5.7:4G, Radio de Cuarta Generación

El sistema celular 4G proporciona velocidades de datos de enlace descendente de\(100\text{ Mbit/s}\) mientras es móvil y\(1\text{ Gbit/s}\) mientras papelería. Las velocidades de datos de enlace ascendente son mucho más bajas en\(50\text{ Mbit/s}\). Las tarifas máximas se asignan a un área de servicio celular y se comparten pero dependen de que la tasa de datos promedio de un usuario sea mucho menor. Proporcionar estas velocidades de datos se basa en una serie de avances significativos sobre 3G:

• Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM). Usando un número muy grande de canales de banda estrecha, por ejemplo\(1200\), teniendo cada canal de banda estrecha la modulación de orden más alto posible. Cada canal de banda estrecha tiene su propia subportadora que se modula individualmente. Obtiene el problema de trayectorias múltiples donde las malas características del canal que afectan a un rango estrecho de frecuencias no limitan las tasas de bits generales.
• Modulación de alto orden. Una unidad terminal soporta un gran número de formatos de modulación, varios métodos de modulación PSK y métodos QAM que van desde 16-QAM hasta 1024-QAM. La modulación y la demodulación se implementan en una unidad DSP.
• Prefijo cíclico (CP). Permite el uso de transformadas discretas eficientes de Fourier en el transmisor. Simplifica el hardware al producir un PMEPR más bajo que el que se obtendría si se proporcionara una banda de guarda de nivel cero para superar la interferencia causada por multitrayecto.
• Entrada múltiple, salida múltiple (MIMO). MIMO utiliza múltiples antenas para transmitir y recibir señales explotando rutas independientes de transmisión-recepción para aumentar la capacidad total entre una estación base y una unidad terminal. Multiplica las velocidades de datos por el número de antenas de transmisión o recepción (que alguna vez es menor).
• Acceso omnipresente. Las unidades terminales admiten muchas tecnologías de acceso (por ejemplo, 2G—4G, WiFi, Bluetooth, etc.) y conmutan sin problemas entre ellas. Dado que 4G es un sistema basado en IP, los datos se pueden enviar en cualquier red, por ejemplo, la utilización de WiFi reduce las demandas en la red celular.

Estos avances requieren una tremenda potencia informática disponible por VLSI avanzado de baja potencia y desarrollos en módems de RF de baja potencia. Otro aspecto crítico de 4G (y ahora 5G) es el despliegue de una hoja de ruta bien pensada llamada Evolución a Largo Plazo (LTE) que permite avances incrementales (aunque significativos) basados en mejoras implementadas previamente.

La línea de tiempo LTE se muestra en la Figura 5.9.4, 4G comenzó efectivamente con la versión 9 implementada primero a finales de 2010 con esta versión introduciendo MIMO y OFDM (a definir último). Hay cambios fundamentales en la interfaz física, y 4G utiliza Internet Protocal (IP) exclusivamente para voz (voz sobre IP—VoIP). Las versiones posteriores introdujeron más conceptos y aumentaron la cobertura de datos. 4G y ahora 5G no pueden coexistir con sistemas 3G y se deben asignar bandas separadas. Eventualmente 3G desaparecerá. Vale la pena señalar que 5G es compatible hacia arriba con 4G.

La Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones de la ITU ha asignado muchas bandas a 4G que van desde\(450\text{ MHz}\) hasta\(5850\text{ MHz}\). No hay una sola banda que se pueda usar en todo el mundo, pero los teléfonos celulares están diseñados para soportar

Banda	Modo	Uplink\((\text{MHz})\)	Downlink\((\text{MHz})\)	Anchos de Banda\((\text{MHz})\)	Regiones
\(3\)	FDD	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1710-1755\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1805-1880\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1.4, 3, 5, 10, 15, 20\)	Asia, Partes de África, Europa, Partes de América Latina, Oceanía
\(12\)	FDD	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(699-716\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(729-746\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1.4, 3, 5, 10\)	Norteamérica, Asia, Partes de África, Europa, Partes de América Latina
\(40\)	TDD	\ ((\ text {MHz})\)” rowspan="1">\(2300-2400\)		\ ((\ texto {MHz})\) ">\(5, 10, 15, 20\)	Asia, Partes de Europa, Oceanía
\(41\)	TDD	\ ((\ text {MHz})\)” rowspan="1">\(2496-2690\)		\ ((\ texto {MHz})\) ">\(5, 10, 15, 20\)	Partes de África, Partes de Asia, Estados Unidos

Tabla\(\PageIndex{1}\): Bandas LTE seleccionadas utilizadas en 4G.

