1 Introducción 1.1 Motivación del Proyecto La necesidad de transmitir información de un punto alejado a otro siempre ha estado presente en la humanidad. Las telecomunicaciones nos permiten transmitir la información sin tener que desplazarnos al punto de recepción de la misma, algo que ahora nos parece simple, pero que no hubiera sido posible sin los múltiples descubrimientos realizados en los últimos siglos. Evidentemente, hablar de telecomunicaciones es utilizar un término muy amplio. Las necesidades de comunicación en la actual sociedad de la información, claramente no podrían ser cubiertas con los sistemas pioneros como las señales de humo o el telégrafo óptico, pero tampoco mediante sistemas que supusieron grandes avances en su época mediante el uso de la electricidad como portadora de la información, como el telégrafo eléctrico, la telefonía fija analógica o las transmisiones inalámbricas analógicas por medio de ondas electromagnéticas. Hoy en día, la mayoría de la información que se almacena en el mundo es en formato digital y la prácticamente todas las técnicas de modulación para transmitir dicha información son digitales, en detrimento de las técnicas analógicas. Además con el auge de Internet y la telefonía móvil los usuarios tienden a demandar, cada vez más, la conectividad sin cables, en todas partes y en todo momento. El problema es que el número de usuarios que requiere transmitir o recibir información al mismo tiempo a través del mismo medio de transmisión inalámbrico, la atmósfera, es enorme y los recursos de dicho medio son limitados. Dichos recursos consisten en lo que se denomina como espectro radioeléctrico, es decir el conjunto de frecuencias adecuado para la propagación de información por medio de ondas electromagnéticas. Se hace necesario, por lo tanto, diseñar técnicas de modulación digitales cada vez más sofisticadas que presenten la mayor eficiencia espectral posible, pero que al mismo tiempo proporcionen la (cada vez mayor) calidad de servicio demandada por el usuario, el cual espera altas velocidades de transmisión/recepción, mínima latencia y ausencia de 2 OFDMA Y SC-FDMA EN LA INTERFAZ RADIO DE LTE los errores que el canal inalámbrico provoca debido a las interferencias y a su naturaleza variable en el tiempo (si el usuario está en movimiento) y en frecuencia, todo ello a un coste reducido y con un bajo consumo de energía del dispositivo de comunicaciones. El panorama anteriormente expuesto, que es el presente en la actual sociedad, es la motivación para este proyecto. Hay múltiples soluciones para el acceso al medio inalámbrico compartido, pero en este proyecto nos centraremos en las dos que, posiblemente, ofrecen los mejores resultados y son más adoptadas en la actualidad por los diversos estándares de sistemas de comunicaciones inalámbricas, y se prevé que continúe de esta manera en los próximos años. Se tratan de OFDMA (Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access) y SC-FDMA (Single Carrier Frequency-Division Multiple Access). Entre sus múltiples ventajas se encuentran la gran robustez frente a los inconvenientes que presentan los canales inalámbricos móviles, su alta eficiencia espectral y una sencilla implementación mediante la FFT. Dentro de todo el escenario expuesto, son los sistemas de comunicaciones móviles los que incorporan las técnicas de acceso múltiple en su capa física para proporcionar los cada vez más demandados servicios de comunicaciones en movilidad. A lo largo de las últimas décadas se han desplegado redes que implementan dichos sistemas y, en la actualidad, nos encontramos en la etapa de madurez de la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles, haciéndose necesaria una cuarta generación que cumpla con los exigentes requisitos que el usuario solicita. El estándar predominante para esta nueva generación es LTE (Long Term Evolution for UMTS), el cual está ya comenzando a aparecer por todo el mundo e incorpora OFDMA y SC-FDMA como técnicas de transmisión en la capa física de la interfaz radio de la red de acceso. 