Descripción de la tecnología MIMO empleada en redes inalámbricas de nueva generación

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción de la tecnología MIMO empleada en redes inalámbricas de nueva generación. Autor: Ricardo Alberto Gómez Clará.. Tutor: Ing. Mario Alberto González Cartas.. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción de la tecnología MIMO empleada en redes inalámbricas de nueva generación. Autor: Ricardo Alberto Gómez Clará. [email protected] Tutor: Ing. Mario Alberto González Cartas. [email protected]. Santa Clara 2012 "Año 54 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 publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. La experiencia no es lo que le ocurre a un hombre. Es lo que un hombre hace con lo que le ocurre. Aldous Huxley.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi familia porque de ahí venimos y ahí nos formamos como lo que somos. Para ellos todo lo que haga en este mundo..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres porque jamás podré devolver el cariño que me profesan. A mis abuelos porque de ellos he aprendido la mayoría de las cosas que valen de la vida. A mi hermana por aguantarme a lo largo de tantos años. A mis amigos de Trinidad y del aula porque gracias a ellos la soledad no existe. A mi Tutor por las horas de sacrificio que me ha dedicado. A mis profesores por compartir conmigo sus conocimientos y guiarme. A todos los que de una manera u otra hicieron posible la realización de este trabajo de diploma porque mencionar nombres sería injusto..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Efectuar una revisión de la bibliografía técnico-especializada para la construcción de un marco teórico de referencia general sobre la investigación. 2. Realizar un estudio sobre la evolución de las tecnologías implementadas en los estándares IEEE 802.11 y 802.16. 3. Realizar un estudio sobre las características y los cambios introducidos por la tecnología MIMO en las redes inalámbricas. 4. Elaboración de un material de estudio sobre la tecnología y sus aplicaciones para la asignatura Sistemas de Radio I.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Este proyecto surge como respuesta al creciente interés que se ha generado en el mundo alrededor de las comunicaciones inalámbricas y la necesidad de bibliografía actualizada para la asignatura Sistemas de Radio I. En él se presenta como objetivo contribuir a una mejor comprensión de las características de la tecnología MIMO (Multiple In Multiple Out) comprendida en los planes de estudio. A partir del desarrollo alcanzado por las redes de acceso inalámbrico para área local y metropolitana se hace énfasis en las bases tecnológicas de los estándares asociados a estas redes. Luego se toma la tecnología de antenas propiamente. dicha como centro de atención para describir sus conceptos básicos y funcionamiento. Las aplicaciones de la misma se describen a partir de los estándares IEEE 802.11n, IEEE 802.16e y LTE (Long Term Evolution) todos de última generación para servicios de banda ancha, pues constituyen pruebas fehacientes del incremento de la velocidad y fiabilidad del enlace utilizando la tecnología en cuestión. Con toda esta información se conforma un material con fines educativos..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS. EN LAS REDES WLAN Y WMAN ...................................................................................... 5 1.1. Factores físicos que caracterizan a un canal inalámbrico ........................................ 6. 1.1.1. Atenuación ........................................................................................................ 6. 1.1.2. Propagación Multicamino ................................................................................. 7. 1.1.3. Efecto Doppler .................................................................................................. 8. 1.1.4. Desvanecimiento ............................................................................................... 8. 1.2. Técnicas de acceso al medio .................................................................................... 9. 1.2.1. DSSS ............................................................................................................... 10. 1.2.2. FHSS ............................................................................................................... 11. 1.2.3. OFDM ............................................................................................................. 12.

(10) vii 1.2.4 1.3. OFDMA .......................................................................................................... 14. Diversidad .............................................................................................................. 15. 1.3.1. Diversidad Espacial ........................................................................................ 16. 1.3.2. Diversidad de frecuencia ................................................................................ 16. 1.3.3. Diversidad de polarización ............................................................................. 16. 1.3.4. Diversidad de ángulo ...................................................................................... 17. 1.3.5. Diversidad por selección ................................................................................. 17. 1.3.6. Diversidad por conmutación ........................................................................... 18. 1.4. Antenas Inteligentes ............................................................................................... 18. 1.4.1. Haz conmutado ............................................................................................... 19. 1.4.2. Haz de seguimiento ......................................................................................... 20. 1.4.3. Haz adaptativo ................................................................................................ 21. CAPÍTULO 2.. SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS . ................................................................................................................. 22. 2.1. Definición ............................................................................................................... 22. 2.2. Matriz de Transferencia del Canal ......................................................................... 24. 2.3. Procesamiento de la señal ...................................................................................... 26. 2.4. Capacidad ............................................................................................................... 28. 2.5. Correlación Espacial .............................................................................................. 29. 2.6. Técnicas MIMO ..................................................................................................... 29. 2.6.1. Beamforming .................................................................................................. 30. 2.6.2. Códigos Espacio-Tiempo ................................................................................ 31. 2.6.3. Multiplexación Espacial ................................................................................. 36. 2.7. Modelado del canal MIMO .................................................................................... 38. 2.7.1. Técnica de Trazado de Rayos ......................................................................... 39.

