INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
TÉCNICAS DE CODIFICACIÓN PARA
CONTROL DE ERROR EN RADIO
DEFINIDO POR SOFTWARE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
PRESENTA:
DAVID VÁZQUEZ ÁLVAREZ
DIRECTOR DE TESIS:
M. EN C. MIGUEL SÁNCHEZ MERAZ
A mi familia, a mis padres, por apoyarme en todo momento y a pesar de estar lejos de ustedes siempre están conmigo. Gracias a ti papá “Don Amadito”, porque representas toda una fuente de inspiración para mi. A ti mamá “Consue”, porque siempre me motivaste de la mejor manera para poder realizar este proyecto. A mi hermana Bety, o puedo decir también “mi gran amiga” por depositar tu confianza en mi. A ti Samantha, nuestra “gugu” por llegar a nuestras vidas.
A ti Gaby, mi amiga, mi compañera, por siempre estar conmigo, por haber creído en mí y motivarme de tal forma para no claudicar en este camino, a tu mamá y hermanos por todo su apoyo incondicional.
A mi familia adoptiva “mi familia”, a usted Sra. Cari, Sra. Agus, por brindarme su amistad, su cariño y por dejarme ser parte de ustedes. A mis primos, amigos, compañeros de juegos, Samuel y Héctor por siempre tener una sonrisa para mí. A usted Don Sergio, Sra. Rebeca, Gaby y Sergio por brindarme siempre su amistad incondicional. A ti Víctor por haberme dado la oportunidad de conocerlos. A toda la familia Serrano.
A mi director de tesis y amigo M. en C. Miguel Sánchez Meraz, por haberme guiado en este proyecto y presionarme para terminarlo, por su paciencia y por su tiempo.
A mis amigos y compañeros de trabajo Gregorio, Isabel, Bety en especial Alan y Gaby por brindarme su apoyo y atención cuando lo necesitaba.
A todos mis profesores de maestría que formaron parte de este proyecto, gracias por todas sus enseñanzas.
Infinitamente agradecido.
Capítulo 1. Técnicas de procesamiento de señales en sistemas de
comunicación
1.1 Introducción 1
1.2 Las telecomunicaciones móviles en la primera generación 3 1.3 El paso de las comunicaciones móviles por la segunda 3
generación
1.4 Las comunicaciones móviles en su evolución a la tercera 5 generación
1.5 El futuro, la cuarta generación de las telecomunicaciones 9 móviles
1.6 Comunicaciones Inalámbricas 10
Capitulo 2. Radio definido por software
2.1 La necesidad de un radio software 13 2.2 Características y beneficios de un radio software 14
2.3 La tecnología RDS 15
2.4 Arquitectura del radio definido por software 18 2.5 Dispositivos de lógica programable 21 2.6 FPGA en el desarrollo de un radio definido por software 23
2.6 Estructura interna de las FPGA 27
2.7 Bloque de lógica programable CLB 29
2.8 Interconexión de CLBs 30
2.9 Bloques especiales 32
Capítulo 3. Técnicas de control de error
3.1 Introducción 33
3.2 Códigos de bloque 34
3.3 Código de bloque lineal 34
3.3.1 Matriz generadora 35
3.3.2 Forma sistemática 35
3.3.3 Matriz H 37
3.4 Síndrome y detección de errores 37
3.4.1 Vector de error 38
3.4.2 Síndrome 38
3.5 Distancia mínima de un código 40
3.8 Códigos Cíclicos 43 3.8.1 Características de los códigos cíclicos 43 3.8.2 Definición de un código cíclico 44
3.8.3 Codificación Sistemática 45
3.9 Matriz generadora y matriz de control de los códigos cíclicos 46 3.9.1 Matriz generadora (matriz G) 46 3.9.2 Matriz de control (matriz H) 46 3.9.3 Sistematización de la matriz G 47 3.10 Codificación de los códigos cíclicos 48 3.10.1 Codificación basada en g(x) 48 3.10.2 Codificación basada en h(x) 50 3.11 Procesamiento del síndrome y detección de errores 52
3.11.1 Procesamiento del síndrome 52
3.11.2. Decodificación 52
3.11.3 Propiedades de la detección de errores 54
Capítulo 4. Diseño e implementación
4.1 Hardware 55
4.1.1 Familia Spartan IIE 56
4.1.2 Arquitectura de los dispositivos Spartan IIE 56
4.2 Software 58
4.2.1 Lenguajes de descripción de hardware 58
4.2.2 HDL visuales 60
4.2.3 HDL textuales 62
4.2.4 Herramientas de software 63
4.3 Diseño e implementación 65
4.3.1 Código Hamming (7,4) 69
4.3.2 Código cíclico (7,4) 73
4.3.3 Código BCH (15,11) 77
Conclusiones
81Anexo
A. Programas que simulan códigos de bloque en C++ 83 B. Programas que implementan códigos de bloque en VHDL 100 C. Artículos presentados en congresos 114
Capítulo 1
Figura 1-1. Transición a la Tercera Generación 7
Capítulo 2
Figura 2-1. Diagrama genérico de un radio definido por software (RDS) 16 2-2. Configuración básica de la arquitectura de hardware para un 18 radio definido por software
2-3. Arquitectura de un RDS 21
2-4. Estructura interna de distintos dispositivos lógicos 22 2-5. Requerimientos de desarrollo manejado por ancho de banda 24 2-6. Unidad MAC DSP, Arquitectura Von Neumann 25 2-7. Ejemplo de operaciones MAC en una FPGA 25 2-8. Comparativo de la capacidad de procesamiento de FPGA y DSP 26 2-9. Estructura macroscópica de una FPGA (Spartan II) 28 2-10. Esquema de un bloque lógico configurable simple (Spartan II) 30 2-11. Recursos de enlace de una FPGA (Virtex II) 31
Capítulo 3
Figura 3-1. Procesos de la señal en el lado del transmisor de un 33 sistema de comunicaciones
3-2. Forma sistemática de una palabra código 36 3-3. Transmisión de un mensaje a través de un canal ruidoso 37
3-4. Videoteléfono, utiliza CRC 43
3-5. Palabra código formada 45
3-6. Circuito para un codificador cíclico utilizando g(x) 49 3-7. Circuito de codificación para un código (7,4) utilizando g(x) 49 3-8. Circuito para un codificador cíclico utilizando h(x) 50 3-9. Circuito de codificación para un código (7,4) utilizando h(x) 51 3-10. Circuito que obtiene los valores del síndrome 52 3-11. Circuito de decodificación utilizando tabla estándar 53
Capítulo 4
4-6. Simulación del codificador Hamming (7,4) 71 4-7. Señales de entrada y salida del codificador Hamming (7,4) 71 4-8. Diagrama esquemático del decodificador Hamming (7,4) 71 4-9. Diagrama esquemático del decodificador Hamming 72 programado (7,4)
4-10. Simulación del codificador Hamming (7,4) 72 4-11. Señales de entrada y salida del decodificador Hamming (7,4) 73 4-12. Circuito de un codificador cíclico basado en h(x) 73 4-13. Circuito codificador para un código cíclico basado en h(x) 74 4-14. Circuito que calcula el síndrome para un código cíclico 74 4-15. Circuito de un decodificador Meggit 75 4-16. Diagrama esquemático del codificador cíclico (7-4) 75 4-17. Diagrama esquemático del codificador cíclico (7-4) programado 75 4-18. Diagrama esquemático del decodificador cíclico (7-4) 76 4-19. Diagrama esquemático del decodificador cíclico (7-4) programado 76 4-20. Señales de entrada y salida del codificador cíclico (7,4) 77 4-21. Señales de entrada y salida del decodificador cíclico (7,4) 77 4-22. Diagrama esquemático del codificador BCH (15-11) 78 4-23. Diagrama esquemático del decodificador Meggit (15-11) 78 4-24. Diagrama esquemático del codificador BCH (15-11) programado 79 4-25. Diagrama esquemático del decodificador Meggit (15-11) 79 programado
Realizar una revisión de la evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas, haciendo énfasis en las técnicas de procesamiento digital de señales que son utilizadas.
Realizar una revisión de la tecnología del radio definido por software, su arquitectura, ventajas y los elementos necesarios para implementarlo.
Diseñar módulos de software con diferentes técnicas de control de error e implementarlas en un dispositivo lógico programable (FPGA).
