Software como Plataforma para Sistemas de Comunicación Actuales y Futuros
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Visión General
Bluetooth, CDMA, WiMAX, ZigBee… con tantos protocolos y estándares inalámbricos emergiendo cada día, es importante contar con una plataforma que permita mantenerse al día en el diseño y validación de los mismos. Es aquí donde un software con capacidades de diseño, simulación e implementación es clave para no quedar rezagado.
Bluetooth, WiMAX, CDMA2000, ZigBee, GSM, EDGE, RFID – esta lista de estándares y protocolos inalámbricos de comunicación cada vez es más grande (ver Figura 1). Además, con dispositivos de nueva generación es cada vez más común poder visualizar video en teléfonos celulares u obtener información de localización a través de sistemas como Google Earth. Todo esto está ocasionando una insaciable demanda por más ancho de banda y cobra una importancia mayor ya que las comunicaciones inalámbricas están sobrepasando a las líneas fijas en muchos países.
Figura 1. La demanda por redes y conectividad inalámbrica ha creado una miríada de estándares inalámbricos en los últimos años.
Impulsados por la “carrera” por liberar más productos al mercado, la investigación y desarrollo va un paso más adelante que los sistemas de pruebas. Los fabricantes están liberando dispositivos ZigBee y 802.11n aún antes de que los estándares estén completos. Esto ha ocasionado que los sistemas de pruebas estándares utilizando instrumentación tradicional se vea retrasada, ya que el proceso de liberar un estándar, diseñar prototipos de dispositivos de pruebas y finalmente desarrollar el equipo final de pruebas de uso comercial es muy tardado. Si consideramos que este modelo se tiene que aplicar horizontalmente para las docenas de diferentes estándares liberándose de forma simultánea, los fabricantes de equipo de pruebas se enfrentan con una decisión difícil – ya sea llegar tarde al mercado con equipo de pruebas compatible con el estándar, o potencialmente gastar millones de dólares en I&D en un estándar que posiblemente no sea liberado. Esto está empujando a los ingenieros a buscar soluciones que sean más flexibles y fáciles de usar.
Probadores Adaptables Definidos en Software
Una manera de mantenerse al corriente en las pruebas a dispositivos inalámbricos y de RF es a través de software, ya que los ingenieros pueden modelar nuevas técnicas o algoritmos de codificación y modulación. La solución lógica es seguir un método definido en software para la instrumentación al usar software de codificación y modulación que permita generar y medir señales a través de instrumentos de RF modulares y de propósito general. Esta alternativa de radio definido por software (SDR, por sus siglas en inglés) para realizar pruebas está completamente basada en la aplicación y definida por el usuario. Un importante organismo detrás de esta estrategia es el Departamento de la Defesa de Estados Unidos. “Para aplicaciones militares, SDR es una tecnología transformadora que permite el desarrollo de una familia de radios verdaderamente interoperable que se puedan comunicar en cualquier escenario de operación con una fuerza aliada en cualquier momento,” menciona el Coronel Steven MacLaird, director del Joint Systems Program y gerente de programas para el JTRS Joint Program (SDR Forum, Agosto 2003). Para ilustrar estas capacidades, la Figura 2 muestra un enlace simple de comunicación digital utilizando el software LabVIEW de National Instruments. Las funciones incluidas son para la codificación de la fuente, codificación del canal, modulación y upconversion del lado del transmisor, y downconversion la demodulación, decodificación del canal, y decodificación de la fuente en el lado de la recepción. Un enlace de comunicación real también incluye equipo de hardware y el canal físico a través del cual la transmisión ocurre.
Figura 2. Al desarrollar con el NI Modulation Toolkit de LabVIEW, los ingenieros pueden modelar su código basados en el sistema de comunicación digital que estén diseñando.
