SEMINARIO DE TITULACIÓN
“PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES”
REDES DE COMUNICACIÓN 4G WiMAX
T E S I N A
Que para obtener el grado de:
INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA.
Presentan:
JOSE JOEL CARDENAS PAEZ
ERICK ALFONSO ROMERO VÁZQUEZ
ASESORES:
M. en C. ORLANDO BELTRÁN NAVARRO.
M. en C. BRAULIO SANCHEZ ZAMORA
México, D. F. Noviembre de 2009.
UNIDAD CULHUACAN
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN
TESINA
Que para obtener el título de: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
Por la opción de titulación: SEMINARIO DE TITULACIÓN
“PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES”
Deberán desarrollar: JOSE JOEL CARDENAS PAEZ
ERICK ALFONSO ROMERO VÁZQUEZ
INTRODUCCION
Existen diversas propuestas sobre lo que se quiere realizar para llegar a la próxima generación de telefonía celular, inclusive existen dudas a un sobre en qué consistirá esta generación 4G, lo que si se conoce es que esta próxima generación tendrá una gran cantidad de servicios integrados a la comunicación inalámbrica además de costos reducidos y tasas de transferencias de datos muy altas las cuales permitirán una comunicación de información más eficiente. Además hay compañías que creen que WiMAX se convertirá en el estándar definitivo de 4G principalmente porque se encuentra un poco más desarrollado que las demás tecnologías en su infraestructura aunque se encuentre un poco atrás en la carrera 4G frente a LTE, por lo mismo otras compañías piensan que LTE será el estándar de 4G por su alta velocidad y demás características que desde primera vista se ve superior a las demás tecnologías.Por el momento parece ser que WiMAX está más desarrollado aunque LTE promete muchas cosas que parecen ser muy interesantes pero se requieren mayores estudios y avances para definir totalmente un estándar de siguiente generación.
CAPITULO I OBJETIVO CAPITULO II WiMAX
CAPITULO III CONCLUSIONES
_______________________________ _____________________________
M. en C. Orlando Beltrán Navarro M. en C. Braulio Sánchez Zamora
Coordinador del seminario Asesor
________________________________
Ing. Ignacio Monroy Ostria Jefe de carrera de ICE
ÍNDICE
PAG.
CAPITULO I. OBJETIVO 2
CAPITULO II. WiMAX 2
a) ANTECEDENTES 2
b) NUEVA GENERACIÓN 3
1. CUARTA GENERACIÓN EN COMUNICACIÓN (4G) 4
1.1. DESARROLLADORES DE LA TECNOLOGÍA 4G 5
2. WiMAX EN DESARROLLO 8
2.1. OBJETIVO DE WiMAX 10
3. PRINCIPIO OPERATIVO DE WiMAX 10
3.1. LAS APLICACIONES DE WiMAX 11
3.2. CALIDAD DEL SERVICIO WiMAX 12
3.3. ESTANDARES ASIGNADOS A WiMAX 12
4. INTRODUCCIÓN A MULTIPLEXACIÓN POR DIVISÓN DE
FRECUENCIAS ORTOGONALES (OFDM) 13
4.1. CARACTERISTICAS DE LA MODULACIÓN OFDM 14
4.2. ENFOQUE DE LA PORTADORA ÚNICA 15
4.2.1. SISTEMA DE LA PORTADORA SIMPLE 16
5. ORTHOGONAL FRECUENCY DIVISION MULTIPLEXING 17
5.1. ESTIMACIÓN DEL CANAL PARA OFDM 19
5.2. SISTEMAS QUE USAN LA TECNOLOGÍA OFDM 21
6. W-OFDM WIDEBAND ORTHOGONAL FRECUENCY DIVISION
MULTIPLEXING 23
7. SISTEMA MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 24
7.1. CAPACIDAD 28
7.2. PAPR 28
7.3. DIVERSIDAD ESPACIAL CODIFICADA POR MIMO-OFDM 30 7.4. ESPACIO-FRECUENCIA CODIFICADO EN MIMO-OFDM 31
7.5. FUNCIONAMIENTO DE LA TECNOLOGÍA MIMO 32
8. ESTANDAR 802.11n 33
CAPITULO III. CONCLUSIONES 35
ANEXO A. 36
BIBLIOGRAFÍA 47
CAPITULO I. OBJETIVO
Abordaremos las principales características de la cuarta generación de la telefonía móvil. Comenzando con una breve reseña histórica de las generaciones previas de telefonía celular, para posteriormente abordar la definición, especificaciones y puntos importantes con los que debe contar los servicios de telefonía móvil para ser considerada 4G y profundizar en WiMAX, la cual es una de las dos principales tecnologías en las que este tipo de comunicación se basan.
CAPITULO II. WiMAX.
a) ANTECEDENTES
La telefonía celular es sin duda una de las tecnologías de comunicación más importante por su gran penetración a nivel mundial desde su aparición de manera comercial hace 30 años. Según un comunicado de prensa de septiembre de 2008 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International Telecommunications Union), mundialmente, hay más de 4 mil millones de usuarios de teléfonos móviles, equivalente al 61% de la población en el planeta. Y que a finales del 2008, globalmente, había tres veces más usuarios de teléfonos móviles que de teléfonos fijos. En el mismo comunicado de prensa, el secretario general de la ITU, Hamadoun Touré, declaró "que la telefonía móvil no sólo es la tecnología de más rápido crecimiento en el mundo, sino también la que más se ha expandido en el planeta”.
En 2009, se cumplen 30 años de la entrada en operación del primer sistema de telefonía celular comercial en el mundo. Este primer sistema fue introducido en 1979 en la ciudad de Tokio, Japón por la compañía NET. En 1981 fue lanzado en Dinamarca, Finlandia, Noruega y Suecia su primer sistema de telefonía móvil conocido como NMT (Nordic Mobile Telephony). Posteriormente en 1983 se instala el primer sistema celular en Chicago, EUA conocido como AMPS (Advanced Mobile Phpne System).
Desde entonces la evolución de la telefonía móvil se ha seguido en base a las generaciones marcadas por 1G, 2G y 3G, correspondientes a la primera, segunda y tercer generación. Cada una de ellas con características muy especiales que la diferencian notablemente una de la otra.
A finales de los 70s y principios de los 80s, aparece la primera generación (1G), la cual se caracterizó por ser analógica, utilizando la técnica de acceso al medio: Acceso Múltiple por División de Frecuencias (TDMA, Time Division Multiple Access). Dado su
limitado ancho de banda, los servicios de la 1G eran sólo de voz. Además, debido al número limitado de canales, las llamadas se bloqueaban con regularidad. La no disponibilidad de la red y la inseguridad, fueron las principales quejas de los usuarios.
En los 1990s, la industria de la telefonía celular evolucionó hacia una segunda generación (2G). La generación 2G se caracterizó por ser digital, por lo cual aparecen nuevos servicios tales como el identificador de llamada, conferencia tripartita, trasferencia de datos a baja velocidad y el envío de mensajes cortos (SMS, Short Message Service). En esta generación aparecen dos técnicas de acceso contendientes. Por un lado, el TDMA (Time Division Multiple Access) y por el otro CDMA (Code Division Multiple Access) de Qualcomm. En Europa aparece una tecnología basada en TDMA, conocida como GSM (Global System for Mobile Communications), la cual tiene muchos adeptos alrededor del mundo, empezando así una guerra de tecnologías alrededor del mundo.
La necesidad de los usuarios por nuevos servicios y aplicaciones, dieron origen a una tercera generación (3G), la cual prometía velocidades de información de hasta 2 Mbps. Al igual que la segunda generación, la 3G evolucionó en dos ramas. Por un lado, CDMA y por el otro tecnologías basadas en TDMA/GSM, que evolucionaron hacia GPRS (General packet radio service), EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) y eventualmente a UMTS/HSPA (Universal Mobile Telecommunications System/High Speed Packet Access).