Ancho de banda	Bloques de recursos	Subportadoras (enlace descendente)	Subportadoras (enlace ascendente)
\(1.4\text{ MHz}\)	\(6\)	\(73\)	\(72\)
\(3\text{ MHz}\)	\(15\)	\(181\)	\(180\)
\(5\text{ MHz}\)	\(25\)	\(301\)	\(300\)
\(10\text{ MHz}\)	\(50\)	\(601\)	\(600\)
\(15\text{ MHz}\)	\(75\)	\(901\)	\(900\)
\(20\text{ MHz}\)	\(100\)	\(1201\)	\(1200\)

Tabla\(\PageIndex{2}\): Recursos para diferentes anchos de banda LTE.

Figura\(\PageIndex{1}\): Espectro OFDM con cuatro subportadoras que muestran ortogonalidad.

múltiples bandas. Las características de las bandas representativas se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Ancho de banda de canal, con un canal que tiene una sola portadora, van desde\(1.4\text{ MHz}\) hasta\(20\text{ MHz}\), ver Tabla\(\PageIndex{2}\). Cada portadora tiene subportadoras correlacionadas, cada una modulada para producir un subcanal con un ancho\(15\text{ kHz}\) de banda amplio.

5.10.1 Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal

En OFDM, los datos se dividen en muchos flujos de bits, modulando cada flujo de bits una subportadora que produce un subcanal de banda relativamente estrecha y a un usuario se le asignan múltiples subcanales. En 4G estos subcanales son de 15 kHz de ancho en funcionamiento normal y\(7.5\text{ kHz}\) amplios en un rico entorno multitrayecto con una gran dispersión de retardo en exceso como se describe en la Sección 4.7. El concepto detrás de esto es que al tener un ancho de banda estrecho, la duración de un símbolo es larga y superará el exceso de propagación de retardo. Esto minimiza el impacto de la interferencia entre símbolos (ISI) cuando un símbolo que viaja en una ruta rápida se superpone con el componente de un símbolo anterior que viaja en una ruta más larga. Además, cada subcanal puede modularse con la modulación de orden máximo habilitada por las características de ese canal en particular. Para que esto funcione las subportadoras deben ser ortogonales y espaciadas con precisión en frecuencia y tiempo. La ortogonalidad se muestra en el espectro de la Figura\(\PageIndex{1}\), donde las flechas en la parte superior indican puntos de muestreo para dos subportadoras. La ortogonalidad de las subportadoras se ve al notar que el pico de una subportadora está en los ceros de las otras subportadoras. Cuando se muestrea una subportadora, la contribución de todas las demás portadoras es cero; son ortogonales. Los espectros de las subportadoras se superponen, pero esto no importa.

En 4G, los grupos de\(12\) subportadoras durables\(0.5\text{ ms}\) se agrupan en un bloque de recursos que es la asignación mínima a un usuario. En las comunicaciones con un teléfono, una estación base (llamada nodo B en 4G y 5G) asigna un número específico de subportadoras. Estos pueden no ser contiguos en el enlace descendente, como se muestra en la Figura 5.4.1 (d), pero son contiguos en el enlace ascendente. El número de subportadoras asignadas a un usuario particular varía de acuerdo con los requisitos de velocidad de datos y el orden de modulación utilizado con cada subportadora que se ajusta para acomodar las características del subcanal, incluyendo el desvanecimiento y la interferencia.

Al comunicarse con un solo usuario, el flujo de bits total se codifica por error y luego el flujo de bits se divide para que diferentes partes del flujo de bits se envíen a través de múltiples subcanales, extendiendo así los datos codificados. Como resultado 4G implementa ensanchamiento de espectro pero a una tasa de codificación mucho menor que la propagación en 3G. Esto mitiga aún más el impacto del multitrayecto que puede afectar la integridad de los subcanales individuales. La intensidad de la señal y la interferencia, y por lo tanto SIR, pueden diferir para cada canal y esto se compensa teniendo diferentes velocidades de bits en cada subcanal y ensanchando los datos más la codificación de corrección de errores.

Un segundo efecto de multitrayecto se conoce como propagación de retardo. Los componentes de la señal transmitida que siguen diferentes rutas llegan a un receptor en diferentes momentos. Si la duración de tiempo de un símbolo es corta, que es el caso si se usa modulación de banda ancha, entonces los componentes de una señal, correspondientes a un símbolo, siguiendo rutas más largas podrían llegar al mismo tiempo que los componentes del siguiente símbolo siguiendo trayectorias más cortas. Esto causa interferencia entre símbolos. Con la mayor duración de símbolos con OFDM y un intervalo de banda de guarda (que ahora es relativamente corto) entre símbolos, la interferencia entre símbolos puede reducirse en gran medida.

