Resumen
Dentro del avance tecnológico que se ha experimentado en las últimas décadas, uno de los logros más importantes y de más impacto en el ámbito social y empresarial es las comunicaciones inalámbricas, y dentro de ellas los sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output). En el presente trabajo se hace un estudio de los aspectos fundamentales del canal MIMO, analizando sus características, capacidad y criterios de diseño.
I Situación Problémica
Hoy día las comunicaciones inalámbricas no sólo se restringen a la transmisión de voz, sino que incluyen la transmisión de datos y servicios multimedia, lo que implica un necesario aumento en la capacidad y ancho de banda de los sistemas. Por otro lado, el espectro radioeléctrico es limitado, lo que hace de este un recurso muy valorado y es necesario hacer un uso eficiente del mismo. Los sistemas MIMO surgen como una propuesta a considerar en el mejoramiento de los inconvenientes de la transmisión inalámbrica.
II Problema
Estudio del canal de transmisión inalámbrica en los sistemas MIMO
III Objeto de estudio
El canal de transmisión inalámbrica
IV Campo de acción
El estudio de los sistemas MIMO como solución a los requerimientos de ancho de banda para brindar nuevos servicios con una calidad adecuada.
V Objetivos
S propone en el presente trabajo desarrollar un grupo de aspectos teóricos referente a los sistemas MIMO a través de los cuales se puedan manifestar las ventajas de la introducción de la dimensión espacial en el empeño de aumentar las velocidades de transmisión o lo que es igual, el aumento de la capacidad y la confiabilidad en los enlaces inalámbricos, planteándose los siguientes objetivos:
• Realizar una caracterización del canal MIMO para sistemas inalámbricos.
• Realizar un análisis de la capacidad para el canal MIMO en ambiente inalámbrico.
• Realizar un estudio de los métodos de codificación y procesamiento espacio- temporales.
Capítulo 1.
Caracterización del canal MIMO para sistemas inalámbricos.
1.01 Introducción.
Desde los albores de la humanidad el hombre necesitó comunicarse, y lo hizo de disímiles maneras: al principio utilizó medios muy rudimentarios que fue perfeccionando de acuerdo a sus necesidades. En nuestros días, precisamos de medios de comunicación cada vez más veloces y que brinden movilidad a los usuarios, y en este sentido las comunicaciones inalámbricas han jugado un papel primordial.
Desde que en 1860, en Inglaterra, James C. Maxwell postuló su teoría sobre las ondas electromagnéticas, demostrada por Heinrich Rudolf Hertz en 1880, el crecimiento de esta tecnología ha sido exponencial. Así, con la invención del telégrafo inalámbrico por Guglielmo Marconi, el camino estaba listo para el desarrollo de la tecnología inalámbrica.
En 1905, Reginaldo Fessenden llevó a cabo la primera transmisión de voz y música a través de dos enlaces inalámbricos. Esta sería la pauta para que, en 1921, el Departamento de Policía de Detroit en Estados Unidos comenzara a dirigir sus maniobras militares utilizando radios móviles. En 1946 comenzó la comercialización de los primeros sistemas de teléfonos móviles operados por el sistema norteamericano Bell. Cinco años más tarde, se desarrollan los teléfonos y enlaces por microondas y, para 1970, más de 100 millones de vehículos utilizaban teléfonos móviles.
La era celular se inició en 1980 con la distribución de teléfonos celulares analógicos por todo el mundo. Debido a la necesidad de aumentar la capacidad, disminuir el costo y mejorar la eficiencia de los antiguos servicios analógicos, surgió la segunda generación de teléfonos celulares, desarrollada a partir de 1990, sobre la base de las comunicaciones digitales. [1] [2]
Hoy, las comunicaciones inalámbricas permiten el uso de múltiples aplicaciones: acceso a Internet, transferencia de información, mensajes de voz, videoconferencias, conexión de redes, sistemas satelitales, entretenimiento, entre otras. Las áreas de cobertura para este tipo de enlaces son cada vez más amplias y en este sentido los sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas MIMO (Multiple Input Multiple Output) juegan un papel fundamental.