Estas redes de 3G permiten servicios de datos, multimedia, acceso a Internet, televisión en tiempo real, etc. La primer compañía en el mundo que ofreció servicios de 1G fue la operadora japonesa NTT Docomo en Octubre de 2001. En la actualidad, muchos países en el mundo cuentan con operadores que brindan servicios de tercera generación.
b) NUEVA GENERACIÓN
En muchos países en donde la tercera generación está firmemente afianzada, están a la espera de una cuarta generación. A diferencia de las redes de 3G, la cuales están construidas sobre la infraestructura de conmutación de circuitos de las redes de 2G. La 4G será totalmente otra red que utilizará el Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) como base y velocidades similares a la de las redes cableadas de banda ancha.
1. CUARTA GENERACION EN COMUNICACIÓN (4G)
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (www.itu.ch) es una de las organizaciones que ha puesto las directivas o lineamientos de los atributos que deben tener algunos servicios o tecnologías como la telefonía celular. La ITU como autoridad reconocida internacionalmente puso orden cuando varias compañías empezaron a ofrecer servicios de 3G sin cumplir con los requerimientos mínimos establecidos por esta organización. A las compañías celulares que ofrecerían servicios que no cumplieron con lo definido por la ITU para 3G, se les conoció como servicios de 2.5G.
Con la llegada de la 4G, la ITU-R (la división de radiocomunicaciones de la ITU) redactó un documento conocido como 4G/IMT, donde establece los requerimientos mínimos para los servicios de cuarta generación, y así poner orden desde el principio. En este documento la ITU ha establecido que la 4G "deberá ser una red completamente nueva, una red de redes y un sistema de sistemas integrados totalmente basados en el protocolo IP, resultado después de la convergencia de las redes cableadas e inalámbricas". Las redes 4G serán enteramente por conmutación de paquetes IP.
De acuerdo con la ITU, las redes de 4G serán capaces de proveer velocidades de datos de bajada de 100 Mbps y 1 Gbps, en ambientes exteriores (móviles) e interiores (fijos), respectivamente. Para que se den una idea, la ITU estableció una velocidad máxima de 2 Mbps en ambiente de interiores para las redes de 3G, las velocidades esperadas para la 4G superan por mucho esa cifra. Las redes 4G tendrán calidad de servicio (QoS) y alta seguridad extremo a extremo. Ofrecerán cualquier tipo de servicio en cualquier momento, en cualquier lugar, con interoperatibilidad transparente, siempre activo, con costo accesible, en un sólo recibo y totalmente personalizado.
Figura 1. Movilidad por generación (Anexo A)
Los puntos claves del documento 4G/IMT de la ITU-R para la cuarta generación son los siguientes:
Alto grado de coincidencia de la funcionabilidad en todo el mundo, manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad necesaria para soportar una amplia gama de servicios y aplicaciones a un costo eficiente.
Compatibilidad de servicios con las redes móviles y con las redes fijas.
Capacidad de interconexión con otros sistemas de radio.
Alta calidad en los servicios móviles.
Aplicaciones, servicios y equipos amigables al usuario.
Capacidad de conexión mundial (roaming).
Altas velocidades de datos para soportar servicios y aplicaciones avanzadas.
Por último las tecnologías de radio de 4G deberán incluir:
OFDMA (Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access), un esquema de modulación multiportadora altamente eficiente.
MIMO (Multiple Input Multiple Output), un sistema de múltiples antenas que minimizan los errores de datos y la velocidad.
1.1. DESARROLLADORES DE LA TECNOLOGIA 4G
En la actualidad hay dos tecnologías desarrollando la cuarta generación de telefonía móvil. Por un lado se encuentra WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), y por el otro LTE (Long-Term Evolution). WiMAX es un sistema de comunicación digital inalámbrico definido en el estándar del IEEE 802.16 para redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network). Provee comunicaciones de banda ancha con cobertura de hasta 50 km para estaciones fijas o de 5 a 15 km para estaciones móviles. El estándar 802.16m, conocido como WiMAX móvil, es el que se empleará por las compañías celulares para servicios de 4G. LTE, mientras tanto, es una tecnología definida por la organización 3GPP (3rd Generation Partnership Project, www.3gpp.org) en donde participan más de 60 operadores, fabricantes e institutos de investigación que están participando en conjunto para definir los estándares de LTE.
La carrera ya está en marcha para reemplazarla tecnología 3G. WiMAX, la tecnología de red 4G que cuenta Sprint e Intel entre sus promotores, tiene una ventaja. Pero es perdiendo terreno frente a Long Term Evolution (LTE).
La promesa de LTE de alta velocidad, bidireccional de datos inalámbrica promete un
"todo IP" de modo de las comunicaciones en que se gestionan las llamadas de voz a través de VoIP. También está diseñado para manejar un buen vídeo, y para permitir roaming a través de sistemas múltiples de celular a Wi-fi y por satélite.
LTE es considerado por muchos como el sucesor obvio para las actuales tecnologías de generación 3G, basado en WCDMA, HSDPA, HSUPA y HSPA, en parte porque se
actualiza la tecnología UMTS para ofrecer velocidades de datos mucho más rápido tanto para la carga y descarga, manteniendo la compatibilidad hacia atrás con los terminales actuales, basados en estándares. Verizon Wireless, que ya ha dicho que apoyará LTE como la tecnología 4G de su elección, en abandono de su actual red basada en CDMA.
Velocidad, teóricamente superior a WiMAX, LTE le daría una ventaja para aplicaciones que consumen ancho de banda, como televisión en vivo y descargas de vídeo.
Teléfonos LTE también se espera que abarque el roaming automático a los sistemas no celulares, tales como Wi-Fi y satelital.
Es cierto que la tecnología WiMAX, a diferencia de LTE, está disponible hoy, pero es sólo en las primeras etapas de implementación. (Respaldado por Clearwire, Sprint, la empresa sólo implementada de WiMAX en USA. Hasta la fecha, ofrece un servicio sólo en las zonas dispersas en los dieciséis estados). Analistas expresan dudas de que los fabricantes de teléfonos, compañías de redes, desarrolladores de aplicación, operadores y transportistas que nunca será WiMAX un reemplazo popular de 2G o de 2.75g en instalaciones y servicios.
Sin embargo, WiMAX puede endure-Clearwire se ha comprometido a construir una red nacional. Pero el ritmo lento de su lanzamiento indica precaución adicional acerca de las inversiones necesarias. Y Clearwire está controlada por Sprint, considerada la más débil de los portadores inalámbricos lideres de E.E.U.U.
Si se apuesta por LTE, WiMAX, o alguna combinación de los dos principales operadores, empresas de hardware, y los competidores de telecomunicaciones no puede aplazar las decisiones sobre sus planes de 4G a pesar de que todavía no está claro que tan corta sea la competencia de esta tecnología. Invirtiendo cantidades gigantescas de dinero en la construcción de lo que puede ser temporal es una tecnología de alto riesgo, especialmente durante la peor crisis económica desde la Gran Depresión, pero que no pueden dejar el mercado abierto a sus competidores.
La cuestión de la superioridad, WiMAX vs LTE, es alucinante a los observadores de la industria, aunque no podría ser un genio, ni a los ingenieros eléctricos e inalámbricos.
Defiende la innovación de LTE podría ver como una evolución natural de la tecnología.
Sin embargo, algunos escritores de la tecnología lo han descrito como inusual, en la secuencia lógica de los avances tecnológicos. Al menos, la adopción de LTE demuestra que la mejor decisión, en la aceleración de la tecnología inalámbrica de conexión, no es esperar a que la recesión económica toque fondo o de marcha atrás.
