Técnicas adaptativas en los sistemas de comunicaciones de la Quinta Generación

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Técnicas adaptativas en los sistemas de comunicaciones de la Quinta Generación. Autor: Asiel Toledo Carballo. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Técnicas adaptativas en los sistemas de comunicaciones de la Quinta Generación. Autor: Asiel Toledo Carballo E-mail: [email protected] Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: [email protected]. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. ¨La independencia no es una bandera, o un himno, o un escudo; la independencia no es una cuestión de símbolo, la independencia depende del desarrollo, depende de la tecnología, depende de la ciencia en el mundo de hoy¨.. Fidel Castro Ruz.

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico este trabajo a todas aquellas personas que han confiado en mí, a mi familia y muy especialmente a mis padres que son los máximos responsables de que hoy pueda realizar este sueño, por su infinito sacrificio, porque siempre han estado al pendiente de cada uno de mis pasos y porque siempre me han ofrecido lo mejor de sí..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco en primer lugar a dios por permitirme llegas hasta aquí, a mis padres, hermano, abuelos y familia en general ya que es muy grande y no podría mencionarlos a todos. También al maravilloso claustro de profesores de la FIE por su buena preparación profesional y humana la que me permitió llegar hasta aquí, a mi tutor Yakdiel Rodríguez por su apoyo y dedicación. Agradecer también a todos mis compañeros de estudio los cuales estuvieron siempre en los momentos más difíciles y los cuales aprecio muchísimo, en especial a Alejandro, Ernesto, Yasdieny, Yailin, Zaily, Luis, Andy etc. Y muy especialmente a Yailen y Yainel que sin su apoyo no se hubiese cumplido este sueño. Además a todos mis vecinos, compañeros de trabajo y todas las personas que de una forma u otra se han preocupado por mí.. “A TODOS MUCHAS GRACIAS”.

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo, dar cumplimiento a los objetivos trazados y lograr los resultados esperados, se creó la siguiente tarea técnica:. 1. Realización de una búsqueda bibliográfica sobre técnicas adaptativas en frecuencias extremadamente altas. 2. Caracterización de las principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes. 3. Comparación de las técnicas adaptativas utilizadas en la implementación de algoritmos que emplean la modulación espacial y la multiplexación espacial para las comunicaciones de 5G. 4. Utilización del Matlab como herramientas de simulación y compilación de un algoritmo adaptativo. 5. Elaboración del trabajo de diploma.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En la actualidad se experimenta un avance constante de las diferentes tecnologías en las telecomunicaciones, con el propósito de introducir mejoras para alcanzar la transmisión de mayor cantidad de información en el menor tiempo y con la mejor calidad posible. Los sistemas de antenas inteligentes proporcionan oportunidades para incrementar la capacidad del sistema, brindando calidad de servicio y control de potencia debido a que optimizan los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés. En este trabajo se exponen las principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes, las cuales brindan la capacidad de reajustar el diagrama de radiación en función de algunos de los parámetros de la señal. Se describen las técnicas de multiplexación, diversidad y modulación espacial, como métodos para dar solución a limitaciones en los sistemas de comunicaciones móviles. Se hace referencia a los algoritmos adaptativos, los cuales favorecen la conformación de haces, la optimización de recursos, el control y el procesamiento de señales mediante un continuo aprendizaje. Finalmente se ejemplifica con un algoritmo flexible para la tecnología de antenas inteligentes, programado en Matlab, el cual permite que las antenas enfoquen sus señales hacia determinadas zonas..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.Las antenas inteligentes y la banda milimétrica para la Quinta Generación de las comunicaciones ................................................................................................................. 6 1.1. Características principales de los sistemas de antenas inteligentes ......................... 6. 1.1.1. Funcionamiento de las Antenas Inteligentes .................................................... 7. 1.1.2. Tipos de Antenas Inteligentes ........................................................................... 9. 1.2. Principales características de la banda milimétrica para la implementación de la. 5G de las comunicaciones................................................................................................. 11 1.2.1 1.3. Características de propagación ....................................................................... 12. Características principales de los sistemas MIMO y MIMO masivo .................... 20. CAPÍTULO 2.Técnicas. adaptativas. para. la. 5G. de. las. comunicaciones. .............................................................................................................................................. 23 2.1. Principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes . ................................................................................................................................ 23.

(10) vii 2.1.1. Formación de lóbulos...................................................................................... 24. 2.1.2. Ajuste del patrón de radiación ........................................................................ 25. 2.1.3. Multiplexación y diversidad espacial ............................................................. 27. 2.1.4. Modulación espacial ....................................................................................... 30. 2.2. Artículos desarrollados utilizando la multiplexación y la modulación espacial .... 32. CAPÍTULO 3.Comparación de técnicas adaptativas y herramientas de simulación usadas en su implementación ........................................................................................................... 41 3.1. Implementación de la multiplexación y la modulación espacial ........................... 41. 3.2. Herramientas de simulación utilizadas para la implementación de las técnicas. adaptativas ........................................................................................................................ 50 3.2.1 Ejemplo de un algoritmo adaptativo en MATLAB................................................ 52 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 55 Conclusiones ..................................................................................................................... 55 Recomendaciones ............................................................................................................. 57 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 58 ANEXOS .............................................................................................................................. 61 Anexo I Código en MATLAB para la simulación de un algoritmo adaptativo. ................. ................................................................................................................................ 61.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Desde hace muchos años las antenas juegan un papel importante para los sistemas de radiocomunicaciones, pues sin ellas las diferentes estaciones radioeléctricas no podrían funcionar, permitiendo de esta forma estar en conexión con el mundo. La antena se define como aquella parte de un sistema transceptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas; es decir, emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre, (una antena transmisora transforma señales de voltaje en ondas electromagnéticas, y una receptora transforma señales electromagnéticas en voltajes). La antena está presente en cualquier dispositivo transmisor o receptor de radio. Parámetros en un sistema de radio como la región de cobertura o la precisión en la determinación de las coordenadas angulares de un objetivo de radar, están determinados en buena medida por las características de las antenas (Campanella et al., 2014). Las antenas inteligentes son un concepto novedoso que se ha aplicado y aplica en varios campos de las telecomunicaciones, con el fin de optimizar la transferencia de datos de una antena a otra, y con ello permitir una reducción de la interferencia y errores de transmisión (Paniagua, 2008). Los sistemas de comunicaciones móviles han sido implementados a lo largo de los años mediante diferentes tecnologías que en su tiempo brindaron una solución adecuada a las necesidades del momento. La primera generación surgió en los años 80 y utiliza canales de radio analógicos con frecuencias en torno a los 900MHz o superiores con modulación FM. Para ello hubo que desarrollar y protocolizar las redes celulares (Reyes, 2012)..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. Los avances en la tecnología de materiales y semiconductores permitieron digitalizar las comunicaciones y esto trajo como consecuencia directa mayor rapidez y una mejora sustancial en los servicios ofrecidos (Reyes, 2012). Más adelante, el desarrollo tecnológico trajo consigo la aparición de las comunicaciones móviles de cuarta generación, las cuales están caracterizadas por contar con dos tecnologías alternativas o complementarias; LTE Advanced y WirelessMAN-Advanced (Reyes, 2012). El desarrollo de la plataforma WiMAX ha sido testigo de importantes contribuciones de los dos sectores que una vez trabajaron por separado: telefonía celular y banda ancha inalámbrica fija (Reyes, 2012). LTE siglas de Long Term Evolution, se considera por algunos autores como una actualización de la tecnología UMTS, ofreciendo mayores velocidades de transferencia de datos (Reyes, 2012). A medida que avanza la técnica se va preparando la tecnología para la implementación de la quinta generación (5G). Para (Sharma, 2014) la 5G será la más avanzada tecnología en el futuro de las comunicaciones y provocará una nueva revolución para todos los dispositivos. Cuando esta. sea introducida en al mundo no habrá mucha diferencia entre una. computadora y un teléfono (Sharma, 2014). En las comunicaciones móviles inalámbricas, el canal de comunicación es un medio de transmisión hostil, debido fundamentalmente a los desvanecimientos generados por la propagación multi-trayectoria, que reduce la calidad y fiabilidad del canal y en consecuencia la velocidad de transmisión en la comunicación. Para hacer frente a estos inconvenientes se implementan los sistemas MIMO en conjunto con técnicas de modulación y multiplexación espacial, que mejoran los esquemas de trasmisión y la fiabilidad de los enlaces, logrando un significativo aumento en la velocidad de transmisión de datos y la eficiencia espectral de estos sistemas (Mesleh et al., 2008). Las telecomunicaciones han crecido en importancia y en desarrollo tecnológico a nivel mundial, con el propósito de atender una demanda cada vez más amplia y exigente. Por tal motivo, se considera importante investigar acerca de todos aquellos avances que permitan optimizar este sector, con el fin de contar con las bases necesarias para una futura.