(11) viii 2.8. Clasificaciones ....................................................................................................... 40. 2.8.1. Según la información del canal ....................................................................... 40. 2.8.2. Según el rango ................................................................................................ 41. 2.8.3. Según el número de usuarios .......................................................................... 42. CAPÍTULO 3.. APLICACIÓN. EN. REDES. INALÁMBRICAS. DE. ÚLTIMA. GENERACIÓN ................................................................................................................. 46 3.1. 802.11n ................................................................................................................... 46. 3.1.1. Opciones de transmisión ................................................................................. 47. 3.1.2. Ejemplo de transmisión .................................................................................. 49. 3.2. 802.16e ................................................................................................................... 50. 3.2.1. Ejemplo de transmisión .................................................................................. 52. 3.2.2. Diversidad de Código por Salto de Frecuencia .............................................. 55. 3.2.3. MIMO Lazo Cerrado ...................................................................................... 56. 3.3. Long Term Evolution ............................................................................................. 57. 3.3.1. Arquitectura .................................................................................................... 58. 3.3.2. Evolución de LTE ........................................................................................... 61. 3.3.3. Ejemplo de transmisión .................................................................................. 63. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 67 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 68 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 69.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Durante las últimas dos décadas, el crecimiento alcanzado en la investigación, desarrollo e implementación de múltiples tecnologías, ha sido un suceso único en el desarrollo de la sociedad humana. En este proceso, la competencia entre proveedores de tecnologías ha hecho que éstas evolucionen cada vez más rápido. Como el proceso de enseñanzaaprendizaje no es ajeno a los cambios tecnológicos, esta evolución en la vida cotidiana, ha llevado a cambios en los planes de estudio en las universidades de todo el planeta. Las universidades cubanas no han quedado al margen de tal situación, estudios acerca de las tendencias actuales en el mundo y su comparación con la realidad cubana han llevado a la conformación de la 4ta generación de planes de estudio o Plan D, (MES, 2003). En el ámbito de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, el plan D se plantea como objetivo principal:  Lograr profesionales integrales de perfil amplio, capaces de diseñar, explotar y gestionar sistemas de radiocomunicación y sistemas telemáticos y electrónicos, con un alto sentido ético y de consagración por la labor que realiza, y consciente de la necesidad de lograr una eficiencia económica acorde con los requerimientos de nuestra sociedad socialista, preservando el medio ambiente. Tomando en cuenta lo anterior y dado que la asignatura de Sistemas de Radio I presenta como parte de su sistema de conocimientos la introducción a sistemas de radiocomunicaciones que empleen nuevas tecnologías, se hace obligatorio incluir en el contenido a impartir lo referido a las redes de acceso inalámbricas de última generación y las tecnologías asociadas a las mismas. Surgidas como opción viable para proveer banda ancha a aquellos lugares donde era imposible o muy costoso llegar con la red cableada convencional, las redes de acceso.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. inalámbricas, se han extendido y desarrollado más allá de las previsiones iniciales debido a la rapidez y flexibilidad de instalación, simplicidad, escalabilidad y principalmente por la movilidad que aportan. En la actualidad, la implementación de nuevos servicios y aplicaciones, así como el continuo aumento de número de usuarios han propiciado la necesidad de investigar por nuevas tecnologías que permitan alcanzar un mejor desempeño en las redes de acceso inalámbricas. Este escenario ha dado lugar a la aparición de nuevos tipos de redes de acceso inalámbricas basadas en el uso de múltiples antenas en el transmisor y múltiples antenas en el receptor, denominada MIMO. La inclusión de las redes de acceso inalámbricas de nueva generación y las tecnologías que las caracterizan en la asignatura Sistemas de Radio I requiere de materiales auxiliares para desarrollar el proceso educativo. En lo referente a las redes de acceso de nueva generación hay literatura abundante, conformada principalmente por trabajos de diploma y maestrías desarrollados en años anteriores. Sin embargo no sucede así en el tratamiento de las tecnologías, en especial la tecnología MIMO. De esta última solo se tiene como antecedentes en nuestra universidad el trabajo de diploma “Descripción de las tecnologías empleadas en las normas IEEE 802.11n y IEEE 802.16e” del autor Ing. Mario Alberto González Cartas donde se hace una descripción poco profunda de la misma. En otros ámbitos, la bibliografía acerca de la tecnología MIMO aparece dispersa o enfocada en características específicas que sean de interés para los autores que la abordan. También se apreció la falta de enfoque didáctico en la mayoría de los materiales consultados pues no permiten relacionar las características de la tecnología con la implementación de la misma en las redes de acceso inalámbricas de nueva generación. Es debido a lo anterior que se plantea el siguiente problema científico:  ¿Cómo contribuir a una mejor comprensión de las características de la tecnología MIMO mediante la descripción de sus principios de funcionamiento y aplicaciones de la misma? Para dar respuesta al problema científico planteado, se propone como objetivo general:.

(14) INTRODUCCIÓN. 3.  Elaborar un material de estudio que, mediante la descripción de la tecnología MIMO, permita una mejor comprensión de las redes inalámbricas de nueva generación en la Asignatura de Sistemas de Radio I. Y los siguientes objetivos específicos:  Describir las diferentes tecnologías utilizadas en redes WLAN (Wireless Local Area Network) y WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) anteriores al surgimiento de la tecnología MIMO.  Describir las características y las bases del funcionamiento de la tecnología MIMO.  Mostrar la contribución de esta tecnología teniendo en cuenta el desempeño de las tecnologías inalámbricas de nueva generación. El contenido de este trabajo se ha estructurado en tres capítulos: CAPITULO I: Estado y desarrollo de las tecnologías empleadas en redes WLAN y WMAN. En él se abordan las tecnologías empleadas en el desarrollo de comunicaciones inalámbricas precedentes a MIMO y que constituyeron la base de los estándares IEEE 802.11 y 802.16 en sus distintas versiones. También se describe el uso de múltiples antenas basados en conceptos como diversidad y antenas inteligentes. CAPITULO II: Sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas Se tratan las principales características de la tecnología basándose en la matriz de transferencia del canal. Se resaltan tres técnicas empleadas: Beamforming, Códigos Espacio-Tiempo donde se especifican los de bloques y Trellis, y la Multiplexación Espacial. Se describen las teorías en que se fundamenta el modelado del canal MIMO y se introducen diferentes clasificaciones como los sistemas MIMO multiusuarios. CAPITULO III: Aplicación de la tecnología MIMO en redes inalámbricas de última generación..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. Aquí se caracterizan tres estándares que hacen uso de la tecnología MIMO: 802.11n, 802.16e y LTE y se muestran ejemplos de implementación de esta tecnología en dichos estándares..

(16) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 5. CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. El programa analítico de la asignatura Sistema de Radio I comprende tres temas para su estudio, el segundo de los cuales se titula: “Redes de Acceso Inalámbricas”. Los objetivos que se plantean son:  Conocer las regulaciones para la gestión y uso del espectro radioeléctrico en redes de acceso inalámbricas.  Conocer las características esenciales de los diferentes estándares para redes WLAN (Wi-Fi, Wireless Fidelity) y WMAN (WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access).  Conocer las topologías y los dispositivos empleados en las redes Wi-Fi y WiMAX; dimensionar redes Wi-Fi y WiMAX, teniendo en cuenta, cobertura, capacidad y frecuencias.  Familiarizarse con el concepto de MIMO, así como con su aplicación en las redes de Wi-Fi y WiMAX de última generación. Teniendo en cuenta los objetivos anteriores en este capítulo se describen los fundamentos de las redes inalámbricas, así como conceptos básicos en su funcionamiento y estructura. Se abordan propiedades inherentes al canal radioeléctrico y técnicas para un mejor aprovechamiento del mismo. Además se hace referencia a las bases para aumentar las velocidades en las transmisiones a través del uso de técnicas de diversidad y antenas inteligentes. Las WLAN son redes cuyo objetivo inicial era proporcionar los mismos servicios que las LAN convencionales, son redes de acceso inalámbricas en las que dos o más terminales se comunican, sin la necesidad de utilizar cables, a velocidades de transferencias superiores a 1 Mbps. En una WLAN se alcanza una cobertura cercana a los 100 metros lo que la hace ideal para entornos de oficina, aeropuertos, instituciones educativas y residencias.