Los EE.UU., un líder tradicional en la innovación y el avance tecnológico, pueden tener dificultades para adoptar 4G tan rápidamente como en otros países. ¿Por qué? Una de
las razones es la dificultad de la rampa hasta LTE durante un período de recesión. Otra es la indecisión de los pesos pesados de la industria de los EE.UU. sobre los estándares de la próxima generación. Pero incluso si el futuro 4G de los Estados Unidos es algo oscuro, la conectividad inalámbrica se ve obligada a evolucionar hacia una mayor velocidad, gran capacidad de tráfico y más fiables las conexiones.
Muchos expertos se han preguntado si LTE y WiMAX son tecnologías rivales o complementarias. Por ejemplo, desde la 2G, 2.5G y 3G, las tecnologías basadas en TDMA como GSM, tomaron un rumbo diferente a las tecnologías basadas en CDMA, debido a que tenían esquemas de modulación totalmente diferentes e incompatibles. Por el contrario, LTE y WiMAX tienen el mismo esquema de modulación (OFDM) y la misma forma de enviar las señales al aire por antenas múltiples (MIMO), además, ambas estarán basadas en el protocolo IP. En la tabla 1 se muestra una comparación de características técnicas entre ambas tecnologías.
Sobre la posibilidad de que LTE y WiMAX sean tecnologías complementarias, algunos expertos afirman que ambas tecnologías podrán co-existir en algunas regiones, y que los operadores podrán utilizar WiMAX para algunos servicios y LTE para otros.
Comparación entre las tecnologías de 4G, WiMAX & LTE Parámetros/
Tecnología
WiMAX 802.16e
WiMAX
802.16m LTE
Disponibilidad
Infraestructura de red 2007 2010 2009
Disponibilidad equipo
terminal 2008 2011 2010
Organización de estándares
IEEE &
WiMAX Forum
IEEE &
WiMAX Forum
3GPP
Frecuencia (MHz)
2300, 2500, 3300, 3500,
3700
Menor de 6 GHz
700, 850, 900, 1800, 1900, 2100,
2500
Ancho de banda del canal
3.5, 5, 7, 8.75, 10
MHz
Escalable 5- 20 MHz
1.4, 1.6, 3.5, 10, 15, 20
Caudal eficaz del canal
~3.5 Mbps/Hz enlace de bajada 35 Mbps, 1 sector, canal
10 MHz
~5 Mbps/Hz enlace de bajada 50 Mbps, 1 sector, canal
10 MHz
~5 Mbps/Hz enlace de bajada 50 Mbps, 1 sector, canal
10 MHz
TDD: Time Division Duplex FDD: Frequency Division Duplex Fuente: Motorola.com
2. WiMAX EN DESARROLLO
El 7 de octubre de 2009 los grupos 3rd Generation Partnership Project (3GPP) e Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) entregaron sus especificaciones para LTE Advanced y WiMAX 2.0 (802.16m) a la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), para que las incluya como parte de la familia IMT-Advanced, que vendría a ser la evolución de la familia IMT-2000 como la 4G aun no existe ni está aprobada.
La comunidad WiMAX llevaba aletargada un tiempo ante la avalancha de anuncios sobre LTE, y por las propias cifras de usuarios, que le conferían un lugar de nicho. Sin embargo, aunque ya hay 30 operadores comprometidos con LTE, también los hay con WiMAX, como es el caso de Sprint en Estados Unidos, KDDI en Japón o Yota en Rusia.
De hecho este último operador entrando en la región latinoamericana con la tecnología (Nicaragua y Perú) está probando con Samsung la versión WiMAX 2.0.
No se espera que esta tecnología esté comercialmente disponible hasta 2011, pero lo que sí se sabe es que es compatible hacia atrás con la versión móvil actual (802.16e). Yota además introducirá un dispositivo que permitirá la oferta de VoIP a través de WiMAX y un handover a GSM cuando el usuario pierda la cobertura de esta red. En 2008 este operador introdujo en el mercado un dispositivo del fabricante HTC que permitía realizar esta función cuando se iniciaba una sesión de datos, pero que no aplicaba para los servicios de
voz.
Además de las novedades tecnológicas de WiMAX, Huawei prevé un importante crecimiento de la tecnología para los próximos años, o por lo menos en sus ventas de la tecnología. El presidente de la división CDMA y WiMAX del fabricante, Zhao Ming, declaró en el evento de Ginebra que durante 2008 Huawei facturó 200 millones de dólares con WiMAX. Para este año se espera facturar 500 millones de dólares y en 2010 se espera doblar esta última cifra.
El brazo internacional de Clearwire, Clearwire International, implementará la tecnología WiMAX en España en 2010, un mercado donde la tecnología ya opera comercialmente de forma muy limitada de la mano de Telefónica, que adquirió al operador Iberbanda. También, la empresa cuenta con licencias en la banda de 3,5 GHz en Bélgica, Alemania, Irlanda, Rumania y Dinamarca. Durante el ITU Telecom World 2009, el presidente de Clearwire International, Barry West, dijo estar harto del “hype” alrededor de LTE, y aseguró que la tecnología WiMAX no iba a desaparecer del mercado.
Al margen de esta revitalización de WiMAX debido a su maquinaria de relaciones públicas en el congreso de la UIT, las proyecciones del WiMAX Forum no han sido actualizadas, y siguen apuntando a 100 millones de usuarios para 2013, cuando en la actualidad habría, en el mejor de los casos, 10 millones. Así que WiMax, debido a su estrecha relación con el “Foro WiMAX”, que agrupa a diversas empresas con la finalidad de promover y certificar la compatibilidad e interoperabilidad entre productos basados en el estándar IEEE 802.16; así como acelerar su introducción de estos sistemas al mercado.
Características relevantes
Es verdaderamente internacional (IEEE, FCC, ETSI)
Respaldado por principales fabricantes y proveedores de servicio
Escalabilidad de uno a cientos de suscriptores
Con o sin línea de vista
Optimización de uso de frecuencias
Optimización en uso de potencia
Acepta diferentes topologías de red
Asegura un mínimo de calidad de servicio (QoS)
Acepta interoperatividad con celulares y equipos inalámbricos
Incluye medidas de seguridad: privacidad y criptografía
Corrección de errores robusta (retransmisión automatizada)
2.1 OBJETIVOS DE WiMAX
El objetivo de WiMAX es proporcionar acceso a Internet de alta velocidad en un rango de cobertura de varios kilómetros de radio. En teoría, WiMAX proporciona velocidades de aproximadamente 70 mbps en un rango de 50 kilómetros. El estándar WiMAX tiene la ventaja de permitir conexiones inalámbricas entre un transceptor de la estación base (BTS) y miles de abonados sin que éstos tengan que estar en línea de visibilidad (LOS) directa con esa estación. Esta tecnología se denomina NLOS que significa sin línea de visibilidad. En realidad, WiMAX sólo puede eludir obstáculos pequeños, como árboles o una casa y no puede atravesar montañas ni edificios altos.
Cuando se presentan obstáculos, el rendimiento total real puede ser inferior a 20 mbps.
3. PRINCIPIO OPERATIVO DE WiMAX
Lo más importante de la tecnología WiMAX es el transceptor de la estación base, una antena central que se comunica con las antenas de los abonados. El término enlace punto a multipunto se utiliza para describir el método de comunicación de WiMAX.
Figura 2. Como funciona WiMAX (Anexo A)
WiMAX fijo y WiMAX portátil
Las revisiones del estándar IEEE 802.16 se dividen en dos categorías:
WiMAX fijo, también denominado IEEE 802.16-2004, determina las conexiones de línea fija a través de una antena en el techo, similar a una antena de televisión.
WiMAX fijo funciona en las bandas de frecuencia 2.5 GHz y 3.5 GHz, para las que se necesita una licencia, y en la banda 5.8 GHz para la que no se necesita tenerla.
