1. Introducción

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