur- primarios, es importante estimar el nivel de señal en su banos, donde se produce un mayor nivel de congestión recorrido, para lo que se utilizan modelos de pérdidas de propagación (path loss) [Phi13]. Existen variados This work has been partially funded by project ERANET-LAC ELAC2015/T10-0761 modelos de propagación útiles en bandas de televisión, donde cada uno posee diferentes restricciones para ser Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for private and academic purposes. utilizado (frecuencia, altura de antenas, etc.), sin em- bargo, no existe un consenso acerca de su utilidad para In Proceedings of the IV School of Systems and Networks (SSN2018), Valdivia, Chile, October 29-31,2018. Published at modelar comunicaciones vehiculares, por lo que este http://ceur-ws.org trabajo buscar comparar algunos de estos modelos con el fin de evaluar su utilidad en estos tipos de comuni- la misma iniciativa [Cic93]. Este abarca frecuencias cación. desde los 800 MHz a los 2 GHz y altura de receptores El presente documento se organiza de la siguiente man- desde uno a cuatro metros. Para el caso de antena era: en la sección 2, se realiza una descripción general emisora, las alturas soportadas son de 4 m a 50 m, de los modelos estudiados. Posteriormente la sección 3 lo que permitiría su uso en comunicación V2I. Si bien presenta una comparación de estos en diferentes esce- la utilidad de este modelo es limitada dado su rango narios vehiculares. Finalmente, la sección 4 presenta de frecuencias, posee un respaldo fuerte, por lo que su las conclusiones principales de este estudio preliminar. utilidad debe ser analizada. 2 Descripción General de Modelos de 2.4 Longley-Rice (ITM) Propagación El modelo ITS Irregular Terrain Model (ITM) o Longley-Rice, corresponde a un modelo desarrollado Las frecuencias habilitadas para Acceso Dinámico de por NTIA desde 1968. Este modelo da importancia Espectro en la banda de TVWS se concentran, en la principalmente al efecto que el terreno pueda tener mayoría de los países con regulación al respecto, en el en la propagación, siendo una de sus características el rango entre los 450 MHz y los 790 MHz. Sumado a amplio rango de parámetros para el que puede ser uti- lo anterior, se espera que las zonas donde sea posible lizado. Con relación a la frecuencia, este abarca desde obtener el máximo provecho al uso de este espectro 20 MHz a 20 GHz y a distancias que van desde 1 a correspondan a zonas urbanas y suburbanas dado el 2000 kilómetros con antenas que pueden ir desde 0.5 alto tráfico vehicular existente. m a 3000 m. Este modelo se encuentra principalmente A continuación, se realiza una revisión de los mode- orientado al estudio de transmisiones a larga distancia, los de pérdidas de propagación que cumplan con las considerando receptores móviles, por lo que su estudio condiciones de aplicabilidad mencionadas. en comunicaciones V2X cobra relevancia [Huf02]. 2.1 Okumura-Hata 2.5 WINNER+ Modelo empírico formulado por Hata [Hat80], basado Desarrollado por la iniciativa CELTIC PLUS, este en las mediciones realizadas por Okumura en y alrede- modelo pretende dar cobertura a un rango de frecuen- dor de la ciudad de Tokio. Este posee una gran di- cia entre 450 MHz y 2 GHz, donde los escenarios de fusión, tanto por su capacidad de predicción, como por interés corresponden a macro-celdas urbanas y subur- la simplicidad de sus parámetros. El modelo puede banas. Pese a que las alturas estándar indicadas para ser utilizado en un rango de frecuencias desde los 100 la estación base son de 25 metros, el modelo tiene un MHz a los 1500 MHz, con una distancia máxima de 20 enfoque en antenas receptoras de baja altura, por lo kilómetros entre terminales. Sobre la altura de las an- que se considera de utilidad en este estudio [Mei10]. tenas, para las estaciones móviles permite alturas de 1 a 10 metros. En el caso de la estación base, se presenta una restricción importante, permitiendo un mínimo de 3 Resultados preliminares: Simulación 30 metros. Dada esta última restricción el modelo es de pérdidas de propagación de interés en escenarios V2I. Para realizar una comparación entre las distintas pér- didas de propagación predichas se procede a implemen- 2.2 Xia-Bertoni tar los modelos y simularlos en MATLAB. Pese a que El modelo de Xia-Bertoni, desarrollado con el objetivo estos podrían ser utilizados tanto en un contexto ur- de estudiar la banda de UHF, corresponde a un mod- bano como suburbano, se decide realizar simulaciones elo teórico cuyo uso se centra en ambientes urbanos y en un escenario urbano, por considerarse un escenario suburbanos [Xia92]. Este opera utilizando un esquema de congestión vehicular más probable. Se indican las de ciudad, el que requiere información general del es- pérdidas de 120 dB como un umbral de sensibilidad cenario real en estudio. El modelo utilizado en este referencial para el receptor. documento corresponde a la versión desarrollada por Para la realización de la simulación se considera el Xia [Xia97], la que considera los casos en que la an- modelo de ciudad presentado en [Xia92],[Cic93]. Con- tena emisora se encuentra bajo, sobre o a una altura siderando un centro urbano con edificios