Sistema MC-CDMA para ComunicacionesAeronauticas en la Banda VHF COM

Javier Lopez Perez1, Hector Santana Sosa1, Milos Jakovjlevic2,Santiago Zazo Bello2, Ivan Alejandro Perez Alvarez1

1Departamento de Senales y Comunicaciones. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria2Departamento de Senales, Sistemas y Radiocomunicaciones. ETSI Telecomunicacion. Universidad Politecnica de Madrid

1e-mail: {javivi,hector,ivan}@gic.dsc.ulpgc.es 2e-mail: {santiago,milos}@gaps.ssr.upm.es

Abstract— The aeronautical voice and data link communica-tions occupy a band of their own, the VHF COM band, from 118to 137 MHz. Due to the increase in the air traffic, in some sectorsthis band will soon run out of free channels. A need has arisenfor a new communication system that, while suppling all thefunctionality of the present one, allows for a more efficient use ofthe available spectrum. The Broadband-VHF (B-VHF) project iscurrently one of the systems under study. Using the Multi-CarrierCode Division Multiple Access (MC-CDMA) technology, it canbe deploy concurrently with the current system in the same VHFCOM band as an overlay system by exploiting parts of the bandthat are unused. To increase the available bandwidth in the VHFCOM band for the B-VHF system, a Frequency Hopping (FH)technique can be used on the already used channels, thus turningthe B-VHF signal on an interferer for those channels. With anadequate FH pattern, the impact on both the receiver equipmentand the subjective interference on current voice communicationscan be negligible.

I. INTRODUCCION

El entorno aeronautico dispone de una banda de comuni-caciones dedicada en VHF, la banda VHF COM, que cubreel rango de 118 a 137 MHz. Debido a la buena relacionentre cobertura, potencia requerida para transmitir, buenainfraestructura y costes de equipos aceptables, esta banda esextremadamente atractiva tanto para las lıneas aereas comopara los proveedores de servicio de trafico aereo (ATS).

Los controladores responsables de las tareas de seguridadusan comunicaciones de radiotelefonıa (R/T) mediante siste-mas de AM DBL, los cuales empezaron a emplearse hacevarias decadas, y aun hoy siguen en uso. Puesto que lossectores de control de trafico aereo (ATC) necesitan de unaalta disponibilidad en las comunicaciones vocales entre tierray aire, la mayor parte de la banda VHF COM esta reservadapara ATC. En general, los estudios llevados a cabo en refe-rencia al futuro de la gestion del trafico aereo (ATM) siguenconsiderando las comunicaciones vocales como la forma masapropiada de llevar a cabo las tareas tacticas ATC [1] [2].

En la actualidad ha aumentado la demanda de aplicacionesde comunicaciones distintas de ATC, todas ellas teniendoque coexistir en la misma banda VHF COM. Partes de estabanda se dedican a tareas de control operacional de las lıneasaereas (AOC) y comunicaciones de enlace de datos (ACARS),ademas de los canales reservados para la introduccion de losenlaces digitales VHF (VDL), en sus modos 2, 3 y 4 [2][3].

Si se mantiene la premisa de que cada sector debe usarsus canales VHF dedicados y se considera el incremento enel trafico aereo futuro, sera necesaria la apertura de nuevossectores ATC, y por lo tanto debera asignarse nuevos canalesR/T dedicados para los servicios de voz. La consecuencia deeste conservador desarrollo es que en ciertas zonas del mundoahora mismo es muy difıcil, o incluso imposible, conseguircanales VHF libres. Parte del problema se ha aliviado acorto plazo gracias a la implantacion de los sistemas R/T de8,33 KHz. Puesto que este sistema tambien funciona bajo elconcepto tradicional de ATM centrado en ATC, se espera quese acaben los recursos espectrales aproximadamente hacia elano 2010 [1].

Si no se consensua una solucion para las comunicacionesATM de voz y datos, solucion que cuente con la suficientecapacidad como para cubrir el crecimiento esperado en eltrafico aereo mas alla del 2010, el crecimiento del traficoaereo europeo debera mantenerse limitado, debido a la faltade recursos de comunicacion.

