Libros de código para los sistemas de comunicaciones de la 5G de las comunicaciones

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Libros de código para los Sistemas de Comunicaciones de la 5G de las Comunicaciones. Autor: Yanet Santana Castillo. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Libros de código para los Sistemas de Comunicaciones de la 5G de las Comunicaciones Autor: Yanet Santana Castillo E-mail: yscastillo@uclv.cu. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: yrodriguez-gallo@uclv.edu.cu. Santa Clara 2016 “Año 58 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 Telecomunicaciones y Electrónica, 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 publicado 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 Tutor. _______________________________ Firma del Jefe de Departamento. ____________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “En todos los asuntos humanos hay esfuerzos, y hay resultados, y la fortaleza del esfuerzo es la medida del resultado”. James Allen.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, quienes han estado conmigo en todos los momentos importantes de mi vida y se han esforzado mucho para ayudarme a lograr mis sueños..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A toda mi familia, por apoyarme siempre y por estar junto a mí durante todos estos años, en especial a mis padres. A mi tutor, por apoyarme de forma incondicional en la realización de este proyecto. A todos los profesores, de quienes he podido aprender mucho durante estos cinco años gracias a sus conocimientos y experiencias. A mis amigas, quienes han estado a mi lado en los buenos y malos momentos. A mis compañeros de estudio, con quienes he compartido alegrías y tristezas, y de quienes me llevo grandes recuerdos. En fin, a todos los que han contribuido a mi formación y a hacer realidad este hermoso sueño..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo, dar cumplimiento a los objetivos trazados y alcanzar los resultados esperados, se desarrollan las tareas técnicas siguientes:. . Realización de una revisión bibliográfica de la conformación de haces basada en los libros de código en la banda milimétrica utilizando antenas inteligentes para la 5G de las comunicaciones.. . Descripción de la técnica de conformación de haces basada en libros de código para su utilización en la 5G de las Comunicaciones.. . Identificación de libros de código para su implementación en herramientas de simulación.. . Implementación en Matlab de libros de código para la recuperación de señales en la 5G de las comunicaciones.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________________ Firma del Autor. __________________________ Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. La conformación de haces basada en libros de código es una técnica de procesamiento de señales utilizada para superar las dificultades que existen para la propagación en la banda de ondas milimétricas, y mejorar la calidad del canal en las comunicaciones. La presente investigación se dedica a las arquitecturas de conformación de haces para la 5G de las comunicaciones. Para ello, se describieron las principales características de la 5G, la banda milimétrica, las antenas inteligentes y la conformación de haces. Además, se expusieron algunos algoritmos utilizados para la generación de libros de código que son empleados en las comunicaciones. Finalmente, se realizaron simulaciones de dos libros de código en Matlab 2015 para la recuperación de señales, demostrándose la efectividad de los algoritmos implementados, así como de la herramienta de simulación para la implementación de los mismos en la 5G de las comunicaciones..

(9) vi ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. “LA. 5G. DE. LAS. COMUNICACIONES:. PRINCIPALES. CARACTERÍSTICAS Y ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS” ............................................................................................................ 5 1.1. Características principales de la 5G de las comunicaciones .................................... 5. 1.2. Características de las antenas inteligentes................................................................ 8. 1.2.1 Arreglos de antenas adaptativas ........................................................................... 10 1.2.2 Antenas MIMO .................................................................................................... 11 1.2.3 Antenas MIMO-Masivo ....................................................................................... 12 1.2.4 Características principales de la Banda milimétrica ............................................ 13 1.3. Técnica de conformación de haces ........................................................................ 14. 1.4. Características de los libros de código ................................................................... 15. 1.4.1 Investigaciones realizadas sobre los libros de código ......................................... 17 1.5. Conclusiones parciales ........................................................................................... 21. CAPÍTULO 2.. “LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA. LA 5G”. ................................................................................................................. 22. 2.1. Arquitecturas de conformación de haces ............................................................... 22. 2.1.1. Pasos para el diseño de libros de código......................................................... 25.

(10) vii Cuantificación vectorial ................................................................................................ 25 2.2. Algoritmos de generación de libros de códigos ..................................................... 28. 2.2.1. LBG ................................................................................................................ 28. 2.2.2. Grassmannian.................................................................................................. 30. 2.2.3. KPE ................................................................................................................. 31. 2.2.4. K-means .......................................................................................................... 32. 2.3. Herramienta de Simulación .................................................................................... 33. 2.4. Conclusiones parciales ........................................................................................... 33. CAPÍTULO 3.. “IMPLEMENTACIÓN. DE. LIBROS. DE. CÓDIGO. Y. COMPROBACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS” ........................................... 34 3.1. Funciones utilizadas para las simulaciones ............................................................ 34. 3.2. Recuperación de imágenes utilizando LBG ........................................................... 35. 3.3. Recuperación de imágenes utilizando K-means .................................................... 39. 3.4. Comparación entre los algoritmos implementados ................................................ 43. 3.5. Conclusiones parciales ........................................................................................... 44. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 45 Conclusiones ..................................................................................................................... 45 Recomendaciones ............................................................................................................. 46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 47 ANEXOS .............................................................................................................................. 51 Anexo I Anexo II. Código de Matlab para la recuperación de imágenes con LBG ..................... 51 Código de Matlab para la recuperación de imágenes con K-means ........... 54.

(11) INTRODUCCIÓN. La comunicación móvil ha sido una de las innovaciones tecnológicas de éxito en la historia moderna. La combinación de grandes adelantos tecnológicos y la proposición de costos alcanzables por la mayoría de la población han hecho de la misma una parte indispensable para la vida de billones de personas. Debido a la popularidad creciente de los teléfonos inteligentes y de otros dispositivos de datos móviles, el tráfico móvil experimenta un crecimiento sin precedentes. Para lograr este crecimiento exponencial, las mejoras en la capacidad de la interfaz aérea y la asignación de un nuevo espectro son importantes [1]. Este crecimiento exponencial de los servicios de datos inalámbricos conducido por la Internet móvil y los dispositivos inteligentes ha motivado la investigación de la red celular de la Quinta Generación (5G). Se espera que alrededor de 2020 las nuevas redes móviles 5G sean desplegadas. Las mismas tendrán que soportar aplicaciones de multimedia con una amplia variedad de requisitos, y razones de transmisión de datos más altas, latencia reducida, mayor cobertura interior y mejor eficiencia energética [2]. En la actualidad casi todos los sistemas de comunicación usan el espectro en el rango de 300 MHz a 3 GHz. Como la demanda de datos móviles crece, este espectro se abarrota progresivamente y, por otro lado, una inmensa cantidad del espectro en el rango de los 30 a 300 GHz queda inutilizado. El espectro de 3 a 30 GHz se refiere generalmente a la banda de frecuencia súper alta (Super High Frequency, SHF), mientras que el de 30 a 300 GHz se refiere a la frecuencia extremadamente alta (Extremely High Frequency, EHF) o banda de ondas milimétricas (Millimeter Wave, mmWave). Dado que las ondas en las bandas de radio de EHF y SHF comparten características de propagación similares, el espectro de 3 a 300.