de en prome- cercana a los edificios circundantes. dio 20 pisos (60 metros). Se realizan simulaciones en Dada sus características en frecuencia, este modelo po- tres escenarios, donde adicionalmente a los modelos dría ser de utilidad para el estudio de TVWS, sin em- mencionados se incluyen las pérdidas de espacio libre bargo, debe evaluarse su desempeño en condiciones de con fines de comparación. comunicación V2V. En primer lugar, se realiza una comparación de mod- elos en un escenario urbano con estaciones base (de- nominadas Road Side Units para tecnología DSRC) 2.3 COST-Walfisch-Ikegami ubicadas en postes de alumbrado público o semáforos Este modelo, presente en el reporte final de la iniciativa y una frecuencia de 700 MHz, por lo que no se incluye COST 231, fusiona los modelos de Walfisch-Bertoni los modelos Hata y COST-Walfisch-Ikegami, respecti- e Ikegami, junto a mediciones realizadas dentro de vamente (ver Fig.1). Pérdidas: Escenario Urbano - Antenas bajas 250 que una de las limitaciones en su uso es el compor- tamiento plano de este, lo que no permitiría un es- Pérdidas [dB] 200 tudio de pequeñas variaciones, si no que de tenden- cia. Finalmente, la utilidad del modelo WINNER+ en 150 situaciones de antenas bajas debe ser cuestionad. 100 4 Conclusiones 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 En el presente trabajo se analizaron y compararon Distancia [km] posibles modelos de pérdidas a utilizar en el estudio Free-Space Xia-Bertoni WINNER+ ITM de comunicaciones vehiculares que usen bandas de fre- cuencia de manera oportunista en TV White Spaces. A partir de los resultados se observa la utilidad de Figura 1: V2I, estación base 9 metros diferentes modelos dependiendo del escenario evalu- ado, sin embargo, debe seleccionarse el que mejor rep- A continuación, se evalúa el nivel de pérdidas con- resente la propagación real de la onda. Finalmente se siderando estaciones base a 60 metros de altura, cor- observa una diferencia considerable del modelo Xia- respondiente a la situación en que estas se instalen Bertoni con respecto a otros, por lo que tanto sus en la fachada de edificios descritos anteriormente (ver parámetros como utilidad deben ser evaluados en el Fig.2). trabajo futuro. Pérdidas: Escenario Urbano - Antenas en Fachada 180 References 160 [Alt11] Onur Altintas et al. “Demonstration of vehicle to Pérdidas [dB] 140 vehicle communications over TV white space”. In: 120 Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2011 IEEE. IEEE. 2011, pp. 1–3. 100 [Che15] Jiacheng Chen et al. “Providing vehicular infotain- 80 ment service using vhf/uhf tv bands via spatial spec- trum reuse”. In: IEEE transactions on broadcasting 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 61.2 (2015), pp. 279–289. Distancia [km] [Cic93] Dieter Cichon and Thomas Kürner. “Digital mobile Free-Space Xia-Bertoni WINNER+ Hata ITM radio towards future generation systems: COST 231 final report”. In: Technical report, COST European Cooperation in the Fiel of Scientific and Technical Research-Action 231 (1993). Figura 2: V2I, estación base 60 metros [Hat80] Masaharu Hata. “Empirical formula for propagation Finalmente, se evalúan los modelos en un escenario loss in land mobile radio services”. In: IEEE transac- tions on Vehicular Technology 29.3 (1980), pp. 317– de comunicación V2V, donde tanto para transmisor 325. como receptor se considera una altura de 1.5 m (ver [Huf02] George A Hufford. “The its irregular terrain model, Fig.3). version 1.2. 2 the algorithm”. In: Institute for Telecommunication Sciences, National Telecommu- Pérdidas: Escenario Urbano - V2V 250 nications and Information Administration, US De- partment of Commerce (2002). 200 [Kar11] Georgios Karagiannis et al. “Vehicular networking: Pérdidas [dB] A survey and tutorial on requirements, architec- 150 tures, challenges, standards and solutions”. In: IEEE communications surveys & tutorials 13.4 (2011), pp. 584–616. 100 [Mei10] Juha Meinila et al. “D5. 3: WINNER+ final channel models”. In: Wireless World Initiative New Radio 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 WINNER (2010). Distancia [km] [Phi13] Caleb Phillips, Douglas Sicker, and Dirk Grunwald. Free-Space Xia-Bertoni WINNER+ ITM “A survey of wireless path loss prediction and cover- age mapping methods”. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials 15.1 (2013), pp. 255–270. Figura 3: Comparación de pérdidas, V2V urbano [Xia92] Howard H Xia and Henry L Bertoni. “Diffraction of cylindrical and plane waves by an array of absorbing A raíz de los resultados obtenidos, se observan pér- half-screens”. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation 40.2 (1992), pp. 170–177. didas similares en los modelos WINNER+, Hata e ITM, mientras Xia-Bertoni presenta un nivel mayor. [Xia97] Howard H Xia. “A simplified analytical model for predicting path loss in urban and suburban environ- Por lo anterior, se debe cuestionar tanto su utilidad ments”. In: IEEE Transactions on Vehicular Tech- en este contexto, como la relación de los parámet- nology 46.4 (1997), pp. 1040–1046. ros utilizados en este modelo con respecto a los otros. En relación con el modelo ITM, es posible observar