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Procesamiento Digital Avanzado en Comunicaciones Móviles

Bienvenido al espacio wiki de la asignatura Procesamiento Digital Avanzado en Comunicaciones Móviles. Este es el lugar donde puedes enterarte de lo relativo a dicha asignatura. Puedes descubrir artículos creados por alumnos de cursos anteriores, además de tener la posibilidad de terminar aquellos temas que quedan por hacer o incluso mejorar los ya creados.





Repaso


Repaso de Álgebra

Repaso de variables aleatorias y procesos estocásticos

Revisión de comunicaciones digitales en enlaces fijos

Descripción de temas previos a la asignatura relacionados con las comunicaciones digitales, incluyendo los siguientes puntos:



Desvanecimientos y variabilidad de la señal



En este apartado estudiaremos cómo se degradan las comunicaciones en los medios inalámbricos en comparación con las comunicaciones fijas. Veremos los diferentes problemas que pueden aparecer en las comunicaciones en sistemas móviles. Modelaremos el canal, para poder analizar cuáles son los límites de la transmisión, los cuales se utilizarán para el diseño de las técnicas de comunicación y procesamiento de la señal en estos canales.

Artículo principal : Desvanecimientos del canal Inalámbrico



Prestaciones de los sistemas móviles de comunicación


Las comunicaciones en medios inalámbricos no tienen un comportamiento determinista en el tiempo, por lo que a la hora de medir sus prestaciones se han de tener en cuenta determinados factores. Algunos de estos factores son la distancia, las reflexiones o los obstáculos que provocan desvanecimientos en el canal. Además hay que tener en cuenta que la interferencia toma mayor importancia debido a que el aire es un medio compartido por otras fuentes, y por supuesto todo ello sin olvidar el ruido blanco aditivo.

Cuestiones previas: estimación de canal

El hecho de que el canal varíe en el tiempo obliga a cambiar la estructura del receptor. Para que el receptor pueda detectar el símbolo recibido, necesita conocer la respuesta al impulso del canal en un momento dado. Esto se consigue gracias a la inserción de pilotos y realizando estimaciones del canal como se explica en el siguiente artículo

Prestaciones de los sistemas móviles de comunicación: SNR

La SNR recibida se define como la relación que existe entre la potencia de la señal en el receptor y el ruido en el canal. En canales fijos la SNR permanece cuasi-constante mientras que en canales móviles la ganancia varía en el tiempo debido a los desvanecimientos del canal.

La SNR puede ser analizada de dos formas diferentes:

Prestaciones de los sistemas móviles de comunicación: BER

BER (Bit error rate) es una medida promedio que indica el número de bits erróneos que se reciben en un flujo de datos. Esta medida depende directamente de la SNR instantánea del canal y del tipo de modulación que se utilice en la transmisión.

Otra medida de interés es la probabilidad de fuera de servicio o probabilidad de outage, que indica el porcentaje del tiempo en el que sistema no puede alcanzar una SNR umbral y por lo tanto, no cumple con las prestaciones mínimas prometidas

Prestaciones de los sistemas móviles de comunicación: capacidad

Una de las figuras de mérito más importantes a la hora de evaluar un sistema de comunicaciones es la tasa de transmisión. El límite superior de la tasa de transmisión es la capacidad del canal. En el siguiente artículo se describe su comportamiento: Capacidad del canal.



Técnicas básicas de procesamiento en sistemas móviles: canales planos en frecuencia


En el mundo de las comunicaciones móviles, es crítico saber el estado del canal en cada momento, de esta manera, seremos capaces de ajustar nuestro sistema de manera que podamos ajustar las comunicaciones de tal manera que los contínuos cambios del canal no nos afecten de forma global al sistema. Una vez estimado el canal, podremos ajustar nuestro sistema recurriendo a diversas técnicas para mejorar las características de nuestro sistema de comunicaciones.