(17) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 6. familiares. Por su parte las redes de acceso inalámbricas que brindan conexión de banda ancha en áreas metropolitanas para entornos fijos y móviles se denominan WMAN, donde banda ancha se entiende como aquella red donde la capacidad de canal sea superior a 2 Mbps. Para entornos fijos, las WMAN serán una alternativa competitiva a la tecnología DSL (Digital Subscriber Line), brindando cobertura en áreas rurales, enlaces dedicados a empresas o industrias e interconexión de redes WLAN. En entornos móviles, estas redes proporcionan nuevas experiencias al usuario otorgando servicios de banda ancha a velocidad vehicular, (Alvarez, 2005). 1.1. Factores físicos que caracterizan a un canal inalámbrico. Resulta todo un reto en el estudio de los sistemas inalámbricos de comunicación el comportamiento hostil del canal. A diferencia de la Transmisión en los enlaces cableados, el entorno inalámbrico ofrece el reto adicional de los cambios constantes de los parámetros del canal debido al movimiento relativo de los dispositivos de comunicaciones. Debe entenderse que la movilidad puede ser considerada parte inherente del canal ya estén el Transmisor o el Receptor fijos y esto es porque a pesar de ello no hay control sobre el movimiento de otros objetos o aspectos dentro del mismo como pueden ser el movimiento de las personas, los vehículos, el viento, etc. Para analizar los procesos y técnicas utilizadas en los equipamientos de comunicación inalámbricas que buscan la correcta Transmisión y Recepción de la información en entornos dinámicos, es relevante comprender los diferentes fenómenos asociados a la propagación de las ondas electromagnéticas sobre las cuales se transmite la información, (López, 2011). 1.1.1 Atenuación La atenuación es la pérdida de potencia en la señal. Los factores responsables de la atenuación son de tipo geométrico, donde influye el medio en que se encuentra el enlace y los obstáculos que presenta. La atenuación debida únicamente a la distancia, denominada pérdidas en el espacio libre, es directamente proporcional al cuadrado de la distancia e inversamente proporcional al cuadrado de la longuitud de onda. Además de ésta aparece otro tipo de atenuación debida a los obstáculos de gran tamaño como edificios, montañas,.

(18) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 7. etc. Se han propuesto algunos modelos geométricos para explicar estas pérdidas a gran escala, pero es más habitual utilizar modelos estadísticos que describen de forma precisa entornos particulares. Por ejemplo, estadísticamente, se considera la atenuación como una variable aleatoria con una distribución conocida. Una expresión común para modelar la atenuación es: ( ). ̅(. ). (1.1). Donde, Xσ es una variable gaussiana de media cero, en dB y desviación estándar σ, también en dB, que modela el efecto del desvanecimiento log-normal. Las pérdidas a una distancia arbitraria d se describen estadísticamente en relación a un punto de referencia d0, cuyas pérdidas vienen representadas por el término ̅ (. ), el exponente de pérdidas n y la. desviación típica σ. El exponente n puede variar desde 1.6 (en interior y con visión directa) hasta 6 (en entorno urbano), (Grupalli et al., 2011). 1.1.2 Propagación Multicamino Usualmente existe una ruta o trayectoria principal entre un Transmisor y Receptor. Desafortunadamente algunas de las señales transmitidas toman otras trayectorias al interactuar con objetos, la tierra o capas de la atmósfera. Aquellas señales con trayectorias menos directas llegan al Receptor desfasadas y atenuadas como se muestra en la figura 1.1.. Figura 1.1 Distintas trayectorias de la señal. Tomado de (López, 2011) En un sistema de radiocomunicaciones si la comunicación se basa en la trayectoria directa entre el Transmisor y el Receptor este sistema emplea un modelo de propagación LOS (Line of Sight). En caso de que la comunicación se realice aprovechando múltiples.

(19) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 8. reflexiones en el entorno el sistema empleará un modelo NLOS (Non Line of Sight) de propagación. 1.1.3 Efecto Doppler Cuando existe un movimiento relativo entre el transmisor y el receptor, éste percibe un cambio en la frecuencia portadora. Este fenómeno se conoce como el efecto Doppler. El desplazamiento de frecuencia fd depende de la velocidad relativa, la dirección del movimiento y la frecuencia de portadora: (. ). Siendo v la velocidad relativa, λ la longitud de onda de la portadora y θ el ángulo entre la dirección de movimiento y la de propagación de la onda. El desplazamiento en frecuencia es directamente proporcional a la velocidad relativa del dispositivo en movimiento, este desplazamiento es positivo cuando el movimiento relativo es hacia el Receptor y negativo cuando el movimiento relativo se aleja del Receptor. El espectro de la señal recibida se desacopla con el espectro del filtro óptimo del Receptor como consecuencia del desplazamiento Doppler por lo que el ancho de banda de la señal recibida se incrementa. Este fenómeno produce errores de fase en la demodulación en banda base de la señal y causa que símbolos adyacentes en la señal transmitida se solapen dando como resultado un incremento significativo de la Interferencia Intersímbolos (IIS) y de la tasa de bit erróneos (BER) en el Receptor. Debido a que en el receptor se observan diferentes corrimientos de frecuencias cualquier frecuencia transmitida se convierte en un rango de frecuencias para el Receptor, esto crea un ensanchamiento espectral en el Receptor, (Grupalli et al., 2011). 1.1.4 Desvanecimiento Se conoce como desvanecimiento al efecto sobre la señal que producen la propagación multicamino y el desplazamiento Doppler, el que consiste en la variación rápida o a pequeña escala de la señal, siguiendo constante la atenuación a gran escala. El desvanecimiento puede ser selectivo en frecuencia o tener respuesta plana dependiendo de la estructura multicamino del canal, y puede ser lento o rápido en función del.

(20) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 9. desplazamiento Doppler. El desvanecimiento selectivo en frecuencia es fuente común de errores en comunicaciones móviles debido a que produce IIS, (López, 2011). 1.2. Técnicas de acceso al medio. En el presente epígrafe se abordan las principales técnicas de acceso al medio utilizadas a lo largo de la evolución de los estándares de las redes inalámbricas. Se comienza explicando el espectro extendido en sus dos variantes: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) y DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), las que fueron aplicadas en IEEE 802.11 lográndose velocidades de 1 y 2 Mbps, y en su revisión IEEE 802.11b elevando los valores topes a 11Mbps. A continuación se aborda OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que comenzara a aplicarse a partir del estándar IEEE 802.11g alcanzándose hasta 54 Mbps, para luego detenerse en su versión OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiple Access) de amplio uso en el estándar IEEE 802.16. El espectro extendido es una técnica de comunicación en donde la información es esparcida en el ancho de banda antes de la transmisión sobre el canal y luego encogida en el ancho de banda por la misma cantidad en el aparato receptor. De no ser por el hecho de que el canal de comunicación introduce alguna forma de interferencia de banda estrecha (relativo al ancho de banda difundido), la actuación del aparato receptor sería transparente a las operaciones de esparcimiento y encogimiento. Esto es, después de encogerla, la señal recibida sería idéntica que la señal transmitida antes de esparcirla. En la presencia de la interferencia de banda estrecha está la ventaja significativa de utilizar el procedimiento descrito. Como la interferencia es introducida después de que la señal transmitida es esparcida, mientras que la operación de encoger en el aparato receptor da como resultado la señal deseada de regreso a su ancho de banda original, en el mismo tiempo esparce la señal indeseada (la interferencia) en el ancho de banda por la misma cantidad, reduciendo así su densidad espectral. Esto, a su vez, sirve para disminuir el efecto de la interferencia en la actuación del aparato receptor, la cual depende del poder de la interferencia en el ancho de banda encogido. Todos los sistemas de espectro ensanchado satisfacen dos criterios:.

