Diseño de sistemas de comunicaciones mediante simulación digital

,.. DISENO DE SISTEMAS DE COMU- NICACIONES MEDIANTE SIMU- / LACION DIGITAL José A. Delgado P~nín Depa amen o de Teo ía de la Señal y Comunicaciones A modo de in oduccióu El análisis y diseño de sis- emas de comunicaciones median e he amien as in o má icas da a de i- nal de los años sesen a. En el inicio de los años se en a se p odujo una sepa- ación de los in es igado es e inge- nie os que se dedicaban a la p oble- má ica de los sis emas de ansmisión, de aquellos que se ocupaban de ele á ico y dimensionado de edes de elecomunicación. Las he amien- as concep uales y de o mulación ma emá ica e an y son di e en es y oda ía no exis e una eo ía uni icada que acili e el análisis y diseño de o ma conjun a. En es e b e e a iculo se p e ende in o ma de unas he a- mien as que son necesa ias cuando se a a de analiza y/o diseña sis emas de ansmisión que ienen cie a complejidad. La e i icación del compo ~mien o de los sis emas an- edichos puede hace se analí icamen e o median e sucesi as p uebas de un p o o ipo del mismo o u ilizando la simulación median e o denado . Con ecuencia, las dos p ime as al e na- i as no son posibles, bien po la com- plejidad del modelo ma emá ico que ep esen a el sis ema o po el cos e de ab icación del p o o ipo. En ales casos es posible ecu i a la simula- ción, que consis e en el es udio del sis ema median e el a amien o de- allado de su ep esen ación ma e- má ica usando un o denado . Pa a que los esul ados que se ob ienen de la simulación sean e- p esen a i os del compo amien o del sis ema eal se necesi a que el modelo ma emá ico que ep esen a a dicho sis ema in e p e e odos los enóme- nos que inciden signi ica i amen e en su uncionamien o y, que además, los e o es de simulación que su gen de la ep esen ación de magni udes analógicas en o ma o digi al, edon- deo, écnicas de es ima de p omedios con mues as ini as, e c., sean des- p eciables. El p ocedimien o que acili a la simulación se basa en écnicas de ep esen ación de señales y sis emas en el dominio empo al disc e o [1,2,3,4,5], las cuales pe mi en exp e- sa la salida de un bloque en un ins an- e de obse ación, en unción de un núme o ini o de mues as de la en ada y de la salida del susodicho bloque. Una ez que se dispone de las elacio- nes de en ada/salida pa a odos los subsis emas que componen un sis e- ma, se aducen median e un lenguaje de p og amación de uso gene al (FORTRAN, C, PASCAL, e c.) y se o denan de mane a secuencial o pa- alela pa a cons i ui un p og ama uen e. Den o de la plani icación de una simulación digi al, el p og ama uen e suele i acompañado de una pa e cuya misión es ep esen a el algo i mo de e aluación de unciones ep esen a i as del compo amien o del sis ema. 51 Una ez desa ollado el p og ama uen e el p ocedimien o con inúa como en la o ma habi ual de abajo con p og amas de o denado . Cuando inalmen e se ob ienen unos esul ados ejecu ando el p og ama, el diseñado del mismo e ec úa un con- jun o de p uebas ace ca de la e osi- mili ud de los mismos; pueden habe se come ido e o es de simulación de- pendien es del ango de los da os de en ada del p og ama u o os. En odo caso, aunque no se p odujesen e o es de ejecución los esul ados no se ían ep esen a i os. El simulado uni e sal TOPSIM En la ac ualidad exis en a- ios simulado es de sis emas de co- municaciones que han nacido en ám- bi os uni e si a ios po enca go de indus ias o agencias de in es igación y desa ollo [5]. En e ellos, hay di e- encias de modelado y a amien o in o má ico, al es el caso de BOSS y COSSAP con elación a TOPSIM. TOPSIM es un paque e de simulación desa ollado po el Poli- écnico de Tu in en colabo ación con la Agencia Espacial Eu opea (es el simulado o icial de ESA) y con al- gunos en es como sub con a is as pa ciales (en e ellos la UPC) [ 12] desde 1975. En la ac ualidad se en- cuen a en la e sión TO PSIM -IV [5]. El lenguaje acili a una des- c ipción sencilla de los di e en es bloques uncionales que cons i uyen un sis ema. El p ocesado po pa e de un modelo digi al se compo a como un simulado en iempo eal, lle ando a cabo una simulación en el dominio del iempo. Las señales y sis emas que se conside an en TOPSIM son de los ipos banda base o banda asladada y cualquie señal/sis ema se a a como un ec o con 3 