Entre los sistemas que en la actualidad se encuentran en in-vestigacion para intentar solventar los problemas de comunica-cion, ası como para integrar todos los subsistemas ATM, tantoen tierra como en el aire, se encuentra el sistema Broadband-VHF (B-VHF) [4], algunas de cuyas investigaciones inicialesse introducen en el presente artıculo.

II. DESCRIPCION DEL SISTEMA B-VHF

El sistema B-VHF propone el uso de la tecnologıa Multi-Carrier Code Division Multiple Access (MC-CDMA) [5] paraimplementar un enlace en la banda VHF puramente digital, yque incluya todas las comunicaciones de la banda aeronauticaactuales, tanto vocales como de datos.

La tecnologıa MC-CDMA a su vez esta basada en Orthogo-nal Frequency Division Multiplexing (OFDM) [5]. Mediantela tecnica OFDM, en vez de utilizar una sola portadora paratransmitir una senal de un ancho de banda B, se utiliza unconjunto de portadoras individuales, cada una de ellas con unancho de banda Bs. Estas portadoras son ortogonales entresı, y por lo tanto no causan interferencias entre portadoras(ICI). Esto presenta la ventaja de que en entornos con canalescon desvanecimiento selectivo, como es el entorno VHF, cadauna de las portadoras puede considerarse como plana, lo cualayuda a la ecualizacion de la senal recibida. Las portadoras no

Fig. 1. Ejemplo de portadoras individuales de una senal OFDM.

tienen por que ser moduladas individualmente, sino que pue-den modularse de forma conjunta al aplicar una transformacioninversa de Fourier, mediante un algoritmo rapido (IFFT) [6]. Elespectro resultante es muy compacto y se degrada rapidamenteen los bordes. La Fig. 1 muestra la composicion de una senalOFDM tıpica, en la que se observa como la frecuencia decada portadora coincide con los nulos de los lobulos lateralesde todas las demas portadoras.

Mientras en una transmision OFDM cada sımbolo de datosse transmite en una portadora individual, uno de dichos sımbo-los en una transmision MC-CDMA se distribuye a lo largo devarias portadoras. Para evitar la reduccion en la tasa de datosque esto podrıa causar, se distribuyen varios sımbolos en unmismo grupo de portadoras. Se consigue evitar la interferenciaentre estos sımbolos de datos al aplicar una secuencia dedispersion ortogonal a cada uno de ellos. Al final del procesose tiene la misma tasa de datos que la que puede ofrecer latecnica OFDM subyacente por sı sola.

La ventaja de la tecnica MC-CDMA frente a la OFDMestandar se consigue sobre todo en presencia de canales condesvanecimiento selectivo. Si en un sistema OFDM una porta-dora se desvanece por completo, la informacion contenida enesta portadora no se puede recuperar en recepcion. Por contra,en un sistema MC-CDMA al distribuirse la informacion entrevarias portadoras, si una de estas, perteneciente a un grupo dedispersion, se desvanece, aun puede ser posible recuperar lainformacion transmitida.

III. VENTAJAS DEL USO DE MC-CDMA

Tradicionalmente la implantacion de cualquier tecnologıanueva en el entorno de comunicaciones aeronauticas repre-senta un reto importante, por la necesidad de asegurarse lacoexistencia de la nueva tecnologıa con los sistemas existentesdurante un periodo de tiempo relativamente extenso. Tambienhay que tener en cuenta la capacidad de la nueva tecnologıa deutilizar el ancho de banda disponible en la banda VHF COMactual, o si por contra debe disponer de un ancho de bandacontiguo lo suficientemente grande como para requerir de laadjudicacion de nuevas bandas.