WiMAX móvil, que también se denomina IEEE 802.16e, permite que los equipos móviles de los clientes se conecten a Internet. La tecnología WiMAX móvil abre las puertas para el uso de teléfonos móviles por IP e incluso para servicios móviles de alta velocidad.
Estándar Frecuencia Velocidad Rango
WiMAX fijo (802.16-2004)
2-11 GHz (3.5 GHz en Europa)
75 mbps 10 km
WiMAX móvil (802.16e)
2-6 GHz 30 mbps 3,5 km
A continuación una tabla de frecuencias de operacion para ubicar la tecnología WiMAX.
3.1. LAS APLICACIONES DE WiMAX
Uno de los usos posibles de WiMAX consiste en brindar cobertura en la llamada área de
"última milla" (o "último kilómetro"), es decir, proveer acceso a Internet de alta velocidad en áreas que las tecnologías por cable normales no cubren (como ser DSL, cable o líneas T1 dedicadas).
Otra posibilidad es utilizar WiMAX como una red de retorno entre dos redes
inalámbricas locales, como aquellas que usan el estándar Wi-fi. En última instancia, WiMAX permitirá que dos puntos de acceso se conecten para crear una red en malla.
Figura 3. Red de entorno (Anexo A)
3.2. CALIDAD DEL SERVICIO WiMAX
El estándar WiMAX apoya en forma nativa la calidad de servicio (abreviada con frecuencia QoS), es decir, la capacidad de garantizar que un servicio funcione cuando se lo utiliza. En la práctica, WiMAX permite que el ancho de banda se reserve para un propósito determinado. Algunas aplicaciones no pueden funcionar cuando se produce un cuello de botella. Éste es el caso de Voz sobre IP (VOIP) ya que la comunicación por voz es ineficaz si se introducen vacíos de segundos.
La empresa japonesa de telefonía DoCoMo presentaron en el 2005 los móviles de cuarta generación que están desarrollando. Aunque de momento se trata de prototipos, se hizo una prueba real con ellos: se vieron 32 vídeos de alta definición mientras se viajaba en un coche a 20 km/h, con resultados más que satisfactorios. Y es que, según la empresa, mientras el vehículo está en movimiento la velocidad de descarga es de 100 Mbps, mientras que en estático, esta velocidad se puede llegar a incrementar hasta el Gigabit por segundo.
Figura 4. Cual aplicación puede ser más popular par WiMAX (Anexo A)
3.3. ESTANDARES ASIGNADOS A WiMAX
Estándar Frecuencia Estado Rango
IEEE std 802.16
Delimita redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN) en bandas de
frecuencia superiores a 10 GHz.
Octubre de
2002 Obsoleto
IEEE std 802.16a
Delimita redes de área metropolitana inalámbricas en bandas de frecuencia
desde 2 a 11 GHz inclusive.
9 de octubre
de 2003 Obsoleto
IEEE 802.16b
Delimita redes de área metropolitana inalámbricas en bandas de frecuencia
desde 10 a 60 GHz inclusive.
Anexado a 802.16a (obsoleto)
IEEE std 802.16c
Delimita opciones (perfiles) para redes de área metropolitana inalámbricas en
bandas de frecuencia sin licencia.
Julio de 2003
IEEE 802.16d (IEEE std 802.16-2004)
Revisión que incorporó los estándares 802,16, 802,16a y 802.16c.
1 de octubre
de 2004 Activo
IEEE std 802.16e
Permite que los clientes de tecnología móvil utilicen redes de área metropolitana inalámbricas.
Sin ratificar
IEEE std
802.16f Permite que se usen las redes en malla. Sin ratificar
Las tecnologías WiMAX y LTE muy similares, en la forma de transmitir las señales y en las velocidades de transmisión. Tanto LTE, como WiMAX, utilizan MIMO, es decir, la información es enviada en dos o más antenas por celda para mejorar la recepción. Ambos sistemas también utilizan OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), una tecnología que soporta transmisiones de video y multimedia. OFDM es una tecnología madura y altamente probada y que funciona separando las señales en múltiples frecuencias angostas, con bits de datos enviados a la vez en forma paralela.
4. INTRODUCCIÓN A MULTIPLEXACION POR DIVISION DE FRECUENCIAS ORTOGONALES (OFDM)
La Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales, en inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), también llamada modulación por multitono discreto, en inglés Discrete Multitone Modulation (DMT), es una modulación que consiste en enviar un conjunto de ondas portadoras de diferentes frecuencias, donde cada una transporta información, la cual es modulada en QAM o en PSK.
Figura 5. OFDM (Anexo A)
Normalmente se realiza la multiplexación OFDM tras pasar la señal por un codificador de canal con el objetivo de corregir los errores producidos en la transmisión, entonces esta modulación se denomina COFDM, del inglés Coded OFDM.
Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo continuo de los cientos, o incluso miles, de portadoras equiespaciadas que forman una modulación OFDM, los procesos de modulación y demodulación se realizan en tiempo discreto mediante la IDFT y la DFT respectivamente.
4.1. CARACTERISTICAS DE LA MODULACION OFDM
La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto (multi-path), que es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente a las atenuaciones selectivas en frecuencia y frente a las interferencias de RF.
Debido a las características de esta modulación, es capaz de recuperar la información de entre las distintas señales con distintos retardos y amplitudes (fading) que llegan al receptor, por lo que existe la posibilidad de crear redes de radiodifusión de frecuencia única sin que existan problemas de interferencia.
Si se compara a las técnicas de banda ancha como CDMA, la modulación OFDM genera una alta tasa de transmisión al dividir el flujo de datos en muchos canales paralelos que se transmiten en igual numero de carriers de banda angosta y con tiempos de símbolo (uno o varios bits) mayores al caso de usar banda ancha donde para lograr la misma tasa de transmisión los tiempos de símbolo son más cortos.
Los canales de banda angosta de OFDM son ortogonales entre sí, lo que evita el uso de bandas de guardas y así un eficiente uso del espectro. Ya que los desvanecimientos (fading) afectan selectivamente a uno o un grupo de canales, es relativamente simple ecualizarlos en forma individual lo que también se contrapone a la ecualización de un sistema de banda ancha.
Las aplicaciones de multimedia digital, ya que se están haciendo de común demanda últimamente, cada vez mayor de sistemas de comunicación de banda ancha. Aunque los requisitos técnicos para los productos relacionados son muy altos y las soluciones deben ser económicos para poner en práctica, ya que estamos básicamente hablando de productos de consumo.
Considerando que para el canal por satélite y para el canal de cable de costo-ya existen soluciones eficaces para el enlace terrestre (es decir, la emisión de TV clásica) los requisitos son más altos que las soluciones "estándar" ya no son viables a conducir con sub óptimos resultados. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) es un método que permite transmitir datos a alta tasas a través de canales extremadamente hostiles a una de baja
complejidad comparable. OFDM ha sido elegido como el método de transmisión de la radio europea (DAB) y televisión (DVB-T) estándar. Debido a sus numerosas ventajas, es objeto de debate para la aplicación de banda ancha del futuro, tales como ATM inalámbrica.
El proyecto de OFDM en la ISS tiene que ver con el desarrollo y la evaluación de las estructuras del receptor de OFDM. La radiodifusión es el escenario ahora, es cambiar a otras aplicaciones como cajeros automáticos y las técnicas de transmisión inalámbrica de cuarta generación.
A diferencia de la comunicación por satélite, donde tenemos un solo camino directo desde el transmisor al receptor en el escenario clásico de radiodifusión terrenal tenemos que tratar con un canal múltiple: La señal transmitida llega al receptor en varios caminos (ver figura 6) de diferente longitud. Dado que múltiples versiones de la señal interfieren con otra entre sí (interferencia entre símbolos (ISI)) se hace muy duro para extraer la información original.