Implementación

OFDM podría implementarse mediante el uso de moduladores y demoduladores separados para cada subportadora. En cambio, los moduladores y demoduladores separados son reemplazados por una transformada rápida de Fourier (FFT) y una FFT inversa (iFT), respectivamente, implementadas en una unidad DSP llamada procesador de banda base. En el transmisor el iFT produce una señal modulada a una frecuencia portadora intermedia baja. Por ejemplo, una señal OFDM de\(1.4\text{ MHz}\) ancho de banda podría ser una señal DSB-SC con una frecuencia central, es decir, una frecuencia portadora IF,\(700\text{ kHz}\) pero por lo demás parecería idéntica a la señal OFDM transmitida final. Luego, un convertidor ascendente SSB-SC traduce la señal OFDM a una señal de radiofrecuencia. Cada una de las entradas de frecuencia variables en el tiempo de la iFFT se centra en una frecuencia de subportadora. Cada una de las entradas de frecuencia es una secuencia de muestras de tiempo de una señal modulada que varía lentamente implementando el método de modulación seleccionado para ese subcanal. Al recibir la entrada de la FFT es la secuencia de muestras de tiempo de la señal modulada centrada en la portadora IF que ha sido convertida descendentemente de RF. Cada una de las salidas de la FFT corresponde a una muestra de tiempo de una subportadora modulada individual.

Dado que la señal OFDM combina muchas subportadoras moduladas individualmente, el PMEPR de OFDM es grande pero crece relativamente lentamente con el número de subportadoras. El PMEPR más alto, en comparación con una sola portadora modulada, introduce desafíos de diseño de microondas especialmente para mezcladores y amplificadores.

Figura\(\PageIndex{2}\): Componentes de una trama en 4G para un canal\(1.4\text{ MHz}\) de ancho de banda. La trama\(10\text{ ms}\) larga, arriba a la izquierda, tiene una matriz de bloques de recursos cada uno con una duración de ranura de\(0.5\text{ ms}\) y un ancho de banda de\(180\text{ kHz}\). Esta trama tiene un ancho de banda de\(1.08\text{ MHz}\) datos con bandas de\(160\text{ kHz}\) guarda para un ancho de banda total de\(1.4\text{ MHz}\). (La banda guard-band difiere para los canales que tienen otros anchos de banda. Cada bloque de recursos tiene siete símbolos OFDM, cada uno compuesto por siete símbolos durante un intervalo de símbolos. Hay\(84\) símbolos (Siete símbolos OFDM) por bloque de recursos (con 1024- QAM que tiene\(10\text{ bits}\) por subportadora\(840\text{ bits}\) se transmiten por bloque de recursos).

Sin embargo, dado que la mayor parte del trabajo pesado se realiza en DSP que al ser numérico está libre de distorsión, el convertidor ascendente se simplifica.

Bloques de recursos

La forma en que se implementa OFDM en 4G se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\) para una señal modulada de\(1.4\text{ MHz}\) ancho de banda. Los subcanales en 4G están organizados en una trama que es\(10\text{ ms}\) larga. Dentro de la trama, los subcanales se agrupan en bloques de recursos cada uno de los cuales tiene una duración de\(0.5\text{ ms}\) y un ancho de banda de\(180\text{ kHz}\). El bloque de recursos es la unidad más pequeña asignada a un usuario y un usuario puede tener muchos bloques de recursos simultáneos y muchos bloques de recursos secuenciales. Un recurso negro tiene muchas subportadoras e intervalos de símbolos y la longitud exacta y ancho de banda de un solo segmento de simbolo-subportadora tiene un modo normal utilizado la mayor parte del tiempo, y dos modos extendidos que manejan entornos severos de múltiples trayectorias. En el modo normal, cada bloque de recursos tiene\(71.4\:\mu\text{s}\) siete símbolos largos por subportadora y hay\(12\) subportadoras. (Los modos extendidos tienen mayor duración de símbolos y\(7.5\text{ kHz}\) ancho de banda).

En OFDM existen subcanales que están reservados para tonos piloto que envían flujos de datos conocidos y estos pueden ser utilizados para caracterizar el canal. Los subcanales piloto se denotan como\(\mathsf{P}\) en la Figura 5.4.1 (d). Los subcanales piloto dedicados permiten la recuperación de portadoras. Por lo tanto, no es necesario restringir la modulación evitando transiciones a través del origen del diagrama de constelación (o más precisamente el fasor de la subportadora modulada). Por lo tanto, es posible una eficiencia de modulación casi ideal para las subportadoras de datos.

Resumen

OFDM ha sido tremendamente exitoso y solo tuvo que esperar a que avanzaran las capacidades del VLSI de baja potencia. Ahora es ampliamente utilizado en comunicaciones incluyendo WiFi, comunicaciones cableadas (por ejemplo, línea de abonado digital (DSL)) así como en 4G y 5G.