(13) INTRODUCCIÓN. 3. implementación de estas tecnologías en Cuba, lo que contribuirá al mejoramiento en la calidad de las telecomunicaciones. Antes que todo, se debe mencionar que esta tecnología de 5G en comunicaciones inalámbricas, aún no se encuentra implementada en Cuba ni en ningún país del mundo, y se estima que su puesta en marcha sea para el 2020, por lo cual, el desarrollo de este trabajo está enfocado en estudiar varios aspectos relacionados con los sistemas de comunicación de 5G. Se pretende que esta investigación constituya un importante aporte para el conocimiento de esta nueva generación de comunicaciones móviles en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), desde el punto de vista teórico y práctico, y para aquellas personas que en el país se motiven a investigar sobre el tema. Teniendo en cuenta las razones expuestas anteriormente, se plantea el siguiente problema de investigación: ¿Qué técnicas adaptativas se han desarrollado teniendo en cuenta las características de la banda milimétrica para su utilización en los sistemas de la 5G de las comunicaciones? Esta investigación tiene como objeto de estudio las técnicas adaptativas, y el campo de estudio lo constituye su aplicación en la 5G de las telecomunicaciones. Para dar cumplimiento al problema de investigación, se propone el siguiente objetivo general: Presentar técnicas adaptativas desarrolladas para los sistemas de la 5G de las comunicaciones en la banda milimétrica. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Caracterizar las técnicas adaptativas y las antenas inteligentes para determinar sus principales prestaciones para su utilización en la 5G de las comunicaciones.. . Identificar las principales características de la banda milimétrica.. . Describir las técnicas adaptativas desarrolladas de la modulación y la multiplexación espacial para la 5G de las comunicaciones.. . Comparar técnicas adaptativas desarrolladas de la modulación espacial y la multiplexación espacial..

(14) INTRODUCCIÓN . 4. Identificar las principales herramientas de simulación utilizadas para la implementación de las técnicas adaptativas.. . Implementar en Matlab un algoritmo adaptativo, demostrando su efectividad.. A partir de cada objetivo específico se crean interrogantes científicas, a las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación: . ¿Cuáles son las técnicas adaptativas que se han desarrollado para los sistemas de antenas inteligentes en la banda milimétrica en la 5G de las comunicaciones?. . ¿Cuáles son las características de la banda milimétrica para la 5G de las comunicaciones?. . ¿Qué parámetros hay que tener en cuenta para comparar las principales arquitecturas de multiplexación y modulación espacial desarrolladas?. . ¿Qué herramientas de simulación se utilizan para la implementación de la modulación y multiplexación espacial?. . ¿Cuáles funciones de Matlab permiten desarrollar un modelo matemático válido para la implementación de un algoritmo adaptativo?. Este informe se ha estructurado en tres capítulos que tratan las siguientes temáticas: CAPITULO 1: Se abordan las principales características de los sistemas de Antenas Inteligentes, reseñando las configuraciones de los arreglos de antenas y los aspectos esenciales en su funcionamiento para conformar los haces deseados. Se incluyen las principales características de la banda milimétrica para la implementación de la 5G de las comunicaciones. Se analizan los arreglos de antenas, prestando atención a los sistemas MIMO y MIMO masivo como una tecnología multiantena a grandes escalas que permite maximizar el uso del espectro para la implementación de la nueva generación en las comunicaciones. CAPITULO 2: Se exponen las principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes. Seguidamente se describen las técnicas de multiplexación, diversidad y modulación espacial, como métodos para dar solución a limitaciones en los sistemas de comunicaciones móviles. Finalmente, se dedica un espacio al análisis de artículos actuales que han desarrollado propuestas de algoritmos empleando las técnicas de multiplexación y modulación espacial..

(15) INTRODUCCIÓN. 5. . CAPITULO 3: Se analizan los resultados obtenidos en los artículos abordados en el capítulo 2, enfatizando en los métodos que se han evaluado para implementar la multiplexación y la modulación espacial para el desarrollo de la quinta generación en las comunicaciones. A continuación se hace referencia a los algoritmos adaptativos, los cuales favorecen la conformación de haces, la optimización de recursos, el control y el procesamiento de señales mediante un continuo aprendizaje. Al final, se presenta un algoritmo desarrollado para la tecnología de antenas inteligentes, el cual se programó en Matlab, con el propósito de que las antenas enfoquen sus señales en determinadas zonas, evitando radiar las señales en lugares no deseados..

(16) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 6. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES.. CAPÍTULO 1. Las antenas inteligentes y la banda milimétrica. para la Quinta Generación de las comunicaciones. En este capítulo se abordan las principales características de los sistemas de Antenas Inteligentes, reseñando las configuraciones de los arreglos de antenas y los aspectos esenciales en su funcionamiento para conformar los haces deseados. Esta sección trata las principales características de la banda milimétrica para la implementación de la 5G de las comunicaciones y analiza los detalles de la propagación de las ondas milimétricas. Al abordar los arreglos de antenas se presta atención a los sistemas MIMO y MIMO masivo como una tecnología multiantena a grandes escalas que permite maximizar el uso del espectro para la implementación de la nueva generación en las comunicaciones.. 1.1 Características. principales. de. los. sistemas. de. antenas. inteligentes La demanda del incremento de la capacidad de las redes inalámbricas ha motivado la búsqueda hacia el desarrollo de algoritmos y estándares que exploten el espacio de manera selectiva (IEEE, 2014, Bleicher, 2014). Los sistemas de antenas inteligentes proporcionan oportunidades para incrementar la capacidad del sistema, proporcionando calidad de servicio, control de potencia y mayor duración de las baterías de las unidades portátiles, para el caso de la telefonía móvil. Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con una unidad de Procesamiento Digital de Señales (DSP) que optimiza los diagramas de transmisión y.