Técnicas básicas:

Intuitivamente, las prestaciones (BER y capacidad) de los sistemas móviles son peores que las de los sistemas fijos debido a la existencia de desvanecimientos profundos. En otras palabras, las prestaciones de un sistema móvil son la media entre las ocasiones en las que los canales se comportan mejor que su valor esperado y las ocasiones en las que se comportan peor. Desafortunadamente las prestaciones empeoran mucho más cuando el canal es malo que lo que mejoran cuando el canal es bueno, por lo que en media, son peores que las de un canal fijo.

Por ello, las técnicas de procesamiento que habrá que utilizar para mejorar las prestaciones de los sistemas móviles tendrán que tener como objetivo evitar los desvanecimientos profundos del canal (estados malos del canal). Esto se puede hacer desde dos puntos de vista distintos:

  • Esquemas de diversidad. La idea fundamental aquí consiste en que el receptor tenga acceso a varias copias de los símbolos transmitidos, de manera que exista redundancia a la hora de realizar la detección del símbolo. Si esas copias han atravesado canales distintos, el receptor podrá quedarse siempre con la mejor de ellas y conseguimos así disminuir la probabilidad de tener un desvanecimiento profundo (todas las copias tienen que pasar por un desvanecimiento profundo). Puedes encontrar más información en el siguiente artículo. Más concretamente, en dicho artículo veremos qué es la diversidad, así como los diferentes tipos de diversidad que podemos encontrar. También se estudiarán tanto los beneficios como las complicaciones que debemos tener en cuenta para implementar esta técnica.
  • Hacer que el transmisor conozca el canal y pueda cambiar así la forma en la que transmite en función del nivel de desvanecimiento que exista en ese momento. Así por ejemplo si tenemos un tráfico de datos y el canal es muy malo, el transmisor puede decidir no transmitir. Por otro lado, si el canal fuera muy malo pero tuviéramos un tráfico en tiempo real (voz), el transmisor podría optar por subir considerablemente el valor de la potencia transmitida para compensar el efecto del canal. Estas técnicas se conocen como esquemas de transmisión adaptativa o CSIT (Channel State Information at Transmitter). Recordemos que en los sistemas móviles el receptor tiene que estimar siempre el canal, por lo que ahora simplemente tendrá también que informar al transmisor de dicho valor (típicamente a través del canal de realimentación/señalización). Los esquemas de transmisión adaptativa dependen de la figura de mérito que queramos optimizar (BER, SNR, capacidad) y de los parámetros que podamos tocar (adaptar) en el transmisor (potencia, modulación, antenas por las que transmite, etc.). Puedes encontrar más información en el siguiente artículo.

Técnicas para la comunicación en canales selectivos en frecuencia


La selectividad en frecuencia se produce cuando el símbolo recibido en un instante depende no únicamente del símbolo transmitido en ese instante, sino también de símbolos transmitidos en instantes anteriores (existe ISI a nivel discreto debido a la presencia de múltiples caminos/ecos discretos). Matemáticamente esto se refleja en que la señal recibida se puede escribir como:

        <math> y[n] = h[n] * x[n] + w[n] = \sum_l { h_{l}[n] \cdot x [n - l] + w[n] } </math>

Si los coeficientes de la respuesta al impulso, <math> h_{l}[n] </math>, no dependen del tiempo , el canal es únicamente selectivo en frecuencia; si sí dependen de <math> n </math>, el canal es selectivo tanto en tiempo como en frecuencia.

Existen varias opciones para combatir este efecto. A continuación describimos las tres más importantes:

  • Detección maximoverosímil de secuencia. Hay que hacer esta detección a nivel de secuencia. Es bastante más compleja porque hay que tener en cuenta <math> M^L </math> posibles símbolos transmitidos, donde M es el tamaño de la constelación y L la longitud del canal. Se tiene que utilizar un detector de Viterbi. Puedes encontrar más información en el artículo algoritmo de Viterbi.
  • Ecualización lineal. Es bastante más sencilla computacionalmente, aunque no existen garantías de que las prestaciones sean óptimas. Tras ecualizar el canal podemos tratar la señal como si el canal fuera plano en frecuencia. Puedes encontrar más información en el siguiente artículo.
  • Sistemas multiportadora OFDM. Es sencilla computacionalmente y no supone una pérdida de optimalidad. Tras implementar OFDM podemos tratar la señal como si el canal fuera plano en frecuencia. A continuación damos más información sobre este tipo de sistemas.

