INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
TESIS
“
PROGRAMACIÓN DE CÓDIGOS CICLICOS PARA
APLICACIONES EN RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE
”
.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
PRESENTA:
C. ARENAS TENORIO OMAR
C. HERNÁNDEZ SIXTOS ANTONIO
ASESOR:
M. EN C. DAVID VÁZQUEZ ÁLVAREZ
MÉXICO D.F. 2009
AGRADECIMIENTOS
Primero que todo quiero intentar agradecer a toda mi familia, a mi madre Alicia, a mi abuela Alicia, a mi hermana Vanessa, a mi padre Hugo, y a mis sobrinos Miguel y Frida por todo su apoyo, por su comprensión y por todo lo han hecho y que continúan haciendo por mí. No hay palabras que me permitan expresar cuan profundo es mi agradecimiento. Solo puedo decirles que este logro no es solo mío, es de todos.
A mi abuelo Germán y a mi tío Miguel, definitivamente esto no hubiera sido posible sin ustedes, porque pese a no estar conmigo físicamente, su recuerdo me dio la fortaleza para no darme por vencido y para luchar por ser mejor persona. Hasta siempre.
A mi amigo Antonio, ya que este logro no hubiera sido posible sin tu apoyo incondicional, y no me refiero solo a este trabajo, sino a toda esta aventura que empezamos desde el primer día en estas aulas. También quiero agradecer a mis demás amigos Itzel, Hugo, Pancho, Wolf y JL, quienes siempre estuvieron cuando más los necesitaba, realmente ha sido un placer conocerlos y vivir esta gran aventura a su lado. No los cambiaría por nada.
A mi tutora Hilda, muchas gracias por tu apoyo, por tus consejos y por ser sobre todo una gran amiga. No tienes idea de lo mucho que te admiro, eres uno de mis más grandes ejemplos.
A mi asesor David, gracias por invitarme a participar en este proyecto del cual me siento muy orgulloso, y sobre todo, gracias por alentarme a siempre dar más.
A todos mis profesores, ya que de cada uno de ellos me llevo una valiosa enseñanza.
Quiero agradecer incondicionalmente a mis padres y a mi hermano, ya que siempre me han alentado a seguir adelante, a no darme por vencido y a superar todas las adversidades que se han puesto en mi camino.
Les quiero agradecer no solo por alentarme a terminar este proyecto sino también por educarme, apoyarme y aconsejarme con determinación a lo largo de mi vida, a encaminarme a tomar buenas decisiones, porque gracias a ellas, he llegado hasta donde estoy.
Sé que falta un camino muy largo por delante, pero sé, que con su apoyo y sus consejos todo será mucho más fácil de superar en la toma de decisiones, ya que, por encima de todas las cosas, somos un equipo.
A mi compañero de carrera y tesis, pero sobre todo amigo, Omar, ya que juntos logramos la culminación de este proyecto, que estoy seguro, será uno de tantos que lograremos consolidar juntos.
A mi asesor de tesis David, por exigirnos al máximo y a alentarnos a siempre dar ese plus que marca la diferencia.
ÍNDICE.
JUSTIFICACIÓN. ... 9
CAPÍTULO 1 “Evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas.” ... 10
1.1 Introducción. ... 10
1.2 Evolución de las comunicaciones móviles. ... 12
1.2.1 Primera Generación (1G)... 12
1.2.2 Segunda Generación (2G y 2.5G)... 12
1.2.2.1 TDMA IS-136. ... 13
1.2.2.2 CDMA IS-95. ... 13
1.2.2.3 GSM (Global System for Mobile communications). ... 13
1.2.2.4 2.5 G ... 13
1.2.3 Tercera generación (3G) ... 15
1.2.3.1 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). ... 16
1.2.3.2 CDMA y CDMA2000. ... 16
1.2.4 Cuarta generación (4G). ... 17
1.3 Tecnologías inalámbricas de banda ancha. ... 19
1.3.1 Wi Fi ... 19
1.3.2 Wi MAX ... 20
1.4 Evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas en México. ... 20
CAPÍTULO 2 “Concepto, arquitectura y aplicaciones del Radio Definido por Software.”23 2.1 Antecedentes ... 23
2.2 Arquitectura del Radio Definido por Software... 26
2.2.1 Dispositivos de Lógica Programable (PLD). ... 27
2.2.1.1 Procesador de Señales Digitales (DSP). ... 27
2.2.1.2 Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC). ... 27
2.2.1.3 Arreglos de Compuertas de Campo Programables (FPGA). ... 28
2.3 Aplicaciones del Radio Definido por Software. ... 32
2.3.1 Cuarta Generación (4G) ... 32
2.3.2 RDS militar y el Sistema de Radio Táctico Común (JTRS). ... 33
2.3.3 Redes de Acceso Inalámbrico de Ancho de Banda Fija (F-BWA). ... 33
2.3.4 Instrumentación sintética para pruebas de un sistema de radio de navegación con saltos de frecuencia. ... 34
2.3.5 Tarjetas de procesamiento de espectros por medio de Radio Definido por Software. ... 34
2.3.6 Dispositivo ASAP (Automatic Spectral Adaptation Protocol). ... 35
2.4 Ventajas del Radio Definido por Software. ... 35
CAPÍTULO 3 “Técnicas de control de error.”. ... 37
3.1 Introducción. ... 37
3.2 Códigos de bloque. ... 38
3.2.1 Códigos de bloque lineales. ... 38
3.2.1.1 Detección de errores. ... 40
3.2.1.3 Propiedades detectoras. ... 41
3.2.1.4 Probabilidad de no detectar un error. ... 42
3.2.2 Códigos cíclicos. ... 42
3.2.2.1 Códigos cíclicos sistemáticos. ... 43
3.2.2.2 Propiedades básicas de los códigos cíclicos. ... 43
3.2.2.3 Detección de errores en códigos cíclicos. ... 44
3.2.3 Códigos BCH. ... 45
3.2.4 Códigos de Chequeo de Redundancia Cíclica (CRC). ... 45
3.3 Codificación de códigos cíclicos. ... 46
3.3.1 Codificación basada en g(x). ... 46
3.3.2 Codificación basada en h(x). ... 46
3.4 Decodificador Meggitt. ... 47
CAPÍTULO 4 ”Dispositivos de lógica programable.” ... 51
4.1 Introducción. ... 51
4.2 FPGA (Arreglo de Compuertas Programables de Campo/ Field Programable Gate Array)52 4.3 Procesador Digital de Señales (DSP). ... 54
4.3.1 Arquitecturas Estándar en DSP. ... 54
4.4 Lenguajes de descripción de hardware (HDL). ... 55
4.4.1 VHDL. ... 59
4.4.1.1 Características. ... 59
4.4.1.2 Fundamentos del lenguaje. ... 60
4.4.1.3 Entidades y arquitecturas. ... 60
4.4.1.4 Bibliotecas y paquetes. ... 61
4.4.1.5 Configuraciones ... 62
4.4.2 Ventajas de VHDL para el diseño de sistemas digitales. ... 63
CAPÍTULO 5 “Simulación de algoritmos de códigos cíclicos. ”. ... 65
5.1 Código Cíclico (7,4). ... 66
5.2 Codificador y decodificador BCH (15,11). ... 71
5.3 Código Hamming (7,4). ... 74
CONCLUSIONES. ... 77
REFERENCIAS. ... 78
GLOSARIO. ... 80
ANEXO A. ... 85
ANEXO B. ... 92
ANEXO C. ... 101
ANEXO D. ... 108
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1.- Evolución de los suscriptores móviles y fijos. ... 11
Figura 1.2. Evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas. ... 11
Figura 1.3. Familia ITM-2000 ... 15
Figura 1.4.Cobertura de las comunicaciones móviles. ... 18
Figura 2.1 Evolución de los sistemas inalámbricos desde sistemas discretos analógicos hasta controladores de hardware por software. ... 24
Figura 2.2.- Vista del nivel más alto de la arquitectura de sistemas inalámbricos. ... 25
Figura 2.3 Configuración básica de la arquitectura de hardware para un radio definido por software. ... 29
Figura 2.4.- Diagrama Genérico de un sistema SDR. ... 30
Figura 2.5. - Diagrama de una red F-BWA. ... 33
Figura 3.1 Modelo Básico de Comunicación ... 37
Figura 3.2: Clasificación de la codificación de canales... 38
Figura 3.3: Circuito práctico de detección de error utilizando en Chequeo de Redundancia Cíclica. ... 45
Figura 3.4: Circuito práctico de codificación basada en g(x). ... 46
Figura 3.5: Circuito práctico de codificación basada en h(x). ... 47