5.10.2 Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal

El acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), también conocido como OFDM multiusuario, es la versión multiusuario de OFDM que admite la comunicación simultánea por múltiples usuarios y también lo es una tecnología de acceso. El esquema de acceso se ilustra en la Figura 5.4.1 (d) donde se ilustra un canal y podría tener un ancho de banda que varía de\(1.4\text{ MHz}\) a\(20\text{ MHz}\). Podría haber\(1201\) subcanales por lo que no se muestran todos estos. Los subcanales se agrupan en grupos contiguos de\(12\) subcanales para formar un bloque de recursos\(1\text{ ms}\) -long (\(24\)\(7.5\text{ kHz}\)-subcanales anchos en modo extendido utilizados con un entorno multipath muy rico). Entonces, lo que se numeran en la Figura 5.4.1 (d) son los bloques de recursos. En OFDMA, generalmente se asignan uno o más bloques de recursos a un usuario particular y estos no necesitan ser contiguos en el enlace descendente sino que son contiguos en el enlace ascendente ya que entonces el PMEPR es más bajo.

Esto reduce la demanda del amplificador de potencia en la unidad terminal. Efectivamente, hay una sola portadora en el enlace ascendente y por lo tanto el esquema de acceso de enlace ascendente también se denomina acceso múltiple por división de frecuencia de portadora única (SC-FDMA) o acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal de portadora única (SC-OFDMA). En el enlace descendente la estación base está usando todos los subcanales que se comunican simultáneamente con múltiples unidades terminales pero en el enlace ascendente cada unidad terminal solo usa unas pocas. Los usuarios comparten subcanales piloto, designados como\(\mathsf{P}\) en la Figura 5.4.1 (d).

5.10.3 Prefijo cíclico

El prefijo cíclico (CP) se refiere al esquema utilizado para acomodar el exceso de propagación de retardo resultante del multitrayecto. Dado que los símbolos enviados en diferentes rutas llegan a la antena de recepción con varios retardos, puede haber superposición de un símbolo que llega en una ruta rápida con un símbolo anterior que llega en una ruta más larga. Esto podría resultar en interferencia entre símbolos (ISI). En 4G podría haber habido un intervalo de guarda puesto a cero (es decir, sin señal) para eliminar ISI. En cambio, en 4G, se usa un prefijo cíclico (CP) mediante el cual se prefija un símbolo repitiendo la parte final de un símbolo. Un símbolo de un bloque de recursos se muestra en la parte inferior de la Figura\(\PageIndex{2}\). Cada símbolo del bloque de recursos es\(66.7\:\mu\text{s}\) largo con un prefijo cíclico que normalmente es\(4.7\:\mu\text{s}\) largo pero más largo para el primer símbolo del bloque de recursos y cuando está en modo extendido que se usa en entornos severos de rutas múltiples. \(^{1}\)El CP\(4.7\:\mu\text{s}\) largo corresponde a un

Figura\(\PageIndex{3}\): Esquemas dúplex utilizados en 4G con diez subtramas en una\(10\text{ ms}\) trama.

diferencia en las longitudes de ruta de\(1.4\text{ km}\). Este prefijo cíclico proporciona el intervalo de guarda requerido. Hay varias ventajas al copiar el final de un símbolo y repetirlo antes del símbolo. Esto reduce el PMEPR que resultaría si el intervalo de guarda no tuviera señal, y permite utilizar una transformada discreta de Fourier en el procesamiento de la señal. Esto es esencial para la implementación eficiente del VLSI de OFDM.

La repetición del prefijo cíclico para cada símbolo en un bloque de recursos es equivalente a repetir el final de cada símbolo OFDM al inicio de un símbolo OFDM (el agregado de símbolos a través de todas las\(12\) subportadoras constituye un símbolo OFDM). La repetición permite determinar el inicio de cada símbolo OFDM ya que el CP se correlaciona con el final del símbolo. El prefijo cíclico también ayuda a caracterizar el canal y eliminar la distorsión dentro del símbolo OFDM.

5.10.4 FDD frente a TDD

El dúplex por división de frecuencia (FDD) y el dúplex por división de tiempo (TDD) son dos esquemas dúplex soportados en 4G aunque solo se admite un modo u otro en una banda en particular, por ejemplo, consulte la Tabla\(\PageIndex{1}\). FDD y TDD están dispuestos en tramas\(10\text{ ms}\) que comprenden diez subtramas de\(1\text{ ms}\) duración, ver Figura\(\PageIndex{3}\). En FDD, Figura\(\PageIndex{3}\) (a), hay enlaces ascendentes separados, denotados, y enlace descendente\(\mathsf{U}\), denotados\(\mathsf{D}\), bandas de frecuencia y transmisiones de enlace ascendente y enlace descendente son simultáneas. El uso de espectro emparejado requiere un buen diplexor para aislar el receptor y el transmisor. En TDD, Figura\(\PageIndex{3}\) (b), el enlace ascendente y el enlace descendente utilizan la misma banda y hay transmisiones separadas de enlace ascendente, denotadas\(\mathsf{U}\), y de enlace descendente, denotadas\(\mathsf{D}\), en diferentes bandas de frecuencia. En TDD, las transmisiones de enlace ascendente y enlace descendente son simultáneas. La propagación del canal es la misma en ambas direcciones al menos en\(10\text{ ms}\) tanto que la movilidad no sea demasiado alta. TDD permite la asignación dinámica de capacidad de enlace ascendente y enlace descendente.