Figura 6. La transmisión múltiple en una aplicación de radiodifusión (Anexo A)
La representación común de los canales múltiples es la respuesta al impulso del canal (CIR) de la canal que es la señal en el receptor si un pulso único se transmite (Figura 7).
Figura 7. Respuesta al impulso del canal CIR (Anexo A)
Supongamos un sistema de transmisión de información discreta en intervalos de tiempo T. La medida de importancia relativa de un canal múltiple es el retraso de la ruta más larga con respecto a la primera ruta de acceso. Un símbolo recibido teóricamente puede ser influenciado por los símbolos anteriores. Esta influencia tiene que ser calculado y compensado en el receptor, una tarea que puede llegar a ser muy difícil.
4.2. ENFOQUE DE LA PORTADORA ÚNICA.
En la figura 8 la estructura general de un sistema de enfoque en portadora única está representada. Los símbolos son el pulso de transmisión formada por un filtro transmisor.
Después de pasar por el canal múltiple en el receptor de un filtro debe coincidir con el canal y es utilizado para maximizar la relación señal / ruido de un dispositivo utilizado para extraer los datos.
Figura 8. Estructura básica de un sistema de portadora única (Anexo A)
El escenario en DVB-T se caracteriza por las siguientes condiciones:
Velocidad de transmisión:
Retardo de canal máxima:
Para que el sistema de portadora única esto se traduce en un ISI de:
La complejidad que implica la eliminación de esta interferencia en el receptor es tremenda. En la hipótesis de que aquí, con este enfoque sólo puede conducir a sub-óptimos resultados. Esta es la razón principal por la cual el sistema de portadora múltiple se ha vuelto tan popular.
4.2.1. SISTEMA DE PORTADORA SIMPLE
La Figura 9 muestra la estructura general de un sistema de portadora múltiple.
Figura 9. Estructura básica de un sistema de portadora múltiple (Anexo A)
El flujo de datos original de la tasa R es multiplexada en flujos de datos N paralelo de la tasa de cada uno de los flujos de datos se modula con una frecuencia diferente, y las señales resultantes son transmitidas de forma conjunta en la misma banda. En consecuencia el receptor se compone de N paralelo trayectorias de recepción.
Debido a la distancia prolongada entre los símbolos de transmisión del ISI para cada subsistema se reduce a:
(0.2) En el caso de DVB-T tenemos N = 8192 que conduce a un ISI de
(0.3)
ISI tan poco a menudo puede ser tolerada y ningún medidor adicional contra él como un ecualizador es necesario. Por desgracia, en la medida de la complejidad de un receptor se trate de un sistema con 8192 trayectorias paralelas todavía no es factible. Esto pide una ligera
modificación del planteamiento que nos lleva al concepto de OFDM.
5. ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING (OFDM)
En OFDM el pulso de la subportadora utilizada para la transmisión es elegida para ser rectangular. Esto tiene la ventaja de que la tarea de la formación y la modulación de pulso puede ser realizada por un simple transformada de Fourier discreta inversa (IDFT) que pueden aplicarse de manera muy eficiente como una transformada de Fourier rápida I (IFFT).
En consecuencia, en el receptor sólo necesita un FFT para revertir esta operación. De acuerdo con los teoremas de la Transformada de Fourier de la forma de pulso rectangular dará lugar a un sin (x) / x tipo de espectro de las subportadoras (ver figura 10).
Figura 10. OFDM y el principio de Ortogonalidad (Anexo A)
Obviamente, los espectros de las subportadoras no están separados sino que se superponen. La razón por la información transmitida a través de las trayectorias se puede mantener separadas es el tan llamado método de ortogonalidad. Utilizando una IFFT para la modulación de forma implícita elegimos la separación de las subportadoras de tal manera que en la frecuencia donde se evalúa la señal recibida (indicado como flechas) todas las demás señales son cero. Para que esta ortogonalidad se preservar los siguientes requisitos:
1. El receptor y el transmisor debe estar perfectamente sincronizados. Esto significa que ambos deben asumir exactamente la misma frecuencia de la modulación y la misma escala de tiempo para la transmisión (que generalmente no es el caso).
2. Los componentes analógicos, Partes de emisor y receptor, debe ser de muy alta calidad.
3. No debe haber ningún canal múltiple.
En particular, el último punto es bastante lamentable, ya que hemos escogido este enfoque para combatir el canal múltiple. Afortunadamente hay una solución fácil para este problema: Los símbolos OFDM se prolongan artificialmente por repeticiones periódicas la
„cola‟ del símbolo y el símbolo de preceder con él (ver figura „e‟). En el receptor de ese principio de intervalo de guarda es retirado de nuevo. Mientras que la duración de este intervalo es más largo que el canal máximo de retardo todas las reflexiones de los símbolos anteriores se eliminan y la ortogonalidad se conserva. Por supuesto, esto no es gratuito, ya que de lo anterior la parte útil de la longitud del intervalo de Guardia perdemos algunas partes de la señal de que no se puede utilizar para transmitir información. Teniendo todo esto en cuenta el modelo de la señal OFDM para la transmisión en un canal múltiple se vuelve muy sencilla: los símbolos transmitidos en ranuras de tiempo l y subportadora k sólo
perturbado por un factor que es la función de transferencia del canal (la transformada de Fourier del circuito) en la frecuencia de la subportadora, una por adicional ruido blanco Gaussiano n
(0.4)
La influencia de la canal se puede quitar fácilmente dividiendo por .
En lo que se refiere a los componentes analógicos la experiencia ha demostrado que en las aplicaciones de radiodifusión en cuestión aquí, no son tan críticos. Lo que queda es establecer "una perfecta sincronización. Esto requiere un receptor muy sofisticado.
Labor interna del receptor y la estructura del receptor
Como se mencionó antes, para que un sistema de transmisión digital trabaje, el receptor y el transmisor tienen que ser sincronizados. Se trata de las siguientes tareas:
Sincronización de Tiempo: Dado que es desconocido para el receptor, que cada preciso (absoluto) instante de tiempo el símbolo se ha transmitido y cada cuánto tiempo la dispersión de los canales es, una tarea esencial es encontrar el
"principio" de un símbolo OFDM recibido. Así, las escalas de tiempo de emisor y receptor están sincronizadas y la eliminación del intervalo de guarda se puede hacer con la precisión requerida.
Sincronización de frecuencia: La señal es por lo general no se transmite en banda base, pero modulada con una compañía de radio en una frecuencia asignada por la norma. A pesar de esta frecuencia es conocido por el receptor de la tolerancia de los componentes de RF generalmente aplicado es tan grande que habrá una frecuencia de desviación. En muchos casos, esta desviación será demasiado grande para una transmisión de datos fiables. Por lo tanto, debe ser estimado y compensado en el receptor.
Muestreo de sincronización de reloj: La señal producida por la FFT se convertirá en una señal analógica asumiendo un lapso de tiempo entre dos valores. En el receptor por la conversión de la señal de RF se realiza un muestreo con el fin de obtener una señal discreta en el tiempo para seguir (digitales) de procesamiento.
Los tiempos de muestreo asumido en el receptor debe coincidir con mucha precisión para evitar una degradación del rendimiento. Una desviación posible entre el transmisor y el receptor de nuevo debe ser estimado y compensado.
Una estimación de canal: Si se utiliza un esquema de modulación coherente (que no debe ser necesariamente el caso) de acuerdo a la ecuación (0,4) la función de transferencia del canal debe ser estimado y compensado.
Una estructura de un receptor que permite calcular y compensar a todos los parámetros requeridos se representa en la figura 11.