Figura 3.6: Circuito práctico para el cálculo del síndrome para decodificador Meggitt de códigos cíclicos. ... 48
Figura 3.7: Circuito práctico del decodificador Meggitt de códigos cíclicos. ... 49
Figura 4.1 Arquitectura de una FPGA ... 53
Figura 4.2 Comparación de compuertas entre una FPGA y otros dispositivos. ... 53
Figura 4.3 Arquitectura de un DSP (Harvard). ... 55
Figura 4.4 Niveles de descripción, abstracción o caracterización de un circuito. ... 56
Figura 4.5 Componentes principales de una descripción en VHDL. ... 60
Figura 4.6 Símbolo y modelo de una compuerta and. ... 61
Figura 4.7 Biblioteca de componentes ... 62
Figura 4.8 Ejemplo de configuraciones. ... 63
Figura 5.1 Etapas generales de los algoritmos de codificación implementados. ... 65
Figura 5.10 a) Fragmento de la matriz corregida. b) Fragmento de la imagen de la matriz corregida. ... 70
Figura 5.16 a) Fragmento de la matriz mensaje recuperada. b) Fragmento de la imagen de la matriz mensaje recuperada. ... 70
Figura 5.17 a) Fragmento de la matriz mensaje original. b) Fragmento de la imagen de la matriz mensaje. ... 71
Figura 5.18 a) Fragmento de la matriz código original. b) Fragmento de la imagen de la matriz código. ... 71
Figura 5.19 a) Fragmento de la matriz código con errores. b) Fragmento de la imagen de la matriz código con errores. ... 72
Figura 5.20 a) Fragmento de la matriz recibida. b) Fragmento de la imagen de la matriz recibida. ... 72 Figura 5.21 a) Fragmento del la matriz de buffer. b) Fragmento de la imagen de la matriz
de buffer. ... 73 Figura 5.22 a) Fragmento de la matriz corregida. b) Fragmento de la imagen de la matriz
corregida. ... 73 Figura 5.23 a) Fragmento de la matriz mensaje recuperada. b) Fragmento de la imagen de la matriz mensaje recuperada. ... 74 Figura 5.24 a) Fragmento de la matriz mensaje original. b) Fragmento de la imagen de la
matriz mensaje. ... 74 Figura 5.25 a) Fragmento de la matriz código original. b) Fragmento de la imagen de la
matriz código. ... 75 Figura 5.26 a) Fragmento de la matriz código con errores. b) Fragmento de la imagen de la
matriz código con errores. ... 75 Figura 5.27 a) Fragmento de la matriz corregida. b) Fragmento de la imagen de la matriz
corregida. ... 76 Figura 5.28 a) Fragmento de la matriz mensaje recuperada. b) Fragmento de la imagen de la matriz mensaje recuperada. ... 76 Figura 5.3 a) Fragmento del la matriz mensaje original. b) Fragmento de la imagen de la
matriz mensaje. ... 66 Figura 5.4 Circuito codificador basado en h(x) para el código cíclico (7,4) ... 67 Figura 5.5 a) Fragmento de la matriz código original. b) Fragmento de la imagen de la
matriz código. ... 67 Figura 5.6 a) Fragmento de la matriz código con errores. b) Fragmento de la imagen de la
matriz código con errores. ... 68 Figura 5.7 a) Fragmento de la matriz recibida. b) Fragmento de la imagen de la matriz
recibida. ... 68 Figura 5.8 Circuito de un decodificador Meggitt. ... 69 Figura 5.9 a) Fragmento de la matriz de buffer. b) Fragmento de la imagen de la matriz de
buffer. ... 69 Fig. 1 a) Técnica Multiportadora Convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales
[3]. ... 112 Fig. 2. Configuración básica de la arquitectura de hardware para un radio definido por
software. ... 113
ANEXO E
Fig. 1 a) Técnica Multiportadora Convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales. ... 111 Fig. 2. Configuración básica de la arquitectura de hardware para un radio definido por
OBJETIVO GENERAL.
Desarrollar un algoritmo que simule un codificador y decodificador de códigos cíclicos para implementarlos en una tarjeta FPGA para aplicaciones de Radio Definido por Software.
OBJETIVOS PARTICULARES.
• Revisión de la evolución de las comunicaciones móviles.
• Revisión de la arquitectura de un Radio Definido por Software.
• Revisión de diferentes técnicas de control de error.
• Implementación de algoritmos en MATLAB para simular diferentes técnicas de
control de error.
• Utilizar el lenguaje VHDL para simular e implementar circuitos digitales con
JUSTIFICACIÓN.
En la actualidad el hombre moderno se ha envuelto en una serie de actividades en donde siempre busca la optimización de cualquier actividad, ya sea generando ganancias en tiempo, dinero, manufactura, materiales, etc. y para este tipo de “ahorros”, el hombre utiliza como mano derecha a la tecnología, debido a que el desarrollo de esta en las ultimas décadas ha tenido un impulso de manera impresionante, pues con estos adelantos se puede disfrutar de internet inalámbrico y de alta velocidad, de dispositivos mas delgados, mas rápidos, interfaces mas amigables e interactivas con el usuario, entre otras cosas.
Como consecuencia de la evolución de la tecnología, la constante creación y evolución de estándares para las comunicaciones móviles ha provocado la existencia de diversos problemas de incompatibilidad entre los diferentes estándares, ya que en la actualidad el desarrollo de las nuevas tecnologías padece de una enorme disparidad en relación a los países desarrollados (por ejemplo: Estados Unidos de América, Japón y Gran Bretaña) con respecto a los países subdesarrollados (como es el caso de México). La ventaja tecnológica de los países desarrollados ha traído como consecuencia que los estándares que llegan a los países subdesarrollados en algunos casos tengan los días contados con respecto a los nuevos estándares que se vienen desarrollando, o que inclusive, ya sean totalmente obsoletos, ocasionando conflictos en las comunicaciones móviles a nivel mundial.
CAPÍTULO 1
EVOLUCIÓN DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES E INALÁMBRICAS.
En este capítulo se explica la historia, la evolución y las características de cada una de las comunicaciones de móviles e inalámbricas que se han implementado a nivel internacional, y el desarrollo de estas mismas en México, también se hace mención de las diferentes generaciones de estándares de comunicaciones, abarcando desde la primera generación (1G) hasta llegar a la cuarta generación (4G). Se hace referencia a algunos indicadores del sector, para ilustrar la penetración que han tenido en los últimos años las comunicaciones móviles e inalámbricas en la población mundial.
1.1 Introducción.
Martin Cooper fue el pionero en la tecnología de las comunicaciones móviles, a él se le considera como "el padre de la telefonía celular" al introducir el primer radioteléfono, en 1973, en Estados Unidos, mientras trabajaba para Motorola; pero no fue hasta 1979 cuando aparecieron los primeros sistemas comerciales en Tokio, Japón por la compañía NTT.
En 1981, los países nórdicos introdujeron un sistema celular similar a AMPS. Por otro lado, en Estados Unidos, gracias a que la entidad reguladora de ese país, adoptaron reglas para la creación de un servicio comercial de telefonía celular, en 1983 se puso en operación el primer sistema comercial en la ciudad de Chicago.
Con ese punto de partida, en varios países se diseminó la telefonía celular como una alternativa a la telefonía convencional inalámbrica. La tecnología tuvo gran aceptación, por lo que a los pocos años de implantarse se empezó a saturar el servicio. En ese sentido, hubo la necesidad de desarrollar e implantar otras formas de acceso múltiple al canal de comunicaciones y transformar los sistemas analógicos a digitales, con el objeto de dar cabida a más usuarios.