5.10.5 Entrada múltiple, salida múltiple

La tecnología de entrada múltiple, salida múltiple (MIMO, pronunciado my-moe) utiliza múltiples antenas para transmitir y recibir señales. El concepto MIMO fue desarrollado en la década de 1990 [27, 28] e implementado en 4G y 5G, y varios sistemas WLAN. Hay varios aspectos a MIMO. Primero, cada antena de transmisión envía diferentes flujos de datos simultáneamente en el mismo canal de frecuencia que otras antenas de transmisión. La característica más interesante

Figura\(\PageIndex{4}\): Un sistema MIMO que muestra múltiples trayectorias entre cada antena de transmisión y cada antena de recepción.

es que MIMO se basa en señales que viajan en múltiples rutas entre una matriz de antenas de transmisión y una matriz de antenas de recepción. En un sistema de comunicaciones convencional las diversas trayectorias dan como resultado interferencia y desvanecimiento, pero en MIMO estas rutas se utilizan para transportar más información. En un sistema MIMO, cada ruta propaga una imagen de una señal transmitida (desde una antena) que difiere tanto en amplitud como en fase de las imágenes que siguen otras rutas. Efectivamente hay múltiples conexiones entre cada antena de transmisión y cada antena de recepción, ver Figura\(\PageIndex{4}\). Para simplificar, se muestran tres antenas de transmisión y tres antenas de recepción. Sin embargo, MIMO puede funcionar con tan solo dos antenas de transmisión y dos antenas de recepción. En MIMO, un flujo de datos de alta velocidad se divide en varios flujos de datos más lentos, que se muestran en la Figura\(\PageIndex{4}\) como los\(\mathsf{c}\) flujos de bits\(\mathsf{a}\)\(\mathsf{b}\), y. Los distintos flujos de bits se modulan por separado y se envían desde su propia antena de transmisión, con los diagramas de constelación de las señales moduladas transmitidas etiquetadas\(\mathsf{A}\)\(\mathsf{B}\),, y\(\mathsf{C}\). Las señales de cada una de las antenas de transmisión llegan a todas las antenas de recepción siguiendo diferentes rutas no correlacionadas.

La salida de cada antena de recepción es una combinación lineal de los múltiples flujos de datos transmitidos, con los diagramas de fasores de RF muestreados etiquetados\(\mathsf{M}\),\(\mathsf{N}\), y\(\mathsf{O}\). (No es realmente apropiado llamar a estos diagramas de constelación). Es decir, cada antena receptora tiene una combinación lineal diferente de las múltiples imágenes. En efecto, la salida de cada antena receptora puede considerarse como la solución de ecuaciones lineales, con cada enlace de antena de transmisión-antena receptora correspondiente a una ecuación. Continuando con la analogía, la señal de cada antena transmisora representa una variable. Por lo que se puede resolver un conjunto de ecuaciones simultáneas para obtener los flujos de bits originales. Esto se logra mediante la demodulación y mapeo usando el conocimiento de las características del canal para producir las señales transmitidas originales modificadas por interferencia. El resultado es que los diagramas de constelación\(\mathsf{W}\),\(\mathsf{X}\), y\(\mathsf{Y}\) se obtienen. El canal compuesto se puede caracterizar usando señales de prueba conocidas. La codificación especial llamada codificación espacio-temporal (o espacio-temporal) incrustada en el flujo de datos transmitido también permite la estimación de la matriz de comunicación. La codificación espacio-tiempo codifica cada flujo de datos transmitido con información que se puede usar para actualizar la caracterización del canal.