Justificación
Tradicionalmente los equipos receptores y transmisores de radiocomunicaciones son equipos constituidos por multitud de componentes electrónicos, los cuales forman circuitos sintonizadores, etapas de frecuencia intermedia, detectores, amplificadores de baja frecuencia, etc., es decir, están constituidos por “hardware”. Posteriormente, en los años 1980’s y 1990’s se introdujeron microprocesadores en estos equipos para el control de funciones internas y para añadir nuevas prestaciones, así como también la posibilidad de controlar los equipos de radio desde una computadora, añadiendo al equipo de radio puertos de comunicación o interfaces para la conexión a la computadora.
En estos casos, y usando el software adecuado, es posible controlar desde la computadora numerosas funciones del equipo de radio, igual o mejor que desde los controles del propio equipo. También en la década de los 1990’s comenzó la introducción en los modernos equipos de radio de los chips DSP o “Procesadores Digitales de Señal”, los cuales permiten mediante técnicas digitales realizar filtros de paso de banda y de supresión de ruidos, entre otras posibilidades, muy eficaces, mejor que los realizados tradicionalmente con circuitos analógicos.
En cualquier caso, siempre se trata de equipos realizados enteramente con componentes electrónicos, o sea, en términos informáticos se definirían como “radios hardware”. Durante las últimas cuatro décadas los sistemas de radio tanto para servicio militar como comercial han ido sufriendo una gran transición de sistemas de comunicación análoga a digital. Esta transición ha traído como consecuencia la evolución de todo el conjunto de formas de onda en comunicaciones digitales y equipos de transmisión de datos asociados a ellos que soportan esta creciente necesidad.
ser reconfigurada en software.
Comparando los radios análogos basados en hardware de los años pasados, el moderno concepto del radio definido por software provee un grado incomparable de compatibilidad y versatilidad, permitiendo formas de onda complicadas que eran inconcebibles de hacer en el pasado y actualmente son implementadas con facilidad. Por lo tanto el radio definido por software es un concepto que está revolucionando la tecnología de las comunicaciones rumbo a la integración de múltiples arquitecturas de redes de telecomunicaciones inalámbricas y alámbricas.
El SDR supone realizar la mayor parte de las funciones de un equipo de radio, incluso las más importantes, mediante el software implementado en algún dispositivo. Los radios definidos por software pudieran reconfigurarse a sí mismos automáticamente para reconocer y comunicarse con otros. Esto podría imponer el orden en el actual caos de los estándares competitivos inalámbricos (CDMA, GSM, TDMA, etc.), esto transformaría las redes rígidas en sistemas abiertos. La principal ganancia: desempeño del sistema mejorado, costos de servicios más bajos, roaming transparente. Con reprogramación instantánea, se podría cargar un mismo aparato para múltiples usos.
El SDR frente a los estándares de comunicación actuales tiene una gran ventaja, ya que todos ellos convergerían en un solo dispositivo capaz de reconfigurarse automáticamente dependiendo las necesidades del usuario, esto nos daría como resultado un sistema abierto de comunicaciones, en donde no importaría el estándar que se utilice sino simplemente el “software” que se implementaría para cambiar el funcionamiento de nuestro dispositivo SDR.
En este trabajo se presenta la implementación de módulos de software para diferentes técnicas de control de error, utilizando códigos de bloque lineal, como son los códigos Hamming, códigos cíclicos y códigos BCH en una FPGA.
Inicialmente se realiza una revisión del panorama existente sobre la evolución de las comunicaciones, haciendo énfasis en las técnicas de procesamiento de señales que utilizan los diferentes estándares de comunicación, para hacer conciencia en la necesidad de un radio definido por software.
Se realiza una revisión sobre la arquitectura y los diferentes elementos que componen a un radio definido por software. Se analizan diferentes dispositivos de lógica programable para determinar el dispositivo en el cual se va a realizar la implementación, que es una tarjeta FPGA, la cual es revisada en su evolución y porque es la más viable para nuestro trabajo.
This thesis shows up the implementation of software modules for different error control techniques, using lineal block codes: Hamming codes, cyclic codes and BCH codes on a FPGA.
Initially out a review of the current status on the evolution of the communications is carried, making emphasis in the techniques of signal processing used by the different communication standards, to make consciousness in the necessity of a radio defined by software.
A review on the architecture and the different elements that compose a radio defined by software is carried out. Different devices of programmable logic are analyzed to determine the device in which will be carried out the implementation that is a FPGA, which is revised in their evolution and for that is the viable for our work.
Capítulo 1
Técnicas de procesamiento de señales en sistemas de
comunicación
Antes de establecer las diferentes técnicas de control de error que van a implementarse para un radio definido por software que son el objetivo de este trabajo, es necesario analizar el panorama existente sobre la evolución de las comunicaciones.
1.1
Introducción
Desde el principio de las telecomunicaciones dos han sido las opciones principales para llevar a cabo una comunicación: con o sin hilos, por cable o por el aire. En realidad ambas pueden participar en un mismo proceso comunicativo. Por ejemplo, la transmisión de un evento deportivo por televisión, en el que una cámara recoge la señal y la transmite, generalmente por cable, a una unidad móvil encargada de comunicarse vía radio con el centro emisor, que a su vez se comunica por cable con una antena emisora que la distribuye por el aire a la zona que cubra la cadena de televisión. De todas formas, en este caso se trata fundamentalmente de una transmisión vía radio, pues es así como se distribuye la señal que previamente ha producido la emisora (captar la señal con la cámara, llevarla al centro emisor y procesarla).
Históricamente la comunicación vía radio se reservaba a transmisiones uno a muchos, con grandes distancias a cubrir. También era útil en situaciones en las que la orografía dificultase en exceso el despliegue de cables. Fundamentalmente se utilizaba para transmitir radio y TV. Por el contrario, las comunicaciones telefónicas utilizaban cables. Todo esto nos lleva a la actual situación, en la que ya no está tan claro cuándo es mejor una u otra opción.
En cuanto a las comunicaciones móviles, no aparecen a nivel comercial hasta finales del siglo XX. Los países nórdicos, por su especial orografía y demografía, fueron los primeros en disponer de sistemas de telefonía móvil, eso sí, con un tamaño y unos precios no muy populares. Radio búsquedas, redes móviles privadas o Trunking, y sistemas de telefonía móvil mejorados fueron el siguiente paso. Después llegó la telefonía móvil digital, las agendas personales, mini ordenadores, laptops y un sinfín de dispositivos dispuestos a conectarse vía radio con otros dispositivos o redes. Y finalmente la unión entre comunicaciones móviles e Internet, el verdadero punto de inflexión tanto para uno como para otro.
radiomensajería, la radiolocalización GPS, las comunicaciones inalámbricas y el acceso a Internet móvil.
Los sistemas de comunicaciones móviles de la actualidad ofrecen una amplia gama de servicios con gran calidad. En otros tiempos, haberse imaginado siquiera un dispositivo que tuviese las aplicaciones de los de hoy en día, era un acto de ciencia ficción. Los primeros dispositivos de comunicaciones móviles eran regularmente de gran tamaño, esto debido a las grandes dimensiones de los circuitos que necesitaban para el procesamiento de la señal de salida y/o entrada, con una voluminosa etapa de potencia en sus transmisores, puesto que era poca la eficiencia de potencia y la eficiencia espectral con la que trabajaban las técnicas de transmisión de ese entonces.
El uso de una batería grande era otra de las características muy notorias en los primeros dispositivos móviles, ya que requerían grandes cantidades de corriente para suministrar la potencia requerida por el transmisor. Sin embargo, la tecnología ha estado en desarrollo constante, y han aparecido nuevas técnicas de transmisión y recepción, además de que los dispositivos electrónicos cada vez son más poderosos y de menor tamaño. Aunado a lo anterior, las comunicaciones móviles se han convertido en uno de los segmentos con mayor y más rápido crecimiento dentro del área de las telecomunicaciones.
Desde su origen, las comunicaciones móviles han experimentado un enorme crecimiento y su evolución ha sido inevitable. Esta evolución se da precisamente en el seno de las telecomunicaciones móviles, tratando de mejorar las tasas de transmisión, la confiabilidad y la calidad de los servicios. La evolución en este sector no se ha generado de manera desordenada. En casi todos los países del mundo, se ha regulado el uso y las formas de comunicación. La mayoría encargados de la regulación y planeación de las telecomunicaciones y dada la popularidad que esta área ha tenido en todo el mundo, inclusive se han generado organismos mundiales, como UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) y/o continentales como ETSI (Instituto Europeo para la Estandarización de las Telecomunicaciones) y ANSI (Instituto de Estandarización Americana) capaces de hacer recomendaciones a los organismos de cada país para que exista una convivencia entre diferentes sistemas y tecnologías en todo el mundo.