Figura 1.1.- Evolución de los suscriptores móviles y fijos.
Como se menciono anteriormente, en los años 80 se desplegaron las primeras redes celulares de primera generación (1G), las cuales eran totalmente analógicas, la más popular de todas fue AMPS, en los años 90 se desplegaron las primeras redes de segunda generación (2G), las cuales eran digitales, algunas todavía se encuentran vigentes en muchos países alrededor del mundo principalmente países en vía de desarrollo. A finales de la década pasada se empezaron a desplegar redes de segunda generación y media (2.5G) y de tercera generación (3G), donde sobresale la transmisión de datos a alta velocidad, teniendo como principales protagonistas los operadores asiáticos, europeos y norteamericanos.
Figura 1.2. Evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas.
Recientemente, se ha visto la evolución de la segunda generación y los sistemas inalámbricos de la tercera generación, los cuales incorporan las características proporcionadas por la banda ancha. Además de la movilidad de soporte de banda ancha, que también se dirige a apoyar tráfico de multimedia, con la Calidad en Servicio (QoS).
Las redes de telefonía móvil basan su desarrollo en mantener una movilidad y una tasa de datos altas, pero no se puede considerar que superarán a las velocidades presentes
1995 2000 2005 2010
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Usuarios de telefonía móvil Usuarios de internet móvil
Usuarios de telefonía fija. Usuarios de telefonía móvil. Usuarios de internet fijo. Usuarios de internet móvil.
Año Us uar io s HAPS ITS HiSWANb LAN inalámbrica Onda inalámbrica. 4G celular 802.11a HiSWANb 3G celular IMT-2000 G S M Segunda generación. Tercera generación. Cuarta generación. Quinta generación.
N-ISDN B-ISDN Redes Gigabit
10Kbps 2Mbps 50 Mbps 156Mbps 622Mbps Tasa de datos
Alta (Vehiculo) Media (Caminando) Baja (Estático) Redes cableadas. M ovi li da d.
en las redes alámbricas, ya que al igual que las redes de telefonía móvil y las redes inalámbricas, estas también aumentan su tasa de datos con el paso del tiempo, logrando velocidades impresionantes [2].
1.2 Evolución de las comunicaciones móviles.
1.2.1 Primera Generación (1G).
La primera generación de las comunicaciones móviles celulares es caracterizada por los sistemas analógicos que evolucionaron a partir de 1978, con la instalación de un sistema piloto en Chicago. El padrón usado toma el nombre de AMPS y opera en la banda de 800 MHz. En Japón el sistema AMPS fue lanzado al mercado en 1979 y en los Estados Unidos entro al mercado en 1983. Los países europeos a la par desarrollaron una tecnología conocida como NMT que opera en la banda de 450 MHz, y que entro al mercado en 1981. Posteriormente, una nueva versión de NMT fue desarrollada para operar en la banda de 900 MHz, que tomo el nombre de NMT900. Inglaterra en 1985, introdujo una nueva tecnología conocida como TACS operando en la banda de 900 MHz, y que es básicamente una versión modificada de AMPS.
AMPS fue desplegado en Chicago, con un área de servicio de 2100 millas cuadradas, ofreció 832 canales, con un índice de datos de 10 kbps. Aunque las antenas omnidireccionales fueron utilizadas en la puesta en práctica anterior de AMPS, fue observado que usar las antenas direccionales rendiría una reutilización mejor de la célula. En hecho, el factor más pequeño de la reutilización que satisface el cociente de señal-interferencia es de 18db que usa las antenas direccionales.
Los sistemas analógicos tuvieron gran suceso, lo que proporcionó un grande numero de usuarios, de modo que la capacidad del sistema se torno limitada, principalmente en las áreas metropolitanas, lo que origino cabidas o bloqueos de llamadas.
1.2.2 Segunda Generación (2G y 2.5G).
La necesidad de incrementar la capacidad en los sistemas de comunicaciones móviles celulares y dar mayor seguridad a la comunicación de cada usuario del sistema, llevó al desarrollo de una segunda generación totalmente digital. La principal diferencia entre la primera y la segunda generación de los sistemas móviles celulares es que los sistemas de primera generación usan señalización analógica FDMA en la interfaz aérea, mientras que comparado a los sistemas de primera generación, los sistemas de segunda generación (2G) utilizan tecnología múltiple digital del acceso, tal como TDMA y CDMA. El sistema global para las comunicaciones móviles, o el GSM, utiliza tecnología de TDMA para apoyar a usuarios múltiples; ambas tecnologías de 2G modulan la señal de tráfico sobre un canal de radio frecuencia (RF).
1.2.2.1 TDMA IS-136.
El primer sistema basado en TDMA, también conocido como D-AMPS. El padrón
IS-136 es una versión desarrolladade IS-54 y utiliza división de tiempo multiplexando las
transmisionesdel canal de voz y de control. El canal de control digitalpermitió la creación
de micro células para dar cobertura residencialy en edificios.
1.2.2.2 CDMA IS-95
.
La tecnología CDMA fue considerada como un servicio de comunicaciones móviles comercial, y como una tecnología viable a finales de 1989. Posteriormente fue estandarizada como IS-95A y su actualización como IS-95B. Se caracteriza por la gran capacidad de potencia comparada con AMPS, como la calidad de voz y un sistema de planificación muy simplificado, trabaja en todas las bandas: 800, 900, 1800 y 1900 MHz.
1.2.2.3 GSM (Global System for Mobile communications).
En Europa, cada país desarrollo su propio sistema analógico, limitando a las operadoras dentro de las fronteras nacionales. El viajar y mantener la comunicación de un país a otro era muy conveniente debido a la proximidad de los países, por lo que vieron la necesidad de la existencia de un sistema digital centralizado. Concordaron que un sistema digital habilitaría un roaming global entre países mejorando las características y la capacidad de los sistemas analógicos. En 1982 en la CENT comenzaron con el desarrollo
de este sistema, esta organización estableció un grupo llamado “Group Special Mobile”.
Este grupo desarrollo un estándar digital. Luego en 1989 se creó el ETSI, y bajo la dirección de este instituto fue aprobada la primera especificación técnica y la tecnología obtuvo el mismo nombre del grupo que originalmente comenzó su desarrollo “GSM”. GSM fue un suceso, y muchos países europeos lanzaron esta tecnología. GSM utiliza una variación del acceso múltiple TDMA y en la actualidad es la más utilizada de las tres tecnologías de 2G a nivel mundial. Inicialmente operaba en las bandas de frecuencia de 900MHz, 1800MHz y 1900MHz usada por los PCS’s, y en la actualidad se encuentra operando también en la banda de 800 MHz en el mercado de América Latina y el Caribe [3, 4].
1.2.2.4 2.5 G
WAP define como las paginas Web y los datos similares se pueden transportar en canales inalámbricos de ancho de banda limitada a las pantallas pequeñas que son construidas en los nuevos teléfonos móviles. En la siguiente capa de nivel bajo, GPRS se encarga de proporcionar el soporte IP a la infraestructura GSM existente. GPRS proporciona medios para agregar los canales de radio para un ancho de banda de datos más alta y los servidores adicionales requeridos para sacar los paquetes de datos del tráfico en los circuitos existentes de GSM [1].
A continuación se presenta una tabla con una breve reseña de cada una de las tecnologías de transporte desarrolladas en las generaciones 2G y 2.5G
Tabla 1.1.- Tecnologías de transporte desarrolladas en las generaciones 2 y 2.5.
Tecnología de transporte
Descripción Uso típico / Velocidad de transmisión de datos Ventajas y desventajas.
TDMA Acceso múltiple por división de tiempo, es una tecnología de 2G. Voz y datos hasta una velocidad de 9.6 Kbps Consumo bajo de batería, su forma de transmisión y su velocidad es mínima en diferencia con la de las tecnologías 3G.
GSM Sistema global para comunicaciones móviles, es una tecnología digital de 2G.