La capacidad de un sistema MIMO con alta SIR escala aproximadamente linealmente con el mínimo de\(M\) y\(N\)\(\text{min}(M,N)\), donde\(M\) esta el numero

Esquema de modulación	Capacidad\(\text{bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio)
		MIMO con\(M=2, N=2\)
		SIR\(0\text{ dB}\)	SIR\(10\text{ dB}\)	SIR\(20\text{ dB}\)	SIR\(30\text{ dB}\)
BPSK	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) ">\(1\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(0\text{ dB}\) “>\(1.2\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(10\text{ dB}\) “>\(2\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(20\text{ dB}\) “>\(2\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(30\text{ dB}\) “>\(2\)
QPSK	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) ">\(2\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(0\text{ dB}\) “>\(1.6\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(10\text{ dB}\) “>\(3.7\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(20\text{ dB}\) “>\(4\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(30\text{ dB}\) “>\(4\)
8-PSK	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) ">\(3\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(0\text{ dB}\) “>\(1.6\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(10\text{ dB}\) “>\(4.8\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(20\text{ dB}\) “>\(6\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(30\text{ dB}\) “>\(6\)
16-PSK	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) ">\(4\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(0\text{ dB}\) “>\(1.6\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(10\text{ dB}\) “>\(4.9\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(20\text{ dB}\) “>\(7.5\)	\ (\ text {bits/s/Hz}\) (bits por segundo por hercio) MIMO con\(M=2, N=2\) SIR\(30\text{ dB}\) “>\(8\)

Tabla\(\PageIndex{3}\): Capacidad de esquemas MIMO con modulación PSK para diferentes SIR recibidos en comparación con la capacidad máxima de un esquema convencional no MIMO. \(M\)es el número de antenas de transmisión,\(N\) es el número de antenas de recepción. Datos de [31].

de antenas de transmisión y\(N\) es el número de antenas de recepción (siempre que haya un rico conjunto de rutas) [29, 30]. Por lo que un sistema con\(M = N = 4\) tendrá cuatro veces la capacidad de un sistema con solo una antena de transmisión y una antena de recepción. Table\(\PageIndex{3}\) presenta la capacidad de un sistema MIMO con modulación PSK ideal y dos antenas de transmisión y dos de recepción. Esto se compara con la capacidad de un sistema convencional (no MIMO). La capacidad se presenta en bits por segundo por hercios y se observa que se obtienen aumentos significativos en el rendimiento cuando la SIR es alta. MIMO es una forma exitosa de aumentar la capacidad y se incluye en WiFi moderno, radares y otros sistemas de comunicación.

En resumen, los sistemas MIMO logran mejoras de rendimiento y rango a través de cuatro ganancias logradas simultáneamente:

1. Ganancia de matriz resultante del aumento de la SIR recibida promedio obtenida mediante la combinación coherente de señales. Para explotar esto se debe caracterizar el canal. Esto aumenta la cobertura y la calidad de servicio (QoS).
2. Ganancia de diversidad obtenida presentando al receptor múltiples copias idénticas de una señal dada. Esto combate el desvanecimiento. Esto también aumenta la cobertura y QoS.
3. Multiplexación de ganancia mediante la transmisión de señales de datos independientes desde diferentes antenas para aumentar el rendimiento. Esto aumenta la eficiencia espectral.
4. Reducción de interferencia cocanal. Esto aumenta la capacidad celular.

5.10.6 Agregación de portadoras

La agregación de portadoras (CA) es una de las principales características que introdujo 4G. En la agregación de portadoras, los flujos de bits en diferentes portadoras se combinan para producir una tasa de bits global más alta que la que puede soportar una portadora. Esto permite que se transmitan altas velocidades de bits a corto plazo a un terminal. El concepto completo admite la combinación de flujos de bits con portadoras que se encuentran en diferentes bandas de frecuencia (llamadas CA inter-banda), la misma banda de frecuencia (llamada CA intra-banda), diferentes celdas e incluso en una combinación de bandas con licencia y sin licencia (piense en WiFi). Se trata de 4G LTE-A que combina agregación de portadoras y MIMO que logra, e incluso puede superar, el\(1\text{ Gbit/s}\) objetivo pico de 4G. Un objetivo típico de 4G LTE A es combinar cinco portadoras. Los estándares 4G, lanzamiento 3GPP\(13\), admite agregación de\(32\) portadoras y hasta\(3\text{ Gbit/s}\).

5.10.7 IEEE 802.11n

El sistema WiFi IEEE 802.11n no es 4G pero esto se discute aquí para indicar que muchos de los conceptos que se incorporan en los sistemas inalámbricos