Fig. 2. Procedimiento de intercalado de B-VHF en banda VHF COM

La tecnologıa MC-CDMA presenta la capacidad de permitirsu implantacion en la banda VHF COM directamente, yde coexistir con los sistemas actuales durante el tiempo detransicion de estos a un entorno puramente B-VHF. Esto sedebe a la posibilidad de funcionar con un ancho de bandarepartido en un espectro no contiguo, ya que es posibledejar portadoras MC-CDMA sin ocupar, de modo que nose interfiera ası a las emisiones actuales. De esta manera sepermite la implantacion del sistema B-VHF como un sistemaintercalado en el sistema de comunicaciones actual, tal y comose ejemplifica en la Fig. 2. Con esto se consigue aumentarla capacidad de comunicacion dentro del espectro VHF COMexistente sin requerir de nuevos recursos espectrales ni interfe-rir a los sistemas actualmente en uso, tanto por el uso del anchode banda ya disponible, como por el mejor aprovechamientodel mismo. Con el tiempo, segun se vaya retirando los sistemasactuales y haya un ancho de banda mayor disponible para elsistema B-VHF, la eficiencia espectral sera mayor, y por tantola capacidad de comunicacion en la banda.

IV. MEDICIONES DE LA BANDA VHF COM

Para conocer la disponibilidad de ancho de banda sinocupar, el proyecto B-VHF ha llevado a cabo una serie demedidas de la ocupacion del espectro, tanto en tierra como envuelo [7]. Estas medidas cubren el ancho de banda completode la banda aeronautica de comunicaciones, desde 118 hasta137 MHz. Cada canal de 25 KHz en los que se encuentrasubdividida la banda se ha medido de forma independientemediante un analizador de espectros, capaz de obtener dosmedidas por segundo de cada uno de los 760 canales presentes.Este analizador es capaz de medir senales de hasta -100 dBmcon una resolucion de 3 dB.

A la hora de estudiar los resultados de las medidas de cara aconocer la ocupacion de la banda VHF COM, todos los canalesmedidos se han tenido en cuenta, sin hacer diferencias entreel tipo de senal que contienen, ya sea voz, tanto de 25 KHzcomo de 8,33 KHz, como ACARS o los modos VDL.

Un aspecto importante de las mediciones realizadas es quees muy improbable que hayan conseguido capturar el peor casoen cuanto a uso de la banda, a pesar de haberse realizado enentornos con una alta densidad de vuelos.

El objetivo de estos vuelos es doble; por un lado obtenerinformacion suficiente para realizar la implementacion y va-lidacion de un simulador de interferencias estadıstico [8], ypor otro tener una vision de lo que puede considerarse unasituacion tıpica de ocupacion en la banda.

Fig. 3. Disponibilidad de canales a lo largo de cuatro segmentos.

Las conclusiones mas destacadas que se han extraıdo dedichas mediciones son [9]:

La disponibilidad de canales decrece al aumentar laaltitud, debido al aumento en la distancia de horizonte.La disponibilidad de canales en cualquiera de las medidassiempre es igual o superior al 40 % de los 760 canalespresentes.Si se considera la disponibilidad de un mismo canal alo largo de segmentos de vuelos de entre 20 y 60 millasnauticas, se obtiene una disponibilidad continua del 37,33 y 28 % si se considera a lo largo de dos, tres y cuatrosegmentos, respectivamente.

La Fig. 3 muestra esta evolucion para distintos valores deumbral de separacion al considerar un canal como libre uocupado. Los valores mencionados se han tomado como elpeor caso considerado, es decir, con el umbral mas bajo, en-90 dBm.

El ultimo de los puntos anteriormente mencionados esde importancia para conocer como de dinamica debe ser laasignacion de canales en el sistema B-VHF, de forma queno se produzcan interferencias en los canales basados en elsistema actual al moverse el avion a lo largo de su ruta devuelo.

V. USO DE FH EN LA SENAL MC-CDMA

En la seccion anterior se indico que las mediciones realiza-das indican una disponibilidad de aproximadamente un 40 %de la banda. Pero tambien se dejo claro que esta situacionno corresponde con el peor caso que se pueda encontrar, sinocon una situacion tıpica. Es decir, es de esperar que en ciertossectores ATC este valor sea substancialmente inferior. Y, dadoel continuo aumento en la demanda de trafico aereo, estasituacion sera cada vez peor, con cada vez menos canaleslibres disponibles para el sistema actual en el momento desu introduccion.