Caso de Estudio: Desarrollo de MIMO-OFDM en la Universidad de Texas
Una aplicación que ilustra la instrumentación definida por software se puede encontrar en el desarrollo de un sistema MIMO-OFDM. La combinación de MIMO (multiple input, multiple output) y OFDM (ortogonal frequency división multiplexing) son dos nuevas tecnologías detrás de recientes estándares emergentes inalámbricos y de datos como comunicación móvil celular 4G y redes Wi-Fi 802.11n, que están diseñadas para aumentar el número de suscriptores y la tasa de datos en teléfonos celulares y computadoras respectivamente. Los beneficios de OFDM incluyen la resistencia a la interferencia de RF, gran eficiencia espectral, y una distorsión menor, mientras que MIMO asegura un ancho de banda mayor utilizando propagación de señales. El Wireless Networking and Communications Group (WNCG) en la Universidad de Texas en Austin estudió las características de este sistema para validar la investigación y los beneficios de MIMO-OFDM. El estudio realizado por tres miembros del WNCG involucró dos componentes principales – simulación e integración total con hardware – y fue completado en un lapso menor a seis semanas.
Para la parte de simulación, el grupo utilizó NI LabVIEW por sus funciones de simulación de datos y análisis (conocidos como VIs). El entorno de LabVIEW también cuenta con dos toolkits diseñados específicamente para diseño de sistemas de comunicación, simulación y análisis: el NI Spectral Measurements Toolkit y el NI Modulation Toolkit. Con estas herramientas, el grupo pudo controlar directamente los parámetros del sistema, incluyendo la codificación del canal, potencia, y tasas de transferencia, además de poder agregar atenuaciones e interferencias a los canales para determinar la inmunidad del sistema y su respuesta. El grupo también utilizó la simulación para transmitir datos en vivo e información y así ver el efecto que ocasionaba ajustar los parámetros de la capa física y las características del canal, lo que es posible solamente en un sistema definido por software. Además, el equipo de WNCG pudo verificar las consecuencias en la tasa de transferencia de datos al ajustar el número de antenas y los algoritmos procesando los datos recibidos por las antenas. En este entorno, los miembros del WNCG pudieron evaluar efectivamente, mediante la simulación, los beneficios y puntos de mejora de MIMO-OFDM para la comunicación de nueva generación. La Figura 3 muestra una de las interfaces utilizadas por WNCG durante el estudio de MIMO-OFDM.
Figura 3. La interfaz MIMO-OFDM del grupo WNCG de la Universidad de Texas utilizó LabVIEW para comparar la imagen enviada con la imagen recibida.
Adaptando el Software de Simulación para su Implementación Completa
El equipo posteriormente reutilizó el código de software de la simulación para desarrollar el sistema de hardware inalámbrico de recepción/transmisión de MIMO-OFDM. Ellos pudieron utilizar instrumentos modulares de NI para desarrollar el sistema, incluyendo un módulo generador de formas de ondas arbitrario para generación de frecuencias en banda base e IF, y un módulo convertidor de frecuencias para establecer el enlace del sistema MIMO-OFDM. De forma similar, los miembros de WNCG utilizaron un módulo digitalizar y de conversión de RF para el transceptor en el lado de la recepción. Estos módulos fueron instalados en un chasis PXI con un controlador embebido para una alta tasa de transmisión y procesamiento en tiempo real. La Figura 4 ilustra este sistema que incluye un generador de señales de vector PXI-5660 y el analizador de señales de vector PXI-5670.
Figura 4. Este es el diagrama de bloques del sistema de transmisión y recepción MIMO-OFDM con dos antenas.
Una vez desarrollado el sistema, los miembros del WNCG pudieron verificar su hipótesis y resultados de la simulación con sistemas de hardware para transmisión y recepción. Ya que simularon y diseñaron el transmisor y receptor de MIMO-OFDM en software, pudieron experimentar una transición directa de la simulación a la implementación real en menos de seis semanas.
Los Sistemas de Comunicación Definidos por Software Ofrecen una Plataforma Escalable y Adaptable a Futuro
La tendencia hacia sistemas de pruebas de comunicación basados en software continuará creciendo. Las organizaciones están adoptando está alternativa ya que les permite desarrollar sus sistemas de pruebas en paralelo con los estándares. La definición de pruebas en software ofrece una solución para sistemas de comunicación actual y, aún más importante, ofrecen un nuevo paradigma y plataforma para sistemas emergentes de comunicación en el futuro.
Ron Harrison
RF and Communications Product Marketing Manager
Descargue ejemplos del NI Modulation Toolkit de LabVIEW, y otros recursos de RF y Comunicaciones
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