1 Dpto. de Ingeniería de Ingeniería Electrónica. UNEXPO Vicerrectorado, Barquisimeto-Venezuela.

2 Egresada de la Maestría en Ingeniería Electrónica, UNEXPO. Barquisimeto-Venezuela.

keilacandotti@gmail.com, dimasmt@yahoo.es

Resumen: En este artículo, se presenta un entorno de simulación desarrollado para un sistema MIMO multiportadora y de portadora única. El entorno permite simular el proceso de banda base de sistemas que involucren técnicas de acceso a la capa física tales como CDMA, OFDMA y técnicas de diversidad en transmisión como OSTBC y V-BLAST. Es posible incluir distintas técnicas de modulación, codificación de canal, multicanalización y técnicas de acceso múltiple. Mediante la interfaz de usuario del programa, se puede observar gráficamente el rendimiento del sistema a través de la curva de la tasa de bits errados (BER) en relación a la energía de bit por densidad de ruido (Eb/No). Como medio de validación de la herramienta, se compararon las simulaciones con resultados publicados en la literatura para SC-CDMA, sistemas de multiplexación espacial y sistemas OFDM, encontrando buena correspondencia.

Keywords: Communication Systems/ MIMO/ OFDM/ CDMA/ Simulation of Communication Systems.

La simulación de sistemas es una importante herramienta utilizada para la caracterización y análisis de los procesos en diferentes disciplinas de la ingeniería. Esta estrategia permite hacer investigación con relativamente pocos equipos y materiales, además le brinda la oportunidad al investigador de alcanzar un alto nivel de comprensión acerca del sistema simulado. Con respecto a los sistemas de comunicaciones, permanentemente se desarrollan nuevos entornos de simulación [1][2][3]. En el contexto de los sistemas de comunicaciones inalámbricas, la complejidad de las técnicas de acceso como CDMA (acceso múltiple por división de código) requiere disponer de herramientas que simulen su comportamiento, como en [4], en donde se presenta un simulador que implementa

diversos tipos de modulación para diferentes sistemas CDMA, utilizando códigos de esparcimiento como ortogonales. Por otra parte, el uso de múltiples antenas transmisoras y receptoras ofrece la posibilidad de obtener altas tasas de transmisión con respecto a un sistema de antena única. En este contexto, en [5] se simula el rendimiento de la técnica de multiplexación espacial V-BLAST (espacio tiempo de capas verticales de la Bell Labs) a través del algoritmo descrito en [6], para ocho antenas transmisoras y doce antenas receptoras logrando mejorar la eficiencia espectral del sistema.

Para lograr el uso eficiente del espectro en las redes inalámbricas 4G, los sistemas OFDM (multiplexación por división ortogonal de frecuencia) se plantean como la principal alternativa para dar soporte a este tipo de sistemas. Esta tecnología permite la transmisión de datos en subportadoras a diferentes frecuencias, así como la cancelación de la ISI (interferencia entre símbolos) con la adición del CP (prefijo cíclico). En [7] se presenta la simulación de un sistema OFDM bajo el estándar IEEE 802.16, implementando Matlab®. Se utiliza inserción de pilotos, inserción de guardas y la adición de prefijo cíclico, se modela la fuente de datos, el modulador/transmisor OFDM, el canal multitrayecto, el demodulador/receptor OFDM y se realiza la medición de la BER.

En el contexto de los sistemas de comunicaciones, algunos componentes se pueden simular utilizando el toolbox de comunicaciones de Matlab®. Sin embargo, para considerar sistemas más complejos, se requiere la programación de otras funciones adicionales. En este trabajo se presenta un entorno de simulación bajo Matlab® para sistemas OFDM, sistemas CDMA, sistemas con multiplexación espacial V-BLAST y sistemas MIMO usando OSTBC (código ortogonales espacio-tiempo por bloques). La herramienta permite la simulación del proceso de banda base utilizando distintas técnicas de modulación, codificación de canal, multicanalización y acceso múltiple. Desde la interfaz de usuario o desde el command window de Matlab® se puede observar gráficamente como es el rendimiento de determinado sistema a través de la curva de la BER en relación a Eb/No.

El presente artículo se organiza como sigue. En la siguiente sección se presenta el desarrollo del trabajo, el cual se divide en apartados. En el apartado 1 se describen las tecnologías implementadas en la simulación. En el apartado 2, se establece la metodología a seguir para realizar las simulaciones, dentro de la misma se definen los sistemas a estudiar. En el apartado 3 se presenta el resultado de las simulaciones a través de las curvas de la BER respecto a Eb/No para los diferentes sistemas. Finalmente, en la sección III se presentan las conclusiones.