(12) INTRODUCCIÓN. 2. GHz en conjunto es conocido como bandas de ondas milimétricas, con un rango de longitudes de onda desde 1 hasta 100 mm [1]. La mmWave se considera un candidato sugestivo para la próxima generación de sistemas celulares, pues esta tecnología móvil será más potente y avanzada que las versiones anteriores, debido a que contará con altas velocidades de datos, gran ancho de banda y mejor calidad de servicios [3]. Una mayor banda de frecuencia puede acomodar más usuarios y proporcionarles mayores velocidades de datos. El uso de antenas direccionales se convierte en una necesidad debido a que las ondas de radio en la mmWave no pueden viajar una larga distancia. Las antenas direccionales tienen el propósito de ayudar a que la potencia de señal se centre en la dirección deseada. Mientras que la idea de utilizar una banda de alta frecuencia para la transmisión es razonable en términos de espectro disponible, deben tenerse en cuenta las limitaciones presentes. Una limitación frecuente es que las ondas de radio no pueden viajar grandes distancias. Esto implica que las estaciones base (Base Station, BS), así como los nodos móviles tendrán un rango pequeño de transmisión. Adicionalmente se conoce que la pérdida de penetración también aumenta en la medida que se incrementa la frecuencia de transmisión. Por lo tanto, las ondas de radio en frecuencias 5G tendrán dificultades para penetrar a través de los edificios y otras obras de infraestructura urbana [4]. Las antenas inteligentes son consideradas como una de las tecnologías a utilizar para los sistemas de comunicaciones inalámbricas debido a las prestaciones que brindan, lo cual hará que mejore la capacidad de la red. El término antena inteligente suele referirse a arreglos de antenas con un algoritmo de procesamiento de señales sofisticado e inteligente utilizado para ajustar o adaptar su propio patrón de haz con el fin de detectar el nivel de las señales de interés y reducir al mínimo el nivel de la señal de interferencia [5]. En la actualidad se han desarrollado técnicas para el diseño de arquitecturas de conformación de haces (Beamforming, BF) en los sistemas de la 5G de las comunicaciones, entre las que se encuentran los libros de código..

(13) INTRODUCCIÓN. 3. En Cuba, las investigaciones realizadas sobre los libros de código para los Sistemas de Comunicaciones de la 5G de las Comunicaciones son escasas, debido a que en la actualidad se están dando los primeros pasos en el tema por lo que aún los conocimientos acerca del mismo son incipientes. Esta investigación será importante para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y por ende para la facultad de Ingeniería Eléctrica, desde el punto de vista teórico y práctico, y para aquellas personas que se incentiven a investigar sobre este tema, debido a que se expondrán las principales características del mismo; y se identificarán herramientas de simulación que permitan la implementación de los libros de código. Teniendo en cuenta las razones expuestas anteriormente, se plantea el siguiente problema científico: ¿Qué hacer para implementar libros de código para los sistemas de comunicaciones de la 5G de las comunicaciones utilizando herramientas de simulación? Esta investigación tiene como objeto de estudio la 5G de las comunicaciones y el campo de acción lo constituye el uso de libros de código para su utilización en arquitecturas de conformación de haces. Para dar cumplimiento al problema científico se propone el siguiente objetivo general: Proponer libros de código para su utilización en arquitecturas de conformación de haces en la 5G de las comunicaciones. A partir del objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar la 5G de las comunicaciones, especificando sus principales particularidades. 2. Describir la técnica de conformación de haces basada en libros de código. 3. Identificar libros de código para su implementación en herramientas de simulación. 4. Implementar en Matlab libros de código para su posible utilización en la 5G.. De los objetivos específicos, se derivan las siguientes interrogantes científicas: . ¿Cuáles son las características de la 5G de las comunicaciones?.

(14) INTRODUCCIÓN. . 4. ¿Qué características posee la técnica de conformación de haces basada en libros de código?. . ¿Qué libros de código han sido desarrollados para su implementación en los sistemas de comunicaciones de la 5G?. . ¿Cuáles herramientas de simulación permiten la implementación matemática de los libros de código?. Los resultados de esta investigación permiten brindar información acerca los libros de código que se utilizan en la actualidad para el diseño de arquitecturas de conformación de haces en los sistemas de la 5G de las comunicaciones. También se muestra el uso de herramientas de simulación para la implementación de los mismos. Para cumplir los objetivos establecidos, el trabajo se dividió en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se describen las principales particularidades de la 5G de las comunicaciones. Además, se realiza una descripción de las antenas inteligentes y la banda de ondas milimétricas y se presentan los libros de código desarrollados para el diseño de arquitecturas de conformación de haces en los sistemas de la 5G. En el segundo capítulo se aborda la conformación de haces basada en los libros de código y se exponen varios algoritmos que son utilizados para la generación de los mismos. También se realiza una comparación entre estos algoritmos y se describe la herramienta de simulación utilizada para la implementación los mismos. En el tercer capítulo se describe la implementación en Matlab de dos libros de código que son utilizados para la recuperación de señales. Además, se establece una comparación entre ambos libros de código teniendo en cuenta el tiempo requerido para la recuperación de la información, así como el error obtenido luego de la simulación..

(15) CAPÍTULO 1. “LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS. Y. ARQUITECTURAS. DE. CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS”. En la actualidad, la demanda de los usuarios en materia de servicios y el tráfico de datos se han ido incrementando, lo cual trae consigo que el espectro de frecuencias sea limitado. Por esta razón se ha comenzado a investigar acerca de la implementación de la 5G ya que el despliegue de la misma trae consigo una alta capacidad de datos y velocidad de transmisión, así como baja latencia y eficiencia energética. En el presente capítulo se caracteriza la 5G de las comunicaciones, teniendo en cuenta sus principales particularidades. También se describen de forma breve las antenas inteligentes y la banda de ondas milimétricas. Por último se presentan libros de código desarrollados para el diseño de arquitecturas de conformación de haces en los sistemas de la 5G. 1.1. Características principales de la 5G de las comunicaciones. La evolución de la 5G de las redes inalámbricas celulares está prevista para proporcionar mayores velocidades de datos, mejor calidad de experiencia (Quality of Experience, QoE) al usuario final, reducción de la latencia de extremo a extremo, así como un menor consumo de energía [2]. La 5G propone integrar diferentes sistemas inalámbricos como Wi-Fi, redes celulares, sistemas de corto alcance con redes de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Networks, WSN), comunicaciones de máquina a máquina (Machine to Machine, M2M), así como la generación del llamado Internet de Las Cosas (Internet of Things, IoT) o interconexión digital de objetos cotidianos con Internet. Es de esperar entonces que, por su propio peso, las.