(21) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 10.  El ancho de banda de la señal que se va a trasmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la señal original.  El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función independiente del mensaje y conocida por el receptor. 1.2.1 DSSS En esta técnica se genera un patrón de bits redundante para cada uno de los bits que componen la señal. Cuanto mayor sea esta señal, mayor será la resistencia de la señal a las interferencias. El estándar IEEE 802.11 o Wi-Fi, que constituye la familia de especificaciones desarrolladas por la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) para WLAN, recomienda un tamaño de 11 bits. En recepción es necesario realizar el proceso inverso para obtener la información original, (González, 2009).. Figura1.2 Secuencia Directa. La secuencia de bits utilizada para modular los bits se conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión). Solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original. Además, al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de 11 bits equivalente, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida. DSSS garantiza tres canales para tres enlaces, cada canal con 22 MHz de ancho de banda. Una vez aplicada la secuencia de bits redundante, el estándar IEEE 802.11 ha definido dos tipos de modulación para la técnica DSSS, la modulación DBPSK (Differential Binary.

(22) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 11. Phase Shift Keying) y la modulación DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), que proporciona una velocidad de transferencia de hasta 11 Mbps respectivamente. 1.2.2 FHSS La tecnología FHSS consiste en transmitir una parte de la información en una determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo inferior a 400ms. Pasado ese tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo a otra frecuencia. De esta manera cada tramo de información se va transmitiendo a una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo.. Figura1.3 Saltos de frecuencia El orden en los saltos de frecuencia se determina según una secuencia pseudoaleatoria almacenada en unas tablas, que tanto el emisor como el receptor deben conocer. Si se mantiene la sincronización en los saltos de frecuencia se consigue que, aunque en el tiempo se cambie de canal físico, a nivel lógico se mantiene un solo canal por el que se realiza la comunicación. Esta técnica también utiliza la zona de los 2.4 GHz, la cual organiza en 79 canales con un ancho de banda de 1MHz cada uno. El número de saltos por segundo es regulado por cada país, así, por ejemplo, Estados Unidos fija una tasa mínima de saltos de 2.5 por segundo, (González, 2009)..

(23) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 12. El estándar IEEE 802.11 define la modulación aplicable en este caso. Se utiliza la modulación en frecuencia, FSK (Frecuency Shift Keying), con una velocidad de 1 Mbps ampliable a 2 Mbps, (Gibson, 2002). Esta técnica posibilita que múltiples sistemas puedan coexistir en la misma área mientras usen diferentes secuencias pseudoaleatorias, otorga alta seguridad y permite más de tres enlaces. Sin embargo no permite altas velocidades y causa retraso debido a que su señal es angosta y que en el proceso de comunicación la señal tiene que parar y resincronizar. 1.2.3 OFDM OFDM es una técnica de modulación que utiliza múltiples portadoras ortogonales, cada una modulada en amplitud y fase para la transmisión de datos. Redefine la respuesta del canal. consistiendo en un número grande de delgadas bandas de frecuencia, como se muestra en la figura 1.4.. Figura 1.4 OFDM. Tomado de (Gibson, 2002). Cada banda actúa como un canal diferente de frecuencia y podría llevar datos independientemente de otras bandas estrechas. Una señal OFDM consta de un número grande de subportadoras, cada una transmitiendo una cantidad diferente de datos de la misma fuente. Así, los datos de una fuente rápida pueden ser divididos entre estos canales, según los tamaños del canal. Como se ve en la figura 1.4, OFDM resulta en una utilización eficiente del canal. Para alcanzar la ortogonalidad en la señal OFDM se emplea un espaciamiento específico entre subportadoras, donde la separación entre subportadoras consecutivas sea siempre la misma e igual al inverso del período del símbolo. Manteniendo ese espaciamiento, al demodular la señal, se recuperará la información almacenada en las subportadoras sin.

(24) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 13. contratiempos. OFDM es una técnica basada en la multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero el hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite que el espectro de cada una estén traslapadas, ver Figura Figura1.5, y no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del espectro debido a que no se utilizan bandas de separación entre subportadoras, (Prasad and Nee, 2000).. Figura1.5 Subportadoras ortogonales. Tomado de (Gibson, 2002) Una señal OFDM es representada a través de las Series de Fourier donde la señal se analiza como un grupo de componentes con frecuencias ortogonales una de la otra. El análisis inverso de Fourier es usado en un transmisor OFDM y el análisis directo de Fourier en el aparato receptor. La limitación de los análisis de Fourier y Fourier inverso se debe a que habría idealmente un número infinito de portadoras a la entrada o la salida. Un mecanismo eficiente, llamado FFT (Fast Fourier Technique) es empleado en el diseño de un transceiver OFDM. La tasa de bits total de la cadena de OFDM es la suma de las tasas de bits en todos los canales de banda estrecha. Estos canales de banda estrecha son también llamados tonos y OFDM es también designada modulación de multitono. Cada tono en OFDM puede usar una modulación diferente dentro de él, por ejemplo, BPSK, QPSK, y así sucesivamente. Una buena selección requiere de un importante conocimiento del estado del enlace OFDM a implementar ya que una modulación QAM de alto orden (64-QAM) es más sensible a la interferencia intersímbolo e interferencia entre subportadoras que una modulación QPSK lo que llevaría a la utilización códigos más complejos que sean capaces de reducir la sensibilidad a ese tipo de interferencia, (Prasad and Nee, 2000)..

(25) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 14. 1.2.4 OFDMA En los sistemas OFDM actuales, un único usuario puede transmitir sobre todas las subportadoras en cualquier momento y se hace uso de las técnicas de acceso múltiple por división de código o de tiempo para soportar múltiples usuarios. OFDMA es una versión multiusuario de OFDM. Se utiliza para conseguir que un conjunto de usuarios de un sistema de telecomunicaciones puedan compartir el espectro de un canal. El acceso múltiple se consigue dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios. Para conseguir una mayor eficiencia, el sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando continuamente el número de subportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que éste necesita y de las condiciones del canal. Si la asignación se hace rápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las interferencias co-canal y los desvanecimientos rápidos, proporcionando una mayor eficiencia espectral que OFDM, (Sangucho, 2009).. Figura 1.6 OFDMA con múltiples usuarios. Tomado de (Sangucho, 2009). El protocolo 802.16 (para 802.16 y 802.16d) establece tres modos de acceso: TDMA (Time Division Multiple Access) con portadora simple, TDMA con OFDM y OFDMA, en la banda de los 3.5 GHz tanto para TDD (Time Division Duplex, o transmisión bidireccional por división de tiempo) como FDD (Frequency Division Duplex, o transmisión bidireccional por división de frecuencia) y 3.5 o 7MHz de ancho de banda, pero siempre con multiplexación OFDM con 256 portadoras. Para el caso de 802.16e se considera únicamente la utilización del método de acceso OFDMA con un número de portadoras.