El uso de tecnologías inalámbricas dentro del contexto de las generaciones de sistemas de comunicaciones de banda ancha y muy ancha, tiene ante sí innumerables retos para conseguir diseños estructurales robustos, dado que el entorno de radio resulta significativamente adverso y las señales pueden experimentar rápidos desvanecimientos que imposibilitan la realización de transmisiones digitales confiables.
Constituyen retos importantes combatir los efectos de los canales de radio, tales como, pérdidas de propagación, el comportamiento de canales selectivos en frecuencia y los efectos de la propagación multitrayecto que deterioran significativamente las transmisiones digitales. En este contexto es necesario el uso de técnicas avanzadas de transmisión para alcanzar todos estos requerimientos y sobreponerse a las principales dificultades.
Las técnicas de diversidad han sido extensivamente estudiadas con la finalidad de lograr los retos ya señalados. Estas son técnicas que suelen introducir redundancia tanto en transmisión como en la recepción. De particular interés resulta el término de diversidad espacial o diversidad de antenas (diversidad de antena en recepción y en transmisión), que posibilita contrarrestar los efectos negativos de los desvanecimientos propios de los canales de radio. Es esta una tecnología de elevados costos pero que puede introducir significativas mejoras en los sistemas de radio sin expansión en el ancho de banda.
La utilización de los sistemas MIMO es una de las tecnologías emergentes destinadas a lograr los retos planteados y será el centro de la atención en los desarrollos que se presentan en los capítulos siguientes. Los sistemas MIMO considerados en la actualidad como una de las áreas de investigación más prometedoras en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas.
Los canales MIMO son capaces de ofrecer una significativa ganancia de capacidad sobre los canales tradicionales SISO (Single Input Single Output) por lo que figuran de forma prominente en las listas de tecnologías que tienen la posibilidad de resolver los problemas en la capacidad de tráfico de las redes de acceso inalámbrico de banda ancha. [3]
1.02 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) en sistemas inalámbricos
OFDM es conocida como una técnica de modulación o una técnica de multiplexación. Las razones principales para el uso de OFDM son aumentar la robustez contra la dispersión producida por el efecto de multitrayectorias, el desvanecimiento selectivo de frecuencias o interferencia de banda estrecha.
En los sistemas con una sola portadora, cuando ocurre una interferencia, se puede provocar el fallo total del sistema; pero en los sistemas de múltiples portadoras solo un pequeño porcentaje de estas será dañado y por tanto una pequeña parte del sistema. Los sistemas correctores de errores podrán ser utilizados, en este caso, para eliminar los pocos errores presentes en el sistema en correspondencia con el porcentaje de portadoras dañadas.
La técnica OFDM consiste en la transmisión en paralelo de señales digitales dentro de una banda ancha de muchas portadoras ortogonales, cada una de ellas moduladas con parte de la información de la señal original. Las informaciones de estas multiportadoras individuales están solapadas entre sí. Al convertir n bits de serie a paralelo y transmitirlos de forma simultánea, sobre n portadoras ortogonales, solamente una cantidad pequeña del dato se lleva en cada portadora y dada esta disminución del bit rate por portadora (no el bit rate total), la interferencia entre símbolos disminuye considerablemente.
La palabra ortogonal indica la existencia de una relación matemática entre las diferentes frecuencias correspondientes a cada subportadora del sistema. En un sistema de multiplexación tradicional de frecuencias, las subportadoras están espaciadas espectralmente de forma tal que puedan ser recibidas usando filtros y demoduladores convencionales. Además se introducen bandas de guardas entre los subcanales, en el dominio de la frecuencia, lo que provoca una disminución de la eficiencia espectral del sistema.
Sin embargo, en OFDM se organizan las subportadoras de forma tal que sus bandas laterales estén solapadas con las adyacentes, sin interferencia entre ellas. Para que esto ocurra, las subportadoras deben ser ortogonales y el espaciamiento mínimo entre ellas debe ser múltiplo de 1/ T. (T: período de la señal). De esta manera es posible incrementar la eficiencia espectral sin tener interferencia entre los canales. Pese a ello, en implementaciones reales existe una pequeña interferencia que provoca que se pierda mínimamente la ortogonalidad.