(16) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 6. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. diferentes tecnologías se integren en un gran y único servicio centrado en el usuario. La 5G utilizará las tecnologías inalámbricas actualmente conocidas en un solo sistema integral proveyendo comunicación masiva desde cualquier dispositivo. Tal comunicación tendrá una latencia baja, imperceptible para el ser humano, aún en comunicaciones de largas distancias, con una velocidad de transmisión 10 veces mayor a la de la Cuarta Generación de las Comunicaciones (4G), y utilizando el espectro que hasta hace poco era espacio libre [6]. Las redes 5G constarán de nodos / celdas con características y capacidades heterogéneas como son las macroceldas, las células pequeñas, como femtoceldas y picoceldas, y equipos de usuario (User Equipments, UEs) dispositivo a dispositivo (Device to Device, D2D), lo que redundará en una arquitectura de varios niveles. Debido a la creciente complejidad en la gestión de la red y la coordinación entre los múltiples niveles de la misma, los nodos de la red tendrán la capacidad de auto-organización, por ejemplo, podrán realizar el equilibrio de carga autónomo, la minimización de la interferencia, la asignación del espectro y la adaptación de potencia [7]. También, un UE puede tener conexiones activas simultáneas a más de una BS o un punto de acceso (Access Point, AP) utilizando la misma o diferentes tecnologías de acceso de radio (Radio Access Technology, RAT). Los nodos heterogéneos como son los UEs, BSs, máquinas inteligentes y dispositivos portátiles pueden ser integrados a través de una red unificada (posiblemente basada en la nube) para proporcionar una conectividad sin fallas. La eficacia de la comunicación en los sistemas 5G será mejorada mediante la incorporación de técnicas tales como la transmisión y recepción conjunta de multipunto coordinado (Coordinated Multipoint, CoMP), la cancelación y supresión de la interferencia asistida en la red, la reutilización del espectro (por ejemplo, acceso múltiple no ortogonal), y múltiples entradas múltiples salidas (Multiple Input - Multiple Output, MIMO) en tres dimensiones o en todas las dimensiones. Además, se contempla el uso de un gran número de cabeceras de radio remotas (Remote Radio Heads, RRHS) conectadas a los nodos centrales de procesamiento (por ejemplo, nubes) con altas velocidades de backhaul / fronthaul [8]. Debido a las nuevas tendencias de la comunicación full dúplex (FD) de bajo consumo energético y el espectro de virtualización, las arquitecturas de los dispositivos 5G serán más complejas que las de aquellos con sistemas 4G. Los dispositivos en las redes 5G deben ser.

(17) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 7. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. capaces de funcionar en múltiples bandas del espectro, que van desde la radiofrecuencia (Radio Frequency, RF) hasta la mmWave, mientras que sean compatibles con las tecnologías existentes, tales como 3G y 4G. Debido a que las aplicaciones de multimedia requieren mucha energía, la eficiencia energética será una característica importante para la experiencia del usuario 5G y por lo tanto, es deseable que los dispositivos integren tecnologías de captación de energía. La necesidad de soportar varias RATs, comunicación FD y capacidades de captación de energía, engendrará muchos desafíos para diseñar y probar los chips internos y módulos frontales para dispositivos 5G. La figura 1.1 ilustra los aspectos y los dispositivos de las redes 5G mencionados anteriormente [2].. Figura 1.1. Red inalámbrica celular convencional y red inalámbrica celular 5G [2]. Dentro de la banda de frecuencia alta disponible que va de 3 a 300 GHz, al menos 252 GHz están disponibles para su uso. Anteriormente, los servicios de distribución multipunto local (Local Multipoint Distributed Services, LMDS) usaban parte de esta banda. Sin embargo, su uso ha sido descontinuado. La tecnología celular 5G actualmente está siendo considerada.

(18) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 8. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. para su uso en las bandas de 28 y 38 GHz, las cuales se encuentran dentro de la mmWave. En consecuencia, la comunicación 5G se denomina a menudo como la comunicación de ondas milimétricas. La comunicación se llama de mmWave debido a que la longitud de onda de las ondas de radio en este rango de frecuencia es del orden de los milímetros. En general, en una red 5G al menos se espera el uso de mayor espectro de frecuencias a frecuencias más altas, que pueda dar cabida a más usuarios en la red, velocidades de datos mucho más altas y que utilice antenas altamente direccionales [4]. La 5G deberá soportar algunas aplicaciones que imponen requisitos adicionales a los ya existentes y además muy diversos, entre los cuales se encuentran [9]: . Latencia y requisitos de fiabilidad mucho más rigurosos, que son necesarios para soportar aplicaciones relacionadas con asistencia médica para la salud, seguridad, logística, aplicaciones automotoras, o control crítico para misiones.. . Una gran variedad de tasas de datos tiene que ser soportada, hasta múltiples Gbps, mientras que decenas de Mbps necesitan estar garantizadas con una fiabilidad y disponibilidad muy alta.. . La escalabilidad y la flexibilidad de la red son requeridas para soportar un gran número de dispositivos con muy baja complejidad y requisitos de larga duración de vida de las baterías.. Es necesario satisfacer estos requisitos mientras, al mismo tiempo, se maneja la presión por el aumento de los costos. La eficiencia y la escalabilidad son criterios claves de diseño que reflejan la necesidad de responder a la esperada explosión del volumen de tráfico de datos y el número de dispositivos conectados [9]. 1.2. Características de las antenas inteligentes. Uno de los principales problemas de los futuros sistemas de comunicaciones móviles es el rápido aumento de la demanda de los diferentes servicios de banda ancha y aplicaciones. Dado que el espectro disponible para proporcionar comunicaciones de alta velocidad de datos a los nuevos suscriptores es limitado, la solución es el uso de antenas inteligentes para aumentar la capacidad del sistema y su rendimiento. Estas antenas no sólo aumentan la.

(19) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 9. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. ganancia, sino también reducen la interferencia y el retardo de propagación por medio de filtrado espacial [10]. Las antenas como elementos individuales, como, por ejemplo, los dipolos eléctricos pueden ser combinadas a la vez para formar un conjunto llamado arreglo, el cual puede proveer, en general, valores más altos de directividad. Además, aportan flexibilidad con respecto al patrón de radiación ya que es posible adaptarlo mediante el cambio de la amplitud, la posición o la excitación de fase de los elementos individuales [11]. Las antenas inteligentes emplean arreglos de antenas, cuyas señales son combinadas para formar un patrón de haz móvil que puede ser dirigido hacia el usuario. Dichas antenas minimizan el impacto del ruido, la interferencia y otros problemas que degradan la calidad de la señal [12]. Además, pueden mejorar la fiabilidad y capacidad en sistemas inalámbricos en tres formas [10]: Primero, las técnicas de combinación de diversidad combinan las señales de múltiples antenas de forma que mitigan el desvanecimiento por multitrayecto. En la mayoría de los ambientes con dispersión, la diversidad de la antena es una técnica práctica, efectiva, y, por lo tanto, aplicada ampliamente. Una estrategia es usar múltiples antenas en el aparato receptor y realizar la combinación o la selección y la conmutación para mejorar la calidad de la señal recibida. En segundo lugar, el BF adaptativo usando arreglos de antenas provee mejoras en la capacidad mediante la reducción de la interferencia y mitiga el desvanecimiento por multitrayecto. Los arreglos adaptativos cancelan los componentes multitrayecto de la señal deseada y las señales nulas interferentes que tienen direcciones de arribo (Directions of Arrival, DOAs) diferentes de la señal deseada. La tercera categoría de los sistemas usa haces fijos conmutados para lograr un mayor control del patrón que los arreglos adaptativos. Los sistemas de antenas de haces adaptativos y conmutados son conocidos popularmente como antenas inteligentes debido al sistema inteligente dinámico requerido para su operación. La adopción de la técnica de antenas inteligentes en los futuros sistemas inalámbricos se espera que tenga un efecto significativo en el uso eficiente del espectro, la minimización de.