(26) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 15. variable en múltiplos de 128 a 2048. Para la banda de 2.4 GHz con TDD, se usan OFDMA con 512 o 1024 subportadoras, (Katz and Fitzek, 2009). 1.3. Diversidad. Las técnicas de diversidad permiten evitar el deterioro del canal a un coste relativamente bajo, pudiendo implementarse de diferentes formas tanto en transmisión como en recepción. Explotan la naturaleza aparentemente aleatoria del canal radio, disponiendo de más de una versión de la señal originalmente transmitida al experimentar cada una de las versiones un canal diferente. La señal se descompone en réplicas de la señal original y es transmitida por distintos canales. Si los canales varían independientemente, la probabilidad de que ocurra un desvanecimiento profundo simultáneamente en todos ellos es baja. En situaciones reales es de esperar que los canales no sean totalmente independientes, sin embargo, un índice de correlación bajo sería suficiente para obtener una disminución de la SNR (Signal to Noise Ratio, o relación señal a ruido) media necesaria para alcanzar una determinada probabilidad de indisponibilidad. A esta disminución de SNR media se llama ganancia de diversidad. Las diferentes réplicas recibidas de la señal transmitida son combinadas en recepción y enviadas a un circuito de demodulación y detección. La clasificación de los sistemas de diversidad depende del tipo de parámetro de interés. De esta forma, las siguientes clasificaciones son usadas en la literatura, (Alvarez, 2005): • De acuerdo al extremo del sistema en que se implemente: Diversidad en recepción y diversidad en transmisión. • De acuerdo al fenómeno físico usado para lograr diferenciar las réplicas de la señal: diversidad de espacio o de antena, diversidad de frecuencia, diversidad de tiempo y diversidad de polarización. • De acuerdo a la forma en que se utilizan las diferentes réplicas: diversidad por selección, diversidad por realimentación, diversidad por combinación de razón máxima (MRC) y diversidad por ganancia constante (EGC)..

(27) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 16. 1.3.1 Diversidad Espacial En la práctica, la dispersión producida por diversos objetos dará como resultado la superposición de diversas contribuciones correspondientes a la dispersión individual de dichos objetos incidiendo desde varios ángulos y con distintos retardos. Los distintos caminos recorridos por la señal hasta cada uno de los receptores harán que, en general, si éstos son considerados independientes, se pueda suponer con una alta probabilidad que al menos uno de ellos no se encontrará en un desvanecimiento en un momento dado, lo que podrá ser utilizado para conseguir una ganancia en la SNR y por lo tanto, en la eficiencia espectral con la que es posible utilizar el enlace, (Volakis, 2007). Esta ganancia, conseguida mediante el empleo de varias antenas en transmisión y/o recepción, es conocida como ganancia por “diversidad espacial”. 1.3.2 Diversidad de frecuencia Cuando se usa diversidad de frecuencia, la información se transmite en más de una portadora, de tal forma que señales con una separación de frecuencia mayor que determinado valor no experimenten el mismo desvanecimiento, siendo la separación en frecuencia necesaria para que los canales estén parcial o totalmente decorrelacionados en función del ancho de banda de coherencia del canal. Este valor puede corresponder a una fracción importante del ancho de banda total utilizado, y por lo tanto, esta técnica tiene la desventaja de necesitar generalmente un ancho de banda significativamente mayor, con un número igual de receptores que de canales de diversidad. Sin embargo, la diversidad en frecuencia se emplea usualmente en enlaces por línea de vista que usan FDM y para rutas críticas, (Andersen, 2000). 1.3.3 Diversidad de polarización Se ha comprobado experimentalmente que las señales polarizadas horizontal y verticalmente presentan un grado significativo de decorrelación, debida a las múltiples reflexiones en el canal entre el transmisor y el receptor con un coeficiente de reflexión distinto para cada tipo de polarización, lo que resulta en diferentes amplitudes y fases para.

(28) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 17. cada señal. Tras suficientes reflexiones aleatorias, las señales pueden mostrar un alto grado de decorrelación, haciendo posible la ganancia de diversidad, (Andersen, 2000). 1.3.4 Diversidad de ángulo Las diferentes réplicas de la señal pueden experimentar también diferentes trayectorias de acuerdo a la dirección en que apunten los lóbulos principales de la(s) antena(s), tanto en el transmisor como en el receptor. De esta forma, al incidir sobre diferentes superficies de dispersión, se pueden obtener canales con bajas correlaciones, (Andersen, 2000). 1.3.5 Diversidad por selección Al clasificar las técnicas de diversidad de acuerdo al procesamiento aplicado a las señales recibidas o transmitidas, una de las técnicas más sencillas es la de selección. Cuando se aplica en el receptor, su diagrama de bloques es similar al de la Figura1.8, donde se pueden utilizar m demoduladores y m cadenas de radiofrecuencia para proveer m ramas de diversidad, seleccionándose la rama con mayor SNR, o se pueden utilizar m antenas y solo un demodulador y cadena de radiofrecuencia, seleccionando la rama con la mayor relación portadora a ruido (CNR). En caso de su aplicación en transmisión, el receptor debe observar periódicamente todos los canales e informar al transmisor sobre el canal con mayor envolvente. En caso que todas las ramas tengan la misma SNR media, la amplitud de la señal de salida del combinador simplemente es la magnitud de la señal más fuerte.. Figura1.8 Esquema de un sistema con diversidad por selección. Los sistemas de diversidad por selección son particularmente sensibles a las diferencias de SNR media entre sus ramas. La ganancia por diversidad es máxima cuando todas las ramas.

(29) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 18. presentan la misma SNR media, deteriorándose sensiblemente a medida que se incrementa la diferencia de SNR media entre ellas. 1.3.6 Diversidad por conmutación Este método es muy similar a la diversidad por selección, excepto que en lugar de usar la mejor de m señales, los canales son observados en una secuencia determinada hasta encontrar uno con envolvente por encima de un nivel umbral predeterminado. Este canal se mantiene hasta que cae por debajo del umbral y el proceso de búsqueda se reinicia. Las estadísticas de desvanecimiento son un poco inferiores a las obtenidas por el método anterior, pero su implementación es más sencilla, requiriendo de sólo un receptor. En la Figura 1.9 se muestra un diagrama de bloques de este método.. Figura 1.9 Sistema con diversidad en conmutación. Tomado de (Andersen, 2000). 1.4. Antenas Inteligentes. Una antena es un elemento metálico que está constituido por un material conductor muy liviano (aluminio por lo general) capaz de irradiar ondas electromagnéticas en varias direcciones del espacio. Las antenas vienen a ser transductores que transforman señales eléctricas en ondas electromagnéticas o en su defecto interceptan estos últimos y lo convierten en señales eléctricas, (Volakis, 2007). Una antena inteligente es aquella que, en lugar de disponer de un diagrama de radiación fijo (como ocurre en una antena normal), es capaz de generar o seleccionar haces muy directivos enfocados hacia el usuario deseado, incluso se puede adaptar a las condiciones radioeléctricas en cada momento, (Moreno et al., 2001)..