Una vez que el canal selectivo en frecuencia se ha convertido en un canal plano en frecuencia, pueden (y deben) utilizarse las técnicas de procesamiento (codificación, diversidad, adaptatividad, etc.) explicadas con anterioridad.

Sistemas multiportadora

Una manera de evitar el desvanecimiento del canal, consiste en dividir el ancho de banda total en pequeños canales independientes con un ancho de banda menor. Cada uno de estos canales se comportará como un canal con desvanecimiento plano. De esta manera perdemos ancho de banda en un canal, pero esto se compensa con el hecho de que ahora disponemos de N anales paralelos independientes, cuya capacidad total será igual a nuestro canal original.

En el siguiente artículo se comentan las ideas básicas de estos sístemas.

En este escenario, estudiaremos OFDM como un sistema multi-portadora. OFDM surge porque para realizar un sistema multi-portadora deberíamos disponer de N moduladores y demoduladores, hecho muy costoso e incluso a ciertos niveles inviable. Para solucionar este problema, recurriremos a realizar la modulación de forma digital, es decir, recurriendo a la FFT y a la IFFT, al que añadimos el prefijo cíclico teniendo OFDM.

Para terminar este tema es interesante estudiar varios ejercicios resueltos, así como códigos para simular sistemas OFDM:



Sistemas de espectro ensanchado


En los sistemas de espectro ensanchado hacemos que el ancho de banda sea mucho mayor que el ancho de banda necesario, mejorando notablemente las prestaciones de nuestro sistema. En el siguiente artículo exploramos las características de dichos sistemas.

Como hemos estudiado, el espectro ensanchado puede conseguirse mediante la utilización de diferentes técnicas. En el siguiente artículo exploramos los códigos CDMA que permiten obtener el espectro ensanchado, siendo su utilización una de las más extendidas para dicho proposito:

La utilización de los códigos CDMA así como el espectro ensanchado, conjuntamente con un tipo de receptor especial, nos permite mejorar notablemente las prestaciones de nuestro sistema. Este receptor recibe el nombre de receptor Rake que analizamos en el siguiente artículo:


Sistemas multi-usuario


El principal problema que tenemos en las comunicaciones inalámbricas reside en que el canal a utilizar es el mismo para todos los usuarios. De esta forma, habrá que buscar la manera de decidir cómo podemos usar este medio compartido para que todos puedan disponer de un canal independiente a cada uno de ellos.

Por lo tanto nuestro objetivo final será el no tener interferencias con el resto de los usuarios.

Para implementar estos sistemas multi-usuario, disponemos de diversas técnicas.

Existen dos ramas principales en las que se agrupan todas estas técnicas.

Dependiendo de si las reglas en las que se basan sus transmisiones están fijadas en un principio, o por el contrario los propios usuarios deciden qué recursos asignar a cada usuario de forma libre y sin ningún tipo de supervisión.

Los siguientes artículos, nos explican las diferencias entre unos y otros, además de los distintos tipos que nos encontramos dentro de ellas.



Cuestiones y exámenes resueltos


Problemas y ejercicios. Tema 1-4


En este apartado se resolverán problemas propuestos en las entregas de ejercicios de clase:

Entrega de ejercicios I

Entrega de ejercicios II


Problemas y ejercicios. Tema 5-7


En este apartado se resolverán problemas propuestos en las entregas de ejercicios de clase:

Entrega de ejercicios III

Entrega de ejercicios IV

Entrega de ejercicios V


Cuestiones y problemas de exámenes


Este apartado está compuesto por exámenes y cuestiones resueltas de años pasados véase:

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