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8. LTE. Exposición electromagnética de la tecno-logía LTE.

8.1. Evaluación de la exposición LTE al público gene-

ral

Con la proliferación de los teléfonos inteligentes, correo electrónico e Internet se consideran aplicaciones estándar en un teléfono móvil. En diciembre de 2009, en todo el mundo, el uso de Internet móvil superó el tráfico de voz por primera vez en términos de volumen de datos. Los expertos predicen que el tráfico móvil habrá aumentado a 1,6 millones de gigabits (Gb) por mes en 2014. Este escenario de crecimiento significa que incluso las redes de telefonía móvil más potentes UMTS / HSPA (tecnología alta velo-cidad de acceso mediante paquetes) pronto llegarán a su límite. La introducción de LTE en telefonía móvil ofrece una respuesta a la creciente demanda de los clientes de telefonía móvil y al creciente volumen de tráfico de datos (función exponencial). En términos técnicos, LTE es el sucesor de HSPA. LTE permite aumentar significativa-mente los datos a transmitir, a velocidades de hasta 100 megabits (Mb) por segundo, en combinación con tiempos de latencia muy cortos.

Al igual que sucedió con el lanzamiento de UMTS, LTE requerirá nuevas fre-cuencias. Dos rangos de frecuencias principales se están utilizando actualmente para esto: en primer lugar, el rango en torno a 800��� (790 862���) que ha sido libe-rado por la digitalización de la televisión y que se refiere a veces como ‘el dividendo digital’, y en segundo lugar, el rango de alrededor de 2600��� (2500 2690���).

Estos dos rangos de frecuencia tienen diferentes propiedades físicas que determi-

nan los modos en los que se puede utilizar. El intervalo de 800���, por ejemplo, tiene ciertas propiedades que permiten una excelente propagación. Una estación base LTE activa en esta frecuencia puede cubrir áreas relativamente grandes y facilitar la difusión de cobertura de banda ancha inalámbrica en zonas rurales, entre otras cosas. Cuanto mayor sea el rango de frecuencia en el conjunto del espectro, más limitada es su capa-cidad de propagación. Por esta razón, el rango de 2600��� está pensado para ser utili-zado principalmente en zonas urbanas donde las estaciones base serán cercanas entre sí debido a las altas demandas de capacidad.

Sin embargo, en la práctica, poco se sabe sobre las emisiones reales producidas

por las estaciones base LTE. Hasta la fecha, varios miles de lecturas de emisiones de transmisores GSM y UMTS han sido evaluadas. Éstas han demostrado que las emisio-nes de las redes móviles han alcanzado hasta el momento sólo una fracción de los lími-tes legales, a pesar de la constante densificación de las redes.

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Pero ¿cómo una cobertura total de la red LTE cambiaría los niveles de exposi-ción a los que se somete la población?

El estudio piloto titulado Assessment of general public exposure to LTE trans-

mitters es uno de los primeros estudios científicos básico para evaluar la exposición de los transmisores LTE al público. Se basa en un método de medición desarrollado por IMST (Institute of Mobile and Satellite Communication Technology) cuyo objetivo es permitir mediciones suficientemente precisas de las emisiones LTE. Este procedimiento proporciona estimaciones de la exposición debido a la potencia de salida máxima del transmisor LTE, a pesar del hecho que los volúmenes de datos reales son actualmente todavía muy bajo. Las lecturas de exposición medidas hay que tomarlas con cierta pre-caución, ya que hay pocas redes LTE construidas. Sin embargo, proyectar estas lecturas a los escenarios con el máximo de potencia de salida del transmisor puede proporcionar estimaciones límite suficientemente fiables.

En las infraestructuras LTE que también incorporan transmisores GSM y / o

UMTS, se pueden realizar bases de datos que contengan las emisiones de estas tecnolo-gías debidamente separadas entre ellas (teniendo en cuentas las posibles interferencias). Esto significa que esta base de datos proporcione un cuadro actual concluyente de la exposición global del público a los servicios móviles en funcionamiento hoy.

Los resultados del estudio anterior como el de otros posteriores muestran que las emisiones producidas por transmisores LTE son muy inferiores a los límites legales en todos los puntos de medición. En el 99% de estos puntos, la densidad de potencia as-ciende a menos de un punto porcentual del límite legal. Dependiendo de la situación local en cada punto de medida, es la conexión inalámbrica de la tecnología LTE o la convencional transmisión de la tecnología GSM y UMTS lo que más contribuye a las emisiones globales. En cualquier caso, en el funcionamiento normal, las nuevas redes LTE no se acercarán a los límites legales en cuanto a exposición.