componen es. El modelado u ilizando dicha ep esen- ación es el aspec o mas impo an e pa a con igu a la elección de la e- cuencia de mues eo, que no depende de la ecuencia cen al de las señales/ sis emas sino del ancho de banda de dichas señales/sis emas. La es uc u a del lenguaje es a o ien ada pa a acili a le el dise- ño al usua io. Cada bloque uncional se ep esen a po una sen encia con un conjun o de pa áme os écnicos y unas en ada y salida, espec i amen- e. Po ejemplo, si se desease simula una cadena con igu ada po un il o de Bu e wo h y un disposi i o alineal, el diseñado debe da un nomb e simbólico a odas las señales implicadas en la cadena. En e ec o, a cada bloque se le hace co esponde una sen encia TOPSIM de la siguien- e mane a: Yl<FILBUT( .... ) <x Y2<BPNOL( .... ) <Yl donde X es la en ada al il o, Yl1a salida del il o y, Y2 la salida del disposi i o alineal. La lib e ía de bloques simulables en TOPSIM-IV comp en- de ce ca de 350 bloques di e en es, en e los que se encuen an oda clase de il os analógicos (Bu e wo h, Bessel, coseno ealzado, de inidos po pun os expe imen ales, e c.); modulado es y demodulado es u ili- zados en ansmisión digi al (pSK, MSK, QAM); codecs de uen e y ca- nal (bloque y con olucionales); p ocesado es de señal digi ales (ND, D/A, codecs ocales con di e en es leyes, e c.); subsis emas de sinc onización de po ado a y símbo- lo; gene ado es de señales alea o ias (analógicas y disc e as con memo ia) y bloques pa a ealiza medidas y e aluaciones (con aje de e o es, a- lo es cuad á icos, his og amas, diag amas de «sca e », y de «ojo»,e c.). Comen a ios sob e algunas aplicaciones ac uales La simulación digi al es una he amien a impo an e en odo labo- a o io indus ial que p e ende se compe i i o. El camino a inicia en odo diseño de sis emas de comunica- ción pa e del es udio de iabilidad de un sis ema. Es e p incipio me odológico su ge como conse- cuencia de la complejidad de los sis- emas de comunicación que son so- po e de nue os Sis emas o se icios de elecomunicación o elemá ica. Así, son de in e és hoy en día las: comunicaciones digi ales co- di icadas a a és de sa éli es alqui- lados [6,7]; las adiodi usiones digi ales desde sa éli e a ie a [7]; las comunicaciones mó iles u ilizando sa éli es y aquellas celula es u ilizando espec o ensanchado y écnicas CDMA [9,10] yen el caso de sopo e ísico, las ansmisiones óp icas u ili- zando ib as monomodo y de ecciones cohe en e o po pola ización [11]. Todos los sis emas an e io es has sido y son diseñados pa iendo de simula- ciones como p ime a ap oximación a los p oblemas que plan ean. No es posible el in en o de esolución de dichos p oblemas sin la u ilización de simulado es con unas ca ac e ís icas muy iables y con as adas, como son: una buena modelización; iempos de simulación lo mas co os posibles; e aluaciones iables; sopo es in o má icos con baja complejidad pa a el diseñado /analis a; e c. El simulado TOPSIM es uno le los que sa is acen ca ac e ís i- cas como las indicadas an es y en lo que sigue se hacen algunos comen a- ios e indicaciones bibliog á icas pa a el lec o in e esado. En el campo de las comuni- caciones digi ales codi icadas ía sa- éli e, el p oblema p incipal es el di- seño de ecep o es e enales que puedan ecibi in o mación a eloci- dades del o den de 120Mbi /sg. Un sis ema que acili e un enlace e enal 52 con al capacidad exige un modelo de ansmisión codi icada muy comple- jo (del o den de 25 bloques con abili- zando codecs TCM, il os, alinealidades, p ocesado de Vi e bi, señales in e e en es, bloques gene a- do es TDMA, sinc onizado es espe- ciales, e c.). Resul ados pa a usos in- dus iales ( ealización de ci cui os VLSI) pueden encon a se en la e e- encia [6-pag. 103]. Las adiodi usiones digi ales desde sa éli e plan ean p oblemas añadidos a los comen ados en los pá- a os an e io es en cuan o se e ie e a la posibilidad de ecibi señales codi- icadas en mó iles desplazándose en di e en es ambien es e es es. Aquí la simulación debe con empla un, p oblema muy ac ual: la modelización del canal de adiocomunicación mó- il con p esencia de des anecimien o y ocul ación de señal( «shadowing» ) cuando el ansmiso es a si uado en el sa éli e de la ie a. Recibi señales digi ales a 256Kbi /sg en un mó il e enal u ilizando modulaciones digi ales codi icadas es