(20) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 10. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. los costos para establecer nuevas redes inalámbricas, la optimización de la calidad de servicio y la realización de operaciones transparentes a través de redes inalámbricas de múltiples tecnologías. El concepto detrás de las antenas inteligentes es utilizar patrones de antenas en la BS que no son fijos, pero que se adapten a las condiciones de radio actuales. Este sistema puede visualizar cómo la antena dirige un haz hacia una sola antena para comunicarse. Las tecnologías de los sistemas de antenas inteligentes incluyen inteligencia, arreglos de fase dinámicos, formación de haces digital y sistemas de antenas adaptativas. Sin embargo, los sistemas de antenas inteligentes son usualmente categorizados en haces conmutados, arreglos puestos en fase dinámicamente y sistemas de arreglos adaptativos [12]. Basado en la capacidad de alterar la amplitud de su haz, el uso de antenas inteligentes apunta a la asignación de un número similar de clientes a cada antena y así conseguir una cobertura más eficiente del área de radiodifusión en casos donde la distribución de clientes dentro del área del sistema no es uniforme [13]. 1.2.1 Arreglos de antenas adaptativas Las antenas adaptativas se han convertido en un componente fundamental del sistema en las redes móviles de futuras generaciones debido a sus beneficios operacionales mediante la explotación del dominio espacial por medio de formadores de haces adaptativos. Un arreglo de antenas adaptativas es un sistema que aplica técnicas de filtrado adaptativo en el procesamiento de un arreglo óptimo para el diseño de un sistema de antena de recepción [5]. Con la creciente demanda de comunicaciones inalámbricas de largo alcance y de alta velocidad de transmisión de datos y con el avance en las técnicas de procesamiento de señales digitales, los arreglos de antenas adaptativas han encontrado un amplio rango de aplicaciones y se convierten en una parte esencial de los sistemas de comunicaciones inalámbricas. El uso de arreglos de antenas adaptativas para mmWave móvil y las redes de comunicación ad hoc es particularmente crítico debido a la potencia de salida limitada de los circuitos integrados de microondas monolíticos (Monolithic Microwave Integrated Circuits, MMIC). La combinación de múltiples antenas, cada una de las cuales tiene su propio amplificador de potencia, para formar un arreglo de antenas no sólo aumenta la potencia de transmisión sino que también habilita la tecnología de antena inteligente que ha de aplicarse para optimizar el rendimiento del sistema [14]..

(21) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 11. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. 1.2.2 Antenas MIMO Con la evolución de los terminales inteligentes y sus aplicaciones, la necesidad de servicios de multimedia aumenta rápidamente. Por lo tanto, la capacidad de las redes de comunicaciones inalámbricas se debe aumentar con el fin de garantizar los requisitos de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) de las aplicaciones móviles. Mientras tanto, se ha previsto que la carga de las redes de comunicaciones inalámbricas está aumentando exponencialmente, haciéndose necesario introducir nuevas tecnologías para satisfacer las demandas de tráfico para redes de comunicaciones inalámbricas de próxima generación [15]. La eficiencia del ancho de banda (Bandwidth Efficiency, BE) suele ser una de las métricas más importantes para seleccionar tecnologías candidatas para los sistemas de comunicaciones inalámbricas de próxima generación. Mientras tanto, con el excesivo consumo de energía en las redes de comunicaciones inalámbricas, la eficiencia energética (Energy Efficiency, EE) se ha convertido en otra métrica importante para la evaluación de las actuaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas con algunas restricciones dadas de BE [16]–[20]. La tecnología MIMO se ha destacado en las comunicaciones inalámbricas, ya que ofrece un aumento significativo en el rendimiento de datos y el rango del enlace sin un aumento adicional de ancho de banda o la potencia de transmisión [15]. Por mucho tiempo se ha afrontado el reto de usar el espectro de radiofrecuencia (Radio Frequency, RF) y la potencia de forma más eficiente, pero debido a que estos recursos son caros y escasos, es esencial la necesidad de utilizar técnicas avanzadas que puedan introducir más grados de libertad en la transmisión de datos. Equipar los transmisores y receptores con múltiples antenas es un paso a dar en esta dirección. La técnica MIMO explota la abundante dispersión en el canal de radio para proveer diversidad y ganancia de multiplexación espacial. MIMO introduce grados espaciales de libertad implicando que los recursos de comunicaciones de tipo espacial diferentes del espectro y la potencia se vuelvan accesibles [21]. Las múltiples antenas en los sistemas MIMO pueden ser explotadas de diferentes maneras para lograr multiplexación, diversidad, o ganancia de las antenas. Sin embargo, independientemente del uso de la multiplexación espacial, la diversidad, o los sistemas de.

(22) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 12. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. antenas inteligentes, el principal inconveniente de cualquier esquema MIMO es el incremento en complejidad y costos [22]. Lo anterior se debe sobre todo a tres razones principales: la primera es la interferencia entre canales (Inter-Channel Interference, ICI), la cual es introducida superponiendo secuencias independientes de información para ser transmitidas por múltiples antenas transmisoras. La segunda es la sincronización entre antenas (Inter-Antenna Synchronization, IAS), que representa el supuesto punto de referencia para los métodos de codificación de espaciotiempo y demora-diversidad. La tercera razón son las cadenas de RF múltiples, las cuales son necesarias para transmitir todas las señales simultáneamente y son, en general, costosas. Además, varios diseños de transceptores requieren un mayor número de antenas receptoras que de transmisoras, lo cual puede limitar, debido a razones económicas, en los dispositivos móviles, su aplicación para la configuración del enlace descendente. Estos temas hacen difícil la implementación práctica de los esquemas MIMO, especialmente en las estaciones móviles, así como el hardware necesario y el procesamiento de señales digitales que requieren energía significativa [22]. Adicionalmente, existen factores limitantes si MIMO masivo se incorpora en redes 5G, que están bajo desafíos, entre los que se encuentran: la información de estado del canal de adquisición (Channel State Information, CSI), la contaminación piloto y nueva caracterización de propagación de radio [23]. A pesar de lo anteriormente mencionado, la ampliación de MIMO trae consigo algunas ventajas, las cuales se pueden resumir en dos aspectos. El primero de ellos consiste en la mejora de la eficiencia espectral mediante el simple equipamiento de más antenas en las redes celulares actuales y el trabajo en modo de transmisión multiusuario. El segundo aspecto es la mejora de la eficiencia energética, pues es capaz de enfocar su energía emitida en una región más pequeña de espacio alrededor de las ubicaciones de los usuarios debido a la alineación del haz [23]. 1.2.3 Antenas MIMO-Masivo Con el fin de aumentar la ganancia, se usa el MIMO de gran escala (Large-Scale MIMO, LSMIMO), que también se conoce como esquema MIMO masivo. Más explícitamente, un LS.

(23) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 13. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. MIMO se refiere al sistema que utiliza cientos de antenas para servir al mismo tiempo a decenas de UEs. LS-MIMO es capaz de mejorar significativamente el BE, con una simultánea reducción de la potencia de transmisión. Como resultado, la técnica LS-MIMO es considerada como una candidata para los sistemas de comunicaciones inalámbricas de la 5G concebida para mejorar su BE y EE [15]. En MIMO masivo, cada BS es equipada con un número finito de antenas. Este esquema usa la conjugada de la matriz del canal para la precodificación, así simplifica las estructuras transmisor/receptor. En el régimen MIMO masivo, el efecto del desvanecimiento a pequeña escala y el ruido no correlacionado desaparecen, solo permanece la interferencia causada por reutilizar pilotos ortogonales en diferentes celdas. Se ha demostrado que la contaminación piloto no es una limitación fundamental para MIMO masivo cuando se utiliza una técnica de estimación del canal no lineal confiando en la proyección del subespacio de la señal. Además de la contaminación piloto existen otros problemas que pueden degradar el desempeño de MIMO masivo, como son: los acoplamientos de antenas y el hardware no ideal, particularmente en los terminales de usuario [21]. Entre los beneficios que ofrece esta técnica se encuentran el incremento en la eficiencia espectral sin la necesidad de un aumento de BS y con la posibilidad de cambiar una parte de ese incremento para obtener mejoras en la eficiencia energética. Otro de los beneficios es suavizar las respuestas fuera del canal debido a la gran diversidad espacial, lo que provoca la acción favorable de la ley de los números grandes. En esencia, toda la aleatoriedad en pequeña escala se reduce a medida que el número de observaciones del canal crecen. Además, las estructuras simples de transmisor/receptor, por la naturaleza casi ortogonal de los canales entre cada BS y el conjunto de usuarios activos, comparten el mismo recurso de señalización. Para un número dado de usuarios activos, esa ortogonalidad se agudiza a medida que crece el número de antenas de las BS y los transceptores lineales, incluso empleando un BF de un simple usuario, se desempeñan correctamente [24]. 1.2.4 Características principales de la Banda milimétrica El uso de las frecuencias de mmWave para las comunicaciones inalámbricas ofrece anchos de banda mucho mayores que los previamente disponibles, al habilitar docenas e, incluso,.