Las telecomunicaciones móviles se han clasificado de acuerdo a su evolución. Esta clasificación se ha dado de manera generacional, de tal forma que cada etapa o generación tiene características distintas en los modos y servicios ofrecidos por las diferentes compañías que se encuentran dentro de este sector. Estos modos y servicios, han sufrido mejoras generacionalmente gracias a varios factores, como lo son:
La utilización de dispositivos de menor tamaño (microprocesadores y chips). Mejoras en las tecnologías de esquemas de modulación (modulaciones digitales). Avances en la utilización de modelos de codificación de canal (códigos de detección
y corrección de error).
Utilización de modelos programables y adaptativos.
escenarios para la cuarta generación, que se vislumbra para un futuro, ya que la tercera generación no termina aún por despuntar en varios países, y lo que es peor, en otros varios acaban de adoptar varias compañías esquemas y servicios de Generación 2.5, avalados por los estándares internacionales sugeridos por los organismos que tienen grupos especializados para la planeación de las telecomunicaciones móviles, tal es el caso de IMT-2000 (OHG), 3GPP, GSM, entre otros [1].
1.2
Las telecomunicaciones móviles en la primera generación
Los sistemas móviles de primera generación introducidos en los inicios de los 80’s, se caracterizan por el uso de transmisiones analógicas de servicios de voz, estos servicios fueron introducidos al mercado mundial por compañías como la compañía de Telefonía y Telegrafía de Japón (NTT), el servicio de Telefonía Móvil Avanzada (AMPS), el Sistema de Comunicaciones de Acceso Total (TACS) y la Compañía Telefónica Nórdica (NMT). Los equipos utilizados en esta era fueron muy sencillos pero de gran tamaño, y los servicios estaban limitados. Servicios como voz, o radio-localización fueron los más comunes. Estos servicios se alojaron dentro de la banda de los 800 MHz y el tipo de modulación era modulación analógica en frecuencia (FM). El modo de acceso al sistema por los usuarios era el conocido FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia) que por más modificaciones, no lograba abastecer a la cantidad de usuarios, la cual estaba creciendo día tras día y que requería del acceso al sistema, logrando entonces una pronta saturación del espectro reservado para las comunicaciones celulares [2].
En gran manera, esto provocó que se introdujeran diferentes tipos de re-uso de frecuencia para lograr abastecer la demanda, de esta forma la era de los sistemas de comunicaciones móviles iniciaba su gran evolución, al conseguir la popularidad y aceptabilidad de las masas consumistas que apostaban su dinero por sistemas que les ofrecieran una mayor cobertura, servicios de alta calidad y de valor agregado. Las grandes compañías que intervienen en el sector de las telecomunicaciones voltearon entonces sus intereses hacia este sector, adecuando en los dispositivos personales altas tecnologías que se desarrollaban tras la industria bélica donde las telecomunicaciones habían sido clave para su desarrollo, tal es el caso de sistemas basados en CDMA (Acceso Múltiple por División de Código).
1.3
El paso de las comunicaciones móviles por la segunda generación
Las comunicaciones móviles sufren un gran cambio a raíz de la necesidad de encontrar nuevos espacios para la creciente demanda de usuarios, además de la necesidad de prestar nuevos servicios.
resultaron beneficiados en esta era. Las velocidades en las tasas de transmisión de hasta 9.6 kbps eran en cierta medida buenas, más no lo suficientemente altas aún. Las capacidades de cobertura roaming también se mejoraron considerablemente con respecto a las de la
primera generación.
Una de las tecnologías que aparecieron y que dieron el inicio de la segunda generación fue TDMA, que fue desarrollado y estandarizado por la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (TIA). TDMA hace un mejor uso del ancho de banda disponible, con respecto a la tecnología analógica previa de primera generación. La primera implementación de telefonía celular de AMPS utilizó TDMA, en el estándar de TIA nombrado como IS-54. Éste requería de voz digitalizada, comprimiéndola y transmitiéndola en ráfagas regulares. La evolución de este estándar fue hacia el llamado IS-136 [3], también conocido como D-AMPS, debido a que es AMPS digital que utiliza control de canal en TDMA. TDMA como se definió en IS-54 e IS-136, logró triplicar la capacidad de usuarios en los sistemas celulares, al dividir el canal celular de 30 kHz de 3 ranuras de tiempo, el cual soporta 3 usuarios quienes se alternan el uso del canal.
Una evolución de este estándar podría utilizar codificadores de voz de media tasa, el cual permitiría atender hasta 6 usuarios en un solo canal de 30 kHz. El concepto de E-TDMA (E-TDMA Mejorado), utiliza localidades de ranuras de tiempo dinámicas para evitar que se desperdicien ranuras de tiempo cuando uno de los lados de la conversación está en silencio. Con esta técnica se podría doblar nuevamente la eficiencia espectral de TDMA, para tener una relación de alrededor de 10:1 con respecto a los sistemas analógicos [4].
Otra tecnología utilizada en los sistemas celulares de segunda generación ha sido el popular CDMA (IS-95), esta tecnología emplea “dispersión de espectro”, dispersando a cada señal sobre un canal de 1.25 MHz, transmitiendo por todo el ancho de banda, en vez de dividir el espectro como TDMA o FDMA, la tecnología de espectro disperso utiliza 64 códigos digitales, conocidos como códigos Walsh, por lo que en teoría es posible que 64 llamadas telefónicas puedan compartir el canal al mismo tiempo. Esta tecnología tuvo su origen en los inicios de la década de los 50´s, y fue utilizada para comunicaciones militares, ya que la señal de CDM es virtualmente inmune a interferencias de señales no deseadas o enemigas. A finales de la década de los 80’s e inicio de los 90’s la corporación Qualcomm propuso y desarrolló un sistema CDMA.
El objetivo principal de CDMA fue el tener una alta eficiencia espectral, mejorando por mucho la capacidad que podían ofrecer los sistemas analógicos. CDMA, ahora se encuentra supervisado por una organización independiente de Qualcomm, llamada Grupo para el Desarrollo de CDMA (CDG). CDMA ofrece transmisiones de datos de 14.4 kbps y una evolución del primer IS-95, conocido como IS-95B es capaz de ofrecer velocidades por encima de los 64 kbps [5].
Identificación del Subscriptor), en cualquier lugar donde se tenga cobertura. Esta tecnología fue desarrollada en Europa principalmente por Alemania, Italia y Francia quienes fueron los pioneros en la implementación, aunque en 1989, el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicación (ETSI), tomó la responsabilidad del desarrollo de GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles).
Existen tres diferentes implementaciones de la tecnología GSM. Estas son: GSM-900 (opera de 880 a 960 MHz), GSM-1800 (opera 1710 a 1880 MHz) y GSM-1GSM-900 (opera a 1850 a 1990 MHz). En esta tecnología, basada en el modo de TDMA, es posible acceder a información en línea, o bien enviar faxes y correos electrónicos. Sin embargo, la velocidad máxima está limitada a 9.6 Kbps. El comité técnico de la ETSI, el grupo especial móvil y ANSI han formado una alianza para mantener la integridad del estándar. Este grupo de trabajo se enfoca en:
Mantener las fases 1 y 2 de GSM Introducir la fase 2 y
Dar una significativa mejoría del GSM hacia la 3G [6][7].
El sistema GSM utiliza una modulación que se deriva de la simple modulación por cambio de frecuencia (FSK). GSM requiere en su modulador de un filtro Gaussiano y señales ortogonales con lo cual crea una señal GMSK (Modulación Gaussiana por Mínimo Cambio) para generar espectros angostos.
De alguna forma esta generación se encuentra en pleno uso en algunos países del mundo, sin embargo, cada una de estas tecnologías ha crecido y tienen variantes que les han ayudado para la mejora de sus servicios, ya sea en la calidad o en la velocidad, como también en el número de usuarios que estos puedan alojar dentro de los anchos de banda. Es decir, CDMA (IS-95A) tiene una variante conocida como IS-95B, y GSM tiene preparado el camino para migrar a la tercera generación, en países como los del bloque europeo ya tienen con éxito migraciones. Dentro de esta era, los servicios de interconectividad entre las diferentes tecnologías, o la cobertura global no se logra, con cierta excepción en el sistema GSM [8].