Figura 11. Estructura del receptor de DVB-T Receptor (Anexo A)
Además de las tareas elementales en los receptores de uso único también para el receptor que aquí dos tareas adicionales pueden ser identificadas:
1. La detección de TPS: Los llamados TPS (parámetro de transmisión de señales) se proporcionan datos en DVB-T para informar al destinatario sobre la modulación y el esquema de codificación utilizado. Esta información es proporcionada a través de subportadoras seleccionados que se modulan en una BPSK diferencial robusto.
2. La detección de CPE (y corrección): El error de fase común (CPE) es un fenómeno que los resultados de las imperfecciones de los osciladores utilizados para la modulación y demodulación. En lugar de ofrecer una frecuencia estable osciladores reales tienden a ofrecer una frecuencia que está cambiando lentamente en el tiempo. Este cambio en el tiempo conduce a una modulación adicional de la señal OFDM, que en algunos casos deben ser estimados y compensado. Para las constelaciones utilizadas en DVB-T se puede demostrar que, debido a otras razones, la calidad de los osciladores debe ser tan alto que este efecto puede ser descuidado.
5.1. ESTIMACIÓN DE CANAL PARA OFDM
El método de estimación de canal que implica la estructura del marco de la DVB-T es una estimación de canal a través de la interpolación. El principio básico es representado en la figura 12.
Figura 12. Principio de la estimación de canal a través de interpolación (Anexo A)
Integrado en el flujo de datos son símbolos OFDM de formación (representados como flechas) que pueden ser utilizados para obtener muestras de la función de transferencia del canal.
(0.5)
Los valores de los canales entre las muestras se pueden obtener a través de un proceso de interpolación. En general hay dos problemas de interpolación dimensional.
Afortunadamente, el problema puede ser separado en una interpolación en tiempo y en frecuencia. La tarea más importante de la interpolación es el diseño de filtros utilizados.
Ambas interpolaciones deben estar de acuerdo con el teorema de muestreo:
La interpolación en el tiempo es limitado en banda por el momento el comportamiento de la variante del canal. Esto es causado por un movimiento del receptor y no compensada por los errores de sincronización. El ancho de banda máximo permitido de estos trastornos está determinada por el número de símbolos en una subportadora de formación.
Debido a la dualidad de tiempo y la frecuencia la interpolación de la frecuencia es limitado en banda por la longitud del circuito. La máxima longitud permitida del CIR no sólo está determinada por la longitud del intervalo de guarda, pero también por el número de símbolos de la formación en un símbolo OFDM. Si usamos los filtros fijos para la aplicación en la dispersión máxima que se supone está dado por la longitud del intervalo de guarda esto implica que los intervalos cortos de guardia del canal se puede estimar con mayor precisión que con un mayor intervalo de guarda.
Para la interpolación de la frecuencia se utiliza un filtro de interpolación optimizado de acuerdo a la teoría del filtro Wiener. Para la interpolación en tiempo la interpolación lineal es suficiente.
La Figura 13 muestra los resultados alcanzables con el canal estimador. La aplicación es un receptor DVB-T de acuerdo con la norma europea de funcionamiento en el modo 8k.
Figura 13. Rendimientos alcanzables para diferentes estimadores de canal (Anexo A)
Como podemos ver el rendimiento de la viabilidad del sistema depende en gran medida del alcance de calidad del estimador de canal. Puesto que ello es mayor para los pequeños CIR, el rendimiento del receptor será mejor. La pérdida con respecto a la ejecución con rangos de estimación de canal ideal de alrededor de 0,5 dB para el intervalo más pequeño de protección hasta 1,6 dB para el intervalo más grande de guardia. También se incluyen los resultados de un canal dinámico. Mediante la interpolación lineal en el tiempo no se degradan aún más el sistema. Pero si lo intentamos hacer sin ningún tipo de interpolación en tiempo la pérdida adicional en el rendimiento es importante.
En OFDM las subportadoras usadas para transmitir son escogidas de modo que sean ortogonales entre sí (desfase de 90º entre señales de la misma frecuencia). Esto tiene una ventaja para realizar la modulación, que puede ser realizado por una simple Transformada
Inversa de Fourier Discreta (IDFT) el cual puede ser implementado muy eficientemente mediante una I Fast Fourier Transform (IFFT) en concordancia con el receptor solo se necesita una FFT para invertir esta operación, de acuerdo a la Transformada de Fourier la forma del pulso rectangular guiara a los espectros de las subportadoras del tipo sin (x)/x.
Como se infiere de la definición anterior, las diferentes subportadoras no están separadas en frecuencia, se superponen. Usando IFFT para la modulación, implícitamente se escoge las portadoras en tal manera que la frecuencia en la que se evalúa es la señal recibida, las demás son consideradas como cero. En orden para preservar esta ortogonalidad lo siguiente debe ser verdadero:
El receptor y el transmisor deben estar perfectamente sincronizados. Esto significa que ambos deben asumir exactamente la misma frecuencia y la misma escala de tiempo para la transmisión.
Los componentes análogos, parte del transmisor y receptor deben ser de muy alta calidad.
No debería haber canales multicamino.
WOFDM (Wideband OFDM) desarrollado por WI-LAN, desarrolla espacios suficiente entre canales que si algún error de frecuencia ocurre entre el transmisor y receptor no tiene efecto en su funcionamiento.
5.2. SISTEMAS QUE USAN LA TECNOLOGÍA OFDM
Entre los sistemas que usan OFDM resaltan:
La televisión digital terrestre DVB-T, que es un estándar de TDT
La radio digital DAB
La radio digital de baja frecuencia DRM
El protocolo de enlace ADSL
El protocolo de red de área local IEEE 802.11a/g/n, también conocido como Wireless LAN
El sistema de transmisión inalámbrica de datos WiMAX
El sistema de transmisión de datos basados en PLC HomePlug AV
Telefonía móvil de última generación
Figura 14. Una y seis portadoras (Anexo A)
OFDM Subportadoras en dominio de la frecuencia
a) Técnica Multiportadora convencional.
b) Modulación con portadoras ortogonales.
Durante los últimos años, la aceptación del OFDM como tecnología de base para el 802.16a que es un estándar de IEEE para redes de área metropolitana inalámbrica que puede proveer extensión inalámbrica para acceso de última milla de banda ancha en instalaciones de cable y DSL. El mismo cubre el rango de frecuencias de 2 a 11 GHz y alcanza hasta 50 kilómetros lineales, brindando conectividad de banda ancha inalámbrica sin necesidad de que exista una línea directa de visión a la estación de base. La velocidad de transmisión de datos puede llegar a 70 Mbps. Una estación de base típica puede albergar hasta seis sectores. La calidad de servicio está integrada dentro del MAC, permitiendo la diferenciación de los niveles de servicio.
El origen del OFDM es en la década del 50/60 en aplicaciones de uso militar que trabaja dividiendo el espectro disponible en múltiples subportadoras. La trasmisión sin línea de vista ocurre cuando entre el receptor y el transmisor existen reflexiones o absorciones de la señal lo que resulta en una degradación de la señal recibida lo que se manifiesta por medio de los siguientes efectos: atenuación plana, atenuación selectiva en frecuencia o interferencia Inter.- símbolo. Estos efectos se mantienen bajo control con el W-OFDM que es una tecnología propietaria de WI LAN quién recibió, en 1994, la patente 5, 282,222 para comunicaciones inalámbricas de dos vías y banda ancha OFDM (WOFDM). Esta patente es la base para los estándares 802.11a, 802.11g, 802.11a R/A, 802.16 a estándares para HiperMAN. Los sistemas W-OFDM incorporan además estimación de canal, prefijos cíclicos y códigos Reed-Solomon de corrección de errores.
Wi-LAN introdujo su línea de productos BWS 3000 basada en W-OFDM en octubre del
2001. Actualmente ya ha introducido al mercado la tercera generación de equipos OFDM siendo el único proveedor mundial con una sólida experiencia en esta tecnología probada a través de la excelencia de sus productos.
