1 tendencias en las comunicacionesv2

Tendencias de las
comunicaciones

Redes Inalambricas copyright RC UD 1

Visión Futura


El futuro
• El futuro es bastante impredecible.
• Depende del los tipos de servicio que el
usuario requerirá y los escenarios de
aplicación.


¿En qué hay coincidencia?
Las nuevas tecnologías son centradas en el
usuario => Modelo de referencia multiesfera
centrado en el usuario.


Modelo de referencia multiesfera
centrado en el usuario.


Niveles de interacción
• Primer nivel: El usuario interactúa con los elementos
más cercanos a él.
• Segundo nivel: interacción con elementos que
pertenecen al entorno (computadores,
electrodomésticos). Es fácil, amigable y
personalizada.
• Tercer nivel: Interacción con otras personas o
entidades (carro). Tecnologías: micrófono,
reconocimiento y síntesis de voz.


Requisitos
• Capacidad de acceso a las tecnologías de radio
presentes y futuras.
• Posibilidad de interconectar todas las
diferentes tecnologías.


Escenario
Cámaras de video en los alrededores o
pantallas de alta resolución permitirán
comenzar una sesión de telepresencia vía por
ejemplo del PDA (Personal Digital Assistant),
donde el usuario puede tener un encuentro
virtual con otra gente real o no real.


Otros conceptos emergentes
• El Cibermundo
• La BAN (Body Area Networks)


El cibermundo
El usuario está en contacto con sus agentes,
bases de conocimiento, comunidades,
servicios y transacciones.


Redes BAN
• Los dispositivos de cómputo en red son ubicuos e integrados
con el usuario humano.

• Usan múltiples enlaces físicos.
Ej: RF, IR, cable.

• Un dispositivo BAN se debe poder dividir para conectarse con
solo parte del cuerpo.
Ej: la parte RF del teclado y la pantalla.


¿Qué hace posible esta visión?

Respuesta: Una red global adaptable


¿Qué se necesita para desarrollar una red
global adaptable?
• Interfaces aéreas adaptables y escalables.
• Redes de ambiente reconfigurable.
• Seguridad (en todas las capas).
• Tecnologías de red ópticas.
• Interfaces multimedia de usuario
• Plataformas flexibles.


Interfaces aéreas


Expectativas razonables
• 100 Mbps para cubrimiento de área
amplia y movilidad total.
• 1 Gbps para cubrimiento local y baja
movilidad.


Tecnologías para enlaces confiables
• OFDM ó MC-CDMA.
• Modulación multiusuario.
• Esquemas de codificación.
• Radios reconfigurables.
• Antenas inteligentes.
• Control de potencia.
• Tecnologías multiacceso.


Temas de investigación


Adaptabilidad y escalabilidad
• Coexistencia con otros sistemas de radio
(Ej: el enlace de bajada de 3G+, con CDMA
multiportadora y multitono, y ultra banda
ancha).
• Capacidad de acceso múltiple.
• Resistencia a la interferencia.
• Bajo costo.
• Bajo consumo de potencia.

Redes de ambiente
reconfigurable


Técnicas de administración de recursos por
capas
• La reconfiguración tiene gran impacto en la
arquitectura de los sistemas móviles.
• La investigación podría empezar con la
definición de los requerimientos de usuario,
las demandas de regulación, metodología del
sistema y restricciones.
• Soporte a enrutadores reconfigurables: deben
servir para redes antiguas, IP futuras y
topologías futuras (ad-hoc).


Aumento de la eficiencia espectral
• Parámetros:
- Variaciones topológicas frecuentes.
- Requerimientos del usuario final.
- Disponibilidad de recursos.
- Consideraciones de restricciones de
potencia


Aumento de la eficiencia espectral
• Parámetros adicionales:
- Métodos de compartir el espectro.
- Detección de modo.
- Provisión de servicio transparente por
modo de conmutación.
- Descarga segura de software


Administración eficiente de recursos
• Se prevee que sea jerárquica usando supervisión
distribuida (entidades) en todos los segmentos de
red.
• Con administración jerárquica se puede evaluar el
desempeño y detectar cuellos de botella.
• En la cima de la jerarquía se evalúa la situación de
carga y se habilita la conectividad.
• Resultado: reconfiguración dinámica que se aplica a
cada segmento de red en tiempo real.


Adaptación de protocolos
• Se debe proponer un marco de trabajo para la
administración internodal de los recursos de
radio que cubra las soluciones avanzadas en la
capa física y multiantena.
• Se deben investigar las formas de hacer
handover entre las diferentes tecnologías
existentes (ej: hard, soft, interfrecuencia), así
como y su interconectividad.