(17) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 7. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno, como se muestra en la figura 1.1. En lugar de disponer de un diagrama de radiación fijo, es capaz de generar o seleccionar haces muy directivos enfocados hacia el usuario deseado, e incluso adaptarse a las condiciones radioeléctricas en cada momento (Campanella et al., 2014).. Figura 1.1. Componentes Elementales de Antenas Inteligentes.. 1.1.1 Funcionamiento de las Antenas Inteligentes El principio básico de funcionamiento de las antenas inteligentes es que cada antena recibe una señal separada y definida. Dependiendo de cómo está configurado el sistema inalámbrico, el receptor puede usar una señal para mejorar la calidad de otra señal, o podría combinar los datos de señales múltiples para optimizar el sistema (Campanella et al., 2014). La señal que reciben las antenas es una señal de radiofrecuencia (RF) sin procesar. Esta RF se encamina inicialmente a circuitos que la manejan como una señal analógica. Algunos dispositivos con antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en esta etapa analógica. Después del procesamiento inicial, la RF se convierte en una señal digital que luego se envía al dispositivo anfitrión (host) como una cadena de datos. La mayoría de los dispositivos que usan las antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en conjunto con circuitos digitales (Campanella et al., 2014). Las Smart Antenas, como suelen ser llamadas también, pueden trabajar de dos modos distintos, los que se describen brevemente a continuación: - Modo omnidireccional. La antena en este modo funciona exactamente igual que las antenas convencionales es decir, emite señal con la misma intensidad hacia todas direcciones (Campanella et al., 2014). - Modo direccional. En este modo, la antena emite señal en una sola dirección y con un cierto ángulo de apertura. La consecuencia de transmitir en este modo se traduce en un.

(18) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 8. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. mayor alcance hacia la dirección donde emite la antena debido a que ésta concentra todo su espectro de potencia en un rango de cobertura mucho menor (Campanella et al., 2014). En (Campanella et al., 2014) se define como zona la región donde se encuentran todos los usuarios. Esta zona se divide en dos subzonas apreciables en la figura 1.2. 1) Subzona Broadcast. Esta zona se corresponde con el rango de alcance de la antena en modo omnidireccional. 2) Subzona Beamforming. Esta zona está dividida en n sectores. Estos sectores representan el rango de alcance de la antena en modo direccional para un cierto ángulo de apertura (Jakes, 1994). Según el ángulo de apertura que se utilice habrá más o menos sectores.. Figura 1.2. Subzonas de acuerdo a la configuración de Antenas (Campanella et al., 2014). En la figura 1.2 se representó la cobertura direccional (beams) de forma triangular. En realidad la cobertura es un lóbulo redondeado donde existe una distancia máxima, como se muestra en la figura 1.3. (Campanella et al., 2014). Figura 1.3. Lóbulo de radiación de una Antena Inteligente (Campanella et al., 2014). Para orientar la señal hacia la dirección donde se encuentra el usuario con el que se realiza la comunicación, cada usuario debe tener, además de su propio identificador, una firma espacial que indique las coordenadas de la posición dentro de la zona (Thomas, 2005). El Punto de Acceso utiliza la firma espacial de cada usuario para saber hacia dónde debe enfocar la antena en cada caso. Existe una fase previa a la transmisión de datos entre el Punto de Acceso y los usuarios. En esta fase, el Punto de Acceso debe descubrir cuáles son los usuarios que se encuentran.

(19) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 9. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. dentro de la zona y obtener sus firmas espaciales. Una vez el Punto de Acceso tiene conocimiento de la firma espacial de todos y cada uno de los usuarios se encuentra en condiciones de iniciar una transferencia de información. 1.1.2 Tipos de Antenas Inteligentes Los sistemas de Antenas inteligentes se clasifican en tres tipos: 1) Haz Conmutado. (Switched Beam) 2) Haz de Seguimiento. (Scaninig) 3) Haz Adaptativo. Se describirán brevemente cada uno de éstos tipo de antenas a continuación. El tipo de sistema de haz conmutado es la configuración más simple de Antenas Inteligentes. El sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente dando como resultado un barrido discreto de la zona de cobertura en posiciones angulares fijas. En cada posición discreta del haz se activa el sistema de recepción para detectar la posible existencia de señales. En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a la posición del haz (ángulo + identificación de usuario), y se establece la comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo. Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona de cobertura. Este proceso se repite permanentemente en el tiempo (Albornoz, 2015). El sistema de haz de seguimiento está conformado por un arreglo de antenas con una red de excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente y establecer comunicación con el usuario respectivo. A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar la dirección de arribo de las señales de los usuarios (Albornoz, 2015). Otra diferencia es que los cambios de fase para el sistema conmutado se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijados, y en el sistema de haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular (Albornoz, 2015)..

(20) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 10. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. La técnica de haz adaptativo emplea un mayor nivel de inteligencia. En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo de antenas se ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de radiación que dirija el haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia (Albornoz, 2015). Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección de las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los pesos que conforman el haz (Albornoz, 2015). Una vez conocidos los tipos de antenas inteligentes, es necesario conocer los modos de introducción de esta tecnología en una red de comunicaciones móviles (Jiménez, 2014). Los modos de aplicarla, en función del grado de aprovechamiento de la selectividad espacial que ofrece, son los siguientes: - Receptor de alta sensibilidad (HSR) Esta configuración consiste en utilizar antenas inteligentes solo en el enlace ascendente. De este modo, gracias a la mayor directividad de la antena, se consigue mejorar la sensibilidad global de la cadena de recepción de la estación base (Albornoz, 2015). - Rechazo de interferencia por filtrado espacial (SFIR) En esta configuración se emplean antenas inteligentes tanto en el enlace ascendente como en el descendente, con lo cual se consigue aprovechar la mejora por selectividad espacial en ambas direcciones (Albornoz, 2015). - Acceso múltiple por división espacial (SDMA) Esta sería la configuración más compleja, pues consiste en aprovechar al máximo las propiedades de selectividad espacial de las antenas de ambos enlaces para ubicar simultáneamente a varios usuarios en el mismo canal. Es decir, que podría haber varios usuarios utilizando al mismo tiempo la misma frecuencia y el mismo código (o el mismo intervalo de tiempo en GSM), estando discriminados únicamente por su posición angular respecto de la estación base. En este caso el aumento en la capacidad se produce de forma directa, debido a que se ha añadido una nueva dimensión para la gestión del espectro (Albornoz, 2015)..