1.2 Objetivos del Proyecto En este proyecto se pretende estudiar de manera teórica las soluciones propuestas para el panorama actual del mundo de las comunicaciones móviles, anteriormente expuesto y realizar, además, una serie de simulaciones para demostrar las principales propiedades de dichas soluciones. Más concretamente, se pretende introducir la problemática del canal inalámbrico móvil, pasando, a continuación, a describir la técnica de modulación OFDM, que es la base para poder entender las versiones de acceso múltiple OFDMA Y SC-FDMA. Una vez explicado el funcionamiento y las características de dichas técnicas, estaremos en condiciones de abordar un estudio de su aplicación en el estándar para comunicaciones móviles LTE. Así mismo, las simulaciones pretenden ilustrar los desarrollos teóricos y demostrar el funcionamiento básico de las técnicas que se estudian. En concreto, se centrarán en el enlace ascendente y en por qué SC-FDMA es preferible a OFDMA en dicho escenario. INTRODUCCIÓN 3 Todo lo estudiado en este proyecto, en su conjunto, contribuye al conocimiento dentro de una temática tan interesante y en constante evolución como son las técnicas de transmisión en sistemas de comunicaciones móviles. 1.3 Organización de la Memoria La memoria de este proyecto refleja el estudio y el trabajo realizado en este proyecto para alcanzar los objetivos propuestos. Tras este primer capítulo de introducción, pasaremos a un segundo capítulo dedicado a los canales inalámbricos móviles. Se comienza por una descripción del medio de propagación en los sistemas de comunicaciones móviles y son expuestas las principales características que lo limitan: la dispersión temporal y el desplazamiento Doppler. A continuación, se desarrollan las funciones matemáticas para dicho canal y se estudia cómo se implementan mediante modelos aproximados para las simulaciones en la práctica. En el tercer capítulo, se explica la técnica de transmisión OFDM, cuyo entendimiento es fundamental en este proyecto. Se inicia con una introducción, que incluye la historia y aplicaciones de OFDM, para después continuar con un detallado apartado sobre la implementación analógica y digital de un sistema OFDM. A continuación, se exponen algunos aspectos relevantes en OFDM como la sincronización o la estimación de canal y se termina estudiando la limitación que presenta OFDM debido a su alto PAPR y que se soluciona mediante el esquema SC-FDMA. Este último aspecto, de especial relevancia, recibe un extenso tratamiento en este proyecto. Una vez sentadas las bases de OFDM, en el cuarto capítulo se está en condiciones de pasar a explicar su adaptación a las técnicas de acceso múltiple. Se comienza haciendo una comparativa entre los sistemas más importantes: TDMA, CDMA y FDMA y, a continuación, se centra todo el estudio en OFDMA Y SC-FDMA, comparándose ambas técnicas. En el quinto capítulo, introducimos los sistemas de comunicaciones móviles, dentro de los cuáles se encuentra LTE. Se comienza con una introducción histórica y después se describe de forma breve la arquitectura de una red actual (de segunda y tercera generación). Es entonces cuando se explica la motivación para la aparición de LTE y se pasa a su descripción. En esta memoria, nos hemos centrado en la capa física de la interfaz radio, debido a que es allí donde se utilizan OFDMA y SC-FDMA, que son las técnicas que solucionan la problemática del eficiente uso que se le debe a dar al canal móvil inalámbrico, lo cual motiva este proyecto. En el sexto capítulo, se desarrollan los resultados obtenidos de las simulaciones. El escenario elegido ha sido el enlace ascendente de LTE, donde se comparan las distintas técnicas de acceso al medio que podrían utilizarse, a saber, OFDMA, LFDMA y 4 OFDMA Y SC-FDMA EN LA INTERFAZ RADIO DE LTE DFDMA. En dicha comparación no solamente se repasan y comprueban las propiedades teóricas expuestas en anteriores capítulos, sino que se demuestra porque SC-FDMA es la técnica de elección de LTE para el enlace ascendente debido a su reducido PAPR. Al final se exponen detalladamente las conclusiones a las que se ha llegado a lo largo del proyecto y con la ayuda de las simulaciones. En el séptimo y último capítulo, se presenta una serie de líneas futuras de investigación que permiten ampliar u ofrecer otro enfoque de la temática desarrollada en este proyecto. Además se incluyen dos anexos, uno de ellos con una relación de la bibliografía utilizada en el desarrollo de este proyecto y otro con el código de Matlab creado para realizar las simulaciones. INTRODUCCIÓN 5