Acceso a servicios en diferentes niveles

La óptima provisión de un servicio hace
necesaria la instalación dinámica de
elementos de software específicos en los
terminales o en algunos lugares de la red
durante la implementación de un servicio o su
activación.
Ej: dependiendo del ancho de banda se deberá
bajar el codec apropiado tanto al nodo de
frontera como al usuario.


Seguridad en todas las capas
Aspectos para habilitar la seguridad extremo
a extremo en una red global adaptable:
• Disponibilidad: asegura la supervivencia de los
servicios de la red a pesar de los ataques de
denegación de servicio.
• Autenticación: asegura la identidad de su
nodo igual con el cual se comunica.


• Confidencialidad: asegura que cierta
información nunca será develada a entidades
no autorizadas.
• Integridad: garantiza que el mensaje nunca
será alterado mientras es transferido.
• Autorización: proceso para decidir si al
dispositivo X le está permitido tener acceso al
servicio Y.


• Privacidad: previene que la información de los
usuarios fluya a otros.
• Flexibilidad: permite que protocolos o
aplicaciones de alto nivel refuercen su propia
política de seguridad.


Tecnologías de red ópticas


Nuevo paradigma de la WPAN
Los conceptos de red se están moviendo de
soluciones centradas en la red a soluciones
centradas en el usuario.


La Internet futura


Investigación
• Mecanismos de movilidad: son esenciales
para garantizar tipos de comunicaciones
dinámicos.
• Coexistencia de las WPANs con otros
dispositivos inalámbricos basados en otros
estándares.


¿Cómo extender las PAN?
Con terminales multimodo.


Ejemplo de contexto: tarjetas inteligentes

Almacenan el perfil del usuario:
• URLs favoritos.
• Libro de direcciones de correo electrónico.
• Perfil bancario.


Interfaz multimedia
Mecanismos de síntesis y reconocimiento de
voz, incluyendo la semántica (sentido).


Plataformas flexibles


Necesidad
Un usuario en un ambiente basado en el
contexto tiene una amplia gama de
requerimientos.


Arquitectura flexible
Para acomodar dispositivos de funcionalidad y
espectro amplios se necesitan plataformas de
hardware con alto grado de
reconfigurabilidad.
Tecnologías:
- FPGA (Field-Programmable Gate Array).
- DSP (Digital Signal Processing).
- Bloques de hardware IP.


Zero-IF


Dispositivos multisistemas
• Aseguran la flexibilidad
• Limitantes: baja potencia, bajo costo, bajo
factor de forma.
• Uso de sistemas embebidos y conceptos de
sistemas en solo chip.
• Serán posibles si existen antenas y sistemas RF
reconfigurables.


Receptor Superheterodino
El receptor superheterodino tiene su base en
bajar de frecuencia la señal de RF a la llamada
frecuencia intermedia (fFI) antes de
demodularla. De esta forma, es posible
amplificar y filtrar la señal con mayor ganancia
y selectividad.


En esencia, la técnica de la frecuencia
intermedia es aplicable para AM y FM.
Se podría pensar que la técnica del receptor
superheterodino es una técnica conciliadora
de tecnologías de radio.


Zero-IF
La tecnología Zero-IF (zero-intermediate
frequency) evita la necesidad de las etapas
IF, como el filtro SAW (surface acoustic
wave), procesando la señal RF
directamente.


¿Por qué Zero-IF?
En 2002, la demanda de WLAN 802.11 para los
negocios creció 65 % a 11.6 millones de
unidades, mientras que la demanda para
hogares creció 160 % a 6.8 millones de
unidades.
Las ganancias de los fabricantes crecieron 23
%.


¿Por qué Zero-IF?
La disparidad entre crecimiento de la
demanda y el crecimiento de ganancias
llevaron a buscar nuevas soluciones
tecnológicas.


Transceiver WLAN (Zero-IF)


Software Defined Radio


Definición
El Software-Defined Radio (SDR) Forum
[www.sdrforum.org] define la tecnología
como "radios que permiten control de
software de una variedad de técnicas de
modulación, operando en banda ancha o
angosta, con funciones de seguridad en las
comunicaciones (a saltos), y requerimientos
de forma de onda para estándares actuales y
en evolución sobre un amplio intervalo de
frecuencia”.

Componentes y funciones
Componentes: Los módulos de software corren sobre
hardware genérico consistente en DSPs y
procesadores de propósito general.

Funciones:
- generación de la señal transmitida (modulación)
-Sintonización y detección de la señal de radio en el
receptor.


Características de SDR
• Reconfigurabilidad: SDR permite la
coexistencia de múltiples módulos de
software que implementan diferentes
estándares en el mismo sistema permitiendo
configuración dinámica del sistema,
seleccionando el módulo apropiado para
correr. Esto es aplicable la infraestructura y al
equipo móvil.


• Conectividad ubicua: SDR permite la
implementación y coexistencia de interfaces
aéreas estandarizadas (p.e. 3G, 2.5G, 802.11)
como módulos de software, lo que lleva a
facilitar el roaming global.