1.4
Las comunicaciones móviles en su evolución a la tercera generación
La tercera Generación (3G) se ha estado gestando desde 1992, cuando la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) inició con los trabajos para la planeación en la forma en que los sistemas modernos deberían trabajar bajo una armonía. A estos trabajos se les conocieron como la IMT-2000. La UIT vislumbró a IMT-2000 como un solo estándar global con capacidad de roaming entre distintas tecnologías, pero los diversos órganos
reguladores de las telecomunicaciones de cada país, fabricantes y concesionarios de los servicios de las comunicaciones móviles, fueron incapaces de llegar a un acuerdo unánime.
industria que estaba trabajando sobre el estándar (IS-95) CDMA, querían un estándar armonizado de CDMA basado en su tecnología escogida, cdma2000, porque este estándar le sería compatible con sus tecnologías de segunda generación. La compañía Ericsson y la comunidad GSM, querían su propia tecnología, WCDMA (CDMA de Banda Ancha), la cual no es compatible con los sistemas actuales de IS-95. Finalmente en Octubre de 1999, los representantes de los diferentes países llegaron a un acuerdo. El resultado fue el dejar al menos 3 diferentes modos: W-CDMA, cdma2000 y TDD (División de Tiempo Duplex), una componente opcional de W-CDMA.
En la tabla 1-1 se resumen los cinco conjuntos de estándares para la familia de 3G IMT-2000, aprobado y publicado por la UIT en mayo de 2000 [9]. En la figura 1-1, se observa la evolución que siguen los sistemas de comunicaciones móviles de 2G actual, para su transformación a la 3G, siguiendo las recomendaciones de UIT para las interfaces de radio. Para lograr el objetivo de 2 Mbps de IMT-2000, los sistemas CDMA necesitan utilizar más de 64 códigos, diferentes esquemas de modulación y mayores anchos de banda. La evolución de este estándar, que ya se ha hecho oficial, desarrollado por Qualcomm y ratificado por UIT, es el estándar cdma2000 3XRTT (Tecnología de Radio Transmisión). El 3 de 3X viene de sus 3.75 MHz de ancho de banda, que es el resultado de tres cdmaOne, al juntar los 1.25 MHz de cada uno.
ESTÁNDAR INALÁMBRICO
IMT-2000 NOMBRE ALTERNO O ALIAS
IMT-2000 CDMA Secuencia Directa, CDMA-DS
También conocido como el modo de frecuencia duplex (FDD) para UMTS Acceso de Radio Terrestre (UTRA), o como CDMA de banda ancha (WCDMA) IMT-2000 CDMA
Multiportadora, CDMA-MC
También conocida como CDMA-2000, la cual es compatible con los sistemas de 2G ANSI-95 DCDMA (Secuencia Directa de Espectro Disperso)
IMT-2000 CDMA TDD, CDMA-TDD
También conocido como el modo de división de tiempo duplex de UTRA IMT-2000 TDMA
Portadora única
También conocida como UWC-136 la cual es compatible con sistemas anteriores de 2G EDGE/GPRS
IMT-2000 FDMA/TDMA
También conocida como DECT-2000 (Telecomunicaciones Inalámbricas Digitales Mejoradas)
Tabla 1-1. Interfases de radio aprobadas por la UIT para la 3G.
esquemas que mejoran al cdma2000 1XRTT, conocido como Alta Tasa de Datos (HDR) y 1Xtreme, respectivamente.
Figura 1-1. Transición a la Tercera Generación.
Ambos 1Xtreme y HDR, trabajan alternando el esquema de modulación, o la forma en que los datos van representados en las ondas de radio. La mayoría de los teléfonos celulares utilizan el esquema de modulación por desplazamiento de fase (PSK), el cual interrumpe la onda y se mueve a diferentes puntos en su ciclo. La tasa de bits depende de la frecuencia de estas interrupciones, conocidas como símbolos y en el número de formas que cada símbolo pueda tomar. El esquema utilizado por cdmaOne es la modulación en cuadratura de fase (QPSK), el cual puede tomar cuatro diferentes estados. Esto significa que cada estado puede representar a dos bits, dado que dos bits pueden representar a cuatro combinaciones. La variación en 8-PSK puede representar a tres bits por símbolo, incrementando la tasa datos en un 50%. HDR y 1Xtreme, automáticamente aumentan el número de estados (QPSK o 8-PSK) para soportar tasas mayores, dependiendo de su calidad de conexión.
TECNOLOGÍA GENERACIÓN BANDAS MODULACIÓNTIPO DE CODIFICACIÓN DE CANAL TASA DE DATOS
AMPS
FDMA 1G
800 MHz (124 portadoras
separadas entre sí por
200 kHz.)
Modulación Analógica en Frecuencia (FM).
Sin Codificación soporta No datos
TDMA (54B e
IS-136) 2G
824-894 MHz y 1850-1990MHz (canales de 30 Khz)
ð /4 DQPSK Codificación de Bloque y
Convolucional 8 kbps
CDMA 2G, 2.5G
800MHz, 1800MHz y 2000 MHz con canales de 1.25MHz de ancho de banda
QPSK convolucional Codificación
14.4 kbps en IS-95ª 64 kbps
en IS-95B
GSM 2G, 2.5G
880 – 960 MHz, 1710
- 1880 MHz y 1850 – 1990 MHz
GMSK (BT =
0.3) convolucional Codificación
Para HSCSD 57.6 kbps., GPRS 115 kbps, EDGE 384 kbps.
W-CDMA 3G
Portadoras de 5 MHz (1.25, 10 y
20 MHz), para la migración de GSM. QPSK Codificación convolucional y Turbo Códigos Macro células – 144 kbps Micro células – 384 kbps Pico células - 2Mbps cdma 3X
RTT 3G
3.75 MHz, 3 Portadoras de CDMA (1.25 MHz)
QPSK y 8-PSK convolucional y Codificación Turbo Códigos
2.4 Mbps o 3.6864 Mcps
Tabla 1-2. Características de las diferentes Tecnologías en comunicaciones Móviles.
circulando el CDMA de banda ancha (W-CDMA) [11], estándar apoyado por el grupo de trabajo de Sistemas de Telecomunicaciones Móviles Universal (UMTS). Este estándar requiere de la nueva asignación espectral sugerida por UIT. W-CDMA, es muy semejante a cdma2000 3XRTT (CDMA para 3G) pero utiliza un ancho de banda un poco más amplio, de ahí el nombre. Las bandas más amplias son necesarias para que el sistema pueda interoperar con el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM), el estándar inalámbrico más poderoso de la segunda generación.
Los sistemas GSM tienen dos plataformas que anteceden a WCDMA que correspondería a los sistemas de 3G, la plataforma de GPRS (Servicio de Radio Paquetes General), y EDGE (Tasa de Datos Mejoradas para la Evolución de GSM). W-CDMA es una tecnología de tipo asíncrona, con esparcimiento directo y tasa de chip de 4.096 Mbps. El esquema WCDMA ha sido desarrollado como un esfuerzo conjunto entre ETSI (Instituto de Estándares en Telecomunicaciones y Electrónica de Europa) y ARIB (Asociación para Negocios y Radio Industria de Japón) como la opción para la migración del sistema GSM a la tercera generación. W-CDMA maneja canales de 1.25, 5, 10 y 20 MHz de ancho de banda, con tasas de chip de 1.024, 4.096, 8.192 y 16.384 Mbps respectivamente. Esta tecnología maneja modulación QAM con longitud de trama de 4.615 ms y código convolucional de tasa variable. La comunidad de CDMA está recientemente iniciando a acoger la idea de los módulos de identidad de los subscriptores que guardan la información y que están actualmente en uso solo en el sistema GSM.