(30) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 19. Es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con una unidad de Procesamiento Digital de Señales (DSP) que optimiza los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno. La implantación de sistemas de antenas inteligentes en comunicaciones móviles se limita en principio a las estaciones base, debido a que se deben emplear necesariamente sistemas radiantes de mayor tamaño (arrays de varios elementos), esto tiene como ventaja que va a ser transparente para los usuarios, que no tendrán que cambiar de terminal para beneficiarse de esta tecnología. Sin embargo algunos autores si han contemplado la posibilidad de incorporar antenas inteligentes en los terminales móviles. La característica en estos sistemas de tener unos haces de radiación con mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular), hace suponer ciertas ventajas potenciales al usar antenas inteligentes. La característica que se busca al momento de diseñar un sistema de antena inteligente es la capacidad de poder seleccionar a los distintos usuarios de forma espacial. Hay varias formas de implementar este sistema y se presentan a continuación de acuerdo a la complejidad que presentan. 1.4.1 Haz conmutado Esta técnica es la más simple. El sistema radiante genera varios haces fijos, cada uno de estos haces apuntan a direcciones diferentes de tal forma que entre todos cubren el área deseada. La inteligencia del sistema se encarga de seleccionar el haz que mejor servicio brinde. O sea, que provea la salida de potencia más alta para el usuario deseado en función de algún parámetro de control, por ejemplo mayor nivel de potencia recibido, mejor SNR. Al emplear esta técnica no se garantiza que el dispositivo móvil se encuentre en la dirección del lóbulo principal y tampoco que las señales interferentes se vean reducidas en forma clara (ya que es posible que alguna ingrese por algún lóbulo secundario). También se puede presentar la posibilidad que una señal interferente ingrese por algún punto del esquema de radiación con mayor intensidad que la señal deseada empeorando apreciablemente las prestaciones del sistema, (Moreno et al., 2001)..

(31) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 20. Figura 1.10 Haz conmutado. Tomado de (Moreno et al., 2001) 1.4.2 Haz de seguimiento Esta técnica tiene un grado de complejidad mayor que la anterior. Hace uso de un array progresivo, es decir, un array en donde se puede controlar electrónicamente las fases con las que se alimentan a cada uno de los elementos del arreglo de antenas, lo que permite modificar a voluntad la dirección en la que apunta el lóbulo principal de la antena. Esto conlleva a utilizar algún algoritmo de detección de la dirección de llegada, de modo que pueda reorientarse de manera dinámica la dirección del haz para apuntar al usuario deseado, (Andersen, 2000). A través de esta técnica se puede garantizar que el usuario va a estar en todo momento iluminado por el haz y con la máxima ganancia (dentro de las limitaciones de los algoritmos que se empleen). Al igual que la técnica anterior no se puede evitar que las interferencias entren por algún lóbulo secundario del esquema de radiación. Para poder utilizar las señales multitrayectos sería necesario detectar y seguir con otros haces dichas componentes y luego procesarlas, (Moreno et al., 2001).. Figura 1.11 Haz de seguimiento. Tomado de (Moreno et al., 2001).

(32) CAPÍTULO 1.ESTADO Y DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LAS REDES WLAN Y WMAN. 21. 1.4.3 Haz adaptativo Con esta técnica se puede dotar el máximo nivel de inteligencia al sistema, estas agrupaciones son capaces de sintetizar en tiempo real un diagrama de radiación que se adapte al entorno con objeto de eliminar interferencias, mejorar la relación señal a ruido u orientar el haz principal hacia una fuente de señal móvil. Estos sistemas constituyen una tecnología multidisciplinaria relacionada tanto con el procesado de señal como con la teoría de antenas, (Andersen, 2000). La base de estos sistemas son complicados algoritmos de procesado adaptable de señal que son capaces de discriminar en tiempo real la señal deseada de propagaciones multicamino y de otras señales interferentes, así como también la de calcular sus direcciones de llegada. Todo esto permitirá conseguir un diagrama que presente un lóbulo principal en la dirección del usuario deseado, lóbulos secundarios en las direcciones de los caminos multitrayectoria y mínimos (incluso nulos) de radiación en dirección de fuentes interferentes, (Moreno et al., 2001).. Figura 1.12 Haz adaptativo. Tomado de (Moreno et al., 2001).

(33) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 22. CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. En este capítulo se abordan las características de la tecnología MIMO de tal forma que los estudiantes puedan ir adquiriendo los conocimientos de manera gradual y se relacionen con la terminología. Se comienza definiendo los sistemas de múltiples antenas de entrada y salida, así como la influencia del número de éstas en la transmisión a través del canal que se estudia con la denominada matriz de transferencia del canal. Posteriormente se tratan conceptos básicos a la hora de caracterizar el enlace inalámbrico como son la capacidad y la correlación espacial. Tres técnicas se destacan por su utilización para la transmisión con múltiples antenas: beamforming, códigos espacio-tiempo tanto de bloques como de Trellis, y multiplexación espacial, cada uno con un fin específico. En MIMO es de gran interés saber el modelo de canal utilizado para predecir el comportamiento del sistema, razón para hacerle un acápite. Por otra parte, con el fin de acercarse más a la realidad, se dan varias clasificaciones de estos sistemas: de acuerdo a si recibe o no información de parte del canal, según el rango del enlace, especificando expresiones de capacidad para su uso práctico, y por último se hace una distinción entre MIMO de usuario simple y de múltiple usuario pues es imprescindible su conocimiento para el próximo capítulo. 2.1. Definición. La diversidad de antena puede darse tanto en el lado del transmisor, usando varias antenas transmisoras conocido como sistemas MISO (Multiple Input Single Output), como en el lado de recepción, en el que se utilizarán múltiples antenas receptoras, se habla entonces de sistemas SIMO (Single Input Multiple Output). Cada vez más se están implementando sistemas que hacen uso de estos dos tipos de diversidad, y es lo que se conoce como sistemas MIMO..

(34) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 23. En la Figura 2.1 se observa un ejemplo de un esquema de diversidad de antena, donde (a) se corresponde a un sistema SIMO; (b) representa un sistema MISO y (c) un sistema MIMO.. Figura 2.1 Diversidad de antena Una estrategia para tratar con señales débiles de múltiple trayecto sería ignorarlas, pero puede darse el caso que estas señales multitrayectoria sean demasiado fuertes como para que no sean tomadas en cuenta. MIMO toma ventaja de todos estos trayectos múltiples para incrementar la velocidad, cobertura y fiabilidad de las señales. Más allá de combatir la propagación Multitrayecto, MIMO pone a trabajar estas señales permitiendo una mayor concentración de información, (Volakis, 2007).. Figura 2.2 Ejemplo de aplicación de la tecnología MIMO Esta tecnología tiene la habilidad de multiplicar la capacidad, lo cual es sinónimo de velocidad. La eficiencia espectral es una medida que permite establecer la capacidad de comunicación. Esta eficiencia se define como el número de unidades de información por.