8.2. Beneficios de la tecnología LTE sobre el usuario

Definida por los organismos internacionales de normalización, la tecnología LTE

es una evolución del estándar de tercera generación (3G) de telefonía móvil que es co-nocido universalmente como UMTS (en Europa), y el sistema que evolucionó a partir de éste, HSPA. LTE es considerada a menudo como una tecnología que está a un paso de la cuarta generación de telecomunicaciones móviles (4G), que según el estándar sería LTE Advanced.

Los expertos consideran que la tecnología LTE puede convertirse en el estándar

de telefonía móvil más utilizado del futuro y ofrece una serie de beneficios interesantes:

• Altas tasas en el enlace ascendente y en el enlace descendente. Una de las características sobresaliente de LTE es su conexión d alta velocidad a Inter-

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net. En su etapa inicial de desarrollo, la red LTE debe proporcionar velocidades máximas de descarga de hasta 100��/�, y velocidades máximas de subida de aproximadamente 50��/�.

• Bajos tiempos de latencia. LTE se caracteriza por tiempos de latencia baja.

La ventaja es que las conexiones de los usuarios serán ininterrumpidas, similares al acceso a Internet por cable DSL.

• Transmisión basada en paquetes utilizando el protocolo de Internet

IP. GSM y UMTS se basan en un número de elementos de red, conversiones de protocolo y conversiones de señal, mientras que LTE utiliza el protocolo IP. Es-to significa que los datos se transfieren en paquetes y que el sistema no utiliza etapas intermedias. Este nuevo desarrollo de la red LTE da un alto nivel de se-guridad y calidad. Las llamadas telefónicas, las cuales tienden a ser datos se-cundarios en cuanto a términos de cantidad, también se manejan utilizando la telefonía por Internet (voz sobre IP) en la red LTE.

• Buenas propiedades de movilidad. También LTE ofrece ventajas cuando se trata de movilidad. La red móvil se compone numerosas células. Cuando el usuario se mueve y hay intersecciones entre las células, el traspaso se lleva a ca-bo en el límite de las células. Este traspaso se ha optimizado de varias formas con el fin de hacer que la transición suave de una célula móvil a la siguiente, se reduzca el riesgo de pérdida de conexiones así como afecte lo menos posible a la calidad de la señal, incluso si el usuario mueve a alta velocidad.

• Compatibilidad descendente y fácilmente actualizable. La compatibili-dad descendente de la tecnología LTE, es especialmente atractiva para los usua-rios. Esto significa que muchos de los próximos teléfonos móviles LTE también son capaces de trabajar sin problemas para utilizar normas anteriores de trans-misión, tales como GSM, UMTS y HSPA. Por lo tanto, si no se dispone de LTE donde el usuario está, a continuación, el dispositivo puede automáticamente cambiar a cualquiera de las normas actualmente disponible (incluso si es más lenta). Muchas de las propiedades técnicas probadas y comprobadas de GSM y UMTS también se aplican a LTE tales como, la potencia de transmisión se re-duce al mínimo nivel necesario. Otra de las ventajas de LTE es que la infraes-tructura existente puede ser rápidamente y de manera rentable actualizada por los componentes LTE. Como resultado, el número de emplazamientos existentes capaces de soportar un uso compartido va a ser muy alto, lo que a su vez signi-fica que la construcción de nuevos emplazamientos se reducirá al mínimo.

• Cubrir las últimas áreas restantes sin tecnología DSL. La tecnología LTE pronto debería proporcionar Internet de banda ancha a las zonas rurales usando telecomunicaciones móviles. El intervalo de frecuencia en torno a 800���, conocida como ‘dividendo digital', que ha sido liberado por la digitali-

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zación de la televisión cuenta con unas excelentes características físicas de pro-pagación, especialmente adecuadas para proporcionar el enlace radio para cober-tura de señal de banda ancha en las regiones escasamente pobladas. Esto permi-te a una estación base cubrir áreas relativamente grandes.

8.3. Desarrollos técnicos de la tecnología LTE

LTE hace uso de una serie de innovaciones técnicas con el fin de poder aumen-

tar su rendimiento. Nuevos procesos en el enlace ascendente y descendente. LTE utiliza

una técnica moderna de transmisión del enlace descendente llamada OFDMA. Esta abreviatura significa "acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal’ (‘Orthogonal Frequency Division Multiple Access’). Se permite que el flujo de datos sea simultánea-mente modulado en numerosas bandas de frecuencia estrechas (subportadoras). Estas bandas de frecuencia se pueden conectar y desconectar de acuerdo con la capacidad requerida. Si se produce un fallo, entonces solo afectaría a ciertas sub-bandas, que a continuación pueden ser desactivadas. Esto hace a OFDMA mucho más resistente a los fallos en el proceso de transmisión, en comparación con GSM. OFDMA ya se utiliza para radiodifusión de radio y televisión digitales (radiodifusión de audio digital y Digital Video Broadcasting - Terrestrial).