Índice MCS	Flujos espaciales	Tipo de modulación	Tasa de codificación\(R_{i}/R_{c}\)	Velocidad de datos\((\text{Mbit/s})\)
				\(20\text{ MHz}\)canal		\(40\text{ MHz}\)canal
				\(800\text{ ns}\)GI	\(400\text{ ns}\)GI	\(800\text{ ns}\)GI	\(400\text{ ns}\)GI
\(0\)	\(1\)	BPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(6.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(7.20\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(13.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(15.00\)
\(1\)	\(1\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(13.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(14.40\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(27.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(30.00\)
\(2\)	\(1\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(19.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(21.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(40.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(45.00\)
\(3\)	\(1\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(26.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(28.90\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(54.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(60.00\)
\(4\)	\(1\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(39.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(43.30\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(81.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(90.00\)
\(5\)	\(1\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(2/3\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(52.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(57.80\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(108.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(120.00\)
\(6\)	\(1\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(58.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(65.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(121.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(135.00\)
\(7\)	\(1\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(5/6\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(65.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(72.20\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(135.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(150.00\)
\(8\)	\(2\)	BPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(13.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(14.40\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(27.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(30.00\)
\(9\)	\(2\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(26.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(28.90\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(54.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(60.00\)
\(10\)	\(2\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(39.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(43.30\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(81.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(90.00\)
\(11\)	\(2\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(52.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(57.80\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(108.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(120.00\)
\(12\)	\(2\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(78.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(86.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(162.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(180.00\)
\(13\)	\(2\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(2/3\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(104.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(115.60\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(216.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(240.00\)
\(14\)	\(2\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(117.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(130.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(243.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(270.00\)
\(15\)	\(2\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(5/6\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(130.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(144.40\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(270.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(300.00\)
\(16\)	\(3\)	BPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(19.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(21.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(40.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(45.00\)
\(17\)	\(3\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(39.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(43.30\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(81.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(90.00\)
\(18\)	\(3\)	QPSK	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(58.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(65.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(121.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(135.00\)
\(19\)	\(3\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(1/2\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(78.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(86.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(162.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(180.00\)
\(20\)	\(3\)	16-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(117.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(130.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(243.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(270.00\)
\(21\)	\(3\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(2/3\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(156.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(173.30\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(324.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(360.00\)
\(22\)	\(3\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(3/4\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(175.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(195.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(364.50\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(405.00\)
\(23\)	\(3\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(5/6\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(195.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(216.70\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(405.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(450.00\)
\(\cdots\)	\(4\)	\(\cdots\)	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(\cdots\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(\cdots\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(\cdots\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(\cdots\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(\cdots\)
\(31\)	\(4\)	64-QAM	\ (R_ {i} /R_ {c}\) ">\(5/6\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(260.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(20\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(288.90\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(800\text{ ns}\) GI">\(540.00\)	\ ((\ text {Mbit/s})\)\(40\text{ MHz}\) canal\(400\text{ ns}\) GI">\(600.00\)

Tabla\(\PageIndex{4}\): Tasas de datos utilizadas en el estándar 802.11n. MCS es el índice del esquema de modulación y codificación. GI es el intervalo de guarda. Con un canal\(20\text{ MHz}\) -wide hay subportadoras de\(52\) datos, y otras\(4\) subportadoras adicionales, llamadas pilotos, permiten la recuperación de portadoras y monitorean las características del canal. Con un canal\(40\text{ MHz}\) -ancho hay subportadoras de\(108\) datos y subportadoras\(6\) piloto. \(R_{i} =\)velocidad de bits de información, tasa de bits\(R_{c} =\) codificada. \(R_{c}\)es la tasa de bits de información más bits añadidos para la corrección de errores. Por lo tanto, una tasa de codificación de\(5/6\) significa que por cada bit de\(5\) información hay un bit de código adicional (redundante).

aparecen por primera vez en WiFi. IEEE 802.11n es un ejemplo de un sistema de comunicación de datos que combina muchos conceptos avanzados. El sistema 802.11n utiliza MIMO, OFDM y muchas subportadoras dedicadas para la caracterización continua del canal y la recuperación de portadoras. El estándar 802.11n utiliza varios tipos de modulación, como se muestra en la Tabla\(\PageIndex{4}\), y admite el uso de un\(20\text{ MHz}\) canal\(40\text{ MHz}\) ancho o ancho. Puede haber uno, dos, tres o cuatro flujos espaciales y estos son iguales al mínimo del número de antenas de transmisión y recepción. Si el número de antenas de transmisión o recepción es mayor que el número de flujos espaciales, las antenas adicionales se utilizan para la diversidad de receptor o transmisión. Bajo las mejores condiciones con SNR alto, correlación insignificante de las rutas de antena de transmisión a recepción, y cuatro antenas de transmisión y cuatro de recepción,\(31\) se utiliza el índice de esquema de modulación y codificación (MCS). Con este índice, la modulación utiliza 64-QAM y\(5/6\)

Figura\(\PageIndex{5}\): Diagrama de bloques de un modulador OFDM.

codificación. Este modo admite una velocidad de datos de\(600\text{ Mbit/s}\) si se usa un intervalo de\(400\text{ ns}\) guarda. Este intervalo de guarda, en lugar del intervalo de guarda de 800 ns, se utiliza cuando hay una dispersión de retardo baja. Si la SNR es menor, se utiliza un esquema de modulación de orden inferior.