(21) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 11. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. Tomando en cuenta lo descrito en (Albornoz, 2015) el proceso de Filtrado Espacial de frecuencias se lleva a cabo en un arreglo de antenas o sistema de antenas, que reciben las señales, las cuales están acompañadas con otras señales o interferencias y ciertas componentes de ruido. Cada señal se caracteriza por un ángulo de llegada y por una banda de frecuencias. El objetivo que tendrá el sistema es obtener en cada salida una de las señales deseadas, atenuando las interferencias, ruido y resto de las señales deseadas.. 1.2 Principales características de la banda milimétrica para la implementación de la 5G de las comunicaciones En la actualidad, se experimenta un rápido despliegue de tecnologías inalámbricas, que cada vez se ve más frenado, debido a la reserva de determinadas bandas del espectro para servicios definidos de forma restrictiva, ya que cada tipo de comunicación inalámbrica, utiliza un rango específico de longitudes de onda o frecuencias. El espectro radioeléctrico está demasiado utilizado en determinadas bandas, y absolutamente desaprovechado en otras (Bleicher, 2014). Por todo lo anterior, los operadores comerciales de servicio y diseñadores de sistemas de comunicación buscan nuevas soluciones para solventar dicho problema centrándose en sistemas en banda de frecuencias milimétricas. Las ondas milimétricas corresponden en general al espectro radio entre 30 GHz y 300 GHz, que también es conocida como el rango de frecuencias extremadamente altas EHF, dicha banda tiene una longitud de onda entre uno y diez milímetros, esto significa que las ondas milimétricas son más largas, por ejemplo, que las ondas de infrarrojos o rayos X, pero más cortas que las ondas de radio o microondas (Bleicher, 2014). Uno de los usos más importantes de las ondas milimétricas es para la transmisión de grandes cantidades de datos. Los aumentos en la cantidad de información transmitida requieren el uso de frecuencias más altas, donde las ondas milimétricas adquieren importancia, convirtiéndose en una forma muy eficiente de enviar grandes cantidades de datos, como por ejemplo programas de televisión simultánea o canales de voz (Bleicher, 2014)..

(22) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 12. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. El interés creciente por este tipo de sistemas, es debido principalmente a los amplios anchos de banda disponibles para la realización de comunicaciones, además de permitir un alto grado de reutilización de frecuencias y aportar seguridad a las comunicaciones. Pero no todo son ventajas, existe una alta atenuación en entornos con lluvia, la distancia de dichos sistema de comunicación está muy limitada (<20Km) y este tipo de señales penetran mal en objetos sólidos (Bleicher, 2014).. 1.2.1 Características de propagación En los sistemas de microondas, la pérdida de transmisión se explica principalmente por la pérdida en el espacio libre. Sin embargo, en las bandas de ondas milimétricas existe pérdida adicional por nuevos factores que entran en juego, tales como el oxígeno del aire, la humedad, la niebla y la lluvia. A continuación se describen las principales características de propagación para los sistemas en bandas milimétricas (Federal Communications Commision Office of Engineering and Tecnology, 1997). 1. Pérdidas en el espacio libre En cualquier sistema de comunicaciones radio es necesario establecer un balance de potencia entre el transmisor y el receptor, para así, poder calcular la potencia necesaria en el transmisor, que permite alcanzar un nivel mínimo de señal por encima del ruido en el receptor. La fórmula de Friis permite calcular las pérdidas en espacio libre de un radioenlace, generalmente para bajas frecuencias (3GHz), y queda representada por la ecuación 1.1.. (1.1) En la fórmula anterior, se ha sustituido la fórmula del área efectiva dada por la ecuación 1.2. (1.2).

(23) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 13. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. Donde Pr es la potencia recibida; Pt, la potencia transmitida; Gt, la ganancia de la antena transmisora; Gr, la ganancia de la antena receptora; Ar, el área efectiva de antena receptora; LFS, las pérdidas en espacio libre; d, la distancia entre transmisor y receptor y λ es la longitud de la onda. Si ahora se representa la fórmula de Friss en decibelios, se obtienen la ecuación 1.3. (1.3) Despejando se obtiene en la ecuación 1.4, la representación de las pérdidas en espacio libre. (1.4) Donde la frecuencia f está en GHz y la distancia, d, está en Km. Para señales en bandas milimétricas que atraviesan la atmósfera, la frecuencia de Friis debe ser modificada según la ecuación 1.5.. (1.5) Por tanto, al igual que en el caso anterior, la fórmula expresada en decibelios queda representada por la ecuación 1.6. (1.6) Dónde es la pérdida de potencia asociada a los efectos atmosféricos: absorción molecular, lluvia, nubes. La Figura 1.4 muestra la pérdida en espacio libre para varios valores de frecuencia, en función de la distancia entre receptor y transmisor en metros..

(24) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 14. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES.. Figura 1.4. Pérdidas en espacio libre dependiendo de la distancia en metros y de la frecuencia de trabajo (microondas y ondas milimétricas) (Ho et al., 2004). Como puede observarse, por cada cambio de octava en la distancia, los cambios en la atenuación son de aproximadamente 6 dB. Por ejemplo, al pasar de una distancia de 20km a una de 40km, el aumento de la pérdida es de aproximadamente 6 dB. Por ello, a medida que aumenta la distancia (por ejemplo distancia medida en kilómetros) las pérdidas de atenuación aumentan, y a medida que aumenta la frecuencia ocurre exactamente lo mismo, según se duplica la frecuencia las pérdida aumentan en 6 dB (Ho et al., 2004). Con ello se deduce que incluso para distancias cortas, las pérdidas en espacio libre pueden ser bastante altas, dependiendo de la frecuencia usada, lo que conlleva buscar mayores potencias de transmisión o mayores ganancias en las antenas. Por tanto, para aplicaciones de sistemas en bandas milimétricas, serán mejor soportados enlaces de comunicaciones a cortas distancias. 2. Pérdidas por absorción molecular atmosférica Cuando las ondas milimétricas viajan a través de la atmósfera son absorbidas por las moléculas de oxígeno, vapor de agua y otras componentes gaseosas que están contenidas en la atmósfera. Estas pérdidas son mayores en ciertas frecuencias, coincidiendo con las frecuencias de resonancia de las moléculas de gas. Esto ocurre debido a que las moléculas tienen determinadas frecuencias de resonancia (pueden entenderse como microresonadores) por lo que, cuando la onda viaja a una frecuencia que coincide con la.

(25) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 15. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. frecuencia de resonancia de las partículas, la “cavidad resonante” de la molécula absorbe la energía de la onda y, por ello, se produce una atenuación de la potencia (Bleicher, 2014). Las resonancias para frecuencias inferiores a 100 GHz ocurren aproximadamente a 24 GHz para el vapor de agua y a 60 GHz para el oxígeno. Es importante notar que, la relación en volumen del oxígeno en los gases es bastante estable, mientras que la densidad de vapor de agua varía mucho, dependiendo, principalmente, de la región y la temporada. La Figura 1.5 muestra los datos cualitativos sobre las pérdidas por absorción de partículas atmosféricas en sistemas de banda milimétricas.. Figura 1.5. Atenuación provocada por partículas atmosféricas (vapor de agua y oxígeno) en función de la frecuencia de trabajo (Rosa et al., 2007). En esta, se muestra varios picos que ocurren debido a la absorción de la señal radio por el vapor de agua (H2O) y el oxígeno (O2). Los más importantes se producen a las frecuencias de 24 y 60 GHz. Se representan dos medidas, una a nivel del mar, el caso A, y otra a 4km, el caso B, y como puede verse la atenuación es un poco mayor para el caso A, pues existe más concentración de partículas de H2O que atenúan la señal (Rosa et al., 2007). La absorción molecular atmosférica se da principalmente a bajas altitudes ya que en función de la altura disminuya la concentración de gases y por tanto la atenuación. El.