La técnica CDMA es una tecnología digital de transmisión que permite a un número de usuarios acceder a un canal de radiofrecuencia, asignando un código diferente a cada usuario. La capacidad del sistema dependerá de muchos factores. Cada dispositivo que utiliza CDMA está programado con un pseudocódigo, el cual se usa para extender una señal de baja potencia sobre un espectro de frecuencias amplio. La estación base utiliza el mismo código para desensanchar y reconstruir la señal original. Los códigos asociados a otros usuarios permanecen extendidos, indistinguibles del ruido de fondo.

Dentro de la tecnología CDMA, existen dos familias de códigos ampliamente empleadas, los códigos PN (pseudoaleatorios) y los códigos ortogonales. Los códigos PN son secuencias pseudoaleatorias generadas por un registro de desplazamiento realimentado. Los más utilizados se generan a través de un registro de desplazamiento de línea. Las secuencias Walsh son los códigos ortogonales más comúnmente utilizados para el ensanchamiento del espectro y para la separación de canales o de usuarios en sistemas W-CDMA [8].

OFDM es una técnica que consiste en enviar la información modulada sobre un conjunto de portadoras de diferentes frecuencias. Normalmente se realiza el procesamiento correspondiente a OFDM tras pasar la señal por un codificador de canal con el objetivo de corregir los errores producidos en la transmisión. Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo continuo de los cientos de portadoras equiespaciadas que forman una palabra OFDM, los procesos de modulación y demodulación se realizan en tiempo discreto mediante la IDFT (Transformada Inversa de Fourier Discreta) y la DFT (Transformada de Fourier Discreta) respectivamente.

En OFDM, la data se distribuye sobre un generalmente largo número de portadoras que son espaciadas en determinados rangos de frecuencias. Este espaciado provee la ortogonalidad en esta técnica, al permitir la recepción de cada subportadora sin interferencia por parte de las restantes subportadoras. En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un sistema OFDM. En el transmisor, la señal es definida en el dominio de la frecuencia. Cada portadora OFDM corresponde a un elemento del espectro de la transformada de Fourier.

Con el objetivo de evitar la interferencia íntersimbólica causada por la dispersión de retardo del canal multitrayecto, se introduce un intervalo de guarda. En el receptor se utiliza un ecualizador para corregir las variaciones de amplitud y fase introducida por el canal.

El intervalo de guarda puede consistir de información nula, es decir, de ausencia de señal. En ese caso, sin embargo, es posible que se genere el problema de una interferencia entre portadoras (ICI). La ICI es un tipo de interferencia generada por una subportadora sobre alguna otra subportadora. En presencia de ICI, la señal OFDM puede perder la ortogonalidad entre subportadoras. Para evitar tanto la ICI como la ISI, el intervalo de guarda se obtiene extendiendo cíclicamente la palabra OFDM en el periodo de guarda [9].

Como primer paso del procedimiento establecido, se realizó una revisión del toolbox de comunicaciones de Matlab®. Como resultado, se obtuvo un listado de funciones ya disponibles utilizables en el proyecto, como por ejemplo:

La implementación de códigos de bloque ortogonales en Matlab se realizó tanto con OSTBC como con OSFBC. En caso de utilizarse dos antenas transmisoras con el código espacio-tiempo de Alamouti, se transmiten dos señales simultáneas desde dos antenas en un periodo de símbolo, en el siguiente periodo de símbolo se transmite las mismas dos señales pero codificadas. La codificación también se puede hacer en espacio-frecuencia pero en lugar de dos periodos de símbolos adyacentes se usarían dos subportadoras adyacentes [11]. En la codificación espacio-tiempo, el canal se mantiene constante durante dos intervalos de tiempo, mientras que en la codificación espacio frecuencia, el canal es constante en dos subportadoras sucesivas. En la figura 3 se muestran los resultados de la simulación para ambos sistemas usando el código de Alamouti. Se observa la misma curva de la BER respecto a Eb/No para ambos tipo de codificación ortogonal en presencia de un canal plano.

1. Se construyó un entorno de simulación para sistemas de comunicaciones inalámbricos, multiportadora o de portadora única, con una o más antenas transmisoras o receptoras, el cual permite simular técnicas de modulación, de acceso y de diversidad ampliamente utilizadas en la actualidad.

2. Utilizando esta herramienta, es posible simular sistemas SISO de portadora única, SISO-CDMA, SISO-OFDM, MIMO-OFDM y V-BLAST, tomando como figura de mérito la tasa de bits errados.

3. El entorno de simulación se desarrolló bajo Matlab® y puede ser utilizado en forma de comandos desde la línea de comandos de Matlab® o desde una interfaz de usuario.