En el enlace ascendente - es decir, en el lado del usuario – el método de transmi-sión utilizado se llama "Single-Carrier Frequency Division Multiple Access'(SC-FDMA). Una de las principales ventajas de este proceso es que es altamente eficiente, de manera que reduce el consumo de energía. Esto ayuda a que terminales móviles tengan una mayor vida útil de la batería, entre otras cosas.

Un nuevo tipo de tecnología de antena. Otra nueva característica es la

tecnologías de antena múltiple utilizada llamada "múltiple entrada múltiple salida" (MIMO). Se emplean antenas dobles y cuádruples de modo que la señal alcanza el re-ceptor por diferentes vías, un proceso que mejora la calidad y la velocidad de transmi-sión de las conexiones inalámbricas. Mediante la combinación de esta nueva tecnología de antena con los procesos de transmisión innovadores y las técnicas modernas de mo-dulación, el espectro de frecuencia disponible puede ser utilizado más eficientemente que con tecnología 3G existente.

Estructura de red inteligente. Como todas las redes móviles, las redes LTE

tienen una estructura celular. LTE se basa en un interfaz ‘aire’ llamada 'red de acceso radio terrestre universal evolucionado" (E-UTRAN, ‘evolved UMTS terrestrial radio access network’). Este es el medio por el cual se transfieren datos entre la estación base y los dispositivos terminales. Varios procesos nuevos permiten que los datos sean trans-feridos a muy altas velocidades entre el dispositivo terminal y la estación base, que se llama "eNodeB '. Cada estación base está conectada a su vecina, así como a la red de

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núcleo. El núcleo de red se conoce como ‘Evolved Packet Core’ (EPC). En una red LTE, el radio de la célula básicamente se determina por el volumen de tráfico de datos, la frecuencia y el número de usuarios de la de red móvil en el área de cobertura, y pue-de variar desde unos pocos metros (micro célula) hasta distancias mucho más grandes (macro célula). También, LTE permite que la red en sí se organice automáticamente: si una nueva estación base es puesta en marcha, o si la estación se retira por razones téc-nicas, a continuación, se vuelve a configurar las estaciones colindantes y se adapta au-tomáticamente al nuevo escenario. En las redes existentes, este tipo de sistema de ajus-te tiene que hacerse manualmente mediante un planificador de red de telecomunicacio-nes.

8.4. Medidas de exposición y métodos de extrapola-

ción para estaciones base LTE

El método de medida en cada punto más empleado se denomina “ método de

barrido con extrapolación al transmisor para máximo funcionamiento". En este proce-dimiento, la antena de medición se extiende por el volumen de estudio, con el dispositi-vo de trabajo en modo 'max-hold’, que significa que registra las emisiones máximas de medidas en dicho volumen. Según la mayoría de normativas de emisiones, las emisiones deben ser determinadas con el funcionamiento de más alta potencia de salida del transmisor. Debido a que los transmisores de LTE están actualmente siendo utilizados a muy baja capacidad, la medida de los niveles actuales sólo nos da una imagen de la actual situación de emisión, pero no la situación de máxima emisión. Para ello, una de las empresas punteras relacionada con esta temática IMST, desarrolló un método de medición especial que aísla las emisiones globales de los canales de señalización y con-trol que emiten a una potencia constante, independientemente de la carga de tráfico en general. La relación entre la potencia de transmisión de los canales de señalización y control y la máxima potencia de transmisión del transmisor LTE, puede utilizarse de manera fiable para extrapolar el nivel máximo de emisión. Este nivel máximo de emi-sión calculado es un máximo teórico, el cual sólo puede lograrse cuando la estación base está funcionando a plena capacidad.

8.5. Otras consideraciones importantes

• Comportamiento de la propagación cerca de las antenas

Cercanía no significa necesariamente altas emisiones. A menudo, la ma-sa social mira con escepticismo y preocupación hacia las antenas de telefonía móvil cer-canas a sus viviendas. La gente suele tener miedo de lo cercano que están de la estación base.