(26) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 16. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. contenido del vapor de agua decrece rápidamente en función de la altura, mientras que el contenido del oxígeno lo hace de formas más gradual. Como puede observarse el rango de frecuencias de 60-61 GHz se encuentra dentro de una banda de absorción muy fuerte debida al oxígeno atmosférico, esto significa que 60 GHz no es una buena frecuencia para su uso en radar o comunicaciones de largo alcance, ya que conlleva a una alta atenuación de la señal de radio y, por lo tanto, una disminución de la distancia de propagación (Ho et al., 2004). Sin embargo, esta frecuencia puede ser muy útil para comunicaciones de corto alcance seguras, tales como por ejemplo, redes inalámbricas de área local utilizadas para ordenadores portátiles (Ho et al., 2004). También se puede observar, que en el rango de frecuencias de 76-77 GHz y 77-81 GHz la absorción atmosférica es muy inferior a la de la banda 60-61 GHz, debido principalmente a que en esa zona de frecuencia la atenuación de las partículas de O2 va disminuyendo rápidamente. Pero también hay que destacar que la atenuación de las partículas de H2O va aumentando, aunque dicho aumento sea más lento (Ho et al., 2004). Este tipo de pérdidas son despreciables a bajas frecuencias (<3GHz), pero a medida que incrementa la frecuencia de la señal, la absorción debida a los gases atmosféricos aumenta significativamente (Ho et al., 2004). 3. Pérdidas por lluvia La propagación de ondas milimétricas, también se ve afectada por la lluvia. Un aumento en el factor de lluvia reduce la disponibilidad del correspondiente enlace de comunicaciones. Las gotas de lluvia son aproximadamente del mismo tamaño que las longitudes de onda propias de las señales en bandas milimétricas (de 1 a 10 mm) y por lo tanto provocan la dispersión de la señal (Federal Communications Commision Office of Engineering and Tecnology, 1997). La atenuación de la señal debida a la lluvia depende de la tasa de precipitación, la cual a menudo se mide en términos de milímetros por hora. La figura 1.6 muestra la atenuación por kilómetro en función de la tasa de lluvia..

(27) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 17. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES.. Figura 1.6. Atenuación por lluvia en función de la tasa (mm/h) y de la frecuencia de trabajo (Federal Communications Commision Office of Engineering and Tecnology, 1997). Un aumento en el factor de lluvia reduce la disponibilidad del correspondiente enlace de comunicaciones (Federal Communications Commision Office of Engineering and Tecnology, 1997). 4. Pérdidas por Objetos situados en la línea de visión directa Si no hay un camino de línea de visión directa (LoS) entre el transmisor y el receptor, la señal todavía puede llegar al receptor a través de las reflexiones en los objetos, o por medio de la difracción, que ocurre cuando una señal de radio golpea contra una superficie y la energía es difundida o reflejada en varias direcciones provocando un cambio en la dirección de la señal (Rosa et al., 2007). La cantidad de curvatura o el cambio de dirección se incrementan cuando: el grosor de los objetos se reduce o aumenta la longitud de onda. A altas frecuencias tanto la difracción como la reflexión dependen de la geometría del objeto (Rosa et al., 2007). En el caso concreto de las ondas milimétricas que viajan por la línea de visión directa, se bloquean mediante la aparición de obstáculos, además de verse atenuadas por el follaje, ya que este tipo de ondas no penetran materiales sólidos sin degradarse, por lo que cualquier obstáculo en la línea de visión directa provocará pérdidas en la potencia de transmisión (Rosa et al., 2007)..

(28) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 18. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. 5. Reutilización de frecuencias En la figura 1.7 se muestran las posibilidades de reutilización de frecuencias, basadas en las pérdidas atmosféricas gaseosas, para los típicos sistemas digitales de servicio fijo que operan en las inmediaciones de 60 GHz.. Figura 1.7. Diagrama que muestra los rangos de frecuencia de trabajo y los rangos para la reutilización de frecuencias (Hakusui, 2001). Como se ha comentado, el pico de absorción de oxígeno se encuentra a 60 GHz, para dicha frecuencia un determinado servicio de comunicaciones soportará un enlace muy corto, como mucho del orden de 2km, y de esta forma otro enlace podría emplear la misma frecuencia si fuera separado del primero por aproximadamente 4 km (Hakusui, 2001). Cuando dos enlaces emplean la misma frecuencia, si están separados por una distancia mayor que la máxima distancia que soporta un servicio de comunicaciones a 60 GHz, será cierto que la interferencia mutua estará por debajo de un nivel aceptable (Hakusui, 2001). 6. Ancho de haz estrecho Los sistemas en ondas milimétricas logran un ancho de haz más estrecho que las frecuencias de radio más bajas, ya que en frecuencias de microondas los pequeños anchos de haz requieren grandes tamaños de antena. A medida que la frecuencia de una onda de radio aumenta y se necesita mantener el tamaño de la antena, la ganancia disminuye. El tamaño de la antena para ondas milimétricas puede ser una décima parte o menos del tamaño de un equivalente trabajando a las frecuencias de.

(29) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 19. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. microondas más baja. Con este tipo de tecnología se pueden diseñar y crear sistemas más pequeños y ligeros (Bleicher, 2014). Como puede observarse en la Figura 1.8, para un tamaño de antena dada, el ancho del haz se puede hacer más pequeño al ir aumentando la frecuencia (ondas milimétricas), reduciendo de esta manera los tamaños de la antena a la vez que se consigue un ancho de haz menor (Bleicher, 2014).. Figura 1.8. Comparación entre los anchos de haz de antenas que trabajan en microondas y antenas que trabajan en ondas milimétricas. Dicha característica tiene como beneficio una mayor protección contra la interferencia y por tanto una mayor reutilización del espectro. El patrón de radiación altamente direccional y estrecho de las ondas milimétricas permite que muchas señales de radio se desplieguen cerca unas de otras sin causar interferencias incluso utilizando las mismas frecuencias (Bleicher, 2014). Además de dichas ventajas, al conseguir un ancho de haz estrecho se crea un nivel de seguridad inherente, ya que si se quiere interceptar las comunicaciones, la antena receptora debería situarse muy cerca del enlace o en la misma línea de visión directa, para poder lograr su objetivo (Bleicher, 2014). Aunque las ondas milimétricas permiten gran ancho de banda, otras frecuencias, como las longitudes de onda infrarrojas y ópticas, permiten altas velocidades de datos y ancho de haz estrecho, pero a diferencia de las ondas milimétricas, estas señales de longitud de onda más corta sufren atenuación por la absorción de partículas de niebla, polvo y humo (Bleicher, 2014)..