Voz y datos. Este sistema europeo utiliza
frecuencias 900 MHz y 1.8 GHz. En EUA opera a 1.9 GHz en la banda PCS hasta 9.6 Kbps.
Popular, roaming mundial en alrededor de 180 países, pero ofrece un servicio de mensajes cortos, solo puede enviar mensajes de hasta 160 caracteres de longitud.
GPRS
Paquete General de Radio Servicio es una tecnología de la generación 2.5G, soporta paquetes de datos.
Velocidad de transmisión de datos hasta 115 Kbps. La red inalámbrica GPRS de AT&T transmitirá datos desde 40Kbps hasta 60Kbps.
No limita los mensajes a 160 caracteres de longitud como lo hace GSM SMS.
EDGE Ambiente Realzado de Datos, es una red digital de tercera generación. Datos hasta 384Kbps.
Posiblemente una solución temporal para operadores que no soportan licencias W-CDMA.
CDMA
Acceso Múltiple por División de Código es una tecnología de segunda generación desarrollada por Qualcom que esta evolucionando a tercera generación.
Voz y datos con velocidad de 14,4 Kbps.
Aunque solamente detrás de TDMA en el número de suscriptores, esta tecnología en rápido crecimiento tiene mayor capacidad que TDMA.
W-CDMA (UMTS)
CDMA de banda ancha (conocida también como Sistema de
Comunicaciones Móviles Universal - UMTS) es una tecnología de tercera generación
Voz y datos. UMTS fue diseñada para ofrecer velocidades por lo menos de 144 Kbps para usuarios en vehículos en rápido movimiento.
Incrementa de capacidad y mayor cobertura con hasta 8 veces mas de trafico por portadora que CDMA, su velocidad de transferencia es mayor, tiene múltiples servicios en cada terminal móvil.
CDMA 2000 1xRTT
Es una tecnología de tercera generación, 1xRTT es la primera fase de CDMA 2000.
Voz y datos, velocidad hasta 144 Kbps
Los autores dicen que la migración de TDMA es más simple con CDMA 2000 en lugar de W-CDMA, y que el uso del espectro es más eficiente. Pero W-CDMA probablemente sea más común en Europa.
CDMA 2000
1xEV-DO Entrega datos en un canal separado.
Velocidad de trasmisión de datos hasta 2.4 Mbps
Permite enviar y recibir emails de gran tamaño, jugar en tiempo real, recibir imágenes y videos de alta resolución, y conectarse con los equipos de oficina de forma inalámbrica.
CDMA 2000
1xEV-DV Integra voz y datos en el mismo canal.
Voz y datos a una velocidad de hasta 3.1 Mbps.
1.2.3 Tercera generación (3G)
Con el desarrollo de la telefonía móvil y del internet se han creado nuevas necesidades de servicios de comunicación de datos, tales como, multimedia, e-mail, comercio electrónico, etc., creando un nuevo escenario para las comunicaciones inalámbricas, aproximándolas al mercado de las comunicaciones fijas.
En un esfuerzo para estandarizar las futuras comunicaciones digitales móviles nacen los sistemas de 3G que tienen como objetivo garantizar el intercambio de información de voz y de servicios de datos con altas tasas de transmisión y con alta calidad entre terminales móviles y fijas, que pueden estar localizadas en cualquier parte del mundo, interactuando
con servicios de redes fijas, sobre la base del protocolo de internet IP (Internet Protocol)
utilizando la misma terminal.
En 1992, la ITU promovió una reunión que tuvo como mayor objetivo, la creación de un gran comité de trabajo, cuya finalidad principal era la elaboración y normalización de una nueva tecnología que sería la base para el tan deseado padrón mundial para 3G, llamado IMT-2000.
Los principales atributos de IMT-2000 son: la compatibilidad mundial para
servicios dentro del sistema y con las redes fija, alta calidad, posibilidad de “roaming”
global y capacidad de aplicaciones multimedia con alta gama de servicios [1, 5].
[image:16.612.133.481.462.674.2]Con el objetivo de proporcionar un foro, dentro del cual pudieran colaborar las diversas organizaciones, se establecieron dos en especifico, 3GPP y 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2), con lo que la familia IMT-2000 se puede ilustrar como se muestra en la siguiente figura:
Figura 1.3. Familia ITM-2000
y en Asia fue establecido el termino UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) para la propuesta WCDMA. De las cinco propuestas seleccionadas, WCDMA y CDMA2000 son las tecnologías que ya han sido implementadas en la actualidad.
En CDMA la señal numérica de una anchura de banda más amplia puede llevar a un código ortogonal único. W-CDMA utiliza la multiplexación dedicada de la división del tiempo (TDM) por lo que de la información la valoración del canal aun esté recogida de otra corriente de la señal.
Para dejar claras las ventajas de la evolución de los sistemas digitales de comunicaciones móviles, en la tabla 1.2 se presenta una comparación de algunas características de los sistemas de 2G, 2.5G y 3G [3].
Tabla 1.2. Comparación de generaciones de comunicaciones móviles.
Características 2G 2.5G 3G
Aspectos
• Llamadas telefónicas. • Correo de voz. • Recepción de
mensajes cortos
• Llamadas telefónicas. • Correo de voz. • Recepción de mensajes
largos.
• Navegación en la Web. • Localización y
mapeamiento.
• Llamadas telefónicas. • Cobertura global. • Correo de voz.
• Recepción de mensajes largos y e-mail.
• Navegación en la Web en alta velocidad.
• Videoconferencia.
• Localización y mapeamiento. Velocidad. 10Kb/s 64Kb/s - 144Kb/s 144Kb/s – 2Mb/s
Tiempo de descarga de
un archivo formato MP3 de 3 minutos.
31 a 41 minutos. 6 a 9 minutos. 11 segundos a 1.5 minutos.
1.2.3.1 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS).
El UMTS se refiere comúnmente a un sistema de tercera generación. UMTS emplea una arquitectura de red atmosférica, basada de conmutación y proporciona los servicios para los suscriptores móviles y fijos por procedimientos del campo común. La arquitectura de UMTS está partida en redes de conmutación, redes de control (servicio), y redes de acceso.
1.2.3.2 CDMA y CDMA2000.
CDMA se basa en tecnología de IS-95A; IS-95B mejora esta tecnología más lejos proporcionando tasas de datos más altas para el paquete y los datos con conmutador de circuito de CDMA, de tasas de datos hasta 115 kbps.
Esta evolución continúa con CDMA2000, que es la versión de la tercera generación de IS-95. Este nuevo estándar se desarrolla para apoyar servicios de la tercera generación.
1.2.4 Cuarta generación (4G).
El objetivo del 3G era desarrollar un nuevo protocolo y nuevas tecnologías para llevar más allá la experiencia móvil. En contraste, el nuevo marco 4G que se establecerá intentará lograr nuevos niveles de la experiencia al usuario y de la capacidad del multiservicio integrando todas las tecnologías móviles que existen (por ejemplo, GSM, GPRS, IMT-2000 - las comunicaciones móviles internacionales, Wi-Fi, Bluetooth, etc.). A pesar de diversos acercamientos, cada uno tiene diferentes visiones de la plataforma futura 4G que se encuentra actualmente bajo investigación.
Los objetivos principales de las redes 4G se pueden indicar en las características siguientes:
• Ubicación.
• Plataforma multiservicio.
• Tasa de bits.
Ubicación.- Se refiere a que las nuevas redes móviles estén disponibles para el usuario en cualquier momento, donde quiera que este se encuentre. Para cumplir con este objetivo, tanto servicios como tecnologías deben estandarizarse a nivel mundial. Además los servicios que se pondrán en ejecución deben estar disponibles no solamente para los seres humanos como ha sido la regla en sistemas anteriores, sino también para todo aquello que necesite ser comunicado.
Plataforma multiservicio.- Es una característica esencial de la nueva generación móvil, no sólo porque es la razón principal de la transición, sino que también porque dará a operadores de las telecomunicaciones acceso a nuevos niveles de tráfico.