Otra ventaja de OFDM, es la capacidad para gestionar los diferentes retardos que se producen en señales que padecen multitrayecto. En un radio canal estos efectos se traducen en la no respuesta plana del canal y en la aparición de lóbulos nulos de señal que normalmente conducen a la pérdida completa de la señal. Además, estos multitrayectos pueden producir interferencia entre símbolos, provocada por los diferentes retardos que hace que se mezclen símbolos consecutivos. Esto se soluciona mediante la utilización de un período de guarda para cada símbolo OFDM.
Por otro lado, presenta la desventaja de ser más sensible que las técnicas tradicionales, al desfasaje en frecuencia o por la sincronización temporal. Además, por su carácter ortogonal, presenta una elevada razón pico a valor promedio (PAR: del inglés Peak-to-Average Ratio), condicionando el tipo de amplificadores que se pueden utilizar.
La distribución de datos sobre muchas portadoras hace que alguno de los bits transmitidos pueda ser recibido de manera errónea, es por ello que se hace imprescindible utilizar mecanismos de corrección de errores, que añaden bits adicionales en la transmisión pero hacen posible la corrección de dichos errores. [3][4]
1.03 OFDM – MIMO
En varias investigaciones se ha mostrado que los sistemas OFDM-MIMO son tecnologías prometedoras para las futuras aplicaciones de comunicaciones inalámbricas con tasa binaria alta. Dado los beneficios que aportan ambas tecnologías
1.03.1 Ventajas de OFDM.
• Asegura una alta razón de transferencia.
• Alta eficiencia espectral.
• Inmunidad a la interferencia y a los conflictos multicaminos.
• El transmisor y el receptor no tienen que estar en la línea de vista.
• Se construyen basado en la demanda.
• Es de fácil instalación.
• Bajo costo.
• Alta capacidad de datos (72/192 Mbits sobre una frecuencia tipica de 10,5/28MHz).
• Modulación adaptativa basado en la distancia. (+lejos +potencia). Tipos de modulación adaptativa; BSPK, QPSK, 16QAM, y 64QAM.
• La velocidad de transferencia es seleccionada.
1.03.2 Desventajas de la OFDM
• En la creación de los símbolos OFDM se puede generar ruido con un intervalo dinámico muy amplio, por tanto, los sistemas, requieren amplificadores de potencia de RF con una relación entre el máximo pico de potencia y la potencia promedio PAR (Peak Average Ratio) muy grande.
• Es más sensible al desplazamiento y fluctuación en frecuencia de las subportadoras, que los sistema tradicionales de multiplexación por división de frecuencias debido a un pequeño error de escape en la transformada discreta de Fourier DFT. [5]
1.04 Estudio de la codificación espacio-temporal en el canal de transmisión MIMO.
El uso de tecnologías inalámbricas dentro del contexto de las generaciones de sistemas de comunicaciones de banda ancha, tiene ante sí innumerables retos para conseguir diseños estructurales robustos, dado que el entorno de radio resulta significativamente adverso y las señales pueden experimentar rápidos desvanecimientos que imposibilitan la realización de transmisiones confiables. Los sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) han surgido como una vía de solución a estos problemas.
Los sistemas MIMO constituyen una de las tecnologías más prometedoras para conseguir altas velocidades de transmisión, en las comunicaciones inalámbricas, sin necesidad de aumentar el ancho de banda disponible ni la potencia transmitida.
Una característica importante de los sistemas MIMO es la de convertir la propagación por multitrayectoria, tradicionalmente un peligro para las transmisiones inalámbricas, en un beneficio para el usuario MIMO; puesto que aprovecha eficazmente el desvanecimiento aleatorio y el retardo por multitrayectoria. También da la posibilidad de mejorar en varios órdenes el rendimiento en comunicaciones inalámbricas sin costo extra de espectro, aumentando sólo la complejidad del hardware. A esto se debe fundamentalmente el éxito de la tecnología MIMO.