(30) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 20. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. La alta frecuencia de las ondas milimétricas, así como sus características de propagación que se han presentado anteriormente, las hacen útiles para una gran variedad de aplicaciones, incluyendo la transmisión de grandes cantidades de datos, las comunicaciones móviles, y las de radar (IEEE, 2014). Los nuevos estudios que se llevan a cabo para utilizar la tecnología de las ondas milimétricas en la futura telefonía móvil 5G, podría ayudar a implementar aplicaciones móviles más avanzadas con transferencias de datos más rápidas (Bleicher, 2014). Hoy en día, el consumo de datos en dispositivos móviles, aumenta a un ritmo muy rápido llegando incluso a sobrepasar lo que las redes existentes pueden soportar. Esto es uno de los hechos que provocan que las compañías se apresuren a lanzar equipos 4G, y se comience a trabajar en definir una quinta generación de estándares inalámbricos (Bleicher, 2014). Por todo ello, en algunos estudios han comenzado a mirar hacia frecuencias más altas, frecuencias de ondas milimétricas, donde el uso del espectro de radio es más ligero. Los ingenieros de Samsung, por ejemplo, estiman que se podrían liberar hasta 100 GHz del espectro de ondas milimétricas para comunicaciones móviles, en torno a 200 veces más que las redes móviles de la actualidad. Dicho exceso de espectro permitiría canales de mayor ancho de banda y mayores velocidades de datos (Bleicher, 2014).. 1.3 Características principales de los sistemas MIMO y MIMO masivo Un sistema MIMO tiene nt antenas transmisoras y nr antenas receptoras, se generan nt, nr subcanales entre el arreglo de antenas transmisoras y el arreglo de antenas receptoras. Existe un canal entre cada antena transmisora y cada antena receptora lo que obliga a representar la propagación mediante una matriz, conocida como matriz de transmisión o matriz H, que vendrá dada por : (Fernández, 2007). H(t)=.

(31) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 21. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES.. Cada uno de los elementos hij(t) representa el canal generado entre la antena transmisora j, con j=1,…nt y la antena receptora i, con i=1,…,nr. En el canal MIMO que se representa en la figura 1.9 pueden verse las nt antenas transmisoras y las nr antenas receptoras y como se generan nt nr subcanales (Fernández, 2007).. Figura 1.9. Esquema de un canal MIMO nt × nr (Fernández, 2007). H es una matriz nt × nr que representa la función transferencia del canal desde cada una de las antenas transmisoras hasta cada una de las antenas receptoras. De esta manera se tiene un modelo sencillo, con matrices de números complejos. Cada término de la matriz representa un camino de señal distinto afectado por las antenas de transmisión/ recepción y la propagación. La arquitectura MIMO masivo utiliza la tecnología multiantena a grandes escalas (decenas e incluso cientos de antenas), lo que mejora considerablemente la cobertura de la red, la eficiencia del espectro inalámbrico, la capacidad del sistema y permite a los operadores maximizar el uso de los sitios existentes y los recursos del espectro (Talbot, 2015). MÉTODOS DE TRANSMISIÓN Las altas velocidades de transmisión de los sistemas MIMO (Fernández, 2007),(Diggavi et al., 2004) dependen de diversas estrategias o métodos que mejoran los esquemas de transmisión o la fiabilidad del enlace. La primera, la multiplexación espacial, utiliza múltiples antenas para generar subcanales paralelos por los que se transmiten flujos de información independientes. La mejora obtenida a partir de estos sistemas se denomina.

(32) CAPÍTULO 1. LAS ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA. 22. PARA LA QUINTA GENERACIÓN DE LAS COMUNICACIONES. ganancia por multiplexación espacial. La segunda estrategia mejora las características del canal minimizando la probabilidad de error y mejorando la relación señal a ruido lo que permite el uso de velocidades de transmisión más altas a través de esquemas de codificación superiores, aumentar el alcance o reducir la potencia transmitida. Entre estos sistemas se destaca la codificación espacio temporal que introduce ganancia por diversidad o la combinación de la señal en transmisión y/o en recepción que aporta ganancia de arreglo (Fernández, 2007)..

(33) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 23. CAPÍTULO 2. Técnicas adaptativas para la 5G de las. comunicaciones. En este se capítulo se exponen las principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes, las cuales brindan la capacidad de reajustar el diagrama de radiación en función de algunos de los parámetros de la señal, incrementando la capacidad. Se describen las técnicas de multiplexación, diversidad y modulación espacial, como métodos para dar solución a limitaciones en los sistemas de comunicaciones móviles, las que se deben a la hostilidad del canal en las comunicaciones inalámbricas. Se reflejan los elementos que permiten que las técnicas mencionadas garanticen una velocidad de datos más alta y una mejor eficiencia espectral. El último epígrafe se dedica al análisis de artículos actuales que han desarrollado propuestas de algoritmos empleando las técnicas de multiplexación y modulación espacial.. 2.1 Principales técnicas adaptativas empleadas en los sistemas de antenas inteligentes Como se mencionó en apartados anteriores, los sistemas de antenas inteligentes, constituyen una serie de elementos de antenas, conectados a una red con la capacidad de procesar los parámetros de la señal recibida, para así modificar la amplitud y la fase de cada elemento de las antenas produciendo el patrón de radiación deseado, esto es lo que se conoce como antenas adaptativas (Albornoz, 2015)..

(34) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 24. El ejemplo más típico de una antena adaptativa es la denominada SLC (“Sidelobe Canciller Antenna”), que ajusta el diagrama de forma que aparece un nulo en la dirección de la interferencia. Una antena como la indicada consiste de un elemento de elevada ganancia y varias antenas auxiliares con un diagrama prácticamente omnidireccional. El número de antenas auxiliares determina el máximo número de interferencias que se pueden cancelar (Ellingson, 2001). La tecnología de antenas adaptativas en comunicaciones móviles ha alcanzado enorme interés mundial en los últimos años, debido a la introducción de este tipo de antenas en el mercado de las comunicaciones ha posibilitado un gran aumento de la capacidad en el canal de comunicaciones. Otras ventajas incluyen mayor ancho de banda y el potencial para introducir nuevos servicios. Es decir que la razón fundamental para usar antenas inteligentes en una red de telefonía móvil es la de incrementar su capacidad, esto es, la posibilidad de manejar más usuarios por estación base. Dicha capacidad depende, principalmente, del nivel de interferencia comparado con la relación de potencia recibida y ruido más interferencia (SINR), ya que está es la principal fuente de ruido en estos sistemas, interferencia causada por otros usuarios (Ellingson, 2001). Existen dos formas de implementar un sistema de antenas inteligentes, estas son: los sistemas de haz conmutado y los sistemas con arreglo adaptativo, estos últimos aunque más complejos y con un mayor nivel de procesamiento, ofrecen las mejores prestaciones para los sistemas de telecomunicaciones móviles dada su capacidad de reajustar su diagrama de radiación en función de algunos de los parámetros que llegan con la señal.. 2.1.1 Formación de lóbulos Elemento-espacio La formación de lóbulos, se refiere a un proceso del tipo elemento-espacio, donde las señales provenientes de los diversos elementos de antenas xm con m=0,1,…M-1, son directamente multiplicados por los ponderadores wm para formar un lóbulo en el ángulo deseado θk. Al multiplicar las señales de entrada xm por un grupo diferente de pesos donde m=0,1,…M-1 y k=1,2,…K, es posible crear lóbulos que apunten a cualquier dirección. La ecuación 2.1 es la expresión matemática correspondiente (Janaswamy, 2001)..