Tasa de bits.- Es un requisito esencial en un panorama donde los altos volúmenes de datos están siendo transmitidos sobre redes móviles. Con las actuales tasas de bits, no es posible establecer el mercado para las aplicaciones de alta demanda que transmiten altos volúmenes de datos; mientras que las redes de tercera generación ofrecen accesos hasta de 384 Kbps, con picos de hasta 2 Mbps (con los que podría manejar servicios de audio, datos e imágenes), las redes de cuarta generación ofrecen accesos realmente multimedia, en las que podrá manejarse la transferencia de video en tiempo real, con velocidades equivalentes a las de una LAN básica (10 Mbps) y mayores.
Figura 1.4.Cobertura de las comunicaciones móviles.
Para poder utilizar las redes móviles 4G un nuevo tipo de terminales móviles deberán ser concebidas. Las terminales que se deben adaptar a las múltiples redes móviles, cada uno con diversos protocolos y tecnologías. La autoreconfiguración también será necesaria de modo que los terminales puedan adaptarse a los diversos servicios disponibles.
Esta adaptación puede implicar que debe descargar software que permita la configuración de las redes. Por otra parte las terminales deben poder elegir cual de todas las redes móviles esta disponible para utilizar con un servicio específico.
La movilidad de terminales será un factor clave para el éxito de las redes de la cuarta generación. Esto implica que el roaming entre diferentes redes debe ser automático y transparente para el usuario.
Los factores que pueden influir en el desarrollo de las redes de cuarta generación son, entre otros:
• El auge del internet, que cada vez se utiliza más por medios inalámbricos.
• La proliferación de asistentes digitales personales y computadoras personales de
bolsillo.
• La disponibilidad de servicios de valor añadido 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 cuarta 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 la parte de transporte de la RUM (probablemente en esta red
no se usen más números de abonado sino direcciones de red).
• La tecnología de antenas adaptativas e inteligentes (para aprovechar la dimensión
espacial de los métodos de acceso al medio).
M
ov
ilida
d.
Maneja
Camina
Fijo
Fijo Móvil
Ex
te
ri
or
In
te
ri
or
PAN 3G
WLAN (4G)
LAN
2G
0.1 1 10 100 1000 HiperLAN
IEEE802.11a
• La tecnología de modulación/transmisión inalámbrica de multicanalización en frecuencia con portadoras ortogonales OFDM (para lograr una eficiencia espectral óptima).
• La tecnología de radios programables (“Software Radios”), la cual permitirá que
una terminal móvil pueda hacer conectarse desde una célula perteneciente a un tipo de red, hacia otra célula perteneciente a una red con tecnología inalámbrica diferente.
• La tecnología de redes locales inalámbricas (WLAN’s) de banda ancha (que
brindarán el acceso a la RUM al usuario móvil) [5].
La infraestructura y las terminales de 4G tendrán casi todos los estándares de 2G a 4G puestos en ejecución. Aunque los sistemas de herencia están en el lugar para adoptar a usuarios existentes, la infraestructura para 4G será basada solamente en IP. Algunas ofertas sugieren tener una plataforma abierta donde las nuevas innovaciones y evoluciones puedan caber. Las tecnologías que se pueden considerar como pre-4G son los siguientes: WiMax, WiBro, iBurst, evolución a largo plazo 3GPP y de banda ancha ultra móvil 3GPP2.
Se puede decir que la cuarta generación (4G) estará conformada por redes heterogéneas que soportan múltiples tecnologías de acceso inalámbrico de banda ancha y sistemas que permitan el roaming global, constituido por sistemas de acceso individual [4].
1.3 Tecnologías inalámbricas de banda ancha.
La tecnología inalámbrica de banda ancha revolucionará la vida de los usuarios permitiendo conectarse directamente con las personas y la información relevantes mediante una conexión a alta velocidad desde cualquier parte. Intel cree que las tecnologías inalámbricas como 3G, Wi-Fi, WiMAX y UWB coexistirán funcionando de forma amigable para cubrir las necesidades de los usuarios.
1.3.1 Wi Fi
Wi-Fi (siglas del inglés Wireless-Fidelity) es un conjunto de
para acceder
• Wi-Fi es una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente l
Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los estándar
Ventajas y desventajas
• Una de las desventajas que tiene el sistema Wi-Fi es la pérdida de velocidad en
• La desventaja fundamental de estas redes existe en el campo de la seguridad. Existen algunos programas capaces de capturar paquetes, trabajando con su tarjeta Wi-Fi en modo promiscuo, de forma que puedan calcular la contraseña de la
de esta forma acceder a ella. Lfáciles de
conseguir con este sistema. La alianza Wi-Fi arregló estos problemas sacando el estándar redes protegidas con WPA2 se consideran robustas dado que proporcionan muy buena seguridad.
• Los dispositivos Wi-Fi ofrecen gran comodidad en relación a la movilidad que
ofrece esta tecnología.
• Hay que señalar que esta tecnología no es compatible con otros tipos de conexiones
sin cables como Bluetooth, GPRS, UMTS, etc [4].
1.3.2 Wi MAX
Este nuevo estándar del que está empezando a hablar, el 802.16x, conocido como WiMAX, que es una especificación par
WiMAX (Worldwide Interoperaability for Microwave Access), como sucedió con la
Wi-Fi, que garantiza la interoperabilidad entre distintos equipos la etiqueta WiMAX se asociará globalmente con el propio nombre del estándar.
Un aspecto importante del estándar 802.16x es que define un nivel MAC (Media
Acces Layer) que soporta múltiples enlaces físicos (PHY). Esto es esencial para que los fabricantes de equipos puedan diferenciar sus diferentes entornos de uso.
WiMAX puede resultar muy adecuado para unir a las redes Wi-Fi de los operadores, sin necesidad de establecer un enlace fijo. El equipamiento Wi-Fi es relativamente barato pero un enlace E1 o DSL resulta caro y a veces no se puede desplegar, por lo que la alternativa radio parece muy razonable. WiMAX extiende el alcance de Wi-Fi y provee una seria alternativa o complemento a las redes 3G, según como se mire.
1.4 Evolución de las comunicaciones móviles e inalámbricas en México.
En caso de Mexico, la telefonía móvil representa más del doble de la alcanzada por la telefonía fija, y sus perspectivas de crecimiento apuntan a expandir esta brecha aún más. La evolución no únicamente se ha dado a nivel cuantitativo, sino también a nivel cualitativo.
La industria de telecomunicaciones de México ha crecido rápidamente desde los años 80, debido a la popularidad de varios métodos de tecnología que proveen información a los ciudadanos mexicanos. La invención del teléfono móvil, combinado con el desarrollo de la televisión satélite, la internet, y otras tecnologías avanzadas ha fortalecido esta parte de la economía mexicana convirtiéndola en una fuerza dentro del país [6].
En el marco de lo inalámbrico aparecen cada vez más tendencias de que están por venir las ciudades inalámbricas (que en Estados Unidos han empezado ya a multiplicarse), en México ya se respiran algunas de estas tendencias: ciudades como Coahuila, Monterrey Durango están implementando redes inalámbricas empleando Wi-Fi y/o Wi-Max, mientras que una de las delegaciones más importantes de la capital del país ya tiene operando esta infraestructura en beneficio de sus pobladores, particularmente para apoyar las acciones en materia de seguridad ciudadana.
México es el segundo mercado más importante de América Latina y uno de los más importantes a nivel mundial. El país vio un espectacular crecimiento en el número de suscriptores durante 2004, con una tasa de penetración del 6.8% a un impresionante 36% logrando un total de 37 millones de personas. Para finales de 2005 la tasa de penetración había alcanzado el 40%. También los servicios de valor agregado obtuvieron una parte importante de los ingresos.
Grafica 1.1.-Crecimiento del número de suscriptores de telefonía móvil del año 2005 con respecto al año 2004.
Se espera que México, en los próximos cinco años, supere la tasa promedio de penetración de los servicios móviles en América Latina y aún que alcance una tasa de expansión mayor que las de Chile y Brasil. Esta situación habrá de derivar principalmente de la dura competencia entre Telcel (América Móvil) y Telmex (TEM), cuyas adquisiciones y estrategias de mercado las han convertido en empresas reconocidas en el nivel regional.