De forma resumida se muestran en la tabla 1-2 las diferentes tecnologías de comunicaciones móviles celulares con algunas de sus características, permitiéndonos hacer un análisis comparativo de funcionalidad y eficiencia. Como se ha descrito en este capítulo, se puede observar cómo cada sistema ha presentado un gran avance en sus capacidades de tasas de datos y además el gran avance tecnológico en los modos de transmisión, como lo es la incorporación de modulaciones digitales y la adecuación de esquemas de codificación de canal. Claramente es posible darnos cuenta que la incorporación de los llamados turbo códigos está siendo de gran apoyo para la mejora de las capacidades en las tasas de datos, con lo cual se han mejorado también la calidad de los servicios, además de la incorporación de aquellos de valor agregado. Aunque la eficiencia de cada tecnología ha sido demostrada, actualmente CDMA y W-CDMA siguen compitiendo por ser la elección de las tecnologías futuras.
1.5
El futuro, la cuarta generación de las telecomunicaciones móviles
El auge de Internet, que cada vez se utiliza más por medios inalámbricos.
La proliferación de asistentes digitales personales (PDA’s) y computadoras personales de bolsillo.
La disponibilidad de servicios de valor agregado a los usuarios de Internet móvil (transacciones bursátiles, reservaciones aéreas, etc.)
La oferta de servicios llamados transparentes, donde los dispositivos interactúan con otros dispositivos, a nombre de los usuarios.
Las Tecnologías que pueden ser decisivas en el desarrollo de las redes de 4ta generación son:
El modo de transferencia Asíncrono (ATM), como red dorsal de la RED Universal Multimedia (RUM), que permitirá ofrecer diversos servicios con calidad garantizada.
El protocolo IP, como parte de transporte de la RUM La tecnología de antenas adaptativas e inteligentes.
La tecnología de modulación/transmisión inalámbrica de multicanalización en frecuencia con portadoras ortogonales OFDM.
La tecnología de radios programables, la cual permitirá que una terminal móvil pueda hacer “Hand-off” desde una célula perteneciente a un tipo de red, hacia
otra célula perteneciente a una red con tecnología inalámbrica diferente [13].
1.6
Comunicaciones Inalámbricas
Estos sistemas se encargan de comunicaciones de corta distancia, algunos cientos de metros a lo sumo. En principio, dos serían las aplicaciones básicas: ofrecer movilidad a los usuarios de la telefonía fija, para que puedan desplazarse por su casa o lugar de trabajo, y poder efectuar llamadas; y conectar dispositivos entre sí. Para los primeros, en Europa surgió el estándar DECT (Telecomunicaciones Digitales Mejoradas e Inalámbricas), mientras que para los segundos parece que Bluetooth va a conseguir poner de acuerdo a todo el mundo.
En Europa, se está trabajando en terminales duales DECT-GSM, que permitan utilizar las redes de telefonía fija en el caso de que estemos cerca de la base que controla la parte DECT, y las redes de telefonía móvil GSM en el resto de circunstancias. Esto evitaría tener que llevar dos aparatos, y abarataría la cuenta telefónica.
El servicio que une la telefonía móvil con el acceso a Internet, será el que haga crecer ambos mercados de manera muy importante en los próximos años. La baja capacidad de transmisión de datos de los sistemas de segunda generación de telefonía móvil, y las reducidas dimensiones de las pantallas de los móviles no permitían una unión lo suficientemente atractiva, pero sí funcional. Bien es verdad que la aparición de WAP permitió acceder a diversos contenidos de Internet desde el móvil, pero la nueva generación de telefonía móvil mejorará la velocidad de conexión, y sus terminales estarán más orientados a comunicaciones de diversas características (voz, datos, imágenes). Esto convertirá a los móviles, agendas personales, laptops, y demás dispositivos de mano, en los verdaderos dominadores del acceso a Internet, relegando al ordenador a un papel secundario.
WAP (Protocolos de Aplicaciones Inalámbricas) surge ante la necesidad de acceder a Internet desde un móvil. Este conjunto de protocolos permite establecer una conexión con Internet, e intercambiar información con ésta. No está directamente vinculada con GSM, u otra tecnología similar. Puede funcionar sobre tecnologías móviles de segunda o tercera generación (GSM, D-AMPS, CDMA, UMTS). Los teléfonos WAP cuentan con un navegador especial, que interpreta páginas escritas en una versión reducida del HTML, denominada WML. Existe también una versión reducida del JavaScript para navegadores WAP, conocida como WMLScript.
Las aplicaciones más extendidas de los teléfonos WAP serán el acceso a noticias, pago de compras, recepción de avisos. Debido a la restricción que imponen los terminales, los gráficos se reducen al mínimo, a pesar de que la publicidad apuesta por este medio. En Japón, NTT DoCoMo lleva casi un año y medio prestando un servicio de acceso a Internet desde el móvil, que está convirtiéndose en un avance de lo que puede suceder cuando realmente la Internet móvil se implante. El servicio, conocido como i-mode, ha supuesto una auténtica revolución en el país nipón, con tanto éxito que ha sufrido caídas importantes debidas a la saturación del sistema. Incluso NTT DoCoMo suspendió la publicidad durante algún tiempo, para intentar disminuir el elevado número de altas. I-mode no utiliza WAP, sino que utiliza un HTML compacto, que lo que hace es adaptar las páginas web HTML a los terminales móviles. Los teléfonos WAP podrían soportar este servicio.
GPRS, EDGE y por supuesto UMTS, permitirán transmitir páginas mucho más sofisticadas a los móviles, por lo que se espera que los terminales futuros sean en su mayoría ocupados por pantallas, que permitan visualizar estas páginas.
en el futuro, como se espera en la 4ta generación, serán factores fundamentales y son puntos muy importantes de investigación y desarrollo. Así como también los sistemas inteligentes o adaptativos, los cuales al parecer tendrán el punto clave para encontrar mejoras en lo ya establecido.
Como se puede observar durante las diferentes generaciones, todo hace ver que es muy posible llegar a un sistema global de comunicaciones con capacidad cien por ciento multimedia, donde tanto teléfonos como computadoras portátiles o PDA’s con las tecnologías futuras podrán ser capaces de interoperar, es decir, que los sistemas estarán habilitados para tener un hand-off o hand-over de una célula a otra sin importar la
plataforma, y el usuario tendrá la transparencia de la movilidad. Toda esta convergencia podrá dar lugar a pensar en la monopolización del uso de los servicios de telecomunicaciones, sin embargo, lo que debe prevalecer es la “armonía” de los diferentes sistemas, como lo sugiere IMT-2000, así como de los diferentes fabricantes y concesionarios.
Durante el mismo periodo de tiempo, las plataformas de radio han soportado esas formas de onda las cuales también han ido evolucionando. Hace no más de 15 años la gran mayoría de las plataformas de radio donde principalmente se implementaban usaban hardware y software dedicado, en la última década ha venido creciendo un cambio hacia un nuevo paradigma muy fuerte que son los radios definidos por software y sus correspondientes implementaciones en forma de onda.
Capítulo 2
Radio definido por software
Una vez revisado el panorama existente en las comunicaciones móviles e inalámbricas, es necesario analizar el concepto y arquitectura del radio definido por software, así como los elementos necesarios para la implementación de una técnica de control de error en RDS.
2.1 La necesidad de un radio software
Tal como los controles remotos se proliferan en nuestras salas, nuestras vidas se están llenando de dispositivos inalámbricos incompatibles, desde teléfonos celulares hasta walkie talkies para bebés. Aún teniendo diferentes funciones, estos aparatos comparten tecnología muy similar: transmisores y receptores, baterías y antenas. Ya existen controles remotos universales, ¿por qué no dispositivos inalámbricos universales?
Esa es la inspiración para el nuevo movimiento de radio definido por software. Radio definido por software (RDS) es un concepto que está revolucionando la tecnología de las comunicaciones rumbo a la integración de múltiples arquitecturas de redes de telecomunicaciones inalámbricas. Sin embargo, la reconfiguración del hardware a través de software exige también un comportamiento similar del software destinado a regular el intercambio de información.
El término “Software Radio” fue acuñado por Joe Mitola en 1991 para referirse a la clase de “radios” re-programables o re-configurables. En otras palabras, una misma pieza de hardware puede realizar diferentes funciones en diferente tiempo. Con lo anterior podemos especular el hecho de tener un dispositivo hardware de “propósito general” en un ámbito de comunicaciones. Este concepto abre un amplio panorama de oportunidades para la industria de las comunicaciones y la investigación en ese mismo sentido [15].
Desde la creación y evolución constante de estándares tales como 2.5G, 3G y 4G, existe una amplia incompatibilidad entre tecnologías de redes inalámbricas utilizadas por diferentes países. Desde una perspectiva comercial y global, este problema inhibe el uso de servicios de roaming y otras facilidades. Esta es una de las grandes oportunidades de RDS, ya que el aspecto económico es de suma importancia, para la integración transparente de diversas arquitecturas de comunicación.