Es indudable que la gran mayoría de las redes de área local de hoy en día funcionan bajo el estándar 802.11b. Sin embargo, la creciente disponibilidad en el mercado de tarjetas de radio y access points con tecnología 802.11a es la más clara señal de la existencia de otra poderosa tendencia en soluciones para las redes conocidas como LAN. La presencia de ambas tecnologías lleva a los usuarios a confusiones sobre cuál es “mejor” para decidir cuál de las dos deben usar.
Como probablemente sabe, las tecnologías 802.11a y 802.11b definen cada una capa física diferente. Los radios 802.11b transmiten a 2.4 GHz y envían datos a tasas tan altas como 11Mbps usando modulación DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa); mientras que los radios 802.11a transmiten a 5 GHz y envían datos a tasas de hasta 54 Mbps usando OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
OFDM tiene una alta eficiencia de espectro, resilencia a la interface RF y menor distorsión multi-ruta. Actualmente OFDM no sólo se usa en las redes inalámbricas LAN 802.11a, sino en las 802.11g, en comunicaciones de alta velocidad por vía telefónica como las ADSL y en difusión de señales de televisión digital terrestre en Europa, Japón y Australia.
6. W-OFDM - WIDEBAND ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING
Esquema de transmisión que codifica la información en múltiples radio frecuencias simultáneamente. Dando como resultado, mayor seguridad y mayor velocidad. Esto lo convierte en el esquema más eficiente en el uso del ancho de banda en la industria.
W-OFDM es la base del estándar IEEE 802.11a que a su vez es la base para el estándar propuesto IEEE 802.16.
Características:
1 Ancho de Banda: 30Mbps.
2 Altamente inmune a interferencias.
3 Punto-a-Punto, 8 a 10Km.
4 Multi-Punto, 3 a 5Km.
5 Próximamente: 45Mbps, 90Mbps, 155Mbps.
Patente:
1 Wi-Lan.
2 USA 5,282,222.
3 CANADA 2,064,975.
El reto de todos los días para la industria es lograr mayores velocidades de transmisión en las redes de datos/Internet. Una propuesta es el esquema de transmisión W-OFDM (Wide- band Orthogonal Frequency Division Multiplexing), este método como otros codifica los datos dentro de una señal de radio frecuencia (RF). Transmisiones convencionales como AM/FM envían solamente una señal a la vez sobre una frecuencia de radio, mientras que OFDM envía una señal de alta velocidad concurrentemente sobre frecuencias diferentes. Esto nos permite hacer un uso muy eficiente del ancho de banda y tener una comunicación robusta al enfrentar ruido y reflejos de señales.
La tecnología OFDM parte una señal de alta velocidad en decenas o centenas de señales de menor velocidad, que son transmitidas en paralelo. Esto crea un sistema altamente tolerante al ruido, al mismo tiempo es muy eficiente en el uso del ancho de banda y por lo tanto permite una amplia cobertura de área punto a punto y multipunto.
Actualmente existen equipos con la capacidad de transmitir desde 1.5Mbps hasta 30Mbps en 25MHz de ancho de banda y pronto se estarán produciendo equipos que superaran velocidades de 100Mbps. Adicionalmente a la velocidad, se cuenta con opciones de seguridad que hacen virtualmente imposible descifrar la señal que se transmite.
Los equipos con tecnología OFDM ayudan a las empresas a evitar los altos costos de instalación de cable, a eliminar rentas mensuales o cargos por licenciamiento. Son la solución ideal en distancias moderadas para redes de información punto a punto, multipunto, acceso de alta velocidad a Internet, extensiones de LAN/WAN, Videoconferencia, Telefonía, Telemetría, Control, Etc.
7. SISTEMA MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)
La creciente demanda de los servicios Multimedia y el crecimiento del contenido
relacionado con Internet incrementan el interés cada vez más a las comunicaciones de alta velocidad. El requisito para el ancho de banda amplio y la flexibilidad impone el uso de métodos eficientes de transmisión que corresponderían a características de los canales de banda ancha especialmente dentro ambiente inalámbrico donde la comunicación es mas desafiante. En la comunicación inalámbrica la señal es propagada de transmisor a receptor a lo largo de diversos números de trayectorias, referido en general como de trayectoria múltiple.
Mientras que se la señal hay pérdida de la energía de la señal debido a tres efectos: pérdida de trayectoria, atenuación macroscópica y atenuación microscópica. La pérdida de la señal se puede atenuar por una diversidad de técnicas diferentes. Para obtener la diversidad, la señal se transmite a través de múltiples (idealmente) trayectorias de atenuación, por ejemplo, en tiempo, frecuencia o espacio y combinados constructivamente en el receptor. Multiple-Input- Multiple-Output (MIMO) explota la diversidad espacial teniendo varias antenas transmisoras y receptoras. Sin embargo el papel “principal de MIMO” es asumir frecuencias atenuadas en los canales MIMO.
OFDM es un método de Modulación conocido por su capacidad para disminuir multitrayectorias. En OFDM la cadena de datos de alta velocidad se divide en una estrecha banda de cadena de datos Nc, Nc corresponde a las subportadoras o subcanales, es decir, un símbolo de OFDM consisten en N símbolos modulados para ejemplo por QAM o PSK.
Consecuentemente la duración de la señal es N tiempos más largo que en un solo sistema de portador con la misma tasa de señal. La duración de la señal es hecha incluso más larga agregando un prefijo cíclico para cada señal. Mientras el prefijo cíclico sea más largo que el retardo del canal OFDM ofrecerá una transmisión libre de interferencia (ISI) entre señales.
Otra ventaja dominante de OFDM es que reduce dramáticamente la complejidad de igualación permitiendo la igualación en el dominio de frecuencia. OFDM, ejecutado con IFFT en el transmisor y FFT en el receptor, convierte la señal de banda ancha, afectada por la atenuación selectiva de la frecuencia, dentro de N bandas atenuadas se tiene [16] así la igualación se puede realizar en el dominio de frecuencia por una división escalar entre la portadora con los coeficientes relacionados a la subportadora del canal. El canal debe saber o aprender del receptor. La combinación MIMO-OFDM es muy natural y benéfica puesto que OFDM permite ayuda de más antenas y anchuras de banda más grandes puesto que simplifica la igualación dramáticamente en sistemas MIMO.
La estructura general del transmisor-receptor de MIMO-OFDM es presentado en la Figura. 15. El sistema consiste de N antenas transmisoras y M antenas receptoras. En este documento el prefijo cíclico se asume para ser más largo que la extensión del retardo del canal. La señal de OFDM para cada antena es obtenida usando la transformada inversa rápida de Fourier (IFFT) y se puede detectar por la transformada rápida de Fourier (FFT).
Figura 15. Sistema MIMO-OFDM (Anexo A)
El señal recibida de MIMO-OFDM de la n:th subportadora y la señal m:th OFDM de la
antena receptora i:th después de FFT se pueda escribir como:
(1)
Donde Aj [n, m] es el símbolo de los datos transmitidos en la portadora n:th y la señal portadora OFDM m:th, Wi [n, m] es la contribución aditiva del ruido en i:th la antena receptora para la señal correspondiente en dominio de frecuencia y Hi,j[n,m] es el coeficiente del canal en el dominio de frecuencia entre la antena transmisora j:th y la antena receptora i:th. Los coeficientes del canal en dominio de frecuencia son obtenidas como combinaciones lineales del canal disperso utilizado.