Se pronostica que para el 2009 los suscriptores GSM/GPRS sobrepasarán los 24 millones. Los dos mayores operadores colocarán el foco en el mercado de usuarios finales de alto nivel, ofreciendo soluciones integrales y servicios y aplicaciones no-básicos más
2004 2005
42 41 40 39
38 37
36 35
34
37.4
41.2
Año.
M
illo
nes
de us
ua
rio
avanzados tales como MMS, chateo móvil y acceso móvil al email, así como contenidos locales e internacionales [6].
CAPÍTULO 2
CONCEPTO, ARQUITECTURA Y APLICACIONES DEL RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE.
En este capitulo se explica el concepto, arquitectura, aplicaciones y ventajas del Radio Definido por Software, para poder entender, de que modo esta tecnología genera la transmisión y recepción de información, y como consecuencia poder implementar de una manera mas precisa codificadores y decodificadores en esta tecnología.
2.1 Antecedentes
Debido a que la tecnología de las comunicaciones móviles está experimentando un cambio radical en donde 3G se encuentra como actor principal y en donde la industria ha considerado durante los últimos dos años un estancamiento en acceso a red y otros factores, se ha creado la oportunidad para que esas tecnologías sean participes del Radio Definido por Software.
Al arribo de la tecnología digital se entro en un período de evolución rápida, primero una función previa realizada en un circuito análogo discreto es implementada en componentes digitales; pues, como la tecnología de la electrónica se fue transformando, estos componentes discretos eran circuitos integrados de propósito general, para después ser cambiados en software. Esta combinación de lógica más software en un solo semiconductor vino ser llamada como microprocesador. Varios tipos de microprocesador se desarrollaron, cada uno optimizado para diversas funciones.
Las primeras funciones que se agregaron con este proceso eran la interfase humana y el control local. Con la llegada del microprocesador, los componentes discretos de la lógica substituyeron a los componentes análogos, alternadamente, fueron substituidos por el microprocesador especializado llamado microcontrolador. Entonces la poca velocidad del tratamiento de señales pasó de componentes discretos análogos con lógica digital, a otra que se ejecutará como especializada. La funcionalidad matemática especial era sumada a los microprocesadores para crear los procesadores digitales de señales (DSPs) permitiendo a la función de procesamiento de señal que antes era de poca velocidad, ser convertida en lógica digital discreta programado con software.
Estos componentes fueron sustituidos después por los componentes digitales lógicos. La expectativa era que el mismo proceso continuara y que el tratamiento de señales de alta velocidad también pronto sería ejecutado por una cierta clase de microprocesador y de software. El sueño era que este proceso continuara al punto donde un subsistema recibido en un convertidor fuera hecho por software. Sin embargo, otro factor ahora comenzaba a entrar en el juego, la complejidad cada vez mayor de los sistemas de radio.
área obvia del uso para un microteléfono reconfigurable, las soluciones para la alta velocidad en procesamiento de señales que se ofrecían de software, era manejar la flexibilidad y capacidad de cambiar estándares de interfase de aire en subsistemas de banda base para soportar diferentes interfases, mientras el software comenzaba a aparecer, los prestadores de servicios telefónicos los orillo a acuñar el termino de Radio Definido por Software (RDS). Desafortunadamente para algunos de esos protagonistas, se requiere de tiempo para desarrollar la tecnología [7].
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 se puede decir que se puede tener 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 [8].
[image:25.612.113.502.402.652.2]El Radio Definido por Software (RDS), también dicho como Radio del Software (RS), se refiere a la comunicación inalámbrica en la cual la modulación del transmisor es generada o definida por una computadora, y el receptor utiliza una computadora para recuperar la inteligencia de señal. Para seleccionar el tipo deseado de la modulación, los programas apropiados deben funcionar con los microprocesadores que controlan el transmisor y el receptor [9], la evolución del Radio Definido por Software en sistemas de RF se despliegan en la siguiente figura.
Figura 2.1 Evolución de los sistemas inalámbricos desde sistemas discretos analógicos hasta controladores de hardware por software.
ANT RF PSAV PSBV PS CL IH
Pasado
Presente
Futuro
Lógica reconfigurable de la tecnología de RDS IH: Interferencia Humana.
CL: Control Local. PS: Protocolo Stack.
PSBV: Procesamiento de señal de baja velocidad. PSAV: Procesamiento de señal de alta velocidad. RF: Radio Frecuencia.
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, ya que formarán el futuro de las comunicaciones inalámbricas y de la computación móvil. El intento primario del Radio Definido por Software es permitir que un dispositivo inalámbrico cambie su funcionalidad intercambiando diversos módulos de software que pueden ser almacenados localmente o transferidos sobre el aire.
En el nivel más alto, todos los sistemas inalámbricos pueden ser separados en 4 subsistemas como lo muestra la figura 2.2.
Figura 2.2.- Vista del nivel más alto de la arquitectura de sistemas inalámbricos.
El subsistema de banda base se sitúa entre la unidad de RF final y el controlador. Este responsable de la codificación/decodificación de datos finales de la señal. La función de codificación/decodificación puede ser clasificada como una tarea de procesamiento de señal de baja velocidad.
En los primeros sistemas, cada función era implementada con tecnología analógica discreta. Esto resultó en sistemas relativamente largos, caros y de alto consumo de potencia, los cuales eran difíciles de diseñar, construir, manejar y mantener. El deseo de reducir costos, tamaños y consumo de potencia, así como el de crear dispositivos mas sencillos de manejar mientras que se aprovechaba por completo de las mejoras de la tecnología hasta donde sea posible, ha conducido el camino de la evolución tecnológica.
Esta es una de las grandes oportunidades de SDR, ya que esta evolución es de suma importancia, para la integración de múltiples arquitecturas de comunicaciones, ya que no sólo se debe tomar en cuenta el nivel de hardware sino también la parte de software que establece los pasos a seguir para realizar una comunicación. Los protocolos o pila de protocolos en capas superiores del modelo OSI permiten la comunicación y la coherencia de la misma en una comunicación de datos. La comunicación de la capa física –nivel hardware- hasta la capa de aplicación – software – está directamente ligada y es imposible pasar de un nivel al otro sin requerir de servicios y funciones especificados en capas intermedias [8].
Una variedad de mercados militares y comerciales para los sistemas de comunicaciones inalámbricas han estado experimentando un crecimiento rápido desde el
Controlador.
Antena Unidad final de
RF
principio de los años 90. Además del mercado celular, otros mercados que experimentan crecimiento rápido son el de las Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN' s), las Redes de Área Personal Inalámbricas (WPAN' s) y las Redes de Áreas Metropolitana Inalámbricas (WMAN' s).
Ninguno de ellos podían por sí mismo proporcionar el servicio deseado en cualquier lugar ni en cualquier momento, debido a esto la industria de las comunicaciones inalámbricas comenzó a buscar una plataforma estándar análoga del soporte físico y de programación. Por una variedad de razones, este proceso de búsqueda todavía continúa.
A principios de los años 90’s, algunas soluciones a los requerimientos de procesamientos señales de alta velocidad que ofrecieron flexibilidad mediante software de gestión y la capacidad para cambiar subsistemas de banda base para soportar diferentes sistemas de identificación automáticas a través del software comenzaron a aparecer.
Los sistemas de tratamiento de la información han intentado constantemente optimizar costos y funcionamiento manejando el equilibrio entre tres elementos:
Procesamiento local/memoria local.- Se refiere a la capacidad de almacenar y procesar información localmente.
Capacidad de comunicación.- Se refiere a cuanta capacidad de transmisión esta disponible.
Tipo y calidad de servicio.- Incluye muchos factores como son audio, imagen, video, etc.
Dichos elementos trabajan juntos en la industria de las comunicaciones, buscando optimizar sistemas para la mayoría de los tipos y calidades de servicios al costo más bajo posible [7].
2.2 Arquitectura del Radio Definido por Software
.