Los radios definidos por software pudieran reconfigurarse a sí mismos automáticamente para reconocer y comunicarse con otros. Esto podría imponer el orden en el actual caos de los estándares competitivos inalámbricos (CDMA, GSM, TDMA, etc.), esto transformaría las redes rígidas en sistemas abiertos. La gran ganancia: desempeño del sistema mejorado, costos de servicios más bajos, roaming transparente. Con reprogramación instantánea, se podría cargar un mismo aparato para múltiples usos.
La funcionalidad de la arquitectura de los radios convencionales es usualmente determinada por el hardware con una mínima configuración de software. El hardware consiste de los amplificadores, filtros, mezcladores y osciladores. El software sólo es confinado para controlar la interfaz con la red de trabajo, explotando las cabeceras y los códigos de control de error de los paquetes de datos, y determinando dónde los paquetes de datos necesitan ser ruteados basados en la información de la cabecera. Debido a que el hardware domina el diseño, actualizando un diseño de radio convencional esencialmente significa completar el diseño viejo y empezar uno nuevo. En la actualización de un diseño de radio software, sólo basta con actualizar el contenido del software y el resto se mejora en diseño de componentes de hardware. En pocas palabras, los radios definidos por software representan un paradigma en el cambio de mezclar radio de hardware-intensivo a multibandas, multimodos, radios de software-intensivo [25].
2.2 Características y beneficios de un radio software
En el campo de las comunicaciones móviles existe actualmente abundancia de tecnologías de acceso inalámbrico, que cubren diferentes áreas geográficas y proporcionan diversos servicios a los usuarios a través de una gran variedad de equipos móviles. Una de las principales metas para el futuro de los sistemas de telecomunicaciones es conseguir una conectividad ubicua, esto por supuesto, a través de la investigación y desarrollo de nuevos equipos de radio que puedan proporcionar ciertas funcionalidades a partir de herramientas de software. La industria de las comunicaciones inalámbricas actualmente está frente a problemas derivados de la constante evolución de los estándares en los protocolos de las capas de enlace (2.5G, 3G y 4G), así como también de la existencia de tecnologías de red inalámbricas incompatibles en diferentes países que inhiben el despliegue de las facilidades del roaming mundial, así como otros problemas [14].
Estos múltiples módulos de software ponen en práctica diferentes estándares que pueden estar presentes en el sistema de radio. El sistema puede usar e interpretar diferentes funciones, dependiendo del módulo de software que vaya ha ser utilizado. De acuerdo a estos módulos, se ejecutan nuevas características de servicios que podrían ser descargados del aire sobre los equipos portátiles. Este tipo de flexibilidad ofrecida por los RDS evita estar ligado a problemas debidos a los distintos estándares y a resultados relacionados con las características de despliegue de nuevos servicios.
El RDS es un ejemplo de tecnología de radio que presenta un gran potencial para los servicios de comunicaciones inalámbricas, sobre todo para la 3G, existiendo un gran interés en la implementación de arquitecturas de radios definidos por software en proyectos que necesitan diferentes interfaces en su infraestructura. En este sentido, todos los sistemas de 3G son aplicaciones potenciales de la tecnología RDS. Esta tecnología tiene el potencial de solucionar muchos de los problemas provocados por la aparición de nuevas interfaces aéreas. Las estaciones base y las terminales pueden usar arquitecturas RDS, para poder soportar múltiples interfaces de aire durante periodos de transición y así poder fácilmente ser actualizadas por medio de software.
2.3 La tecnología RDS
Los sistemas de comunicaciones móviles actuales están diversificados en varios estándares, limitando el área de atención de sus terminales, cuya compatibilidad depende del propio hardware. En este contexto surge la necesidad de producir radios con alto nivel de flexibilidad, capaces de adaptarse a los diferentes estándares existentes. El objetivo es garantizar su interoperabilidad a través de simples actualizaciones del software. La reconfigurabilidad del sistema es la principal meta de esta tecnología definida como RDS. Por tanto, con la funcionalidad de esta tecnología RDS, se busca que los sistemas converjan a una total interoperabilidad.
El grado de reconfigurabilidad necesario para determinar si un radio califica como un radio definido por software se encuentra relacionado con la interacción compleja entre un número de problemas comunes en cuanto al diseño del radio. Estos pueden incluir la ingeniería de sistemas, factores de forma de antena, electrónica de RF, procesamiento en banda base, velocidad y reconfigurabilidad del hardware, así como la administración de suministro de potencia. Un radio que define en software su modulación, corrección de error, proceso de encriptación, exhibe algún control sobre el hardware de RF, y puede ser reprogramado, es entonces claramente un radio definido por software. Por lo tanto éste exhibe cierta flexibilidad a través de software mientras hace uso de una plataforma de hardware común, ya que configura el radio a través de la programación del software y como consecuencia reconfigura el hardware físico [15][16].
módulos de RF (diferentes sistemas de radio). Por lo anterior, puede decirse que el gran desafío para los RDS, tal vez el mayor de ellos, es igualar la eficiencia de las soluciones que presentan los radios basados únicamente en hardware. Además, se debe proveer la flexibilidad e inteligencia que el software puede ofrecer, lo que permitiría cambiar la funcionalidad del radio, posiblemente en tiempo real y en algunos procesos, de cierto modo garantizaría una calidad de servicio deseada (QoS).
El RDS por tanto, ofrece la solución ideal para que sobre un equipo único se puedan tener varios estándares, bandas de frecuencia y aplicaciones. Tales equipos pueden ser programados, configurados y mejorados por software. Con un RDS un usuario podría tener acceso a todos estos estándares y/o tecnologías por medio de la selección y/o ajuste de algunos módulos de software. El sistema RDS ha generado un gran interés en la industria de las comunicaciones inalámbricas por el alcance económico y los beneficios de despliegue que ofrece.
Figura 2-1. Diagrama genérico de un radio definido por software (RDS).
Algunas de las principales características de esta tecnología son las siguientes:
Reconfigurabilidad: el RDS permite la existencia simultánea de múltiples módulos
Conectividad Ubicua: una de las principales metas para el futuro de los sistemas de telecomunicaciones es conseguir una conectividad ubicua la cual se refiere a la capacidad que tiene el usuario para acceder transparentemente a cualquier servicio, en cualquier lugar y en cualquier momento, lo que permite fácilmente la realización del roaming mundial. Si la terminal es incompatible con la tecnología de red en una región particular, entonces es necesario instalar un módulo de software apropiado (posiblemente desde el aire) en el equipo portátil que permita el acceso de conexión transparente a través de diferentes áreas geográficas. Si el equipo portátil usado por el suscriptor es de un modelo anterior, la infraestructura del equipo puede emplear un módulo de software que utilice también estándares anteriores que le permitan comunicarse con el equipo portátil. Lo que hace esta tecnología es facilitar la realización de sistemas de radio de arquitectura abierta.
Multifuncionalidad: que es la capacidad de reconfiguración de un RDS para
soportar una variedad casi infinita de capacidades de servicio en un sistema.
Movilidad mundial: la necesidad de transparencia, así como la capacidad de los
radios para operar con algunos o preferentemente con todos los estándares en diferentes regiones geográficas del mundo, ha influenciado el crecimiento del concepto de radio definido por software.
Compactación y eficiencia de uso de potencia: la propuesta de RDS ofrece
diseños compactos, lo que permite un manejo eficiente de la potencia, especialmente cuando el número de sistemas incrementa.
Facilidad de manufactura: la digitalización de la señal antes de entrar en la cadena
del receptor puede resultar en un diseño que incorpora significativamente pocas partes, lo que da como consecuencia un inventario reducido para el fabricante.
Facilidad de actualización: durante el despliegue, los servicios requieren
actualizarse o en su caso deben introducirse nuevos servicios. Tales cambios se deben realizar sin la interrupción de la operación de la infraestructura actual [15][16].
Las estaciones base que tienen tecnología RDS permiten fácilmente poner en práctica nuevos sistemas de comunicación y corregir fallas de un equipo con el uso de un algoritmo que permita, compensar la atenuación y/o manejar la dirección y la forma del haz radiado con el uso de un arreglo de antenas inteligentes, todo esto controlado por software. Para realizar ésta aplicación se debe generar un procedimiento de programación del software, que configura los componentes de los sistemas de comunicaciones, que permita modificar fácilmente los programas y así realizar la conexión con otros componentes.