Existen varios estudios que examinan el comportamiento de la propagación de

los campos de telecomunicaciones móviles producidos por transmisores LTE. Un ejem-

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plo muy importante fue el test realizado por el gobierno alemán, en Mönchengladbach, haciendo una serie de mediciones de un transmisor LTE de 800��� montado a una altura de 30�. Los puntos de medida se encuentran a 27�226� de distancia de la antena transmisora. El siguiente diagrama muestra claramente que las lecturas tomadas de las emisiones en los puntos de medición varían en proporción a su distancia a la an-tena. Los ingenieros encontraron que el nivel más bajo de emisión - sólo 0,001% del límite de la densidad de potencia –se dio en el punto más próximo a la antena. En el punto de medida a 173� de la antena, sin embargo, el nivel de emisión es mucho más alto llegando a 0,130% del límite. Otras evaluaciones realizadas por distintos grupos revelan curvas de emisión similares. Estos resultados demuestran que la distancia a un transmisor LTE no representa un criterio útil para la estimación de los niveles de emi-sión. La siguiente figura muestra que las medidas tomadas cerca de la antena fueron inferiores a las de mayor distancia.

Figura 20. Propagación de los campos electromagnéticos a alta frecuencia en el emplazamiento LTE del test IMST.

• Patrones de emisión y factor de altura

Las diferencias de altura y la orientación del transmisor son claves.

Las redes móviles están configuradas de tal forma que permitan proporcionar calidad de señal en todas partes. Aunque cuando se examina más de cerca, de hecho, hay im-portantes variaciones locales en niveles de emisión. La razón de esto es que las antenas de redes móviles producen campos electromagnéticos muy direccionales. Además del lóbulo principal, por razones técnicas, también hay lóbulos secundarios - éstos transpor-tan mucha más energía que el lóbulo principal. En términos generales, los patrones de radiación hacia abajo se llaman "down-tilt”. La intensidad de la emisión depende en gran medida de si el punto de medida se encuentra dentro o fuera del lóbulo principal de la estación base. Si realizamos un test de medidas en una zona urbana con un transmisor en una azotea, podremos observar, normalmente, que el nivel de emisión va

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a disminuir conforme los puntos de medida van descendiendo de altura en los edificios colindantes. Además, se puede afirmar que el nivel de emisión en la planta del edificio debajo de la estación base transmisora es menor que en edificios cercanos, ya que la antena transmisora apunta hacia la calle.

En definitiva, las emisiones en un determinado lugar dependen no sólo de la dis-

tancia, sino también en gran medida del patrón de radiación de la antena y la altura a la que está montada. Las emisiones, por consiguiente, pueden varían mucho entre dife-rentes puntos que están a la misma distancia del transmisor pero a diferentes alturas.

Figura 21. Diagrama de radiación típico en antenas sobre edificios.

8.6. Asentamiento a nivel de exposición de la tecnolo-

gía LTE con las diferentes tecnologías de redes

móviles

Los campos LTE, UMTS y GSM se comportan de manera similar. Una parte

clave del estudio de la evaluación de la exposición al público de los transmisores LTE es examinar las diferentes redes móviles que prestan servicios y su relación con LTE. Aunque las tecnologías difieran en la manera que transmiten la información, el modo en que sus ondas se propagan es similar, aunque se debe tener en cuenta las diferentes atenuaciones para las diferentes bandas de frecuencia.

En una comparación estadística, realizada por el IMST, de las localizaciones en las cuales sistemas LTE operan junto a otros servicios de red móvil, la situación en el emplazamiento determina cuáles de estos servicios de redes móviles dominan en térmi-nos de emisiones. Una comparación en términos de los límites legales de emisión mues-tra que en la mayoría de los puntos de medidas examinados, las emisiones de los transmisores de LTE son más bajos que los de transmisores UMTS y/o GSM. Se debe

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por supuesto tener en cuenta que las redes LTE están actualmente todavía en la fase de crecimiento. Sin embargo, los resultados del estudio nos dicen que incluso una cobertu-ra total de estas redes LTE, las emisiones de los transmisores de LTE no difieren sus-tancialmente de las de los transmisores GSM y UMTS.

Figura 22. Relación entre emisiones GSM/UMTS y LTE en el primer estudio piloto de exposición LTE (realizo por IMST).

8.7. Primer escenario de exposición LTE

En el artículo Assessment of General Public Exposure to LTE and RF Sources

Present in an Urban Environment [67], se evalúa por primera vez la exposición in situ de campos electromagnéticos hacia el público general debido a estaciones base LTE. Las contribuciones de exposición debidas a diferentes radiofrecuencias (RF) se compa-ran con las fuentes de exposición LTE en 30 sedes de Estocolmo, Suecia.