En la fabricación de dispositivos de radio, los algoritmos del procesamiento de señal en banda base y el control de software son programados desde el comienzo. En el radio definido por software deben estar disponibles mecanismos eficientes y confiables que permitan al nuevo software instalarse en un equipo de radio. Para que esta tarea tenga éxito debe disponerse de arquitecturas apropiadas de hardware y de software, así como sus interfaces correspondientes.
La arquitectura de hardware para el procesamiento de señal digital puede implementarse a través de los dispositivos de lógica programable como los procesadores digitales de señales (DSP’s), los arreglos de compuertas de campo programables (FPGA’s) y los circuitos integrados de aplicación especifica (ASIC’s). Estos dispositivos proveerán al los RDS de la funcionalidad de procesamiento de señales requerido mediante el uso de lenguajes de descripción de hardware (VHDL, Verilog, ABEL HDL, entre otros).
2.2.1 Dispositivos de Lógica Programable (PLD).
Un dispositivo lógico programable (PLD) es un chip que contiene una estructura de circuito "regular", pero que permite al diseñador adecuarlo para una aplicación específica. Debe ser programado por el usuario para que realice la función requerida en una aplicación particular.
2.2.1.1 Procesador de Señales Digitales (DSP).
Un Procesador Digital de Señales (Digital Signal Processor, por sus siglas en
inglés) es un dispositivo de lógica programable increíblemente rápido y poderoso. Un DSP es único porque procesa señales en tiempo real. Esta capacidad de procesamiento en tiempo real hace a los DSP ideales para aplicaciones que no toleran ningún retardo. Los algoritmos cada vez más complejos de los DSP’s serán empleados para ampliar capacidad de red y de servicios [11].
En el caso de los DSP’s existen algunos inconvenientes que deberán ser tomados en cuenta al momento de escoger una plataforma para el procesamiento de señales, algunos de esos inconvenientes son:
• La conversión de una señal analógica en digital, obtenida muestreando la señal y
cuantificando las muestras, produce una distorsión que nos impide la reconstrucción de la señal analógica original a partir de muestras cuantificadas.
• Existen efectos debidos a la precisión finita que deben ser considerados en el
procesado digital de las muestras cuantificadas.
• Para muchas señales de gran ancho de banda, se requiere procesado en tiempo real.
Para tales señales, el procesado analógico, o incluso óptico, son las únicas soluciones válidas. Sin embargo, cuando los circuitos digitales existen y son de suficiente velocidad se hacen preferibles.
2.2.1.2 Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC).
El diseño de circuitos integrados específicos permite el uso de técnicas de diseño y tecnologías de integración de última generación, en muchas ocasiones es la única solución para desarrollar productos de otras prestaciones. (Consumo, velocidad de operación, área). La integración de circuitos es adecuada para grandes volúmenes de producción, cuando se desea mantener la exclusividad de un producto concreto o bien cuando se parte de un conjunto de especificaciones muy restrictivas que no dan lugar a otra opción.
Esta oferta tecnológica está plenamente implementada y en funcionamiento y se utiliza en ámbitos tan diversos como por ejemplo los circuitos para comunicaciones, la electrónica de consumo, la automoción... en general en todos aquellos campos donde se requiere un alto volumen de producción. El producto resultante es el diseño de un circuito, por tanto se tiene que considerar como una propiedad intelectual, que desde un principio puede ser propiedad de la empresa solicitante, o bien lo puede desarrollar el equipo de diseño. Por tanto se trata de un punto que se resolverá en función de las características de cada solicitud en particular.
2.2.1.3 Arreglos de Compuertas de Campo Programables (FPGA).
Los arreglos de compuertas de campo programables, o FPGA’s por sus siglas en inglés, nacen en base a una idea sencilla: un arreglo de compuertas tolerante a errores de diseño, capaz de ser programable o reprogramable por el usuario. Esto implica que la interconexión debe ser reprogramable y las funciones lógicas y la E/S también deben ser reprogramables.
Algunas ventajas de su desempeño son:
• Arquitectura flexible
o Recursos distribuidos de DSP (LUT, registros, multiplicadores, y memoria).
• El procesamiento en paralelo maximiza rendimiento de procesamiento de datos.
o Apoya cualquier nivel de paralelismo
o Funcionamiento óptimo y compensación de costo.
• FPGA también apoya el procesamiento serial [12].
Con lo anterior podemos especular el hecho de tener un dispositivo hardware de “propósito general” en un ámbito de las telecomunicaciones. Este concepto abre un amplio panorama de oportunidades para la industria de las comunicaciones y la investigación.
serán hechos por medio de software, la configuración de esta arquitectura básica esta compuesta por ocho unidades.
Figura 2.3 Configuración básica de la arquitectura de hardware para un radio definido por software.
Una de las características del RDS es el uso de una infraestructura de hardware común a todos los bloques de comunicación en el que opere el radio, el hardware seguirá siendo el mismo, y los ajustes que sean necesarios serán realizados a través de software, su configuración consiste en:
Unidad de enlace (antena): Se requiere una antena de baja pérdida y de banda ancha ya que se pueden usar por varios sistemas de comunicación móvil.
Unidad de procesamiento de RF: Del transmisor las señales vienen en una unidad de frecuencia intermedia (UFI), y son convertidas en señales de una frecuencia mas alta, en el caso del receptor las señales recibidas por la unidad de antena se amplifican a un nivel constante y son convertidas a una banda base.
Unidad de procesamiento de señal de frecuencia intermedia (UFI): Las señales de la unidad de conversión analógica a digital y digital a analógica (CAD/CDA) son convertidas a señales de la banda de FI, amplificadas y transferidas a la URF del transmisor, en el receptor las señales de URF son amplificadas para el procesamiento de la señal en la UFI y directamente convertidas a unidad de banda base.
Unidad de conversión analógica a digital (CAD) y conversión digital a analógica (CDA): La señal digital de la unidad es convertida a una analógica y transferida a una unidad de banda de frecuencia superior (UFI o URF). En el receptor las señales de la UFI son amplificadas para el ADC convirtiéndose en digitales.
Unidad de procesamiento de la señal de banda base (UBB): Aquí los datos se modulan digitalmente y se transfieren al CAD/CDA del transmisor.
SOFTWARE (1) Unidad de enlace (7) Unidad de procesami ento E/S (UES)
I N F R A E S T R U C T U R A C O M U N
(2) Unidad de radio frecuencia (URF) (3) Unidad de frecuencia Intermedia (UFI) (4) Unidad A/D y D/A
(CAD/CDA) (6) Unidad control de trasnmisio n (UCT) (8) Unidad de procesami ento de temporizac ión de extremo a extremo (UPT) (5) Unidad de banda base (UBB)
SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE
Unidad de control de transmisión (UCT): Configura el formato de flujo de bits que entran por la UBB a través del protocolo de transmisión en la capa de control de acceso al medio (CAM), en el caso del receptor, los datos detectados de la UBB son verificados de acuerdo al formato de datos de transmisión de la capa de control de acceso al medio.
Unidad de procesamiento de entrada/salida (UES): En la estación móvil todos los datos de información vienen en un equipo portátil, ya sea PDA, PC, etc. Y todos los datos recibidos regresan a estas terminales o a las computadoras, estas unidades de entrada/salida tiene el propósito de realizar conexiones flexiblemente con las terminales externas.
Unidad de procesamiento de temporización extremo a extremo (UPT): Control en
[image:31.612.109.504.279.553.2]retraso entre el transmisor y el receptor [9].
Figura 2.4.- Diagrama Genérico de un sistema SDR.