2.4 Arquitectura del radio definido por software
En el diseño convencional del radio, los algoritmos de procesamiento de señal en banda base y el control del software son programados al momento de fabricación. En el RDS deben estar disponibles mecanismos eficientes y confiables que permitan al nuevo software descargarse e instalarse en el equipo de radio. Para que sea realizado con éxito debe disponerse de arquitecturas apropiadas de hardware y software, así como sus interfases correspondientes.
La arquitectura del software es una consideración importante para asegurar la mantenibilidad, expandibilidad, compatibilidad y escalabilidad para los RDS. Idealmente la arquitectura debería permitir al hardware independencia a través del uso apropiado de software intermedio (middleware), el cual sirve como una interfase entre el software orientado a aplicaciones y la capa de hardware. El software necesita estar informado de las capacidades del hardware en ambos extremos del enlace de comunicación para asegurar la compatibilidad y hacer el máximo uso de los recursos de hardware.
Figura 2-2. Configuración básica de la arquitectura de hardware para un radio definido por software.
microprocesadores ofrecen máxima flexibilidad, un alto consumo de potencia y tasas de cálculo más bajas, mientras que los ASICs proporcionan una mínima flexibilidad, bajo consumo de potencia y tasas de cálculo más altas, los FPGAs, por el otro lado, se encuentran entre las características de un ASIC y un DSP. La selección de los elementos del núcleo de cálculo, depende de los algoritmos y de sus requerimientos de cálculo y rendimiento total. En la práctica un RDS usará los 3 elementos de núcleos de cálculo, aunque la línea de división entre la implementación de las opciones para una función específica dependa de una aplicación particular. En la figura 2-2 se muestra la configuración básica de la arquitectura de hardware para un Radio Definido por Software [10]. Una de las principales características de esta tecnología, como puede verse en la figura, es el uso de una infraestructura de hardware común a todos los bloques de procesamiento de la señal. Es decir, que independientemente del estándar o sistema de comunicación en el que opere el radio, el hardware seguirá siendo el mismo, y los ajustes que sean necesarios serán realizados únicamente a través de software. La configuración de esta arquitectura básica consiste de ocho unidades:
Unidad de Antena. Se requiere una antena omnidireccional, de baja pérdida y de
banda ancha, debido a que pueden ser usadas por una variedad de sistemas de comunicaciones inalámbricas.
Además, la tecnología de procesamiento de señales basada en arreglos de antenas hace posible seleccionar el funcionamiento del RDS de acuerdo a la aplicación y realiza la selección óptima del algoritmo de procesamiento. El software de antena es capaz de realizar acceso múltiple por división de espacio (SDMA), en el cual la antena configura el haz en la dirección de los usuarios elegidos. El acceso múltiple se consigue cambiando la dirección del haz de la antena, o por cancelación de interferencia, en donde el software de antena configura la dirección hacia el usuario deseado o bien asigna nulos en la dirección de interferencias o de usuarios no deseados.
En la unidad de procesamiento de la señal de RF del transmisor (RFU), las señales vienen de la unidad de frecuencia intermedia (IFU) o de la unidad de banda base (BBU) y son convertidas a una banda de frecuencia más elevada, estas señales de RF son amplificadas y transmitidas a la unidad de antena. En el caso del receptor las señales recibidas por la unidad de antena se amplifican a un nivel constante que es conveniente para el procesamiento de la señal y son convertidas directamente hacia abajo a una banda de frecuencia intermedia FI o bien a banda base. El procesamiento de la señal de esta etapa se hace con un circuito analógico. La linealidad o eficiencia del amplificador de RF y el método de conversión a bandas de frecuencia más bajas en el receptor son puntos de análisis principales.
las señales de varios sistemas son recibidas en el receptor, la banda de frecuencia requerida se debe seleccionar usando un filtro.
En la unidad de conversión analógica a digital (ADC) y conversión digital a analógica (DAC), la señal digital de la unidad de banda base es convertida a una señal analógica usando un DAC, y transferida a una unidad de banda de frecuencia superior (IFU o RFU). En el receptor las señales de la IFU o de la RFU se amplifican a un nivel adecuado para el ADC. La señal estabilizada es entonces muestreada por un ADC y enseguida convertida a una señal digital.
La unidad de procesamiento de la señal de banda base (BBU), en esta unidad los
datos se modulan digitalmente y se transfieren a la unidad ADC/DAC del transmisor. Los datos transmitidos se recuperan a través del uso de la señal muestreada de la unidad ADC/DAC y usando el procesamiento de señal digital en el receptor. En la BBU del transmisor, los bloques referidos a la trama, codificación, mapeo/modulación y el filtro de transmisor son los bloques clave. Por otra parte, en la BBU del receptor los bloques como el filtro receptor, código y sincronización de símbolo, tasa de conversión de muestreo (remuestreo), demapeo/demodulación y bloque de decodificación son claves en esta sección. Además, en ésta sección se encuentran el bloque de compensación de atenuación (ecualización) y el bloque de eliminación de interferencia para eliminar las señales no deseadas. En la mayoría de los casos, la BBU está configurada por varias unidades DSPH (hardware de procesamiento de señales digitales) tales como DSP, FPGA o ASIC. La configuración de las BBUs puede ser modificada cambiando el DSPS (software de procesamiento de señales digitales).
En el caso del transmisor la unidad de control de transmisión (TCU) configura el formato de flujo de bits de entrada a la BBU a través del ajuste del protocolo de transmisión de la capa de control de acceso al medio MAC), y en el caso del receptor, los datos detectados de la BBU son verificados de acuerdo al formato de datos del protocolo de transmisión de la capa MAC. Si el número de errores de bit en los datos detectados es grande, se requiere entonces una retransmisión. Además de éste control de transmisión, esta unidad maneja también tareas de codificación. En la mayoría de los casos, la TCU se puede configurar a través de una serie de DSPHs, y todos los bloques componentes podrían también ser descritos usando DSPS. A través de la modificación del DSPS, la TCU puede configurar el protocolo de transmisión a conveniencia del usuario.
La unidad de procesamiento de entrada/salida (IOU). En la estación móvil, todos
Figura 2-3. Arquitectura de un RDS.
La unidad de procesamiento de temporización extremo a extremo (TPU)
controla el retraso de transmisión entre el transmisor y el receptor. En la mayoría de los RDS, se usan varios programas de software, los cuales describen todos los componentes de telecomunicaciones dentro de los lenguajes usados por el DSPS, y estos lenguajes se usan para configurar los componentes sobre la unidad DSPH. Este software puede fácilmente modificarse para adaptar los requerimientos de un sistema particular [10].
Como puede verse en la figura 2-3, una de las tareas principales que se realizan en la parte de software de un RDS es la codificación de canal. Este trabajo se enfoca a desarrollar módulos de software que implementa técnicas de control de error sobre dispositivos lógicos programables.
2.5 Dispositivos de lógica programable
Los dispositivos de Lógica Programable son circuitos digitales cuya función interna puede ser modificada a voluntad. Esta funcionalidad los diferencía de los circuitos lógicos tradicionales donde la función que realiza el circuito viene predefinida de fábrica. La posibilidad de definir a posteriori la función a implementar entrega al usuario mucha mayor flexibilidad para construir diseños más complejos con mayor integración y a un menor costo.
años. En la figura 2-4 se presentan distintos dispositivos lógicos, desde sus formas más primitivas, hasta sus formas más avanzadas.
Figura 2-4. Estructura interna de distintos dispositivos lógicos.
En esta figura sin entrar en mayores detalles, se observan las diferencias fundamentales entre las distintas tecnologías desarrolladas. Primero existiendo los circuitos digitales normales, cuyo desarrollo ya consiste en toda una proeza tecnológica. En 1968 se inició la producción de circuitos digitales construidos empleando la tecnología CMOS, que finalmente permitió el crecimiento exponencial de los sistemas digitales, que siguen empleando esta tecnología de fabricación. Véase el inciso a) de la figura 2-4.
Primero se sub-utilizan los recursos pues mucha de la información almacenada probablemente es redundante, y segundo, están limitadas a definir un mapa fijo. La arquitectura de las memorias además hace que la velocidad de lectura sea notablemente más lenta que un circuito digital especializado. Véase el inciso b) de la figura 2-4.