(24) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 14. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. centenares de antenas para ser usados en los equipos de los usuarios, las BS y los puntos de acceso [25]. Las comunicaciones de la mmWave aparecen como una opción para soportar la creciente demanda para razones de datos multi-gibabit, al menos sobre distancias cortas. Las mismas se refieren al espectro electromagnético entre 30 y 300 GHz, el cual corresponde a longitudes de onda desde 10 mm hasta 1 mm. La pequeña longitud de onda permite la integración de numerosos elementos de antena en el tamaño actual de los chips de radio, los cuales a su vez prometen una efectiva ganancia de directividad. Las principales características de mmWave son la direccionalidad, gran ancho de banda y también la alta atenuación [26]. La comunicación de la banda de ondas milimétricas es una manera de aliviar el estancamiento del espectro en las frecuencias más bajas mientras que provee simultáneamente los canales de comunicación de banda ancha. La banda de ondas milimétricas hace uso de MIMO a través de grandes redes de antenas tanto en la estación base como en la estación móvil para proporcionar suficiente potencia de señal recibida. La formación del haz y la precodificación son diferentes en los sistemas MIMO de las bandas de ondas milimétricas que en sus contrapartes de baja frecuencia, debido a las diferentes limitaciones del hardware y a las características del canal [27]. 1.3. Técnica de conformación de haces. La conformación de haces es una técnica en la que se explota un arreglo de antenas para conseguir el máximo de recepción en una dirección especificada por la estimación de la llegada de la señal a partir de una dirección deseada (en la presencia de ruido), mientras que las señales de la misma frecuencia de otras direcciones son rechazadas. Esto se consigue mediante la variación de los pesos de cada una de las antenas utilizadas en el arreglo. Se utiliza básicamente la idea de que, aunque las señales que emanan de los diferentes transmisores ocupan el mismo canal de frecuencia, todavía llegan desde diferentes direcciones. Esta separación espacial se aprovecha para apartar la señal deseada de las señales de interferencia. En la formación de haz adaptativo los pesos son iterativos y se calculan utilizando algoritmos complejos basados en diferentes criterios. BF se realiza generalmente mediante la eliminación gradual de la alimentación a cada elemento de una matriz de modo.

(25) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 15. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. que las señales recibidas o transmitidas de todos los elementos estarán en fase en una dirección particular. Las fases (la fase inter elemento) y las amplitudes por lo general se ajustan para optimizar la señal recibida [28]. BF es una solución útil para superar las dificultades existentes para la propagación en la mmWave y mejorar la calidad del canal. También permite a un transmisor irradiar una señal en una dirección particular y a un receptor recibir señales desde una dirección particular. Esto significa que la señal inalámbrica puede ser mejor entregada en la dirección específica y que la calidad de la señal recibida puede ser mejorada. Además, la formación del haz hace que sea fácil de distinguir la señal deseada y la de interferencia. Como resultado, la formación de haz se puede utilizar para proporcionar acceso múltiple por división espacial (Spatial Division Multiple Access, SDMA) que es capaz de ofrecer un rendimiento superior en varios sistemas de comunicación de acceso múltiple de radio. La mmWave ayuda a prevenir la propagación de una señal y la interferencia. Por lo tanto, la eficiencia espectral de la red central puede aumentar mediante la reutilización espacial con la prevención de la propagación de la señal y la interferencia [29]. En general, dos tipos de formación del haz se pueden considerar: la formación del haz fijo (formación del haz conmutado) y la formación del haz adaptativo. En la formación del haz fijo se forma un conjunto estático de haces en cada dirección sin tener en cuenta el entorno circundante. Por otro lado, en la formación del haz adaptativo, las direcciones de los haces radiados son automáticamente adaptadas basado en los entornos circundantes. A pesar de que la formación del haz adaptativo permite la formación más eficaz del haz, requiere operaciones más complejas y redundantes de retroalimentación que la formación del haz fijo [30]. 1.4. Características de los libros de código. Un libro de código es una matriz donde cada columna especifica un vector de peso de BF. Cada columna especifica también un patrón o una dirección [31]. Los libros de código son la base de la operación del BF. La figura 1.2 muestra un libro de código de 8 patrones generado por 4 antenas con espaciamiento entre antenas de λ/2. Todos esos patrones pueden ser especificados en la siguiente matriz [31]:.

(26) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 16. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. 𝐼𝐷 = 0. 1. 1 1 −1 −𝑗 W =[ 1 𝑗 −1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 1 1 1 1 1 1 −𝑗 −𝑗 1 𝑗 𝑗 𝑗 ] −1 −𝑗 1 𝑗 −1 −𝑗 𝑗 −1 1 −1 −𝑗 1. Figura1.2. Libro de código de 4 antenas separadas a λ/2 (8 patrones) [31].. La tabla 1.1 muestra los parámetros de cada patrón, donde θmax es la máxima dirección de ganancia, el ancho medio del haz de poder (Half Power Beam Width, HPBW) es el ancho de banda de 3dB y Dmax es la máxima directividad del arreglo de antenas. Cada patrón de haz en la Figura 1.2 es identificado por un patrón de ID dado, listado en la primera columna de la tabla. El patrón ID corresponde también a la columna de la matriz de peso y será usado en el BF para indicar el mejor patrón de haz [31]. Tabla1.1. Libro de código de 4 antenas separadas a λ/2 (8 patrones) [31]. ID. Θmax. HPBW. Dmax. 0. 0°. 79°. 6.02dBi. 1. 46°. 31°. 5.48 dBi.

(27) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 17. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. 2. 60°. 26°. 6.02 dBi. 3. 72°. 26°. 5.48 dBi. 4. 90°. 26°. 6.02 dBi. 5. 108°. 26°. 5.48 dBi. 6. 120°. 26°. 6.02 dBi. 7. 134°. 31°. 5.48 dBi. En la actualidad los libros de código tienen diversos usos, por ejemplo, se usan en la criptografía para el cifrado de textos, en las ciencias sociales para ofrecer una lista de los códigos utilizados en las investigaciones, en la compresión de datos como algoritmo de codificación de voz y en los sistemas de comunicaciones para la precodificación o conformación de haces. La precodificación está basada en libros de código debido a que la matriz usada para precodificar las señales se encuentra pre-definida dentro de un rango de matrices agrupadas en lo que se conoce como el libro de código. En ese grupo de matrices, se selecciona mediante un identificador una en particular que será la más indicada basándose en la estimación del canal de propagación existente [32]. Un libro de código de precodificación tiene que ser diseñado y mantenido tanto en el transmisor como en el receptor con el fin de facilitar la operación de precodificación de transmisión de retroalimentación limitada. Este libro de código puede ser una colección de matrices de precodificación y vectores candidatos que puede servir como un diccionario común de condiciones de canal actuales para el transmisor y el receptor [33]. 1.4.1 Investigaciones realizadas sobre los libros de código En noviembre de 2014 el Instituto de Investigación de Electrónica y Telecomunicaciones (Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI) de Daejeon, Corea publicó un artículo titulado “A Codebook-Based Limited Feedback System for Large-Scale MIMO” [34]. En el mismo se plantea un nuevo entramado basado en libros de código para los sistemas de enlaces descendentes en MIMO multiusuario y luego se compara con un sistema ideal no basado en libros de código. Este artículo se centra particularmente en el régimen de retroalimentación de tasa finita menos conocido, donde el número de antenas de transmisión.

