Massive MIMO: multiplexando en el espacio

Parece que la creciente demanda de conexión inalámbrica de alta velocidad que se ha experimentado en los últimos años -aunque quizás ya es más oportuno hablar de la última década- no disminuirá en el futuro. Todas las predicciones realizadas por organismos y empresas especializadas apuntan a un continuo crecimiento, principalmente debido a las nuevas necesidades tanto de los clientes particulares de conexión móvil como de la industria.

Crédito: Nicolas Ibañez Enriquez

Ante esta situación la pregunta es obvia: ¿está preparada la comunidad científica para garantizar las velocidades de transmisión y la capacidad que demanda la sociedad? La respuesta a dicha pregunta es sencilla: en estos momentos las redes instaladas a lo largo y ancho del mundo no son capaces de garantizarlo. A pesar de ello, no cabe desesperar, ya que las últimas releases de 3GPP[1] incorporan algunos de los últimos avances tecnológicos que, previsiblemente, serán capaces de conseguirlo.

La industria fundamenta el incremento de la capacidad de las futuras redes de comunicaciones móviles en tres pilares fundamentales:

  1. La densificación de la red. Es decir, el despliegue de muchos más nodos –muchos de ellos con bajas potencias de transmisión, conocidos como small cells– para disminuir la distancia entre terminal móvil y estación base.
  2. El incremento del espectro para sistemas de comunicaciones móviles. Actualmente la industria ve como una gran oportunidad las llamadas frecuencias milimétricas. Estas frecuencias –por encima de los 6GHz- permitirían anchos de banda mucho mayores que los actuales –previsiblemente alrededor de los 500 MHz.
  3. La multiplexación espacial. En otras palabras, la provisión de servicio a distintos terminales simultáneamente en el tiempo y con los mismos recursos radio –es decir, frecuencias- mediante la concentración de la potencia transmitida en localizaciones específicas.

Los tres pilares suponen, sin duda, un paso adelante en la mejora de la densidad espectral –es decir, los bits por segundo que se pueden transmitir por Hz y por km2. El primero de ellos –la densificación de la red- presenta el problema asociado del incremento de la interferencia. Cuanto más densa es la red, más cerca se encuentran las estaciones base interferentes. En otras palabras, la densificación de la red tiene un límite.

El segundo de los pilares –más espectro en las bandas de frecuencia altas- es un aspecto muy prometedor que, actualmente, ya se halla en manos del regulador. Mientras la academia y la industria desarrollan testbeds en las decenas de GHz, el regulador ya ha empezado a asignar a las tecnologías móviles nuevas frecuencias por debajo de los 6GHz. En un futuro próximo, tal y como está agendado, se estudiará la asignación de frecuencias por encima de los 6GHz –popularmente, y abusando a menudo del lenguaje, conocidas como frecuencias milimétricas.

Finalmente, el tercer pilar -la multiplexación espacial- supone un avance decisivo que describiremos brevemente a continuación. Existe una larga historia que se remonta a los años 90 sobre el concepto Multiple Input Multiple Output (MIMO). El concepto es muy simple, aunque la teoría asociada y su implementación no lo es tanto. Como bien dice su nombre, y tratando de aprovechar los distintos caminos que puede recorrer una señal desde el transmisor hasta el receptor, MIMO significa la instalación de más de una antena en el transmisor –por ejemplo, la estación base- y en el receptor –por ejemplo, el terminal móvil. Con ello se pretende combinar constructivamente las distintas copias de la señal que llegan al receptor para aprovechar la diversidad en espacio que propician los distintos caminos recorridos por dicha señal.

Obviamente, para que ello sea factible, las antenas en transmisión y recepción deben estar lo suficientemente alejadas para que la respuesta del canal sea rica y el camino seguido por las distintas copias recibidas en cada antena sean independientes. En teoría, si así fuera, se podrían transmitir simultáneamente tantos streams de datos como el mínimo número de antenas en transmisor y receptor –en general, el extremo limitante es el terminal móvil. Desgraciadamente, en la mayoría de los casos la realidad no es así, ya que las antenas en el terminal móvil no pueden estar lo suficientemente alejadas como para tener caminos independientes.

Posteriormente se desarrolló la teoría de la tecnología MU-MIMO (Multi-User MIMO), en la que los terminales móviles tienen pocas antenas –incluso sólo una- y los distintos streams se transmiten para/desde distintos terminales móviles. Cabe notar que el canal observado desde los distintos terminales es mucho más rico –caminos más independientes– ya que los terminales móviles se encuentran a mayor distancia.

Es precisamente a raíz de este último concepto que aparece el concepto de massive MIMO, una tecnología llamada a revolucionar las comunicaciones móviles. Esta tecnología permite, mediante la instalación de paneles con decenas –o incluso cientos- de antenas de dimensión reducida, la transmisión simultánea en tiempo y frecuencia a cientos de terminales móviles –el valor se determina a partir del número de antenas instaladas en el panel. Gracias al gran número de antenas en la estación base, es posible pre-codificar la señal transmitida para conseguir que cada uno de los streams llegue con alta potencia a la localización en la que se halla el terminal móvil deseado y con potencia mínima –reducción de posibles interferencias- al resto de terminales.

De manera intuitiva, massive MIMO se puede entender del siguiente modo: en entornos de visión directa entre transmisor y receptor –llamados Line of Sight, LoS- la estación base crea haces de radiación muy direccionales dirigidos hacia cada uno de los terminales –llamado normalmente beamforming. Por el contrario, en entornos sin visión directa –llamados No Line of Sight, NLoS- el transmisor codifica la señal de tal forma que es posible combinar constructivamente las distintas réplicas de la señal en el terminal móvil concreto y destructivamente en el resto del escenario.

Es precisamente este comportamiento el que permite definirlo como multiplexación en el espacio –en inglés, spatial multiplexing. Hasta el momento el transmisor tenía dos grados de libertad: el tiempo y la frecuencia. Las transmisiones para/desde los usuarios se distribuían en el tiempo y en la frecuencia. Ahora, además, se distribuirán en el espacio, pudiendo transmitir a –o recibir desde- decenas o algún centenar de terminales móviles usando las mismas frecuencias durante el mismo instante de tiempo. Este hecho será, sin duda, una de las grandes revoluciones de las futura comunicaciones móviles.

Para aquellos que tengan conocimientos de Information Theory y deseen profundizar en el tema, existe un libro gratuito escrito por algunos de los expertos más reconocidos a nivel mundial –los doctores Emil Björnson, Jakob Hoydis y Luca Sanguinetti- que puede ser descargado gratuitamente en el siguiente enlace.

[1] 3GPP es la organización internacional que agrupa a todos los actores implicados en la estandarización de las tecnologías de comunicaciones móviles a nivel mundial: http://www.3gpp.org/

Ferran Adelantado es profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicaciones e investigador senior del grupo de investigación WiNe (Wireless Networks) de la UOC. Es ingeniero en Telecomunicaciones y doctor por la UPC y graduado en Ciencias Empresariales por la UOC. Actualmente, es el director del programa doctoral NIT (Network and Information Technologies).

1 Comment

  1. Buen artículo!! La verdad es que nos hemos acostumbrado a vivir conectados y día a día nuestra vida se hace más dependiente de la “conexión”. Saludos!

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