La esencia de los sistemas MIMO es el procesamiento Espacio-Tiempo de la señal, este tiempo se compensa con la dimensión espacial inherente al uso de múltiples antenas distribuidas espacialmente. Los sistemas MIMO pueden verse como una extensión de lo que en la actualidad se llaman Antenas Inteligentes, que es una tecnología muy popular y usada en arreglos de antenas para mejorar la transmisión inalámbrica. [6]
1.05 Canal Inalámbrico.
Antes de abordar lo relacionado con los principios y técnicas MIMO, se describirán las características de propagación de un canal inalámbrico para sistemas móviles.
Existen muchos sistemas en los que se aplican las comunicaciones inalámbricas. La transmisión de radio, televisión y comunicaciones satelitales son de los más importantes ejemplos. Estas aplicaciones hacen uso de diferentes tecnologías, pero de forma general los retos de las mismas son similares. El nivel de prioridad para cada una de las tecnologías no es el mismo, sin embargo, se pueden resumir las necesidades fundamentales en: altas tasas de transferencia de datos, calidad de servicios, movilidad, seguridad o privacidad, conectividad en redes inalámbricas, portabilidad e interferencia con otros usuarios.
Una de las características distintivas de los canales inalámbricos es la existencia de múltiples trayectorias entre el transmisor y el receptor. Este fenómeno provoca que al Receptor lleguen diferentes versiones de la señal transmitida, las cuales experimentan diferentes pérdidas de trayectorias (Path loss) y fases. En el Receptor, las señales recibidas se unen creando un modelo de ruido Gausiano blanco no aditivo (Non- AWGN) y dicho modelo AWGN no describe el canal inalámbrico, por lo que es importante encontrar otros modelos que representen el canal. Para la descripción de este modelo se debe estudiar primero las diferentes posibles trayectorias de las señales recibidas, como se muestra en la figura 1.1. [7]
Figura 1.1 Diferentes trayectorias de un ejemplo típico. [7]
Si existe una trayectoria directa entre el Transmisor y el Receptor esta es llamada LOS (Line of Sight), en caso de haber un objeto que obstruya la visibilidad entre los extremos, no existe LOS. El LOS es usualmente la señal más fuerte y dominante en el Receptor.
El LOS no es la única trayectoria que puede ser utilizada en una comunicación inalámbrica, la onda electromagnética puede ser reflejada al incidir sobre objetos con dimensiones mucho mayores que su longitud de onda; mediante múltiples reflexiones la onda puede encontrar una trayectoria al Receptor. Estas trayectorias tendrán un recorrido mayor al LOS originando señales con potencia y fase diferentes a la obtenida en el LOS.
Otro modo de propagación de las ondas electromagnéticas es la Difracción. Este fenómeno se presenta cuando la onda, al propagarse, encuentra un objeto con irregularidades o aristas agudas o afiladas, esta se dobla sobre el objeto ocasionando una onda secundaria. Finalmente la dispersión (Scattering) ocurre cuando hay un número grande de objetos más pequeños que la longitud de onda entre el Transmisor y el Receptor, al pasar a través de estos objetos, la onda se dispersa creando múltiples copias que tomaran diferentes direcciones.
Existen también otros fenómenos que afectan la propagación de la onda electromagnética como la Absorción y la Refracción, pero las mismas no tienen un efecto tan relevante sobre la onda como los casos anteriormente descritos.
Los efectos de los mecanismos de propagación antes citados y su combinación, originan propiedades en la señal recibida que son únicas para el canal inalámbrico.
Estos mecanismos pueden reducir la potencia de la señal recibida de formas diferentes. Hay dos aspectos en la disminución de la potencia que merecen tratamiento por separado. Uno de estos aspectos es el desvanecimiento lento (Large- Scale Fading) que caracteriza la potencia de la señal sobre grandes distancias o los comportamientos comunes de la señal en tiempo. El otro es el Desvanecimiento Rápido (Small-Scale Fading) que caracteriza los cambios rápidos en amplitud y potencia de la señal viendo su comportamiento en cortas distancias y tiempo. [8]
1.05.1 Multitrayectoria.
En las comunicaciones inalámbricas los objetos circundantes como edificaciones o árboles, actúan como reflectores de la señal y atenúan la amplitud y fase de la misma. Al transmitir la señal, disímiles réplicas llegarán al receptor producto de las múltiples reflexiones; dichas réplicas llegarán de diferentes direcciones y retardos, y las reflexiones de la señal son llamadas Multitrayectoria.
