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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 extremoa 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.

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DUC: Digital upconverter DDC: Digital downconverter

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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.

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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.

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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.



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

Beamforming

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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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