Es importante asegurar la disponibilidad de canales suficien-tes para el sistema B-VHF durante el periodo de transiciondel sistema actual a aquel. Se conseguira con esto disponerdel ancho de banda suficiente no solo para la comunicacionvocal, sino para el resto de servicios que se desean prestar,tales como AOC.

Una propuesta actualmente en estudio en el proyecto esel uso de Frequency Hopping (FH) [10] sobre OFDM. Estatecnica se basa en la premisa de relajar los requisitos de nointerferencia entre el sistema B-VHF y el actual, de formaque se permita cierto grado de interferencia sobre el mismo.Para ello, el sistema B-VHF utilizarıa no solo los canalesdisponibles en el sector en el que se encuentre, sino tambienlos ya utilizados en el sistema actual, siguiendo un patron deFH adecuado en la utilizacion de estos canales.

Puesto que las comunicaciones vocales ATC son un serviciocrıtico, cualquier degradacion en la calidad de la voz reci-bira una fuerte oposicion en el ambiente aeronautico, maximeteniendo en cuenta que se trata de un entorno altamenteconservador. Por este motivo, la eleccion de un patron tiempo-frecuencia para FH que permita mantener un nivel despreciablede degradacion es crıtica.

La eleccion del patron adecuado presenta la dificultad adi-cional de que, al implementarse principalmente sobre senalesvocales, la degradacion es un tema subjetivo. Se hace necesariola realizacion de pruebas que permitan verificar que el ruidointroducido puede ser considerado aceptable por los implica-dos en la comunicacion, es decir, los controladores aereos y lospilotos de las aeronaves. El mayor problema al que este tipo depruebas subjetivas se enfrentan es la forma de cuantificacion.

Por otra parte, independientemente del efecto que la senalinterferente tenga sobre la senal vocal, es necesario estudiar elefecto sobre los propios equipos. Hay que tener en cuenta queel efecto neto de la interferencia sera aumentar el nivel de rui-do que llegara a un receptor dado. Puesto que la comunicacionvocal se lleva a cabo mediante una monitorizacion constantedel canal, este aumento del ruido puede significar tener querecalibrar el punto en el que el control de squelch entrara enaccion, es decir, el nivel mınimo en el que se activara elreceptor al considerar que existe una senal presente en el canal.Por un lado, existe un efecto negativo sobre la sensibilidad delos equipos, ya que podrıa ser necesario subir el nivel en quedeben activarse, y por lo tanto no ser capaces de monitorizarsenales vocales debiles. Por otro lado se puede tener tambienun impacto negativo en los usuarios del canal, ya que susreceptores pueden llegar a activarse por culpa de la senalinterferente sin que exista una comunicacion real presente.En general, debido a la naturaleza de la senal OFDM, unasenal MC-CDMA se presenta como una interferencia de ruidoblanco.

Hasta el momento se ha llevado a cabo pruebas utilizandouna ocupacion de los canales de voz del 10 % de la parrillatiempo-frecuencia, lo que permite por tanto aumentar la dis-ponibilidad de ancho de banda para el sistema MC-CDMAen una cantidad equivalente al 10 % de los canales de vozpresentes. Puesto que se espera un significativo aumento en eluso de estos canales, esta tecnica permitira aumentar el anchode banda global disponible para el sistema MC-CDMA deforma importante. En concreto se ha estudiado las situacionessiguientes:

Interferencia sobre todos los canales, durante un 10 %del tiempo.

Interferencia del 10 % de la parrilla siguiendo una se-cuencia de Costas [10].Interferencia del 10 % de la parrilla siguiendo un patronaleatorio.

Las conclusiones preliminares indican que existe una di-ferencia real en la forma en como suenan a un oyente lastres formas de interferencia. Pero la cuantificacion subjetivafinal debe realizarse mediante los indicados test a personalimplicado en la comunicacion aeronautica.

VI. CONCLUSIONES

Debido a la saturacion actual de la banda VHF COM, si sedesea mantener el crecimiento del trafico aereo, es necesarioadoptar un sistema que sustituya al actual, el cual hace unuso ineficiente del espectro electromagnetico asignado. Estenuevo sistema debera permitir englobar la funcionalidad detodos los tipos de servicios actualmente en uso, o aprobadospara implementacion, con una eficiencia espectral mayor, demodo que permita continuar con el crecimiento del traficoaereo mas alla de la barrera prevista del ano 2015.