• Interoperabilidad: SDR facilita la
implementación de una arquitectura abierta
de sistemas de radio. Los usuarios finales
pueden transparentemente usar aplicaciones
de terceros sobre sus equipos tal y como se
hace en un PC.


Arquitectura
Transceptor de radio digital genérico.

DUC: Digital upconverter
DDC: Digital downconverter


Sección de RF
• La sección de RF (también llamada RF front-end) es
responsable de la transmisión/recepción de la señal
de radiofrecuencia (RF).
• En el camino de recepción amplifica la señal de RF y
efectúa la conversión de bajada de RF a IF.
• En el camino de transmisión, el RF front-end
desarrolla la conversión de subida y la amplificación
de potencia RF.


Bloques ADC/DAC
• En el camino de recepción desarrollan la
conversión digital-a-análoga y en el de
transmisión la conversión análoga-a-digital
respectivamente.
• Son la interfaz entre las secciones análoga y
digital del sistema de radio.


Bloques DDC/DUC
• En el camino de recepción desarrollan la
digital-down-conversion y la digital-up-
conversion en el camino de transmisión
respectivamente.
• Esencialmente desarrollan las operaciones de
modem, p.e. la modulación de la señal en la
transmisión y la desmodulación en la
recepción (también llamada sintonización
digital).


Sección de banda base
Desarrolla operaciones de banda base
(establecimiento de la conexión, ecualización,
salto de frecuencia, recuperación de la
temporización, correlación) y también
implementa el protocolo de enlace de datos
(capa 2 del modelo OSI).


ASICs vs DSPs
• Las DDC/DUC y las operaciones de
procesamiento de banda base requieren gran
poder de procesamiento.
• Estos módulos son generalmente
implementados usando ASICs* o DSPs.

*ASIC: Application-Specific Integrated Circuit


Hacia SDR
Si se usan DSPs para el procesamiento de
banda base, se puede implementar un radio
digital programable.
Las etapas implementadas con ASICs (p.e.
DDC/DUC) dan como resultado funciones fijas
en los sistemas de radio digital.


SDR
En un sistema SDR el procesamiento de banda
base y los módulos DDC/DUC son
programables.
Los protocolos de enlace de datos y las
operaciones de modulación/demodulación son
implementadas en software.


Elementos que habilitan a SDR
• Antenas inteligentes.
• RF front-end de banda ancha.
• Tecnologías de banda ancha ADC/DAC.
• Incremento en la capacidad de procesamiento
(MIPS) de los DSPs.
• Microprocesadores de propósito general.


¿Por qué no se puede programar la sección
de RF?
Si se pudiera hacer, podríamos programar
las bandas.
El estado del arte de los dispositivos
ADC/DAC no soportan el ancho de banda
digital, el rango dinámico y la rata de
muestreo requerida para implementar esto
de una manera viable comercial.


Niveles de programabilidad en SDR


Ejemplo de SDR para 3G


Crest Factor Reduction
Los sistemas 3G basados code-division
multiple access (CDMA) y los sistemas
multiportadora como orthogonal frequency
division multiplexing (OFDM) exhiben señales
con altos factores de cresta (peak-to-average
ratios). Tales señales reducen drásticamente
la eficiencia de los amplificadores de potencia
en las estaciones base.


Peak Windowing to Reduce Crest Factor

"Effect of Clipping in Wideband CDMA System and Simple Algorithm for Peak Windowing,” Olli Vaananen,
Jouko Vankka, and Kari Halonen— Helsinki University of Technology, Finland.


Digital Predistortion
Los estándares 3G y sus versiones para datos
móviles de alta velocidad emplean técnicas de
modulación de envolvente no constante como
quadrature phase shift keying (QPSK) y
quadrature amplitude modulation (QAM).
Esto exige una linearidad y eficiencia exigente
a los amplificadores de potencia.


Digital Predistortion
Como se resultado se puede tener un alto
adjacent channel leakage ratio (ACLR) y un
bajo error vector magnitude (EVM).


Digital Upconverter
En la upconversion, la banda base los datos de
entrada es filtrada e interpolada antes de ser
modulados en cuadratura con una portadora
de frecuencia sintonizable. La interpolación se
hace con un filtro de respuesta al impulso
finita (FIR).


FIR
Es un filtro digital con un número limitado de
coeficientes. La señal de salida es
simplemente la suma sw los productos de las
muestras de señal entrantes con los
coeficientes del filtro.
Es fácil de implementar y tiene propiedades
útiles.


Digital Downconverter
En el lado receptor, se pueden usar técnicas
digitales para muestrear una señal IF y
desarrollar canalización y conversión de rata
de muestreo en el dominio digital. Usando
técnicas de submuestreo, señales IF (≈ 100
MHz) pueden ser cuantificadas.