(28) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 18. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. M y el número de usuarios son del mismo orden de magnitud y M es grande pero finito, el cual es un escenario típico de MIMO de gran escala. Además, se proveen nuevos descubrimientos en este régimen y se identifican algunos beneficios del nuevo entramado en términos de ganancia de programación. En 2009 fue publicado, por Junyi Wang, Zhou Lan, Chang-Woo Pyo, Tuncer Baykas, ChinSean Sum, M Azizur Rahman, Ryuhei Funada, Fumihide Kojima, Ismail Lakkis, Hiroshi Harada y Shuzo Katose, el artículo titulado “Beam Codebook Based Beamforming Protocol for Multi-Gbps Millimeter-Wave WPAN Systems” [31], en el cual se presenta un protocolo de BF realizado en la capa control de acceso al medio (Media Access Control, MAC) siguiendo los criterios del estándar IEEE 802.15.3c para redes de área personal inalámbricas de mmWave de 60GHz (Millimeterwave 60GHz Wireless Personal Area Networks, 60GHz WPANs). Este protocolo es basado en libros de código diseñados, los cuales se generaron con 4 tipos de cambio de fase sin ajuste de amplitud. En el artículo “BER Criterion and Codebook Construction for Finite-Rate Precoded Spatial Multiplexing With Linear Receivers” [35] , publicado en mayo de 2006 por Shengli Zhou y Baosheng Li, se consideran las transmisiones precodificadas de multiplexación espacial asistidas por retroalimentación de tasa finita y se propone un nuevo criterio de selección de precodificadores basado en la tasa de error de bit (Bit Error Rate, BER) exacta para receptores lineales. También se desarrolla un método de construcción de libros de código de precodificadores basado en el algoritmo de Lloyd generalizado, cuya construcción no se basó directamente en el criterio de la BER, lo cual no lo hace óptimo en ese sentido. En el artículo publicado en septiembre de 2014 por A. Alkhateeb, G. Leus, y R. W. Heath Jr, cuyo título es “Limited Feedback Hybrid Precoding for Multi-User Millimeter Wave Systems,” [36], se propone un algoritmo de precodificación análogo/digital híbrido de baja complejidad para los sistemas de mmWave multiusuario de enlace descendente palanqueando la esparcida naturaleza del canal y el gran número de antenas utilizadas. El desempeño del algoritmo propuesto fue analizado cuando los canales son de un solo trayecto y cuando las dimensiones del sistema son muy grandes. En el artículo “Grassmannian beamforming on correlated MIMO channels” [37], publicado en 2004 por David J. Love y Robert W. Heath, Jr. se enfoca el diseño de precodificadores de.

(29) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 19. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. retroalimentación limitada para transmitir y recibir canales MIMO correlacionados. En particular, se usa una técnica donde el receptor elige el vector de BF de un libro de código de posibles vectores y lo transmite sobre un canal de retroalimentación limitada. Esto se logra usando el libro de código Grassmannian, cuyo diseño es abordado también en este artículo. En el artículo publicado en enero de 2008, por Daniel J. Ryan, I. Vaughan L. Clarkson, Iain B. Collings, Dongning Guo y Michael L. Honig, titulado “QAM and PSK Codebooks for Limited Feedback MIMO Beamforming” [38] se propone el uso de libro de código de BF basado en constelaciones de modulación de amplitud en cuadratura (Quadrature Amplitude Modulation QAM) y manipulación por desplazamiento de fase (Phase-Shift Keying PSK), que esencialmente eliminan la necesidad de almacenamiento de libros de código. En octubre de 2014 se publicó un artículo titulado “ On the feasibility of beamforming in millimeter wave communication systems with multiple antenna arrays” [39], cuyos autores son Jaspreet Singh y Sudhir Ramakrishna. En el mismo se investiga la precodificación híbrida para las comunicaciones celulares en mmWave con múltiples arreglos de antenas, en el contexto de los sistemas de realimentación limitada, con la utilización de libros de código. En el artículo “Limited Feedback Unitary Precoding for Spatial Multiplexing Systems”[40], publicado en agosto de 2005 por David J. Love y Robert W. Heath, Jr., se presenta un nuevo criterio de selección de palabras de código basado en la distancia euclidiana en los sistemas de precodificación singular con realimentación limitada. Además, se propone un método de diseño de libros de código basado en el algoritmo de Lloyd generalizado (Generalized Lloyd Algorithm, GLA), el cual es conocido también como LBG (Linde, Buzo and Gray). En el artículo “Vector Quantized Codebook Otimization using K-Means” [41], publicado en 2009 por H. B. Kekre y Tanuja K. Sarode, se propone el algoritmo K-means para la optimización de libros de código. En general, este algoritmo toma un tiempo muy largo para converger cuando se comienza con un libro de código obtenido a partir de una selección aleatoria de vectores, por lo que es usado partiendo de libros de código iniciales creados mediante otros algoritmos, de ahí que su tiempo de convergencia se reduzca considerablemente..

(30) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 20. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. Min Zheng en su tesis “Codebook Design for Distributed Beamforming System” [42], publicada en 2012, afirma que debido a que después de la cuantificación todos los vectores de un libro de código óptimo no son esparcidos uniformemente en el espacio de búsqueda vectorial, los libros de código Grassmannian y los RVQ no pueden ser aplicados, por lo que el LA es el método usual heurístico para diseñar el libro de código. Para utilizar LA, se requiere una función de distorsión y un conjunto de entrenamiento para el objetivo de diseño cuantificador. Mediante la partición del conjunto de entrenamiento en múltiples regiones con respecto a un libro de códigos inicial, el problema de optimización inicial se divide en múltiples subproblemas. Que consisten en encontrar un vector óptimo para cada región. Como se adquiere un nuevo conjunto de vectores que tiene un rendimiento más alto de SNR que el anterior, se puede utilizar para la siguiente iteración de la partición y la actualización del libro de código. Mediante la repetición de la iteración, el algoritmo mejora el rendimiento de libro de código. En el artículo publicado en noviembre de 2008 por Yi Zhao, Raviraj Adve y Teng Joon Lim, cuyo título es “Beamforming with Limited Feedback in Amplify-and-Forward Cooperative Networks” [43], se plantea que a pesar de que GLP da el diseño de un libro de códigos óptimo para sistemas con retroalimentación limitada, en redes AF no es factible su uso debido a la amplificación del ruido en los nodos relay. Además, a pesar de que los libros de código diseñados con el LA tienen el mejor desempeño para estos sistemas, su diseño es muy complejo y por consiguiente impráctico. Por tanto, el esquema más atractivo para las redes AF es el protocolo de selección de relay pues posee baja complejidad y proporciona un rendimiento excelente con respecto a otros métodos conocidos. En el artículo “Joint Channel Direction Information Quatization For Spatially Correlated 3D MIMO Channels” [44], publicado en enero de 2015 por Fang Yuan, Chenyang Yang, Yang Song, Lan Chen, Yuichi Kakishima y Huiling Jiang, se expone que varios libros de código han sido propuestos para los canales correlacionados espacialmente, entre ellos los generados a partir del algoritmo de Lloyd, el libro de código girado y el de la transformada discreta de Fourier.. Teóricamente, el Algoritmo de Lloyd puede ser aplicado para generar libros de código para canales MIMO 3D, pero los mismos son complicados para ser usados fuera de línea en la práctica. A partir de este algoritmo se pueden obtener otros libros con complejidad.