Sin embargo, para considerar la integración de múltiples arquitecturas de comunicaciones móviles no sólo se debe tomar en cuenta el nivel de hardware sino también la parte de software que establece los pasos a seguir para realizar una comunicación. El principal reto para RDS es igualar las eficiencias en hardware mientras que se provea la flexibilidad e inteligencia que el software puede ofrecer. Algunas de las principales características del Radio Definido por Software son:
RF/IF RX1 RF/IF RX2 RF/IF RX3 WB-A/D WB-A/D WB-A/D Di s pos iti v
o de pr
oc es am iento di gi tal de s eñal es . WB-D/A WB-D/A WB-D/A RF/IF TX1 RF/IF TX2 RF/IF TX3 Estructura Programable (DSP, FPGA o ANSI)
Antena Inteligente Rx Antena Inteligente Tx
Base de dato personal del Radio Definido por Software para DSP o
flujo de datos para FPGA 1010101010101010101010 101010101010101010
1010101010101010101010
101010101010101010
Interfaz aérea, filtros digitales, acceso a RF, sincronización, ecualización, control de errores avanzado,
interfaz de red.
Reconfiguración: Se permite la existencia simultanea de múltiples módulos de software, lo que proporciona una configuración dinámica únicamente a través de una selección apropiada del software para poder funcionar.
Conectividad Ubicua: Se refiere a la capacidad que tiene el usuario para acceder a cualquier servicio, en cualquier lugar, y en cualquier momento, lo que permite fácilmente la realización de roaming mundial.
Multifuncionalidad: Reconfiguración del RDS para soportar gran variedad de capacidades de servicio de un sistema.
Movilidad Mundial: La necesidad de los radios para operar, preferentemente con todos los estándares en diferentes regiones geográficas del mundo.
Compactación y eficiencia del uso de potencia: La propuesta de SDR ofrece diseños compactos, con lo que se minimiza en consumo de potencia y permite su manejo eficiente.
Facilidad de manufactura: La digitalización de la señal antes de entrar a la cadena de receptor puede resultar en un diseño que incorpora significativamente pocas partes, lo que da como resultado un inventario reducido para el fabricante.
Facilidad de actualización: Los servicios requieren actualizarse, así como tener la
capacidad de innovación para tener la facilidad de captar la atención del usuario [10].
El Radio definido por software es un concepto que esta 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. En otras palabras, es importante contar con esquemas que permitan la reconfigurabilidad del software de protocolos empleados en las comunicaciones actuales y futuras para su intercomunicación.
Para las aplicaciones del Radio Definido por Software, algunos de los requisitos dominantes son la configurabilidad y la flexibilidad. Las soluciones más flexibles para el procesamiento digital de señales es utilizar un DSP, o bien, un FPGA. Algunas de las ventajas del uso de dichas tecnologías son las siguientes:
• Los DSP’s proporciona la plataforma ideal para la puesta en práctica de algoritmos
muy complejos.
• Los FPGA’s proporciona velocidades muy altas de procesamiento de datos
• Los FPGA’s puede actuar como coprocesador eficaz para los DSP’s, con tal que las conexiones convenientes para un alto ancho de banda estén disponibles; este acercamiento permite que los algoritmos estén distribuidos a través de ambos dispositivos de una manera óptima.
• Posteriormente se puede emigrar a los últimos dispositivos dentro de las familias de
productos de DSP’s o FPGA’s, que continuarán agregando capacidades mientras que preservan la inversión inicial del desarrollo interno, de la IP, de herramientas, y de la metodología de diseño
• Los DSP’s pueden incorporar funciones de proceso de protocolo y de paquetes, ya
sea mediante los procesadores duales, o bien, usando una sola arquitectura convergente del procesador.
La elección del dispositivo de lógica programable tendrá un impacto importante en el consumo de energía, el costo, la tasa de trasferencia de datos del radio, y la actualización del sistema. Estas decisiones, una vez que están tomadas, son difíciles de cambiar más adelante sin reajuste de la ingeniería del sistema [12].
2.3 Aplicaciones del Radio Definido por Software.
2.3.1 Cuarta Generación (4G)
Las aplicaciones del RDS abarcan principalmente el campo de las telecomunicaciones, pero se prevee que una de sus principales aplicaciones, (que aun se encuentra bajo desarrollo) sea la puesta en marcha de la cuarta generación de comunicaciones móviles (4G).
La cuarta generación no es un estándar ni una tecnología definida, sino una colección de tecnologías y protocolos para permitir el máximo rendimiento de procesamiento de la red inalámbrica más adecuada en cada momento. La convergencia de dichas tecnologías surge de la necesidad de agrupar los diferentes estándares en uso con la finalidad de delimitar el ámbito de funcionamiento de cada uno de ellos y de integrar todas las posibilidades de comunicación en un solo dispositivo de forma transparente al usuario, uno de los dispositivos que se prevee permitirán dicha integración es el RDS. 4G debe ser capaz de compartir dinámicamente y utilizar los recursos de red economizando los requerimientos del usuario.
2.3.2 RDS militar y el Sistema de Radio Táctico Común (JTRS).
El Sistema de Radio Táctico Común (JTRS) es planeado para ser la próxima generación de radio para voz y datos del ejército de los Estados Unidos de América en operaciones de campo después del año 2010. Este es un Radio Definido por Software que trabajará con muchos radios existentes, tanto militares como civiles.
El ejército desde hace un largo tiempo ha estado interesado en el aprovechamiento de la promesa del Radio Definido por Software mientras que busca maneras de ocuparse de estándares rápidamente emergentes. La meta es proporcionar comunicaciones entre las fuerzas que se equipan de un anfitrión del equipo de radio nuevo y de la herencia. El Sistema de Radio Táctico Común se diseña para proporcionar confiabilidad de varios canales voz, datos, imágenes, y videocomunicaciones. Éste debe ser logrado con el uso de la tecnología de un Radio Definido por Software [14].
2.3.3 Redes de Acceso Inalámbrico de Ancho de Banda Fija (F-BWA).
[image:34.612.230.382.397.546.2]Las redes de acceso inalámbrico de ancho de banda fija (F-BWA) proporcionan tasas de datos de banda ancha para usuarios de negocios así como para clientes residenciales. Una de las arquitecturas de red más común para F-BWA es una arquitectura punto a multipunto (PMP) donde una estación base entrega servicio a los usuarios múltiples en diferentes localizaciones como lo muestra en la figura 2.6.
Figura 2.5. - Diagrama de una red F-BWA.
Las redes de la primera generación fueron diseñadas aplicando tecnología de cable módem cable para crear una solución inalámbrica. Las redes resultantes tienen limitaciones y restricciones substanciales de funcionamiento en su despliegue, sobre todo debido a la respuesta pobre a las debilitaciones del acoplamiento, esto quiere decir, que los sistemas de la primera generación no responden bien bajo condiciones de lluvia, a obstrucciones, o la falta de una línea de vista.
aumentan el área de la cobertura de las estaciones base de F-BWA. Además de éstos, la experimentación con diversas interfaces aéreas, tales como OFDM, TDMA, y CDMA.
Todas las tecnologías enumeradas arriba se ejecutan mejor en una plataforma de procesamiento de señales reconfigurable mediante software diseñados para procesamiento inalámbrico y flujo de datos. El Radio Definido por Software se utiliza para solucionar todos los desafíos del tratamiento de señales en sistemas de la segunda generación F-BWA. El RDS proporciona un subsistema de frecuencia intermedia a Ethernet adecuado para el desarrollo de la estación base de F-BWA, creando las soluciones a los problemas críticos para una infraestructura inalámbrica confiable [15].
2.3.4 Instrumentación sintética para pruebas de un sistema de radio de navegación con saltos de frecuencia.
La Instrumentación Sintética se está convirtiendo rápidamente en el estándar para los equipos de pruebas automatizadas para aplicaciones militares. Este estudio analizará el concepto de Instrumentación Sintética y los últimos trabajos realizados en el Grupo de Trabajo en Instrumentación Sintética Los sistemas de radio definidos por software (SDR), que antes eran un objetivo ideal, se han convertido rápidamente en el estándar para muchos segmentos de la industria inalámbrica. En la búsqueda por alcanzar la libertad total en el diseño de SDR, muchas funciones tradicionalmente analógicas se están implementando rápidamente con Procesamiento de Señales Digitales (DSP). Sin embargo, el cambio del formato de la información de señal de analógico a digital supone una serie de desafíos en las pruebas de diagnóstico.
2.3.5 Tarjetas de procesamiento de espectros por medio de Radio Definido por Software.