(35) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 24. unidad de tiempo por unidad de ancho de banda [bps/Hz]. Más eficiencia espectral da como resultado más velocidad de información, más cobertura, más usuarios, una mejor calidad de señal. Con las agrupaciones de antenas, que es la idea central de MIMO, es posible extraer del espectro radioeléctrico disponible una capacidad varias veces superior a la que se consigue con los sistemas de comunicaciones móviles actuales, explotando el fenómeno conocido como diversidad espacial. Los sistemas MIMO basan su funcionamiento en un aprovechamiento de la diversidad de caminos de propagación entre diferentes antenas. Los sistemas MIMO son descritos de acuerdo al número de transmisores y receptores empleados en el sistema, por ejemplo 2 x 1, es decir dos transmisores y un receptor. En las redes de nueva generación se definen una serie de combinaciones diferentes para el número de transmisores y el número de receptores, de 2 x 1, equivalente a la transmisión por conformación de haz, a 4 x 4. Cada transmisor o receptor adicional en el sistema incrementa el SNR. Sin embargo, el incremento de ganancia de cada transmisor o receptor adicional disminuye rápidamente. La ganancia en SNR es grande para cada paso de 2 x 1 a 2 x 2 y a 3 x 2, pero la mejora con 3 x 3 y más allá es relativamente pequeña, (Herrera et al., 2007). Para los sistemas MIMO, las direcciones de partida y llegada de los trayectos son cruciales, porque las diferentes señales están separadas por estos ángulos. Cuanto más direcciones existan mejor será para MIMO. Dependiendo del medio ambiente, la propagación angular puede variar en escenarios al aire libre. En escenarios internos hay usualmente muchos objetos reflectantes entre el transmisor y el receptor, lo que resulta en una gran propagación angular. En ambientes rurales se tienen pocos objetos para interactuar, lo cual significa que la propagación angular es mucho menor que en ambientes urbanos con muchos edificios. 2.2. Matriz de Transferencia del Canal. La teoría y la práctica de los sistemas MIMO se centra en torno al concepto de matriz de transmisión o matriz de transferencia del canal. En un enlace de radio donde se utiliza una única pareja de antenas, una transmisora y otra receptora, la relación entre lo que se.

(36) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 25. transmite por una antena y se recibe por la otra se puede expresar en el dominio de la frecuencia como: ( ). ( ). ( ). (2.1). Donde x(w) es el fasor de la tensión a la entrada de la antena transmisora, y(w) es la tensión a la salida de la antena receptora y h(w) la función de transferencia compleja del canal de radio. En un sistema de varias antenas la propagación puede ser en principio diferente entre cada una de las antenas transmisoras y cada una de las receptoras. Para poder caracterizarla no es suficiente emplear una ecuación sencilla como la indicada en 2.1; más bien es necesario un juego de tantas ecuaciones como parejas de antenas haya. En este sentido para el caso de las antenas mostradas en la figura 2.3, se tiene que:. Donde. e. (. ). (. ). son las tensiones a las entradas y salidas de las antenas transmisoras y. receptoras j e i, respectivamente, y. la función de transferencia compleja entre la antena. transmisora j y la antena receptora i, (Sangucho, 2009). Expresando las dos ecuaciones anteriores en forma matricial, se tiene lo siguiente: [ ] En la expresión 2.4, [ ]. [. ][ ]. [ ]. [ ]. (. ). [ ] son los vectores de las tensiones de salida y entrada a las. antenas, y H la denominada matriz de transmisión.. Figura 2.3 Propagación entre antenas. Tomado de (Fernández, 2007).

(37) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 26. La ecuación 2.4 no refleja del todo un sistema multicanal de comunicaciones, porque le falta el efecto del ruido a la entrada de los receptores. Esto, sin embargo no es problema porque se puede añadir fácilmente un vector [ ] a la ecuación, cuyas componentes representan los niveles de tensión de ruido que inevitablemente contamina las señales. ,. obteniéndose la siguiente ecuación: [ ]. [. ][ ]. [. ]. [ ]. [ ]. [ ]. (. ). Para un sistema MIMO con M antenas transmisoras y N antenas receptoras, el canal se describe por la matriz de canal: [. ]. (. ). La misma contiene los coeficientes de canal vinculados a los diferentes pares de antenas transmisoras y receptoras. La matriz de canal H es el medio fundamental para describir el canal de transmisión MIMO. Además es la entrada para el cálculo de la eficiencia espectral, que a menudo se denomina como la capacidad MIMO. 2.3. Procesamiento de la señal. Con el objetivo de simplificar este procesamiento se debe procurar que los elementos de la matriz H se puedan representar mediante números, no mediante funciones. Esto exige, a su vez, que la propagación entre dos antenas se pueda considerar como, (González, 2009):  Constante en el tiempo  Constante en frecuencia La condición relativa a considerar constante la frecuencia exige que el ancho de banda por portadora no sea excesivamente grande con respecto al retardo de propagación multitrayecto, lo que conduce a la conclusión de que los sistemas MIMO son especialmente aplicables para modulaciones OFDM, donde la velocidad de modulación por portadora es baja. La primera condición enumerada, relacionada con la invarianza en el tiempo, se puede conseguir transmitiendo ráfagas cortas, durante las cuales el canal se puede considerar constante. Al comienzo de cada ráfaga se incluyen símbolos piloto con los que cada.

(38) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 27. receptor mide los coeficientes de la matriz H asociados a su antena. Ya que el canal se modela mediante una matriz, la ingeniería MIMO consiste, en buena parte, en el procesado de matrices en tiempo real. Es por ello que en cada elemento de una red MIMO se necesita un transmisor diferente por cada antena transmisora y un receptor por cada antena receptora, siendo el principal obstáculo la complejidad y costo de utilizar cadenas de RF para cada transmisor/receptor, (Zangh, 2006). La transmisión multicanal que se va a dar a través del canal MIMO es máxima cuando los diferentes canales son independientes. Aplicando este hecho a la ecuación 2.5, lo cual ocurre si la matriz H es diagonal (H = D), es decir, cuando una antena receptora recibe únicamente la señal de una antena transmisora, entonces se dispone de la siguiente ecuación: [ ]. [. ][ ]. [. ]. [ ]. [ ]. [ ]. (. ). Salvo en casos extremos o de laboratorio en que los caminos de propagación entre antenas estén deliberadamente aislados se puede tener este efecto, pero en la realidad la matriz H (que representa al canal) no es diagonal debido a que hay propagación entre cada antena transmisora y cada una de las receptoras. Partiendo de que la matriz H no es diagonal, se busca la posibilidad de diagonalizar a la matriz, o dicho de otra forma, de procesar las señales de entrada y salida de las antenas de forma que la matriz que representa “el conjunto proceso + propagación” sea diagonal. Para ello se buscan dos matrices,. y. tales que, (Sangucho, 2009): (. ). Lo que implica que se puede realizar el siguiente proceso:  En el lado del transmisor se multiplica el vector de las señales de salida (Qian et al.) por la matriz. antes de que las señales se radien por las antenas, con lo que se obtiene la. siguiente ecuación: [ ]. [ ]. (. ).  A la salida de las antenas receptoras, el vector recibido [y’], se multiplica por el vector , con lo que se obtiene el siguiente vector:.