(35) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 25. (2.1) Lóbulo-espacio A diferencia del método elemento-espacio, donde las señales de entrada de los elementos de antena son ponderados y sumados para producir la señal de salida deseada, en el esquema lóbulo-espacio, se construyen un grupo de lóbulos fijos, empleando una red preestablecida, después la salida de cada lóbulo es ponderado y las señales resultantes son combinadas para producir la respuesta deseada. Las señales de los lóbulos que no son empleadas para crear la respuesta deseada, se pueden usar para cancelar interferencia (Obstler, 2001).. 2.1.2 Ajuste del patrón de radiación Conmutación de lóbulos fijos Al arreglo de antenas de haz conmutado se le llama también “Switched Lobe” (cambio de dirección del lóbulo). El sistema radiante genera varios haces fijos, cada uno de ellos apuntando en una dirección distinta, de modo que entre todos se cubre toda zona deseada (un sector o una celda). La inteligencia del sistema se encarga de seleccionar el haz que mejor servicio da a cada usuario en particular, en función de algún parámetro de control (mayor nivel de potencia recibida), mejor SINR (relación señal a ruido más interferencia) y mejor C/I (relación señal a interferencia). Esta técnica no garantiza que el móvil se encuentre en la dirección de máxima radiación del haz que le da servicio, ni que las señales interferentes se vean notablemente reducidas (ya que siempre es posible que alguna entre por uno de los lóbulos secundarios)(Huang, 2003). Los sistemas de conmutación de lóbulos, ofrecen varias de las ventajas que poseen los sistemas de antenas inteligentes con una reducción en complejidad y costos, sin embargo, presentan algunas limitaciones. Primero, el sistema no es capaz de discernir las componentes de multi-trayecto, que llegan en direcciones cercanas a la componente directa. La segunda desventaja es que no se puede aprovechar la diversidad de caminos para hacer una combinación coherente de las señales multi-trayecto. A pesar de las desventajas citadas anteriormente, los sistemas de conmutación de lóbulos, gozan de cierta popularidad entre.

(36) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 26. los proveedores de servicios de telefonía celular. En primer término, porque se logra una extensión apreciable del rango de cobertura de las radio bases. Segundo, porque reduce en cierto grado la dispersión por retraso. Tercero, la interacción de los sistemas de antenas por conmutación de lóbulos con los equipos propios de la radio base, es moderada en comparación con los sistemas adaptativos, y por último, como ya se mencionó anteriormente, los costos son mucho menores con respecto a su similar, los sistemas adaptativos (Huang, 2003). Sistemas de arreglos adaptativos Un arreglo adaptativo de antenas, es aquel que ajusta en el transcurso del tiempo, los pesos de la ganancia y de la fase de cada ponderador, para que de una manera dinámica, se obtenga el patrón de radiación requerido por las condiciones de RF, representado en la figura 2.1. Los ajustes que se realizan en el tiempo para optimizar el desempeño del sistema, pueden obedecer a diversos criterios. Por ejemplo, se puede incrementar la relación señal a ruido aumentando la señal recibida, o disminuyendo los niveles de interferencia. En un sistema adaptativo, el vector de los pesos se ajusta con la finalidad de minimizar la función costo, que es la relación entre la salida del o los arreglos ponderados y el valor deseado de dicha señal (Mobile, 2012). Para ambos casos, el cuadrado de la diferencia entre la salida del arreglo. y. . La estimación local de la señal deseada para los k usuarios, es minimizado para encontrar el vector de ponderación adecuado (Mobile, 2012).. Figura 2.1. Estructura de un arreglo adaptativo (Mobile, 2012)..

(37) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 27. Aumentando la complejidad del procesamiento de señales del arreglo es posible alcanzar un desempeño más elevado que en los sistemas de haz conmutado. Con el auxilio de algoritmos de control, es posible estimar la dirección de llegada de la señal (DoA), y también optimizar los pesos de los elementos, suprimiendo así las interferencias y concentrando la radiación en una dirección hacia el usuario. MUSIC o ESPIRIT son ejemplos de algoritmos para la determinación de DoA en arreglos de antenas adaptativas, ejemplos de estos algoritmos se describirán con detalles más adelante. Con estos algoritmos el lóbulo puede ser estrechado, y mejorar la reutilización de frecuencia en una célula, rechazar la interferencia o maximizar la relación señal a ruido (S/N) (Mobile, 2012).. 2.1.3 Multiplexación y diversidad espacial En las comunicaciones móviles inalámbricas, el canal de comunicación es un medio de transmisión hostil, debido fundamentalmente a los desvanecimientos generados por la propagación multi-trayectoria, que reduce la calidad y fiabilidad del canal y en consecuencia la velocidad de transmisión en la comunicación. Una de las variantes para dar solución a esta problemática es el empleo de los sistemas MIMO (múltiples entradasmúltiples salidas). Estos sistemas al utilizar múltiples transmisores y receptores, permiten superar las limitaciones de los sistemas de comunicaciones móviles y satisfacer la demanda de altas tasas de transmisión de datos (Andersen, 2000). Las altas velocidades de transmisión de los sistemas MIMO, dependen de diversos factores que bien mejoran los esquemas de transmisión o bien mejoran la fiabilidad del enlace. Los primeros, como por ejemplo la multiplexación espacial, utilizan las antenas para generar subcanales paralelos por los que se transmiten varios flujos de información independientes unos de otros. La mejora obtenida a partir de este método se denomina ganancia por multiplexación espacial y consiste en la obtención de varios canales dentro de la misma banda de frecuencias, es decir, se logra una subdivisión del flujo de símbolos, en subflujos que se transmiten simultáneamente en la misma banda de frecuencias, donde el receptor discrimina los subflujos en base a las propiedades de propagación por multitrayecto, proporcionando un incremento lineal de la capacidad de canal, sin necesidad de incrementar el ancho de banda ni la potencia de transmisión. Entre los otros factores que mejoran las características del canal, minimizando la probabilidad de error y mejorando la.

(38) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 28. relación señal a ruido se encuentra la codificación espacio temporal, aquí se introduce lo que se conoce como ganancia por diversidad, lo que permite el uso de velocidades de transmisión más altas a través de esquemas de codificación superiores, aumentar el alcance o reducir la potencia transmitida (Zheng and Tse, 2003). Otras de las técnicas que se consideran para las comunicaciones de 5G es la multiplexación espacial, la cadena de símbolos a transmitir, se divide entre el número de antenas usadas en el transmisor, generando subcadenas de información. Las subcadenas se envían simultáneamente desde las antenas transmisoras dentro de la misma banda de frecuencias. La señal al propagarse genera múltiples trayectorias, con lo cual cada antena receptora. observa. una. superposición. de. las. señales transmitidas. Las. antenas. transmisoras introducen una “firma” espacial a los datos con el fin que cada antena receptora. pueda. reconocer. y. recuperar. la información. que. le. pertenece,. reconstruyendo las subcadenas que son multiplexadas para entregar los datos originales al destino como se observa en la figura 2.2 (Zheng and Tse, 2003).. Figura 2.2. Esquema de multiplexación espacial (Zheng and Tse, 2003). Existen tres esquemas de multiplexación espacial, la codificación Horizontal, Codificación Vertical V-BLAST y la Codificación Diagonal D-BLAST (Heath et al., 2001), (Diggavi et al., 2004). Codificación horizontal La codificación horizontal consiste en de-multiplexar el flujo de bits original en tantos flujos como antenas y realizar codificación temporal de modo independiente en cada uno de ellos. La tasa de codificación espacial es Nt. La diversidad que extrae este esquema es máximo Nr (la diversidad en recepción). Se transmite cada símbolo fuente por sólo una de.