hoy en día un desa ío oda ía no esuel o sa is ac- o iamen e. Algunos esul ados pue- den consul a se en la e e encia [7] donde se ha analizado un modelo de- sa ollado po ESA u ilizando TOPSIM-IV. El ema de las comunicacio- nes mó iles e es es (pe sonales o en in e io es de edi icaciones) o e e- nales (bajo la pe spec i a de la eleco- municación espacial) es á ligado undamen almen e a es aspec os: el ipo de señal codi icada a u iliza ; el ipo de acceso en la con igu ación de una ed de comunicaciones y la banda de adiocomunicación que se usa. Los modelos de señal codi icada son si- mila es a los ya comen ados; el ipo de acceso po di isión de código (CDMA) es una buena al e na i a po la expe iencia ya acumulada y, el modelo de canal es mo i o de ue es polémicas según cons a en la li e a u a écnica. De nue o ep es e caso, las expe iencias indus iales y de la ESA si en de pun o de e e encia de como se a an es os p oblemas median e simulaciones TOPSIM [10]. Una úl ima conside ación es la dedicada a la ansmisión digi al u ilizando esquemas de modulación óp ica cohe en e a a és de ib as óp icas monomodo. Es e ipo de sis e- mas o ece sus mayo es complicacio- nes en el conjun o canal de ansmi- sión/ ecep o . Los esquemas conoci- dos deASK,FSK, PSKyDPSKes án dando paso a.nue os esquemas de modulación que u ilizan la pola ización de la luz como base pa a ex ae unos pa áme os (pa áme os de S okes) que pe mi an cons ui nue os ecep o es cohe en es y he e odinos. Aquí la simulación se hace necesa ia dadas las ca ac e ís i- cas an di e en es de los posibles e- cep o es de señal digi al pa a las capa- cidades usuales en es os sis emas (600 Mbi /sg a 1,2 Gbi /sg)[ll]. A modo de conclusión La simulación digi al de sis emas de comunicación ( ansmi- sión) es una he amien a que u iliza medios in o má icos (incluida la in- o má ica g á ica de « en anas») y que debe in e esa a las pe sonas que se ocupen/ocupa án del diseño/aná- lisis de sis emas que sopo en cua- lesquie a se icios de Telecomunica- ción o Telemá icos. Los simulado es ac uales es án en con inuo desa ollo a causa de las ingenie ías de Comunicaciones e In o má ica, espec i amen e. No obs an e, la impo ancia de los mismos eside en el cómo se esuel e el p o- blema de la modelización de los di- e sos sis emas, y no an o en la can- idad de bloques que pueda ene un simulado . El usua io debe ene en cuen a, que las di icul ades in o má icas son sopo ables si la modelización es b illan e y sencilla ( di ícil a ea). En de ini i a, un pa- que e de simulación se á muy ú il si los modelos incluidos han sido elegi- dos con enien emen e y se adecúan a las si uaciones eales que se p e en- den ep oduci . JOSÉ A. DELGADO- PENÍN es ca ed á ico de Teo ía de la señal y comuniciones. Ha in es i- gado y enseñado en di e sas uni e sidades ex ange as. Los especiales de BURAN En a as de un expansionismo sin lími es, la Bu an deja la pue a abie a a aquellos que deseen ealiza su p opio Bu an Especial ... ¿Inc eí- ble? No, odo lo que hay que ene son las ganas, el iempo, y la po- sibilidad de desa oya un ema especí ico. Los miemb os que ac- ualmen e abajamos en la e is- a, ayuda íamos a inancia , y a elabo a la publicación. Siendo los au o es del especial los enca ga- dos de busca los a ículos, eali- za la po ada , edi a la e is a y, po supues o, de con ola la cali- dad del con enido del especial BURAN, e iden emen e den o de sus posibilidades. La ex ensión del especial se ía de 50 a 60 páginas, con po - ada a dos colo es, y un núme o a de e mina de g á icas y o og a- ías (las que se pudiesen paga ). 53 El g upo puede se an o un depa amen o como un con- jun o de amigos con una misma a ición, con colabo aciones ex e - nas (o as uni e sidades). El plazo, en e la p esen- ación del g upo y la publicación del núme o, es de seis meses, pa a e i a que pudiese obs aculiza el abajo de o os g upos in e esa- dos; si no se pudie a cumpli el plazo, los a ículos del especial pasa án a o ma pa e del ondo del BURAN egula , pa a su pos- e io publicación. Los dis in os especiales han de man ene , en la medida de lo posible, el o ma o ac ual de la e is a, con ello se p e ende e i a que los se es humanos COn menos medios (es udian es) se ean dis- c iminados po la (p e isible) as uosidad con que los depa a- men os que án ealiza sus espe- ciales.