Para diferentes ángulos de arribo y tiempo, las réplicas de la señal en el receptor serán diferentes en fase, y se pueden combinar de forma constructiva o destructiva dependiendo de la aleatoriedad de las fases; por ejemplo: una estación móvil desplazándose en un entorno multitrayecto recibirá réplicas de la señal que pueden variar ampliamente en amplitud y fase. Cuando la estación móvil está estacionaria, la amplitud de la señal recibida depende de la movilidad de los objetos circundantes, y las fluctuaciones en la amplitud de la señal son causadas por la variación en el tiempo del multitrayecto dado por las características del canal. [9]
1.05.2 Efecto Doppler.
El Efecto Doppler es causado por el movimiento relativo entre el Transmisor y el Receptor que provoca un cambio en la frecuencia de la señal. Para una señal con una longitud de onda ? , una estación móvil desplazándose a una velocidad v y siendo ? el ángulo entre la dirección del movimiento de la estación móvil y la dirección de arribo de la onda, el corrimiento en la frecuencia ( fd ) está dado por:
(1.01)[9]
Para diferentes trayectorias habrá diferentes ángulos de arribo observándose en el Receptor cambios de frecuencia para cada una de las trayectorias [10]. El Efecto Doppler es directamente proporcional a la velocidad de la estación móvil.
El movimiento relativo entre estaciones, transmisora y receptora, provoca modulaciones en frecuencia de forma aleatoria dado por el Efecto Doppler para cada uno de los componentes de la multitrayectoria. Si los objetos circundantes se encuentran en movimiento crean una variación en el tiempo de las componentes multitrayecto; este efecto puede despreciarse si la velocidad de la estación móvil es mucho mayor que la de los objetos circundantes.
Debido a que en el receptor se observan diferentes corrimientos de frecuencia, cualquier frecuencia transmitida se convierte en un rango de frecuencia para el receptor, lo cual crea un ensanchamiento espectral en el receptor y el esparcimiento Doppler es una medida del ensanchamiento espectral que define el rango de frecuencias sobre el cual el espectro Doppler del Receptor no es cero. Si se define fdmax como el máximo desplazamiento de frecuencia y fc como la frecuencia de la portadora, el rango de las componentes en la recepción será fc ± fdmax . Si la frecuencia de la portadora es mucho mayor que el esparcimiento Doppler, este efecto es despreciable.
1.06 Desvanecimiento (Fading) del canal.
Al llegar al receptor la señal transmitida mediante las múltiples trayectorias que se establecen, se suma en ocasiones de forma constructiva, reforzando la señal y en otras de forma destructiva, produciendo pérdidas en la señal recibida. Este hecho se conoce con el nombre de Desvanecimiento. (Fading)
1.06.1 Desvanecimiento Lento.
El Desvanecimiento Lento (Large-Scale Fading) es causado por múltiples factores, incluyendo las pérdidas de propagación, antena y filtros; el promedio de la señal recibida decrece logarítmicamente con la distancia. El factor logarítmico o exponente de pérdidas de la trayectoria depende del medio de propagación y del ambiente entre el Transmisor y el Receptor. Para el espacio libre, como en comunicaciones satelitales el exponente es dos. En otras palabras el promedio de la señal recibida (pr) es proporcional a d-2 donde d es la distancia entre el Transmisor y el Receptor. Para ambientes de propagación como áreas urbanas el exponente de pérdidas de la trayectoria es usualmente mayor que dos. Así, si el promedio de la potencia es Pt , la potencia recibida es:
(1.02) [11]
Donde:
v : Es el exponente de pérdidas de la trayectoria.
B : Es un parámetro que depende de la frecuencia y otros factores. [11]
Los efectos del Desvanecimiento Lento pueden ser ignorados, como los ocasionados por sombreado (Shadowing) y cuya relación física está dada, por lo general, por efectos de difracción debido a obstrucciones en el trayecto del Transmisor al Receptor.
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