(39) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. [ ]. [ ]. [ ]. [ ]. [ ]. 28 (. ). Este resultado muestra que se puede obtener caminos equivalentes de propagación independientes, es decir, caminos de propagación que combinados con el pre-procesado en el transmisor y el pos-procesado en el receptor proporcionan canales independientes, lo que da lugar a la siguiente ecuación: [ ]. [ ]. (. ). Este proceso es dinámico porque el canal varía con el tiempo. 2.4. Capacidad. Es una de las medidas del rendimiento de un canal MIMO. Ésta representa la eficiencia espectral máxima y, a diferencia de la probabilidad de error en bit, permite evaluar el canal con independencia del esquema de transmisión y codificación utilizados, (Fernández, 2007). A partir de las expresiones de capacidad desarrolladas en (Telatar, 1995), equivalentes a las presentadas por Shannon para canales MIMO, es posible cuantificar el rendimiento del canal en diferentes escenarios y situaciones. La capacidad del canal depende tanto de la relación señal a ruido en el receptor como de los valores propios de la matriz H. La correlación entre los subcanales es uno de los factores que afecta al comportamiento de la capacidad. La presencia de correlación disminuye el grado de diversidad y reduce la capacidad del canal con respecto del canal que no la presenta, (Fernández, 2007). Utilizando la fórmula de Shannon para describir el incremento de la capacidad en un conjunto de antenas MIMO se obtiene: (. ). (. ). Donde en un sistema M x N, n representa el min (M, N). Como se puede ver el incremento es casi lineal ya que el factor n incluido en el logaritmo como divisor tiene menos peso que el factor n que se encuentra fuera del mismo..

(40) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 2.5. 29. Correlación Espacial. Al igual que los sistemas clásicos de diversidad, los sistemas MIMO requieren que los distintos subcanales o ramas de diversidad sean lo más independientes posible. La presencia de correlación reduce la ganancia por diversidad y por tanto parte del potencial ofrecido por los sistemas MIMO. El impacto de la correlación dentro del sistema MIMO se refleja en la ganancia de los subcanales generados, es decir, en la magnitud de los valores propios. A medida que aumenta la correlación, la dispersión entre valores propios es mayor. La correlación es por tanto uno de los factores limitadores del rendimiento del sistema de diversidad, (Fernández, 2007). La correlación espacial también está influenciada por otros factores como la separación entre elementos del array o la orientación entre arrays (Almers et al., 2003), la topología del array (Shiu et al., 2000)o incluso el diagrama de radiación de la antena. 2.6. Técnicas MIMO. Las altas velocidades de transmisión de los sistemas MIMO, (Fernández, 2007) dependen de diversos factores que o bien mejoran los esquemas de transmisión, o bien mejoran la fiabilidad del enlace. Los primeros, como por ejemplo la multiplexación espacial, utilizan múltiples antenas para generar subcanales paralelos por los que transmitir flujos de información independientes. La mejora obtenida a partir de estos sistemas se denomina ganancia por multiplexación espacial. Los segundos factores mejoran las características del canal minimizando la probabilidad de error y mejorando la relación señal a ruido lo que permite el uso de velocidades de transmisión más altas a través de esquemas de codificación superiores, aumentar el alcance o reducir la potencia transmitida. Entre estos sistemas destacan la codificación espacio-temporal que introduce ganancia por diversidad o la combinación de la señal en transmisión y/o en recepción que aporta ganancia por array. Cabe destacar que con la aplicación de los conceptos de diversidad y multiplexado se buscan objetivos distintos, con lo que pueden llegar a ser mutuamente excluyentes. Si bien en ambos casos el uso de varias antenas tanto en el transmisor como el receptor proporciona una serie de canales efectivos en paralelo, si el objetivo es diversidad se usan.

(41) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 30. los canales para transmitir con redundancia y en multiplexación se usan para transmitir información diferente. 2.6.1 Beamforming Consiste en la formación de una onda de señal reforzada mediante el desfasaje en distintas antenas, sus principales ventajas son una mayor ganancia de señal además de una menor atenuación con la distancia y gracias a la ausencia de dispersión el Beamforming da lugar a un patrón bien definido pero direccional. En el caso de múltiples antenas de transmisión hay que tener en cuenta que el Beamforming requiere el conocimiento previo del canal a utilizar en el Transmisor, (López, 2011). . Figura 2.4 Implementación del Beamforming. Tomado de (López, 2011) Según (Andersen, 2000) se define la ganancia de array como el valor medio de la potencia recibida en un sistema MIMO respecto a la potencia recibida en un sistema SISO. La ganancia de array se obtiene a través del procesado de las señales en el transmisor y en el receptor. Combinando coherentemente la señal en el transmisor o en el receptor se consigue un aumento de la relación señal a ruido media recibida. Para realizar la combinación es necesario conocer el estado instantáneo del canal CSI (Channel State Information) en el extremo correspondiente. Se puede conocer el estado del canal en el receptor mediante las secuencias de entrenamiento, sin embargo conocerlo en el transmisor es más complicado ya que se requiriere un canal de realimentación. En este sentido se distinguen dos tipos de sistemas para un canal MIMO M × N:.

(42) CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE MÚLTIPLES ENTRADAS Y MÚLTIPLES SALIDAS. 31.  sin realimentación o de lazo abierto.  con realimentación o de lazo cerrado. En recepción se puede usar combinación por razón máxima, MRC (Maximum Ratio Combining), combinación lineal óptima donde la relación señal a ruido resultante en cada instante de tiempo es la suma de las relaciones señal a ruido a la entrada del combinador. En los sistemas de lazo cerrado, MRC aporta una ganancia en array de mientras que, en los de lazo abierto, la ganancia de array es de. . Los. de lazo cerrado serán adecuados para escenarios de baja movilidad (canal de realimentación menos rápido) mientras que los de lazo abierto son más adecuados en escenarios de alta movilidad, (Fernández, 2007). 2.6.2 Códigos Espacio-Tiempo La codificación espacio-temporal, en sus dos versiones principales, de bloques o STBC (Space Time Block Codes) (Alamouti, 1998) y Trellis o STTC (Space Time Trellis Code) (Tarokh et al., 1998), tiene por objeto mejorar la fiabilidad y calidad del enlace, reduciendo la tasa de error en bit (BER). Esta reducción permite el uso de esquemas de modulación superiores y mejora la eficiencia espectral. El esquema de codificación espacio-temporal más utilizado por su sencillez y efectividad es el código de Alamouti, quien propuso un esquema de codificación espacio temporal de bloque para sistemas 2×1 y 2×2. Este sistema fue ampliado a sistemas M × N en (Tarokh, 1999). La codificación espacio-temporal Trellis es más eficiente que la de bloques e introduce ganancia por codificación pero añade mayor complejidad. La codificación espacio-temporal maximiza la ganancia por diversidad espacial (disminuir la tasa de error media) del canal MIMO mediante la generación de códigos espaciotemporales adecuados. La codificación se realiza tanto en el espacio como en el tiempo para introducir correlación entre señales transmitidas desde varias antenas en diferentes períodos temporales. Esta correlación espacio-temporal se usa para aprovechar los desvanecimientos del canal MIMO y minimizar errores introducidos por el canal. Así la codificación espacio-temporal mejora el rendimiento del enlace al conseguir diversidad espacial en transmisión sin tener que aumentar el ancho de banda. Además ofrece otras ventajas como no necesitar realimentación pues no es necesario conocer el.