(31) CAPÍTULO 1. LA 5G DE LAS COMUNICACIONES: PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y. 21. ARQUITECTURAS DE CONFORMACIÓN DE HACES DESARROLLADAS. reducida como, por ejemplo, el de empaquetamiento local y el de la cuantificación separada de ganancia y fase. El libro de códigos girado, transforma las palabras de código optimizadas para los canales no correlacionados (por ejemplo, las palabras de código del embalaje del subespacio Grassmannian (Grassmannian subspace packing, GSP) de la matriz de correlación de canal. Este es asintóticamente efectivo en la cuantificación de los canales espacialmente correlacionados a medida que el tamaño del libro de código se hace grande. Cuando se diseñan libros de código para los sistemas celulares en el mundo real, deben tenerse en cuenta limitaciones prácticas tales como el módulo constante y la necesidad de un alfabeto finito. El libro de código de la transformada discreta de Fourier cumple con estas limitaciones, que es adecuado para los canales altamente correlacionados con la matriz lineal uniforme en la BS. En el artículo “Vector Quantization using Genetic K-Means Algorithm for Image Compression” [45], publicado en 1997 por K. Krishna, K. R. Ramakrishnan y M. A. L. Thathachar, se realizan comparaciones entre el libro de código LBG y el K-means generalizado mediante simulaciones y se observa que para cada iteración los valores de error obtenidos por el segundo son menores que los obtenidos por el primero en todos los casos que se presentaron. Esto implica que para la misma cantidad de esfuerzo computacional, Kmeans ofrece una mejor solución que LBG. 1.5. Conclusiones parciales. En este capítulo se ofreció una descripción de las principales características de la 5G de las comunicaciones y de los sistemas de antenas inteligentes. Además, se profundizó en el funcionamiento de los arreglos de antenas adaptativas, antenas MIMO y MIMO-masivo, así como de la mmWave. Finalmente, se describió la técnica de conformación de haces y el algoritmo de los libros de código que se utiliza para su desarrollo, quedando demostrada la importancia del mismo para los sistemas de comunicaciones inalámbricas..

(32) CAPÍTULO 2. “LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G”. En la 5G de las comunicaciones se utiliza la técnica de conformación de haces basada en libros de código para disminuir las pérdidas del trayecto y proveer alta ganancia a los arreglos de antenas. Existen diversos algoritmos para la generación de libros de código utilizados en la conformación de haces, los cuales son utilizados de acuerdo a las propiedades del canal. En el presente capítulo se brinda información acerca de las arquitecturas de conformación de haces basadas en libros de código. Además, se exponen los principales algoritmos implementados en la generación de libros de código y se realiza una comparación de los mismos. Finalmente, se describe el software utilizado para la implementación de los mismos. 2.1. Arquitecturas de conformación de haces. BF es una técnica de procesamiento de señales de arreglos donde las múltiples antenas son adaptablemente puestas en fase para formar un patrón de haces directo. BF puede ser usada tanto en el transmisor como en el receptor para proveer una significativa ganancia al arreglo. En consecuencia, provee un incremento de la relación señal a ruido (Signal-to-Noise Ratio, SNR) y un margen de radioenlace adicional que mitiga las pérdidas en el trayecto de propagación. Además, BF provee interferencia cocanal reducida a partir de la selectividad espacial de las antenas direccionales. En el receptor son combinados múltiples haces, disminuyendo aún más la pérdida del trayecto. Para sistemas de la mmWave, BF ofrece ventajas debido a que las antenas altamente adaptativas direccionales pueden ser hechas en muy pequeños factores de forma y dirigidas en varias direcciones para explotar las reflexiones y esparcirse desde los objetos para la máxima intensidad de la señal mientras coherentemente se alinean las formas de onda recibidas. Existen varias arquitecturas de BF,.

(33) CAPÍTULO 2. LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G. 23. como se muestran en la Figura 2.1. El BF analógico incluye una única cadena de RF con Nx × Nz pesos de fase analógicos (uno por antena) para centrar la ganancia del BF en la dirección del trayecto o trayectos del canal dominante. El BF digital requiere Nx × Nz cadenas de RF (una por antena), donde los pesos de BF por elementos son aplicados digitalmente para proveer la mejor correspondencia del canal dispersivo para un tamaño dado de la antena [25]. En la arquitectura del BF híbrido, el fino haz formado con un conformador de haces analógico (con desplazamiento de fase) compensa las grandes pérdidas de trayecto en las bandas de mmWave, y el conformador de haces digital provee la flexibilidad necesaria para desempeñar la técnicas de multiantenas avanzadas como es la MIMO multihaz [46].. Figura 2.1. Posibles arquitecturas de RF para sistemas de mmWave [25]. El objetivo de BF es el uso de arreglos de antenas para transmitir y/o recibir señales desde/hasta cierta dirección. Esto se logra mediante el ajuste de las fases de las señales.

(34) CAPÍTULO 2. LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G. 24. de radiofrecuencia. La ganancia del arreglo puede ser lograda mediante el enfoque de los patrones de la antena en un ángulo deseado, por ejemplo, hacia la línea de vista (Line Of Sight, LOS) o la dispersión significativa. Así, mejora la SNR recibida sin incrementar la potencia de transmisión. Este método es usualmente usado en escenarios donde la SNR es relativamente baja o donde hay un alto requerimiento de fiabilidad. BF puede ser usado también para limitar la interferencia [47]. Un conjunto de pesos de fase (uno por cada elemento de antena) se pueden combinar para formar una entrada de un libro de código específico. Un número de estas entradas se pueden agrupar para formar un libro de código. Tanto en la estación base como en el dispositivo móvil, para reflejar diferentes números de antena y factores de forma, se utilizan diferentes libros de códigos. Cuanto más largo es el libro de código, más bueno será el control del haz de la antena resultante. La estación base y el dispositivo móvil exploran a través de sus respectivos libros de código para encontrar el mejor par de transmisión / recepción [25]. Un conjunto predefinido común de códigos de BF se define en el estándar IEEE 802.15.3c. Los pesos de fase W aplicados a un arreglo rectangular uniforme (Uniform Rectangular Array, URA) que comprende elementos Nx × Nz vienen dados por la Ecuación 2.1, donde la función fix{} devuelve el mayor entero menor o igual que su argumento, ki = 0: Ki - 1 representa el índice de código ki en la dimensión i = x, z, Ki es la longitud del libro de códigos con Ki ≥ Ni en la dimensión i, ni = 0: Ni - 1, y Nx × Nz es el tamaño de la matriz. El tamaño total del libro de código es Kx × Kz. Para una fluctuación máxima de 1 dB en la ganancia lograda a través de todos los ángulos cubiertos por el libro de código, el parámetro Ki debe ser igual a 2 × Ni, generando así un libro de códigos con el tamaño de 4 × Nx × Nz. El libro de códigos IEEE 802.15.3c fue diseñado para aplicaciones interiores y considera sólo un número relativamente pequeño de elementos de antena (<100). Mientras que el protocolo 802.15.3c especifica una búsqueda jerárquica sobre haces progresivamente más estrechos, los gastos generales siguen incrementándose para un mayor número de elementos de antena. Además, una buena resolución de fase se hace necesaria, lo que no es necesariamente práctico en aplicaciones de consumo, donde el costo es un factor clave [25]..