(2)
Donde I es el número de canales utilizados en el dominio del tiempo y hm es modelado independientemente al azar: Proceso Gaussiano. La respuesta del impulso de del canal Rayleigh atenuado se puede expresar como:
(3)
Donde hi es y τi es el retardo asociado al i:th. Este retardo se puede considerar como una invariante en el tiempo. La respuesta de impulso del canal es asumido para ser estático sobre un canal de señal OFDM con duración Tchannel =T+T', donde T es la duración de la señal de OFDM y T‟ es la duración cíclica del prefijo. Esto corresponde a un canal lentamente diverso donde está más largo el tiempo de la coherencia que la duración de la señal del canal. Este ascenso previene de experimentar interferencia entre portadoras (ICI).
La matriz de canal H es una matiz de N x M correspondiente a la subportadora n:th y la señal OFDM m:th OFDM.
(4)
Tomando los datos de la señal recibida de todas las antenas en conjunto, la expresión de la señal de datos recibidos se puede ser presentada en la forma de la matriz como sigue:
(5) Donde:
(6)
Y:
(7)
Son los vectores Nx1 y Mx1 de la señal de datos transmitidos y recibidos. Para obtener la ecuación de la señal de los datos transmitidos (5) debe ser resuelta a la cual se llama la igualación de MIMO-OFDM
(8)
Esta igualación trabaja bien en caso de poco ruido y sin ISI o ICI. En presencia de ICI y de ISI la señal recibida se puede escribir como [17].
(9) Donde:
y
es el término útil. Para poder cancelar la interferencia de ISI e ICI los términos deben calculados y después restados de la señal recibida. Un esquema de la cancelación de la interferencia es presentado dentro [17].
7.1. CAPACIDAD
La capacidad convencional de MIMO, MIMO-OFDM y MIMO-OFDM separado en presencia de de trayectoria múltiple es estudiado. La extensión MIMO-OFDM es MIMO con OFDM y CDMA, es decir, sobre MIMO-OFDM el código de extensión se utiliza en la señal.
En el caso de un solo usuario los resultados demostraron que la capacidad para el MIMO convencional sin ISI es la más alta e indican que límite es superior de la capacidad límite.
MIMO-OFDM y la extensión MIMO-OFDM da más capacidad que MIMO convencional en la presencia de trayectoria múltiple y basada en sus resultados MIMO-OFDM y MIMO- OFDM extendido sería similarmente afectado por trayectoria múltiple. Esto parece razonable desde OFDM con el cíclico suficientemente largo, el prefijo es un medio de gran alcance para atenuar la multi-trayectoria.
En la extensión del canal de multiusos MIMO-OFDM proporciona más capacidad que los otros esquemas. Figuras 16-19 se presentan los resultados.
7.2. PAPR
Un problema grave de sistemas multi portadora es que demuestran gran sensibilidad a las distorsiones no lineales. Interferencias In-Band y Out-Band causadas por distorsiones no lineales degradan el funcionamiento de las BER del sistema y dan lugar a interferencia a las bandas de frecuencia adyacentes, respectivamente. En el transmisor, el amplificador más elevado de poder (PA) es la fuente principal de distorsiones no lineares. Debido a que la ausencia de linealidad del amplificador es dependiente de la amplitud, las fluctuaciones de la amplitud de la señal de entrada son de gran interés. El cociente pico a medio de la energía (PAPR), que se define como el cociente de la energía máxima de la señal entre su energía media, es una medida de las fluctuaciones de la amplitud de la señal. Cualquier señal multi portadora con una gran cantidad de subportadoras puede tener un alto PAPR debido a la adición constructiva ocasional de subportadoras.
En OFDM, cuando el número de portadoras es grande, el teorema de límite central se cumple y las muestras en el dominio del tiempo de señales OFDM, son muestreados en una tasa de Nyquist, son aproximadamente cero en variables complejas Gaussianas al azar.
Entonces la probabilidad de que PAPR de señal de OFDM exceda un umbral dado PAPR0 que puede ser expresado como:
(10)
El problema de esta aproximación PAPR es que es derivado de una versión de una tasa muestreada de Nyquist de una señal continua. La señal continua puede tener una amplitud de pico más alta que nuestra muestra máxima pueda implicar y este análisis sobreestima la distribución de la PAPR. Puede también ser notado que la distribución Gaussiana tiene valores infinitos pero el valor de la amplitud más grande que una señal OFDM es solo N veces el promedio de las portadoras así la aproximación no se mantiene con mucha exactitud en grandes amplitudes, es decir, la forma de distribución PAPR no sigue de cerca la distribución Gaussiana. En la Figura 20 la aproximación Gaussiana es comparada con la CCDF de un índice de Nyquist de una señal muestreada y con la CCDF de una señal sobre muestreada con factor de sobre muestreo 16.
A. Ejemplo de la reducción de PAPR en MIMO-OFDM.
Un número de técnicas se han propuesto para reducir PAPR y estas se pueden dividir en dos clases de aproximaciones. En la primera aproximación, la reducción de PAPR se puede obtener con la ayuda de la redundancia y segundo es aplicar una función de corrección a la señal para eliminar los picos altos de la amplitud. Éste es una aproximación muy simple pero causa interferencia. Sumado a esto la redundancia no causa ninguna interferencia pero agrega complejidad del transmisor y baja la tarifa de transmisión neta.
El Mapeo Selectivo (SLM) pertenece a la primera aproximación. En SLM, secuencias estáticamente independientes V son generadas de la misma información multiplicada con un cierto vector y la secuencia con la menor PAPR es seleccionada. La información del vector usado para generar secuencias seleccionadas tiene que enviarse por el receptor. La detección de la señal depende también de los errores en el lado de donde la información es transmitida.
En MIMO-OFDM, SLM puede ser aplicado para independientes e individuales secuencias de V para ser transmitidas. De esta forma cada antena estará enviando diferentes partes de información y la distribución complementaria acumulativa (CCDF) de la mejor secuencia es:
(11)
En [18] una aproximación simultánea SLM es propuesta. En esta aproximación un vector común a todas las antenas transmisoras entre los vectores V seleccionados. La selección está hecha en base al promedio más bajo PAPR sobre las N antenas transmisoras.
De esta forma la misma información sobre el vector seleccionado es enviada sobre todas las antenas transmisoras y así es obtenida una mayor diversidad y los errores son reducidos.
Correspondientemente el aumento de redundancia puede ser disminuida. Como la selección es hecha de acuerdo a las antenas de tal forma que cada antena es seleccionada.
Figura 16. Capacidad de canal contra número de antenas del receptor (Anexo A) Figura 17. Capacidad del canal contra relación señal a ruido (Anexo A)
Figura 18. Capacidad del canal contra número de interferencias de símbolos (Anexo A) Figura 19. Tasa de capacidad media de usuarios contra número de usuarios (Anexo A) El promedio PAPR es una pequeña degradación en el resultado de PAPR comparado con la aproximación individual SLM. La CCDF de la mejor secuencia es:
(12)
7.3. DIVERSIDAD ESPACIAL CODIFICADA POR MIMO-OFDM
En los sistemas MIMO el régimen Alamouti obtiene un aumento de la diversidad espacial total en la ausencia de canales de sincronización con en el transmisor. Esto requiere que el canal permanezca constante al menos durante dos períodos consecutivos de señal. En MIMO-OFDM, la codificación se realiza en la frecuencia de en lugar de en el tiempo. Las señales S1 y S2 son transmitidos sobre las antenas 1 y 2 en tono n y las señales -S2 *y S1* se transmiten a través de antenas de 1 y 2 en tono n+1. En el receptor de las señales recibidas de estos dos tonos son detectados mediante la técnica de detección de Alamouti. Cualquier par de tonos pueden utilizarse siempre y cuando los canales asociados sean iguales, es decir, el requisito de un canal es diferente del caso MIMO.
Una técnica alterna es utilizar una diversidad de codificaciones por cada tono a través de las señales OFDM en el tiempo, pero luego el canal debe ser constante durante dos períodos consecutivos de señal OFDM. Esto usualmente no se cumple debido a la larga duración de las señales OFDM [19].