Las exposiciones totales (de 0,2 a 2,6�/�) satisfacen los niveles de referencia

ICNIRP (de 28�/� en frecuencia modulada (FM), hasta 61�/� para LTE) en todos los emplazamientos. Los niveles de exposición LTE fueron de hasta 0,8�/�, y la con-tribución promedio de la señal LTE con respecto a la exposición RF total es igual al 4%.

En diciembre de 2009, la primera publicación sobre exposición LTE se inició en

Estocolmo, Suecia. Procedimientos para medidas de exposición de estaciones base GSM y UMTS han sido desarrollados, así como para tecnologías WIMAX y WIFI. El propó-sito de este estudio era proporcionar una gama de valores típicos de exposición LTE, comparado con la contribución de otras fuentes, y verificar el cumplimiento de las di-rectrices (ICNRIP) para la exposición del público en general.

Una red comercial LTE se desplegó en un entorno urbano de Estocolmo. Dos

canales LTE presentes: a la frecuencia de 2660��� con un canal de ancho de banda de 10��� y a la frecuencia de 2630��� con un ancho de banda de canal de 20���. Las medidas de campos electromagnéticos de radiofrecuencia se llevaron a cabo en la banda

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80��� 6��� en 30 diferentes lugares con un analizador de espectro de banda estre-cha. Con el fin de comparar la exposición de estaciones base de diferentes fuentes, es-tas medidas se realizaron en lugares seleccionados al azar a lo largo de Estocolmo, 27 lugares al aire libre y 3 de interior.

La tabla siguiente muestra la variación de la intensidad del campo eléctrico (�/�) para las señales de RF presentes en los 30 lugares seleccionados al azar, la inten-sidad media del campo eléctrico (����), la exposición (definida como la relación entre el máximo valor de campo medido de la señal considerada en las 30 situaciones y el nivel de referencia ICNIRP correspondiente para campos eléctricos, por lo que proporciones más pequeñas que 1 satisfacen las normas ICNIRP), y el promedio (���) y la máxima (���) contribución de la densidad de potencia de cada señal con respecto al valor de densidad de potencia total (en%) como se define a continuación, con ! ���ó���,

! #$%&,…,() *+,-./01,-+232,- 4·100[%]

donde #5. . . 7 representa una función donde 89$:;<=,$ (>/�?) es la densidad de potencia de una señal de RF (por ejemplo, FM, GSM, LTE, etc.) en una localización i (@ ! 1, . . . , 30), y 8ABA,$ es la densidad de potencia total para todas las señales en el lugar de medida i.

Tabla 28. Intensidad de campo eléctrico LTE y diferentes señales RF en diferentes localizaciones, el ratio de exposición y la contribuciones de densidad de potencia ��� y ���.

Todos los valores de medida de campo eléctrico en Estocolmo satisfacen las

normas ICNIRP. El valor máximo de campo total es igual a 2,6�/�; ésta es 17 veces menor que en las normas ICNIRP. La relación de exposición varía entre 0,002 y 0,051 para las diferentes señales de radiofrecuencia (20-500 veces por debajo de las normas ICNIRP para campos eléctricos). El promedio de los valores totales para todas las ubi-

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caciones es igual a 1,11�/�. El valor de campo eléctrico más alto se midió para la se-ñal GSM900 (2,1�/�). El valor más alto para ���� se debe también a la señal GSM900 y es igual a 0,7�/�. El valor máximo medido de la señal LTE es 0,8�/� (alrededor de 80 veces por debajo de los niveles de referencia ICNIRP para campos eléctricos).

La figura siguiente muestra la contribución de la densidad de potencia cada se-

ñal (%) en los diferentes lugares de medida. En todas las posiciones (excepto la locali-zación 6, que se encontraba en las proximidades de un transmisor de radiodifusión, aquí FM y DVB-T dominantes), la contribución se debe principalmente a GSM y HSPA debido a que estas tecnologías se utilizan sobre todo en la actualidad en entornos urba-nos. La señal LTE se midió en todos los puntos de medida, excepto en una posición indoor (posición 23), donde el nivel de señal LTE estaba por debajo de la sensibilidad del equipo de medida. La contribución media de la señal LTE fue de 4,1% y la contri-bución máxima fue del 23,2%.

Figura 23. Contribución de LTE y diferentes señales de exposición RF en entornos ur-banos como Estocolmo. [67]

En general, se puede concluir que la exposición a RF en Estocolmo durante el

estudio estaba dominada por la tecnología GSM y UMTS HSPA. LTE estaba presente en toda la ciudad de Estocolmo, pero su contribución a la exposición total era aproxi-madamente del 4% en promedio.