Ya en 1970 se empezaron a producir las primeras versiones de circuitos lógicos reprogramables, constituidos por arreglos de compuertas AND y OR interconectables, que permiten definir funciones lógicas simples, con un bajo costo de compuertas y alcanzando mayores velocidades de propagación entre la entrada y la salida. A esta generación corresponden las conocidas PAL (programmable array logic) y GAL (general array logic). Véase el inciso c) de la figura 2-4.
Cabe notar que, por su propósito, los dispositivos de lógica programable están asociados a la tecnología de memorias. Así, existen variantes de dispositivos que sólo pueden ser programados una vez (antifuse) o bien que pueden ser reprogramados una infinidad de veces (VRAM “volatile random access memories”). Hoy en día la elección dependerá de la aplicación deseada.
Aunque muy útiles y versátiles, la tecnología de las SPLD estaba limitada a definir funciones simples, en una forma fija. Esta solución además escalaba mal a medida que el número de pines de entrada salida aumentaba. Cerca del año 1985 surgió la tecnología de las CPLD que permitía resolver estos problemas. En las CPLD se consta de una serie de SPLD las cuales pueden ser interconectadas internamente. Aunque emplean una mucho mayor cantidad de transistores (asociada a nuevas tecnologías de integración), estos dispositivos abrieron una nueva gama de aplicaciones al permitir definir sistemas lógicos mucho más complejos. Véase el inciso d) de la figura 2-4.
La última etapa de desarrollo corresponde a la arquitectura de las FPGA (“Field Programmable Gate Array”). Empleando las nuevas tecnologías de fabricación de circuitos, con un mayor número de compuertas, estos dispositivos permiten definir no tan sólo mapas de entrada salida y sistemas lógicos simples, sino que dan paso a la construcción de prácticamente cualquier tipo de aplicaciones [22].
La arquitectura de las FPGA se caracteriza por distribuir recursos lógicos programables y no programables en distintas áreas del chip, y definir recursos para interconectar estas distintas subunidades. Véase el inciso e) de la figura 2-4.
2.6 FPGA en el desarrollo de un radio definido por software
infraestructura inalámbrica. Todo esto llevaría a cumplir el objetivo principal del RDS que es proveer flexibilidad y bajo costo en los servicios.
Todo esto se debe a que las tecnologías inalámbricas actuales y futuras se caracterizarán por.
Una alta tasa de datos.
Un mejoramiento de la eficiencia espectral, lo que resultaría en tener más usuarios en el mismo ancho de banda.
Para lograr lo antes mencionado se necesita un incremento en los requerimientos del procesamiento digital de señales que superen las ganancias que pueden ser hechas por arquitecturas multiprocesadores DSP. Por lo cual se necesita la potencia de procesamiento en paralelo en hardware que las FPGAs y los ASICs proveen.
AÑO REQUERIMIENTOS DE MERCADO
2000 Voz sobre IP.
2001 HDTV, MPEG4
2002 Voz sobre IP, Video bajo demanda
2003 Tecnología inalámbrica 3G (WCDMA, Internet
inalámbrico)
2004 Tecnología inalámbrica 4G (Codificación espacio tiempo,
codificación de canales adaptativos
……. Estándares de banda ancha.
Tabla 1-1. Requerimientos de mercado en procesamiento digital de señales.
0 500 1000 1500 2000 2500
BILLONES DE MACs
2000 2001 2002 2003 2004 …..
AÑO
Requerimientos de mercado
Como puede verse en la figura 2-5 con el paso del tiempo las tecnologías que van surgiendo requieren una mayor capacidad de procesamiento digital de señal, esto se ve reflejada en las unidades MAC (“Multiplier Accumulator”, Acumuladora de Productos) que se requieren para lograr su funcionamiento [24][25].
En la figura 2-6 se muestra una unidad MAC convencional en un DSP, siguiendo la arquitectura Von Neumann. En esta arquitectura puede verse claramente que para realizar una implementación en donde se necesiten 256 operaciones MAC este algoritmo tendría que repetirse 256 veces para realizar la operación de multiplicación e ir acumulando su resultado para poder mostrar al fin de este el dato obtenido.
Esto resulta en que los DSP tengan una arquitectura inflexible, esto debido a que solo pueden manejar de 1 a 4 unidades MAC dependiendo del modelo de DSP que manejemos. También como puede observarse en la arquitectura mostrada el procesamiento es en serie por lo que se limita la transferencia de datos por esta unidad.
Figura 2-6. Unidad MAC DSP, Arquitecura Von Neumann
Al contrario de las FPGAs la cual nos da una arquitectura flexible ya que en ella se encuentran recursos distribuidos DSP como registros, multiplicadores y memoria. Además de esto nos proveen de un procesamiento en paralelo lo cual maximiza la transferencia de datos como puede verse en la figura 2-7, en donde se muestra la misma operación de una unidad MAC pero en paralelo, ya que en un solo ciclo de reloj realiza 256 operaciones MAC, además de también soportar el procesamiento en serie.
Como puede verse es muy grande la diferencia entre el manejo de operaciones MAC en un DSP y una FPGA y debido a los requerimientos en ancho de banda que se mencionan anteriormente, los dispositivos ideales para la implementación de RDS son las FPGA. En la figura 2-8 se muestra la capacidad de procesamiento que ofrecen los DSP y las FPGA, en esta figura se ve claramente la diferencia y la capacidad de las FPGA contra los DSP.
Figura 2-8. Comparativo de la capacidad de procesamiento de FPGA y DSP.
El uso de FPGAs en las estaciones base nos darían como resultado: Una muy alta velocidad en procesamiento de señales
¾ Muchos canales pueden ser procesados al mismo tiempo.
¾ Una velocidad de procesamiento mayor que la de un procesador DSP. Corrección de Error hacia delante (FEC)
¾ Multiples canales.
¾ Implementación de diferentes códigos, (Cíclicos, Convolucionales, Reed-Solomon (BCH), Viterbi, Turbocódigos).
Funciones de control y conexión.
¾ Conexión de procesadores ASICs y memorias.
Interfaces adaptativas a diferentes estándares de trabajo en red.
¾ Minimiza el cambio en el diseño de sistemas para productos que manejen diferentes estándares y protocolos de trabajo en red.
particular, el número de CLBs disponibles. A continuación se describen algunas de las características principales de las FPGA.
2.7 Estructura interna de las FPGA
Las FPGA son dispositivos de lógica reprogramable que se caracterizan por su gran flexibilidad y capacidad (máxima complejidad de los circuitos lógicos implementados).
En este documento nos centraremos en los dispositivos desarrollados por Xilinx, descartando compañías como Altera, Lattice, Actel, etc. Este sesgo se justifica por diversas razones. En primer lugar Xilinx domina fuertemente el mercado y la tecnología. En el año 2004 fue escogida por los consumidores como la empresa número 1 en dispositivos tipo FPGA. Xilinx ha sido la empresa lider en el desarrollo de la tecnología de las FPGA generando constantemente los productos de alta gama, rompiendo marcas de velocidad de compuertas, de capacidad de cómputo y generando arquitecturas innovadoras.
Además Xilinx provee el software IseWebPack que permite compilar diseños para los dispositivos reconfigurables de media y baja gama, así como también el software ModelSim en donde podemos analizar tanto las entradas como las salidas de nuestro diseño y por último, el software ChipScopePro que permite implementar el diseño en el dispositivo y comprobar los resultados del diseño.
La estructura macroscópica y los conceptos generales son los elementos importantes a retener en un área donde se generan nuevos productos cada diez meses. Estos conceptos son comunes a los distintos modelos y marcas de FPGAs.
Una FPGA es un dispositivo de lógica reconfigurable que es capaz de implementar prácticamente cualquier función deseada. Esto se logra a través de una arquitectura extremadamente flexible donde existen elementos básicos que realizan operaciones simples los cuales son interconectados entre ellos por una densa malla de conexiones. La gran cantidad de elementos básicos y la capacidad de interconectarlos arbitrariamente hacen que las FPGAs puedan fragmentar e integrar cualquier sistema digital. Evidentemente existen restricciones de capacidad y velocidad que hacen las FPGAs poco efectivas para ciertas aplicaciones, sin embargo, los avances técnicos, la flexibilidad y bajo costo convierten las FPGAs en alternativas económicamente viables [22].