Debido a la imposibilidad de cambiar del actual sistema decomunicaciones a otro de forma instantanea, el nuevo sistemaque se desarrolle debera coexistir con los sistemas actualesdurante un largo periodo de tiempo. Para ello, o bien debera sercapaz de compartir la banda VHF COM usando los canalesque se encuentren libres, o bien necesitara de la asignacion deuna nueva banda.

Entre los sistemas bajo estudio en la actualidad, se encuentrael sistema B-VHF, que haciendo uso de la tecnologıa MC-CDMA espera poder cumplir con los requisitos que debetener un sistema nuevo que desee sustituir al actual sistemade comunicaciones, con la ventaja de que en principio puedeser utilizado en la misma banda VHF COM, sin necesidadde disponer de una banda propia asignada. Para ello puedehacer uso de intercalado en frecuencia, es decir, utilizar loscanales que no se encuentren utilizados en un sector, y anularlas portadoras que correspondan a canales en uso.

La viabilidad de la tecnica de intercalado vendra dada porel ancho de banda libre disponible. Medidas reales, tantoen tierra como durante vuelos dedicados, indican que en unsector tıpico, la ocupacion media es de un 60 %, disponiendosepor tanto de aproximadamente un 40 % de la banda paraimplementar el nuevo sistema.

Una forma de aumentar el ancho de banda disponible esrelajar los requisitos de interferencia a los canales actualmenteen uso. Es posible utilizar tecnicas de FH que utilicen estoscanales ocupados para uso del nuevo sistema. Se ha realizadopruebas utilizando una ocupacion del 10 % de la parrillatiempo frecuencia sobre los sistemas vocales. Se ha probadocon tres patrones distintos: una ocupacion de todos los canalesdurante el 10 % del tiempo, una ocupacion del 10 % de laparrilla utilizando una secuencia de Costas, y una ocupacionsimilar utilizando un patron aleatorio.

Para comprobar la viabilidad de esta tecnica de FH, sera ne-cesario realizar tanto pruebas de efectos sobre la sensibilidady squelch de los receptores actuales, como test subjetivos

de audicion al personal implicado en las comunicacionesaeronauticas.

Los resultados finales de este y otros estudios que se estanllevando a cabo en el marco del proyecto B-VHF, estarandisponibles a mediados del ano 2006, cuando dicho proyectofinalice y sus conclusiones se hagan publicas.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido financiado por la Comision Europeadentro del Sexto Programa Marco con referencia AST3-CT-2003-502910.

REFERENCIAS

[1] EATM, Operating Concept of the Mobile Aviation CommunicationInfraestructure Supporting ATM beyond 2015, 2002.

[2] ICAO AMCP/7-WP/81, General System Requirements (Voice and DataLink).

[3] ICAO AMCP/8-WP/44, Progress of the VDL Sub Band Implementationin Europe, 2003.

[4] Pagina web del Consorcio B-VHF, http://www.b-vhf.org (mayo de 2005).[5] L. Hanzo, M. Munster, B.J. Choi and T. Keller, OFDM and MC-CDMA

for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting,Chichester, England: John Wiley & Sons, 2003.

[6] S.B. Weinstein and P.M. Ebert, Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing using the Discrete Fourier Transform, IEEETransactions on Communications 19(5), pg. 628-634, 1971.

[7] B-VHF Project, Deliverable D12, Report on VHF Channel OccupancyMeasurements, Rev. 1.0, 2005.

[8] B-VHF Project, Deliverable D14, Report on Software Implementationof Interference Model, Rev. 1.0, 2005.

[9] B-VHF Project, Internal Report IR-20, Visualisation of the StationaryArea for WP2.2, Rev. 01, 2005.

[10] 3GPP R1-030799, Time Frequency Mappings of OFDM Units for FullFrequency Reuse without Resource Planning, New York, USA, 2003.