(39) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 29. las antenas transmisoras. A cambio, este esquema permite el uso de técnicas subóptimas en recepción de baja complejidad computacional y filtrado lineal para separar las señales transmitidas, o la ecualización de las mismas (Parsons et al., 1976). Codificación Vertical V-BLAST Se dispersa la energía correspondiente a cada bit fuente a lo largo del mayor número posible de antenas. Introduciendo un código temporal, un entrelazador y realizando la asignación bit a símbolo de modo previo a la de multiplexación. Si se utiliza un código temporal suficientemente potente, permite alcanzar la capacidad del canal. El inconveniente de este esquema la complejidad asociada al proceso detección de cada bit codificado, crecimiento exponencial el número de antenas transmisoras y el orden de la modulación (Parsons et al., 1976). Codificación Diagonal Primero se realiza codificación horizontal para después asignar los flujos de datos a las antenas transmisoras de modo cíclico. Los símbolos se ubican en la diagonal. Se utilizan todas las antenas, y por tanto todas las ramas de diversidad espacial en transmisión,. para. transmitir. cada. flujo. de. símbolos codificados. Por lo tanto,. potencialmente se puede obtener diversidad espacial en transmisión completa. Se emplean técnicas de detección iterativa y/o cancelación sucesiva en recepción (Heath et al., 2001). Codificación Diagonal D-BLAST Consiste en realizar codificación diagonal, con la particularidad de:  En el primer período de símbolo sólo se utiliza la primera antena para transmitir, dejando inactivas el resto, en el segundo se utilizan sólo la primera y la segunda.  En el tercero las tres primeras, y así sucesivamente. Este desperdicio de recursos permite detectar los flujos de datos mediante cancelación sucesiva de los símbolos ya detectados (Parsons et al., 1976)..

(40) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 30. 2.1.4 Modulación espacial La necesidad de una mayor velocidad de datos más alta y la eficiencia espectral son los elementos clave que están impulsando la investigación en futuros sistemas de comunicación inalámbrica. El aumento de capacidad resultante de la transmisión MIMO depende de la transmisión y recepción separación de la antena, transmitir la sincronización de la antena, y el algoritmo empleado para combatir la interferencia intercanal (ICI) en el receptor (Serafimovski et al., 2013). Un ejemplo es la modulación espacial (SM), que aumenta la eficiencia espectral de los sistemas de antena única, evitando entre canales interferencia (ICI). Esto se logra, como se muestra en la Figura 2.3, mediante la adopción de un nuevo esquema de modulación y codificación, que prevé la activación, en cada instante de tiempo, de una sola antena, que transmite un símbolo de datos dado (constelación símbolo) y la explotación de la posición espacial (índice) de la antena activa como una dimensión adicional para la transmisión de datos (símbolo espacial) (Mesleh et al., 2008). Tanto la constelación y símbolos espaciales dependen de los bits de datos entrantes.. Figura 2.3. Diagrama de constelación para modulación espacial (Mesleh et al., 2008). El modelo básico de un sistema de modulación espacial se presenta en la figura 2.4..

(41) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 31. Figura 2.4. Esquema de modulación espacial. Este se compone de un asignador (mapper) de SM, antenas transmisoras Nt, un canal H y antenas receptoras Nr conjuntamente con un detector óptimo. En el sistema de SM, un bloque de bits de información es asignado en dos unidades portadoras de la información, un símbolo se elige desde un diagrama de constelación (figura 2.3), y un único número de antena transmisora que fue elegido de un conjunto de antenas transmisoras, lo que incrementa de manera global la eficiencia espectral del sistema de modulación espacial por el logaritmo base dos del número de antenas existentes en un esquema MIMO, pero limita el número de antenas de transmisión a ser una potencia de dos. En general el número de bits que se pueden transmitir utilizando la modulación espacial se da por la ecuación 2.2. (2.2) Una secuencia aleatoria de b bits independientes entra en el asignador de SM, que los agrupa en n bits y los asigna en una constelación vector x = [x1 x2 · · · XNt]T de tamaño Nt. Solo uno de los Xj en X, es distinto de cero ya que solo se activa una única antena para la transmisión durante la modulación espacial, donde j es en efecto el número de antena signada para la transmisión en ese instante de tiempo j ∈ [1: Nt]. El símbolo Xj es transmitido desde la antena sobre un canal H en un sistema MIMO con una matriz de antenas Nt ×Nr. la señal recibida está dada por la ecuación 2.3. (2.3) Donde r denota la tasa de datos y está dada por ecuación 2.4. (2.4).

(42) CAPÍTULO 2. TÉCNICAS ADAPTATIVAS PARA LA 5G DE LAS COMUNICACIONES. 32. Donde ρ es el promedio de la relación señal a ruido (SNR) en cada antena receptora y η es el vector del ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) que se expresa de la forma η=[η1 η2 ···ηNr]T . Como una sola antena permanece activa durante la transmisión, el asignador SM de salida da un vector de constelación de la siguiente forma xjq=[0 0··· xq ··· 0 0]T, donde j representa la antena transmisora activada, y xq es el símbolo qth de la constelación M-ary. Cuando xq se transmite desde la antena jth entonces la ecuación 2.2 puede ser escrita como: (ver ecuación 2.5.) (2.5) Siendo hj la columna jth de H. El número de bits de información transmitidos (n), puede ser ajustado de dos formas diferentes e independientes, ya sea modificando el esquema de modulación empleado o cambiando el número de antenas transmisoras. Algunas de las ventajas que ofrece el esquema SM, sobre otros esquemas de transmisión como V-BLAST, es la obtención de una mayor eficiencia espectral al eliminar casi completamente la interferencia co-canal, resultando además en una reducción de la complejidad del o los receptores (Faiz et al., 2012).. 2.2 Artículos desarrollados utilizando la multiplexación y la modulación espacial En (Lee et al., 2012) se realizó un estudio sobre el desempeño de un esquema de transmisión híbrido que combina tanto la formación de haz como la multiplexación espacial. Específicamente, se evaluó la capacidad del canal en el esquema híbrido y se comparó con la del esquema de conformación de haz en cuanto a la línea de visión y los canales multitrayectos. Se consideraron dos tipos de esquemas mixtos en la publicación: la arquitectura de antena compartida, donde cada antena procesa todo el flujo de datos y la arquitectura de la antena dividida, donde cada antena procesa sólo un flujo de datos. Se examinaron los efectos de los parámetros del canal, tales como la separación de las antenas y la existencia de trayectorias reflejadas, en la capacidad y la formación óptima del haz y potencia. También se analizaron la propiedad de selectividad de frecuencia del haz óptimo y la potencia..