(35) CAPÍTULO 2. LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G. 𝑊(𝑛𝑥 , 𝑛𝑧 , 𝑘𝑥 , 𝑘𝑧 ) = 𝑗. 2.1.1. 𝑛 ×𝑚𝑜𝑑[𝑘𝑥 +(𝐾𝑥 ⁄2)𝐾𝑥 ] 𝑛 ×𝑚𝑜𝑑[𝑘𝑧 +(𝐾𝑧 ⁄2)𝐾𝑧 ] 𝑓𝑖𝑥{ 𝑥 }+𝑓𝑖𝑥{ 𝑧 } 𝐾𝑥 ⁄4 𝐾𝑧 ⁄4. 25. (2.1). Pasos para el diseño de libros de código. Los libros de código de conformación de haces de redes son clasificados en dos categorías de acuerdo a la distribución del vector de conformación de haz original: libros de código uniformemente distribuidos y libros de código no uniformemente distribuidos. En el escenario de los libros de código uniformemente distribuidos, el vector original de conformación del haz tiene una distribución uniforme en el espacio de búsqueda vectorial, por ejemplo, es uniformemente distribuido en la esfera de unidad de longitud del vector complejo. Como consecuencia, los vectores en un libro de código, los cuales son una versión cuantificada del vector óptimo, deben esparcirse uniformemente en el espacio de búsqueda vectorial. Los libros de código uniformemente distribuidos son frecuentemente aplicados en sistemas MIMO de conformación de haces con canales de desvanecimiento Rayleigh. Desafortunadamente, en varias redes complejas, el vector óptimo de conformación de haz no está uniformemente distribuido en el espacio de búsqueda vectorial. Después de la cuantificación, todos los vectores de un libro de códigos no son esparcidos uniformemente en el espacio de búsqueda vectorial [42]. Existen varios métodos para el diseño de libros de código, pero uno de los más utilizados en la actualidad es la cuantificación vectorial, por lo cual solamente se aborda la misma en este trabajo. Cuantificación vectorial La cuantificación vectorial (Vector Quantization, VQ) es la extensión vectorial de la modulación de pulso codificada (Pulse Coded Modulation, PCM) en donde los vectores reales en lugar de los vectores escalares son convertidos en representaciones digitales, las cuales a su vez pueden ser usadas para producir una reproducción de la señal original. El objetivo es producir una representación digital de la señal, la cual puede ser comunicada en un canal de comunicación digital o almacenada en un medio digital [48]..

(36) CAPÍTULO 2. LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G. 26. Debido a que es simple y fácil de implementar, VQ ha sido ampliamente utilizado en diferentes aplicaciones, como el reconocimiento de patrones, compresión de imágenes, reconocimiento de voz, detección de rostros, entre otras [49]. En términos generales, la cuantificación vectorial se puede ver como una forma de reconocimiento de patrones en el que el patrón de entrada se aproxima a una plantilla ya conocida [50]. Una de las funciones clave de la cuantificación vectorial es generar un buen libro de código de tal manera que la distorsión entre la señal original y la reconstruida sea mínima. En los últimos años, se han desarrollado muchos algoritmos mejorados de generación de libros de código VQ [49]. Un componente clave en el diseño de cualquier sistema de cuantificación vectorial es el diseño del libro de código de cuantificación que será utilizado en el receptor para transmitir información útil sobre el canal al transmisor. Los métodos numéricos han tenido bastante éxito en el diseño de libros de código en el que cada palabra de código representa un subespacio de dimensión uno; es decir, una sola dirección. A tales libros de código se refieren a menudo como libros de código de "rango uno", y el problema de empaquetado del subespacio hace referencia al problema de empaquetado de la línea Grassmannian (Grasssmannian Line Packing, GLP). Algunos de estos métodos numéricos han sido también utilizados para diseñar libros de código de "rango dos" de palabras de código que representan subespacios bidimensionales para sistemas con un pequeño número de antenas transmisoras. Sin embargo, para los problemas más grandes, hay menos resultados disponibles, especialmente en el caso en el que las distancias que son distintas de la distancia cordal son elegidas como la métrica en el colector [51]. La generación de libros de código para un cuantificador vectorial (Vector Quantizer, VQ) tiene como objetivo encontrar M vectores de código (libros de código) para un conjunto dado de N vectores de entrenamiento (conjunto de entrenamiento). Una imagen se convierte primero en un conjunto 𝑋 = 𝑥1 , 𝑥2 , … , 𝑥𝑁 de N vectores de entrenamiento en un espacio euclidiano K-dimensional para encontrar un libro de códigos 𝐶 = 𝑐1 , 𝑐2 , … , 𝑐𝑀 de M vectores de código. El objetivo es minimizar la distancia media entre los vectores de entrenamiento y sus vectores de código representativos. La distancia entre dos vectores está definida por su distancia euclidiana al cuadrado [52]..

(37) CAPÍTULO 2. LIBROS DE CÓDIGO Y HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PARA LA 5G. 27. 𝑁 2. 2. 𝑑 = ∑‖𝑥𝑖 − 𝑐𝑝𝑖 ‖ .. (2.2). 𝑖=1. La distorsión del libro de códigos es calculada entonces como: 𝐷(𝑃, 𝐶) =. 1 2 𝑑 . (2.3) 𝑁. Para la generación de libros de código, son esenciales dos optimizaciones, la primera es la optimización de la partición y la segunda es la optimización del centroide del libro de código. La optimización de la partición P se obtiene mediante la colocación de cada vector de entrenamiento xi a su vector de código más cercano cj a fin de minimizar la distancia euclidiana (2.2) que a su vez optimiza la (2.4) que puede ser dada por: 2. 𝑝𝑖 = arg 𝑚𝑖𝑛 ‖𝑥𝑖 − 𝑐𝑗 ‖ . (2.4) La optimización del libro de códigos C se obtiene mediante el cálculo del centroide de los grupos cj como los vectores de código: 𝑐𝑗 =. ∑ 𝑝𝑖 = 𝑗 𝑥𝑖 , 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑀 (2.5) ∑ 𝑝𝑖 = 𝑗 1. Que a su vez optimizan a (2.4). El método convencional del par inteligente del vecino más cercano (Pair wise Nearest Neighbor method, PNN) utiliza el enfoque jerárquico de generación de libros de códigos. Se inicia considerando cada vector como un vector de código independiente. Entonces, converge/fusiona los dos vectores cuya distorsión es mínima. Este proceso continúa hasta que se alcanza el tamaño deseado del libro de códigos. La distorsión de la combinación se calcula como: 𝑑𝑎,𝑏 =. 𝑛𝑎 𝑛𝑏 . ‖𝑐𝑎 − 𝑐𝑏 ‖2 𝑛𝑎 + 𝑛𝑏. (2.6). En la anterior ecuación ca y cb son los vectores de código fusionados mientras que na y nb son los tamaños de los grupos correspondientes. El enfoque PNN se utiliza en el algoritmo.