5.10.8 Modulador OFDM

La estructura básica de un modulador OFDM se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Desde la perspectiva de un solo usuario, un flujo de bits\(S_{k}\) se divide por un convertidor de serie a paralelo para producir múltiples flujos de bits más lentos, cada uno de los cuales se mapea en señales complejas\(x_{i}\) que se convierten en las entradas de frecuencia de un iFT. Las salidas de la iFT son señales de banda base en el dominio del tiempo reales e imaginarias\(i_{\text{BB}}′(t)\) y\(q_{\text{BB}}′(t)\). En cada intervalo de símbolo\((i_{\text{BB}}′(t),\: q_{\text{BB}}′(t))\) indica un símbolo. El\(i_{\text{BB}}′(t)\) y\(q_{\text{BB}}′(t)\) pasa a través de un generador de prefijos cíclicos que copia el final del símbolo y lo prefije al principio del símbolo. A continuación, la salida de los generadores de prefijo cíclico es conformada por un filtro FIR (generalmente un filtro de coseno elevado) para producir las señales I/Q conformadas\(i_{\text{BB}}(t)\) y\(q_{\text{BB}}(t)\) que se introducen en un modulador en cuadratura con una frecuencia portadora intermedia para producir una señal de frecuencia intermedia DSB-SC modulada señal\(s_{\text{IF}}(t)\). Por ejemplo, si el rango de frecuencia de\(i_{\text{BB}}(t)\) y\(q_{\text{BB}}(t)\) van desde justo por encima de CC hasta justo por debajo de\(700\text{ kHz}\) la elección de\(f_{c,\text{ IF}} = 700\text{ kHz}\) los resultados en una señal modulada\(1.4\text{ MHz}\) amplia\(s_{\text{IF}}(t)\) que es una señal modulada DSB-SC OFDM. La totalidad del modulador OFDM en la Figura\(\PageIndex{5}\) se implementa digitalmente en una unidad DSP.

5.10.9 Resumen de 4G

En la capa física, el estándar 4G introduce y combina OFDM, agregación de portadoras (CA) y MIMO para lograr enormes velocidades de datos que,

Figura\(\PageIndex{6}\): Capacidad de velocidad de datos de 4G como evolución a largo plazo de 3G.

en un sistema 4G completamente implementado logra la descarga de datos de baja latencia a velocidades móviles de hasta\(100\text{ Mbit/s}\) y velocidades mientras está estacionario de\(1\text{ Gbit/s}\). OFDM es la tecnología que envía muchos flujos de bits relativamente lentos a través de subcanales de ancho de banda estrecho para soportar de manera eficiente a múltiples usuarios haciendo el mejor uso de los canales disponibles y evitando muchos efectos de múltiples trayectorias. Reemplaza el uso de códigos de propagación en CDMA para soportar el acceso múltiple y eludir algunos problemas de trayectos múltiples. CA combina múltiples bitsteams enviados en diferentes portadoras e incluso desde diferentes estaciones base para aumentar la tasa de bits general a corto plazo. MIMO usa múltiples, es decir\(M\), antenas de transmisión, en la estación base, y múltiples, es decir\(N\), antenas de recepción, en el teléfono, y explota trayectorias de comunicación no correlacionadas entre pares de antenas de transmisión y recepción. La correlación (idealmente) cero es posible por multitrayecto y la correlación es la más baja si no hay una trayectoria de línea de visión. Si se completa la descorrelación, la capacidad de datos se incrementa en función del mínimo del número de antenas de transmisión, es decir\(\text{MIN}(M,N)\). Si hay alguna correlación, quizás debido al acoplamiento entre las antenas receptoras, entonces\(H ≤ \text{MIN}(M,N)\) se define un factor de capacidad MIMO. Con MIMO es necesario modificar el límite de capacidad de Shannon ya que los sistemas MIMO pueden superar el límite definido para un solo canal. El límite de capacidad de Shannon para un sistema MIMO se convierte en [29]

\[\label{eq:1}\hat{C}=B_{c}\log_{2}(1+\text{SIR}\cdot H) \]

Esto indica que la capacidad de carga del canal se incrementa mucho, especialmente cuando la SIR es alta. La capacidad de velocidad de datos de los sistemas 2G (GSM y CDMA) se contrasta con la capacidad de los sistemas 3G (WCDMA) y 4G en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Notas al pie

[1] En el modo normal el primer CP es\(5.2\:\mu\text{s}\) largo y hay dos modos extendidos. Uno es\(16.7\:\mu\text{s}\) largo y otro es\(33.3\:\mu\text{s}\) largo y luego el ancho de banda de cada subcanal se reduce a\(7.5\text{ kHz}\). En modo normal la sobrecarga es\(7\%\) y en modo extendido la sobrecarga de CP es\(25\%\). Si se usa el primer CP extendido, entonces hay símbolos\(6\) OFDM por bloque de recursos.