Los DACs exhiben una respuesta de frecuencia
pasabajo de la forma sinc(f/fs) la cual no se
extiende a IF.
Una forma de extender la respuesta y además
reducir la atenuación consiste en ajustar la
rata de conversión a fd=LD/Afs donde LD/A es un
entero positivo.


Ya que los diferentes estándares tienen
diferentes ratas de chip/bit, se requiere que la
rata de conversión no entera para convertir el
número de muestras a un número entero de
la rata fundamental de chip/bit de cualquier
estándar.


Procesamiento banda base
Tecnologías a soportar:
• Modulación y codificación adaptiva.
• Codificación espacio-tiempo (STC).
• Formación de haces (beamforming).
• Técnicas de antena multiple input multiple
output (MIMO).


Procesamiento banda base
Los dispositivos para procesamiento de banda
base requieren enorme capacidad de
procesamiento para soportar algoritmos
computacionalmente intensos.


Ej: Codificación de canal HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access )


¿Qué es HSDPA?
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) es un
servicio de datos basado en paquetesen el enlace de
bajada W-CDMA con ratas de datos de hasta 8-10
Mbps (y 20 Mbps para sistemas MIMO) sobre un
ancho de banda de 5MHz. La implementación de
HSDPA incluye Modulación y codificación adaptiva
(AMC), Multiple-Input Multiple-Output (MIMO),
Hybrid Automatic Request (HARQ), búsqueda rápida
de celda, y diseño avanzado de receptor.


Ej: Codificación de canal HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access )
El turbo codificador consiste en dos codificadores
convolucionales recursivos y un interleaver interno.
Mientras que los codificadores convolucionales son
sencillos de implementar tanto en software
como en hardware, el interleaver tiende a ser complejo
debido a variabilidad. Se debe sopotar cualquier tamaño
de bloque desde 40 a 5114 y cada tamaño de bloque
puede variar cada intervalo de tiempo de transmisión (TTI)
de 2 ms. Esto es computacionalmente pesado para un
procesador digital de señal y será adicionado a la latencia,
la cual es un parámetro crítico en HSDPA.

Interleaving
Es un componente clave en muchos sistemas
de comunicación digital que involucran
forward error correction (FEC).
Con este mecanismo a los símbolos
codificados se les provee una forma de
diversidad de tiempo para protegerlos de
corrupción localizada o errores de ráfaga.


El throughput del turbocodificador es mínimo 58 Mbps (tamaño de bloque 41)
y máximo de 99 Mbps (tamaño de bloque 5114), lo que fácilmente alcanza las
especificaciones para un solo canal HSDPA.


Beamforming
Cuando las estaciones base usan antenas
omnidireccionales, la transmisión / recepción
de la señal de cada usuario se vuelve una
fuente de interferencia para los otros usuarios
localizados en la misma celda, haciendo que
todo el sistema sea limitado en interferencia.


Beamforming

Un método efectivo para reducir este tipo de
interferencia es dividir la celda en sectores
múltiples y usar antenas sectorizadas.


Beamforming - Antenas inteligentes
Con esta técnica, la señal de cada usuario es
transmitida y recibida por la estación base
solamente en la dirección de ese usuario
particular. Esto reduce drásticamente la
interferencia total en el sistema.


En la siguiente lámina se muestra un arreglo
de antenas que en conjunto dirigen haces de
transmisión/recepción hacia cada usuario en
el sistema. Este método de
transmisión/recepción es llamado
beamforming y es posible gracias al
procesamiento inteligente (avanzado) en la
banda base.


En beamforming, cada señal de usuario es
multiplicada con pesos complejos que ajustan
la magnitud y la fase de la señal hacia y desde
la antena. Esto causa que la salida del arreglo
de antenas formen un haz de
transmisión/recepción en la dirección deseada
y minimize la salida en otras direcciones.


Beamforming adaptivo & conmutado
Si los pesos complejos son seleccionados de
una librería de pesos que forman haces en
direcciones específicas predeterminadas, el
proceso es llamado beamforming conmutado.
Aquí, la estación base básicamente conmuta
entre diferentes haces basándose en el nivel
de la señal recibida.


Beamforming adaptivo & conmutado
Si los pesos son calculados y adaptivamente
actualizados en tiempo real, el proceso es
llamado beamforming adaptivo. En este caso,
la estación base puede formar haces más
estrechos hacia el usuario deseado y nulos
hacia los usuarios interferentes, mejorando
considerablemente la relación señal-a-
interferencia-mas-ruido.


Escenario donde las FPGAs son reconfiguradas para soportar las funciones de banda base de transmisión ya sea

para los estándares WCDMA/HSDPA o 802.16a


Desarrollo de plataformas flexibles


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